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脉冲电流凝固细晶技术的机理及应用

李杰  
【摘要】: 细化金属凝固组织是改善材料综合性能的有效手段,一直是材料界关注的热点课题。本文在前人研究的基础上,研究了脉冲电流细化金属凝固组织的条件和机制,探讨了脉冲电流凝固细晶技术的应用前景。 实验研究发现,相同凝固条件以及脉冲电流参数下,以平行电极方式引入脉冲电流的细化效果优于其它电极引入模式,电极的插入深度和过热度对脉冲电流细化纯铝凝固组织的效果没有影响,纯铝凝固组织中等轴晶平均晶粒尺寸在0.3mm左右,等轴晶面积比率在70%左右。采用平行电极引入脉冲电流时,在熔点以上施加脉冲电流没有细化作用;在形核阶段施加脉冲电流细化效果最为显著,且与全程处理时的细化效果相当;在晶体生长阶段施加脉冲电流可促进柱状晶向等轴晶转变。在上述实验的基础上,采用平行电极引入脉冲电流时晶核主要来源于熔体的自由液面。利用游离晶粒隔离实验证实了这一推断,并在此基础上,提出了脉冲电流液面扰动凝固细晶方法。 本文结合电磁场理论求解出脉冲电流及其引起的电磁场在导电熔体内的分布。结果显示,脉冲电流的作用区域主要集中在自由液面,且引起的各场强从表面向熔体内部呈指数衰减。本文建立了脉冲电流能量损耗与各参数之间的理论关系式,表明能量损耗不但与脉冲电流峰值、振荡频率和处理时间有关,还与脉冲电流的作用频率、电极有效宽度以及电极之间的距离有关。与实验相结合,发现在处理时间不变的条件下,提高脉冲电流在熔体内的功率损耗,有利于提高细化效率。分析认为,脉冲电流在熔体表面引起的功率损耗,延缓了自由表面的凝固时间,使自由液面不断产生晶核,晶核在自然对流和电磁力的共同作用下,沿着固液界面前沿向下漂移,若固液界面前沿存在热过冷,则漂移的晶核会逐渐长大,并在底部堆积,最终形成细化的凝固组织。 本文研究了在实验室条件下脉冲电流对GCr15工业用轴承钢凝固组织的影响规律,发现脉冲电流能有效改善轴承钢的枝晶组织结构,且等轴晶随着放电频率的提高不断增多。在有热顶冒口的工艺条件下,应用较低功率损耗的脉冲电流即可达到较好的细化效果。本文在实验室研究的基础上,设计开发了工业试验用大功率脉冲电源以及相关辅助机构,并成功地在宝钢股份公司特殊钢分公司完成脉冲电流细化3.7吨模铸GCr15轴承钢的工业试验。分析初轧锭及成品轧材的内部质量后发现,经脉冲电流处理后铸锭的各质量指标,诸如疏松、组织致密度、碳化物带状、以及宏观碳偏析指数,均有显著的改善。上述试验为脉冲电流凝固细晶技术的大规模工业应用奠定了坚实的基础。


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