电磁场对复杂黄铜凝固组织及性能的影响

郑冰芳, 赵惠芬

(宁波金田铜业(集团)股份有限公司,浙江 宁波 315034)

0 前 言

在铜加工中,熔铸铸坯是决定铜材内在质量和性能的最关键因素之一.目前某司黄铜棒锭坯生产多采用水平连铸技术,凝固组织中柱状晶发达,由于后道加工率较小及其遗传性作用,对后序加工和产品性能均有影响[1-2],因此,对改善铸态组织新工艺的研究非常迫切.

李新涛[3-5]将旋转磁场、工频磁场和中频磁场的电磁搅拌应用于铜管坯水平连铸,改善了铸坯的结晶组织、表面质量和力学性能.可见,将交变电磁场引入连铸过程,可以改善材料的表面质量、细化晶粒、增加铸坯等轴晶率、提高铸坯的加工和力学性能[6].

基于电磁场对材料结晶过程的影响,本试验将中频电磁场应用于黄铜连铸中,探索电磁连铸在黄铜生产中应用的效果和适用性.试验中,分别进行了普通水平连铸和加电磁场水平连铸,研究电磁场作用下黄铜水平连铸铸坯的凝固组织、力学性能和物理性能等,为下一步黄铜的加电磁场水平连铸生产提供合理的电磁场设计和优化铸造工艺.

1 试 验

试验原理和连铸电磁成型装置结构如图1所示.试验装备包括1.5 t级工频有芯感应炉、水平连铸机、电磁成型结晶器、水冷系统、拉坯控制系统和中频电源等.将HPb58-2铅黄铜铸造成φ40 mm的棒材,选用不同的电流、频率,并施加电磁场进行工业生产,考察电流频率、电流强度对铅黄铜棒坯凝固组织、密度和力学性能的影响.

图1 结晶系统装置图

2 结果与讨论

2.1 电磁场对铸坯表面质量的影响

图2为未施加电磁场和施加电磁场铸坯的外观形貌.从图2(a)中可以看出,未施加电磁场的铸坯表面比较粗糙,周向振痕较深,脱锌致氧化锌富集区较大.从图2(b)中可以看出,施加电磁场后,铸坯表面的周向振痕明显减弱,同时材料表面变得更加光滑,脱锌致氧化锌富集区明显减小.根据电磁感应理论可知,水平电磁连铸铸坯表面质量提高的主要原因是:当线圈中通过交变电流时,交变电流在周围空间产生交变磁场,处在交变磁场中的金属将产生感应电流,交变磁场和感应电流相互作用,产生指向金属液内部的电磁压力.在水平连铸条件下,电磁压力抵消了部分重力和金属液的静压力,从而减小了初始坯壳与石墨模具之间的摩擦力,提高了连铸坯的表面质量.同时,感应电流的热效应也影响了结晶器的传热过程,进而改善了液态金属的初始凝固状态,在一定程度上提高了铸坯的表面质量[6-7].

图2 试验铸坯外观形貌

2.2 电磁场对铸坯结晶组织的影响

图3为拉速400 r/min、不同频率与不同电流强度下试验铸坯的显微组织照片.从图3中可以看出,未施加电磁场时,铸坯凝固组织均匀性很差,有明显的粗大柱状晶存在.从图3(b)～图3(d)中可以看出,当施加电磁场后,粗大的柱状晶得到了显著的细化,成为细小均匀的等轴晶,铸坯凝固组织均匀性得到明显改善.随着电磁连铸电源输出电流的增大(0 A→10 A→100 A),等轴晶组织呈现逐渐均匀的趋势,而铸坯内部的柱状晶组织则趋向短粗化,并进一步地向等轴晶化发展.当电源表观电流为100 A时,铸坯断面已无柱状晶组织.从铸坯断面的晶粒数量来看,随输入电流的增大,晶粒明显增多、细化.同样,随着输出频率的提高,也有类似的趋势.

图3 拉速400 r/min、不同频率和不同电流强度下的显微组织

2.3 电磁场对铸坯密度的影响

图4为拉速400 r/min,不同频率和不同电流强度下的试验棒坯密度变化图.图4中,0 Hz代表未加电磁铸造时的试样密度.

图4 相同拉速400 r/min、不同频率和不同电流强度下试验棒坯的密度变化

从图4中可以看出,电磁铸造使试验棒坯的密度增加,提高了棒坯凝固组织的致密性.当频率为30 Hz和50 Hz时,材料的密度最稳定,且基本大于未加电磁场时的试样密度.当电流相同、频率不同时,随着电流的增大,试验棒坯的密度有先减小后增大的趋势.当电流分别为10 A、80 A和100 A时,试验棒坯的密度分布较好.特别是80 A和100 A时,试样的密度除了60 Hz时,均高于未加电磁场时的密度.由此可见,30 Hz/80 A、50 Hz/80 A、30 Hz/100 A和50 Hz/100 A时的试样较好.

试验棒坯密度上述变化的主要原因为:电磁场的搅拌作用促进了铜液中气体释放,并使棒坯组织细化和等轴晶率提高,进而使其致密度提高.但频率会影响磁场分布及金属熔体受力,频率越高,磁场在金属中的渗透能力就越差.熔体受力大小由电流和磁感应强度共同决定.熔体内部的磁感应强度随频率的升高而减小,感应电流却随之增加,熔体受力并不会随频率增加单调变化.因此,在频率为20 Hz和60 Hz时,熔体受力变化复杂,导致结晶不稳定,铸锭的密度变化较大.

2.4 电磁场对铸坯抗拉强度及延伸率的影响

表1为拉速400 r/min、普通连铸和电磁连铸生产(不同频率与不同电流强度)试验铸坯的抗拉强度与延伸率的关系.

从表1中可以看出,电磁连铸坯料与普通连铸坯料相比，其抗拉强度和延伸率提高,且提高幅度与输入电流强度成正比.在连铸中施加电磁场后,铸坯的抗拉强度平均提高了5～10 MPa,延伸率平均提高了1%.这主要是因为电磁场作用下铸坯晶粒细化和均匀化的结果.晶粒细化使晶界面积增加,对位错运动阻碍增强,同时晶粒均匀化使其在塑性变形时的协调性增强,会抑制裂纹萌生和扩展,进而强度和塑性提高,提高了材料的抗拉强度和延伸率.

表1 拉速为400 r/min,不同频率和不同电流强度下的抗拉强度和延伸率的变化Tab.1 Tensile strength and elongation change under different frequency and different intensity of electrical current at drawing speed 400 r/min

抗拉强度和延伸率均较为优益的电磁连铸工艺参数分别为10 A,20 Hz,400 r/min;20 A,20 Hz,400 r/min;10 A,30 Hz,400 r/min;60 A,60 Hz,400 r/min;60 A,20 Hz,300 r/min.结合上面的分析得出:频率为20 Hz,30 Hz,电流为10 A,80 A,100 A时电磁铸造的效果最好.

3 结 论

(1) 在黄铜HPb58-2A棒坯水平连铸生产线上施加电磁场,细化了黄铜HPb58-2A棒坯的凝固组织,提高了组织均匀性和材料致密性.材料的组织变得更加均匀,致密性变得更好,抗拉强度及延伸率也有一定的提高.

(2) 对复杂黄铜HPb58-2A棒坯水平连铸生产线上施加高电流的电磁场,能有效提高材料的综合性能.

参考文献:

[1] 肖恩奎,李耀群.铜及铜合金熔炼与铸造技术[M].北京:冶金工业出版社,2007:148.

[2] 马宏声.有色金属锭坯生产技术[M].北京;化学工业出版社, 2007:314.

[3] Li Xintao, Guo Zhaoxiang, Zhao Xiangwei,et al.Continuous casting of copper tube billets under rotating electromagnetic field[J].MatSciEngA, 2007, 460: 648-651.

[4] 李新涛,李丘林,李廷举,等.电磁场对水平连铸紫铜管表面质量及组织性能的影响[J].中国有色金属学报,2004,14(12):2060-2065.

[5] 李丘林,李新涛,李廷举,等.空心铜管坯水平电磁连铸过程的电磁效应研究[J].西安交通大学学报,2005,39(9):1003-1006.

[6] 江建明,黄锦峰,余建波,等.电磁连铸对黄铜凝固组织和性能的影响[J].上海金属,2009,31(5):28-33.

[7] Cao Zhijiang, Jia Fei, Zhang Xingguo,et al.Microstructure and mechanical characteristics of electromagnetic direct- chill casting 2024 aluminum alloys [J].MatSciEngA,2002, 327:133-137.