專利名稱：脈沖磁致液面振蕩細(xì)化金屬凝固組織的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種脈沖磁致液面振蕩細(xì)化金屬凝固組織的方法，屬于材料加工技術(shù) 領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
金屬材料在一個(gè)國(guó)家的國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有舉足輕重的地位，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā) 展對(duì)金屬材料性能的要求也越來越高，而獲得高性能優(yōu)質(zhì)金屬材料的關(guān)鍵是對(duì)金屬的凝固 過程的控制?？刂平饘倌踢^程的研究一直是材料學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)，特別是對(duì)金屬凝固組 織細(xì)化的研究成為改善金屬材料性能的重要手段。細(xì)化金屬凝固組織的傳統(tǒng)方法主要有 (1)澆注過程和傳熱條件控制方法；(2)化學(xué)處理方法；(3)微區(qū)成分?jǐn)_動(dòng)生核處理方法； (4)機(jī)械和物理處理方法。澆注過程和傳熱條件控制方法包括澆注過程控制技術(shù)、低溫澆注、提高冷卻速度 和增加過冷度等。但是澆注過程和傳熱條件控制方法效果有限、容易造成設(shè)備條件、控制環(huán) 節(jié)等因素的制約等問題；化學(xué)處理方法即孕育處理和變質(zhì)處理，也就是向液體中添加少量 特殊的化學(xué)物質(zhì)或化學(xué)元素，這種物質(zhì)分為晶粒細(xì)化劑和阻止生長(zhǎng)劑兩種，一般稱為孕育 劑或變質(zhì)劑，來促使熔體內(nèi)部的非均質(zhì)生核及抑制晶粒的長(zhǎng)大。鋁合金中常用的晶粒細(xì)化 劑或變質(zhì)劑有Ti、Zr、Ti+B、Ti+C、TiBAl、TiAl、TiCAl等。鑄鐵中的孕育劑和變質(zhì)劑有硅 鐵、鎂、稀土硅鐵等。由于鋼的熔點(diǎn)較高，給其孕育劑的選擇帶來很大困難，鋼中的變質(zhì)劑有 TiN、&N、TiC、ZrC等高熔點(diǎn)氮化物和碳化物，這類孕育劑雖然改善了一次組織，卻惡化了鋼 的二次組織，從而導(dǎo)致鋼的塑性降低。添加晶粒細(xì)化劑，即向液態(tài)金屬中引入大量形核能力很強(qiáng)的異質(zhì)晶核，達(dá)到細(xì)化 晶粒的目的。這種方法在工業(yè)上應(yīng)用最廣，研究工作也最多，是普通鑄件獲得細(xì)晶組織的常 用方法。但是依靠向熔體中添加晶粒細(xì)化劑的方法，不僅成本高，制備工藝復(fù)雜，而且有時(shí) 因外來質(zhì)點(diǎn)的加入，使金屬中異質(zhì)顆粒、夾雜增多，結(jié)果反而導(dǎo)致塑性降低，力學(xué)性能下降。微區(qū)成分?jǐn)_動(dòng)生核處理方法是向金屬液中加入與金屬液溶質(zhì)含量不同的微量同 類金屬，從而在金屬液中造成特定的“成分起伏”。這些起伏的引入降低體系生核所需要的 能量，促進(jìn)金屬液生核。動(dòng)力學(xué)細(xì)化法主要是采用機(jī)械力或電磁力引起液相和固相的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致枝晶 的破碎或枝晶與鑄型分離，在液相中形成大量結(jié)晶核心，達(dá)到細(xì)化晶粒的效果。常用的動(dòng) 力學(xué)細(xì)化方法主要有對(duì)金屬熔體攪拌、鑄型振動(dòng)等。物理處理方法是在金屬凝固過程中給 金屬熔體施加選定的物理場(chǎng)如電流、磁場(chǎng)、超聲波等，利用金屬熔體和物理場(chǎng)的相互作用， 改善其凝固組織。采用機(jī)械攪拌、電磁攪拌或氣體攪拌等方法均可造成在液相和固相之間 產(chǎn)生不同程度的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即液態(tài)金屬的對(duì)流運(yùn)動(dòng)，從而引起枝晶臂的折斷、破碎和增殖， 達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。但這類方法設(shè)備一般比較復(fù)雜。外加物理場(chǎng)如振動(dòng)場(chǎng)、高壓場(chǎng)，超聲 場(chǎng)和電磁場(chǎng)等新興技術(shù)由于其對(duì)環(huán)境和金屬材料無污染、設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、投資少、效 果顯著等優(yōu)點(diǎn)成為我國(guó)材料領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。但也有著各自的局限性，在脈沖電流凝固細(xì)晶技術(shù)中，電流直接通過金屬熔體，這不僅影響生產(chǎn)安全，而且當(dāng)電流較大時(shí)會(huì)使金屬表面 產(chǎn)生強(qiáng)烈波動(dòng)甚至飛濺；對(duì)于超聲波凝固細(xì)晶技術(shù)，金屬熔體中導(dǎo)入超聲波的耐熱工具頭 的選擇是一個(gè)技術(shù)關(guān)鍵，同時(shí)由于超聲波在金屬熔體中的衰減很快，其有效作用范圍受到 很大限制，這也限制了它的應(yīng)用；在脈沖磁場(chǎng)凝固細(xì)晶技術(shù)中，雖然電流不直接通過金屬熔 體，但是強(qiáng)磁場(chǎng)施加到金屬熔體后，會(huì)在金屬熔體中產(chǎn)生感應(yīng)電流，磁場(chǎng)強(qiáng)度較大時(shí)，強(qiáng)磁 場(chǎng)也會(huì)使金屬表面產(chǎn)生強(qiáng)烈波動(dòng)甚至飛濺。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種細(xì)化金屬凝固組織的方法，即一種脈沖磁致液面振蕩細(xì)化 金屬凝固組織的方法。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)手段來實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明中通過多層線圈作用于金屬液面上方而獲得較佳細(xì)化效果的脈沖磁致液 面振蕩方法。其特征在于將金屬熔化成液體，當(dāng)金屬熔體溫度過熱20-180°C時(shí)出爐澆注。在 金屬液面上方0. 1 20cm設(shè)置一非接觸多層線圈，層數(shù)可根據(jù)鑄型的口徑大小進(jìn)行調(diào)整， 進(jìn)行脈沖磁致液面振蕩。處理階段可分為形核階段處理和全程處理，全程處理包括形核階 段加晶核長(zhǎng)大階段處理，從理論上講晶核長(zhǎng)大階段處理是后期處理，因此不可能影響前期 的處理效果，除非脈沖磁致液面振蕩產(chǎn)生的焦耳熱影響晶粒長(zhǎng)大，但如果熱量太大影響凝 固，應(yīng)該形核處理也沒有效果。因此只要形核階段處理有效，那么全程處理也應(yīng)有效果。脈 沖磁致液面振蕩參數(shù)為脈沖電流I = 5 10000A，脈沖寬度10 μ s 50ms ；實(shí)際作用脈沖 頻率f = o. 010 2kHz。本方法工作原理為通過脈沖電源作用于多層線圈，從而在金屬熔 體表面產(chǎn)生脈沖磁致液面振蕩，改善金屬凝固組織并使其細(xì)化。本發(fā)明主要特點(diǎn)為1)鑄錠凝固組織顯著細(xì)化，等軸晶尺寸0. 1 0. 2mm，等軸晶面積比例達(dá)到50%以上。2)將多層線圈置于金屬熔體的上表面進(jìn)行非接觸式熔體處理，同脈沖電流等接觸 熔體處理相比，可以避免電極對(duì)熔體的激冷效應(yīng)或污染，且接觸式處理或線圈作用在鑄型 其他部位，拆裝調(diào)試過程較復(fù)雜；與傳統(tǒng)的超聲波凝固細(xì)晶技術(shù)相比，本方法無需與金屬接 觸的變幅桿，可長(zhǎng)時(shí)間處理高溫金屬；本方法拆裝調(diào)試過程簡(jiǎn)單，且能方便的移動(dòng)線圈進(jìn)行 批量處理，提高生產(chǎn)效率。3)在金屬熔體的上表面處理，可以避免鑄型或結(jié)晶器等對(duì)磁場(chǎng)的屏蔽效應(yīng)。


圖1為脈沖磁致液面振蕩細(xì)化金屬凝固組織方法示意中1.脈沖電源2.連接脈沖電源與脈沖磁致液面振蕩線圈的導(dǎo)體3.容納金 屬的容器4.脈沖磁致液面振蕩多層線圈5.熱電偶6.測(cè)溫采集系統(tǒng)。圖2為未進(jìn)行脈沖磁致液面振蕩處理的純鋁宏觀組織(鑄型為砂型)圖3為進(jìn)行脈沖磁致液面振蕩處理的純鋁宏觀組織(鑄型為砂型，Gk1Hz,Sh1A, SOb1 μ S)本專利中Iiphpb1均為設(shè)備參數(shù)，不隨實(shí)驗(yàn)條件的改變而改變。
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圖4為未進(jìn)行脈沖磁致液面振蕩處理的純鋁宏觀組織(鑄型為石墨型)圖5為進(jìn)行脈沖磁致液面振蕩處理的純鋁宏觀組織(鑄型為石墨型，Gk1Hz, Sh1A, SOb1 μ S)
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)將本發(fā)明的實(shí)施例敘述于后。實(shí)施例1本實(shí)施例的材料為純度為99. 7wt%的工業(yè)純鋁，鑄型為水玻璃砂干型和石墨型， 水玻璃砂干型鑄件尺寸為φ 110X 140mm，石墨型鑄件尺寸為Φ IlOX 120mm，線圈匝數(shù)為1， 層數(shù)為12。在形核階段進(jìn)行脈沖磁致液面振蕩。為了增強(qiáng)對(duì)比性，圖2為鑄型為砂型時(shí)未 進(jìn)行脈沖磁致液面振蕩處理的純鋁宏觀組織，圖3為鑄型為砂型時(shí)在形核階段進(jìn)行脈沖磁 致液面振蕩處理的純鋁宏觀組織(脈沖磁致液面振蕩電流峰值Sh1A,處理頻率Gk1Hz,脈沖 寬度50、μ s)。圖4為鑄型為石墨型時(shí)未進(jìn)行脈沖磁致液面振蕩處理的純鋁宏觀組織，圖 5為鑄型為石墨型時(shí)在形核階段進(jìn)行脈沖磁致液面振蕩處理的純鋁宏觀組織(脈沖磁致液 面振蕩電流峰值為Sh1A,處理頻率為6、Ηζ，脈沖寬度50、μ s)。具體工藝過程如下將金屬 熔化成液體，當(dāng)金屬過熱20 180°C時(shí)，出爐澆注，將線圈放置于金屬液面上方約3cm，根據(jù) 在線檢測(cè)的熱分析曲線實(shí)時(shí)觀察金屬熔體溫度變化，待金屬溫度到達(dá)660°C以下時(shí)，打開脈 沖電源開關(guān)進(jìn)行脈沖磁致液面處理，到凝固平臺(tái)開始時(shí)，切斷脈沖電源，停止處理，對(duì)試樣 進(jìn)行金相組織觀察，其宏觀組織如圖3。結(jié)果表明無論是水玻璃砂干型中還是石墨型，未經(jīng)過磁致振蕩處理的鑄件的宏 觀組織為柱狀晶組織，而經(jīng)過脈沖磁致液面振蕩在形核期處理后，凝固組織顯著細(xì)化，等軸 晶尺寸0. 1 0. 2mm，等軸晶面積比例分別為水玻璃砂干型54. 6%，石墨型66. 8%。
權(quán)利要求
一種脈沖磁致液面振蕩細(xì)化金屬凝固組織的方法，其特征在于該方法具有如下工藝過程將金屬熔化成液體，當(dāng)金屬熔體溫度過熱20～180℃時(shí)出爐澆注；在金屬液面上方0.1～20cm設(shè)置一非接觸線圈，線圈為多層線圈，待金屬液澆注完畢后，從在線檢測(cè)的熱分析曲線實(shí)時(shí)觀察金屬熔體溫度變化，待金屬液溫度到達(dá)理論結(jié)晶溫度以下時(shí)，打開脈沖電源開關(guān)，脈沖磁致液面振蕩參數(shù)為脈沖電流為5～10000A，脈沖寬度為10μs～50ms；實(shí)際作用脈沖頻率為0.010～2kHz，進(jìn)行脈沖磁致液面振蕩，到凝固平臺(tái)開始時(shí)，切斷脈沖電源，停止處理，即可得到組織細(xì)化的金屬鑄錠。
2.一種脈沖磁致液面振蕩細(xì)化金屬凝固組織的方法，其特征在于該方法具有如下工藝 過程將金屬熔化成液體，當(dāng)金屬熔體溫度過熱20 180°C時(shí)出爐澆注；在金屬液面上方 0. 1 20cm設(shè)置一非接觸線圈，線圈為多層線圈，待金屬液澆注完畢后，打開脈沖電源開 關(guān)，脈沖磁致液面振蕩參數(shù)為脈沖電流為5 10000A，脈沖寬度為10μ s 50ms ；實(shí)際作 用脈沖頻率為0. 010 2kHz，進(jìn)行脈沖磁致液面振蕩，直到凝固結(jié)束時(shí)，切斷脈沖電源，停 止處理，即可得到組織細(xì)化的金屬鑄錠。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種細(xì)化金屬凝固組織的方法，屬材料加工技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明通過多層線圈作用于金屬液面而獲得較佳細(xì)化效果的脈沖磁致液面振蕩方法。在金屬液面上方0.1～20cm設(shè)置一非接觸多層線圈，進(jìn)行脈沖磁致液面振蕩處理。處理參數(shù)為脈沖電流I＝10～10000A，脈沖寬度10μs～50ms；作用頻率f＝0.01～2kHz。本發(fā)明將多層線圈作用于金屬熔體的上表面，實(shí)際操作非常簡(jiǎn)便，且鑄錠凝固組織的細(xì)化效果顯著。在工業(yè)應(yīng)用中，此作用方式可實(shí)現(xiàn)非接觸式熔體處理，且能方便的移動(dòng)線圈進(jìn)行批量處理，提高生產(chǎn)效率；還可以避免鑄型或結(jié)晶器等對(duì)磁場(chǎng)的屏蔽效應(yīng)。本發(fā)明可用于冶金工業(yè)中的模鑄、半連鑄及連鑄生產(chǎn)，適合各種金屬材料的組織細(xì)化。
文檔編號(hào)B22D27/02GK101920333SQ201010167538
公開日2010年12月22日 申請(qǐng)日期2010年5月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月6日
發(fā)明者尹振興, 李仁興, 李博, 翟啟杰, 龔永勇 申請(qǐng)人:上海大學(xué)