金属凝固技术：电磁的奇妙运用

金属在外加电磁场作用下凝固时，外加电磁场对液态金属和凝固过程产生影响，根据金属凝固的具体条件不同，电磁场对金属材料的作用也有区别，大体分以下几种。

1.电场凝固

对液态金属施加单一的电场，使金属在电场中冷却凝固，可以得到有别于常规凝固条件下的组织。所施加的电场可以是直流电场、交流电场或脉冲电场。研究表明，在金属凝固过程中施加常规的直流或交流电场有助于改善凝固组织，减少宏观凝固缺陷。

Vashchenko等[39]对铸件施加一直流电场，电极之一置于铸模上，另一电极与铸件相接，在铸件凝固时有电流通过，利用这种办法得到的凝固组织与常规组织有很大不同。他们利用很低的电流密度（4～5mA/cm2）对铸铁（3.1%～3.4%C，1.9%～2.8%Si）的凝固组织产生了下列影响：①细化了石墨片，并使其形态发生改变；②铁素体含量减少而珠光体数量增加；③减少了非金属夹杂物的数量。凝固组织的变化是因为电流增加了碳原子的迁移性，导致凝固的形核率提高、过冷度增加而引起的。

2.电磁成形

电磁成形技术是利用电磁力实现液态金属的约束成形，在无成形模具的条件下完成金属的熔炼与成形，故称为电磁铸造（electromagnetic casting）或电磁模（electromagnetic mold）等。图7-6为铝锭电磁铸造示意图[40]。

图7-6　铝锭电磁铸造示意图[40]

感应器中通入交变电流后，在熔体内会感生涡流，在较高的频率（约103Hz）下，感应电流主要集中在液态金属的表层部分，其方向在每一瞬间都与感应器中的电流方向相反。因此，这个感应电流与外加磁场交互作用，在液态金属的侧表面内产生一个指向液态金属内部的电磁压力。通过控制液态金属表层部分的磁场强度可以控制电磁压力的大小，使电磁压力、液态金属静压力、表面张力达到动态平衡，这样才可以使液态金属能够达到合适的形状及保持较好的稳定性。同时，可以实现金属与模壁之间的“软接触”，显著提高铸件表面质量。感应器在液态金属表面产生电磁压力的同时，在金属液表面和内部都产生电磁搅拌力，金属液内部的电磁搅拌力将引起金属液的流动，改善铸件内部的组织形态。

3.电磁搅拌

电磁搅拌器可以分为两类：线性搅拌器和旋转搅拌器。后者又包括两种：一种是在感应线圈内通交变电流产生交变磁场的传统方法；另一种是旋转永磁体法。该方法采用由高性能永磁材料组成的感应器，可以在内部产生很高的磁场强度，通过改变永磁体排列方式，可以使金属液内部产生明显的三维流动，搅拌效果很好。图7-7为线性和旋转电磁搅拌系统示意图，通过正确的设计可以获得一个或两个液态环流。

图7-7　金属铸造过程中使用的直线型和旋转型的电磁搅拌系统[40]

电磁搅拌产生的金属液流动使树枝晶前端发生折断或产生熔蚀作用，造成大量枝晶碎片作为晶核。同时，剧烈的流动可大大加速液心的传热而使过热度迅速消失，两相区扩大；流动还可以加速传质过程，使凝固界面前沿扩散边界层减薄而浓度梯度增大，两相区成分过冷增加。规则和非规则共晶组织在电磁搅拌作用下遵循着不同的变化规律，在Fe-C及A1-Si等共晶中还引起宏观成分偏析。电磁搅拌是扩大铸坯等轴晶带的有效措施，对铸坯表层质量、中心缩孔疏松以及铸坯中心的偏析都有良好的改善作用。

4.电磁振荡

电磁振荡凝固技术，其基本原理如图7-8所示。金属熔体内通入具有一定频率的交变电流，与外加的直流磁场产生交互作用，在熔体中产生交变的电磁力，其频率与电流频率是一致的，这个交变电磁力也使得金属熔体发生振荡。图7-9为电磁感应振荡凝固原理的示意图。该装置主要由两组电磁感应器组成，通过合理设计两组电磁感应器，使其中的一组感应器由通过的直流电产生一个恒稳磁场B；另外一组感应区通过交流电产生交变磁场b，两组感应器产生的磁场方向都与轴线平行，而且这个交变磁场可以在熔体中产生感生电流。恒稳磁场与交变感生电流的交互作用也可以在熔体中产生振荡。由于集肤效应的存在，依靠这种办法产生的电磁振荡主要产生于金属熔体的表面透入区域，然后传播至熔体内部。

图7-8　电磁振荡凝固示意图[35]

图7-9　电磁感应振荡凝固原理示意图[36]

电磁振荡凝固具有以下特点[41]：

一是设备简单，操作方便，可实施性强；

二是振荡设备不与熔体接触，无污染；

三是振荡强度在整个熔体范围内是均匀分布的，因而易于获得均匀一致的凝固组织。

合金熔体在剧烈电磁振荡过程中，会产生空化效应。通常认为，电磁振荡对凝固组织的影响就起因于这种空化效应。所谓空化效应是指在剧烈运动的半固态流合金熔体中存在某些局部的低压微区，合金液中溶解的气体可能在此低压微区聚集形成气泡。当这些气泡运动到高压区时将会破裂而形成微观射流，在局部微区产生很高的瞬时压力，对合金熔体的熔点和形核条件产生影响。图7-10反映了空穴的形成和破裂的过程，图中的1、2、3、4表示过程中的顺序。

图7-10　孔穴形成与爆裂示意图[38，42]

空化效应主要取决于两个因素，即振荡强度和预先存在于液体中的气泡。空化效应对金属凝固形核过程的影响主要表现在3个方面：①对金属熔体产生了强烈的搅拌作用，形成大量新的晶核分布在整个熔体内，这就会促进在整个熔体体积内的均匀生长，而且振荡的作用还具有同紊流相似的作用，使得更细小的晶体颗粒更为分散，从而细化了晶体组织；②由于空化效应造成的压力变化改变了形核的平衡温度，这将直接影响到临界晶核尺寸和形核率；③气泡在长大过程中往往伴随着气化过程，这会降低气泡表面的温度，从而诱发形核。

图7-11为Al-4%Cu合金在常规凝固和电磁振荡凝固条件下获得的宏观组织形貌。对比发现，电磁振荡条件下获得的凝固组织在整个截面上都比较均匀，这是由于当合金处于半固态时电磁力引起的熔体往复运动在整个体积内都较为均匀。

图7-11　Al-4%Cu合金的宏观凝固组织

（a）常规凝固；（b）电磁振荡凝固

5.电磁离心(www.xing528.com)

电磁离心铸造将离心铸造和电磁搅拌结合起来，利用金属熔体随模具的转动与外加直流磁场的交互作用而产生电磁力。在电磁力的作用下，金属熔体产生与转动方向相反的相对运动，从而产生了电磁搅拌，其原理如图7-12所示。由于在电磁离心凝固过程中，金属熔体不仅受到电磁力的作用，还承受很强的离心力的作用。同时，由于结晶前沿存在较强的液相流动，柱状晶发生迎流倾斜生长，进而被折断，为等轴晶的形成提供了形核条件，从而促进了柱状晶向等轴晶的转化。电磁离心铸造既保留了普通离心铸造组织致密、疏松和气孔少等优点，又充分利用了电磁搅拌作用，克服了离心铸造的缺点，使第二相分布均匀，成分偏析得到控制[21，43]。

图7-12　电磁离心铸造原理示意图

图7-13为Al-Cu共晶合金在离心转速为1 200r/min以及不同磁场强度下空冷凝固后，等轴晶区内层的显微组织。其中，图7-13（a）为无电磁搅拌时凝固的柱状晶组织，共晶组织主要呈现规则的层片形貌。图7-13（b）对应于B=0.10T时的凝固组织，共晶组织粗化，棒状共晶开始形成，并还可以观察到粗化的先共晶相晶粒；在该条件下的凝固宏观组织中，等轴晶粒也是比较粗大的。图7-13（c）显示了磁通密度为0.17T时的凝固组织，从中可见更多的棒状共晶及块状的先共晶组织，而层片状共晶已基本消除，而且棒状共晶的相间距也进一步增大。当外加磁场强度提高到0.23T时，典型的共晶形貌已不复存在，如图7-13（d）所示。共晶两相均以块状形式生长，形成离异共晶。先共晶相和离异共晶的形成反映了随着磁场增强或熔体流动加剧，共晶生长的共协性降低。

图7-13　磁场强度对电磁离心凝固Al-Cu共晶合金内层组织的影响[44]

（n=1 200r/min，空冷）（a）B=0T；（b）B=0.10T；（c）B=0.17 T；（d）B=0.23T

图7-14为Al-Cu亚共晶合金离心凝固组织。内层等轴晶区为初晶α-Al和共晶组织，其先共晶组织为花瓣状，如图7-14（a）所示。内层合金在电磁搅拌（B=0.17T）条件下，先共晶组织在形貌上从原来的花瓣状的枝晶组织转变为球状的非枝晶组织，而且尺寸减小。其次，电磁搅拌下凝固组织中共晶组织（黑色）数量增多，如图7-14（b）所示。

图7-14　Al-Cu亚共晶合金电磁离心凝固组织[45]

（a）亚共晶层（无磁场）；（b）亚共晶层（B=0.17T）

电磁离心铸造在用于制备梯度功能复合材料时，利用外加磁场可以控制熔体的流动，从而改变增强体的分布状态，实现对增强体分布梯度的控制。当金属基体与非导体的增强体（如SiC）复合时，金属熔体承受电磁力的作用，而增强材料除受到离心力的作用外并未受到电磁力的直接作用，因此熔体的流动对增强材料的分布起到关键作用。

图7-15为以A1-16.7%Cu合金为基体，SiC颗粒为增强材料，利用电磁离心凝固工艺制备的复合材料横截面形貌。对于常规离心凝固（无电磁搅拌）的复合材料来说，其横截面上主要分成3个区域：在邻近样品外表面处是一个无颗粒区，然后是一个颗粒富集区。而在铸件内表面附近又形成一个无颗粒区。在这种条件下凝固的样品中，颗粒分布具有较大的梯度。当采用外加磁场进行电磁搅拌时，颗粒富集程度有所减弱，而且随着外加磁场的磁通密度的提高，颗粒分布也趋于均匀。当外加磁场提高至0.15T时，SiC颗粒在整个厚度上几乎近于均匀分布。

图7-15　电磁离心凝固Al-Cu合金基/SiC颗粒复合材料中SiC颗粒的分布[46]

（a）B=0T；（b）B=0.10T；（c）B=0.15T

6.电磁制动

直流磁场与运动流体之间的交互作用具有“电磁制动（electromagnetic braking）”的功能，当流体在直流磁场中运动时，将在内部产生感生电流，从而产生与流动方向相反的Lorentz力抑制其运动，消除紊流和流动的不稳定性。电磁制动技术首先被用于连铸机结晶器内金属熔体注流的流速控制，用来改善铸坯质量。由于射流作用，金属液在出口处出现复杂的流动状态，如果在流股冲出途中施加稳恒磁场，则此处会在金属液中感应出电流，对流动产生一个与流动方向相反的制动力，强制改变出口处金属的流动状态，从而减少液流对凝固坯壳的冲刷，并加强向上的流动，活跃渣—金属液界面，减少铸坯宏观缺陷和成分偏析，并有利于延长铸模的使用寿命。

直流磁场的另一个主要应用是晶体生长过程。晶体生长需要稳定的传热、传质环境，熔体中的对流对热量、质量传输过程的干扰会极大地影响生长晶体的质量。利用外加直流磁场可以有效地抑制熔体对流，防止产生生长缺陷。磁场强度和方向对晶体生长过程中热量、质量和动量的传输过程影响很大。

带状偏析是由于凝固界面推移时引起紊流作用而形成的，施加一个与晶体生长方向相垂直的直流磁场可以抑制这种对流及相伴生的温度起伏[47]。当引入与重力平行的直流磁场后，金属在液相中传热速率降低，液相向固相的转变推迟；凝固过程中，固—液界面的推移速率增加，界面变得较倾斜，在一定过热度下，磁场下凝固组织倾向于形成柱状晶，并且柱状晶宽度增加，如图7-16；如果过热度足够低，则无论有无外加磁场，均形成等轴晶粒组织，但是在磁场中凝固的组织比较粗大[48]。

图7-16　1050铝合金凝固的宏观组织

（a）自然对流条件；（b）外加恒稳磁场凝固组织

7.电磁悬浮

利用电场、磁场的悬浮凝固技术主要有两类：一类是静电悬浮，即利用静电场对充电样品产生库仑力而使之产生悬浮；另一类是利用电磁场对导电材料的悬浮作用力来实现材料的浮区熔炼、悬浮凝固和去除杂质等功能。

电磁悬浮技术主要应用在浮区熔炼过程和实现微重力下的凝固中。在浮区熔炼过程中，电磁感应器产生的电磁场在材料内部产生涡流，加热熔化形成浮区，同时在浮区产生电磁力抵抗重力，使熔体悬浮；电磁悬浮所采用的交变磁场频率一般较高（约106Hz），电磁力还引起熔体在自由表面处循环流动。

电磁悬浮凝固技术中还可以采用交流磁场使熔滴在完全悬浮状态下发生凝固。电磁悬浮技术有两方面的应用：一是在地面实验室利用电磁力的作用克服重力将金属样品悬浮起来，从而实现微重力环境；二是在空间实验室内实现样品的定位。电磁悬浮凝固技术是获得无容器凝固（containerless solidification）的一条重要途径，并可用来实现金属在较大过冷度下的凝固[49，50]。表7.2给出了几种金属在电磁悬浮条件下所获得的最大过冷度。

表7-2　电磁悬浮凝固条件下的最大过冷度[51]

8.电磁雾化

在细小喷嘴射出的液态金属和喷嘴对面安装的电极间施加电压，在与喷嘴—电极间的电流方向成正交的方向上施加直流磁场，在通电的同时，喷嘴—电极间的液态金属内就会产生体积力，因而使液态金属飞散雾化，然后电流被切断，但在后续流出的金属作用下，又重新通电，并再次使金属飞散雾化。这样可使该过程反复进行下去，利用这种方法可以很好地控制金属的粒度及其分布。另外，伴随着磁束方向的变更，可以较容易地使金属的飞散方向发生变化，这样就可以克服在利用气体和液体使金属细化的方法中，由于流体冲击产生的偶发因素而使金属粒度不一及分布不均的缺陷。

总而言之，材料电磁工艺是一个新兴的材料制备和加工技术，随着时代的发展，其应用领域也越来越广泛。同时，也会有越来越多的新工艺新方法出现，为材料制备与加工技术的进步开拓一个更加广阔的领域。