移動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)相連接，電動(dòng)機(jī)與調(diào)速控制裝置相連接，通過(guò)調(diào)速裝置來(lái)控制線圈升降的速度來(lái)對(duì)熔體進(jìn)行脈沖磁致振蕩處理，實(shí)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(yùn)動(dòng)，進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間處理，可以達(dá)到生產(chǎn)極高品質(zhì)鑄壞的要求。對(duì)于工業(yè)中特殊需求的鑄壞，通過(guò)這一移動(dòng)裝置可以對(duì)不同段實(shí)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(wú)污染，節(jié)能，設(shè)備簡(jiǎn)單，便于操作，成本低等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】
移動(dòng)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(dòng)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(duì)國(guó)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(qiáng)化理論、評(píng)估表證、應(yīng)用再生等方面經(jīng)歷了漫長(zhǎng)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(duì)環(huán)境保護(hù)的意識(shí)越來(lái)越強(qiáng)烈，提出了生態(tài)環(huán)境材料，將環(huán)保意識(shí)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(duì)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(chǎng)細(xì)晶技術(shù)成為金屬材料理想的技術(shù)手段。物理場(chǎng)細(xì)晶技術(shù)具有很大的優(yōu)越性，其效果獨(dú)特，極大的避免了對(duì)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(chǎng)對(duì)金屬凝固過(guò)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(duì)高密度電流、超強(qiáng)磁場(chǎng)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(gè)時(shí)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(jiǎn)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(duì)傳統(tǒng)的細(xì)晶技術(shù)提出了疑問(wèn)，同時(shí)，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(chǎng)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(chǎng)細(xì)化技術(shù)再次成為材料領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題，其中，由于脈沖物理場(chǎng)輸出峰值高、設(shè)備負(fù)荷小，成為物理場(chǎng)凝固細(xì)化技術(shù)新的亮點(diǎn)。外加物理場(chǎng)凝固細(xì)化技術(shù)，國(guó)內(nèi)起步較晚， 但近些年來(lái)的研究突飛猛進(jìn)、異軍突起，特別是在脈沖物理場(chǎng)凝固細(xì)晶技術(shù)和對(duì)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(chǎng)法可以改善凝固結(jié)晶過(guò)程新相的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)，提高形核速率進(jìn)而實(shí)現(xiàn)細(xì)晶。物理外場(chǎng)法有電磁攪拌法、超聲場(chǎng)法、脈沖電流法和脈沖磁場(chǎng)法。超聲場(chǎng)對(duì)凝固細(xì)晶有顯著的作用，不足之處是超聲場(chǎng)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(huì)污染金屬材料;通過(guò)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(chǎng)同樣能夠在金屬熔體內(nèi)產(chǎn)生電磁力，對(duì)熔體有攪拌和振動(dòng)作用;獨(dú)特之處是，脈沖電流和脈沖磁場(chǎng)能夠產(chǎn)生的更大的電磁力振蕩，會(huì)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(guò)金屬熔體，生產(chǎn)安全和人身安全會(huì)存在隱患;而脈沖磁場(chǎng)的電路雖然不直接通過(guò)金屬熔體，但是當(dāng)強(qiáng)磁場(chǎng)施加到金屬熔體后，金屬熔體中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，磁場(chǎng)強(qiáng)度比較大時(shí)，會(huì)使金屬表面產(chǎn)生劇烈波動(dòng)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(dòng)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(dòng)或者與熔體之間有可控的相對(duì)移動(dòng)。本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)手段來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
[0006]本發(fā)明通過(guò)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(dòng)機(jī)相連接，小型電動(dòng)機(jī)與與調(diào)速控制裝置相連接，通過(guò)調(diào)速控制裝置來(lái)控制螺線管狀線圈升降的速度。螺線管線圈通過(guò)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(shí)，根據(jù)需要調(diào)節(jié)線圈的移動(dòng)速度，線圈電流激發(fā)的磁場(chǎng)使熔體內(nèi)部產(chǎn)生電磁力，形成一定范圍的流動(dòng)和振動(dòng)，由于線圈是移動(dòng)的，所以電磁力的作用區(qū)域和流動(dòng)區(qū)域也是移動(dòng)的。
[0007]移動(dòng)處理的方式主要有2種，先將金屬材料熔化，然后將經(jīng)過(guò)預(yù)熱的模具置于可移動(dòng)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(tái)、螺桿、電動(dòng)機(jī)和變速器組成。澆注之前先通過(guò)變速器調(diào)節(jié)至合理的移動(dòng)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(dòng)移動(dòng)型脈沖磁致振蕩電源和電動(dòng)機(jī)，使線圈上下來(lái)回移動(dòng)進(jìn)行往復(fù)處理。方式二:邊澆注邊移動(dòng)線圈，使線圈始終跟隨在熔體液面下方的某一個(gè)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(dòng)型脈沖磁致振蕩參數(shù)為:移動(dòng)型脈沖磁致振蕩電流為1A?30000A。最佳電流范圍為500A?5000A。移動(dòng)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(dòng)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(shì)為:(1)在方式一的移動(dòng)型脈沖磁致振蕩作用下，在熔體內(nèi)部形成了移動(dòng)的電磁場(chǎng)和流場(chǎng)， 范圍可覆蓋整個(gè)熔體，大大增加了晶核游離的區(qū)域，非常有利于長(zhǎng)鑄件的整體組織細(xì)化。通過(guò)ANSYS計(jì)算，圖9為固定中間部位處理的熔體流場(chǎng)，圖10為移動(dòng)式處理熔體的流場(chǎng)(此時(shí)線圈已經(jīng)自下移動(dòng)到達(dá)頂部)，可以看出移動(dòng)式處理使流動(dòng)區(qū)域分布更加廣泛。
[0011] (2)在方式二的移動(dòng)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(yùn)動(dòng)，可以應(yīng)用于連鑄和半連鑄工業(yè)生產(chǎn)，對(duì)于有極高品質(zhì)要求的鑄坯，可以對(duì)某一位置進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間跟隨處理。對(duì)于工業(yè)中特殊需求的鑄壞，通過(guò)我們這一移動(dòng)裝置可以對(duì)不同區(qū)段實(shí)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(jià)格低廉，操作簡(jiǎn)單安全，拆裝方便?！靖綀D說(shuō)明】
[0013]圖1為移動(dòng)式脈沖磁致振蕩處理裝置。
[0014]圖中標(biāo)號(hào):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(dòng)機(jī)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(hào)樣距離頂端150mm，2號(hào)樣距離底部 150mm，長(zhǎng)度各為90mm。[〇〇16]圖3為部位1未加移動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)速度為6cm/s。[〇〇19]圖6為部位2施加移動(dòng)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(dòng)速度為6cm/s。
[0020]圖7為部位1施加移動(dòng)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(dòng)速度為11 cm/s。[0021 ]圖8為部位2施加移動(dòng)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(dòng)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(chǎng)分布。[〇〇23]圖10為移動(dòng)往復(fù)處理熔體內(nèi)部流場(chǎng)分布?！揪唧w實(shí)施方式】[〇〇24]以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的闡述;實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明，而不是以任何方式來(lái)限制本發(fā)明。[〇〇25] 實(shí)施例1實(shí)驗(yàn)過(guò)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(gè)變量，即不施加脈沖磁致振蕩處理，施加移動(dòng)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(dòng)式脈沖磁致振蕩處理。具體工藝過(guò)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(tái)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(duì)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(dòng)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(gè)部位的組織均勻程度基本相近。 [〇〇27] 實(shí)施例2實(shí)驗(yàn)過(guò)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(gè)變量，即不施加脈沖磁致振蕩處理，施加移動(dòng)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(dòng)式脈沖磁致振蕩處理。具體工藝過(guò)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(tái)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(duì)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(dòng)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(gè)部位的組織均勻程度基本相近。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種移動(dòng)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(guò)軟導(dǎo)線與脈沖磁致振蕩電源(1)連接， 螺桿與電動(dòng)機(jī)(6)相連接，電動(dòng)機(jī)與調(diào)速控制裝置(7)相連接，通過(guò)調(diào)速控制裝置來(lái)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(guò)程開始階段啟動(dòng)脈沖 磁致振蕩電源和電動(dòng)機(jī)，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(dòng)脈沖磁致振蕩電源和電動(dòng)機(jī)，使線圈上下移動(dòng)，進(jìn)行整體覆蓋式反復(fù)移動(dòng)處理。2.如權(quán)利要求1所述的移動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)相 連接。7.如權(quán)利要求1所述的移動(dòng)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(dòng) 機(jī)與調(diào)速控制裝置相連接，通過(guò)調(diào)速裝置來(lái)控制螺線管線圈上升或下降的速度;螺線管線 圈通過(guò)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(dòng)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(dòng) 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(dòng)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(dòng) 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(dòng)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(dòng)型脈沖磁致振蕩作用頻率為0.1Hz?5kHz。
【文檔編號(hào)】B22D11/115GK105964988SQ201610163258
【公開日】2016年9月28日
【申請(qǐng)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(qǐng)人】上海大學(xué)