復(fù)合型脈沖磁致振蕩細(xì)化金屬凝固組織方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種細(xì)化金屬凝固組織的方法，屬金屬材料制備【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明將蚊香型扁狀線圈和螺線管狀線圈連接起來組成底部開口的圓筒并罩住金屬熔體的液面和型壁，達(dá)到磁場覆蓋整個熔體的外表面，實現(xiàn)凝固組織的有效細(xì)化。先將金屬材料熔化，然后將金屬熔體澆注到置于復(fù)合型脈沖磁致振蕩凝固裝置的模具中，使金屬熔體在復(fù)合型脈沖磁致振蕩作用下凝固。處理參數(shù)為：脈沖電流I＝10A～30000A，脈沖寬度10μs～100ms；作用頻率f＝0.01Hz～2kHz。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)晶鑄錠，且無污染，節(jié)能，設(shè)備簡單，便于操作，成本低等優(yōu)點。本發(fā)明用于冶金工業(yè)中的模鑄、半連鑄及連鑄生產(chǎn)，適合各種金屬材料的凝固組織細(xì)化。
【專利說明】復(fù)合型脈沖磁致振蕩細(xì)化金屬凝固組織方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種復(fù)合型脈沖磁致振蕩細(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]隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對金屬材料性能的要求越來越高，金屬材料的凝固組織控制是改善材料性能的重要手段，從而控制金屬凝固過程的研究成為了國內(nèi)、外材料科學(xué)工作者的關(guān)注熱點，特別是材料的凝固細(xì)化技術(shù)近年來被視為提高材料性能的主要手段之一。細(xì)化金屬凝固組織的傳統(tǒng)方法主要有工藝法、化學(xué)法、外場法。工藝法有控制冷卻速度、深過冷法、變形處理法，它可以簡單直接的獲得細(xì)化凝固組織，比如快速冷卻可以獲得非常細(xì)小的凝固組織，可以得到微米級甚至納米級的晶粒，但對于較大尺寸的鑄錠，凝固時間長很難通過控制冷卻速度來達(dá)到細(xì)化效果?；瘜W(xué)法是通過添加形核劑、長大抑制劑等來增加異質(zhì)核心數(shù)來促進(jìn)形核和控制長大達(dá)到細(xì)化鑄件組織的方法。
[0003]利用外場法可以改善凝固結(jié)晶過程新相的熱力學(xué)和動力學(xué)，提高形核速度而實現(xiàn)細(xì)晶。外場法有超聲場法、電磁攪拌法、脈沖電流法以及脈沖磁場法，超聲場對凝固細(xì)晶有明顯的作用，但是不足是超聲場在熔體內(nèi)的衰減嚴(yán)重，不能有效均勻的細(xì)化凝固組織，且變幅桿直接跟熔體接觸，會污染金屬材料；電磁攪拌在金屬的凝固過程中可以減少柱狀晶區(qū)而增大等軸晶區(qū)，且具有細(xì)化晶粒的效果，其不足是細(xì)化晶粒的效果不太明顯。跟電磁攪拌一樣，脈沖電流和脈沖磁場也會在金屬熔體內(nèi)產(chǎn)生電磁力，對熔體攪拌和振動作用；更勝其的是，脈沖電流和脈沖磁場產(chǎn)生的更大的電磁力振蕩，可以破碎枝晶，使其成為游離的異質(zhì)核心，從而達(dá)到細(xì)化凝固組織的效果。但也有各自的局限性，在脈沖電流凝固細(xì)晶技術(shù)中，電流直接通過金屬熔體，這會影響生產(chǎn)安全和人身安全；而脈沖磁場雖然電路不直接通過金屬熔體，但是強磁場施加到金屬熔體后，會在金屬熔體中產(chǎn)生感應(yīng)電流，磁場強度較大時，強磁場會使金屬表面產(chǎn)生強烈波動甚至飛濺。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種復(fù)合型脈沖磁致振蕩細(xì)化金屬凝固組織方法，與中國專利(申請?zhí)?201010167538.3，發(fā)明名稱:脈沖磁致液面振蕩細(xì)化金屬凝固組織的方法)公開的一種在金屬液面上設(shè)置線圈施加脈沖磁場細(xì)化金屬熔體凝固組織方法相比，本發(fā)明擴大了脈沖磁致振蕩在金屬熔體中的有效處理面積(4?16倍)，更好地解決金屬凝固組織控制存在的細(xì)化效果差。
[0005]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金屬凝固成形用的鑄型上或結(jié)晶器外，當(dāng)金屬熔體澆鑄到鑄型后，在鑄型或中間包液面上2mm?250mm放置另一扁狀線圈，層數(shù)可根據(jù)鑄型的口徑大小進(jìn)行調(diào)整(線圈的匝數(shù)即繞中軸線的圈數(shù)；將幾個相同的線圈疊加在一起，疊加線圈個數(shù)即為層數(shù))，進(jìn)行脈沖磁致液面與型壁同時振蕩。當(dāng)脈沖磁致液面和型壁同時振蕩時，在熔體中產(chǎn)生非常強的電磁力振蕩，可以輕易的震碎枝晶從而促進(jìn)“結(jié)晶雨”的形成，充分細(xì)化金屬凝固組織。
[0007]—種復(fù)合型脈沖磁致振蕩細(xì)化金屬凝固組織方法，先將金屬材料熔化，然后將經(jīng)過預(yù)熱的模具置于復(fù)合型脈沖磁致振蕩凝固裝置中，裝置由脈沖電源與兩個振蕩線圈組成，一個振蕩線圈為螺線管狀線圈固定于鑄型側(cè)壁，另一個為扁狀線圈放在鑄型的頂部或底部，把金屬熔體澆注到模具中，澆注完畢后立即啟動復(fù)合型脈沖磁致振蕩凝固裝置中的復(fù)合型脈沖磁致振蕩發(fā)生裝置，使金屬熔體在復(fù)合型脈沖磁致振蕩作用下凝固。
[0008]所述的扁狀線圈置于金屬熔體液面上方2mm?250mm,扁狀線圈最佳位置范圍為5mm?100mm。所述的扁狀線圈的形狀為圓形,線圈的阻數(shù)為2?50 BL層數(shù)為I?5層。扁狀線圈為方形，線圈的匝數(shù)為2?50匝，層數(shù)為I?5層。扁狀線圈為多邊形，多邊形的邊數(shù)為4?30，線圈的匝數(shù)為2?50匝，層數(shù)為I?5層。最佳的扁狀線圈為圓形，匝數(shù)為4?15匝，層數(shù)為I?3層。
[0009]所述的螺線管狀線圈內(nèi)口為圓形，線圈的匝數(shù)為2?100匝，層數(shù)為I?3層。螺線管狀線圈內(nèi)口為方形，線圈的匝數(shù)為2?100匝，層數(shù)為I?3層。最佳螺線管狀線圈為圓形，匝數(shù)為5?20匝，層數(shù)為I?2層。
[0010]所述的脈沖磁致振蕩的線圈連接方式為兩個線圈串聯(lián)后于一臺脈沖電源相連。脈沖磁致振蕩的線圈連接方式為兩個線圈并聯(lián)后于一臺脈沖電源相連。兩個線圈獨自于兩臺脈沖電源相連。
[0011]脈沖磁致液面與型壁同時振蕩參數(shù)為:復(fù)合型脈沖磁致振蕩電流為IOA?30000A。最佳電流范圍為30A?20000A。復(fù)合型脈沖磁致振蕩脈沖寬度為10 μ s?100ms。最佳脈沖寬度為ΙΟΟμ s?10ms。復(fù)合型脈沖磁致振蕩作用頻率為0.0lHz?2kHz。最佳作用頻率為IHz?300Hz。
[0012]本發(fā)明主要特點為:
(I)脈沖磁致液面與型壁同時振蕩作用，對金屬凝固組織起到顯著的細(xì)化效果，晶?？梢约?xì)化到0.1mm?0.5mm,等軸晶面積達(dá)到70%以上,甚至達(dá)到100%,凝固組織的均勻性明顯改善。
[0013](2)將線圈置于金屬熔體的表面上與型壁處同時進(jìn)行非接觸式熔體處理，同脈沖電流等接觸熔體處理和單一的液面振蕩、單一的型壁振蕩相比，不僅可以避免電極對熔體的激冷效應(yīng)或污染，而且可以同時有效的對熔體進(jìn)行更大面積上的處理，有效處理面積擴大至4?16倍,處理效果顯著增加。
[0014](3)本發(fā)明裝備價格低廉，操作簡單安全，比單一的脈沖電流或單一的脈沖磁場更節(jié)能，可用于大型鑄件的凝固細(xì)晶控制，也適用于半連鑄以及連鑄生產(chǎn)，且拆裝方便。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為串聯(lián)方式的復(fù)合型脈沖磁致振蕩細(xì)化金屬凝固組織方法示意圖。
[0016]圖2為并聯(lián)方式的復(fù)合型脈沖磁致振蕩細(xì)化金屬凝固組織方法示意圖。
[0017]圖3為獨立連接方式的復(fù)合型脈沖磁致振蕩細(xì)化金屬凝固組織方法示意圖。
[0018]圖中標(biāo)號:1.脈沖電源2.連接脈沖電源與線圈的導(dǎo)體3.扁狀線圈4.鑄型5.螺線管狀線圈6.金屬熔體。[0019]圖4a為未進(jìn)行任何處理的純鋁宏觀組織(鑄型為砂型，39Ηζ，50Α，10μ S)。
[0020]圖4b為進(jìn)行單一扁狀線圈處理的純鋁宏觀組織(鑄型為砂型，39Hz，50A，10 μ S)。
[0021]圖4c為進(jìn)行單一螺線管狀線圈處理的純鋁宏觀組織(鑄型為砂型，39Hz，50A，10 μ S)。
[0022]圖4d為進(jìn)行復(fù)合型脈沖磁致振蕩處理的純鋁宏觀組織(鑄型為砂型，39Hz，50A，10 μ S)。
[0023]圖5a為進(jìn)行單一扁狀線圈處理的純鋁宏觀組織(鑄型為砂型，300Hz，1800A，90 μ S)。
[0024]圖5b為進(jìn)行單一螺線管狀線圈處理的純鋁宏觀組織(鑄型為砂型，300Hz，1800Α,90μ S)。
[0025]圖5c為進(jìn)行復(fù)合型脈沖磁致振蕩處理的純鋁宏觀組織(鑄型為砂型，300Hz，1800Α,90μ S)。
[0026]圖6a為進(jìn)行單一扁狀線圈處理的純鋁宏觀組織(鑄型為砂型，1200Hz，6000A，300 μ S)。
[0027]圖6b為進(jìn)行單一螺線管狀線圈處理的純鋁宏觀組織(鑄型為砂型，1200Hz，6000A,300 μ S)。
[0028]圖6c為進(jìn)行復(fù)合型脈沖磁致振蕩處理的純鋁宏觀組織(鑄型為砂型，1200Hz，6000A,300 μ S)。
[0029]圖7為未進(jìn)行脈沖磁致振蕩處理(上半幅圖)和進(jìn)行復(fù)合型脈沖磁致振蕩處理的65Μη的宏觀組織(下半幅圖)。
【具體實施方式】
[0030]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。
[0031]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，鑄型為水玻璃砂干型，復(fù)合線圈為圓形扁狀線圈匝數(shù)為15，層數(shù)為3;圓形螺線管狀線圈匝數(shù)為18，層數(shù)為2，兩個線圈串聯(lián)組成，實施一組實驗，保持其他變量一致，只控制一個變量，即不施加磁致振蕩處理，施加螺線管狀線圈處理，施加扁狀線圈處理及施加復(fù)合線圈處理。用參數(shù)為39Ηζ，50Α，10μ s的復(fù)合磁致振蕩處理。具體工藝過程如下:將純鋁熔化后，當(dāng)金屬過熱20?150°C時，將預(yù)熱的鑄型置于復(fù)合線圈中，螺線管狀線圈固定到砂型壁上，扁狀線圈放置于金屬液面上方約5cm，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。
[0032]未經(jīng)任何處理的純鋁試樣，晶粒沒有得到細(xì)化，等軸晶區(qū)面積9.7%，如圖4a所示。施加扁狀線圈處理的純招試樣，晶粒尺度為0.48mm,等軸晶區(qū)面積41%,如圖4b所示。施加螺線管狀線圈處理的純鋁試樣，晶粒尺度為0.53mm，等軸晶區(qū)面積37%，如圖4c所示。施加復(fù)合線圈處理的純招試樣，晶粒尺度為0.44 mm,等軸晶區(qū)面積62%,如圖4d所示。
[0033]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，鑄型為水玻璃砂干型，復(fù)合線圈為橢圓形扁狀線圈匝數(shù)為10，層數(shù)為I ;橢圓形螺線管狀線圈匝數(shù)為14，層數(shù)為2，兩個線圈并聯(lián)組成，實施一組實驗，保持其他變量一致，只控制一個變量，即施加螺線管狀線圈處理,施加扁狀線圈處理及施加復(fù)合線圈處理。用參數(shù)為300Ηζ，1800Α，90μ s的復(fù)合磁致振蕩處理。具體工藝過程如下:將純鋁熔化后，當(dāng)金屬過熱20?150°C時，將預(yù)熱的鑄型置于復(fù)合線圈中，螺線管狀線圈固定到砂型壁上，扁狀線圈放置于金屬液面上方約3cm，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。
[0034]施加扁狀線圈處理的純鋁試樣，晶粒尺度為0.58mm，等軸晶區(qū)面積26%，如圖5a所示。施加螺線管狀線圈處理的純鋁試樣，晶粒尺度為0.54mm，等軸晶區(qū)面積42%，如圖5b所示。施加復(fù)合線圈處理的純招試樣，晶粒尺度為0.38mm,等軸晶區(qū)面積82%,如圖5c所
/Jn ο
實施例3
實驗過程如下:熔體用材料純度為99.7%的工業(yè)純鋁，鑄型為水玻璃砂干型，復(fù)合線圈為方形扁狀線圈匝數(shù)為7，層數(shù)為2 ;方形螺線管狀線圈匝數(shù)為8，層數(shù)為3，兩個線圈獨立與一臺電源連接組成，實施一組實驗，保持其他變量一致，只控制一個變量，即施加螺線管狀線圈處理，施加扁狀線圈處理及施加復(fù)合線圈處理。用參數(shù)為1200ΗΖ，6000Α，300μ s的復(fù)合磁致振蕩處理。具體工藝過程如下:將純鋁熔化后，當(dāng)金屬過熱20?150°C時，將預(yù)熱的鑄型置于復(fù)合線圈中，螺線管狀線圈固定到砂型壁上，扁狀線圈放置于金屬液面上方約lcm，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。
[0035]施加扁狀線圈處理的純鋁試樣，晶粒尺度為0.84mm，等軸晶區(qū)面積25%，如圖6a所示。施加螺線管狀線圈處理的純鋁試樣，晶粒尺度為0.86mm，等軸晶區(qū)面積15%，如圖6b所示。施加復(fù)合線圈處理的純招試樣，晶粒尺度為0.44mm,等軸晶區(qū)面積79%,如圖6c所
/Jn ο
[0036]實施例4
脈沖磁致振蕩金屬鑄造裝置對模鑄65Mn凝固組織的控制。
[0037]實驗過程如下:熔體材料為65Mn，鑄型為水玻璃砂干型，復(fù)合線圈為圓形扁狀線圈匝數(shù)為15，層數(shù)為3 ;圓形螺線管狀線圈匝數(shù)為18，層數(shù)為2，兩個線圈串聯(lián)組成，實施一組實驗，保持其他變量一致，只控制一個變量，即未施加任何處理和施加復(fù)合線圈處理。用參數(shù)為800Ηζ，9800Α，900μ s的復(fù)合磁致振蕩處理。具體工藝過程如下:將純鋁熔化后，當(dāng)金屬過熱20?150°C時，將預(yù)熱的鑄型置于復(fù)合線圈中，螺線管狀線圈固定到砂型壁上，扁狀線圈放置于金屬液面上方約1cm，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。
[0038]通過金相顯微鏡觀察試樣凝固組織(12.5倍)，未施加任何處理的試樣，枝晶粗大，如圖7上半部分所示。施加復(fù)合脈沖磁致振蕩的試樣，枝晶明顯變細(xì)，且分布均勻，如圖7下半部分所示。
[0039]結(jié)果表明:在水玻璃砂干型中，經(jīng)過復(fù)合型脈沖磁致振蕩處理的鑄件的宏觀組織同只施加單一脈沖磁致振蕩處理和未施加任何處理的純鋁宏觀組織相比，鑄件得到更均勻 的細(xì)化。
【權(quán)利要求】
1.一種復(fù)合型脈沖磁致振蕩細(xì)化金屬凝固組織方法，其特征在于該方法具有以下工藝過程:將金屬材料熔化，然后將經(jīng)過預(yù)熱的模具置于復(fù)合型脈沖磁致振蕩凝固裝置中，該裝置由脈沖電源與兩個振蕩線圈組成，一個振蕩線圈為螺線管狀線圈固定于鑄型側(cè)壁，另一個為扁狀線圈放在鑄型的頂部或底部，把金屬熔體澆注到模具中，澆注完畢后立即啟動復(fù)合型脈沖磁致振蕩凝固裝置中的復(fù)合型脈沖磁致振蕩發(fā)生裝置，使金屬熔體在復(fù)合型脈沖磁致振蕩作用下凝固。
2.如權(quán)利要求1所述的復(fù) 合型脈沖磁致振蕩細(xì)化金屬凝固組織方法，其特征在于:扁狀線圈置于金屬熔體液面上方2~250mm。
3.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合型脈沖磁致振蕩細(xì)化金屬凝固組織方法，其特征在于:扁狀線圈置于金屬熔體液面上方5~100mm。
4.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合型脈沖磁致振蕩細(xì)化金屬凝固組織方法，其特征在于:扁狀線圈的形狀為圓形，線圈的匝數(shù)為2~50匝，層數(shù)為I~5層。
5.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合型脈沖磁致振蕩細(xì)化金屬凝固組織方法，其特征在于:扁狀線圈為方形，線圈的匝數(shù)為2~50匝，層數(shù)為I~5層。
6.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合型脈沖磁致振蕩細(xì)化金屬凝固組織方法，其特征在于:扁狀線圈為多邊形，多邊形的邊數(shù)為4~30，線圈的匝數(shù)為2~50匝，層數(shù)為I~5層。
7.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合型脈沖磁致振蕩細(xì)化金屬凝固組織方法，其特征在于:扁狀線圈為圓形，匝數(shù)為4~15匝，層數(shù)為I~3層。
8.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合型脈沖磁致振蕩細(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2~100匝，層數(shù)為I~3層。
9.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合型脈沖磁致振蕩細(xì)化金屬凝固組織方法，其特征在于:螺線管狀線圈內(nèi)口為方形，線圈的匝數(shù)為2~100匝，層數(shù)為I~3層。
10.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合型脈沖磁致振蕩細(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，匝數(shù)為5~20匝，層數(shù)為I~2層。
11.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合型脈沖磁致振蕩細(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兩個線圈串聯(lián)后于一臺脈沖電源相連。
12.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合型脈沖磁致振蕩細(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兩個線圈并聯(lián)后于一臺脈沖電源相連。
13.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合型脈沖磁致振蕩細(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兩個線圈獨自于兩臺脈沖電源相連。
14.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合型脈沖磁致振蕩細(xì)化金屬凝固組織方法，其特征在于:復(fù)合型脈沖磁致振蕩電流為IOA~30000A。
15.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合型脈沖磁致振蕩細(xì)化金屬凝固組織方法，其特征在于:復(fù)合型脈沖磁致振蕩電流為30A~20000A。
16.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合型脈沖磁致振蕩細(xì)化金屬凝固組織方法，其特征在于:復(fù)合型脈沖磁致振蕩脈沖寬度為10μ s~100ms。
17.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合型脈沖磁致振蕩細(xì)化金屬凝固組織方法，其特征在于:復(fù)合型脈沖磁致振蕩脈沖寬度為100μ S~10ms。
18.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合型脈沖磁致振蕩細(xì)化金屬凝固組織方法，其特征在于:復(fù)合型脈沖磁致振蕩作用頻率為0.01Hz~2kHz。
19.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合型 脈沖磁致振蕩細(xì)化金屬凝固組織方法，其特征在于:復(fù)合型脈沖磁致振蕩作用頻率為IHz~300Hz。
【文檔編號】B22D27/02GK103962532SQ201310657101
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2013年12月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月9日
【發(fā)明者】翟啟杰, 徐智帥, 孫俊杰, 劉圣, 李祺欣, 張志臣, 梁柱元, 龔永勇, 李仁興 申請人:上海大學(xué)