1引言

在材料科学领域，控制材料的凝固过程是提高传统工程材料和铸件性能以及开发新材料的重要途径。近几十年来，在利用各种手段控制凝固过程的研究和生产实践中发现，综合利用电磁场的各种功能来控制金属的凝固过程具有明显的优势。电磁场凝固技术是指在液态合金凝固过程中，应用电磁场来控制材料的组织和性能的方法。这种方法在工业生产和科学研究中有自己独特的特点，如细化晶粒、改善偏析、获得单一组织、制备半固态钢坯等。而且该方法具有不改变合金原有成分、无污染、无接触、设备简单、操作方便等其他精炼方法不可替代的优点。因此，该技术一经出现就引起了人们的极大关注，目前已取得显著成效，并在实际生产中得到广泛应用。如何进一步拓展电磁凝固技术空的应用，使其更好地应用于冶金生产和材料加工，仍是有待探索和解决的问题。

2材料电磁凝固工艺技术简介

电磁场在冶金生产中的作用，本质上是通过电磁场与熔融金属的相互感应产生电磁力，作用于熔融金属，达到预期目的。目前这种研究电磁场与流动关系的科学叫做电磁流体力学。材料的电磁过程是指将磁流体力学与材料加工技术相结合，将电磁场应用于材料制造和加工中，从而实现对材料过程的控制，改善材料的结构和性能。

2.1电磁场用于材料的电磁凝固工艺技术

材料电磁加工技术中使用的电磁场主要有:①传统线圈产生的普通强度的DC磁场。主要用于控制液态金属的流动:如用作电磁制动器，抑制连铸结晶器内钢液的流动和中间包内钢液的紊流。②超导线圈产生的高强度DC磁场。主要用于控制液态金属的流量；控制液态金属的形核、生长等凝固过程，开发新材料。③频率从几赫兹到几十赫兹的交流磁场。交流磁场是材料加工中应用最广泛的磁场。通过磁场频率的选择，可用于感应加热、电磁搅拌、电磁加压、电磁传输等工艺过程。这是控制液态金属传输的有力手段。④其他特殊磁场。例如运动磁场、脉冲磁场、变幅磁场等。主要用于高效节能等新技术的开发。上述磁场不仅可以单独使用，也可以几种磁场或磁场和电场一起用于某种材料的加工。

2.2电磁场对凝固组织的影响

电磁场主要通过电磁力抑制或搅动熔融金属。不同电磁场产生的电磁力大小、形状、方向不同，对凝固组织的影响也不同。

2 . 2 . 1 DC磁场对凝固组织形态的影响

直流磁场产生的直流磁束既能抑制液态金属中的自然对流，又能抑制固液界面晶核的生长，有利于柱状晶结构的形成，为单晶的发展提供了有利条件。目前，国际上有人根据DC磁束对钢液流动的抑制作用，将其应用于连铸水口处的钢液流动，从而研制出一种能阻止射流，防止和减少连铸中非金属夹杂物聚集区的电动门[1]。国内也有人在拉制单晶硅和控制金属成型的过程中使用DC磁场，特别是西北工业大学在这方面做了大量的工作[2][3]。

2.2.2交流磁场对凝固组织的影响

当交变磁场作用于熔融金属时，产生一个体积力，在某一时刻改变方向和大小。这种力可以搅动正在凝固的熔融金属，使凝固界面产生晶体的熔化、枝晶的断裂和脱离，同时使晶核以活跃状态运动，促进晶体结构的等轴晶化。它的作用正好与DC磁场相反。在交流磁场的多种形式中，旋转磁场是比较常用的形式之一。旋转磁场与液态金属相互作用，对正在结晶的液态金属产生强烈的搅拌作用，使液态金属处于不同于重力状态的结晶状态，凝固方式发生变化，成为不平衡结晶。电磁搅拌首次用于研究液态金属流动对有色金属凝固过程和凝固组织的影响。但在20世纪60年代初，Langen.berg等人[4]报道了交流磁场可以显著细化钢锭的凝固晶粒，这一技术得到了大力发展和广泛应用。电磁搅拌还可以改善铸件的冶金质量，消除宏观偏析[5]。大部分研究工作是利用旋转磁场实现定向凝固过程中的电磁搅拌。

电磁凝固技术在冶金生产中的应用

材料电磁凝固技术研究的主要目的在于应用。扩大其在冶金和材料加工中的应用，使电磁凝固技术在生产中更好更有效，还需要不断探索和大量的实验研究。

3.1拓宽电磁凝固技术的应用范围

目前，材料的电磁凝固技术主要用于砂型铸造，以改变材料的结构和性能。在特种铸造方面，电磁离心铸造是近年来发展起来的一种新型凝固技术，可以改善耐热钢的宏观凝固组织，从而可以应用于制造梯度复合材料[6]。特种铸造包括离心铸造、金属型铸造、压力铸造、低压铸造和熔模铸造等。能否将电磁技术应用到这些特殊的铸件生产中，改善铸件的凝固组织和结构，制造出符合要求的相关设备，值得我们去探索和思考。其次，材料的热加工方法不仅包括铸造，还包括锻造和焊接。对于锻件，能否用电磁技术控制其成形过程，能否在锻件冷却过程中用电磁技术控制其固态组织和性能；对于焊接部位，由于焊缝金属凝固快，焊缝质量难以控制，容易产生应力、变形等缺陷。那么，能否尝试将电磁凝固技术应用于焊接过程中的焊缝金属，控制其凝固速度，使焊缝的化学成分趋于均匀，从而改善和提高焊缝的质量，也是值得我们研究和考证的。

3.2毛坯件的生产

对于一些对性能要求较高的机械零件，如最常见的齿轮和轴类零件，其毛坯件往往选择锻件、轧制件或挤压件，因为铸造工艺不能满足其力学性能和使用性能的要求。而锻造生产条件差，劳动强度大，原材料利用率低，生产周期长，锻模制造成本高，锻件加工性差。轧制件和挤压件的表面质量难以控制，表面精度低，容易产生裂纹。如果能通过电磁铸造生产出这些常见机械零件的毛坯零件，并通过磁场力控制铸件的凝固过程，从而获得我们所需要的组织和性能。这样与锻造生产相比，可以改善锻造工人的劳动强度和工作条件，节约成本，提高原材料利用率，减少机加工前的热处理工序，提高生产率。与轧制和挤压工艺相比，电磁铸造可以控制零件的表面质量，减少表面缺陷，提高力学性能。

3.3毛坯件的材料选择

不同材料的不同毛坯件具有不同的性能。比如20钢和45钢都属于优质碳素结构钢，但由于含碳量不同，所以力学性能也不同。如果用轧制方法制造轴圆钢毛坯，45钢的综合力学性能高于20钢。若将20钢材料通过电磁铸造凝固成形制成圆钢坯，通过晶粒细化可获得中心细小的等轴晶区，并安排热处理工艺共同提高其力学性能，以满足45钢轧件的综合要求。这样不仅可以大大节约原材料成本，还可以提高不同材料的制造和应用范围，扩大材料的利用率。

3.4零件的加工

一般需要切割和热处理才能将热加工制成的毛坯应用到生产中。机械加工的主要目的是提高零件的尺寸精度和形状精度，获得满足装配和使用性能要求的零件。热处理穿插在切削过程中，目的是改变零件的机械性能，以满足其加工或使用的需要。任何热处理方法都包括加热、保温、冷却三个步骤。不同的金属材料在不同的热处理方式下，加热温度、保温时间、冷却速度都不同。如果将电磁技术用于金属材料的热处理过程中，观察其对材料固态结构的影响，就可以讨论该技术对材料热处理领域的影响程度和可行性。

4 .探索材料电磁凝固技术的研究方向

对于电磁场在材料凝固过程中的应用，国内外研究人员做了大量工作，取得了很大进展。然而，电磁场处理影响凝固组织的机理仍不十分清楚，存在许多盲点。这不仅是因为电磁场处理是一个错综复杂的交叉领域，也是因为其研究方法和人们思维的局限性，需要进一步的研究和发展。

4.1考虑铸造材料和凝固方法

国内外的研究人员主要集中在铝合金、低熔点铅锡合金、铁碳合金以及一些复合材料上，对其他合金材料的研究相对缺乏。同时，对旋转磁场电磁搅拌作用的研究大多集中在钢锭的定向凝固上。对于同时凝固获得的一些中小型薄壁铸件，电磁凝固技术在这方面的研究和应用还有待深化和提高。

4.2磁场的类型及其与电场的相互作用

DC磁场和交流磁场对材料凝固过程的研究很多，但脉冲磁场对材料凝固过程和凝固组织影响的研究有待深入。齐炳涛等[7]利用脉冲磁场处理LY12铝合金的凝固组织，发现脉冲磁场不仅能显著细化凝固组织，而且其细化效果明显优于脉冲电流。然而，对于与脉冲磁场应用相关的新问题和新现象，我们还不够了解。我相信这项技术应该有很大的市场前景，有可能用于制备块体非晶和块体金属纳米晶材料[8]。深入研究了磁场中的DC电场对材料凝固过程的影响。特别是DC磁场和DC电场的相互作用作用于金属的凝固过程，使得金属的细化效果更加显著[9]，并在生产中得到广泛应用。但交流电场或脉冲电场与交流磁场或脉冲磁场的相互作用研究较少，相互作用对材料凝固组织的影响尚不清楚，需要大量的实验研究来证明这种方法的可行性和实用性。

4.3电磁搅拌原理的获取方法

在金属凝固过程中，施加交流磁场的作用和目的是对液相产生电磁搅拌，使液态金属处于不同于重力状态的结晶状态，凝固方式转变为不平衡结晶，从而获得力学性能优异的细晶组织。Kobayashi[10]等人利用在DC磁场中低速旋转模具的方法实现电磁搅拌过程，在不锈钢凝固组织中产生了不同比例的等轴晶区。那么，交流磁场获得的电磁搅拌效果和DC磁场作用下旋转模具获得的电磁搅拌效果在凝固组织和机理上有什么区别呢？这个研究还不清楚，还需要进一步的研究和确认。

4.4材料电磁铸造中的不同应用参数

为了更好地将材料的电磁凝固技术应用到铸造生产中，获得某种合金电磁铸造的最佳方案，还需要进行大量的实验研究和总结，主要包括以下两个方面:一是对于同一种合金成分，在不同的浇注温度、电磁场强度和模具温度下，凝固后的显微组织和力学性能会有什么不同；其次，对于不同的合金成分，或者改变同一合金中合金元素的含量，在相同的浇注温度、电磁场强度和模具温度下，凝固后的微观组织和力学性能有什么不同？综合各方面的实验数据和结果，得出某合金的最佳电磁凝固方案，包括合金元素的含量、浇注温度的范围、电磁强度的大小和模具预热温度的取值，以便更有效地指导和应用于生产。

5结束语

经过国内外研究人员几十年的不懈努力，材料的电磁凝固技术已经取得了很大的进展，并已广泛应用于冶金生产中。但是，材料电磁凝固技术在冶金工业和材料成型加工中的应用能否扩大，能否应用于材料的锻造生产、焊接生产和热处理过程，这一思路的可实施性和可操作性还需要大量的实验研究和论证。同时，要拓宽材料电磁凝固技术的研究方向，使更多的材料能够应用于电磁凝固生产，要下大力气研究脉冲磁场以及不同磁场和电场的相互作用对材料凝固组织和性能的影响，使这项技术更加完善，形成有效的理论体系，更好地指导生产。材料电磁凝固工艺技术的研究意义深远，其研究成果将为人们进一步探索磁场作用下合金中原子和电子的运动规律提供新的实践依据和新的线索和思路。从应用角度看，这些新发现的实验结果可以用来指导人们有效控制合金的原子结构和微观组织，为有效改变合金的性能提供新的技术手段，拓宽电磁场在材料加工中的应用范围，促进冶金工业的快速发展。