大连交通大学2015届本科生毕业设计（论文）调研报告
调研报告
1.课题的来源及意义
电磁搅拌利用电磁效应实现熔体的搅拌，熔炼时使温度和成分均匀、连铸时控制凝固过程的工艺。实质是借助在铸坯液相穴中感生的电磁力，强化钢水的运动。具体地说，搅拌器激发的交变磁场渗透到铸坯的钢水内，就在其中感应起电流，该感应电流与当地磁场相互作用产生电磁力，电磁力是体积力，作用在钢水体积元上，从而能推动钢水运动。
包晶反应是液相与一种或多种晶体相反应生成另一种晶体相的相变过程。包晶凝固是十分重要的相变过程，一系列包晶合金以其特殊的性能为人们所关注，凝固过程中形成的相和微观结构对这些材料的最终性能具有非常重要的影响。在改进现有材料性能的过程中，人们对深入理解包晶凝固理论提出了更高的要求。
本课题是电磁搅拌细化Zn-Cu合金机理研究。
2.包晶合金的研究进展及应用
二元包晶合金的凝固过程一般均涉及到连续的包晶或与共晶的复合相变。在实际的二元合金系中,经常碰到包晶转变。由包晶转变机理可知,包晶产物是依附在初生相表面形核长大的。利用这一点设法在熔体内首先形成大量的固相质点,包晶产物就在这些质点表面形核长大,可以达到细化目的。工业生产中通常在铝和铝合金中加入少量的钛;在铜和铜合金中加入少量铁;或在镁和镁合金中加入少量锆,都是利用包晶转变的特点达到细化晶粒的目的的。不但工业生产中应用了包晶转变来改变材料的性能,而且近几年对于某些铁磁材料、超导材料、形状记忆材料及耐高温材料等功能材料的研究和开发也涉及到了包晶反应,可见人们对包晶型合金的研究兴趣日益增加。目前关于二元包晶合金的研究主要有以下3个方面:包晶凝固的形核机理、包晶转变中的相竞争与选择以及某些具有液相不混溶间隙包晶合金的研究。
包晶凝固具有的重要性人们已有所认识,但对于此过程的研究并未像对单相及共晶凝固那样深入。值得指出的是:对于单相和共晶凝固微观组织,目前已具有十分深入的理论分析和相当精确、定量的数学模型,而对于包晶反应的研究仍然不够系统,包晶反应中的某些相和微观结构的形成规律仍存在一定的争议,包晶凝固微观组织的形成规律长期以来仅限于定性的描述。这就需要进行大量基础理论与实验研究,发展并建立一个精确定量的包晶凝固理论模型,以更准确地指导生产实践。在已发表的二元包晶合金的文献中,几乎没有发现研究其液态结构方面的文献。对于固态而言,液态是其母态,固态是在对液态辩证否定的基础上产生的,因此固态中必然继承了液态中的某些信息;同样,对液态而言,固态是其母态,液态是在对固态辩证否定的基础上形成的,因此液态中也必然保留了固态
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的有益成分。研究二元包晶合金的液态和固态的结构及其相互关系,必将具有重要的理论意义和实际意义。研究液态和固态之间的遗传性,是一个既有挑战性又有重大意义的课题。
从目前已有文献介绍的情况来看，Zn-Cu包晶合金的应用，今后将主要集中于电气工业和电子工业以及交通工业。合金的成形工艺及铸造工艺将日臻完善，可以期待压力下成形并与一定的热处理工艺相结合，使性能大幅度提高。合金的腐蚀和老化的研究及等温性能的研究都将日益深入。为了适应合金的进一步深入研究，其基础理论的深入研究指日可待，合金的不平衡相图，合金化理论，沉淀析出理论研究将更加独立、系统地进行。
总之，目前国际上Zn-Cu包晶合金的发展研究势头迅猛，方兴未艾，Zn-Cu包晶合金的潜在市场宏大，应用前景十分宽阔。我国锌铜资源丰富，蕴藏量居世界前列，立足国内富有资源，大力发展Zn-Cu包晶合金的研究和应用，具有重大经济意义。
上世纪90年代至今，科研工作者对锌铜包晶合金的发展作了大量的工作。 李双明 [1]等综述了包晶合金定向凝固中包晶相的形核与生长机制，讨论了利用最高界面生长温度假设以及成分过冷和充分形核判据下包晶合金的微观组织与相选择规律，对包晶相的3种生长机制进行了分析，并在Sn-Cu包晶合金定向凝固实验中发现其包晶反应不仅存在于凝固界面处，在后续冷却过程中也能进行，最后针对国内外包晶合金定向凝固研究的现状，提出了其需要进一步研究的问题。
王猛[2]等为了对包晶合金的凝固组织演化、组织及相选择规律、快速凝固条件下的层片生长结构及其形成原因进行系统性研究, 选择了亚包晶、过包晶以及接近包晶点成分的四组试样,在45K/mm的温度梯度和2μm/s-6400μm/s的凝固速度区间进行了定向凝固实验。研究中大仙，随着凝固速度的提高，低速的胞状生长有向高速条件下的有序层片组织转变的趋势，并在3200μm/s以及6400μm/s的高速凝固条件下Zn-2.0wt%Cu合金中获得了典型的两相层片状生长组织,其组织形貌与较低速度条件下形成的列状胞晶组织有显著差异。采用计算相图方法对Zn-Cu包晶相图的亚稳分支进行了考察,发现在高速凝固条件下,由于界面非平衡效应和界面张力作用的影响,平衡的包晶相图将发生向亚稳共晶相图的转变,并据此对两相层片状生长组织的形成机理进行解释。结合共晶凝固层片间距计算的相关理论模型对这种凝固组织的层片间距进行了分析,发现基于亚稳相图的共晶层片间距模型可以对实验中观察到的两相层片间距给出较好描述。
张瑞杰[3]等研究了Zn-2.75%Cu合金在传统Bridgeman法和ACRT-B法下定向凝固组织的差别。着重讨论了生长速度和液相强制对流对Zn-Cu包晶定向凝固组织的影响。实验发现,在Bridgeman法定向凝固过程中,生长速度的增加使得液相中的温度梯度减小,一次枝晶间距减小,一次枝晶间距与生长速度和温度梯度的关系式为:λ=0.6064R-0.25GL-0.5。强制对流使得一次枝晶发生分叉和偏转。并且随着对流强度的加大,一次枝晶间距降低,二次枝晶的生长被抑制。包晶反应的存在,使得枝晶的尖端和
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二次枝晶熔解,造成了固相中枝晶和初生枝晶的差别。
苏云鹏[4]等利用Bridgman法对Zn-2%Cu(质量分数)包晶合金进行了快速定向凝固实验研究,当生长速度在1 600～6 400μm/s时,得到了类似于共晶的层片状组织。利用X射线衍射仪及透射电镜对层片状组织进行了相组成的分析,并结合计算亚稳相图对该组织的相及组织形成规律进行了分析,结果表明在快速凝固条件下Zn-2%Cu包晶合金中实现共生生长是可能的。
马东[5]等采用Bridgman定向凝固法研究了不同生长速度下Zn-3.37%Cu(质量分数)包晶合金的凝固过程及其组织形态.当生长速度高于1.0 mm/s时,出现片层状类共晶生长,且片层间距和生长速度的关系很好地符合λv1/2=(216±42)μm3/2·s-1/2关系,该数值与多数共晶系相比偏高.这类共晶组织在包晶合金中的发现有助于对包晶合金凝固过程的进一步研究。
林鑫[6]等利用5kw连续波CO:激光器对Zn一2%Cu包晶合金进行了表面决速熔凝实验研究,扫描速率从6mm/s至1207mms/随着凝固速率的提高,该合金微观组织形态由低速平界面向层片状组织、浅胞晶直至高速绝对稳定平界面转变.实验结果表明,该合金微观组织演化规律与利用林鑫等的数值模型和Jackson-Hunt的共晶模型相结合所得到的界面响应函数作出的预测结果吻合较好。
黄卫东[7]等对Zn-2%Cu包晶合金进行了定向凝固实验研究,考察了在不同凝固速度条件下获得的凝固组织,并对其组织构成及尺度分布进行了分析.结果表明,组织从低速到高速经历了棒状胞晶一等轴晶一列状胞晶一板状胞晶一共生结构的转变,其中高速组织特征间距久与凝固速度。之间存在5477=560.5的关系,与低速胞晶组织相比较有显著差异;同时在没有出现平界面生长的条件下获得了包晶共生生长组织,由此对包晶共生生长的平界面假设提出了质疑。
吴建春[8]等对采用不同冷却速度、不同散热条件的铸型得到的Zn-2.98Cu包晶合金的微观组织进行了研究。研究表明:在常规的砂型和金属型铸锭中,其微观组织为ε相+η相基体;在具有定向温度梯度的铸锭中,得到了定向的ε相枝晶+η相基体和定向的层片状(ε+η)组织;并对层片状组织做了进一步分析,得到的Zn-Cu包晶合金层片间距平均值λ=4.06μm。
3.电磁搅拌的研究现状及应用
在连续铸钢发展初期，铁制造者们已认识到钢液的凝固及铸坯质量受液相穴钢液的运动和诸如对流、传热、收缩等基本物理现象的影响。毫无疑问，磁搅拌的研究是以优化上述运动和现象以提高钢的质量和消除不利因素等为目标的。
电磁搅拌装置(Electro-Magnetic Stirring)英语缩写为EMS。目前采用电磁搅拌装置已经成为板坯连铸设备为提高铸坯产品质量的重要途径,其作用就是在铸线扇形段上安装多段电磁搅拌用的电磁线圈, 在各段辊内的电磁线圈上施加低压、低频、大电流的交流
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电源, 电磁力线贯穿铸坯的凝固相(即坯壳部分),在将要冷却凝固的钢水内部产生强磁场,通过钢水内流动的感应电流相互作用, 使液向部分能定向移动及旋转运动,从而对铸坯内的液相钢水进行搅拌,使铸坯内部结晶组织均匀, 提高了板坯的质量。
弭光宝[9]等采用同心三螺旋线流动性测试装置，通过对比试验的方法，获得了不同浇注温度条件下未经电磁搅拌处理经电磁搅拌处理及电磁搅拌后再保温处理的铝合金流动指数和凝固组织，进而探讨了电磁搅拌对合金熔体结构的影响。结果表明：与未经电磁搅拌处理相比，经电磁搅拌处理后合金熔体的流动指数明显提高，浇注温度722℃时，流动指数提高约2%，浇注温度670℃时，流动指数提高约13%，其本质原因在于电磁搅拌作用使熔体中微观不均匀的Si-Si原子集团尺寸和形状发生改变，进而使熔体温度场与浓度场更加均匀、形核率得到进一步提高。
田战峰[10]等采用自行开发的电磁搅拌器,研究了多种不同电磁搅拌方式，在不同工艺条件下，单独施加或复合施加对Alsi7Mg合金微观组织的影响。试验结果表明:单一施加旋转感应电磁搅拌时，浆料径向组织很不均匀;单一施加无芯感应电磁搅拌，当搅拌电流较小时，径向组织也不均匀,增大电流浆料质量有明显改善。采用(旋转感应十无芯感应)复合电磁场进行复合电磁搅拌时，可在电流较小时获得满意的浆料质量。
战国锋[11]等通过试验研究了电磁搅拌对高温合金GH3030铸坯的凝固组织及凝固过程中溶质分布的影响。GH3030合金的凝固微观组织为单相奥氏体，电磁搅拌可以打碎枝晶、促进形核，明显细化其晶粒，得到组织致密，晶粒细小的凝固组织。没有电磁搅拌的情况下，铸坯的宏观偏析和微观偏析都比较严重。通过施加电磁搅拌，熔体的流动使得熔体内的传热得到改善，凝固前沿温度梯度变小，同时促进溶质富集区液体与熔体其他部分的混合，从而减轻了Cr元素在铸坯中的宏观偏析和微观偏析\"使Cr元素分布的更加均匀，铸坯质量得到提高。
杨必成[12]等研究了不同电磁搅拌频率和不同冷却速度对MgAl9Si合金凝固组织的影响，比较了搅拌和不搅拌两种工艺下得到的不同组织。结果表明,电磁搅拌能完全抑制树枝晶的形成,提高搅拌频率能使α-Mg趋于等轴化，延长搅拌时间不能改变晶粒形貌，只能使组织变得更加粗大。此外，电磁搅拌还能促进凝固过程中Mg2Si相的形核。
毛卫民[13]等研究了电磁搅拌参数对连续冷却条件下Z91镁合金组织的影响结果表明当电磁搅拌的频率达到或高于05Hz时，半固态AZglD镁合金浆料或坯料组织中的球状初生固相越来越多，越来越圆整;在电磁搅拌频率为200Hz和冷却速率较低的条件下,搅拌的功率越大，半固态AZ91D镁合金组织中的球状初生固相越多，晶粒也越细小，在电磁搅拌条件下，AZ91D镁合金熔体的激烈流动导致较为均匀的温度场和溶质场、更加剧烈的温度起伏,促进了半固态AZ91D镁合金球状组织的形成，半固态重熔加热使半固态AZ91D镁合金坯料初生固相的形态发生进一步的球化。
焦殿辉[14]等通过采用电磁搅拌制备高碳钢半固态流变浆料并进行半固态成形的方法!研究Cr5MoV、Cr12和Cr12V等高碳钢在电磁搅拌条件下的半固态组织演变过程。
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结果表明：电磁搅拌可以获得非枝晶的初生奥氏体。随着搅拌时间的增加!初生奥氏体的形貌变得愈来愈圆整。在较高固相分数的条件下搅拌，初生奥氏体固相颗粒有粘连现象。EBSD分析结果表明：粘连的固相颗粒呈不同的位向。这些不同位向的颗粒是从不同的晶核生长出来的，在电磁搅拌作用下相互撞击而粘附在一起。
齐雅丽[15]等旋转型电磁搅拌在钢的连续铸造、铸件成形与凝固、半固态浆料制备、液态金属电磁净化等工艺过程中的应用受到了材料工作者的高度重视，并不断地取得了电磁搅拌应用技术开发与理论研究的成果。得到周向速度分布的表达式，研究了旋转型电磁搅拌对连铸坯凝固组织的影响，为在旋转型电磁搅拌应用中工艺参数的优化提供了依据。
刘政[16]等应用变频控制的电磁搅拌装置对低过热度浇注的A356合金熔体进行短时弱电磁搅拌，探讨了不同的搅拌时间对合金凝固组织中的初生a-Al相和共晶相形貌与分布规律的影响，从而得到最佳的电磁搅拌工艺参数。研究表明：A356合金熔体在620℃浇注，并经频率为30HZ的电磁搅拌15s，在615℃保温10min后，初生a-Al的平均等积圆直径55.70平均形状因子达到了0.86，共晶组织颗粒细小致密且分布均匀，此条件下得到的半固态A356合金浆料的室温凝固组织形貌最好。
吴华杰[17]等通过在160 mm×200 mm连铸机上进行的试验，研究了结晶器电磁搅拌对45钢方坯凝固结构的影响。讨论了衡量电磁搅拌效果的指标问题，通过分析磁感应强度、电磁扭矩与电磁搅拌参数的关系可以得出，铸坯等轴晶率变化趋势与电磁扭矩变化趋势有良好的一致性，电磁扭矩比磁感应强度更有效地反映电磁搅拌效果，前者更真实地衡量了电磁搅拌对钢液的搅拌强度，随着搅拌强度的提高，铸坯等轴晶率提高。通过研究,优化了结晶器电磁搅拌工艺,使铸坯等轴晶率达60%以上，改善了中心碳偏析，降低了疏松及缩孔程度。
刘国平[18]等通过数值模拟计算了马钢圆坯连铸(断面尺寸为 450 mm)电磁搅拌参数对磁场分布的影响,并通过生产试验研究了电磁搅拌参数对铸坯质量的影响。模拟计算表明,结晶器磁场强度随着搅拌电流的增加而增大,电流不变时,频率越小,磁场强度越大。现场试验表明,采用电磁搅拌能有效改善铸坯低倍组织,搅拌电流越大,铸坯中心等轴晶比率越高;电磁搅拌还能有效改善铸坯疏松和中心偏析状况。选择合适的电磁搅拌参数可以获得良好的铸坯质量。
4.本试验的研究内容、方法及可行性分析
本课题在铸造过程中，将Zn-Cu包晶合金进行电磁搅拌，其表面经过改性处理后可均与弥散地分布于基体中，作为第二相颗粒，改善材料的组织形态，提高其性能，并重点研究电磁搅拌细化Zn-Cu包晶合金机理。
理论上，电磁搅拌技术已被成功加入到各种金属材料中并良好的改善了其各项力学性能，表明该金属强韧化技术可行。在实际中，本课题组具备试验所需的各种试验条件，能够完成实验任务要求。
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参考文献
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