專利名稱：一種強(qiáng)脈沖電流定向凝固晶粒超細(xì)化方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種強(qiáng)脈沖電流定向凝固晶粒超細(xì)化方法及其裝置，屬于定向凝固和 電變質(zhì)脈沖處理技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
金屬組織晶粒的大小以及晶粒取向?qū)饘俨牧狭W(xué)性能有著很大影響。晶粒細(xì)化 的方法亦有多種。在傳統(tǒng)方法中，以提高冷卻速度和增加過冷度、低溫澆注，機(jī)械攪拌等促 使晶粒細(xì)化的工藝效果有限，實(shí)現(xiàn)難度亦較大，而且機(jī)械攪拌強(qiáng)度過大時(shí)容易在凝固過程 中卷入空氣和雜質(zhì)形成縮孔、偏析等缺陷，大大影響金屬材料的力學(xué)性能；化學(xué)處理法，是 在金屬液中加入少量特殊的化學(xué)元素作為變質(zhì)劑或孕育劑，來提高異質(zhì)形核率或抑制晶粒 的生長，目前在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，但成本高、制備工藝復(fù)雜，且在合金或純金屬中加入 了異質(zhì)，往往會造成合金溶液污染或孕育失效。利用電場力引起液相和固相的相對運(yùn)動(dòng)，促 進(jìn)枝晶破碎使晶粒增多來細(xì)化晶粒，這種工藝方法由于與金屬材料沒有接觸，能夠很好的 實(shí)現(xiàn)無污染細(xì)化晶粒。相關(guān)資料表明，各種電場細(xì)晶技術(shù)、磁場細(xì)晶技術(shù)均能較好地達(dá)到細(xì) 化凝固組織晶粒的目的。而現(xiàn)有的脈沖電流晶粒細(xì)化裝置只是對熔融金屬自然凝固進(jìn)行處 理，在細(xì)化晶粒的同時(shí)無法獲得晶粒取向一致的組織。在中國專利02137515. 1和200410016842. 2中分別公開了一種細(xì)化鋁合金和純金 屬鋁凝固組織的方法，均是在金屬鋁液澆注冷卻凝固過程中施加脈沖電流處理，不同之處 在于脈沖頻率、脈沖電流峰值的差異，均可以細(xì)化晶粒，使純金屬的力學(xué)性能、導(dǎo)電性能、工 藝性能得到提高。但是，這種方法很難得到晶粒細(xì)小、晶體取向一致的定向凝固組織。中國專利200710177552. X公開了一種復(fù)合磁場下金屬材料高溫處理方法與裝 置。這種方法與裝置對金屬熔體施加同軸同向的脈沖磁場和超導(dǎo)強(qiáng)磁場，以控制晶粒尺寸 和晶體取向。利用超導(dǎo)強(qiáng)磁場抑制熔體中Stocks重力沉降和自然對流來引導(dǎo)材料沿著一 定的晶體取向凝固，利用脈沖磁場抑制熔體中Marangoni對流作用，細(xì)化晶粒。這種方法由 于需要通過超導(dǎo)強(qiáng)磁場控制晶粒取向，其裝置設(shè)計(jì)復(fù)雜，生產(chǎn)成本亦較高，且超導(dǎo)強(qiáng)磁場電 磁輻射大，對工作環(huán)境會造成一定的污染。本發(fā)明結(jié)合定向凝固和電變質(zhì)脈沖處理技術(shù)，在金屬定向凝固過程中，對金屬熔 體施加高密度脈沖電流處理，控制晶粒徑向尺寸和獲得定向柱晶，其工藝路線簡單，節(jié)約生 產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)中由于裝置復(fù)雜，生產(chǎn)成本較高，很難獲得徑向尺寸細(xì)小，晶粒 生長方向一致的超細(xì)定向凝固組織等問題，本發(fā)明提供一種強(qiáng)脈沖電流定向凝固晶粒超細(xì) 化方法及其裝置。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明強(qiáng)脈沖電流定向凝固晶粒超細(xì)化方法及其裝置是由 脈沖電流發(fā)生裝置和定向凝固裝置兩部分構(gòu)成，脈沖電流發(fā)生裝置向熔融金屬提供電流脈沖，不斷沖擊生長中的晶粒組織，導(dǎo)致晶粒細(xì)??；定向凝固裝置產(chǎn)生金屬凝固過程中的溫度 梯度，得到晶粒生長方向一致的凝固組織。所述的脈沖電流發(fā)生裝置，屬于在時(shí)間上壓縮能量的電容儲能高功率脈沖電源， 采用放電回路短接的方式，通過控制系統(tǒng)控制充放電開關(guān)，使儲存能量在極短時(shí)間內(nèi)完成 釋放，獲得極高的脈沖電流峰值。所述的定向凝固裝置，由加熱控制器、抽拉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、懸臂臺、固定支架、水冷裝置 和定向結(jié)晶爐組成加熱控制器通過熱電偶實(shí)時(shí)測量并反饋爐體溫度，實(shí)現(xiàn)對爐體溫度的 自動(dòng)調(diào)節(jié)；抽拉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)控制定向結(jié)晶爐的垂直運(yùn)動(dòng)速度；懸臂臺連接抽拉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和固 定定向結(jié)晶爐。所述的固定支架位于定向結(jié)晶爐殼體下方，固定于水平臺面上，獨(dú)立于其它裝置。 其上端設(shè)有試樣夾持機(jī)構(gòu)，用于固定盛放剛玉坩堝的冷端電極。使用時(shí)，盛放金屬溶體的剛 玉坩堝嵌套在冷端電極上，完全排除了以往抽拉金屬棒料時(shí)抽拉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的抖動(dòng)對其金屬 溶體定向凝固晶粒組織取向的影響。所述的定向凝固裝置中的水冷結(jié)構(gòu)，由水冷套、過水槽塊及進(jìn)水管、出水管組成， 位于定向結(jié)晶爐的下部，中間填充有隔熱材料，以防止熱量向冷卻水套和爐體傳導(dǎo)；水冷結(jié) 構(gòu)用以冷卻剛玉坩堝的端部，將試樣周圍多余熱量帶走，提供較大的溫度梯度。使用時(shí)，通 過調(diào)節(jié)冷卻水的溫度和流動(dòng)速度，以及與定向結(jié)晶爐的爐體溫度，實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬合金液固 界面的大溫差，以滿足實(shí)驗(yàn)所需溫度梯度的要求。為了解決金屬凝固過程中，能同時(shí)對熔融金屬施加強(qiáng)電流脈沖實(shí)現(xiàn)細(xì)晶和大溫度 梯度實(shí)現(xiàn)定向凝固。使用時(shí)保持定向凝固裝置不變，將脈沖電流發(fā)生裝置正(負(fù))極通過 帶螺紋導(dǎo)線接頭接入用以嵌套剛玉坩堝的冷端電極上，負(fù)(正)極通過一耐高溫電極直接 通入剛玉坩堝中的熔融金屬中實(shí)現(xiàn)短路連接，根據(jù)電脈沖參數(shù)調(diào)節(jié)指令，實(shí)現(xiàn)定向凝固過 程中對脈沖電流的控制。本發(fā)明強(qiáng)脈沖電流定向凝固晶粒超細(xì)化方法及其裝置是定向凝固技術(shù)和電變質(zhì) 脈沖處理技術(shù)的結(jié)合。在定向凝固過程中同時(shí)施加脈沖電流，且脈沖電源的正負(fù)兩端可交 換連接在冷端電極和熱端電極，均可達(dá)到細(xì)晶目的。設(shè)備裝置簡單靈活，節(jié)約生產(chǎn)成本，效 率大大提高，使材料在一次加熱過程中能同時(shí)完成晶粒尺寸和晶粒取向的控制，減少成分 偏析與纖微疏松，有利于提高金屬合金的使用性能，獲得特殊性能要求的金屬材料。還可以 減少電磁輻射的傷害，減輕環(huán)境的負(fù)擔(dān)。本發(fā)明的冷端電極夾持在固定支架上，完全排除了 以往抽拉金屬棒料時(shí)抽拉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的抖動(dòng)對金屬熔體定向凝固晶粒組織取向的影響。本發(fā)明強(qiáng)脈沖電流定向凝固晶粒超細(xì)化方法及其裝置包括以下實(shí)施步驟1)待處理的金屬材料為Al、Cu、Mg、Pb、Sn中一種或其合金材料；2)首先將金屬錠澆注成規(guī)定尺寸的棒狀；3)將金屬棒放置于剛玉坩堝內(nèi)，并安裝剛玉坩堝位于定向結(jié)晶爐中心，升溫至熔 點(diǎn)以上50°C _150°C，至金屬完全融化并保溫20分鐘；4)設(shè)定電脈沖參數(shù)并連接脈沖電源正極與冷端電極、負(fù)極與熱端電極，按規(guī)定的 抽拉速度進(jìn)行抽拉，同時(shí)開啟脈沖電源，進(jìn)行電脈沖定向凝固復(fù)合處理；5)抽拉控制系統(tǒng)抽拉速度為10 μ m/s-400 μ m/s ；6)待抽拉完畢，關(guān)閉脈沖電源，得到晶粒尺寸細(xì)小的定向柱晶金屬材料。其中，脈沖電流處理參數(shù)為脈沖電源電容30μ F-120y F，脈沖峰值電壓最高3000V，脈沖電流峰值 最高0. IMA級，脈沖工作頻率0. 25Hz-2. 5Hz。本發(fā)明強(qiáng)脈沖電流定向凝固晶粒超細(xì)化方法及其裝置是將現(xiàn)有的脈沖電流處理 技術(shù)與定向凝固技術(shù)結(jié)合作為實(shí)施技術(shù)方法，使材料在一次加熱過程中同時(shí)完成晶粒尺寸 和晶粒取向的控制。在本發(fā)明方法及裝置實(shí)施過程中，金屬棒固定于支架，完全排除以往抽 拉金屬棒料時(shí)抽拉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的抖動(dòng)對金屬熔體定向凝固晶粒組織取向的影響。與采取脈沖 磁場與超導(dǎo)強(qiáng)磁場結(jié)合來完成晶粒尺寸和晶粒取向控制的方法相比，設(shè)備更簡單，工藝路 線更加簡化，而且節(jié)約生產(chǎn)成本，提高效率；在環(huán)境保護(hù)方面還能減少電磁輻射的傷害。在 本發(fā)明方法及裝置實(shí)施過程中，采用放電回路短接的方式，使儲存能量在500ns內(nèi)完成釋 放，可以獲得極高的脈沖電流峰值，提高固液界面處的溫度梯度，提高形核率，從而達(dá)到細(xì) 化晶粒的目的。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明強(qiáng)脈沖電流定向凝固晶粒超細(xì)化方法及其裝置作進(jìn)一步 詳細(xì)說明。圖1是本發(fā)明強(qiáng)脈沖電流定向凝固晶粒超細(xì)化方法及其裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明中抽拉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)沿A-A線的剖視圖。圖3是本發(fā)明中懸臂臺結(jié)構(gòu)沿B-B線的剖視圖。圖4是本發(fā)明中定向結(jié)晶爐結(jié)構(gòu)的示意圖。圖5是本發(fā)明未施加強(qiáng)脈沖電流處理的純鋁定向凝固過程金相組織圖。圖6是本發(fā)明施加脈沖電流峰值12. 98KA，頻率為IHz時(shí)的純鋁定向凝固過程金相 組織圖。圖7是本發(fā)明施加脈沖電流峰值25. 66KA，頻率為IHz時(shí)的純鋁定向凝固過程金相 組織圖。圖8是本發(fā)明施加脈沖電流峰值52. 02KA,頻率為IHz時(shí)的純鋁定向凝固過程金相 組織圖。圖中1.加熱控制器 2.直流電機(jī) 3.抽拉傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 4.支撐體5.絲 杠 6.水冷套 7.定向結(jié)晶爐 8.螺桿 9.長螺桿 10.懸臂臺11.固定支 架 12.脈沖電源 13.直齒圓柱齒輪14.蝸輪蝸桿15.冷端電極16.隔熱材料 17.保溫材料 18.外電熱絲 19.熱電偶 20.螺紋管21.熱端電極 22.內(nèi) 電熱絲 23.耐火泥漿涂層24.爐體支架25.進(jìn)水管
具體實(shí)施例方式本發(fā)明強(qiáng)脈沖電流定向凝固晶粒超細(xì)化方法及其裝置是將脈沖電流處理技術(shù)與 定向凝固技術(shù)結(jié)合作為實(shí)施技術(shù)方法，對金屬熔體施加高密度脈沖電流處理，使金屬材料 在一次加熱過程中同時(shí)完成晶粒徑向尺寸和獲得定向柱晶。如圖1所示，應(yīng)用本發(fā)明強(qiáng)脈沖電流定向凝固晶粒超細(xì)化方法及其裝置，它由脈 沖電流發(fā)生裝置和定向凝固裝置構(gòu)成。所述的脈沖電流發(fā)生裝置是向熔融金屬提供電流脈 沖，不斷沖擊生長中的晶粒組織，導(dǎo)致晶粒細(xì)小；所述的定向凝固裝置是提供金屬凝固過程中的溫度梯度，得到晶粒生長方向一致的凝固組織。其結(jié)構(gòu)主要包括抽拉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)3、支撐 體4、懸臂臺10、水冷套6、隔熱材料16、定向結(jié)晶爐7和固定支架11、冷端電極15、熱端電 極21、熱電偶19、加熱控制器1、脈沖電源12部分組成。并保持熱端電極21、定向結(jié)晶爐7、 冷端電極15三者同軸向。圖2展示了本發(fā)明強(qiáng)脈沖電流定向凝固晶粒超細(xì)化方法及其裝置中抽拉傳動(dòng)機(jī) 構(gòu)沿A-A線的剖視圖，其采用抽拉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的減速原理。所述的抽拉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)3通過直齒圓 柱齒輪13和蝸輪蝸桿14兩級減速傳動(dòng)降低直流電機(jī)2的轉(zhuǎn)速，再通過絲杠5傳動(dòng)將蝸輪 的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹误w4垂直方向的直線運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)懸臂臺10上的定向結(jié)晶爐7上下運(yùn)動(dòng)， 控制定向結(jié)晶爐7的垂直運(yùn)動(dòng)速度，直線運(yùn)動(dòng)速度為ΙΟ-ΙΟΟΟμπι/s ；圖3給出了本發(fā)明強(qiáng)脈沖電流定向凝固晶粒超細(xì)化方法及其裝置中懸臂臺結(jié)構(gòu) 沿B-B線的剖視圖。所述的懸臂臺(10)的下端與支撐體(4)的端部使用定位銷連接，可固 定在任意位置，懸臂臺10上端通過四根長螺桿9與爐體支架24進(jìn)行連接，定向結(jié)晶爐7和 與水冷套6用螺桿8進(jìn)行連接固定，使支撐體4、懸臂臺10、水冷套6、爐體支架24和定向 結(jié)晶爐7成為一體，實(shí)現(xiàn)通過抽拉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)3來直接控制定向結(jié)晶爐7的垂直運(yùn)動(dòng)的速度。 使用時(shí)可通過調(diào)節(jié)定位銷的位置、長螺桿9的旋合長度等來調(diào)節(jié)支撐體4、懸臂臺10、水冷 套6、爐體支架24和定向結(jié)晶爐7之間的相對位置來滿足實(shí)驗(yàn)的要求。水冷套6和定向結(jié)晶爐7之間填充有隔熱材料16，以避免熱量向冷卻水套過多輻 射或向支架傳導(dǎo)，隔熱材料為高鋁耐火纖維棉氈，可在ioocrc -1250°C下長期使用。為提高 電脈沖定向結(jié)晶爐7的軸向溫度梯度，在爐體底部設(shè)置有水冷套6，選用導(dǎo)熱性能較好的銅 材作為它的主要材料。通過調(diào)節(jié)進(jìn)水管25中冷卻水的溫度和流動(dòng)速度，以及與定向結(jié)晶爐 7的爐體溫度，實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬合金液固界面的大溫差，以滿足實(shí)驗(yàn)所需溫度梯度的要求。使 用時(shí)，當(dāng)工件在抽拉系統(tǒng)的作用下逐漸推出爐膛時(shí)，在水冷套6的激冷作用下而較快冷卻， 使金屬的固-液平面沿著爐管軸線向上推進(jìn)。參考圖4，本發(fā)明強(qiáng)脈沖電流定向凝固晶粒超細(xì)化方法及其裝置中的定向結(jié)晶爐 7為井式中空爐，是利用電流通過電阻體產(chǎn)生的熱量來加熱爐具。其采用外圈穩(wěn)恒加熱，內(nèi) 圈補(bǔ)償加熱的方式來保證爐膛溫度場分布的均勻性，爐體由內(nèi)電熱絲22、外電熱絲18、保 溫材料17及爐壁構(gòu)成。選用0Cr25A115作為發(fā)熱體材料，在空氣中將FeCrAl電阻絲加熱 到500°C左右并保溫4 5h，使材料表面逐漸形成氧化鋁保護(hù)層，以提高電熱元件的使用壽 命。內(nèi)電熱絲22環(huán)繞于螺紋管20上，螺紋管20材料為電熔剛玉管。爐管外壁上預(yù)制有螺 紋槽，將外電熱絲18繞成螺旋狀裝進(jìn)外圈中，起到加強(qiáng)保溫性能，穩(wěn)定爐溫的作用。繞好電 熱絲后，在爐管外壁分?jǐn)?shù)次涂抹上厚度為5mm左右的耐火泥漿涂層23，并干燥固化，以避免 電熱絲在高溫下受熱變形而脫離螺紋槽，造成相鄰電熱絲接觸而短路，此外還可使電熱絲 與空氣隔離，有效減輕電熱絲氧化，提高使用壽命。剛玉螺紋管、馬弗膽及爐壁之間用硅酸 鋁耐火纖維充分填實(shí)，保證其定向結(jié)晶爐7良好的保溫性能。加熱控制器1采用基于單片機(jī)的PID方法來控制定向結(jié)晶爐的爐體溫度。合理地 設(shè)定PID算法控制器中的參數(shù)，在爐體內(nèi)部即可以達(dá)到較好的加熱和散熱的動(dòng)態(tài)平衡，從 而使其溫度達(dá)到動(dòng)態(tài)恒定。加熱控制器1通過導(dǎo)線與熱電偶19和定向結(jié)晶爐7電阻絲連 接，熱電偶19插入定向結(jié)晶爐7的內(nèi)壁，根據(jù)熱電偶19測量到的定向結(jié)晶爐7爐體溫度， 并反饋至加熱控制器1，通過實(shí)時(shí)調(diào)整定向結(jié)晶爐7內(nèi)圈電熔剛玉管加熱的通電和斷電狀
7態(tài)，達(dá)到控制定向結(jié)晶爐7內(nèi)部溫度的目的。固定支架11置于懸臂架下方的水平臺面上，獨(dú)立于抽拉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，并與抽拉初始 狀態(tài)時(shí)懸臂臺10位置保持一定的距離；冷端電極15固定在固定支架上端，材料為45鋼，其 下端車削出內(nèi)螺紋，熱端電極21固定于懸臂架上，在實(shí)驗(yàn)過程中，剛玉坩堝嵌套在冷端電 極15上，脈沖電源的正(負(fù))極連接在與冷端電極下端內(nèi)螺紋等徑的外螺紋接頭上，旋入 螺紋即可完成冷端電極的接入；脈沖電源的負(fù)(正)極通過高溫電極直接接入熱端電極。脈沖電源12屬于在時(shí)間上壓縮能量的電容儲能高功率脈沖電源，采用放電回路 短接的方式，使儲存能量在500ns內(nèi)完成釋放，可以獲得極高的脈沖電流峰值，提高固液界 面處的溫度梯度，提高形核率，從而達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。電脈沖參數(shù)為脈沖電源電容 0-120 μ F，脈沖電壓峰值為3000V，脈沖工作頻率0. 25-2. 5Hz，脈沖峰值電流可達(dá)0. IMA級。 使用時(shí)，接通脈沖電源，冷端電極15與熱端電極21通過剛玉坩堝中的熔融金屬構(gòu)成閉合回 路，并與固定支架11 一起保持不動(dòng)，定向結(jié)晶爐7、隔熱材料16、水冷套6作為整體位于抽 拉控制系統(tǒng)懸臂臺10上，由抽拉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)3控制定向結(jié)晶爐的垂直運(yùn)動(dòng)速度，實(shí)現(xiàn)熔融金 屬相對于定向結(jié)晶爐7的定向移動(dòng)。同時(shí)根據(jù)電脈沖參數(shù)調(diào)節(jié)指令，對金屬溶體施加電流 脈沖，完成金屬試樣的定向凝固與晶粒細(xì)化。本實(shí)用新型結(jié)合定向凝固技術(shù)和電變質(zhì)脈沖 處理技術(shù)，在金屬熔體的一次凝固過程中同時(shí)控制細(xì)晶作用和控制晶粒取向作用。裝置結(jié) 構(gòu)簡單，節(jié)約生產(chǎn)成本，提高效率；還可以減少電磁輻射的傷害，減輕環(huán)境的負(fù)擔(dān)。實(shí)施強(qiáng)脈沖電流下細(xì)晶純鋁的定向凝固組織制備。純鋁試棒準(zhǔn)備將純度為 99. 7wt%的工業(yè)純鋁，澆鑄成的原始鋁棒尺寸為Φ7Χ100πιπι。具體工藝過程如下(1)固定安裝好冷端電極與剛玉坩堝在支架上，并將鋁棒放置于剛玉坩堝內(nèi)，連接 好脈沖電源正極與冷端電極。(2)抽拉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使懸臂臺處于初始位置，即最低端，加熱升溫，待加熱控制系統(tǒng) 顯示爐膛溫度穩(wěn)定在800°C以后保溫20分鐘至純鋁完全融化。(3)將熱端電極插入熔融金屬中，并將熱端電極通過導(dǎo)線與脈沖電源連接負(fù)極。(4)設(shè)定好電脈沖參數(shù)電容0-120 μ F，放電電壓0-600V，放電頻率0. 25-2. 5Hz, 脈沖峰值電流0-52. 02ΚΑ。(5)開啟抽拉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，以10-2000 μ m/s的速度開始進(jìn)行抽拉，同時(shí)開啟脈沖電 源，進(jìn)行電脈沖定向凝固復(fù)合處理，直到抽拉完畢。(6)切斷脈沖電源和抽拉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、加熱控制器電源開關(guān)，即完成處理。從金相組織圖中可看出，圖5為未施加強(qiáng)脈沖電流處理的純鋁定向凝固組織， 平均晶粒尺寸為102. 1 μ m ；圖6為施加脈沖電壓150V，脈沖電流峰值12. 98KA，頻率IHz 時(shí)的純鋁定向凝固組織，平均晶粒尺寸為42 μ m ；圖7為施加脈沖電壓300V，脈沖電流峰 值25. 66KA，頻率IHz的純鋁微定向凝固組織，平均晶粒尺寸為34. 1 μ m ；圖8為施加脈沖 電壓600V，脈沖電流峰值52. 02KA，頻率為IHz時(shí)的純鋁定向凝固組織，平均晶粒尺寸為 27. 5 μ m0對比后可以發(fā)現(xiàn)，在實(shí)施施加強(qiáng)脈沖電流處理后，隨脈沖電流峰值的增大，純鋁定 向凝固組織晶粒顯著減少，而晶粒取向繼續(xù)呈現(xiàn)一致性。由此可見，在本發(fā)明方法及裝置實(shí) 施過程中，將強(qiáng)脈沖電流處理施加于金屬定向凝固過程中能在設(shè)備簡便的前提下獲得晶粒 尺寸細(xì)小、取向一致的柱狀凝固組織，效果顯著。
權(quán)利要求
一種強(qiáng)脈沖電流定向凝固晶粒超細(xì)化方法，其特征在于步驟如下1)待處理的金屬材料為Al、Cu、Mg、Pb、Sn中一種或其合金材料；2)首先將金屬錠澆注成規(guī)定尺寸的棒狀；3)將金屬棒放置于剛玉坩堝內(nèi)，并安裝剛玉坩堝位于定向結(jié)晶爐中心，升溫至熔點(diǎn)以上50℃-150℃，至金屬完全融化并保溫20分鐘；4)設(shè)定電脈沖參數(shù)并連接脈沖電源正極與冷端電極、負(fù)極與熱端電極，按規(guī)定的抽拉速度進(jìn)行抽拉，同時(shí)開啟脈沖電源，進(jìn)行電脈沖定向凝固復(fù)合處理；5)抽拉控制系統(tǒng)抽拉速度為1Oμm/s-400μm/s；6)待抽拉完畢，關(guān)閉脈沖電源，得到晶粒尺寸細(xì)小的定向柱晶金屬材料。
2.一種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述方法的強(qiáng)脈沖電流定向凝固裝置，包括加熱控制器(1)、直 流電機(jī)(2)、抽拉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(3)、支撐體(4)、水冷套(6)、定向結(jié)晶爐(7)、懸臂臺(10)、固定 支架(11)和脈沖電源(12)，其特征在于所述的加熱控制器(1)通過導(dǎo)線與熱電偶(19)和 定向結(jié)晶爐⑵電阻絲連接，熱電偶(19)插入定向結(jié)晶爐(7)的內(nèi)壁，根據(jù)熱電偶(19)測 量到的定向結(jié)晶爐⑵爐體溫度，并反饋至加熱控制器⑴控制定向結(jié)晶爐(7)內(nèi)部溫度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的強(qiáng)脈沖電流定向凝固裝置，其特征在于所述的懸臂臺(10) 的下端與支撐體(4)的端部使用定位銷連接，可固定在任意位置，懸臂臺(10)上端通過四 根長螺桿(9)與爐體支架(24)連接，定向結(jié)晶爐(7)與水冷套(6)用螺桿(8)連接固定， 使支撐體(4)、懸臂臺(10)、水冷套(6)、爐體支架(24)和定向結(jié)晶爐(7)成為一體。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的強(qiáng)脈沖電流定向凝固裝置，其特征在于所述的固定支架(11)位于定向結(jié)晶爐(7)殼體下方，與懸臂臺(10)位置保持一定的距離，冷端電極(15)由 夾持機(jī)構(gòu)固定在固定支架(11)上端，熱端電極(21)固定于懸臂架上，剛玉坩堝嵌套在冷端 電極(15)上，并保持熱端電極(21)、定向結(jié)晶爐(7)、冷端電極(15)三者同軸。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的強(qiáng)脈沖電流定向凝固裝置，其特征在于所述的抽拉傳動(dòng)機(jī) 構(gòu)⑶通過直齒圓柱齒輪(13)和蝸輪蝸桿(14)兩級減速傳動(dòng)降低直流電機(jī)(2)的轉(zhuǎn)速， 再通過絲杠(5)傳動(dòng)將蝸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹误w(4)垂直方向的直線運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)懸臂臺 (10)上的定向結(jié)晶爐(7)上下運(yùn)動(dòng)，控制定向結(jié)晶爐(7)的垂直運(yùn)動(dòng)速度，直線運(yùn)動(dòng)速度為 10-1000 μm/s0
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的強(qiáng)脈沖電流定向凝固裝置，其特征在于所述的水冷套(6) 設(shè)置在固定支架(11)的上部與定向結(jié)晶爐(7)之間填充有隔熱材料(16)，隔熱材料為高鋁 耐火纖維棉氈；通過調(diào)節(jié)進(jìn)水管(25)中冷卻水的溫度和流動(dòng)速度與定向結(jié)晶爐(7)的爐體 溫度，實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬合金液一固界面的大溫差。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的強(qiáng)脈沖電流定向凝固裝置，其特征在于所述的定向結(jié)晶爐 (7)，外圈為馬弗膽，內(nèi)圈爐膛為耐高溫高鋁陶瓷管，爐體由內(nèi)電熱絲(22)、外電熱絲(18)、 保溫材料(17)及爐壁構(gòu)成，內(nèi)電熱絲(22)環(huán)繞于螺紋管(20)上，爐管外壁設(shè)有螺紋槽，將 外電熱絲(18)繞成螺旋狀裝進(jìn)外圈中，繞好電熱絲后，在爐管外壁涂抹厚度為5mm的耐火 泥漿涂層(23)，并干燥固化，剛玉螺紋管、馬弗膽及爐壁之間用硅酸鋁耐火纖維充分填實(shí)， 保證定向結(jié)晶爐(7)的保溫性能。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的強(qiáng)脈沖電流定向凝固裝置，其特征在于所述的脈沖電源(12)向熔融金屬提供強(qiáng)脈沖電流，脈沖電源(12)輸出的正、負(fù)極分別與冷端電極(15)和熱端電極(21)聯(lián)接，通過剛玉坩堝中的熔融金屬構(gòu)成閉合放電回路冷端電極(15)下端設(shè)有 內(nèi)螺紋，脈沖電源(12)的正(負(fù))極通過外螺紋導(dǎo)線接頭，與冷端電極(15)通過螺紋旋合 完成電極連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種強(qiáng)脈沖電流定向凝固晶粒超細(xì)化方法及其裝置，包括加熱控制器、抽拉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、支撐體、定向結(jié)晶爐、懸臂臺、固定支架和脈沖電源，加熱控制器通過導(dǎo)線與熱電偶和定向結(jié)晶爐電阻絲連接，熱電偶插入定向結(jié)晶爐內(nèi)壁，根據(jù)熱電偶測量并實(shí)時(shí)傳輸?shù)蕉ㄏ蚪Y(jié)晶爐內(nèi)部溫度值，實(shí)時(shí)調(diào)整定向結(jié)晶爐內(nèi)圈電熔剛玉管加熱的通電和斷電狀態(tài)，達(dá)到控制定向結(jié)晶爐內(nèi)部溫度的目的。脈沖電源通過導(dǎo)線與冷熱端電極連接，根據(jù)電脈沖參數(shù)調(diào)節(jié)指令，完成對脈沖電流的控制；在設(shè)備簡便的前提下獲得晶粒尺寸細(xì)小、取向一致的柱狀凝固組織，效果顯著，還可減少電磁輻射的傷害，減輕環(huán)境的負(fù)擔(dān)。
文檔編號B22D27/02GK101885053SQ20101021030
公開日2010年11月17日 申請日期2010年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月24日
發(fā)明者劉華澤, 胡鵬, 趙志龍 申請人:西北工業(yè)大學(xué)