脉冲电流处理铁基合金的凝固组织特性研究

【摘要】：本文研究了脉冲电流对共晶Fe_(70)Cr_(18)Ni_(12)合金和亚共晶FeMnMoC合金(ZGMn_(13)Mo_2钢)凝固组织的影响,以及0Cr18Ni7Mn5Mo2钢在高密度间歇直流电作用下的凝固组织特性。并利用ANSYS软件对脉冲电流处理金属熔体的凝固过程进行数值模拟。 首先设计并制作一台高频率高能量密度脉冲电流发生装置,使其最高充电电压为50 kV,放电峰值电流为80 kA,并且整机充电时间在15 s以内,有4种放电频率分别为1×10~5 Hz、5×10~4 Hz、2×10~4 Hz、1×10~4 Hz。同时设计并制作了一台与脉冲放电设备配套使用的高温熔化设备,其最高加热温度为1700°C,并且升温速度在30°C/min以上,可实现惰性气体保护,为本研究提供了基础试验条件。 通过脉冲电流发生装置及高温熔化设备对高熔点铁基合金施以脉冲电流处理,系统研究了脉冲电流密度、脉冲频率及脉冲电流处理温度对共晶Fe_(70)Cr_(18)Ni_(12)及亚共晶ZGMn13Mo2钢凝固组织的影响。结果发现脉冲电流处理可明显细化共晶Fe70Cr18Ni12及亚共晶ZGMn13Mo2钢的凝固组织,且凝固组织随着脉冲电流密度的增加和脉冲频率的增大而细化,在本试验研究条件下,其最佳细化效果分别使两种合金凝固组织从120μm和240μm细化到0.6μm和8μm。开始放电温度十分重要,温度过高钢液会产生飞溅甚至发生爆炸现象,温度过低则无法获得均匀的凝固组织,开始脉冲放电处理的最佳温度为在钢的凝固点左右。 0Cr16Ni22Mo2Ti钢在高能量密度间歇式直流电和压力共同作用下,其凝固组织为面心立方结构的纳米晶。 理论计算表明,脉冲电流处理可引起金属熔体温升,但高脉冲频率条件下(1×105 Hz),其温升值对于ZGMn13Mo2钢仅为几度,对于Fe70Cr18Ni12合金仅为零点几度,可以忽略不计;而在脉冲频率很大时脉冲电流密度的增大对金属熔体的温升影响不大,此时,脉冲电流处理引起的温升对金属熔体凝固结晶形核的负面影响可以忽略不计,因此,从理论上进一步证明高频率高能量密度脉冲电流处理金属熔体可以获得超细晶凝固组织。