EFFECT OF HIGH MAGNETIC FIELD ON THE TRANSI- TION BEHAVIOR OF Cu RICH PARTICLES IN Cu 80%Pb HYPERMONOTECTIC ALLOY

Ø 46 Ø 4 Vol.46 No.4 2010 Đ 04 Ø 423 428 ACTA METALLURGICA SINICA Apr. 2010 pp.423 428 Ð Ô Cu 80%Pb Û Cu Å ² Ò³ ½ ¾¹º»¼ ( Ê ÞÆ Ï Æ«³ÃÛÊ, 110004) Á Cu Í Cu 80%Pb( Ð) Æ Ç µ «Ë, ¹ Cu Í Æ³ Ò. Ú, Ç È, Cu Í 800 Ô º Ò, 900 Ô Ð Cu», Í ÎÕ ÒÖ Ú Â ß; Cu Í Ò Æ, Ñ Cu Ó ; Cu ͺ Ò, ͳ» ³ Ú, Í ¾ Í ÒÖ ÅÑ. Ç ½ ÅÑ Í Ò Ö, Í ÕÆ, ÅÑ Cu Í ±, Cu». Í ¾, Ç µ ÍÞ Ï À Ö ±ÂÛØ. Þ Ñ Cu Pb Æ, Æ, Í Ò, Ç ÖÙ Ð TG146.1, TG113.12 Æ A µ Ð 0412 1961(2010)04 0423 06 EFFECT OF HIGH MAGNETIC FIELD ON THE TRANSI- TION BEHAVIOR OF Cu RICH PARTICLES IN Cu 80%Pb HYPERMONOTECTIC ALLOY ZHANG Lin, WANG Engang, ZUO Xiaowei, HE Jicheng Key Laboratory of Electromagnetic Processing of Materials, Ministry of Education, Northeastern University, Shenyang, 110004 Correspondent: WANG Engang, professor, Tel: (024)83681739, E-mail: egwang@mail.neu.edu.cn Supported by National Natural Science Foundation of China (Nos.50574027 and 50901019), High Technology Research and Development Program of China (No.2007AA03Z519), Specialized Research Found for the Doctoral Program of Higher Education (No.20070145062), and 111 project (No.B07015) Manuscript received 2009 09 19, in revised form 2009 12 22 ABSTRACT The Cu 80%Pb(mass fraction) hypermonotectic alloy with a dense distribution of Cu rich particles was annealed at different temperatures under high magnetic field, the transition behavior of Cu rich particles in solid liquid mixture zone was investigated. The results show that, the transition behavior of Cu rich particles occurs above 800, a compact segregation layer forms in the sample top above 900, the particle size and transition velocity increase with annealing temperature increasing. The Cu rich particles grow and coalesce with each other during transiting, the coalescence mechanism is different from Cu rich droplets. The cluster of Cu rich particles float up wholly, leave a clear boundary between Cu rich particle and Cu rich dendrite zones, the mutual interaction between the particles makes the transition velocity decreased. The high magnetic field has effect on decreasing the transition velocity of Cu rich particles, inhibiting the coarsening and coalescing of Cu rich particles, which could decrease the segregation of Cu rich particles, and inhibit the formation of compact Cu rich segregation layers. Based on the mutual interaction between the particles, the acting forces on the Cu rich particles and the final velocity have been analyzed and calculated to show the influence of * Þ ¼ Ë Þ 50574027  50901019, Þ Ù ¹ Û Þ 2007AA03Z519, Ë Ë ÜÍ Þ 20070145062 Â Ë Ë Ä Þ Û Þ B07015 Ë ¹ : 2009 09 19, ±¹ : 2009 12 22 :, ß, 1979 À, Ä, DOI: 10.3724/SP.J.1037.2009.00629

424 É Ø 46 magnetic field. KEY WORDS Cu Pb alloy, monotectic alloy, particle transition, high magnetic field Ç ÙÀ»ÎÄ ², Ê Æ Ì. Æ Â º ÕË Ä [1] [2] [3] Å [4] Æ À Ç º, ± Ð Ï ½, À Ç, Ì». Ð º È Ç À º [5,6] Û, È Õ Ç Ú Ë ÃÎ ², È Ðµ, Ë Ó Ç. Ú Ô Î Ä Ã Ç À Ç Á ² É ÆÝ [7,8]. º [9] ºÌ È ÕØ Ú Ô, Î ², ¾ Æ È ½. Ä Ç Ú ²  : ÚÐÂ Ð Ý Ú, Ð Ú Ô, Ú Ô Ð² ; Ú Â Ð ÝÒ Ú, «ÝÕ, Ú ÔÎ Î, ÝÆ. Æ ¼ [10 14] È Ü À À, Æ ³ º Î À, Ó Ö ÎĐ. Cu 80%Pb Ç Ú Â, Cu Ô 955 Õ Á à Cu Cu Î, Î ÝÆ Ð² ² [15]. Cu Î Pb Ð Í Đ Ç, Cu Î Ç À Ô, Ç Ò Ô. º [9] Pb º Cu Ô ÓÀ Ã È ß ßÈ À ², ÜÙ ÎĐ. Ä Î Ó, º Cu Pb Ç Ç Đ (326 955 ) Ð Cu Î Á Ç À, ÕÖ È ±Ð. 1 Õ Ì Cu 80%Pb( Ñ) Ç, Ar ŵ, 1200 Õ 2 min Ô Å, Å 160 /s. 9 mm, 25 mm, Òà Cu Î Ï ± 1 à 2 ß. Ú Cu Î Ð Ö ±, Î ± 3 30 µm Ð ( 2), ³ Ø Î 8 µm. Ð 10 mm ÇÝ, ÆÐÇ Ø, È Ð ² ½ Ð, 700, 800, 900 à 950 Æ È, À ½ÃÈ. Ã È 1 ¾ Fig.1 Microstructure of a prefabricated sample 0.25 0.20 0 5 10 15 20 25 30 2 Cu Í µ Fig.2 Diameter distribution of Cu rich particles with different diameters Ó Ì È. ½ÃÈ, Û Å, Å 24 /min, ß 24 mm, µ «. Ë Ì¹ ( Ö 18 mm) ( Ö 10 mm) µ ( Ö 2 mm) À ½, ² Cu Î Ï ± ÀÅÜ. 2 ß Ø 3 Cu 80%Pb Ç È ÃÈ É, ² ÃÈ ( µ, µ Cu, É µ Pb. Ä, È ). ¼ ÄÈ Ù ½., 700, È Ó À»Î ² ( 3a, b), Ú Î Ö ±; 800 È Öµ À»É Pb Å ( 3c, d), Õ Pb Ð, Cu µ Å Î, µ Å ¼, ± Å Î ¼ ; 900 È µá Ø Cu ¼ ( 3e), Cu ÎÍ µ¼,

t4 bi : N4 Cu 80%Pb D "M C! Cu <T mf f 4 425 P6!Eo 3 I ; t h # Cu 0 ( 3f), _b P6!E h >V DW % K' jt ` [h >V )4 # Cu 3r; %h>v(, P6t>^Y3 5* n #P6!E, nw P6 n^>vh8[s + 0.. 1 B1, >V( 0$(h 0, fw 1 # T * v 3 DW % r >V( K K,, w, *>V/h, s 0, x B. B, >VDW % w E, 3 *, P6!E h u, e h K I[, Q 'jt `[h>v5*fw n #P6!E, w P6 n^>v/h s. 950 H^ 0, 1, 6 K P ) ~ [, # P6!E* ' jt ` [h >V 5 * 700 Q h 20 µm [ 9 900 Q h 58 µm, *h T, An E= f7(h P6!E* ' jt ` [h >V 5 * 700 Q h, # P6!E* _b ~) E = ^ ; t h # Cu 0 18 µm [ 9 900 Q h 48 µm. 3 *, ( 4a), # Pb 0 E# Cu 3q 0 $EX U, 3 Cu 80%Pb E #N "O5JO5 P, %" JO 60 min W^a" ( g 9^2 Fig.3 Microstructures of the upper (a f), middle (g l) and nether (m r) parts of Cu 80%Pb alloy samples annealed for 60 min under different temperatures (white areas denote the Cu rich phases, dark areas denote the Pb rich phases, the upper, middle and nether parts of sample are at 18, 10 and 2 mm from the bottom, respectively) (a, g, m) at 700, under 0 T magnetic flux density (MFD) (b, h, n) at 700, under MFD (c, i, o) at 800, under 0 T MFD (d, j, p) at 800, under MFD (e, k, q) at 900, under 0 T MFD (f, l, r) at 900, under MFD i 1 " S\)u 2CV $q=u' / + w A Table 1 Second phase diameter distribution and particle region interface height at diferent experiment conditions Annealing temperature 800 900 950 700 Diameter distribution, µm 0T 1T 6T Maximum probability density diameter, µm Interface height from bottom, mm 0T 10 50 10 45 10 90 10 120 0T 20 18 0 0 10 80 27 22 2 1 10 110 58 48 18 5 58 18 10 230 10 220 10 150 10 140 1T 65 6T 60 1T 12 6T 11 10

426 É Ø 46 Ù Í Cu Î. Æ È, ȵ 1 µ Cu ¼ ( 4b,c,d), µ Cu Î, Î Ï ¹ ± ( 5), Ï ±ÅÜ Ö Î ¼ Ú 1 À., Ûȵ, Î Ï ± ½Ö³ Ø Î, Î Ù «Ò. É, È Î ÕÖ À Ø, Ûȵ. Cu Î Î D ÜÙ:, D i Ú i º Î. ( 4 ) Di 3 D = πd3 i ( 4 ) (1) 3 πd3 i»ì Î 6 ß., 800 Õ É, È Î ¾ ; 900 ÕÉ, È ¹Ê «Ò Î, 6 T Õ È Ûȵ Û¹, 6 È Î ¾. Õ Ì Û, Û Ã, Cu Î Ë Ö, Î Ä ² Ä, È ² Û¹. È 900 950 Ð ¹Ê, Cu Î Ë ÕÖ Î ² Û¹ Ø. (a) 0 50 100 150 200 0.25 (b) 0.20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 (c) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 5 Cu 80%Pb Æ 950, Ç Ð µ«60 min Ï Cu ¾ Í µ Fig.5 Diameter distribution of Cu rich particles in the upper part of Cu 80%Pb alloy samples annealed at 950 for 60 min under different MFD of 1 (a), 6 (b) and (c) 4 Cu 80%Pb Æ 950, Ç Ð µ«60 min Ï ¾ Fig.4 Microstructure of the upper part of Cu 80%Pb alloy samples annealed at 950 for 60 min under different MFD of 0 (a), 1 (b), 6 (c) and (d) Mean diameter of particle, m 120 100 80 60 40 6 T 700 800 900 Annealing temperature, o C 6 ÂÇ µ Cu ¾ Í µ Fig.6 Mean diameter of Cu rich particles annealed at different temperatures under different MED 0 T 1 T

Ø 4 : Æ «Cu 80%Pb Å Cu Ì Ñ Đ 427 3 3.1 ±Ý Đ ÓÜ Cu 326 955 Cu Pb Ç Ç, Cu ÎÇ Pb Ð [15]. Cu ²À É Ä ß Stokes, Cu Î Ý Ð Pb Ø ¾, ÉĐ Ï Ç, ² ¼. Î Ë Ostwald [16], Ï Cu Î Pb Ð ÕÐ É, Ï Î Ù µ, Ù, Î ÎÔ, Î ÎÈ, Î Å. Ú ÔĐ Ç Á ÂÌ» [17], Î ß Æ É, à ٠ Ç. ÊÌ Â, ÎĐ Ç Ì, ±Ð Ostwald Ä, غ Cu Î Á ØÉ, Îƺ Á ε «Ò, Ù Ò Î, ± Ë Ostwald Á, ÝÉ É Á Î º ν Á. Îƺ ÆÁ Î Á Î ÆÅ È Ç, Î Ï Ã Î, Î Î Õ Ç Ø Cu ¼. ÝÉ, È 900 à 950 Ì Á Cu Î Ã Ø Cu ¼, Cu Î Ostwald à ÎÇ. Cu Ë. Û Ã «Ò [18], ßÕ Cu Î Ã ²À 900 955 ½Û¹. Á ³Ñ ¹ [16], Ð Á ³ÑÛ Ã Đ, ÝÉ Ostwald Cu Î Ë Û Ã, 700 à 800 Ì, Ë Ñ, 900 Õ, Ë» ¹Ê, ÝÉÌ Î. Ð ¹Ê Á ³Ñ, Ostwald. È Õ Ø ß [13], Ì È Æ Æ È ½¹Ê Ø Pb, «Ò Á ³Ñ, Ê «Ò Ostwald, Î Î Á à ΠÑ, ÁÇ É«Ò. Ì ½, È Ø Ó ½ ÎÇ», Î À ÉĐ, Á Ø Cu ¼. 3.2 Ü Cu «Ó Ú Í Cu Î, ÉĐ ÀÑ, ÝÉ, Î߻ Ë. Îß ÅÀ F buo, Ä F g, F vis, ßÈ F m.» Ë ß : F buo F g F m F vis = 0 (2), Ä ¾ Î Ð Ø ¾ÜÙ À F buo F g = 4 3 ρgπr3 (3), ρ Ð ÎĐ Ø ¾, g Ä, R Î. Ö ± Cu Î À Ò Reynolds Ñ Î», Cu ß Ó Ñ É, ÎĐ Ã ßÈ, Éß Happel [19] ÜÙ Î, Î, Î, ± Ôº Îß F vis = bπµrvλ (4), µ Ð, v Î, λ ¹³Ñ. λ =, φ Îß Ó Ñ. 3 + 2φ 5/2 3 9 2 φ1/3 + 9 2 φ5/3 3φ 2 (5) È ß Ø Hartmann Ñ Ha ¹ [20] ( σ ) 1/2 Ha = BL (6) µ, L µ Ï, Ô, Û Ú Ô, σ ß, B ȵ. [20] : È ß Éß ß F = F vis {1+ 3 8 Ha + 7 960 Ha2 43 7680 Ha3 + O(Ha 4 )} (7) Æ È, Ì Î Ï, Ha >>1, ÝÉ Î ÖßÈ Ç F = F m + F vis = F vis Ha 3 (Ha >> 1) (8) (8) à (3) (2), À È Ã È Î Á v 0 à v m v m = v 0 = 2 ρ 3 9 9 µ gr2 2 φ1/3 + 9 2 φ5/3 3φ 2 (9) 3 + 2φ 5/3 2 ρ 3B(σµ) 1/2 gr3 9 2 φ1/3 + 9 2 φ5/3 3φ 2 3 + 2φ 5/3 (10)

428 É Ø 46 ¼¼ (9) à (10) ÜÙ Ì Ç Cu Îß Á ( Î Ï»Ì Ï, Á¹Ñ¼¼ ¼ [18] È ), 7 ß., Æ È Õ¹Ê«Ò Cu Î Á. 800 Õ É, È ÎÁ ¾ Û Ã, ½» È. 6 T Õ È Ûȵ Û¹, 6 T É, Á ². ÕÜÙ Ï É Î, Û Î» Ã, µ Î Ó Ñ, ÎĐ ÆÝÅ,, Î Î ¹Ê«Ò, Ö ± Î µ μ. É ½, Æ È Cu Î ¾ ¹Ê Ø, Cu Î «ÒÎ Î ÏÅ «Ò, ÎÇ Ò, ÝÉ «Ò ÎË. Terminal settling velocity of particle, m/s 10 08 06 04 02 6 T 00 700 800 900 Annealing temperature, o C 7 Ë µ Cu ¾ Í À Ö 4 Fig.7 Terminal settling velocity of Cu rich particles annealed at different temperatures under different MFD (1) Cu 80%Pb Ç ÃÈ À ½ÃÈ, Û Đ, Î Ï, ¼. 900 Õ, È, Cu Î Ç ¼Á Ø Cu. (2) Æ È, Cu ², ¼ «Ò, Cu Î Ï. 900 Õ, È ÕØ Cu Ø ¼ Á. (3) È «Ò Cu, É«Ò Î Ostwald, Î Cu ÎĐ Ç Ø, Ê Cu Ë Ã Î ². 0 T 1 T [1] Dhindaw B K. Stefanescu D M, Singh A K, Curreri P A. Metall Trans, 1988; 19A: 2839 [2] Liu Y, Guo J J, Jia J, Su Y Q, Ding H S. Acta Metall Sin, 2000; 36: 1233 (, ³, Ð, Õ, ÍÂ. ËÆ, 2000; 36: 1233) [3] Yang S, Liu W J, Jia J. Mater Sci Technol, 2002; 10: 19 (,, Ð. Ë ¾Ö, 2002; 10: 19) [4] Zu D Y, Yang X H, Han X M, Wei B B. Chin J Nonferrous Met, 2003; 13: 328 (ÇĐ,, ÀÃ,. ËÆ, 2003; 13: 328) [5] Yasuda H, Ohnaka I, Kawakami O, Ueno K, Kishio K. ISIJ Int, 2003; 43: 942 [6] Zhao J Z, Li H L, Wang Q L, Zhao L, He J. Acta Metall Sin, 2009; 45: 1344 (»Æ, É Ê,, Ã, Ä. ËÆ, 2009; 45: 1344) [7] Ratke L, Diefenbach S. Mate Sci Eng, 1995; R15: 263 [8] Zhao J Z, Li H L, Zhao L. Acta Metall Sin, 2009; 45: 1435 (»Æ, É Ê, Ã. ËÆ, 2009; 45: 1435) [9] Zhang L, Wang E G, Zuo X W, He J C. Acta Metall Sin, 2008; 44: 165 (,,, ÈÚ. ËÆ, 2008; 44: 165) [10] Xu Z M, Li T X, Zhang X P, Zhou R H. J Shanghai Jiaotong Univ, 2001; 35: 668 (Å Ú, É, Í«, ÅÂ. ËËÆ, 2001; 35: 668) [11] Zhong Y B, Ren Z M, Sun Q X, Jiang Z W, Deng K, Xu K D. Acta Metall Sin, 2003; 39: 1269 (, ¾ Ü, Ü,, Ð, Ä Õ. ËÆ, 2003; 39: 1269) [12] Shu D, Sun B, Li K, Zhou Y. Scr Mater, 2003; 48: 1385 [13] Colli F, Fabbri M, Negrini F, Asai S, Sassa K. Int J Comput Math Electr Electron Eng, 2003; 22: 58 [14] Zhang L, Yao G C, Jiao W L. J Northeastern Univ (Nat Sci), 2004; 25: 682 ( Ä, Å, Ê. ËËÆ ( ¼ Ë ), 2004; 25: 682) [15] Zhang L. PhD Dissertation, Northeastern University, Shenyang, 2008 (. Ë Ë Ð,, 2008) [16] Ratke L, Voorhees P W. Growth and Coarsening. Berlin: Springer Verlag, 2002: 1 [17] Walter H U, Vreeburg J P B. Fluid Sciences and Materials Science in Space. Berlin: Springer Verlag, 1987: 1 [18] Brandes E A, Brook G B. Smithells Metals Reference Book. 7th Ed., Oxford: Butterworth Heinemann, 1998: 1 [19] Happel J. AIChE J, 1959; 5: 174 [20] Chester W. J Fluid Mech, 1957; 3: 304