电磁搅拌工艺参数对半固态AZ91D镁合金组织的影响

D0I:10.13374/i.issn1001053x.2003.04.013 第25卷第4期 北京科技大学学报 VoL.25 No.4 2003年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.2003 电磁搅拌工艺参数对半固态AZ91D 镁合金组织的影响 甄子胜毛卫民陈洪涛钟雪友 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要研究了电磁搅拌工艺参数对半固态AZ91D合金组织的影响规律.结果表明：电磁搅 拌条件下半固态AZ9]D合金组织的固相颗粒为蓝藏状或粒状α一Mg,随电磁搅拌功率的增 大，蔷藏状形态逐渐消失，固相颗粒形态趋于粒状和圆整：在实验范围内，随电磁搅拌电源频 率的增大，半固态AZ91D合金组织中固相颗粒形态越来越圆整.这主要是由于电磁搅拌条件 下半固态AZ91D合金组织的形成机理是以枝晶臂熔断为主，而在高频率下的电磁搅拌过程 中，在搅拌室产生的集肤效应使得表面和中心出现宏观温度差，从而加强了固相颗粒随流场 运动时的温度起伏，最终加速了枝晶的熔断 关键词镁合金；AZ91D:半固态：电磁搅拌：集肤效应 分类号TG146.2*2 在现有的工程用金属中，镁合金密度最小， 而其比强度和疲劳强度又比铝合金高，因此采 用镁合金可以大大减轻结构零件的重量，简化零 件设计.近年来，为了开发先进、经济的半固态镁 合金成型工艺，对半固态镁合金应用基础方面的 研究引起了广泛的关注，其中在不同作用场下镁 合金半固态组织的转变规律就是其一，Kamado 等四研究了机械搅拌条件对半固态AZ91D合金 组织的影响规律，郝远等研究了AZ91D合金在 10 半固态等温处理过程中组织的变化.但对于电磁 搅拌条件下半固态镁合金组织的研究，国内外均 鲜有报道.为此，本文研究了半固态AZ91D合金 在电磁搅拌条件下组织的转变规律，为开发新的 H0↑少 半固态镁合金成形方法提供依据， 1一电磁搅拌器，2一外壳，3一隔热层，4一石英管， 5一冷却水套，6一密封盖，7一搅拌坩埚，8-金属浆 1实验设备及方法 料，9一电阻丝，10一热电偶 图1半固态AZ91D电磁搅拌装置 1.1实验设备 Fig.1 Schemetic diagram of electro-magnic stirring equipt 实验所用设备如图1所示.该装置主要由电 机改装的线圈绕组构成，通电条件下在其内腔产 磁搅拌器、加热系统、搅拌室和搅拌坩埚组成.实 生旋转磁场.冷却水套起保护作用，加热系统采 验中电磁搅拌器采用旋转磁场型，由三相异步电 用电阻加热方式，并通过两个分别放置于炉腔和 收稿日期2002-10-18 甄子胜男，29岁，博士研究生 重点基础研究g73"发是规翅资助项目0。C206722-)搅拌坩埚底部的热电偶来测控炉腔和金属液的

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 招 电磁搅拌工艺参数对半固态 镁合金组织的影响 甄子 胜 毛卫 民 陈 洪 涛 钟 雪友 北京科技大学材料科学 与工 程学 院 ， 北 京 摘 要 研 究 了 电磁搅拌工 艺参 数对 半 固态 合金 组 织 的影 响规律 结 果 表 明 电磁搅 拌条件下 半 固态 合金 组 织 的 固相颗粒 为蔷薇状 或粒状 一 ， 随 电磁 搅 拌功率 的增 大 ， 蔷薇状形态逐渐消失 ， 固相颗粒 形 态趋于粒状 和 圆整 在实验范 围 内 ， 随 电磁 搅拌 电源频 率 的增大 ， 半 固态 合 金 组 织 中固相 颗粒形 态越来越 圆整 这 主 要 是 由于 电磁搅拌 条件 下 半 固态 合金 组 织 的形 成 机理 是 以枝 晶臂熔 断为主 ， 而 在高频率下 的 电磁 搅 拌过程 中 ， 在搅拌 室产生 的集肤 效应使得表 面和 中心 出现宏观温度差 ， 从而 加 强 了固相 颗粒 随流场 运 动 时 的温度起伏 ， 最 终加速 了枝 晶 的熔 断 关键词 镁合 金 半 固态 电磁搅拌 集肤效应 分 类号 在现 有 的工 程 用 金 属 中 ， 镁 合 金 密 度 最 小 ， 而 其 比强度 和 疲 劳 强度 又 比铝 合 金 高 〔 ，， 因此采 用镁 合 金 可 以大大减轻 结构零件 的重量 ， 简化零 件 设 计 近年 来 ， 为 了开发 先进 、 经 济的半 固态镁 合 金 成 型工 艺 ， 对 半 固态镁 合金 应 用基 础 方 面 的 研 究 引起 了广 泛 的关注 ， 其 中在不 同作用场 下镁 合 金 半 固态 组 织 的转 变规 律就 是 其一 等 口，研 究 了机 械 搅 拌 条 件 对 半 固态 合 金 组 织 的影 响规 律 ， 郝远 等 “ ，研 究 了 合 金 在 半 固态等温处 理过程 中组织 的变 化 但 对 于 电磁 搅拌条件 下 半 固态镁 合 金 组 织 的研 究 ， 国 内外 均 鲜有报 道 为此 ， 本 文研 究 了半 固态 合金 在 电磁 搅拌条件 下 组织 的转变规律 ， 为开发 新 的 半 固态 镁 合 金 成 形 方 法 提供 依据 目 匕 臼 目 风又 洲 ‘ 几曰卜声翻肠卜户州州 门以凡 以 尹 娜忿口麟荣抓 一 ‘ 喇 ‘ 法二口 奔凉羊阳义 、 八八 目月 喇 祠， ，闷 勺协入八曰 声声声刁呀月 霭 窿瀚鬓 愁越 粼麦 长 一 币 侧困 目 蒸 于州 郡 赎 映飞 】 口白皿 馨到 簇 实验 设 备及 方 法 实验 设 备 实验 所 用 设 备 如 图 所 示 该 装 置 主 要 由 电 磁 搅 拌器 、 加热 系统 、 搅拌 室和搅 拌 增 祸 组成 实 验 中 电磁搅拌 器采用 旋转磁场 型 ， 由三相 异 步 电 收稿 日期 卜 甄 子 胜 男 ， 岁 ， 博 士 研究生 国家重 点基础研 究 “ ， 发 展规 划资助项 目倒 一 一 电磁搅 拌器 ， 一外 壳 ， 一隔热层 ， 一石 英管 ， 一冷却 水 套 ， 一密 封盖 ， 一搅 拌柑 祸 ， 一金 属浆 料 ， 一 电阻丝 ， 一 热 电偶 图 半 固态 电磁搅拌 装皿 一 阅 机 改装 的线 圈绕 组 构成 ， 通 电条件 下在其 内腔产 生 旋 转磁 场 冷 却 水 套 起 保 护 作用 加热 系 统 采 用 电阻加热 方 式 ， 并通 过 两个 分 别放置 于炉腔和 搅 拌 柑 祸 底 部 的热 电偶 来 测 控 炉 腔 和 金 属 液 的 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2003．04．013

·342· 北京科技大学学报 2003年第4期 温度，这样可以使得温度更精确。搅拌坩蜗为高 埚淬入水中.然后切取适当部位的试样，抛光并 纯石墨材质，放置于搅拌室内，内腔尺寸为中55 观察微观组织， mm×60mm.为防止实验过程中镁合金液的氧化 燃烧，坩埚配以密封盖.同时，为防止在搅拌过程 2实验结果及讨论 中坩埚的晃动，用保温材料制成炉盖将其压紧， 2.1搅拌功率的影响 1.2实验方法 在相同的频率下，通过调整输入电压，可以 实验用合金为商业生产原料AZ91D坯料，其 在流变器内获得不同的交变磁场强度，从而使金 成分（质量分数，%）为：A1,8.92;Zn,0.617;Mn 0.2084;Be,0.0011;Si,0.023;Fe,0.0023;Cu,0.001 属液获得不同的搅拌功率.图2为在不同搅拌功 率下获得的电磁搅拌半固态AZ91D的组织.由于 4:Ni,0.0008;Mg,其余. 搅拌器内实际获得的搅拌功率很难测得，因此此 首先将原料制成55mm×55mm棒状坯料装 处以单相名义功率即电源单相输出电压与输出 入搅拌坩埚中，用密封盖封好放入搅拌室中，然 电流的乘积作为实验中的功率参数.从图中可以 后盖上炉盖开始加热，同时通冷却水保护流变 看出，搅拌功率对半固态AZ91D合金初生固相的 器.流变器用45 kW JVOP-一100型变频电源控制， 形态有着显著的影响，单相名义功率越大，初生 其设定参数主要有输入电压及频率，通过调整变 固相的形态越趋于圆整，这是因为随输出电压的 频电源的频率及输入电压，可以实现在不同频率 增大，电磁搅拌器内的磁场强度随之增大，金属 和输出功率下的电磁搅拌作用. 浆料受到的切向洛伦兹力增大，结果使得流体获 将原料加热到700℃，保温一定时间以确保 得更高的旋转速度.而且，在电磁搅拌条件下， 其熔化完全.再以一定的冷却速度冷却，在液相 金属熔体在径向上存在着明显的角速度梯度，这 线以上的某一温度开始搅拌，直至到达固液两相 是金属熔体能够获得真正的搅拌效果的根本原 区间的某一温度停止搅拌，同时迅速取出密封坩 因.根据实验结果对金属熔体在径向上由于角速 s mn 图2电磁搅拌功率对半固态AZ91D组织的影响(580℃).(a)未搅拌， (b)50Hz,1.0kW,(c)50Hz,2.0kW,(d)50Hz,3.93kW,(e)200Hz,0.5 kW,(①200Hz,1.0kW,(g)200Hz,2.0kW Fig.2 Effect of electro-magnetic power on semi-solid AZ91D microstructure

一 北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 温 度 ， 这 样 可 以使 得 温 度 更 精确 搅 拌 柑 竭 为 高 纯 石 墨 材质 ， 放 置 于 搅 拌 室 内 ， 内腔 尺 寸 为中 为 防止 实验 过 程 中镁 合 金 液 的氧 化 燃烧 ， 增 锅 配 以密封 盖 同时 ， 为防止 在搅 拌过程 中增 塌 的晃 动 ， 用 保 温 材 料 制 成 炉 盖 将 其 压 紧 实验 方 法 实验 用 合 金 为商业 生 产 原料 坯 料 ， 其 成 分 质 量 分 数 ， 为 ， ， 们 ， ， ， ， ， ， ， 其 余 · 首 先 将 原料 制 成 中 巧 棒状 坯 料 装 入 搅 拌 增 锅 中 ， 用 密 封 盖 封 好 放 入 搅 拌 室 中 ， 然 后 盖 上 炉 盖 开 始 加 热 ， 同 时通 冷 却 水 保护 流 变 器 流 变器用 一 型 变频 电源 控制 ， 其 设 定参 数主 要 有 输入 电压 及 频率 通 过调 整 变 频 电源 的频 率及 输入 电压 ， 可 以实现 在 不 同频率 和 输 出功 率 下 的 电磁 搅 拌 作用 将 原料 加 热 到 ℃ ， 保温 一 定 时 间 以确 保 其熔 化 完 全 再 以一 定 的冷 却 速 度 冷 却 ， 在 液 相 线 以上 的某一 温度 开始搅 拌 ， 直 至 到达 固液两 相 区 间 的某 一温度 停止搅 拌 ， 同时迅速 取 出密 封柑 祸 淬 入 水 中 然 后 切 取 适 当部位 的试 样 ， 抛 光 并 观 察微观 组 织 实验 结 果 及 讨 论 搅 拌 功 率 的 影 响 在 相 同 的频 率 下 ， 通 过 调 整 输 入 电压 ， 可 以 在 流变器 内获得 不 同 的交变磁场 强度 ， 从 而 使金 属 液 获 得 不 同 的搅 拌 功 率 图 为在 不 同搅 拌 功 率下 获得 的 电磁 搅拌 半 固态 的组 织 由于 搅拌器 内实 际 获 得 的搅 拌 功 率很 难 测得 ， 因此 此 处 以单 相 名 义 功率 即 电源 单 相 输 出 电压 与 输 出 电流 的乘积 作 为实验 中的功 率参 数 从 图 中可 以 看 出 ， 搅拌 功 率对 半 固态 合 金 初 生 固相 的 形 态 有 着 显 著 的影 响 单 相 名 义 功 率越 大 ， 初 生 固相 的形 态 越趋 于 圆整 这 是 因为 随输 出 电压 的 增 大 ， 电磁 搅 拌 器 内的磁 场 强 度 随之 增 大 ， 金 属 浆料 受 到 的切 向洛 伦 兹 力增 大 ， 结果 使得 流 体 获 得更 高 的旋 转 速 度 侈， 而 且 ， 在 电磁 搅 拌 条件 下 ， 金 属熔 体在 径 向上 存在 着 明显 的角速 度梯度 ， 这 是 金 属 熔 体 能 够 获得 真 正 的搅 拌 效 果 的根 本 原 因 根据 实验 结 果对金 属熔体在径 向上 由于 角速 图 电磁搅拌功 率对 半 固 态 组织 的 影 响 ℃ 未搅拌 ， ， ， 】豆 ， ， ， ， 】豆 ， ， 乃 史， · ， ， · 、 一 一

Vol.25 No.4 甄子胜等：电磁搅拌工艺参数对半固态AZ91D镁合金组织的影响 343 度差而产生的线速度梯度进行了计算，该速度梯 蔷薇状晶粒的一次枝晶臂还有着正在熔断的迹 度也就是金属熔体受到的剪切速率，结果如图3 象：随着电源频率的继续升高，蔷薇状等轴枝晶 所示.可以看出，随单相输出电压的增大，金属熔 越来越少，而粒状和球形晶粒增多：当电源频率 体所受的最大剪切速率随之增大，因此其所受到 达到200Hz时，组织中基本以粒状和球状晶粒为 的搅拌作用也就越充分，组织也就更加圆整 主，很少再有蔷薇状晶粒存在，也就是说在本实 验范围内，随电源频率的升高，半固态浆料组织 140 中初生固相的形态越分散、越圆整， 在电磁搅拌过程中，交流电源的频率决定着 100 所产生的旋转磁场的转速，且二者存在如下关 系： 60 n=60f (1) p 其中，n为旋转磁场的转速，f为电源频率，p为极 20 20 3035 40 45 对数.也就是说，电源频率越高，所获得的旋转磁 UNV 场的转速越高.由于旋转磁场的转速又是处于其 图3电磁搅拌条件下单相输出电压与流体所获最大剪 中的金属液旋转的最高极限转速，从理论上，频 切速率的关系 率越低金属液获得的转速越低.因此当电源频率 Fig.3 Reationship between the single-phase output voltage 低于30Hz时，由于金属液获得的转速较小，搅拌 and the shearing rate maximum of the slurry by electro- 效果因此就差.从图4的金相图可以看出，在该 magnetic stirring 条件下组织中固相颗粒的形态明显比较差， 2.2电源频率的影响 但是实际情况也并不是频率越高金属液的 图4所示为在其他条件相同的情况下，不同 旋转速度越明显增高，因为随电源频率的增大， 频率下半固态AZ91D组织的特征.从中可以看 虽然旋转磁场的转速增大，但金属液与旋转磁场 出：当电源的频率在30Hz以下时，组织中的初生 之间的转差率也会随之增大，导致系统的功率因 固相形态以蔷薇形态的等轴枝晶为主；当频率增 子Cosp随之降低，这使得在相同名义功率条件下 大到50Hz时，组织中出现了一些粒状和球形的 金属液实际获得的有效搅拌功降低，而使金属液 初生相，但仍然还有蔷薇状等轴枝晶存在，而且 的实际转速降低.因此，对于电磁搅拌金属熔体 0.3 mm 0.3mm 图4电源频率对半固态AZ91D组织的影响（单相名义功率2kW,580℃）.(a)20Hz,(b)30Hz,(c)50Hz,(d)100 (e)150 Hz,(f)200 Hz Fig.4 Effect of power frequency on semi-solid AZ91D microstructure(the single-phase nominal power is 2 kW,580C)

一 甄 子胜 等 电磁 搅拌工 艺 参数对 半 固态 镁合 金 组 织 的影 响 度 差 而产 生 的线速 度梯度 进 行 了计 算 ， 该速 度梯 度 也 就 是 金 属 熔 体 受 到 的剪切 速率 ， 结果 如 图 所示 可 以看 出 ， 随单相 输 出 电压 的增 大 ， 金 属 熔 体所 受 的最 大 剪切速 率 随之 增 大 ， 因此其 所 受 到 的搅 拌 作用 也 就 越 充 分 ， 组 织 也 就 更 加 圆整 蔷薇 状 晶粒 的 一 次 枝 晶臂 还 有 着 正 在 熔 断 的迹 象 随着 电源 频 率 的继 续 升 高 ， 蔷 薇 状 等轴 枝 晶 越 来越 少 ， 而 粒 状 和 球 形 晶粒 增 多 当 电源 频 率 达 到 时 ， 组 织 中基 本 以粒状 和 球状 晶粒 为 主 ， 很 少 再 有 蔷薇 状 晶粒存 在 也 就 是说 在 本 实 验 范 围 内 ， 随 电源 频 率 的升 高 ， 半 固态 浆 料 组 织 中初 生 固相 的形 态 越分 散 、 越 圆整 在 电磁 搅 拌过 程 中 ， 交 流 电源 的频 率 决定 着 所 产 生 的旋 转 磁 场 的转 速 ， 且 二 者 存 在 如 下 关 系 甲入 。 区坚 ， 习 一习 二 图 电磁搅拌 条件下 单相输 出电压 与流 体所获最 大 剪 切 速 率的 关 系 幻即 比 加 一 对 即 电源 频 率 的 影 响 图 所 示 为 在 其 他 条 件 相 同 的情 况 下 ， 不 同 频 率 下 半 固态 组 织 的特 征 从 中可 以看 出 当 电源 的频 率在 以下 时 ， 组 织 中的初 生 固相形 态 以蔷薇形 态 的等 轴枝 晶为主 当频 率增 大 到 时 ， 组 织 中 出现 了一 些 粒 状 和 球 形 的 初 生 相 ， 但 仍然 还 有 蔷薇状 等轴 枝 晶存 在 ， 而 且 其 中 ， 为 旋 转 磁 场 的转 速 ，‘ 伪 电源 频 率 ， 为 极 对 数 也就 是 说 ， 电源 频 率越 高 ， 所 获 得 的旋 转磁 场 的转速 越 高 ， 由于 旋转磁场 的转速又 是 处 于 其 中 的金 属 液旋 转 的最 高极 限转速 ， 从 理 论 上 ， 频 率越低 金 属 液 获得 的转速越 低 因此 当 电源 频 率 低 于 时 ， 由于金属 液获 得 的转速 较 小 ， 搅拌 效 果 因此 就 差 从 图 的金 相 图可 以看 出 ， 在 该 条件 下 组 织 中 固相 颗 粒 的形 态 明显 比较 差 但 是 实 际情 况 也 并 不 是 频 率 越 高 金 属 液 的 旋 转速度 越 明显 增 高 因 为 随 电源 频 率 的增 大 ， 虽 然 旋转磁 场 的转速 增 大 ， 但 金 属 液 与旋转磁 场 之 间 的转 差 率 也会 随之 增 大 ， 导致系 统 的功率 因 子 随之 降低 ， 这 使得 在 相 同名 义 功 率 条件 下 金 属 液 实 际获 得 的有 效搅 拌 功 降低 ， 而 使金 属 液 的实 际转速 降低 因此 ， 对 于 电磁 搅 拌 金 属 熔 体 图 电源 频率对半 固 态 组织 的 影 响 单相 名义 功 率 ， ℃ 位 ， ， 几 ， 玩 ， ， 月触 恤 一 比 一 ， ℃

·344· 北京科技大学学报 2003年第4期 来讲，在相同名义功率条件下，其转速并不是随运动，但是处于搅拌器内的金属液要进行旋转， 电源频率的增大而一直增大.最近的一项研究结 必须有一个向心力来维持，这个力由洛伦兹力在 果甚至得出“在高频率下的转速低于低频条件下 径向上的分力F和搅拌器壁面对金属液的反作 的转速”的结论例.同时由于与已经研究过的铝合 用力F的合力来提供.这样的结果就会使得中心 金和该铁合金材料相比，镁合金的密度低，且与 的金属液不断向壁面处输送而壁面处的金属液 之相差较大，这样金属液在受搅拌作用下，固相 则被迫受挤而不断上升，当上升至一定高度时， 颗粒之间由于碰撞而产生的作用力就比较小，因 金属液的自重与之达到平衡时就不再上升，并通 此高频率下组织形态更好的实验结果并不能由 过表面向中心回落，依次周而复始，从而造成了 高频率条件下金属液获得更高的搅拌速度和剪 除水平旋转运动以外还有由中心向边缘，而在边 切速率来解释，应当另有其他原因.笔者认为这 缘处又由下向上最后又从中心下落的附加流动， 种原因就是高频率下造成的集肤效应. 并在表面形成旋涡.附加流动的示意图如图6中 电磁搅拌器的定子电路电源的能量是通过 粗实线所示.这种附加流动是处于电磁搅拌条件 电磁波的形式传递给中间的导体的，而电磁波的 下的金属液所具有的特有的流场特征，由于它的 渗透深度与电源的频率有关，频率越大，渗透层 存在，才使得金属液能够获得更充分的搅拌作 深度越小阿.这就造成了在高频率下搅拌器内的 用，这样就使得金属液连同其中的固相颗粒不断 金属液上产生的感生电流主要聚集在靠近搅拌 从壁面处的高温区向中心低温区转移热量，以使 器内壁的位置，而中心位置的感生电流则很小， 宏观温度更均匀，但是这样的结果使得固相颗粒 这就是集肤效应，集肤层的厚度可以通过下式来 不断的经受温度的起伏，从而加速了枝晶臂根部 计算： 位置的熔断过程，使得组织形态更圆整和细小， 6=5030./2 (2) uf 其中，6为电流透入深度，cm;p为金属的电阻率， Ωcm;μ为相对磁导率；f为电源频率，Hz.由于金 属液有电阻，因此感生电流就会产生电阻热而使 金属液温度升高，电流越大，电阻热越大.因此靠 近搅拌器内壁处的温度相对于中心处就会稍高， 造成宏观上表面和中心温度的不均 假设将处于旋转电磁场下的金属液分割成 无数个不同大小但垂直于纸面，且相互在中心线 处相交的导体环，图5所示在此假设基础上对金 属熔体进行的受力分析.从中可以看出，在洛伦 兹力切向分力F的作用下金属液会作水平旋转 图6电磁搅拌流体附加流动示意图 Fig.6 Schematic diagram of secondary flow of the electro- magnetic stirred slurry 对于本实验合金AZ91D,4≈1，p=0.17×10-4 Dcm,依据式(2)电源频率为50Hz和200Hz时 的集肤层厚度分别大约为2.9cm和1.4cm,而本 实验坩埚的半径为2.75cm,其集肤层厚度与盛装 F 金属液的坩埚的半径之比分别为1.001和0.509. 图5旋转磁场内金属液受力分析 由此可见，当频率小于50Hz时，在试样上不会产 Fig.5 Mechanical condition of the electro-magnetic stirred 生集肤效应；而当电源频率为200Hz时，集肤层 slurry 厚度为1.4cm.因此在200Hz下就会形成更强烈

一 北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 来 讲 ， 在 相 同名 义 功 率 条 件 下 ， 其 转 速 并 不 是 随 电源 频 率 的增 大而 一 直 增大 最近 的一 项 研究 结 果甚 至 得 出 “ 在 高频 率下 的转 速低 于 低 频 条件下 的转速 ” 的结论 同时 由于 与 己 经研 究过 的铝 合 金 和 该 铁 合 金 材 料 相 比 ， 镁 合 金 的密 度 低 ， 且 与 之相 差 较大 ， 这 样 金 属 液 在 受搅拌 作用 下 ， 固相 颗 粒之 间 由于碰撞 而 产 生 的作用 力就 比较 小 ， 因 此 高 频 率 下 组 织 形 态 更 好 的 实 验 结 果 并 不 能 由 高 频 率 条 件 下 金 属 液 获 得 更 高 的搅 拌 速 度 和 剪 切 速 率 来 解 释 ， 应 当另 有 其 他 原 因 笔 者 认 为 这 种 原 因就 是 高频 率 下 造 成 的集 肤 效 应 电磁 搅 拌 器 的 定 子 电路 电源 的 能 量 是 通 过 电磁 波 的形 式传 递 给 中 间 的导 体 的 ， 而 电磁 波 的 渗 透 深 度 与 电源 的频 率有 关 ， 频 率越 大 ， 渗 透 层 深度越 小 环， 这 就 造 成 了在 高频 率下 搅 拌 器 内的 金 属 液 上 产 生 的 感 生 电流 主 要 聚 集在 靠 近 搅 拌 器 内壁 的位 置 ， 而 中心 位 置 的感 生 电流 则 很 小 ， 这 就 是集肤 效应 集肤 层 的厚度 可 以通 过 下 式来 计 算 运 动 ， 但 是 处 于搅拌 器 内 的金属 液要 进 行 旋 转 ， 必 须 有 一 个 向心 力来维持 ， 这个 力 由洛伦兹 力在 径 向上 的分 力万认 川 和 搅 拌器 壁 面 对 金 属液 的反作 用 力 的合 力来提 供 这 样 的结果 就会 使得 中心 的金 属 液 不 断 向壁 面 处 输 送 而 壁 面 处 的金 属 液 则 被 迫 受 挤 而 不 断上 升 ， 当上 升 至 一 定 高度 时 ， 金 属液 的 自重 与之 达 到 平 衡 时就 不 再 上 升 ， 并通 过 表 面 向 中心 回落 ， 依 次 周 而 复 始 ， 从 而 造成 了 除水 平 旋转 运动 以外 还 有 由中心 向边缘 ， 而 在边 缘 处又 由下 向上 最 后 又 从 中心 下 落 的 附加 流动 ， 并在 表 面 形 成 旋 涡 附加 流 动 的示 意 图如 图 中 粗 实线 所 示 这 种 附加 流 动 是 处 于 电磁 搅 拌条件 下 的金 属 液 所 具 有 的特有 的流场 特 征 ， 由于它 的 存 在 ， 才 使 得 金 属 液 能够 获 得 更 充 分 的搅 拌 作 用 ， 这 样就 使得金 属 液连 同其 中的 固相颗粒 不 断 从 壁 面 处 的高温 区 向中心 低温 区转移热量 ， 以使 宏 观温度 更 均 匀 但 是 这 样 的结果 使得 固相 颗粒 不 断 的经 受温度 的起 伏 ， 从 而加 速 了枝 晶臂根 部 位 置 的熔 断过 程 ， 使 得 组 织 形 态 更 圆整 和 细 小 ‘ 一 ，” ， 其 中 ， 咨为 电流 透 入 深 度播， 为 金 属 的 电阻率 ， · 产为 相 对 磁 导 率 孔厂为 电源 频 率 ， 由于 金 属 液有 电阻 ， 因此 感 生 电流 就会 产 生 电阻热 而 使 金 属液温度 升 高 ， 电流越大 ， 电阻热 越 大 因此 靠 近搅拌器 内壁 处 的温度 相 对 于 中心 处 就会 稍 高 ， 造 成宏 观 上 表 面 和 中心 温 度 的不 均 假 设 将 处 于 旋 转 电磁 场 下 的金 属 液 分 割 成 无 数 个不 同大 小但 垂 直 于 纸 面 ， 且 相 互 在 中心 线 处 相 交 的导 体环 ， 图 所 示在 此 假 设基础 上 对金 属 熔体进 行 的受 力 分 析 从 中可 以看 出 ， 在 洛 伦 兹 力 切 向分 力凡 的作用 下 金 属 液 会 作 水 平 旋 转 图 电磁 搅拌流体 附加 流 动 示 意图 · 图 旋 转磁 场 内金 属 液 受力分 析 啥 · 一 对 于 本 实验 合 金 沼 二 ， 一 ‘ · ， 依 据 式 电源 频 率 为 和 时 的集 肤 层 厚度 分 别 大 约 为 和 ， 而 本 实验钳 祸 的半径 为 ， 其集肤层 厚度 与盛 装 金 属 液 的增 祸 的半径 之 比分 别 为 和 由此 可 见 ， 当频 率 小 于 时 ， 在试样 上 不 会产 生 集肤效应 而 当 电源 频 率为 时 ， 集 肤层 厚 度 为 因此 在 下 就 会 形 成 更 强 烈

Vol.25 No.4 甄子胜等：电磁搅拌工艺参数对半固态AZ91D镁合金组织的影响 ·345 的温度起伏，枝晶臂的熔断也就更充分，组织就大，半固态AZ91D合金组织中固相颗粒形态越来 更加圆整 越圆整.这主要是由于电磁搅拌下半固态AZ91D 由于本实验设备条件的限制，无法在更高频 合金组织的形成机理是以枝晶臂熔断为主，而在 率的条件下进行实验，但可以对更高频率下的实 高频率下的电磁搅拌过程中，在搅拌室产生的集 验结果进行推测：虽然上面的实验结果显示高频 肤效应使得表面和中心出现宏观温度差，从而加 率下组织形态好，但也并不是频率越高越好.因 强固相颗粒随流场运动时的温度起伏，最终加速 为，根据上面的分析，频率越高，一方面会引起转 枝品臂的熔断. 差率的增大，这会引起功率因子的显著下降而大 大降低有效搅拌功：另一方面，当频率太高时，集 参考文献 肤层就会很小，这导致搅拌作用仅仅集中在表面 1中国机械工程学会铸造专业学会编.铸造手册一 的一个很小的薄层，集肤层厚度与半径之比太 铸造非铁合金分册M).北京，机械工业出版社， 小，而使中心大面积的金属液搅拌效果很差，从 1993 而使得金属液无法获得均匀的搅拌，也就无法充 2 Kamado S,Yuasa A,Hitomi T,et al.Effects of stirring conditions on structure and apparent viscosity of semi-so- 分使固相颗粒经历温度起伏来促进枝晶臂的碎 lid AZ91D magnesium alloy [J].J Jpn Inst Light Met, 断，组织形态也就很差.因此，必然存在着一个适 1992,4212):734 宜的频率范围以保证集肤层厚度与搅拌坩埚半 3李元东，郝远，闫峰云，等.AZ91D镁合金在半固态 径之比在一个适宜的范围. 等温处理过程中的组织演变[)，中国有色金属学 报，2001,11(4)：571 3结论 4王晓虎，赵爱民，毛卫民，等.电磁搅拌下金属流体 的流场测量与研究[U.特种铸造及有色合金，2003 (1)电磁搅拌条件下半固态AZ91D合金组织 (2:47 的固相颗粒为蓝藏状或粒状α-Mg,随电磁搅拌 5王晓虎.旋转磁场下金属榕体的流动和高铬铸铁凝 功率的增大，金属熔体获得更大剪切速率而使蔷 固组织的研究D].北京：北京科技大学，2003 薇状形态的晶粒逐渐转变为粒状和近球形： 6陆文华.铸铁及其熔炼M.北京：机械工业出版社， 1981 (2)在实验范围内，随电磁搅拌电源频率的增 Effect of Electro-magnetic Stirring Process Parameters on the Microstructure of Semi-solid AZ91D Alloy ZHEN Zisheng,MAO Weimin,CHEN Hongtao,ZHONG Xueyou Materials Science and Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT The effect of electro-magnetic stirring process parameters on the microstructures of semi-solid AZ91D alloy was studied.The results show that the shape of solid particles in the alloy was rosette-like or granular. With the stirring power increasing,the rosettelike particles disappear gradually,and solid particles get more and more spherical.A higher power makes the solid particles of the alloy more spherical,because the main evolution mechanism of microstructure of the alloy is the dentritic arm melting method.A higher frequency introduces a skin effect on the stirred semi-solid slurry,which makes a temperature difference between the edge and the center.The slurry under electro-magnetic stirring takes a secondary flow besides the horizontal rotating flow,which makes the slurry move from the edge to the center in cycles.This secondary flow results in a promotion of dendritic arm being melted away from the dendrite grains by the large temperature fluctuation. KEY WORDS Mg alloy:AZ91D:semi-solid:electro-magnetic stirring;skin effect

、 甄子 胜 等 电磁搅拌工 艺参数对半 固态 镁合金 组 织 的影 响 一 的温 度起 伏 ， 枝 晶臂 的熔 断 也 就 更 充分 ， 组 织 就 更 加 圆整 由于 本实验 设 备条件 的 限制 ， 无法 在更 高频 率 的条件下 进 行 实验 ， 但 可 以对 更 高频 率下 的实 验结果进 行推 测 虽 然上 面 的实验 结果 显 示 高频 率下 组 织 形 态好 ， 但 也 并 不 是 频 率越 高越 好 因 为 ， 根据上 面 的分析 ， 频率越 高 ， 一 方 面会 引起转 差 率 的增 大 ， 这 会 引起 功率 因子 的显 著下 降而 大 大 降低 有 效搅拌 功 另一 方 面 ， 当频率 太 高 时 ， 集 肤层 就会 很 小 ， 这 导致搅 拌作 用 仅 仅集 中在表 面 的一 个 很 小 的薄 层 ， 集 肤 层 厚 度 与 半 径 之 比太 小 ， 而 使 中心 大面 积 的金 属 液搅 拌 效果 很 差 ， 从 而 使得金 属液无 法获得均匀 的搅拌 ， 也 就 无 法充 分 使 固相 颗 粒 经 历 温度 起 伏 来 促 进 枝 晶臂 的碎 断 ， 组 织 形 态 也 就 很差 因此 ， 必 然 存在 着一个适 宜 的频 率 范 围 以保证 集 肤 层 厚 度 与搅拌 柑 祸 半 径之 比在一 个 适 宜 的范 围 大 ， 半 固态 合 金 组 织 中固相 颗粒 形态越来 越 圆整 这 主 要 是 由于 电磁 搅 拌 下 半 固态 合 金 组织 的形成 机 理 是 以枝 晶臂熔 断为主 ， 而在 高频率 下 的 电磁搅 拌过程 中 ， 在搅 拌 室产 生 的集 肤 效应 使得表 面 和 中心 出现 宏 观 温度 差 ， 从 而加 强 固相颗粒 随流 场 运 动 时 的温度起伏 ， 最 终加速 枝 晶臂 的熔断 结 论 电磁搅 拌 条件 下半 固态 合 金 组 织 的 固相 颗 粒 为蔷薇 状 或 粒 状 一 ， 随 电磁 搅 拌 功率 的增大 ， 金 属熔体 获得 更 大剪切速率 而使蔷 薇状 形 态 的 晶粒 逐渐 转 变为粒 状 和 近 球 形 在实验 范 围 内 ， 随电磁搅 拌 电源 频 率 的增 参 考 文 献 中 国机 械 工 程 学会铸造专 业 学会 编 铸 造 手册 铸造非铁 合 金 分册 北 京 ， 机械工 业 出版－社 ， ， 丫 ， ， · ， ， 李元 东 ， 郝 远 ， 闰峰云 ， 等 镁合 金在半 固态 等温 处 理 过程 中的组 织 演变 中国有色金 属学 报 ， ， 王 晓虎 ， 赵 爱 民 ， 毛卫 民 ， 等 电磁搅拌 下 金 属流 体 的流场 测量 与研 究 特种铸造及 有色合 金 ， 王 晓虎 旋转磁 场 下 金属熔 体 的流动和 高铬铸铁凝 固组 织 的研 究 北 京 北 京科技大学 ， 陆文 华 铸铁及 其熔炼 北京 机械工 业 出版社 ， 一 加 一 澄绍浑 凡阴 肠 ， 月 的， 付 即 ， 劝访 ， ， 一 奴犷 一 翻 一 入 ， ， ， 叮 访 一 幻刀 一 娜 公吐 ， 五 以 一 一