王 晨 姜文勇 冯义成 陈志俊
（哈尔滨理工大学材料科学与工程学院）
摘要研究了脉冲磁场下不同的磁场强度和脉冲频率对Al-12. 6Si-lCu合金初生Si和共晶Si组织的影响。在脉冲磁场强度不变的情况下，研究了脉冲频率对共晶Al-Si合金初生Si组织及共晶Si组织的影响。结果表明，随着脉冲频率由0.5Hz增加到2 Hz，Al-12. 6Si-lCu合金中初生Si组织和共晶Si组织明显得到细化；当脉冲磁场频率由2 Hz继续增加到5 Hz时，Al-12. 6Si-lCu合金中初生Si组织和共晶Si组织反而变得粗大。在脉冲磁场的频率为2 Hz的前提下，改变脉冲磁场的强度，结果发现，随着脉冲磁场的强度从5×104A／m增加到4×105 A/m，Al-12. 6Si-lCu合金中初生Si组织和共晶Si组织得到细化；当脉冲磁场强度由4×105 A/m增加到7×105 A／m时，Al-12. 6Si-lCu合金中初生Si组织和共晶Si组织变得粗大。磁场强度的变化对初生Si及共晶Si影响大于脉冲频率的影响。
关键词脉冲磁场；磁场强度；脉冲频率；Al-Si合金
中图分类号 TG146. 21; TG391DOI:10. 15980/j. tzzz. 2016. 03. 021
由于Al-Si合金具有热膨胀系数小、密度低、耐磨性能和熔炼加工性优良等优点，被广泛应用于汽车、航空领域。
加入Cu对Al-Si合金具有一定的固溶强化效果，此外析出的CuAI2有着明显的时效强化效果，并且随着其所受重力场的增大，CuAl2相越细小、致密，合金的硬度也越高。虽然向Al-Si合金中加入Cu有一定的强化作用，但Al-Si合金的性能主要还是取决于初生Si和共晶Si的尺寸。葛丰德等对经过脉冲磁场处理的Al-Si合金的组织和性能的研究发现，脉冲磁场对Al-Si合金的组织和性能产生了一定的影响，证明了仅在脉冲磁场作用下，能达到细化合金初生Si和共晶Si尺寸的效果。随着对于铝合金使用性能要求的提高和环保意识的不断加强，促使研究者将各种物理场（主要有电场、磁场和超声场等）引入铝合金的凝固过程以细化其凝固组织。将脉冲磁场施加于合金的凝固过程中以细化晶粒，作为一种物理场处理细化凝固组织的技术得到了广泛的关注。本课题以Al-12.6 Si-l Cu合金为对象，研究了不同磁场强度和脉冲频率对Al-12. 6Si-lCu合金组织的影响。
1 试验方法
以99. 6%（质量分数，下同）的工业纯铝、Al- 20Si、Al-Cu中间合金为原料，在高温箱式电阻炉中熔炼Al- 12. 6Si-lCu合金，升温到740℃时保温30 min，待合金完全熔化后，将坩埚取出、扒渣，然后向坩埚中加入0. 2%的C2 Cl6进行除气精炼处理，随后将坩埚放回电阻炉，保温静置10 min，然后取出、扒渣，将熔体浇入到置于线圈中的砂型里，同时打开磁场设备，直至金属液冷却凝固，得到直径为30 mm的试样。
按要求从铸件底部20 mm处切开，在相同部位取样。将试样打磨抛光后，进行腐蚀，用FEI Sirion型扫f描电镜观察合金的金相组织并拍照，并对合金试样组织进行能谱分析。
对合金中的初生Si和共晶Si尺寸的测量采用截距法：
控制磁场强度和脉冲频率的设备示意图见图1。
2试验结果及分析
2.1磁场频率对合金组织的影响
在磁场强度为5×104 A/m的前提下，施加的磁场频率分别为0.5、1、2、4、5 Hz时，Al-12. 6Si-lCu合金的微观组织见图2。图2中的块状组织为初生Si，在试样上选择有代表性的视场，用截距法测量晶粒尺寸，在磁场频率分别为0、0.5、1．0、2.0、4．O、5.0 Hz时，其晶粒平均尺寸分别为213、208、205、196、216、243 μm。
由图2还可以发现，随着脉冲频率从0.5 Hz增加到2．0 Hz，Al-12. 6Si-lCu合金中粗大的块状初生Si尺寸从208μm减小到196 μm，且分布也变得均匀。但是当脉冲磁场频率继续增至5 Hz时，Al-12. 6Si-lCu合金中初生Si的平均尺寸又从196 t/m增加到了243 μm。
图3为Al-12. 6Si-lCu合金微观组织中的共晶Si形貌。通过测量0、0.5、1．0、2．0、3．0、4．0、5.0 Hz下，对应的共晶Si尺寸分别为63、59、55、52、67、81 μm。
脉冲磁场的频率从0.5 Hz增加到2．0 Hz，Al-12. 6Si-lCu合金中细长的针片状共晶Si尺寸变小，共晶Si平均晶粒尺寸从59 μm减小到52 μm，并且分布也变得均匀。但是脉冲磁场的频率继续从2．0 Hz增加到5.0 Hz时，Al-12. 6Si-lCu合金中针状的共晶Si的平均晶粒尺寸从52 μm增加到81 μm。
处于脉冲磁场作用下的合金熔体的凝固过程具有电磁振动及电磁搅拌的双重效果。单次磁场的能量大小并不取决于脉冲磁场的频率，但是在一段时间内，脉冲磁场的平均能量的大小取决于脉冲磁场的频率。脉冲磁场的频率越大，脉冲磁场的平均能量就越高，即在一定时间范围内，随着脉冲磁场对合金熔体的作用次数的增多，脉冲磁场所产生的电磁振动及电磁搅拌的效果也越来越强烈。这种电磁振动及电磁搅拌作用一方面可以加快熔体的冷却速度，增加熔体在凝固过程中的过冷度，从而导致熔体凝固结晶时形核率的增加。另一方面在熔体中造成了剧烈的强制对流，温度场趋向均匀，因此，随着脉冲频率的增大，共晶Al-Si合金中的初生Si和共晶Si的尺寸变小也就越明显。但是脉冲磁场的频率有一个峰值，超过此值后，继续增大脉冲磁场的频率，共晶Al-Si合金中的初生Si和共晶Si的尺寸反而变大。这是因为随着磁场频率增大，在单位时间内脉冲磁场对金属熔体的作用次数越多，此时金属液的对流强度越大，导致初生Si和共晶Si颗粒聚集成团状，且不易被冲散，导致晶粒粗大。因此，由以上分析可知，在一定的脉冲磁场频率范围内，在铸造铝合金凝固时施加外部脉冲磁场，可以使Al-Si合金中初生Si和共晶Si的尺寸变小。
2.2磁场强度对合金组织和性能的影响
在脉冲磁场频率为2 Hz时，不同磁场强度时Al-12. 6Si-lCu合金的组织见图4。采用截距法得到磁场强度为(0，0.5，4，5，6，7)×105 A．m-1时的Al-12. 6Si-l Cu合金初生Si尺寸分别为213、196、182、225、237、274 μm。
可以看出，随着脉冲磁场强度的增加，Al-12. 6Si-l Cu合金中初生Si组织由粗大的块状变为细小的长条状和块状，脉冲磁场为4×105 A/m时，初生Si平均晶粒尺寸从未添加磁场时的213 μm减小到182μm。但是随着脉冲磁场强度的继续增加，块状初生Si变得粗大，磁场强度为7×105A／m时，初生Si平均晶粒尺寸增加到274 μm。
图5是不同磁场条件下Al-12. 6Si-lCu合金的共晶Si形貌。采用截距法测得磁场强度为(0，0.5，4，5，6，7)×105 A．m-l时Al-12. 6Si-lCu合金中共晶Si的尺寸分别为68、52、47、83、85、103μm 。
可以看出，随着脉冲磁场的强度从5×104 A／m增加到4×105A/m时，Al-12.6 Si- l Cu合金中共晶Si组织由细长的针状变为极细的针状，共晶Si平均晶粒尺寸从52 μm减小到47 μm，并且分布更加均匀。但是随着脉冲磁场强度的继续增大，针状共晶Si的尺寸反而开始变大。
将脉冲磁场施加于合金的凝固过程中，金属熔体受到脉冲磁场提供的洛伦兹力的影响。洛伦兹力与脉冲磁场的强度呈正相关关系，金属熔体的对流与洛伦兹力的大小同样呈正相关关系。金属熔体的对流越剧烈，生长过程中的枝晶越容易被打断。其次，熔体中的电磁力也可以提高合金的形核率。由试验结果可知，当磁场强度增加到4×105 A／m时，共晶Al-Si合金的初生Si和共晶Si的尺寸变小，而随着磁场强度继续增大，由于金属熔体的对流过于剧烈，尺寸反而变大，这说明脉冲磁场存在一个最佳强度。
对合金试样组织进行能谱分析（见图6），可知，所标记点处白色针片状物为CuAl2组织，说明向Al-Si合金中加入Cu时，合金组织中存在CuAl2相。可以看出，析出相CuAl2分布在共晶Si和初生Si周围。
3 结 论
(1)在磁场强度为5．0×104 A/m时，随着脉冲磁场的频率由0.5 Hz增加到2．0 Hz，Al-12. 6Si-lCu合金中初生Si组织和共晶Si组织明显得到细化，初生Si尺寸从208μm减小到196μm，共晶Si尺寸从59 μm减小到52μm;当脉冲磁场频率由2.0 Hz继续增加到5.0 Hz时，Al-12. 6Si-lCu合金中初生Si尺寸从213μm增大到243μm，共晶Si尺寸从52μm增加到81μm。
(2)在磁场频率为2．O Hz时，随着脉冲磁场的强度从5×104 A／m增大到4×105 A/m，Al-12.6 Si-l Cu合金中初生Si组织和共晶Si组织得到细化，初生Si尺寸从196μm减小到182 μm．共晶Si尺寸从52 μm减小到47 μm;当脉冲磁场强度由4×105 A／m继续增大到7×105 A／m时，Al-12. 6Si-lCu合金中初生Si尺寸从182μm增加到274 μm，共晶Si尺寸从47μm增加到103 μm。
(3)磁场强度为5×104 A/m，磁场频率为2.0 Hz的脉冲磁场可以显著改善共晶Al-12. 6Si-lCu合金的显微组织。
