电磁搅拌电流调控铜/钢双金属界面结构与性能的机制研究及工程应用

为解决铜/钢双金属材料因传统液固复合铸造导致的晶粒粗大、界面结合强度不足等问题，研究人员通过电磁搅拌(EMS)技术系统研究了电流强度(100-400?A)对α-Cu相形貌演变(枝晶→近球晶)、元素互扩散距离(增至9.4?μm)及摩擦学性能(磨损率降低26.7%至1.499×10?7 mm3 /(N·m))的影响，揭示了EMS通过洛伦兹力破碎枝晶、促进形核的机制，为高性能双金属构件制备提供新策略。

　　

在工业制造领域，传统单一材料越来越难以满足现代技术对部件性能的复合需求。以航空航天和工程机械为例，既需要铜合金优异的减摩耐磨特性，又离不开钢材的高强度支撑。铜/钢双金属材料虽能兼顾二者优势，但传统液固复合铸造工艺制备的材料存在致命缺陷——铜层晶粒粗大如树杈般的枝晶结构(平均尺寸517.6?μm)、铁铜原子互扩散距离短、界面剪切强度低(仅159?MPa)，导致材料在服役过程中易发生界面剥离或快速磨损。更棘手的是，铜层的磨损率居高不下，主要呈现为片状剥落的严重分层磨损，这直接缩短了关键部件的使用寿命。

为突破这一技术瓶颈，山西某研究团队在《Materials Today Communications》发表研究，创新性地将电磁搅拌(EMS)技术引入铜/钢双金属的液固复合铸造过程。他们通过精确调控搅拌电流(0-400?A)，系统探究了电磁场对材料微观结构演变、力学性能提升及摩擦学行为优化的作用规律。研究发现，当电流增至300?A时，铜层晶粒尺寸锐减至54.7?μm，界面剪切强度提升36.5%至217?MPa，磨损机制从分层磨损转变为轻微的磨粒磨损和粘着磨损，摩擦系数降至0.216。这些突破性进展为双金属构件性能调控提供了全新思路。

关键技术方法包括：采用42CrMo钢基体与CuPb10Sn10铜合金通过液固复合铸造制备样品；设置梯度电磁搅拌电流(0/100/200/300/400?A)对比处理效果；利用光学显微镜和扫描电镜分析α-Cu相形貌转变；通过剪切试验机测试界面结合强度；采用摩擦磨损试验机评估干摩擦条件下的摩擦系数和磨损率。

【Microstructure】
随搅拌电流增加，α-Cu相发生显著形态演变：未施加EMS时呈现典型枝晶结构(图4a)；100?A电流使二次枝晶臂破碎(图4b)；200?A时初生枝晶完全碎化，出现孤立晶粒(图4c)；300?A时形成均匀近球晶(图4d)。能谱分析显示，300?A时Cu/Fe互扩散距离达9.4?μm，是未处理样的2.3倍。

【Mechanical properties】
界面剪切强度与电流呈正相关：0?A时为159?MPa，300?A时达峰值217?MPa。超过300?A后强度略有下降，归因于过度搅拌导致的熔体湍流。显微硬度测试显示铜层硬度随晶粒细化显著提高。

【Tribological properties】
EMS处理使平均摩擦系数从0.271(0?A)降至0.216(300?A)。磨损率从2.045×10^?7
mm³
/(N·m)降至1.499×10^?7
mm³
/(N·m)。磨损表面三维形貌显示，未处理样存在深而宽的犁沟，而300?A样品表面仅见浅表划痕。

【Conclusions】
研究证实EMS通过双重机制改善性能：(1)洛伦兹力产生的剪切应力破碎枝晶，碎块作为异质形核点促进晶粒细化；(2)电磁对流加速溶质传输，延长Cu/Fe互扩散时间。当电流为300?A时综合性能最优，晶粒尺寸、界面强度和耐磨性同步提升。

【Outlook】
未来需探究搅拌频率与电流的协同效应，并采用LAMMPS分子动力学模拟磁场下原子扩散行为。该技术有望拓展至铝/钢等其他双金属体系，为电磁场辅助铸造工艺提供普适性理论框架。