專(zhuān)利名稱(chēng)：復(fù)合電磁連續(xù)鑄造高取向細(xì)晶金屬材料的方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在復(fù)合電磁場(chǎng)作用下連續(xù)鑄造高取向細(xì)晶金屬材料的方法及其 裝置，屬金屬鑄造工藝技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
材料的晶粒大小對(duì)材料的性能有重要的影響，金屬材料的強(qiáng)度、硬度、塑性和韌 性都隨著晶粒細(xì)化而提高，因此，控制材料的晶粒大小具有重要的實(shí)際意義。晶粒細(xì) 化按照對(duì)熔體的作用方式不同大致可分為熱力學(xué)控制方式、化學(xué)控制方式和動(dòng)力學(xué)控 制方式。
熱力學(xué)方法主要是對(duì)熔體冷體冷卻進(jìn)行控制以獲得大的過(guò)冷度。據(jù)經(jīng)典結(jié)晶學(xué)原 理，金屬結(jié)晶時(shí)的形核率與過(guò)冷度有關(guān)，過(guò)冷度越大，在其它相同的凝固條件下一定 體積的熔體中形核數(shù)目就會(huì)起多，晶粒則越細(xì)。大的過(guò)冷度可通過(guò)提高液態(tài)金屬冷卻 速度來(lái)獲得，實(shí)際生產(chǎn)中可采用金屬型模具、降低鑄型溫度、降低澆注溫度和速度來(lái) 實(shí)現(xiàn)。
在熔融合金中加入孕育劑是最古老的細(xì)化晶粒的方法之一。變質(zhì)處理是在熔液凝 固之前加入形核劑(又稱(chēng)為變質(zhì)劑或孕育劑)，促進(jìn)形成大量的非均勻晶核來(lái)細(xì)化晶 粒。
與前兩種細(xì)化晶粒的方法相比，利用動(dòng)力學(xué)(外場(chǎng))作用細(xì)有晶粒的優(yōu)點(diǎn)在于容 易實(shí)現(xiàn)、而且偏析較小、不引入外加元素，因?yàn)橐延械墓滔嗪苋菀妆皇┘拥侥滔到y(tǒng) 上的外作用破碎，所以使晶粒增殖要比增加成核的速度更容易辦到。常用外場(chǎng)細(xì)化晶 粒的方法包括機(jī)械攪拌、振動(dòng)、擺動(dòng)；超聲波；交變電場(chǎng)、磁場(chǎng)、以及電磁場(chǎng)復(fù)合作 用來(lái)完成。通常所用的這些外場(chǎng)作用均能使枝晶破碎和游離，但只有當(dāng)溫度接近熔點(diǎn) 時(shí)其破碎枝晶才能夠遠(yuǎn)離固液相界面并在液體中廣泛分布，此時(shí)才能獲得最好的晶粒
細(xì)化效果。
總之，在金屬凝固過(guò)程中引入外場(chǎng)迫使熔體形成足夠強(qiáng)的熔體對(duì)流，不僅有利于 凝固組織形態(tài)的轉(zhuǎn)變(如柱狀晶向等軸晶的轉(zhuǎn)變)和晶粒組織的細(xì)化，還有助于過(guò)熱 的散失和溫度的均勻化，這些現(xiàn)象已經(jīng)為人們所熟知。但是上述外場(chǎng)迫使熔體運(yùn)動(dòng)的 方法并不完美，還存在諸多的問(wèn)題，例如機(jī)械振蕩的方法要求振蕩器和凝固中的熔體 相互接觸才能將振蕩壓力傳給金屬熔體，這樣就容易對(duì)凝固金屬造成污染；而且振蕩 強(qiáng)度主要集中在振源附近。超聲振蕩的缺陷在于聲波在高溫熔體中耗散嚴(yán)重，細(xì)化的 區(qū)域有限。脈沖電流(磁場(chǎng))是在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生劇烈振蕩，電流過(guò)大容易造成熔體飛 濺，電流太小，會(huì)使新形成的晶粒在高溫熔體中重熔，弱化細(xì)化效果。
為此，在20世紀(jì)卯年代C.Vives等發(fā)明了一種新的晶粒細(xì)化的方法——電磁振 蕩，其原理是在合金的凝固過(guò)程中，同時(shí)施加一個(gè)靜磁場(chǎng)B和一個(gè)與之垂直的交變 電流，它們相互作用在熔體內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)交變電磁力F，迫使熔體發(fā)生振動(dòng)，均勻溫 度場(chǎng)，破碎晶粒，從而使晶粒增殖細(xì)化和去除氣體以及提高充型能力，且這種振動(dòng)設(shè) 備不與熔體接觸，基本無(wú)污染，振蕩強(qiáng)度在熔體中的均勻分布，因而可以獲得均勻一 致的組織，但是，由于交變電流的集膚效應(yīng)而不適應(yīng)較大的試樣，同時(shí)采用的大電流 +小磁場(chǎng)的方法，電流的焦耳熱效應(yīng)也比較嚴(yán)重，故對(duì)于工業(yè)推廣運(yùn)動(dòng)這種方法也存 在明顯的不足。
細(xì)晶是材料制備技術(shù)的一個(gè)熱點(diǎn)，細(xì)晶的結(jié)果形成多晶材料，往往具有各向同性。 在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，人們也常常需要各向異性的材料，為了獲得各向異性的材料，人 們通常采用單向凝固從而獲得具有高度取向的柱狀組織，這使材料縱向力學(xué)性能得到 很大的提升，可是橫向的力學(xué)性能卻不近人意，為此人們就發(fā)明單晶鑄造技術(shù)獲得單 晶材料，從而提高材料各向性能，但單晶技術(shù)并不能利用所有的合金體系，同時(shí)其對(duì) 各項(xiàng)技術(shù)要求非常高，成本昂貴。因此發(fā)明一種操作簡(jiǎn)單、價(jià)廉具有高取向細(xì)晶的各 向異性材的制備技術(shù)，變得很有意義。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的是提供一種在復(fù)合磁場(chǎng)下連續(xù)鑄造高取 向細(xì)晶金屬材料的方法及其裝置。
本發(fā)明一種復(fù)合電磁連續(xù)鑄造高取向細(xì)晶金屬材料的方法，其特征在于在結(jié)晶 器內(nèi)的金屬熔體上部插入一對(duì)電極，并通入交流電，加熱并控制熔體溫度；電極采用 自冷電極；同時(shí)在結(jié)晶器外側(cè)設(shè)置的感應(yīng)線圈中通入直流電，產(chǎn)生直流磁場(chǎng)；利用自 冷電極誘發(fā)電極附近熔體迅速形成晶核，同時(shí)結(jié)合電磁振蕩促使晶核彈射到金屬熔體 中，形成其后金屬凝固的核心主體；同時(shí)晶核在沉降的過(guò)程中使其發(fā)生磁致取向，最 終取高取向細(xì)晶組織的金屬材料；所述的復(fù)合磁場(chǎng)中，采用交流電頻率為50Hz，電 流強(qiáng)度為100A;直流電產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度為IOT。
本發(fā)明一種復(fù)合磁場(chǎng)連續(xù)鑄造高取向細(xì)晶金屬材料的方法中所用的專(zhuān)用裝置，該
設(shè)置主要為一結(jié)晶器裝置，該裝置包括有交流電源裝置、自冷電極、結(jié)晶器冷卻水 套、水套進(jìn)水管、水套出口管、直流感應(yīng)線圈、二次冷卻水噴嘴、鑄坯、引錠桿和震 動(dòng)裝置；其特征在于在結(jié)晶器容器內(nèi)金屬熔體上部插入并設(shè)置有一對(duì)自冷電極，電 極與交流電源裝置連接；在結(jié)晶器容器外側(cè)設(shè)置有左右對(duì)稱(chēng)布置的結(jié)晶器冷卻水套， 冷卻水套設(shè)有水套進(jìn)水管和水套出水管；在結(jié)晶器容器旁側(cè)，也即在結(jié)晶器冷卻水套 的中間空腔內(nèi)被隔離地設(shè)置有能產(chǎn)生靜磁場(chǎng)的直流感應(yīng)線圈；在結(jié)晶器冷卻水套的下 部、正對(duì)著鑄坯處還設(shè)置有二次冷卻水噴嘴；整個(gè)結(jié)晶器平臺(tái)支架下設(shè)置有一震動(dòng)裝 置，以有助于細(xì)化晶粒；在鑄坯的末端連接有一起牽拉作用的引錠桿。
所述的自冷電極的結(jié)構(gòu)為電極圓柱中心位置有垂直的冷卻介質(zhì)進(jìn)入通道，上部 旁側(cè)設(shè)置有水平的冷卻介質(zhì)流出通道；在電極的到套管的外表面涂有耐熱導(dǎo)電涂層； 所述的冷卻介質(zhì)為水、油或氣。
所述的自冷電極的材料采用金屬、金屬基陶瓷或其他導(dǎo)電耐熱復(fù)合材料。
上述裝置中，所述的交流電源裝置是可控可調(diào)的，其頻率范圍為10 10000Hz， 交流電流強(qiáng)度為0 10000A;直流感應(yīng)線圈所產(chǎn)生的直流磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度為0 10T。
本發(fā)明的原理及特點(diǎn)如下所述
本裝置的工作原理是在金屬的結(jié)晶器中施加電磁振蕩，其中交流電強(qiáng)度0 IOOOOA，頻率為10 10000Hz，直流磁場(chǎng)強(qiáng)度0 10T連續(xù)可調(diào)，通電電極采用自冷 電極，綜合利用熱力學(xué)溫度起伏誘發(fā)形核；電磁振蕩中高頻振蕩分量彈射初生晶核、 低頻攪拌分量均勻溫度場(chǎng)， 一方面防止晶核重熔，另一方面可誘發(fā)整體形核，同時(shí)攪 拌誘發(fā)的熔體運(yùn)動(dòng)破碎晶粒，使晶粒增殖；同時(shí)利用磁場(chǎng)使晶粒在沉降過(guò)程中發(fā)生取 向。
本發(fā)明將熱力學(xué)和外場(chǎng)細(xì)化晶粒方法相結(jié)合，利用自冷電極產(chǎn)生溫度波動(dòng)誘發(fā)急 劇形核和局部施加電磁振蕩促使晶核彈射到金屬熔體中，形成結(jié)晶核心，晶粒在長(zhǎng)大 過(guò)程中因振動(dòng)波動(dòng)破碎增殖，同時(shí)在沉降的過(guò)程中發(fā)生取向，形成高取向細(xì)晶組織。 此方法彌補(bǔ)了熱力學(xué)方法形核核心易重熔，超聲波高溫易耗散，脈沖電流不易控制等 細(xì)晶方法的不足，同時(shí)采用局部施加電磁振蕩便于連續(xù)生產(chǎn)和工業(yè)化連鑄，采用小電 流+大磁場(chǎng)避免電流焦耳熱效應(yīng)的副作用，采用低頻振蕩一方面克服高頻電流的集膚 效應(yīng)，另一方面又補(bǔ)用低頻電磁攪拌作用，總之本發(fā)明集熱力學(xué)、超聲波、電磁振蕩、 電磁攪拌等細(xì)化晶粒方法優(yōu)點(diǎn)于一身，同時(shí)因采用的磁場(chǎng)強(qiáng)度較大，晶粒沉降過(guò)程中 發(fā)生磁取向，因而可獲得高取向的細(xì)晶組織，彌補(bǔ)常規(guī)單向凝固取向組織粗大的不足，
利用細(xì)晶提高材料的力學(xué)性能；利用組織取向獲得材料的各向異性。


圖1為本發(fā)明復(fù)合磁場(chǎng)制備高取向細(xì)晶金屬材料裝置的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2為本發(fā)明的晶核形成和振蕩彈射示意圖。
圖3為本發(fā)明裝置中所用的自冷電極結(jié)構(gòu)示意圖。(a)為電極外觀圖，(b)為電 極剖面圖
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)將本發(fā)明的具體實(shí)施例敘述于后。
本發(fā)明方法是通過(guò)特別設(shè)計(jì)的專(zhuān)用裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 實(shí)施例1
如圖1所示，本實(shí)施例中的裝置主要為一結(jié)晶器裝置，該裝置包括有交流電源 裝置l、自冷電極2、結(jié)晶器冷卻水套3、水套進(jìn)水管4、水套出口管5、直流感應(yīng)線 圈6、 二次冷卻水噴嘴7、鑄坯8、引錠桿9和震動(dòng)裝置10;其特征在于在結(jié)晶器 容器內(nèi)金屬熔體上部插入并設(shè)置有一對(duì)自冷電極2，電極2與交流電源裝置1連接；
在結(jié)晶器容器外側(cè)設(shè)置有左右對(duì)稱(chēng)布置的結(jié)晶器冷卻水套3，冷卻水套3設(shè)有水套進(jìn) 水管4和水套出水管5;在結(jié)晶器容器旁側(cè)，也即在結(jié)晶器冷卻水套3的中間空腔內(nèi)
被隔離地設(shè)置有能產(chǎn)生靜磁場(chǎng)的直流感應(yīng)線圈6;在結(jié)晶器冷卻水套3的下部、正對(duì) 著鑄坯8處還設(shè)置有二次冷卻水噴嘴7;整個(gè)結(jié)晶器平臺(tái)支架下設(shè)置有一震動(dòng)裝置10，
以有助于細(xì)化晶粒；在鑄坯8的末端連接有一起牽拉作用的引錠桿9。
參見(jiàn)圖3，所述的自冷電極2的結(jié)構(gòu)為電極圓柱中心位置有垂直的冷卻介質(zhì)進(jìn)
入通道ll，上部旁側(cè)設(shè)置有水平的冷卻介質(zhì)流出通道12;在電極套管14的外表面涂 有耐熱導(dǎo)電涂層13;所述的冷卻介質(zhì)為氣體。
本實(shí)施例中，采用金屬不銹鋼作為電極材料。
本實(shí)施例中，采用Al-4.5。/。Cu亞共晶合金作為金屬原料，經(jīng)80(TC重熔后，經(jīng)中 間包澆入結(jié)晶器裝置，啟動(dòng)電源，施加復(fù)合磁場(chǎng)；交變電流頻率為50Hz，交流電流 強(qiáng)度為IOOA，自冷電極的冷卻介質(zhì)采用空氣，鑄坯的牽引速度為10mm/S。最終所獲 得的金屬材料的平均晶粒尺寸由2mm下降到10(Vm,且初生a-AI相沿磁場(chǎng)取向、取 向度由1.0增至2.6。
本實(shí)施例的原理及其過(guò)程概述如下
鑄造過(guò)程中，澆注金屬(Al-4.5%Cu)進(jìn)入結(jié)晶器中，當(dāng)電極插入金屬熔體上部， 與金屬液接觸時(shí)電路接通，電極的熔體在互相垂直的交流電和外加靜磁場(chǎng)的作用下產(chǎn) 生振蕩，同時(shí)向電極中通入冷卻介質(zhì)，產(chǎn)生溫度波動(dòng)，誘發(fā)電極附近金屬液急劇形核， 新形成的晶核將隨著電極振蕩被大量連續(xù)的彈射入金屬熔體中(參見(jiàn)附圖2)，同時(shí) 熔體振蕩均勻了溫度場(chǎng)，消除過(guò)熱度，因此彈射入金屬熔體中的晶核能大部分保存下 來(lái)，不被重熔，形成其后凝固的結(jié)晶核心；同時(shí)振蕩誘發(fā)的熔體可以破碎正在生長(zhǎng) 的晶粒，造成晶粒增殖，并細(xì)化晶粒；同時(shí)晶粒在沉降過(guò)程中發(fā)生磁取向，最終形成 具有高取向細(xì)晶組織的金屬材料。
權(quán)利要求
1.一種復(fù)合電磁連續(xù)鑄造高取向細(xì)晶金屬材料的方法，其特征在于在結(jié)晶器內(nèi)的金屬熔體上部插入一對(duì)電極，并通入交流電，加熱并控制熔體溫度；電極采用自冷電極；同時(shí)在結(jié)晶器外側(cè)設(shè)置的感應(yīng)線圈中通入直流電，產(chǎn)生直流磁場(chǎng)；利用自冷電極誘發(fā)電極附近熔體迅速形成晶核，同時(shí)結(jié)合電磁振蕩促使晶核彈射到金屬熔體中，形成其后金屬凝固的核心主體；同時(shí)晶核在沉降的過(guò)程中使其發(fā)生磁致取向，最終取高取向細(xì)晶組織的金屬材料；所述的復(fù)合磁場(chǎng)中，采用交流電頻率為50Hz，電流強(qiáng)度為100A；直流電產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度為10T。
2. —種復(fù)合磁場(chǎng)連續(xù)鑄造高取向細(xì)晶金屬材料的方法中所用的專(zhuān)用裝置，該設(shè)置主 要為一結(jié)晶器裝置，該裝置包括有交流電源裝置(l)、自冷電極(2)、結(jié)晶器冷卻 水套(3)、水套進(jìn)水管(4)、水套出口管(5)、直流感應(yīng)線圈(6)、 二次冷卻水噴嘴(7)、 鑄坯(8)、引錠桿(9)和震動(dòng)裝置(10);其特征在于在結(jié)晶器容器內(nèi)金屬熔體上部插入并設(shè)置有一對(duì)自冷電極(2)，電極(2)與交流電源裝置(1)連接；在結(jié)晶器容器外側(cè)設(shè)置有左右對(duì)稱(chēng)布置的結(jié)晶器冷卻水套(3)，冷卻水套(3)設(shè)有水套進(jìn)水管(4) 和水套出水管(5);在結(jié)晶器容器旁側(cè)，也即在結(jié)晶器冷卻水套(3)的中間空腔內(nèi)被隔離地設(shè)置有能產(chǎn)生靜磁場(chǎng)的直流感應(yīng)線圈(6);在結(jié)晶器冷卻水套(3)的下部、正 對(duì)著鑄坯(8)處還設(shè)置有二次冷卻水噴嘴(7);整個(gè)結(jié)晶器平臺(tái)支架下設(shè)置有一震動(dòng) 裝置(IO)，以有助于細(xì)化晶粒；在鑄坯(8)的末端連接有一起牽拉作用的引錠桿(9)。
3. 如權(quán)利要求2所述的一種復(fù)合磁場(chǎng)連續(xù)鑄造高取向細(xì)晶金屬材料的方法中所用的專(zhuān)用裝置，其特征在于所述的自冷電極(2)的結(jié)構(gòu)為電極圓柱中心位置有垂直的 冷卻介質(zhì)進(jìn)入通道(ll)，上部旁側(cè)設(shè)置有水平的冷卻介質(zhì)流出通道(12);在電極的 到套管(14)的外表面涂有耐熱導(dǎo)電涂層(13);所述的冷卻介質(zhì)為水、油或氣。
4. 如權(quán)利要求3所述的一種復(fù)合磁場(chǎng)連續(xù)鑄造高取向細(xì)晶金屬材料的方法中所用的 專(zhuān)用裝置，其特征在于所述的自冷電極(2)的材料采用金屬、金屬基陶瓷或其他導(dǎo)電耐熱復(fù)合材料。
5. 如權(quán)利要求2或3所述的一種復(fù)合磁場(chǎng)連續(xù)鑄造高取向細(xì)晶金屬材料的方法中所 用的專(zhuān)用裝置，其特征在于所述的交流電源裝置是可控可調(diào)的，其頻率范圍為 10 10000Hz，交流電流強(qiáng)度為0 10000A;直流感應(yīng)線圈(6)所產(chǎn)生的直流磁場(chǎng) 的磁場(chǎng)強(qiáng)度為0 10T。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在復(fù)合電磁場(chǎng)作用下連續(xù)鑄造高取向細(xì)晶金屬材料的方法，屬金屬鑄造工藝技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明方法簡(jiǎn)述如下在結(jié)晶器金屬熔體上部插入安裝有一對(duì)自冷電極，并通入交流電，同時(shí)在結(jié)晶器外側(cè)設(shè)置有一直流感應(yīng)線圈，通入直流電產(chǎn)生直流磁場(chǎng)；利用自冷電極誘發(fā)電極附近熔體迅速形成晶核，同時(shí)結(jié)合電磁振蕩促使晶核彈射到金屬熔體中，形成其后金屬凝固的核心主體；晶核在沉降的過(guò)程中發(fā)生磁致取向，最終獲得具有高取向細(xì)晶組織的金屬材料。本發(fā)明中采用交流電的頻率范圍為10～10000Hz，交流電流強(qiáng)度范圍為0～10000A；采用直流電所產(chǎn)生的直流磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度為0～10T連續(xù)可調(diào)。本發(fā)明方法制得的高取向細(xì)晶金屬材料，其鑄造組織均勻，可大幅度提高金屬材料的性能和質(zhì)量。
文檔編號(hào)B22D11/11GK101181739SQ20071004748
公開(kāi)日2008年5月21日 申請(qǐng)日期2007年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月26日
發(fā)明者任忠鳴, 任維麗, 余建波, 喜 李, 康 鄧, 鐘云波, 雷作勝 申請(qǐng)人:上海大學(xué)