複合型脈衝磁致振蕩細化金屬凝固組織方法
2023-06-09 16:18:56
複合型脈衝磁致振蕩細化金屬凝固組織方法
【專利摘要】本發明涉及一種細化金屬凝固組織的方法，屬金屬材料製備【技術領域】。本發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並罩住金屬熔體的液面和型壁，達到磁場覆蓋整個熔體的外表面，實現凝固組織的有效細化。先將金屬材料熔化，然後將金屬熔體澆注到置於複合型脈衝磁致振蕩凝固裝置的模具中，使金屬熔體在複合型脈衝磁致振蕩作用下凝固。處理參數為：脈衝電流I＝10A～30000A，脈衝寬度10μs～100ms；作用頻率f＝0.01Hz～2kHz。本發明具有不受金屬材料限制，可製備大尺寸的均勻細晶鑄錠，且無汙染，節能，設備簡單，便於操作，成本低等優點。本發明用於冶金工業中的模鑄、半連鑄及連鑄生產，適合各種金屬材料的凝固組織細化。
【專利說明】複合型脈衝磁致振蕩細化金屬凝固組織方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種複合型脈衝磁致振蕩細化金屬凝固組織方法，屬於冶金與金屬材料製備【技術領域】。
【背景技術】
[0002]隨著現代科學技術的發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、外材料科學工作者的關注熱點，特別是材料的凝固細化技術近年來被視為提高材料性能的主要手段之一。細化金屬凝固組織的傳統方法主要有工藝法、化學法、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化凝固組織，比如快速冷卻可以獲得非常細小的凝固組織，可以得到微米級甚至納米級的晶粒，但對於較大尺寸的鑄錠，凝固時間長很難通過控制冷卻速度來達到細化效果。化學法是通過添加形核劑、長大抑制劑等來增加異質核心數來促進形核和控制長大達到細化鑄件組織的方法。
[0003]利用外場法可以改善凝固結晶過程新相的熱力學和動力學，提高形核速度而實現細晶。外場法有超聲場法、電磁攪拌法、脈衝電流法以及脈衝磁場法，超聲場對凝固細晶有明顯的作用，但是不足是超聲場在熔體內的衰減嚴重，不能有效均勻的細化凝固組織，且變幅杆直接跟熔體接觸，會汙染金屬材料；電磁攪拌在金屬的凝固過程中可以減少柱狀晶區而增大等軸晶區，且具有細化晶粒的效果，其不足是細化晶粒的效果不太明顯。跟電磁攪拌一樣，脈衝電流和脈衝磁場也會在金屬熔體內產生電磁力，對熔體攪拌和振動作用；更勝其的是，脈衝電流和脈衝磁場產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核心，從而達到細化凝固組織的效果。但也有各自的局限性，在脈衝電流凝固細晶技術中，電流直接通過金屬熔體，這會影響生產安全和人身安全；而脈衝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後，會在金屬熔體中產生感應電流，磁場強度較大時，強磁場會使金屬表面產生強烈波動甚至飛濺。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是提供一種複合型脈衝磁致振蕩細化金屬凝固組織方法，與中國專利(申請號:201010167538.3，發明名稱:脈衝磁致液面振蕩細化金屬凝固組織的方法)公開的一種在金屬液面上設置線圈施加脈衝磁場細化金屬熔體凝固組織方法相比，本發明擴大了脈衝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化效果差。
[0005]本發明的目的是通過以下技術手段來實現的。
[0006]本發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晶器外，當金屬熔體澆鑄到鑄型後，在鑄型或中間包液面上2mm?250mm放置另一扁狀線圈，層數可根據鑄型的口徑大小進行調整(線圈的匝數即繞中軸線的圈數；將幾個相同的線圈疊加在一起，疊加線圈個數即為層數)，進行脈衝磁致液面與型壁同時振蕩。當脈衝磁致液面和型壁同時振蕩時，在熔體中產生非常強的電磁力振蕩，可以輕易的震碎枝晶從而促進「結晶雨」的形成，充分細化金屬凝固組織。
[0007]—種複合型脈衝磁致振蕩細化金屬凝固組織方法，先將金屬材料熔化，然後將經過預熱的模具置於複合型脈衝磁致振蕩凝固裝置中，裝置由脈衝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於鑄型側壁，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，澆注完畢後立即啟動複合型脈衝磁致振蕩凝固裝置中的複合型脈衝磁致振蕩發生裝置，使金屬熔體在複合型脈衝磁致振蕩作用下凝固。
[0008]所述的扁狀線圈置於金屬熔體液面上方2mm?250mm,扁狀線圈最佳位置範圍為5mm?100mm。所述的扁狀線圈的形狀為圓形,線圈的阻數為2?50 BL層數為I?5層。扁狀線圈為方形，線圈的匝數為2?50匝，層數為I?5層。扁狀線圈為多邊形，多邊形的邊數為4?30，線圈的匝數為2?50匝，層數為I?5層。最佳的扁狀線圈為圓形，匝數為4?15匝，層數為I?3層。
[0009]所述的螺線管狀線圈內口為圓形，線圈的匝數為2?100匝，層數為I?3層。螺線管狀線圈內口為方形，線圈的匝數為2?100匝，層數為I?3層。最佳螺線管狀線圈為圓形，匝數為5?20匝，層數為I?2層。
[0010]所述的脈衝磁致振蕩的線圈連接方式為兩個線圈串聯後於一臺脈衝電源相連。脈衝磁致振蕩的線圈連接方式為兩個線圈並聯後於一臺脈衝電源相連。兩個線圈獨自於兩臺脈衝電源相連。
[0011]脈衝磁致液面與型壁同時振蕩參數為:複合型脈衝磁致振蕩電流為IOA?30000A。最佳電流範圍為30A?20000A。複合型脈衝磁致振蕩脈衝寬度為10 μ s?100ms。最佳脈衝寬度為ΙΟΟμ s?10ms。複合型脈衝磁致振蕩作用頻率為0.0lHz?2kHz。最佳作用頻率為IHz?300Hz。
[0012]本發明主要特點為:
(I)脈衝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化效果，晶粒可以細化到0.1mm?0.5mm,等軸晶面積達到70%以上,甚至達到100%,凝固組織的均勻性明顯改善。
[0013](2)將線圈置於金屬熔體的表面上與型壁處同時進行非接觸式熔體處理，同脈衝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或汙染，而且可以同時有效的對熔體進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)本發明裝備價格低廉，操作簡單安全，比單一的脈衝電流或單一的脈衝磁場更節能，可用於大型鑄件的凝固細晶控制，也適用於半連鑄以及連鑄生產，且拆裝方便。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1為串聯方式的複合型脈衝磁致振蕩細化金屬凝固組織方法示意圖。
[0016]圖2為並聯方式的複合型脈衝磁致振蕩細化金屬凝固組織方法示意圖。
[0017]圖3為獨立連接方式的複合型脈衝磁致振蕩細化金屬凝固組織方法示意圖。
[0018]圖中標號:1.脈衝電源2.連接脈衝電源與線圈的導體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為進行複合型脈衝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為進行複合型脈衝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為進行複合型脈衝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為未進行脈衝磁致振蕩處理(上半幅圖)和進行複合型脈衝磁致振蕩處理的65Μη的宏觀組織(下半幅圖)。
【具體實施方式】
[0030]以下結合實施例對本發明作進一步的闡述；實施例僅用於說明本發明，而不是以任何方式來限制本發明。
[0031]實施例1
實驗過程如下:熔體用材料純度為99.7%的工業純鋁，鑄型為水玻璃砂幹型，複合線圈為圓形扁狀線圈匝數為15，層數為3;圓形螺線管狀線圈匝數為18，層數為2，兩個線圈串聯組成，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複合線圈處理。用參數為39Ηζ，50Α，10μ s的複合磁致振蕩處理。具體工藝過程如下:將純鋁熔化後，當金屬過熱20?150°C時，將預熱的鑄型置於複合線圈中，螺線管狀線圈固定到砂型壁上，扁狀線圈放置於金屬液面上方約5cm，澆注完畢後立即打開脈衝電源開關進行脈衝磁致振蕩處理，到完全凝固後，切斷電源，停止處理，最後對試樣進行金相組織觀察。
[0032]未經任何處理的純鋁試樣，晶粒沒有得到細化，等軸晶區面積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，等軸晶區面積37%，如圖4c所示。施加複合線圈處理的純招試樣，晶粒尺度為0.44 mm,等軸晶區面積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%的工業純鋁，鑄型為水玻璃砂幹型，複合線圈為橢圓形扁狀線圈匝數為10，層數為I ;橢圓形螺線管狀線圈匝數為14，層數為2，兩個線圈並聯組成，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複合線圈處理。用參數為300Ηζ，1800Α，90μ s的複合磁致振蕩處理。具體工藝過程如下:將純鋁熔化後，當金屬過熱20?150°C時，將預熱的鑄型置於複合線圈中，螺線管狀線圈固定到砂型壁上，扁狀線圈放置於金屬液面上方約3cm，澆注完畢後立即打開脈衝電源開關進行脈衝磁致振蕩處理，到完全凝固後，切斷電源，停止處理，最後對試樣進行金相組織觀察。
[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，等軸晶區面積42%，如圖5b所示。施加複合線圈處理的純招試樣，晶粒尺度為0.38mm,等軸晶區面積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%的工業純鋁，鑄型為水玻璃砂幹型，複合線圈為方形扁狀線圈匝數為7，層數為2 ;方形螺線管狀線圈匝數為8，層數為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複合線圈處理。用參數為1200ΗΖ，6000Α，300μ s的複合磁致振蕩處理。具體工藝過程如下:將純鋁熔化後，當金屬過熱20?150°C時，將預熱的鑄型置於複合線圈中，螺線管狀線圈固定到砂型壁上，扁狀線圈放置於金屬液面上方約lcm，澆注完畢後立即打開脈衝電源開關進行脈衝磁致振蕩處理，到完全凝固後，切斷電源，停止處理，最後對試樣進行金相組織觀察。
[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，等軸晶區面積15%，如圖6b所示。施加複合線圈處理的純招試樣，晶粒尺度為0.44mm,等軸晶區面積79%,如圖6c所
/Jn ο
[0036]實施例4
脈衝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，鑄型為水玻璃砂幹型，複合線圈為圓形扁狀線圈匝數為15，層數為3 ;圓形螺線管狀線圈匝數為18，層數為2，兩個線圈串聯組成，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複合線圈處理。用參數為800Ηζ，9800Α，900μ s的複合磁致振蕩處理。具體工藝過程如下:將純鋁熔化後，當金屬過熱20?150°C時，將預熱的鑄型置於複合線圈中，螺線管狀線圈固定到砂型壁上，扁狀線圈放置於金屬液面上方約1cm，澆注完畢後立即打開脈衝電源開關進行脈衝磁致振蕩處理，到完全凝固後，切斷電源，停止處理，最後對試樣進行金相組織觀察。
[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。施加複合脈衝磁致振蕩的試樣，枝晶明顯變細，且分布均勻，如圖7下半部分所示。
[0039]結果表明:在水玻璃砂幹型中，經過複合型脈衝磁致振蕩處理的鑄件的宏觀組織同只施加單一脈衝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 的細化。
【權利要求】
1.一種複合型脈衝磁致振蕩細化金屬凝固組織方法，其特徵在於該方法具有以下工藝過程:將金屬材料熔化，然後將經過預熱的模具置於複合型脈衝磁致振蕩凝固裝置中，該裝置由脈衝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於鑄型側壁，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，澆注完畢後立即啟動複合型脈衝磁致振蕩凝固裝置中的複合型脈衝磁致振蕩發生裝置，使金屬熔體在複合型脈衝磁致振蕩作用下凝固。
2.如權利要求1所述的復 合型脈衝磁致振蕩細化金屬凝固組織方法，其特徵在於:扁狀線圈置於金屬熔體液面上方2~250mm。
3.如權利要求1所述的複合型脈衝磁致振蕩細化金屬凝固組織方法，其特徵在於:扁狀線圈置於金屬熔體液面上方5~100mm。
4.如權利要求1所述的複合型脈衝磁致振蕩細化金屬凝固組織方法，其特徵在於:扁狀線圈的形狀為圓形，線圈的匝數為2~50匝，層數為I~5層。
5.如權利要求1所述的複合型脈衝磁致振蕩細化金屬凝固組織方法，其特徵在於:扁狀線圈為方形，線圈的匝數為2~50匝，層數為I~5層。
6.如權利要求1所述的複合型脈衝磁致振蕩細化金屬凝固組織方法，其特徵在於:扁狀線圈為多邊形，多邊形的邊數為4~30，線圈的匝數為2~50匝，層數為I~5層。
7.如權利要求1所述的複合型脈衝磁致振蕩細化金屬凝固組織方法，其特徵在於:扁狀線圈為圓形，匝數為4~15匝，層數為I~3層。
8.如權利要求1所述的複合型脈衝磁致振蕩細化金屬凝固組織方法，其特徵在於:螺線管狀線圈內口為圓形，線圈的匝數為2~100匝，層數為I~3層。
9.如權利要求1所述的複合型脈衝磁致振蕩細化金屬凝固組織方法，其特徵在於:螺線管狀線圈內口為方形，線圈的匝數為2~100匝，層數為I~3層。
10.如權利要求1所述的複合型脈衝磁致振蕩細化金屬凝固組織方法，其特徵在於:螺線管狀線圈內口為圓形，匝數為5~20匝，層數為I~2層。
11.如權利要求1所述的複合型脈衝磁致振蕩細化金屬凝固組織方法，其特徵在於:脈衝磁致振蕩的線圈連接方式為兩個線圈串聯後於一臺脈衝電源相連。
12.如權利要求1所述的複合型脈衝磁致振蕩細化金屬凝固組織方法，其特徵在於:脈衝磁致振蕩的線圈連接方式為兩個線圈並聯後於一臺脈衝電源相連。
13.如權利要求1所述的複合型脈衝磁致振蕩細化金屬凝固組織方法，其特徵在於:脈衝磁致振蕩的線圈連接方式為兩個線圈獨自於兩臺脈衝電源相連。
14.如權利要求1所述的複合型脈衝磁致振蕩細化金屬凝固組織方法，其特徵在於:複合型脈衝磁致振蕩電流為IOA~30000A。
15.如權利要求1所述的複合型脈衝磁致振蕩細化金屬凝固組織方法，其特徵在於:複合型脈衝磁致振蕩電流為30A~20000A。
16.如權利要求1所述的複合型脈衝磁致振蕩細化金屬凝固組織方法，其特徵在於:複合型脈衝磁致振蕩脈衝寬度為10μ s~100ms。
17.如權利要求1所述的複合型脈衝磁致振蕩細化金屬凝固組織方法，其特徵在於:複合型脈衝磁致振蕩脈衝寬度為100μ S~10ms。
18.如權利要求1所述的複合型脈衝磁致振蕩細化金屬凝固組織方法，其特徵在於:複合型脈衝磁致振蕩作用頻率為0.01Hz~2kHz。
19.如權利要求1所述的複合型 脈衝磁致振蕩細化金屬凝固組織方法，其特徵在於:複合型脈衝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 優先權日:2013年12月9日
【發明者】翟啟傑, 徐智帥, 孫俊傑, 劉聖, 李祺欣, 張志臣, 梁柱元, 龔永勇, 李仁興 申請人:上海大學