利用強磁場細化晶粒的方法及其專用金屬凝固鑄造裝置的製作方法
2023-07-11 10:29:46
專利名稱：利用強磁場細化晶粒的方法及其專用金屬凝固鑄造裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種細化晶粒的新方法，具體是利用穩恆強磁場增大金屬熔體的形核過冷度以實現晶粒細化，應用於材料加工技術領域。
背景技術：
金屬液在常規條件下凝固時，由於存在雜質等諸多原因，在平衡熔點以下零點幾度往往就會凝固，凝固組織一般由表面的柱狀晶和中心的等軸晶組成，晶粒粗大，鑄坯性能較差。金屬材料中晶粒大小對其性能有重要的影響，金屬材料的強度、硬度、塑性和韌性都隨著晶粒尺寸的減少而提高。晶粒細化是改善材料力學性能和使用性能的一種非常重要的手段。細化晶粒的傳統方法在細化晶粒方面存在諸多不足。如化學細化法是在液態金屬中添加孕育劑，變質劑以增加形核質點，這種方法細化晶粒效果顯著。但這種方法會造成環境汙染，添加劑也會汙染金屬液而影響材料的回收利用。物理細化法則是利用機械力的作用如機械攪拌，電磁攪拌使金屬液產生強烈的對流，造成枝晶斷裂以細化晶粒。但強烈攪拌會增加金屬熔體與空氣接觸面，增加氧化物夾雜，對金屬液造成汙染。且設備及工藝複雜。因此，探索和開發先進的晶粒細化方法成為材料研究的新方向。
發明內容
為了解決現有技術問題，本發明的目的在於克服已有技術存在的不足，提供一種利用強磁場細化晶粒的方法及其專用金屬凝固鑄造裝置，採用對金屬液沒有汙染的綠色環保的細化晶粒工藝，通過利用強磁場獲得一定過冷度的金屬熔體，在過冷條件下澆注實現晶粒細化。這種方法利用穩恆強磁場抑制金屬熔體的形核，增大形核過冷度，增加形核速率，實現鑄坯晶粒細化。避免了傳統晶粒細化方法帶來的種種弊端。且這種晶粒細化方法設備及工藝簡單，有利於大規模工業化生產應用。此外，這種方法還可以避免在澆注過程中由於鑄模各部位散熱條件的不同而引起鑄坯凝固組織的不均勻，同時避免成分偏析等。為達到上述發明目的，本發明採用如下技術方案
一種利用強磁場細化晶粒的方法，利用強磁體產生穩恆強磁場，金屬熔體在穩恆強磁場作用下過冷至熔點以下某一溫度，並在過冷溫度範圍內迅速澆注，實現晶粒細化。還有一種實現利用強磁場細化晶粒的方法的專用金屬凝固鑄造裝置，包括坩堝、加熱爐、水冷套、塞棒和鑄模，坩堝安裝在加熱爐內進行加熱，使在坩堝內裝載的金屬材料熔化形成液態的金屬熔體，水冷套對加熱爐外部進行冷卻，塞棒堵住坩堝底部的出口，鑄模放置在坩堝底部的出口的下方，坩堝的外圍還包繞設置強磁體，使坩堝放置在強磁體所產生的磁場中，強磁體也通過水冷套進行冷卻,強磁體向坩堝中的金屬熔體施加穩恆強磁場，通過調節強磁體使金屬熔體的溫度降到該金屬熔點與強磁場下形核溫度之間，使金屬熔體處於過冷狀態，熱電偶直接測量坩堝中的金屬熔體的溫度，通過調節磁場強度來控制金屬熔體的過冷度，開啟塞棒，使處於過冷態的金屬熔體迅速倒入鑄模中凝固，獲得晶粒細小的金屬凝固組織。水冷套最好以接觸方式安裝在強磁體的空腔內部。本發明與現有技術相比較，具有如下顯而易見的突出實質性特點和顯著優點
1.本發明利用強磁場控制金屬熔體的過冷度，是利用強磁場改變金屬材料自身的性質而實現過冷，實現了鑄造產品無汙染的晶粒細化效果；
2.本發明可以實現金屬熔體在過冷條件下的整體凝固，可以避免因由表及裡的凝固收縮引起的孔洞，元素偏析等現象；
3.本發明在澆注過程引入穩恆強磁場，不影響澆注過程，操作方便，設備和工藝簡單，有利於大規模工業化生產使用。
圖1是本發明本發明金屬凝固鑄造裝置結構示意圖。
具體實施例方式結合附圖，對本發明的優選實施例詳述如下
參見圖1，一種金屬凝固鑄造裝置，包括坩堝6、加熱爐1、水冷套2、塞棒8和鑄模5，坩堝6安裝在加熱爐I內進行加熱，使在坩堝6內裝載的金屬材料熔化形成液態的金屬熔體7，水冷套2對加熱爐I外部進行冷卻，塞棒8堵住坩堝6底部的出口，鑄模5放置在坩堝6底部的出口的下方，坩堝6的外圍還包繞設置強磁體3，使坩堝6放置在強磁體3所產生的磁場中，強磁體3也通過水冷套2進行冷卻，使強磁體3與熱流隔離，強磁體3向坩堝6中的金屬熔體7施加穩恆強磁場，通過調節強磁體3使金屬熔體7的溫度降到該金屬熔點與強磁場下形核溫度之間，使金屬熔體7處於過冷狀態，熱電偶4直接測量坩堝6中的金屬熔體7的溫度，通過調節強磁體3的磁場強度來控制金屬熔體7的過冷度，開啟塞棒8，使處於過冷態的金屬熔體7迅速倒入鑄模5中凝固，獲得晶粒細小的金屬凝固組織。在本實施例中，加熱爐I放置在水冷套2內部，水冷套2可避免加熱爐I產生的熱量損害強磁體3。坩堝6熔化金屬並獲得金屬熔體7，熱電偶4測量金屬熔體7的溫度。在本實施例中，金屬凝固鑄造裝置利用強磁體3產生穩恆強磁場，金屬熔體7在穩恆強磁場作用下過冷至熔點以下某一溫度，並在過冷溫度範圍內迅速澆注，實現晶粒細化。在利用本實施例金屬凝固鑄造裝置過程中，首先將金屬材料放入坩堝6中，加熱到一定溫度將其完全熔化獲得金屬熔體7。調節強磁體3，在強磁體3空腔內部產生某一磁場強度的穩恆磁場。以設定的冷卻速率冷卻金屬熔體7，用熱電偶4實時監測金屬熔體溫度。待溫度降到金屬熔點與強磁場下形核溫度之間的設定溫度值時，開啟塞棒8，金屬熔體7迅速倒入鑄模5中凝固，獲得晶粒細小的凝固組織。本實施例中，澆注過程與傳統的澆注工藝完全一樣，唯一不同的是引入了強磁場到金屬熔體中，利用強磁場增大形核過冷度以細化晶粒，不汙染金屬，設備及操作簡單，有利於工業大規模應用。上述水冷套2最好以接觸方式安裝在強磁體3的空腔內部，迎向熱流方向，可以更好地避免加熱爐I產生的熱量損害強磁體3。本發明的基本原理
近年來，利用物理場如磁場、電場等控制凝固組織已成為一個新的研究領域。人們已經發現，物理場對金屬凝固組織，相變等方面有顯著的影響。在外場作用下金屬凝固過程出現了一些新現象，本發明的外加物理場通過無接觸方式相互作用，避免了對材料和環境的汙染，從而可以實現材料的清潔加工和循環利用。本發明採用的強磁場能夠抑制金屬晶體形核，增加形核過冷度。利用這原理，當金屬熔體在強磁場作用下過冷到熔點以下某一溫度，迅速澆注，就可以實現晶粒細化。上面結合附圖對本發明實施例進行了說明，但本發明不限於上述實施例，還可以根據本發明的發明創造的目的做出多種變化，凡依據本發明技術方案的精神實質和原理下做的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，只要符合本發明的發明目的，只要不背離本發明利用強磁場細化晶粒的方法及其專用金屬凝固鑄造裝置的技術原理和發明構思，都屬於本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種利用強磁場細化晶粒的方法，其特徵在於利用強磁體產生穩恆強磁場，金屬熔體在穩恆強磁場作用下過冷至熔點以下某一溫度，並在過冷溫度範圍內迅速澆注，實現晶粒細化。
2.一種實現權利要求1所述的利用強磁場細化晶粒的方法的專用金屬凝固鑄造裝置， 包括坩堝(6)、加熱爐(I)、水冷套(2)、塞棒(8)和鑄模(5)，所述坩堝(6)安裝在所述加熱爐(I)內進行加熱，使在所述坩堝(6)內裝載的金屬材料熔化形成液態的金屬熔體(7)，所述水冷套(2)對所述加熱爐(I)外部進行冷卻，所述塞棒(8)堵住所述坩堝(6)底部的出口， 所述鑄模(5)放置在所述坩堝(6)底部的出口的下方，其特徵在於所述坩堝(6)放置在強磁體(3 )所產生的磁場中，所述強磁體(3 )與所述加熱爐(I)通過所述水冷套(2 )進行隔離冷卻，所述強磁體(3)向所述坩堝(6)中的金屬熔體(7)施加穩恆強磁場，通過調節所述強磁體(3)使金屬熔體(7)的溫度降到該金屬熔點與強磁場下形核溫度之間，使金屬熔體(7) 處於過冷狀態，熱電偶(4)直接測量所述坩堝(6)中的金屬熔體(7)的溫度，通過調節所述強磁體(3)的磁場強度來控制金屬熔體(7)的過冷度，開啟所述塞棒(8)，使處於過冷態的金屬熔體(7)迅速倒入所述鑄模(5)中凝固，獲得晶粒細小的金屬凝固組織。
3.根據權利要求2所述的金屬凝固鑄造裝置，其特徵在於所述水冷套(2)以接觸方式安裝在所述強磁體(3)的空腔內部。
全文摘要
本發明公開了一種利用強磁場細化晶粒的方法，利用強磁體產生穩恆強磁場，金屬熔體在穩恆強磁場作用下過冷至熔點以下某一溫度，並在過冷溫度範圍內迅速澆注，實現晶粒細化。本發明還公開了一種金屬凝固鑄造裝置，坩堝的外圍包繞設置強磁體，強磁體向坩堝中的金屬熔體施加穩恆強磁場，通過調節強磁體使金屬熔體的溫度降到該金屬熔點與強磁場下形核溫度之間，使金屬熔體處於過冷狀態，通過調節強磁體的磁場強度來控制金屬熔體的過冷度，開啟塞棒，使處於過冷態的金屬熔體迅速倒入鑄模中凝固，獲得晶粒細小的金屬凝固組織。本發明增大形核過冷度，增加形核速率，實現鑄坯晶粒細化，且這種晶粒細化方法設備及工藝簡單，有利於大規模工業化生產應用。
文檔編號B22D27/02GK103008623SQ201210569749
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月25日 優先權日2012年12月25日
發明者任忠鳴, 李傳軍 申請人:上海大學