脉冲电流处理铁基合金的凝固组织特性研究

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1、摘要摘要本文研究了脉冲电流对共晶Fe70Crl8Nil2合金和亚共晶FeMnMoC合金(ZGMnl3M02钢)凝固组织的影响，以及0Crl8Ni7Mn5M02钢在商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会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50kV，放电峰值电流为80kA，并且整机充电时间在l5S以内，有4种放电频率分别为l×105Hz、5×104Hz、2×104Hz、1×104Hz。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

2、，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会施以脉冲电流处理，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Fe70Crl8Nil2及亚共晶ZGMnl3M02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Fe70crl8Nil2及亚共晶ZGMnl3M02钢的凝固组织，¨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120p．m和240

3、p．m细化到O．6p．m和8lam。开始放电温度十分重要，温度过高钢液会产生匕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。OCrl6Ni22M02Ti钢在高能量密度间歇式直流电和压力共同作用F，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(1×105Hz)，其温升值对于ZGMnl3M02钢仅为几度，对于Fe70Crl8Nil2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

4、冲电流处理引起的温升对会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燕山大学工学博士学位论文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。经脉冲电流处理后ZGMnl3M02钢的硬度和耐磨性明显提高，并且随着处理电流密度的增大，ZGMnl3M02钢的耐磨性逐渐提高。同样，脉冲电流处理也使共晶Fe70Crl8Nil2合金的强度和韧度提高。试验研究结果和ANSYS理论计算结果表明，高能量密度脉冲电流通过金属熔体时，在金属熔体内部将会产生强烈的电磁振荡效应和磁致伸缩效应，从而使金属熔体内产生强烈的电磁冲击振

5、荡，液态余属将反复被压缩，并使其在垂直于电流方向作往复运动。同时，试样不同部位的磁场强度和电场强度是不同的，即产生了一个压力梯度，形成局部流速差，最后产生切变，促使结晶的枝晶碎化成等轴晶，从而细化了金属的凝固组织，并且使凝固组织晶粒呈规则排列。关键词脉冲电流；铁基合金：凝固组织：数值模拟；晶粒细化；闪光焊IIAbstractThisthesishasstudiedtheeffectofpulsedelectriccurrentonsolidificationmicrostructuresofeutecticFe70Crl8Nil2al

6、loyandhypoeutecticZGMn13M02steelandthecharacteristicsofsolidificationmicrostructureof0Crl8Ni7Mn5M02steelunderappliedhigh·-energy--densityintermittentdirectcurrent．ThenumericalsimulationofsolidificationprocessofmoltenmetaltreatedbypulsedelectriccurrentwascarriedoutbytheA

7、NSYS．Ahigh-frequencyandhigh-energy．·densitypulsedelectriccurrentgeneratorwasdesignedandsuccessfullyfabricated．Ithasgoodcharacteristicssuchashighestchargevoltageat50kV，dischargepeakcurrentat80kA，chargetimelessthan15S，4dischargefrequencyselectionsof1×105Hz，5×104Hz，2×104Hz

8、and1×104Hz．Inaddition、ahigh-temperaturemeltfacilityfittedtogetherwiththegeneratorwasdesignedandsuccessfullyfab