移動型脈沖磁致振蕩細(xì)化金屬凝固組織方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種移動型脈沖磁致振蕩細(xì)化金屬凝固組織方法，屬于金屬材料制備技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明將螺線管狀線圈固定在與螺桿連接的升降架上，螺桿與電動機相連接，電動機與調(diào)速控制裝置相連接，通過調(diào)速裝置來控制線圈升降的速度來對熔體進(jìn)行脈沖磁致振蕩處理，實現(xiàn)澆注跟隨處理或者整體覆蓋式處理。由于處理線圈隨著鑄壞一起運動，進(jìn)行長時間處理，可以達(dá)到生產(chǎn)極高品質(zhì)鑄壞的要求。對于工業(yè)中特殊需求的鑄壞，通過這一移動裝置可以對不同段實施不同程度處理，使各部分的組織不一樣，以滿足工業(yè)生產(chǎn)中的特殊需求。本發(fā)明具有不受金屬材料限制，可制備大尺寸的均勻細(xì)晶鑄壞，且無污染，節(jié)能，設(shè)備簡單，便于操作，成本低等優(yōu)點。
【專利說明】
移動型脈沖磁致振蕩細(xì)化金屬凝固組織方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種移動型脈沖磁致振蕩細(xì)化金屬凝固組織方法，屬于冶金與金屬材料制備技術(shù)領(lǐng)域。【背景技術(shù)】
[0002]金屬材料在材料領(lǐng)域中占主導(dǎo)地位，對國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)的金屬材料，在強化理論、評估表證、應(yīng)用再生等方面經(jīng)歷了漫長的發(fā)展，已形成比較完備的理論與工程體系。隨著人們生活水平的提高，對環(huán)境保護(hù)的意識越來越強烈，提出了生態(tài)環(huán)境材料，將環(huán)保意識引入到材料科學(xué)中，材料學(xué)科工作者從生態(tài)環(huán)境的角度對現(xiàn)有材料的發(fā)展道路進(jìn)行了新的思考。從環(huán)境材料的角度出發(fā)，物理場細(xì)晶技術(shù)成為金屬材料理想的技術(shù)手段。物理場細(xì)晶技術(shù)具有很大的優(yōu)越性，其效果獨特，極大的避免了對環(huán)境和金屬材料的污染，是一種真正意思上的綠色處理方法。
[0003]關(guān)于物理場對金屬凝固過程的研究最早開始于20世紀(jì)30年代，而之后一直沒有太大的發(fā)展。這是由于對高密度電流、超強磁場和大功率超聲波的要求嚴(yán)重的制約了該技術(shù)的應(yīng)用。另外，在那個時期，材料領(lǐng)域中的孕育處理、變質(zhì)處理和微合金化等凝固組織細(xì)化技術(shù)發(fā)展的很快，大家更愿意接受這些工藝簡單的凝固細(xì)晶技術(shù)。進(jìn)入21世紀(jì)后，材料環(huán)境協(xié)調(diào)性的提出對傳統(tǒng)的細(xì)晶技術(shù)提出了疑問，同時，物理、材料和電子等領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)的大力快速發(fā)展使大功率電流、磁場和超聲波等物理手段的產(chǎn)生成為可能。然后，從20世界90年代起物理場細(xì)化技術(shù)再次成為材料領(lǐng)域的熱點問題，其中，由于脈沖物理場輸出峰值高、設(shè)備負(fù)荷小，成為物理場凝固細(xì)化技術(shù)新的亮點。外加物理場凝固細(xì)化技術(shù)，國內(nèi)起步較晚， 但近些年來的研究突飛猛進(jìn)、異軍突起，特別是在脈沖物理場凝固細(xì)晶技術(shù)和對鋼鐵材料等高溫合金的研究方面，已領(lǐng)跑與世界范圍內(nèi)的同行。
[0004]利用物理外場法可以改善凝固結(jié)晶過程新相的動力學(xué)和熱力學(xué)，提高形核速率進(jìn)而實現(xiàn)細(xì)晶。物理外場法有電磁攪拌法、超聲場法、脈沖電流法和脈沖磁場法。超聲場對凝固細(xì)晶有顯著的作用，不足之處是超聲場在熔體內(nèi)有嚴(yán)重的衰減，不能夠有效均勻的細(xì)化凝固組織，另外變幅桿直接跟熔體接觸，這樣會污染金屬材料;通過電磁攪拌可以減少柱狀晶區(qū)而增大等軸晶區(qū)，具有細(xì)化晶粒的效果，但不足是細(xì)化晶粒的效果不是很明顯。與電磁攪拌一樣，脈沖電流和脈沖磁場同樣能夠在金屬熔體內(nèi)產(chǎn)生電磁力，對熔體有攪拌和振動作用;獨特之處是，脈沖電流和脈沖磁場能夠產(chǎn)生的更大的電磁力振蕩，會使枝晶破碎，成為游離的異質(zhì)核心，進(jìn)而達(dá)到細(xì)化凝固組織的效果。然而他們也有各自的局限性，例如在脈沖電流凝固細(xì)晶的技術(shù)中，電流是直接通過金屬熔體，生產(chǎn)安全和人身安全會存在隱患;而脈沖磁場的電路雖然不直接通過金屬熔體，但是當(dāng)強磁場施加到金屬熔體后，金屬熔體中會產(chǎn)生感應(yīng)電流，磁場強度比較大時，會使金屬表面產(chǎn)生劇烈波動甚至飛濺。脈沖磁致振蕩技術(shù)具有很好的細(xì)晶效果，并且安全性很好，但主要以固定區(qū)域處理為主。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種移動型脈沖磁致振蕩細(xì)化金屬凝固組織方法，使線圈可以跟隨熔體移動或者與熔體之間有可控的相對移動。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)手段來實現(xiàn)的。
[0006]本發(fā)明通過將螺線管狀線圈固定在與螺桿連接的升降架上，螺桿與電動機相連接，小型電動機與與調(diào)速控制裝置相連接，通過調(diào)速控制裝置來控制螺線管狀線圈升降的速度。螺線管線圈通過軟導(dǎo)線與自制的脈沖磁致振蕩電源相連接。當(dāng)進(jìn)行脈沖磁致振蕩處理時，根據(jù)需要調(diào)節(jié)線圈的移動速度，線圈電流激發(fā)的磁場使熔體內(nèi)部產(chǎn)生電磁力，形成一定范圍的流動和振動，由于線圈是移動的，所以電磁力的作用區(qū)域和流動區(qū)域也是移動的。
[0007]移動處理的方式主要有2種，先將金屬材料熔化，然后將經(jīng)過預(yù)熱的模具置于可移動型脈沖磁致振蕩凝固裝置中，裝置由脈沖電源、螺線管線圈、升降臺、螺桿、電動機和變速器組成。澆注之前先通過變速器調(diào)節(jié)至合理的移動速度。方式一:把金屬熔體澆注到模具中，澆注完畢后立即啟動移動型脈沖磁致振蕩電源和電動機，使線圈上下來回移動進(jìn)行往復(fù)處理。方式二:邊澆注邊移動線圈，使線圈始終跟隨在熔體液面下方的某一個位置與液面一起上升。
[0008]所述的螺線管線圈置于模具外圍2mm?250mm。所述的螺線管線圈的形狀為圓柱形，線圈的匝數(shù)為1?100匝，層數(shù)為1?5層。螺線管線圈為方柱形，線圈的匝數(shù)為1?100匝， 層數(shù)為1?5層。螺線管線圈為多邊形，多邊形的邊數(shù)為4?30,線圈的匝數(shù)為1?100匝，層數(shù)為1?5層。
[0009]移動型脈沖磁致振蕩參數(shù)為:移動型脈沖磁致振蕩電流為1A?30000A。最佳電流范圍為500A?5000A。移動型脈沖磁致振蕩脈沖寬度為10ys?500ms。最佳脈沖寬度為lOOys ?10ms。移動型脈沖磁致振蕩作用頻率為0.1Hz?5kHz。最佳作用頻率為5Hz?200Hz。
[0010]本發(fā)明主要優(yōu)勢為:(1)在方式一的移動型脈沖磁致振蕩作用下，在熔體內(nèi)部形成了移動的電磁場和流場， 范圍可覆蓋整個熔體，大大增加了晶核游離的區(qū)域，非常有利于長鑄件的整體組織細(xì)化。通過ANSYS計算，圖9為固定中間部位處理的熔體流場，圖10為移動式處理熔體的流場(此時線圈已經(jīng)自下移動到達(dá)頂部)，可以看出移動式處理使流動區(qū)域分布更加廣泛。
[0011] (2)在方式二的移動型脈沖磁致振蕩作用下，由于處理線圈可以隨著鑄坯一起運動，可以應(yīng)用于連鑄和半連鑄工業(yè)生產(chǎn)，對于有極高品質(zhì)要求的鑄坯，可以對某一位置進(jìn)行長時間跟隨處理。對于工業(yè)中特殊需求的鑄壞，通過我們這一移動裝置可以對不同區(qū)段實施不同速度的跟隨處理，使各部分的組織不一樣，以滿足工業(yè)生產(chǎn)中的特殊需求。
[0012] (3)本發(fā)明裝備價格低廉，操作簡單安全，拆裝方便?！靖綀D說明】
[0013]圖1為移動式脈沖磁致振蕩處理裝置。
[0014]圖中標(biāo)號:1.脈沖磁致振蕩電源2.鑄型3.熔體4.螺桿5.螺線管狀線圈6.電動機7.調(diào)速控制裝置。
[0015]圖2為澆注后凝固的鋁錠的取樣部位一一1號樣距離頂端150mm，2號樣距離底部 150mm，長度各為90mm。[〇〇16]圖3為部位1未加移動式脈沖磁致振蕩處理的純鋁宏觀組織，鑄型為石墨。
[0017]圖4為部位2未加移動式脈沖磁致振蕩處理的純鋁宏觀組織，鑄型為石墨。[〇〇18]圖5為部位1施加移動式脈沖磁致振蕩處理的純鋁宏觀組織，鑄型為石墨，峰值電流為1200A，脈寬為6ms，放電頻率為29Hz，移動速度為6cm/s。[〇〇19]圖6為部位2施加移動式脈沖磁致振蕩處理的純鋁宏觀組織，鑄型為石墨，峰值電流為1200A，脈寬為6ms，放電頻率為29Hz，移動速度為6cm/s。
[0020]圖7為部位1施加移動式脈沖磁致振蕩處理的純鋁宏觀組織，鑄型為石墨，峰值電流為2400A，脈寬為6ms，放電頻率為29Hz，移動速度為11 cm/s。[0021 ]圖8為部位2施加移動式脈沖磁致振蕩處理的純鋁宏觀組織，鑄型為石墨，峰值電流為2400A，脈寬為6ms，放電頻率為29Hz，移動速度為11 cm/s。[〇〇22]圖9為固定中間處理熔體內(nèi)部流場分布。[〇〇23]圖10為移動往復(fù)處理熔體內(nèi)部流場分布?！揪唧w實施方式】[〇〇24]以下結(jié)合實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的闡述;實施例僅用于說明本發(fā)明，而不是以任何方式來限制本發(fā)明。[〇〇25] 實施例1實驗過程如下:熔體用材料純度為99.7%的工業(yè)純鋁，鑄型為石墨型，螺線管線圈匝數(shù)為15,層數(shù)為1，只控制一個變量，即不施加脈沖磁致振蕩處理，施加移動式脈沖磁致振蕩處理。用參數(shù)為峰值電流1200A，脈寬5ms，放電頻率29Hz的移動式脈沖磁致振蕩處理。具體工藝過程如下:將純鋁熔化加熱至750°C，保溫30分鐘，將預(yù)熱至180°C的鑄型置于螺線管線圈中，螺線管狀線圈與升降臺相連。速度提前調(diào)至6cm/s.澆注完畢后立即打開脈沖電源開關(guān)進(jìn)行脈沖磁致振蕩處理，到完全凝固后，切斷電源，停止處理，最后對試樣進(jìn)行金相組織觀察。[〇〇26]未經(jīng)任何處理的純鋁試樣，均為粗大的柱狀穿晶組織，僅有下部區(qū)域有小部分粗大等軸晶，等軸晶面積達(dá)到18%，如圖3和4所不。施加移動式脈沖磁致振湯處理后，如圖5和6 所示，等軸晶面積達(dá)到40%，平均晶粒尺寸為且上下兩個部位的組織均勻程度基本相近。 [〇〇27] 實施例2實驗過程如下:熔體用材料純度為99.7%的工業(yè)純鋁，鑄型為石墨型，螺線管線圈匝數(shù)為15,層數(shù)為1，只控制一個變量，即不施加脈沖磁致振蕩處理，施加移動式脈沖磁致振蕩處理。用參數(shù)為峰值電流2400A，脈寬5ms，放電頻率29Hz的移動式脈沖磁致振蕩處理。具體工藝過程如下:將純鋁熔化加熱至750°C，保溫30分鐘，將預(yù)熱至180°C的鑄型置于螺線管線圈中，螺線管狀線圈與升降臺相連。速度提前調(diào)至llcm/s.澆注完畢后立即打開脈沖電源開關(guān)進(jìn)行脈沖磁致振蕩處理，到完全凝固后，切斷電源，停止處理，最后對試樣進(jìn)行金相組織觀察。[〇〇28]未經(jīng)任何處理的純鋁試樣，均為粗大的柱狀穿晶組織，僅有下部區(qū)域有小部分粗大等軸晶，等軸晶面積達(dá)到18%，如圖3和4所不。施加移動式脈沖磁致振湯處理后，如圖7和8 所示，等軸晶面積達(dá)到60%，平均晶粒尺寸達(dá)到1mm以下，且上下兩個部位的組織均勻程度基本相近。
【主權(quán)項】
1.一種移動型脈沖磁致振蕩細(xì)化金屬凝固組織方法，其特征在于:螺線管狀線圈(5)固 定在與螺桿(4)連接的升降架上，螺線管狀線圈通過軟導(dǎo)線與脈沖磁致振蕩電源(1)連接， 螺桿與電動機(6)相連接，電動機與調(diào)速控制裝置(7)相連接，通過調(diào)速控制裝置來控制螺 線管狀線圈升降的速度;將金屬熔化后向鑄型(2)進(jìn)行澆注，在澆注過程開始階段啟動脈沖 磁致振蕩電源和電動機，使線圈跟隨液面的上升而上升，進(jìn)行跟隨式處理；或者完全澆注 后，啟動脈沖磁致振蕩電源和電動機，使線圈上下移動，進(jìn)行整體覆蓋式反復(fù)移動處理。2.如權(quán)利要求1所述的移動型脈沖磁致振蕩細(xì)化金屬凝固組織方法，其特征在于:螺線 管狀線圈置于坩堝外圍2?250mm。3.如權(quán)利要求1所述的移動型脈沖磁致振蕩細(xì)化金屬凝固組織方法，其特征在于:螺線 管狀線圈內(nèi)口為圓形，線圈的匝數(shù)為1?100匝，層數(shù)為1?5層。4.如權(quán)利要求1所述的移動型脈沖磁致振蕩細(xì)化金屬凝固組織方法，其特征在于:螺線 管狀線圈內(nèi)口為方柱形，線圈的匝數(shù)為1?100匝，層數(shù)為1?5層。5.如權(quán)利要求1所述的移動型脈沖磁致振蕩細(xì)化金屬凝固組織方法，其特征在于:螺線 管狀線圈內(nèi)口為多邊形，多邊形的邊數(shù)為4?30,線圈的匝數(shù)為1?100匝，層數(shù)為1?5層。6.如權(quán)利要求1所述的移動型脈沖磁致振蕩細(xì)化金屬凝固組織方法，其特征在于:脈沖 磁致振蕩的線圈連接方式為螺線管狀線圈固定在與螺桿連接的升降架上，螺桿與電動機相 連接。7.如權(quán)利要求1所述的移動型脈沖磁致振蕩細(xì)化金屬凝固組織方法，其特征在于:電動 機與調(diào)速控制裝置相連接，通過調(diào)速裝置來控制螺線管線圈上升或下降的速度;螺線管線 圈通過軟導(dǎo)線與自制的脈沖電源相連接。8.如權(quán)利要求1所述的移動型脈沖磁致振蕩細(xì)化金屬凝固組織方法，其特征在于:移動 型脈沖磁致振蕩電流為1A?30000A。9.如權(quán)利要求1所述的移動型脈沖磁致振蕩細(xì)化金屬凝固組織方法，其特征在于:移動 型脈沖磁致振蕩脈沖寬度為l〇ys?500ms。10.如權(quán)利要求1所述的移動型脈沖磁致振蕩細(xì)化金屬凝固組織方法，其特征在于:移 動型脈沖磁致振蕩作用頻率為0.1Hz?5kHz。
【文檔編號】B22D11/115GK105964988SQ201610163258
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年3月19日
【發(fā)明人】徐智帥, 龔永勇, 王翔, 王琦鑫, 李仁興, 翟啟杰
【申請人】上海大學(xué)