组合电磁场在材料凝固过程中的应用和发展

组合电磁场是指通过2个或者2个以上励磁线圈,产生2个或2个以上交互作用的电磁场,并将交互作用的电磁场作用于材料制备过程。组合电磁场在金属凝固过程中的应用可为开发新材料、优化材料制备工艺、提高金属材料制品的综合质量和解决金属材料在制备过程中的技术难题提供新的手段和方法。组合磁场在材料凝固过程中的应用必将成为材料研究领域的新方向。

电磁场在材料凝固过程中的应用

介绍了各种电磁场处理在材料凝固过程中的应用和存在的问题,对从事冶金和铸造领域研究的人员具有一定参考价值。

基于材料学科专业实验室建设与管理模式探讨

结合东北大学材料电磁过程研究教育部重点实验室的实际情况,分析了基于材料学科的专业实验室的独有特征,并提出了适合于材料学科专业实验室建设与发展的"六字方针"(提升、健全、优化),即要努力做到提升实验室建设水平、健全实验室规章制度以及优化实验室师资队伍,为推进素质教育、培养应用型人才、提升学科学术水平,提供良好的外部环境。

电磁搅拌改善铸坯内部质量的实验研究

采用低碳钢进行静态浇铸实验 ,并就电磁搅拌对铸坯内部质量的影响进行了实验研究·实验结果表明 ,电磁搅拌可明显提高铸坯凝固组织的等轴晶率 ,同时又可以改善铸坯内的成分分布状况 ,从而提高铸坯的内部质量·在合理的电磁搅拌参数和浇铸参数条件下能够得到几乎为1 0 0 %等轴晶的铸坯·

静磁场在材料生产过程中的应用研究评述

在材料电磁过程研究中 ,静磁场尤其是强磁场材料科学是当今世界的研究热点。本文从静磁场作用下生成的洛仑兹力和磁化力两个角度系统地归纳总结了静磁场技术在材料生产领域的应用原理和实践。对静磁场下的洛仑兹力 ,主要介绍了流体流动、波动和对流控制、电磁振动及电磁超声波等方面的研究现状 ;对强磁场下的磁化力 ,主要介绍了其在相变、结晶配向、磁悬浮、磁对流等方面的研究进展。

脉冲磁场下电磁力特性研究:凝固实验

采用低熔点金属伍德合金研究了工频脉冲磁场对金属液面波动行为的影响规律:工频脉冲磁场的周向电磁力搅拌熔体使其形成环状涡流;而径向电磁力在其表现为压力作用时使熔体在中心形成圆形液柱,表现为拉力作用时使熔体在中心形成圆形漩涡.另外,采用Sn-20%Pb合金研究了工频脉冲磁场对铸坯质量的影响:工频脉冲磁场的作用不仅使Sn-Pb合金的微观组织明显细化,而且使铸坯的表面质量得到明显改善.在本实验条件下,当脉冲放电频率为3.9和6.6 Hz时,金属熔体的液面发生共振运动,加速了熔体内的流动,从而增强了脉冲磁场的细化效果.

结晶器材料对低频电磁铸造超高强铝合金铸态组织的影响

数值模拟了结晶器材料对低频电磁铸造超高强铝合金过程中铸锭内磁场的影响,空载测定了不同材料结晶器内部的磁场,采用实验进行验证,结果表明,选用高电阻率钛合金材料制作低频电磁铸造结晶器,能够大幅度地减小电磁场在结晶器中的涡流损耗,提高有效功率。在相同条件下,高电阻率钛合金结晶器的铸锭组织细小、均匀,铸锭边部和中部平均晶粒直径分别为24和27μm;而低电阻率铝合金结晶器的铸锭中间和边部的微观组织均为粗大的蔷薇型枝晶,晶粒平均直径分别为38和45μm材料电阻率高的结晶器有利于溶质元素溶入晶内。

电磁软接触连铸圆坯结晶器磁场分布数值模拟研究(Ⅰ)——数学物理模型及数值计算结果的实验验证

描述了自行设计的电磁软接触圆坯连铸结晶器,给出了相应的三维圆坯连铸结晶器电磁软接触电磁场的数学模型.采用有限元方法对数学模型进行数值求解,在对数值计算结果进行实验验证后,系统地研究三维圆坯连铸结晶器内磁场分布.数值解与实验结果误差小于5%.分别考察了结晶器结构参数,钢液液面高度、电流强度等参数对结晶器内磁场分布的影响.定量地得到了结晶器内磁感应强度随各种结构参数和操作参数变化的规律.为电磁软接触连铸圆坯结晶器的设计和实际操作提供了理论依据.

高纯铝多向锻造大塑性变形过程的数值模拟及实验研究

采用多向锻造的方法研究室温下锻造道次对高纯铝组织的影响,并用三维DEFORM软件对实验过程进行模拟。结果表明:经3次多向锻造后,高纯铝试样横截面上形成1个X形的细晶区及4个粗晶区,随锻造道次增至9,细晶区的面积不断扩大,粗晶区的面积不断缩小,但细晶区与粗晶区的晶粒尺寸差异并未消除。当高纯铝试样心部的等效应变量达到2.5时,心部再结晶晶粒尺寸达到70μm,继续增加心部的等效应变至6.0,心部的晶粒不再随等效应变量的增加而细化,达到晶粒细化的极限。而当试样边部难变形区和自由变形区的等效应变量增至4.0时,其再结晶晶粒仍随等效应变量的增加而细化,未达到晶粒细化极限。这表明局部等效应变量及局部变形方式均是影响高纯铝晶粒细化的重要因素。

电磁搅拌对钢坯凝固过程中热工参数的影响

采用自行设计的单侧冷却凝固实验装置进行了有无电磁搅拌作用下钢坯的凝固实验,并通过计算机数据采集系统对钢坯凝固过程中的各种热工参数进行了实时测试和分析·研究结果表明:施加电磁搅拌以后,钢坯凝固初期的铸型热流量明显增加,促进了铸型内钢液过热的耗散,使得钢坯内的温度分布趋于均匀,降低了凝固前沿的温度梯度·这不仅抑制了柱状晶的发展,同时易于在钢液内部同时形核,有利于等轴晶凝固组织的形成,使得钢坯的等轴晶比率由无电磁搅拌作用下的47%提高到76%·这也说明了电磁搅拌促进钢液中的过热耗散是提高铸坯凝固组织中等轴晶比率的重要原因之一·

低频电磁铸造过程中温度场的形成机理

通过理论解析研究了电磁场引起铸造过程中温度场改变的原因,并通过在铸造过程中连续测温的方法进行了实验验证.结果表明,低频电磁铸造对温度场产生影响的主要原因是低频电磁场引起熔体强制对流.强制对流对熔体产生强烈的搅拌作用,促进了熔体内部的热交换,加强了熔体与结晶器壁(石墨环)以及熔体和固液界面的传热,使熔体温度场非常均匀,接近于同一温度.研究还发现,低频电磁铸造过程对浇注温度不敏感,改变浇注温度,结晶器内熔体温度变化不大.

高频电磁场作用下矩形软接触结晶器内金属液面行为的实验研究

利用Sn-Pb—Bi合金研究了高频磁场作用下262 mm×84 mm矩形软接触结晶器内的金属液面行为．结果表明, 金属液面的形状在软接触结晶器的切缝、分瓣体、角部以及宽面和窄面等处存在明显的不均匀性;在角部和切缝处金属液面凸起较大．通过减少角部切缝、周向上不均匀布置切缝的措施,可以改善金属液面变化的不均匀性．当金属初始液位处于线圈高度的中心偏上位置时,高频磁场作用下的金属液面凸起较高,三相点下移较深,且弯月面变形越平直．将液面控制在位于线圈中心偏上位置附近,可达到节约电能和提高铸坯表面质量的目的．实验结果还表明,增加电源功率可显著提高金属液面的高度,弯月面凸起增强, 但功率过高时,金属液面波动加剧．不同材质和结构的结晶器对应不同的最佳功率范围．

低频电磁场对传统热顶铸造6063铝合金凝固过程的影响

在传统热顶铸造过程中施加低频电磁场,使用热电偶测量了稳定铸造阶段从铸锭中心到边部不同位置的冷却过程,得到了铸锭内部的温度分布,分析了低频电磁场对传统热顶铸造6063铝合金凝固过程、宏观组织和表面偏析层厚度的影响.实验表明:低频电磁场使铝熔体产生的强制对流使熔池内的温度分布更加均匀,促进了铝熔体过热的散失,使熔池内的温度低于6063铝合金的液相线温度,提高了熔池内部形核质点的数量,在没有添加细化剂条件下使铸锭宏观组织均匀细小,降低了液穴深度.铝熔体流动速度的加快能增强石墨环与铝熔体之间的换热,使结晶器内铸锭表面初始凝壳点位置上移,减小了铝熔体与结晶器的有效接触高度,提高了铸锭的表面质量.

氮化铁材料的金刚石可切削性实验研究

为解决单晶金刚石切削黑色金属时产生严重磨损这一制造领域难题,对工件表面改性方法进行了深入研究,并探索了新的金刚石可切削材料.对有限厚度的纯铁进行了气体渗氮,并用X射线衍射分析法对渗层进行了物相表征.渗氮纯铁的金刚石可切削性实验结果表明,以氮化铁为主要成分的化合物是一种适于镜面加工的潜在材料(Ra<10,nm);在此研究基础之上,提出了整体单相可控氮化铁粉末冶金钢这一新型模具材料,初步切削实验证明其具有较好的金刚石可切削性,后刀面磨损VB值仅为1.16,μm.

电磁搅拌对Cu-6%Fe复合材料凝固组织的影响

研究了电磁搅拌对Cu-6%Fe复合材料铸态凝固组织的影响.结果表明,在Cu-6%Fe合金凝固组织中存在铁相富集区域,铁相在铜基体中主要以小球状颗粒存在.电磁搅拌能细化铁相颗粒,减小铁相富集区;施加电磁搅拌后,铁相颗粒具有向铸坯中心集中和成团簇分布的趋势,大颗粒铁相主要出现在铸坯中心,铸坯外缘附近的铁相颗粒较细小.增大搅拌电流,晶粒尺寸逐渐减小,富Fe颗粒逐渐被细化,分布逐渐均匀,但富铁相颗粒向铸坯中心集中.合理的搅拌电流和频率,能使晶粒更加细化,有利于铁相的均匀分布和细化.合理的电磁搅拌电流和频率分别约为100～200A和20Hz.

n-SiC_p/1350复合材料低频电磁铸锭挤压材组织与性能的研究

利用低频电磁铸造（LFEC）-热反挤压方法制备了n-SiC/1350复合材料挤压材.通过金相组织观察（OM）、扫描电镜（SEM）、室温拉伸性能以及硬度、导电率等测试手段,研究了该复合材料热反挤压前后的显微组织、拉伸性能以及硬度、导电率的变化情况.结果表明：低频电磁铸造（LFEC）铸锭表面质量显著优于传统直冷半连续铸造（DC）铸锭表面;LFEC制备n-SiCp/1350复合材料铸锭组织中n-SiCp较DC铸锭组织显著均匀弥散,n-SiCp在凝固过程中发生团聚,尺寸为1.0～3.5 μm;LFEC制备复合材料铸锭晶粒较DC制备铸锭晶粒细小;拉伸试验结果表明,热挤压变形后LFEC制备复合材料的抗拉强度140.5 MPa、延伸率24.7％均优于DC铸锭挤压材的抗拉强度132.5MPa、延伸率20％;热挤压后,LFEC制备复合材料的硬度32HV略高于DC铸锭挤压材硬度30HV,导电率54.3％IACS略低于后者的54.6％IACS.

线材水平电磁连铸过程中磁场分布的数值模拟

针对线材电磁水平连铸过程中磁场分布问题 ,建立了二维轴对称有限元模型 .利用AN SYS软件包进行划分网格及计算 ,模拟出了磁场在连铸结晶器区域的分布 .研究了磁场频率对金属熔体内磁感应强度及洛仑兹力的影响 .计算结果表明 :随着频率的增大 ,磁感应强度减小 。

移动电磁场下低碳钢凝固过程枝晶破碎临界条件

为了探讨移动电磁场对低碳钢凝固过程枝晶破碎的影响,进行了移动电磁场下的0.22%～0.34%C(质量分数)低碳钢浇铸凝固实验.对不同磁感应强度下铸坯凝固组织进行了观察,考察了二次枝晶分布,凝固过程冷却速度与二次枝晶间距的函数关系.同时考察了移动电磁场对铸坯柱状晶向等轴晶转变(CET)位置的影响,并对钢凝固过程CET发生时的凝固速度和固相率进行了计算.导出了移动电磁场下合金凝固过程枝晶破碎的临界条件,并通过低碳钢作实验验证,得到了低碳钢凝固CET发生时临界固相率和液相平均流速之间的关系.

低频电磁铸造铝合金结晶器材料优化设计

低频电磁场作用下铸造铝合金过程中结晶器设计的好坏对保证铸坯质量起到很重要的作用。

铝合金低频电磁铸造过程中裂纹的抑制

CREM(casting-refining-electromagnetic)法可消除铝合金铸锭中的裂纹,原因可归结为两方面:一方面通过改善铸造条件使得不可补缩区缩小、内应力或应变降低、金属高温脆性区主要处于受压状态等形式减少了热裂纹形成的诱因.另一方面,通过缩小高温脆性区、提高固液状态伸长率、降低晶界低熔点化合物数量和有效结晶区间线收缩大小等途径提高了合金铸锭的抗热裂能力,从而抑制了裂纹.