專利名稱：磁致振蕩細化金屬凝固組織的方法及其裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種磁致振蕩細化金屬凝固組織的方法及其裝置，屬于金屬材料變質處理技術領域。
背景技術：
金屬凝固組織細化有利于提高金屬的綜合性能，針對凝固組織的細化，常用的方法是孕育、變質處理、微合金化或采用物理攪拌等。隨著凝固技術的不斷發(fā)展，許多新興的凝固組織控制工藝應運而生，其中外場處理對金屬凝固組織和固態(tài)相變的影響非常顯著，已取得了很大進展。外場處在節(jié)能節(jié)材條件下，減少對環(huán)境和材料本身的污染。
在當今外場處理中，主要有電源、磁場、振動、以及微重力和超重力場等，而電流和磁場又可分為非脈沖場和脈沖場，振動也可以分為超聲波和機械振動。這些外場能不同程度地改善金屬凝固組織，只是其作用機理各不相同。如在用脈沖電流和脈沖磁場對金屬熔體處理時，雖然脈沖電流的作用方式主要是讓脈沖電流通過金屬熔體來進行，而脈沖磁場的作用方式主要是讓脈沖電流通過金屬熔體外的磁場線圈來產生磁場作用，但由于電磁感應效應脈沖電流會同時在金屬熔體中產生感應磁場。同樣脈沖磁場也會同時在金屬熔體中產生感應電流，因此脈沖電流和脈沖磁場雖然從原始的處理方式來看有所區(qū)別，但從最后的作用來看是非常相似的，因而它們的作用機理都同樣可以從電流、磁場等方面來進行分析。
再如用功率超聲波對金屬熔體處理時，我們既可用傳統(tǒng)的方法來獲得超聲波，也可以在超強磁場中外加超音頻感應電流，通過其相互作用使金屬熔體表面產生超聲振動從而獲得非接觸式超聲波。使用傳統(tǒng)超聲波產生方法導入金屬熔體時，因工具頭與金屬熔體的接觸而造成相互影響，不利其對熔點較高的金屬熔體進行處理。非接觸式超聲波雖然沒有傳統(tǒng)超聲波因接觸而產生的問題，但其對金屬熔體處理與傳統(tǒng)超聲波對金屬熔體處理的明顯不同是其在金屬熔體中又增加了超強磁場的作用。因此通過超強磁場產生的非接觸式超聲波對金屬熔體的作用就是由功率超聲波和超強磁場兩者共用作用的結果。
在脈沖電流(或稱電脈沖)凝固細晶技術中，電流直接通過金屬熔體，這不僅影響生產安全，而且當電流較大時會使金屬表面產生強烈波動甚至飛濺，造成連鑄結晶器內金屬液卷渣。在脈沖磁場凝固細晶技術中，雖然電流不直接通過金屬熔體，但是強磁場施加到金屬熔體后，會在金屬熔體產生感應電流，磁場強度較大時，強磁場也會使金屬表面產生強烈波動甚至飛濺，造成金屬液卷渣。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種磁致振蕩細化金屬凝固組織的方法及其專用裝置。
磁致振蕩細化金屬凝固組織的技術不同于脈沖磁場和脈沖電流細化金屬凝固組織的技術。磁致振蕩細化金屬凝固組織的技術也不同于超聲波細化凝固組織的技術，前者無需設置與液態(tài)金屬接觸的變幅桿。與電磁感應超聲波凝固細晶技術相比，無需向金屬熔體內部導入強電流和強磁場。
本發(fā)明中磁致振蕩細化金屬凝固組織的方法，通過特殊設計的電路及作用線圈而構成的振蕩發(fā)生裝置，導入超高頻脈沖磁場，在金屬熔體表面而非整個熔體產生磁致振蕩，對金屬凝固過程產生作用直至凝固，改善金屬凝固組織并使其細化；該方法的特征在于被處理的金屬熔體在特殊設計的磁致振蕩發(fā)生裝置作用下，在表面產生振蕩；振蕩發(fā)生裝置由一高壓脈沖電源作為供送電源，該高壓脈沖電源由充電系統(tǒng)、高壓脈沖電容、高頻開關、單層放電線圈構成；通過高頻開關的控制，使金屬凝固熔體表面產生頻率較高的強電磁脈沖振蕩，在一定振蕩強度下改變金屬凝固組織形態(tài)，細化晶粒；所使用的脈沖電源參數(shù)為輸出電壓U＝75～4000V，脈沖寬度70～121μs，實際作用頻率f＝0.017～2Hz。
本發(fā)明磁致振蕩細化金屬凝固組織的方法所用的一種專用裝置，其特征在于該裝置包括有高壓脈沖電源、容納金屬液的砂型容器、溫度采集記錄系統(tǒng)、磁致振蕩單層線圈和導體；高壓脈沖電源由充電系統(tǒng)、高壓脈沖電容、高頻開關構成；高壓脈沖電容通過高頻開關由導線與砂型容器外的單層線圈相連接，使高壓脈沖電容對單層線圈放電，在金屬熔體與放電線圈之間產生脈沖強磁場；盛有金屬熔體的砂型容器設置于環(huán)狀的磁致振蕩單層線圈的中心位置，其一側設置有高壓脈沖電源，另一側設置有自動化的溫度采集記錄系統(tǒng)裝置。
本發(fā)明方法的工作原理如下所述當砂型容器中的金屬熔體處于凝固過程中時，高壓脈沖電源中的高壓脈沖電容在高頻開關的控制下通過導線對設置于砂型容器外的環(huán)狀單層線圈放電；在金屬熔體與放電線圈之間產生脈寬極窄的脈沖強磁場，使金屬熔體表面產生感應電流，感應電流和脈沖強磁場相互作用使凝固熔體表面產生脈寬極窄的受迫振蕩。在這種快速變化的窄脈沖作用下，感應電流會產生趨膚效應，只集中在金屬熔體表面，同時感應電流還會屏蔽脈沖磁場，所以金屬熔體內部既沒有電流也沒有磁場的作用。但在金屬熔體表面，感應電流與磁場相互作用，使金屬熔體表面受向內的壓力，并向內部傳播，而當遇到對面的表面時，壓縮波就被反射，并變成弛波，這樣金屬熔體內就會產生磁致振蕩。由于振蕩頻率為超聲頻率，振蕩強度很大時，甚至可能形成空化氣泡。同時通過高頻開關的控制，可產生重復率較高的磁致脈沖振蕩。作用結果可顯著改變凝固組織形態(tài)，細化粗大晶粒組織，并消除比重偏析。
本發(fā)明方法的優(yōu)點如下(1)本發(fā)明為新的外場處理技術，雖然其產生振蕩的方法是通過電容放電產生脈沖磁場作用于熔體表面，但熔體內部既沒有磁場也沒有電流；(2)本發(fā)明方法所產生的非接觸式振蕩解決了接觸式超聲波導入高溫金屬熔液中所遇到的污染問題，同樣本發(fā)明方法無需向金屬熔體內部導入強電流和強磁場，這就減少了工業(yè)化應用的障礙。


圖1為本發(fā)明磁致振蕩細化金屬凝固組織方法專用裝置的簡單示意圖。
圖2為圖1中高壓脈沖電源的簡單電路圖。
圖3為未經(jīng)處理的金屬純Al凝固組織的顯微照片。
圖4為經(jīng)磁致振蕩處理后的金屬純Al凝固組織的顯微照片(U＝1775V，f＝1.2Hz)。
具體實施例方式
現(xiàn)將本發(fā)明的實施例敘述于后。
實施例1參見圖1，本發(fā)明磁致振蕩細化金屬凝固組織方法中所用的一種專用裝置，包括有高壓脈沖電源1、容納金屬液的砂型容器2、溫度采集記錄系統(tǒng)3、磁致振蕩單層線圈4和導體5；參見圖2，高壓脈沖電源1由充電系統(tǒng)6、高壓脈沖電容7、高頻開關8構成；高壓脈沖電容7通過高頻開關8由導線5與砂型容器2外的單層線圈4相連接，使高壓脈沖電容7對單層線圈4放電，在金屬熔體與放電線圈之間產生脈沖強磁場；裝有金屬熔體的砂型容器設置于環(huán)狀的磁致振蕩單層線圈的中心位置，其一側設置有高壓脈沖電源1，另一側設置有自動化的溫度采集記錄系統(tǒng)裝置3。
所使用的脈沖電源參數(shù)為輸出電壓U＝75～4000V，脈沖寬度70～121μs，實際作用頻率f＝0.017～2Hz。
利用本發(fā)明方法及其專用裝置，對金屬純Al所作的實驗，其試驗情況及結果敘述如下將工業(yè)用純度為99.99％的0號純鋁放置于電阻爐中進行熔化，在800℃溫度時保溫10分鐘，然后從砂型容器頂部注入；砂型的規(guī)格為φ50×150mm；同時開啟振蕩發(fā)生電路，產生頻率為1.2Hz、電壓為1775V的磁致振蕩，使其對熔體施振，直至金屬鋁熔體完全凝固。
經(jīng)電子顯微鏡檢測，可發(fā)現(xiàn)磁致振蕩后的純金屬鋁錠中絕大部分凝固組織為均勻細化的等軸晶。
參見圖3和圖4，可見未處理的純鋁金屬凝固組織和經(jīng)磁致振蕩處理后的純鋁金屬凝固組織有著明顯的差別，后者具有大量分布均勻的細小晶體。
權利要求
1.一種磁致振蕩細化金屬凝固組織的方法，通過特殊設計的電路及作用線圈而構成的振蕩發(fā)生裝置，導入超高頻脈沖磁場，在金屬熔體表面而非整個熔體產生磁致振蕩，對金屬凝固過程產生作用直至凝固，改善金屬凝固組織并使其細化；該方法的特征在于被處理的金屬熔體在特殊設計的磁致振蕩發(fā)生裝置作用下，在表面產生振蕩；振蕩發(fā)生裝置由一高壓脈沖電源作為供送電源，該高壓脈沖電源由充電系統(tǒng)、高壓脈沖電容、高頻開關、單層放電線圈構成；通過高頻開關的控制，使金屬凝固熔體表面產生頻率較高的強電磁脈沖振蕩，在一定振蕩強度下改變金屬凝固組織形態(tài)，細化晶粒；所使用的脈沖電源參數(shù)為輸出電壓U＝75～4000V，脈沖寬度70～121μs，實際作用頻率f＝0.017～2Hz。
2.如權利要求1所述的磁致振蕩細化金屬凝固組織的方法所用的一種專用裝置，其特征在于該裝置包括有高壓脈沖電源1、容納金屬液的砂型容器2、溫度采集記錄系統(tǒng)3、磁致振蕩單層線圈4和導體5；高壓脈沖電源1由充電系統(tǒng)6、高壓脈沖電容7、高頻開關8構成；高壓脈沖電容7通過高頻開關8由導線5與砂型容器2外的單層線圈4相連接，使高壓脈沖電容7對單層線圈4放電，在金屬熔體與放電線圈之間產生脈沖強磁場；盛有金屬熔體的砂型容器設置于環(huán)狀的磁致振蕩單層線圈的中心位置，其一側設置有高壓脈沖電源1，另一側設置有自動化的溫度采集記錄系統(tǒng)裝置3。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種磁致振蕩細化金屬凝固組織的方法及其裝置，屬金屬材料復合處理技術領域。本發(fā)明方法通過特殊設計的電路及作用線圈而構成的振蕩發(fā)生裝置，導入超高頻脈沖磁場，在金屬熔體表面而非整個熔體內產生磁致振蕩，對金屬凝固過程產生作用直至凝固。本發(fā)明的專用裝置包裝有高壓脈沖電源1、容納金屬的砂型容器2、溫度采集記錄系統(tǒng)3、磁致振蕩單層線圈4和導體5；高壓脈沖電源1由充電系統(tǒng)6、高壓脈沖電容7、高頻開關8構成。本發(fā)明中使用的脈沖電源參數(shù)為輸出電壓U＝75～4000V，脈沖寬度70～121μs，實際作用頻率f＝0.017～2Hz。
文檔編號B22D27/02GK1757463SQ20051003073
公開日2006年4月12日 申請日期2005年10月27日 優(yōu)先權日2005年10月27日
發(fā)明者翟啟杰, 龔永勇, 高玉來, 李仁興, 井進賢 申請人:上海大學