稀有金属 2010,34(06),791-796

水平稳恒磁场对Al-Bi偏晶合金中富Bi相迁移和分布的影响

王恩刚 王慧芹 康智强 左小伟 赫冀成

东北大学材料电磁过程研究教育部重点实验室

摘 要：

Al-Bi偏晶合金是潜在的新型汽车轴瓦材料, 然而由于偏晶合金的凝固特点, 凝固过程中的液-液分离反应极易造成第二相的宏观偏析, 很难采用传统凝固方法制备。在水平稳恒磁场下进行Al-Bi偏晶合金的水冷铜模浇铸实验, 使熔体内不同位置的温度梯度方向与磁场方向呈不同角度。研究当磁场与富Bi液滴Marangoni运动方向的夹角不同时, 磁场对偏晶合金凝固组织影响效果的变化。研究结果表明当磁场方向与富Bi相液滴Marangoni运动方向平行时, 磁场对宏观偏析的抑制效果最明显。对本实验条件下磁场在Al-Bi偏晶合金凝固过程中的作用机制进行了分析, Al-Bi偏晶合金富Bi液滴发生了由冷端向热端的Marangoni运动, 磁场主要通过电磁拖曳力作用于液滴, 降低液滴的迁移速度。当磁场与温度梯度方向垂直时, 其对熔体传热的抑制减小了电磁拖曳力的作用效果, 加重了富Bi相液滴Marangoni运动造成的偏析。

关键词：

Al-Bi偏晶合金;凝固;磁场;Marangoni运动;

中图分类号： TG146.21

作者简介：王恩刚, 通讯联系人 (E-mail:egwang@mail.neu.edu.cn) ;

收稿日期：2009-12-17

基金：国家自然科学基金项目 (50574027和50901019);国家高技术研究发展计划项目 (2007AA03Z519);高等学校博士学科点专项科研基金 (新教师基金) (20070145062);高等学校学科创新引智计划项目 (B07015) 资助;

Influence of Static Horizontal Magnetic Field on Bi-Rich Phase Transition and Distribution in Al-Bi Monotectic Alloy

Abstract：

Al-Bi hypermonotectic alloy was a kind of potential bearing material for automotive industry, but due to its solidifying features, the liquid-liquid separation during solidification process always caused serious segregation, thus Al-Bi hypermonotectic alloys were hardly fabricated by conventional solidification methods.The Al-Bi monotectic alloy was casted into water-cooled copper mould with the imposition of horizontal magnetic field, the temperature gradient in different position of the melt got a different angle with the magnetic line, and the effect of magnetic field on solidification structures was studied when it had different angles with the Marangoni motion of Bi-rich droplets.The results showed that the effect of magnetic field was clear when it paralleled to the Marangoni motion of Bi-rich droplets.The mechanism of magnetic field on solidifying process was discussed, the Bi-rich droplets moved from cold side to heat side of the melt under Marangoni effect, and the magnetic field decreased the moving speed of droplets by electromagnetic drag force.The magnetic field decreased the heat transfer in the melt when it was perpendicular to the temperature gradient, which increased the segregation caused by Marangoni motion of Bi-rich droplets.

Keyword：

Al-Bi monotectic alloy;solidification;magnetic field;Marangoni motion;

Received： 2009-12-17

偏晶系合金如使较软的第二相均匀弥散的分布在较硬基体中, 将具有较好的耐磨性, 如Cu-Pb, Al-Pb, Al-In, Al-Bi合金均是优良的轴瓦材料, 其中Al-Bi合金由于其优良的性能和环保性, 是汽车工业中潜在的新型汽车轴瓦材料 ^[1] 。 目前实际生产中的Al-Bi偏晶合金多采用粉末冶金工艺制备 ^[2] , 粉末冶金工序复杂、 成本较高, 杂质和孔隙的存在使合金性能显著降低, 然而采用传统的铸造方法很难制备均质的Al-Bi偏晶合金, 这是由于偏晶合金凝固过程中存在一两液相不混溶区, 当单相熔体从高温区进入该区时将分解成互不相溶的两种液相, 富Bi相极易发生运动碰撞, 迅速凝并和长大, 造成严重的宏观偏析。 多年来研究者尝试了多种方法凝固制备Al-Bi偏晶合金, 包括电磁微重力法 ^[3] 、 控制铸造法 ^[4] 、 定向凝固法 ^[5,6] 、 冷却斜槽法 ^[7] 、 快速连续凝固法 ^[8] 等, 但仍很难成功制备大块均质的Al-Bi偏晶合金。

磁场对偏晶合金凝固过程中的第二相分布具有较大的影响, Yasuda等 ^[9] 在10 T强磁场下进行的Cu-Pb偏晶合金凝固实验表明, 磁场可在一定程度上抑制富Cu液滴的上浮, 并用Chester计算方法 ^[10] 对其运动速度进行分析, 表明Hartmann数的增大可降低富Cu液滴的上浮速度, 但计算中只考虑了磁场与小球运动方向平行的情况, 且没有考虑小球本身的粘性和电导率。 Yasuda等 ^[11,12] 还在10 T强磁场下对Al-10%In (原子分数) 合金进行了定向凝固实验, 结果表明磁场可以减小凝固前沿的对流, 增大第二相液滴所受的拖曳力, 使第二相稳定生长。 张林等 ^[13] 的研究表明, 强磁场降低了富Cu液滴终端速度随小球尺寸增加的幅度, 并提出磁场方向与小球运动方向的夹角决定了强磁场对小球运动的作用效果。 目前磁场下偏晶合金第二相液滴迁移的机制研究尚不深入, 如不同方向磁场对液滴运动的作用等机制尚不清楚。 本文在水平稳恒磁场下进行Al-Bi过偏晶合金的水冷铜模浇铸实验, 使熔体内不同位置的温度梯度方向与磁场方向呈不同角度。 研究当磁场与富Bi相液滴Marangoni运动方向的夹角不同时, 磁场对偏晶合金凝固组织影响效果的变化。

1 实 验

本文采用高频感应熔化Al-3.4%Bi, Al-10%Bi, Al-20%Bi (质量分数) 过偏晶合金试样至1100 ℃, 在YGZC-10X1.0T型水平磁体中利用水冷铜模进行浇铸凝固实验, 在凝固过程中施加1 T水平磁场。 铜模中心内置一石墨棒, 使浇铸后的熔体呈环形, 外径40 mm, 内径32 mm, 高40 mm, 熔体厚4 mm, 内外壁传热速度的差异使熔体存在较大的由外向内的径向温度梯度。 沿与磁场方向呈0°, 45°, 90°夹角处切割试样 (图1) , 打磨、 抛光、 腐蚀后在扫描电镜下对试样进行组织观察。 利用金相分析软件对富Bi颗粒的尺寸分布进行统计分析。

2 结 果

本实验条件下, 重力方向上富Bi相颗粒无明显的沉积现象。 图2为Al-Bi偏晶合金在试样中心处的富Bi相分布, 图3～5分别为不同磁场条件下Al-3.4%Bi, Al-10%Bi, Al-20%Bi合金在水冷铜模附近的富Bi相分布, 所取图片右侧为与铜模接触的试样表面, 图中黑色富Al基体中分布着白色的富Bi相颗粒。 富Bi相颗粒尺寸沿温度梯度的方向逐渐增大, 靠近铜模处温度梯度较大, 因此富Bi相液滴的Marangoni迁移现象更显著, 本文通过对铜模附近富Bi相的分布进行研究, 分析磁场的作用规律。

图1 水平磁场中水冷铜模凝固装置示意图

Fig.1 Schematic diagram of water copper mould solidification apparatus in horizontal magnetic field (a) Front view; (b) Top view

由图3可知, Al-3.4%Bi偏晶合金施加水平磁场后富Bi相颗粒尺寸减小, 尤其以0°情形磁场效果最明显 (图3 (b) ) , 45°, 90°方向 (图4 (c) , (d) ) 位置富Bi相颗粒也均有不同程度减小, 45°情形少量颗粒呈现不规则的条状。 由图4可知, 随Bi含量增加, Al-10%Bi合金富Bi颗粒尺寸增大, 施加磁场后富Bi颗粒较无磁场情形尺寸减小, 且随着磁场角度由90°～0°的变化, 颗粒的尺寸逐渐减小。

由图5可见, 随Bi含量增加, Al-20%Bi合金富Bi颗粒尺寸显著增大, 但磁场对颗粒长大的抑制作用不显著, 仅当磁场在0°方向时颗粒尺寸相对无磁场情形减小。 对于无磁场、 90°与45°磁场情形, 右侧试样表面处富Bi相颗粒很稀少, 距边缘约20～30 μm处始有富Bi相颗粒 (图5 (a) ～ (c) ) , 这表明靠近铜模处, 富Bi相颗粒Marangoni运动速度较快, 向左侧热端迁移, 导致右侧富Bi相颗粒稀少。 而对于0°情形, 靠近铜模处尚有较多的富Bi相颗粒。

图6为Al-10%Bi合金富Bi相尺寸分布统计结果, 无磁场、 1 T磁场下90°, 45°, 0°情形富Bi相颗粒尺寸范围分别为: 0.3～6 μm, 0.3～5 μm, 0.3～3 μm, 0.3～2.5 μm。 随着磁场与颗粒运动方向的夹角变小, 颗粒尺寸分布范围变窄, 颗粒的分布趋于向小尺寸集中。

本文对不同实验条件下富Bi颗粒尺寸分布进行统计, 并采用下式计算颗粒平均直径:

ˉD=2ˉR=∑iRi(43πR3i)∑i(43πR3i)???(1)

富Bi颗粒的平均直径如表1所示, 除了Al-20%Bi合金在90°磁场下颗粒平均直径稍大于无磁场情形, 对于3种试样成分磁场的施加均可使颗粒平均尺寸降低, 且随着磁场与颗粒的运动方向由垂直转向平行, 颗粒平均尺寸进一步降低。

综上所述, 水平磁场的作用效果与其作用的角度有关, 当磁场方向与富Bi相颗粒Marangoni运动方向平行时, 对颗粒尺寸增大的抑制作用最有效。

表1 富Bi相颗粒平均直径

Table 1 Mean diameter of Bi-rich phase particles

Samples	0 T	1 T, 90°	1 T, 45°	1 T, 0°
Al-3.4%Bi	1.857	1.622	1.808	1.292
Al-10%Bi	4.139	3.735	1.771	1.737
Al-20%Bi	45.60	48.04	35.67	18.55

3 分析与讨论

本实验中运动的富Bi相液滴所受的力 (图7) 分别为重力 (G) 、 Marangoni力 (F_M) 、 粘滞阻力 (D_v) 、 电磁拖曳力 (D_m) , 因为本实验中未观察明显的重力沉积, 所以液滴主要受后3种力的作用, 此3种力均为水平方向, 当达到平衡时液滴以终端速度运动。

图7 液滴受力示意图

Fig.7 Drag force act on droplets

当熔体内存在较大的温度梯度时, 温度梯度造成了液滴表面的界面能的变化, 导致偏晶合金中第二相小液滴从冷端向热端运动, 此作用可看作施加于液滴上的Marangoni力 ^[14] :

FΜ=4πηmκmr2(ηm+ηβ)(2κm+κβ)??σ?Τ?ΔΤ???(2)

式中, r为液滴的半径, σ为两液相间的界面能, T和ΔT分别为温度和温度梯度, к_m为基体的导热系数, к_β为液滴的导热系数, η_m为基体的粘度, η_β为液滴的粘度。 磁场的施加会对熔体的对流产生抑制作用。 一方面降低了熔体与铜模的对流换热系数, 使熔体冷却速度下降, 延长了液滴运动的时间。 另一方面使熔体在一定时间内保持较高的温度梯度, 由公式 (2) 可知这同时可使液滴所受Marangoni力维持在较高值。 因此磁场对熔体对流传热的抑制作用有利于第二相液滴的Marangoni运动, 可促进液滴碰撞长大。

磁场可对熔体中第二相液滴的运动产生阻力作用, Reitz等 ^[15] 计算了小球在磁场作用下无粘性导电流体中运动所受的阻力, 其中考虑了小球自身的电导率。 当磁场方向与小球运动方向平行、 垂直及成一定斜角时, 单纯由电磁力所产生的拖曳力分别为:

Dm=25πR3σB2U?B//U???(3)Dm=35πR3σ(σ+3σ′)/(2σ+σ′)B2U?B⊥U???(4)Dm=-AB2U+C(U?B)B?B∠U???(5)A=35πR3σ(σ+3σ′)/(2σ+σ′)???(6)C=15πR3σ(7σ′-σ)/(2σ+σ′)???(7)

式中σ与σ′分别为基体和小球的电导率。 由此可知当磁场方向改变时, 其作用于液滴的电磁拖曳力也会发生变化, 产生不同的作用效果。 通常情况下当磁场与液滴运动方向垂直时电磁拖曳力最大, 但由于90°磁场也垂直于基体熔体的流动方向, 此时对传热的抑制作用也最大。 当电磁拖曳力随磁场方向的变化较小时, 磁场对传热的影响会显著的降低电磁拖曳力的作用效果, 因此90°磁场情形下的富Bi相液滴较0°磁场情形下更易于迁移、 碰撞、 长大。 如公式 (7) 所示, 当磁场方向与小球运动方向成一定斜角时, 电磁力除了在小球运动的反方向形成阻力外, 还产生一个与磁场方向相同的力的分量, 需要在进一步的研究中深入分析其作用机制。

4 结 论

1. 本实验条件下存在较大的水平温度梯度, Al-Bi偏晶合金富Bi相发生了由冷端向热端的Marangoni运动, 且液滴的Marangoni迁移现象较Stokes迁移显著。

2. 水平稳恒磁场对Al-Bi偏晶合金富Bi相的Marangoni运动有一定的抑制作用, 且以磁场方向与富Bi相Marangoni运动方向平行时, 磁场的作用效果最明显。

3. 对于Al-Bi偏晶合金, 0°磁场下液滴所受的电磁拖曳力起主要作用, 有效抑制了液滴迁移, 而90°磁场对熔体传热的抑制作用降低了电磁拖曳力的作用效果。

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