吕野楠，丁 韧，许光明，尤 涛

(1.辽宁省交通高等专科学校 机电系，辽宁 沈阳 110122; 2.东北大学 材料电磁过程研究教育部重点实验室，辽宁 沈阳 110819)

3×××系铝合金是以Mn为主要合金元素热处理不可强化铝合金，其塑性好、焊接性能好、耐腐蚀性能良好，可加工成板材、管材、型材和线材[1]。该系铝合金具有较大的过冷度，因此在快速冷却时容易产生晶内偏析。Fe元素是主要杂质元素之一，加入适量的Fe元素能减少偏析，又能细化晶粒[2]。宏观偏析是铸轧板带常见的缺陷之一，受铸轧工艺参数、合金元素添加量、液穴深度等多因素影响，导致中心层出现偏析[3-4]。

材料电磁加工(EPM)已成为金属材料基础研究领域的重要研究方向之一，已形成多学科交叉、应用领域广泛、工艺方法众多的一门边缘科学[5-13]。本试验铸轧 3003 铝合金板材，通过常规铸轧与施加电磁铸轧的板材组织对比分析，研究电磁场对3003铝合金板材微观组织及偏析的影响。

1 试验材料与方法

试验用3003铝合金的化学成分(质量分数)：1.2%Mn、0.7%Fe、0.6%Si、0.05% Cu、0.05%Zn，余量为Al。将熔炼炉加热到730 ℃并保温20 min后，加入合金元素，待合金元素完全熔化后搅拌均匀。炉温降至700 ℃，静置30 min。通过熔体供料流槽，在水平式双辊铸轧机上铸轧。电磁铸轧示意图见图 1。静磁场励磁电流为250 A，脉冲电源为SPMD系列脉冲电源，脉冲电流峰值为300 A，铸轧板坯厚度为5 mm。试样采用Leica光学显微镜进行显微组织观察，采用东北大学检测中心的JEOL JXA-8530F电子探针仪进行观察及能谱分析。

图1 电磁场铸轧示意图

2 结果与讨论

2.1 电磁铸轧对板材微观组织的影响

图2a为常规铸轧3003铝合金板材组织。可以看出，微观组织中枝晶臂发达，存在粗大不规则蔷薇状枝晶。这是因为常规铸轧生产时，凝固界面前沿存在一定的成分过冷区，因此出现树枝状结晶，由于轧辊冷却能力不均匀，造成不均匀结晶组织，部分枝晶快速生长，枝晶粗大。

图2b为电磁场条件下铸轧组织。施加电磁场后，枝晶出现不同程度的细化且枝晶形态发生一定的变化，粗大枝晶消失，一次枝晶被打碎，剪切变短，二次枝晶壁变得更加致密，富集于枝晶间的非平衡共晶相显著减少。

图2 3003铝合金铸轧板材微观组织

根据法拉第电磁感应定律[14]:当导体在磁场中作切割磁力线运动时产生感应电流，感应电流与磁场相互作用产生电磁力。铸轧时，由于结晶前沿熔体有一定的温度梯度，并有一定的成分过冷，结晶前沿并不是水平推进的，而以树枝状结晶。电磁力对熔体产生电磁振荡作用，凝固前沿的枝晶末端被剪切、打碎；这些碎块继续受到电磁力的振荡作用，弥散分布到凝固前沿的亚稳流体中，成为“异质”形核点，提高了形核率，使枝晶得到细化。其次，电磁场可以促进凝固前沿亚稳流体的均匀形核，外加脉冲电流和恒稳磁场形成的复合场会以一定频率波动，凝固前沿的亚稳流体中会出现一定程度的能量起伏；同时电磁振荡加速了凝固前沿原子的振动，提供了结构起伏并降低了原子越过固液界面的扩散激活能。因此施加电磁场可以提供均匀形核的条件，促使均匀形核的发生，细化枝晶。

2.2 电磁铸轧对板材偏析的影响

图3a、3b为常规铸轧3003铝合金板材中心与边部偏析组织。可以看出，组织中存在大量光亮晶，光亮晶晶界处依附许多小黑点，这些小黑点对应于图2a中晶界处的显微偏析。对于3003铝合金，合金元素Mn在铝中扩散系数比较慢[2]，在共晶温度时Mn在铝中的溶解度仅为1.82%，室温下固溶度小于0.3%。在铸轧快速冷却条件下非平衡凝固，固体中合金元素扩散不均匀，造成枝晶中心向边部的合金元素浓度递增分布，最终Mn元素偏聚于晶界处或枝晶末端，形成偏析，晶粒越粗大偏析越严重。

图3c、3d为电磁铸轧板材中心和边部偏析组织。在电磁场作用下，组织中出现少量的枝晶偏析。如前所述，传统铸轧由于冷却强度大，实际的凝固过程往往是存在一定成分过冷的非平衡凝固。在凝固界面前沿，枝晶向前生长时，溶质元素被排挤到枝晶末端液相中产生非平衡共晶相，造成严重的枝晶偏析。外加电磁场使枝晶细化，抑制了这一过程，电磁振荡促进熔体对流和溶质传输。传统铸轧凝固界面前沿液相区自然对流很弱，外加电磁场使其流动不再是单一的自然对流，还有强制对流，加强溶质扩散，减少共晶液相的存在，减少枝晶偏析。

图3 3003铝合金铸轧板材微观组织

2.3 电磁铸轧板材偏析带分析

3003铝合金板材常规铸轧组织没有发现宏观偏析缺陷，3003铝合金结晶范围窄，当冷却强度大时铝液在极短时间内凝固，并没有产生明显的宏观偏析。电磁铸轧板材中心组织也没有宏观偏析，但边部组织中出现了明显的宏观偏析带，见图3c、3d。

如图4所示，对电磁铸轧板边部偏析位置(谱图1)和非偏析位置(谱图2)能谱分析，发现偏析位置合金元素富集严重程度为w(Si)>w(Fe)>w(Mn)，其中w(Si)=5.57%，w(Fe)=3.76%，w(Mn)=2.60%，而非偏析带区域w(Mn)=1.12%，非偏析带区域未检测到Fe、Si等元素。

图4 边部偏析位置和非偏析位置成分分析

由文献[15-18]可知，Mn会与合金中的Fe、Si、Al生成铝硅锰铁四元合金，640 ℃时，四元合金以固态形式存在，即在熔体中以悬浮小颗粒存在。当施加电磁场，电流J与磁场B交互作用产生电磁力f，f=J×B，因颗粒与熔体电阻率不同存在压力梯度，由Leenov-Kolin理论可知:

式中:

dp—颗粒直径；

σ—熔体的电导率；

σp—颗粒的电导率。

铁相的电导率远小于铝熔体的，可认为铁相电导率为零(σp=0)，上式简化为

当粒子尺寸、电流及磁场强度达到一定值时，铁相粒子聚集在铸轧板材中形成宏观偏析带。

3 结 论

1)在3003铝合金铸轧板材铸轧过程中施加电磁场可以有效地改善其显微组织，剪碎枝晶、细化晶粒。

2)外加电磁场会抑制自然对流，加强溶质扩散，减少了共晶液相的存在，减少偏析。

3)Mn的加入会与合金中的Fe、Si、Al生成铝硅锰铁四元合金，因铁相的电导率非常小，电磁场在铁相周围产生的电磁斥力与重力共同作用，铁相粒子聚集在一定区域的，在铸轧板材中形成宏观偏析带。