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Cu-Pb合金是一种典型的有应用价值的偏晶合金,用该合金制备的轴承材料耐磨性能优异,但是Cu-Pb合金凝固中难以避免的重力偏析使得制备溶质均匀分布的偏晶合金材料非常困难,因而采用各种手段来抑制这种偏析一直是凝固工作者致力研究的目标。
本文中,研究了强磁场对Cu-Pb亚偏晶合金、偏晶点合金及过偏晶合金的凝固组织的影响。并且通过改变磁感应强度和凝固速度考察了强磁场对Cu-70%Pb及Cu-90%Pb凝固组织的影响。得到以下主要结论:
(1)10T强磁场可以使Cu-30%Pb亚偏晶合金及Cu-36%Pb偏晶点合金中铜相粗化,并使基体中铅分布均匀。
(2)在30℃/min的冷却速度下,增加磁感应强度,能减缓Cu-70%Pb合金上部富铜颗粒的偏聚;提高合金凝固速度达到100℃/min时,10T磁场对Cu-70%Pb合金的重力偏析抑制效果显著,合金试样上部不再是整块的富铜相,已开始变成大块的铜颗粒,且在试样顶部出现了弥散的铜颗粒。
(3)随着磁感应强度的增大,磁场对Cu-90%Pb合金的比重偏析抑制作用增强。当磁感应强度达到8T时,偏聚明显减少,12T时偏聚几乎完全消失,此时磁场使铜颗粒的偏析程度降低了约90%。
(4)在凝固速度为30℃/min的情况下,10T磁场已接近全部抑制Cu-90%Pb合金的比重偏析,而当凝固速度达到100℃/min时,可以获得第二相均匀分布的Cu-90%Pb合金。
(5)强磁场通过增加熔体粘度来减缓第二相颗粒的上浮。当磁感应强度达到12T时,熔体的粘度增加3.5倍左右,液滴的上浮速度也将降低为无磁场时的1/3。
(6)磁场可以减轻自然对流。磁场可以降低描述自然对流的无量纲Rayleigh数和Grashof数,从而可以减缓因对流而造成的液滴间的碰撞和凝并。随着磁感应强度的增加,磁场对对流的抑制作用增强。
(7)由于感生洛伦兹阻力效应,纵向磁场也可以阻碍Cu-Pb合金中Cu颗粒的上浮,12T的纵向磁场使颗粒上浮速度降低为无磁场时的1/14。纵向磁场对颗粒由于Marangoni对流引起的横向运动的抑制作用更强,对50微米铜颗粒而言,当磁感应强度达到12T时,其速度降低为无磁场时的1/130。
(8)对横向磁场中颗粒上浮速度的计算表明:横向磁场对颗粒的上浮抑制作用强烈,对50微米铜颗粒而言,当磁感应强度达到12T时,其自由上浮速度可降低为无磁场时的1/100。因此利用横向强磁场有望制备出均质偏晶合金。
综上所述,本文结果表明,通过增加磁感应强度,提高冷却速率,调整磁力线方向,能显著减轻甚至完全抑制偏晶合金凝固中的重力偏析,也可以显著抑制Marangoni对流带来的凝并效应,因此本文结果对在地面制备第二相均匀分布的偏晶合金具有一定的借鉴意义。