脉冲电流综述---PPT

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2 脉冲电流凝固技术；
电流对液态金属主要有以下作用：电传输效应、Jouler 效应、Peltier 效应、起伏效应、趋肤 效应、电磁力效应、磁致收缩效应等。这些效应可以改变液体金属凝固时的传热、传质和动 量传输过程，进而影响金属的凝固组织及其形态和成分分布等。采用脉冲电流处理液态金属， 一方面可以减小电流细晶技术应用中电路负荷过大的问题，另一方面可减小电流在液态金属 中产生的焦耳热，并有效地利用脉冲电流对金属液的扰动作用。
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20 世纪 80 年代，A．K．Mism 在 Pb—Sb—Sn 三元合金的凝固过程中使用了电流技术，通 过施加电流密度 30~40mA／cm2、电压约 30V 的直流电流，得到了均匀细小的凝固组织。 共晶片间距减小到原来的 1／4，共晶团数量增加，这说明电流对形核和生长两个阶段都有 作用。同样，把直流电流换成交流电流也可得到相同的结果(如图 2)。
图 5 为翟启杰等研究结果，表明超声波可细化 T10 钢凝固组织。在金属凝固过程中引入超 声振动，凝固组织从粗大的柱状晶变为均匀细等轴晶，金属的宏观及微观偏析均得到改善。
3 磁场在材料加工 磁场，与其它外场比较，有一个最大特点，即其非接触性，由于各相磁化率及介电常数不同， 相变中施加磁场，会影响各相稳定性，从而改变不同相的形貌，材料在磁场中的引入，最先 从普通磁场开始，并已进行了广泛的研究，目前，侧重于都材料在强磁场作用下的研究， 外加磁场包括稳恒、交变和脉冲磁场。用于细化金属凝固组织的方法主要包括外加交变磁场 和脉冲磁场。外加交变磁场即电磁搅拌，大量实践证明，电磁搅拌能细化金属凝固组织闭，
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------试验研究中，研究者选择有代表性的试验金属，以求对其他金属有参考意义，从低熔点 到高熔点及单元单相到多元多相的原则，考虑工程实用性，对纯金属、二元合金和多元合金 都进行了探索性研究。 对纯金属，主要选择纯铝开展研究 对二元合金，主要选择低熔点、便于开展试验研究的 Pb—sn 合金和较高熔点、工业上广泛 应用的 A1-Si、A1-Cu 合金等结构材料开展研究 高熔点的高锰钢、碳钢、轴承钢、螺纹钢、电工钢、不锈钢和铸铁来开展研究
图 15 为脉冲磁场对灰铸铁石墨组织的影响，可见脉冲磁场可以显著细化灰铸铁石墨组织。
图 16 为脉冲磁场对不锈钢凝固组织的影响，该图表明脉冲磁场使不锈钢一次枝晶变短。
磁场对固态金属的影响；
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固态相变 马氏体转变 铁素体、珠光体、贝氏体转变
金属再结晶 固态金属的晶粒细化、 固态金属的热处理
电流在材料加工中的应用；
脉冲电流作用于液相金属
王建中等；--孕育处理-------并对纯铝、纯铜、Al 一 Si 合金、Al 一 Cu 合金、高碳钢、电工 钢等，进行了试验研究。 王建中、苍大强等首次将脉冲电流引入熔点以上尚未凝固时的 Al 一 5．0％Cu 合金熔体中， 铸锭凝固后，柱状晶区缩小、等轴晶区扩大，晶粒得到很大程度细化。同时发现处理后的溶 液具有良好的抗孕育衰退能力。 之后，王建中等展开了一系列脉冲电流孕育处理金属熔体及其遗传行为的研究，所得金属凝 幽组织均有不同程度的细化。他们认为电脉冲处理对金属熔体具有显著的孕育效果，促进形 核率的增加，因而使等轴晶区扩大，晶粒细化。 电脉冲作用下铝熔体的遗传表征 王建中 ，齐锦刚等 (1．辽宁工学院；2．北京科技大学)
1990 年，M.Nakada 等首次使用脉冲电流作用于 Sn-Pb 合金的凝固过程，发现凝固组织 中柱状晶变成球状等轴晶。
Nakada等 在冷却速率为6 K／min时研究了高密度脉冲电流对过共晶Snl 5Pb合金的凝固过程的影响， 所用电容器的充电电压为3 kV，发现树枝晶转变为等轴晶
脉冲电流在材料加工中的应用；
电流；外加电流包括直流、交流和脉冲电流。其中，外加脉冲电流因操作简便、能量利用率 高、细化效果显著等特点逐渐成为国内外研究的热点
直流电
交流电 电流对金属凝固的影响
电流处理细化纯铝凝固组织的研究--崔衡，苍大强，宗燕兵，李玲珍，陈琳--(北京科技大学 冶金与生态工程学院， 在铝液中插入预热的石墨电极。在坩埚内进行直流电处理或电脉冲处理(作为对比．不进行 电流处理的试样也按相同方式插入电极)；之后，将坩埚中处理过的铝液浇注到预热过的铜 模。分析各试样纵截面的宏观组织变化。
。Misra认为电流影响了界面的稳定性，按照渗流理论的观点，电流会沿着具有最大电导的 通路流过，因而在这些通路上产生更多的焦耳热使温度起伏加大[5，6]。Wheeler和Coriell 等研究了在直流或交流电流作用下的定向凝固中金属界面的线性稳定性问题，他们认为，在 Sn—Bi和Ge—Ga合金系中，电迁移性和电导性上的差异是决定界面稳定性的关键因素，而 与焦耳热效应和Secbeck效应的关系不大。顾根大发现电流使A1．Cu共晶合金生长界面易于 呈胞状生长，使胞状共晶团数量增加，尺寸细小。电流强烈改变Al—Si共晶生长形态，使之 以亚共晶方式生长，使共晶硅片间距明显减小。他认为电流的焦耳热效应显著提高固液界面 前沿的温度梯度，可改善连续铸锭的组织和性能。同时提出了电流作用下的界面稳定性动力 学理论和修正的有效分配系数公式，并认为电流提高界面稳定性的主要原因是电场增大固液 界面能和液相对流以及电流在干扰界面处产生偏聚。 20 世纪 90 年代，S.Ahmed 等研究了直流电流作用下 Ni 基高温合金定向凝固过程和行为， 发现直流电流密度为 50～400 mA／cm2 时，凝固组织被显著细化，相呈弥散而细小的球状 颗粒状，且均匀分布于 v 相基体上，凝固组织的偏析和孔隙率也减小，认为可能与外加电流 对等离子体的作用有关[lo】。李辉等将 Al 一 10％si 亚共晶合金在电流密度为 0．35～1．40 A ／cm2 下通电处理 50 min，结果使其过冷度加大，力学性能大幅度提高，初生 α-Al 由树枝 状变成颗粒状【IlJ。常国威等研究了直流电流对 A1-Cu 合金定向凝固时的一次柱状晶间距 的影响，用回归的方法得到了电流密度与一次枝晶间距之间的定量近似表达式，证实电流密 度越大则一次枝晶间距越小。同时推导出了电流作用下凝固界面形态稳定性的判据，认为电 流通过提高固液界面能、增大固液两相电流产生的 Joule 热的差值、提高温度梯度的途径使 界面稳定性增加[1 21。
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何力佳、 王建中 ， (1．北京科技大学 2．辽宁工学院 ：研究了在过热 A1．22％Si 合金熔体中施加电脉冲对其凝固组织的影响，考察了电脉冲频 率、作用时间对初生相形态的影响规律。结果表明，经电脉冲孕育的合金凝固组织明显细化， 初生硅相由花瓣状向块状转变；初生相凝固点下降了 16．78℃ ，反应焓值降低了 4．1J／ kg。理论分析表明外场作用下铝硅合金熔体中的大尺度硅团簇发生裂解，从而提高了熔体均 匀程度。
图 1 表明，超声波可显著细化 sn-sb 合金凝固组织，并使具有立方体结构的小平面相 B 相呈 球化趋势，彻底消除比重偏析口。
图 8 表明，超声波可显著细化镁合金凝固组织。图 9 表明，超声波可使铸铁石墨组织变为粒 状，这无疑将极大提高铸铁的力学性能。
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为将超声波应用于钢的连铸生产中，见图 2。研究表明，该方法可阻有效细化不锈钢凝固组 织。
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综述
外场在材料加工中的应用； 1. 外场；在材料加工中引入外场以改善材料的微观组织，从而改变材料性能 在材料加工中引入的外场中，主要有； 电流、磁场、重力（微重力和超重力）、超声波等，
1 重力ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2 超声波
在金属凝固过程中引入超声振动，凝固组织从粗大的柱状晶变为均匀细等轴品，金属的宏观 及微观偏析均得到改善。国外关于超声波对金属凝固组织影响的研究已有应用于生产的报道 15]，但是国内这一领域的研究很少。 高能超声处理合金熔体时，起主要作用的是声空化作用和声流作用。当台金熔体导入超声波 以后，将产生声空化现象。在声空化泡形成长大过程中，其尺寸迅速增大，导致内部的液体 蒸发。空化泡的增大和内部液体的蒸发会从周围吸收热量。这烤导致空化泡表面的金属液温 度降低，造成局部过冷，因此在空化泡的附近形成晶核，使晶核的形核率增加。在空化泡崩 溃过程中产生的强烈冲击波又会击碎正在长大的晶体，使之成为新的晶体质点。在声流的搅 拌作用下，又使其弥散地分布于熔池熔体中。因此超声处理可显著细化金属凝固组织。
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王 冰 ，王建中 ，等(1．辽宁工业大学材料与化学工程学院，辽宁锦州 121001： 2．北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083) 考察了不同电脉冲孕育处理参数对 A1-Cu-Mn 合金时效过程的影响，结果表明：电脉冲孕育 处理加速了 A15-Cu-Mn 合金时效进程，缩短了时效时间，使合金最大显微硬度较未处理试 样提高了 13％～17％；但不同的电脉冲参数影响时效过程的程度不同，一定范围内，500V 电压，30s 处理时间，频率为 3Hz 的电脉冲参数在 740"C 处理时，合金时效后的显微硬度最 高。 唐勇[99年]在王建中的基础上，做了更进一步的工作。对T8钢液和9Cr2MoV钢液施以脉冲电 流，脉冲频率为1 Hz，本试验在某厂的500 kg中频感应炉中进行，试验装置示意图见图1， 发现脉冲电流的主要作用是减小柱状晶的尺寸(如图4)和改善珠光体的形貌，使珠光体片层 间距减小，钢锭宏观元素偏析程度有所改善，数学推导表明，脉冲电流作用后，过共析钢中 c元素的扩散系数提高为原来的两倍。
磁场对金属凝固的影响
将金属熔体置于强磁场下，将改变体系的能量状态，从而改变其溶质传输和结晶过程。如果
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磁场是脉冲形式的，则会对熔体造成强烈的能量扰动，一方面金属熔体固液两相平衡温度会 在熔点附近波动，另一方面脉冲磁场使熔体内产生脉冲涡流。涡流和磁场之间相互作用即产 生洛仑兹力和磁压强，使金属熔体产生强烈振动。此外，脉冲磁场在熔体内造成了强迫对流。 这些效应一方面增加了金属液凝固过程中的晶核，另一方面使凝固过程中树枝晶或难以长 大，或被折断、击碎，成为新的晶核。脉冲磁场强度愈大。细化效果愈显著。 图 14、15、16 为翟启杰等关于脉冲磁场对铝凝固组织影响的研究结果，可见脉冲磁场使铝 的凝固组织由柱状晶变为 100％细等轴晶。