金屬凝固理論

電磁場(chǎng)凝固技術(shù)簡(jiǎn)介電磁處理是指將電磁場(chǎng)用于材料的各種加工過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)程的控制、材料組織和性能的改善。因它具有無(wú)污染、操作方便和效果顯著等優(yōu)點(diǎn)，受到了人們的高度重視。經(jīng)過(guò)近年來(lái)的迅速發(fā)展，這一領(lǐng)域已發(fā)展成為多學(xué)科交叉、工藝手段繁多及應(yīng)用領(lǐng)域廣泛的體系。

利用直流磁場(chǎng)可通過(guò)抑制熔體流動(dòng)，與電場(chǎng)交互作用產(chǎn)生電磁攪拌控制凝固。引入交流磁場(chǎng)既可實(shí)現(xiàn)對(duì)液相的電磁攪拌，又可產(chǎn)生電磁懸浮，細(xì)化晶粒，改善鑄件的冶金質(zhì)量，減輕成分偏析。材料電磁處理如今被廣泛應(yīng)用，例如懸浮熔煉，電磁鑄造，電磁霧化，電磁分離非金屬夾雜物，電磁攪拌等。

按照電磁場(chǎng)的類別和強(qiáng)度,材料的電磁加工大致可分為以下幾方面:1、靜磁場(chǎng):施加靜磁場(chǎng)的目的主要是利用靜磁場(chǎng)對(duì)導(dǎo)電流體的電磁制動(dòng)作(ElectromagneticBrake)抑制流體的流動(dòng),以達(dá)到提高凝固材料性能與質(zhì)量的目的。電磁制動(dòng)改變液態(tài)金屬流動(dòng)狀態(tài)示意圖2、強(qiáng)靜磁場(chǎng)：強(qiáng)磁場(chǎng)能夠改變臨界形核核心尺寸，強(qiáng)制晶體取向；并使順磁性物質(zhì)凝固點(diǎn)降低，抗磁性物質(zhì)的凝固點(diǎn)提高。3、低頻磁場(chǎng)：鋁合金的低頻(50Hz)電磁鑄造法（利用電磁力實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬的約束成形，在無(wú)成形模具的條件下完成金屬的熔煉與成形，即電磁鑄造），利用其強(qiáng)烈的電磁攪拌，可顯著細(xì)化晶粒，提高鑄錠的表面質(zhì)量，減小表面偏析層厚度。如圖所示，感應(yīng)器中通入一定頻率的交變電流，液態(tài)金屬內(nèi)部將產(chǎn)生交變的感應(yīng)電流。在液態(tài)金屬的側(cè)表面內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)指向液態(tài)金屬內(nèi)部的電磁壓力壓縮液態(tài)金屬。同時(shí)，在金屬液表面和內(nèi)部都產(chǎn)生電磁攪拌力，金屬液內(nèi)部的電磁攪拌力將引起金屬液的流動(dòng)，可以改善鑄件內(nèi)部的組織形態(tài)；而金屬液表面的電磁攪拌力則引起表面波動(dòng)，影響表面質(zhì)量，因此應(yīng)予消除或抑制。低頻磁場(chǎng)高頻電磁場(chǎng)在金屬凝固過(guò)程中的物理模型示意圖4、高頻磁場(chǎng)與電磁成形技術(shù)：高頻磁場(chǎng)可用于電磁凈化，懸浮熔煉等。電磁懸浮熔煉的特點(diǎn)是無(wú)污染、熔體均勻、熔化速度快等，但懸浮金屬的質(zhì)量受限。

該法采用低頻交變電場(chǎng)加靜磁場(chǎng)的組合方式，利用電磁力強(qiáng)迫流體流動(dòng)并產(chǎn)生穴化現(xiàn)象(cavitationphenomena)以細(xì)化晶粒。5、復(fù)合電磁場(chǎng)：電磁離心鑄造原理示意圖如圖所示：電磁力的方向和大小都呈周期性的變化，其徑向分量對(duì)徑向壓強(qiáng)起周期性的加強(qiáng)、減弱作用；而切向分量與旋轉(zhuǎn)方向相反，并且其太小與液態(tài)金屬所處的位置有關(guān)。切向分量促使液態(tài)金屬作與鑄型旋轉(zhuǎn)方向相反的運(yùn)動(dòng)．從而形成電磁攪拌。6、電磁離心凝固法

由于在電磁離心凝固過(guò)程中，金屬熔體不僅受到電磁力的作用，而且還受到很強(qiáng)的離心力的作用。同時(shí)由于結(jié)晶前沿存在著較強(qiáng)的液相流動(dòng)，柱狀晶發(fā)生迎流傾斜生長(zhǎng)，進(jìn)而被折斷，為等軸晶的形成提供了形核條件，從而促進(jìn)了柱狀晶向等軸晶的轉(zhuǎn)化。電磁攪拌通過(guò)流動(dòng)金屬液對(duì)樹(shù)枝晶前端的動(dòng)力折斷及熔蝕作用造成大量晶枝碎片供作晶核同時(shí)，強(qiáng)力流動(dòng)可大大加速液心的傳熱而使過(guò)熱度迅速消失、兩相區(qū)迅速擴(kuò)大，加速傳質(zhì)，使凝固前沿?cái)U(kuò)散邊界層減薄而濃度梯度增大，兩相區(qū)成分過(guò)冷增加。7、電磁懸浮凝固技術(shù)是指利用金屬熔滴與交流磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的電磁力使熔滴在懸浮狀態(tài)發(fā)生下凝固的技術(shù)。應(yīng)用：一方面，它被應(yīng)用在地面實(shí)驗(yàn)室中，利用電磁力來(lái)克服重力影響而將金屬樣品懸浮起來(lái)，實(shí)現(xiàn)微重力環(huán)境下的凝固過(guò)程；另一方面，它被用在空間實(shí)驗(yàn)中，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的定位,可用來(lái)實(shí)現(xiàn)金屬材料在較大過(guò)冷度情況下的凝固技術(shù)。磁懸浮原理框圖其方向在圖1中x軸左方沿x軸正向，在x軸右方y(tǒng)沿x軸負(fù)向?？梢?jiàn)，旋轉(zhuǎn)的液態(tài)金屬在穩(wěn)恒磁場(chǎng)中受到方向和大小都呈周期性變化的電磁力。液態(tài)金屬電磁離心凝固力場(chǎng)分析的模型如圖示．設(shè)液體金屬在穩(wěn)恒磁場(chǎng)中作運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)角速度為w，由于離心力的作用形成壁厚為(R—r)的圓管，如圖選定坐標(biāo)系后管長(zhǎng)沿z方向．電磁力分析液體金屬所受的電磁力（注意到J與B的夾角）(1)在穩(wěn)恒磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)的液體金屬同時(shí)受到電磁力場(chǎng)、離心力場(chǎng)和重力場(chǎng)的作用。電磁力的大小和方向均呈周期性變化，與液體金屬的位置有關(guān)；(2)電磁力在液體金屬管的徑向分量對(duì)離心鑄造的徑向壓強(qiáng)起周期性增大和減小作用；切向分量驅(qū)動(dòng)結(jié)晶前沿的液相與固相作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，形成電磁攪拌，改變離心鑄管的凝固方式和凝固組織。結(jié)論：電磁場(chǎng)凝固應(yīng)用板坯連鑄結(jié)晶器電磁攪拌技術(shù)（1）減少最終產(chǎn)品的表面缺陷（2）減少板材和管線內(nèi)部缺陷板坯連鑄結(jié)晶器電磁制動(dòng)技術(shù)（1）減少保護(hù)渣卷吸（2）提高了鋼的清潔度一、板坯連鑄結(jié)晶器電磁攪拌裝置

在鑄軋區(qū)中施加不同的電磁場(chǎng)，其晶粒細(xì)化效果是不同的。電磁振動(dòng)不僅加劇結(jié)構(gòu)起伏和能量起伏，有促進(jìn)均勻形核的作用，而且還能產(chǎn)生大量的非均勻形核的晶核，晶粒細(xì)化效果較好，對(duì)柱狀晶的生長(zhǎng)有極強(qiáng)的抑制作用。二、鎂鋁合金中的應(yīng)用電磁連鑄過(guò)程中，作用在熔體的電磁壓力使壓強(qiáng)增大，使金屬熔體的熔點(diǎn)升高，過(guò)冷度增大，凝固驅(qū)動(dòng)力增大，有利于熔體中大量形核，達(dá)到細(xì)化晶粒目的。同時(shí)由于電磁攪拌和電磁振動(dòng)作用，使鎂合金鑄有利于提高性能。電磁場(chǎng)在伴有凝固相變現(xiàn)象的材料加工工程中扮演著重要角色,上述僅是就筆者所了解的情況做一粗略介紹。

電磁場(chǎng)有如一只無(wú)形的手,通過(guò)場(chǎng)將熱和力效應(yīng)施加給導(dǎo)電流體。電磁場(chǎng)的這種“超距作用”,一方面為控制金屬凝固傳輸過(guò)程提供了一種清潔、高效的手段,成為材料制造過(guò)程的“利器”;