轻合金中电磁搅拌技术的研究与应用现状

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1、2008年全国铝合金熔铸技术交流会文集．133．轻合金中电磁搅拌技术的研究与应用现状邹晓强1，刘生发1，吕亚清2，黄尚宇1(1．武汉理工大学材料科学与工程学院．湖北武汉430070；2．武汉理工大学机械学院，湖北武汉430070)摘要：介绍了电磁工艺的基础理论和电磁搅拌技术的优点及其发展概况。总结了国内外电磁搅拌技术在轻合金中的研究与应用情况。指出了今后电磁搅拌技术的发展趋势。关键词：电磁搅拌；晶粒细化；铝合金；镁合金轻合金主要包括铝合金、镁合金、钛合金，其中铝合金和镁合金研究与应用较广。铝、镁合金具有相当高的比强度和比

2、刚度、还具有良好的导电性、导热性、机加工性能、尺寸稳定性和可回收性等优点。随着节能降耗要求的提高和对环保的日益重视，具有优越再循环特性的铝、镁合金越来越受到人们的重视。铝、镁合金在汽车及电子工业中已有广泛应用。在汽车制造中采用铝、镁合金零部件的主要目的是为了减轻车重，从而降低燃耗和减少尾气排放。在电子工业中，用质量轻、刚性好、金属光泽好、电磁屏蔽性好的镁合金取代塑料来制造手机、笔记本电脑、数码相机、摄录像机等的外壳，在尺寸精度、刚性、强度、耐冲击性、散热性等方面都获得了很好的效果。铝、镁合金由于质量轻也被广泛地应用于国防

3、及航空航天领域。电磁搅拌能细化合金晶粒。根据霍尔．配奇关系式吼，=cr6+以d一陀(式中，d。，为屈服强度；。钆、k与材料有关的常数；d为晶粒直径)可知，晶粒越细小材料的屈服强度越高。因此，晶粒细化对提高强度、塑性和韧性等性能具有重要意义。1材料电磁工艺的理论基础．电磁技术是--I"q综合科学，涉及电磁动力学、流体力学和热力学等多门学科，其机制相当复杂。电磁动力学是建立在Maxwell方程和欧姆定律之上的一门综合性学科。对电磁力作用下的流体流动进行解析时，需对电磁力场控制方程和流动控制的N．S方程联合求解。Maxwell

4、方程可表述如下：V×E=一箬(1)V×日=J(2)V·D=0(3)V·B=0(4)V·_『=0(5)此外，对流体运动，欧姆定律取如下形式：歹=d。(E+移×B)(6)由电磁力场产生的电磁力有时称为洛仑兹力，可由下式给出：正=．『×B=仃。(E+秽×B)×B(7)洛沦兹力可分解为向心力，和切向力石(如图1所示)，促使流体沿着圆周运动，于是就对流体起到了搅拌作用。．134．2008年全国铝合金熔铸技术交流会文集流场的基础方程为纳维一斯托克斯方程，当流体的黏度系数与温度无关时，动量守恒方程可表示为：』D筹+P(移·V)口+Vp

5、=∥。v2移+以(8)此外，在处理电磁流体力学问题时还经常需要涉及能量守恒方程：7、，nper0鬲1=V·(kVT)+西y+西。(9)式中，E一电场强度(矢量)；H一磁场强度(矢量)；D一电位移(矢量)；B一磁通密度(矢量)；．7一传导电流密度(矢量)；吼一材料的电导图1原理示意图率(标量)；口一速度(矢量)；P一流体的密度(标量)；t一时间(标量)；P一压力(标量)；肛。一流体的动力学黏度(标量)；^一单位体积流体所受的体积力(矢量)，包括重力正=Pg和电磁力．疋=J×B等；T一温度(标量)；c．，一定容热容(标量)；

6、k一热导率(标量)；西，一黏滞耗散函数(标量)，西y=2,uvd：d，其中d为变形速度张量；％一电磁耗散函数(标量)，即焦耳热效应：·2％=乞。公式(1)～(9)是电磁工艺理论的基本方程，全面描述了金属熔体在磁场中所处状态，揭示了磁场中金属熔体的基本规律，是材料电磁工艺发展的理论基础。2电磁搅拌优点及细化机制2．1电磁搅拌优点．电磁搅拌是利用电磁感应产生的电磁力来推动金属有规律地运动，从而减少枝状晶，增加等轴晶率，达到改善合金质量的目的。其实质是借助交变电流产生交变磁场，在金属熔体中产生感应电流，载流金属熔体在磁场中受到

7、罗仑磁力的作用，从而改善金属熔体凝固过程中的流动、传热和迁移过程，达到改善合金质量的目的⋯。实践证明，电磁搅拌技术可以从以下几个方面改善合金的冶金质量：．_’(1)有利于非金属夹杂物及气泡的上浮，降低合金内部气泡及夹杂物的含量，提高合金的纯净度；(2)加强金属熔体的对流运动，有利于打碎枝晶，形成等轴晶，提高合金的等轴晶率，减少中心偏析、中心疏松和缩孔，改善合金的凝固组织；(3)实现了不与金属熔体直接接触而使金属熔体发生强烈对流，避免了金属熔体的二次污染；(4)便于控制、操作灵活。通过控制影响感应磁场强度的电参数，可以方便

8、地控制金属熔体的流动状态和半固态浆料的质量；(5)降低金属熔体的过热度，均匀液相温度场。2．2可能的细化机制电磁搅拌对合金有较强的组织细化作用。对于合金由枝晶生长转化为细小等轴晶生长，其形成机制有熔断说、机械碎断说和再结晶说等几种假说【2]。熔断说认为，电磁搅拌下金属液凝固时虽然搅拌产生的强烈紊流使枝晶一次臂或二次臂