CN103962532B

CN103962532B - 复合型脉冲磁致振荡细化金属凝固组织方法

Info

Publication number: CN103962532B
Application number: CN201310657101.1A
Authority: CN
Inventors: 翟启杰; 徐智帅; 孙俊杰; 刘圣; 李祺欣; 张志臣; 梁柱元; 龚永勇; 李仁兴
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2013-12-09
Filing date: 2013-12-09
Publication date: 2017-04-12
Anticipated expiration: 2033-12-09
Also published as: CN103962532A

Abstract

本发明涉及一种细化金属凝固组织的方法，属金属材料制备技术领域。本发明将蚊香型扁状线圈和螺线管状线圈连接起来组成底部开口的圆筒并罩住金属熔体的液面和型壁，达到磁场覆盖整个熔体的外表面，实现凝固组织的有效细化。先将金属材料熔化，然后将金属熔体浇注到置于复合型脉冲磁致振荡凝固装置的模具中，使金属熔体在复合型脉冲磁致振荡作用下凝固。处理参数为：脉冲电流I＝10A～30000A，脉冲宽度10μs～100ms；作用频率f＝0.01Hz～2kHz。本发明具有不受金属材料限制，可制备大尺寸的均匀细晶铸锭，且无污染，节能，设备简单，便于操作，成本低等优点。本发明用于冶金工业中的模铸、半连铸及连铸生产，适合各种金属材料的凝固组织细化。

Description

复合型脉冲磁致振荡细化金属凝固组织方法

技术领域

本发明涉及一种复合型脉冲磁致振荡细化金属凝固组织方法，属于冶金与金属材料制备技术领域。

背景技术

随着现代科学技术的发展对金属材料性能的要求越来越高，金属材料的凝固组织控制是改善材料性能的重要手段，从而控制金属凝固过程的研究成为了国内、外材料科学工作者的关注热点，特别是材料的凝固细化技术近年来被视为提高材料性能的主要手段之一。细化金属凝固组织的传统方法主要有工艺法、化学法、外场法。工艺法有控制冷却速度、深过冷法、变形处理法，它可以简单直接的获得细化凝固组织，比如快速冷却可以获得非常细小的凝固组织，可以得到微米级甚至纳米级的晶粒，但对于较大尺寸的铸锭，凝固时间长很难通过控制冷却速度来达到细化效果。化学法是通过添加形核剂、长大抑制剂等来增加异质核心数来促进形核和控制长大达到细化铸件组织的方法。

利用外场法可以改善凝固结晶过程新相的热力学和动力学，提高形核速度而实现细晶。外场法有超声场法、电磁搅拌法、脉冲电流法以及脉冲磁场法，超声场对凝固细晶有明显的作用，但是不足是超声场在熔体内的衰减严重，不能有效均匀的细化凝固组织，且变幅杆直接跟熔体接触，会污染金属材料；电磁搅拌在金属的凝固过程中可以减少柱状晶区而增大等轴晶区，且具有细化晶粒的效果，其不足是细化晶粒的效果不太明显。跟电磁搅拌一样，脉冲电流和脉冲磁场也会在金属熔体内产生电磁力，对熔体搅拌和振动作用；更胜其的是，脉冲电流和脉冲磁场产生的更大的电磁力振荡，可以破碎枝晶，使其成为游离的异质核心，从而达到细化凝固组织的效果。但也有各自的局限性，在脉冲电流凝固细晶技术中，电流直接通过金属熔体，这会影响生产安全和人身安全；而脉冲磁场虽然电路不直接通过金属熔体，但是强磁场施加到金属熔体后，会在金属熔体中产生感应电流，磁场强度较大时，强磁场会使金属表面产生强烈波动甚至飞溅。

发明内容

本发明的目的是提供一种复合型脉冲磁致振荡细化金属凝固组织方法，与中国专利（申请号：201010167538.3，发明名称：脉冲磁致液面振荡细化金属凝固组织的方法）公开的一种在金属液面上设置线圈施加脉冲磁场细化金属熔体凝固组织方法相比，本发明扩大了脉冲磁致振荡在金属熔体中的有效处理面积（4～16倍），更好地解决金属凝固组织控制存在的细化效果差。

本发明的目的是通过以下技术手段来实现的。

本发明通过将螺线管状线圈固定在金属凝固成形用的铸型上或结晶器外，当金属熔体浇铸到铸型后，在铸型或中间包液面上2mm～250mm放置另一扁状线圈，层数可根据铸型的口径大小进行调整（线圈的匝数即绕中轴线的圈数；将几个相同的线圈叠加在一起，叠加线圈个数即为层数），进行脉冲磁致液面与型壁同时振荡。当脉冲磁致液面和型壁同时振荡时，在熔体中产生非常强的电磁力振荡，可以轻易的震碎枝晶从而促进“结晶雨”的形成，充分细化金属凝固组织。

一种复合型脉冲磁致振荡细化金属凝固组织方法，先将金属材料熔化，然后将经过预热的模具置于复合型脉冲磁致振荡凝固装置中，装置由脉冲电源与两个振荡线圈组成，一个振荡线圈为螺线管状线圈固定于铸型侧壁，另一个为扁状线圈放在铸型的顶部或底部，把金属熔体浇注到模具中，浇注完毕后立即启动复合型脉冲磁致振荡凝固装置中的复合型脉冲磁致振荡发生装置，使金属熔体在复合型脉冲磁致振荡作用下凝固。

所述的扁状线圈置于金属熔体液面上方2mm～250mm，扁状线圈最佳位置范围为5mm～100mm。所述的扁状线圈的形状为圆形，线圈的匝数为2～50匝，层数为1～5层。扁状线圈为方形，线圈的匝数为2～50匝，层数为1～5层。扁状线圈为多边形，多边形的边数为4～30，线圈的匝数为2～50匝，层数为1～5层。最佳的扁状线圈为圆形，匝数为4～15匝，层数为1～3层。

所述的螺线管状线圈内口为圆形，线圈的匝数为2～100匝，层数为1～3层。螺线管状线圈内口为方形，线圈的匝数为2～100匝，层数为1～3层。最佳螺线管状线圈为圆形，匝数为5～20匝，层数为1～2层。

所述的脉冲磁致振荡的线圈连接方式为两个线圈串联后于一台脉冲电源相连。脉冲磁致振荡的线圈连接方式为两个线圈并联后于一台脉冲电源相连。两个线圈独自于两台脉冲电源相连。

脉冲磁致液面与型壁同时振荡参数为：复合型脉冲磁致振荡电流为10A～30000A。最佳电流范围为30A～20000A。复合型脉冲磁致振荡脉冲宽度为10μs～100ms。最佳脉冲宽度为100μs～10ms。复合型脉冲磁致振荡作用频率为0.01Hz～2kHz。最佳作用频率为1Hz～300Hz。

本发明主要特点为：

（1）脉冲磁致液面与型壁同时振荡作用，对金属凝固组织起到显著的细化效果，晶粒可以细化到0.1mm～0.5mm，等轴晶面积达到70％以上，甚至达到100％，凝固组织的均匀性明显改善。

（2）将线圈置于金属熔体的表面上与型壁处同时进行非接触式熔体处理，同脉冲电流等接触熔体处理和单一的液面振荡、单一的型壁振荡相比，不仅可以避免电极对熔体的激冷效应或污染，而且可以同时有效的对熔体进行更大面积上的处理，有效处理面积扩大至4～16倍，处理效果显著增加。

（3）本发明装备价格低廉，操作简单安全，比单一的脉冲电流或单一的脉冲磁场更节能，可用于大型铸件的凝固细晶控制，也适用于半连铸以及连铸生产，且拆装方便。

附图说明

图1为串联方式的复合型脉冲磁致振荡细化金属凝固组织方法示意图。

图2为并联方式的复合型脉冲磁致振荡细化金属凝固组织方法示意图。

图3为独立连接方式的复合型脉冲磁致振荡细化金属凝固组织方法示意图。

图中标号：1.脉冲电源2.连接脉冲电源与线圈的导体3.扁状线圈4.铸型 5.螺线管状线圈6.金属熔体。

图4a为未进行任何处理的纯铝宏观组织（铸型为砂型, 39Hz，50A，10μs）。

图4b为进行单一扁状线圈处理的纯铝宏观组织（铸型为砂型, 39Hz，50A，10μs）。

图4c为进行单一螺线管状线圈处理的纯铝宏观组织（铸型为砂型, 39Hz，50A，10μs）。

图4d为进行复合型脉冲磁致振荡处理的纯铝宏观组织（铸型为砂型, 39Hz，50A，10μs）。

图5a为进行单一扁状线圈处理的纯铝宏观组织（铸型为砂型, 300Hz，1800A，90μs）。

图5b为进行单一螺线管状线圈处理的纯铝宏观组织（铸型为砂型, 300Hz，1800A，90μs）。

图5c为进行复合型脉冲磁致振荡处理的纯铝宏观组织（铸型为砂型, 300Hz，1800A，90μs）。

图6a为进行单一扁状线圈处理的纯铝宏观组织（铸型为砂型, 1200Hz，6000A，300μs）。

图6b为进行单一螺线管状线圈处理的纯铝宏观组织（铸型为砂型, 1200Hz，6000A，300μs）。

图6c为进行复合型脉冲磁致振荡处理的纯铝宏观组织（铸型为砂型, 1200Hz，6000A，300μs）。

图7为未进行脉冲磁致振荡处理(上半幅图)和进行复合型脉冲磁致振荡处理的65Mn的宏观组织(下半幅图)。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步的阐述；实施例仅用于说明本发明，而不是以任何方式来限制本发明。

实施例1

实验过程如下：熔体用材料纯度为99.7％的工业纯铝，铸型为水玻璃砂干型，复合线圈为圆形扁状线圈匝数为15，层数为3；圆形螺线管状线圈匝数为18，层数为2，两个线圈串联组成，实施一组实验，保持其他变量一致，只控制一个变量，即不施加磁致振荡处理，施加螺线管状线圈处理，施加扁状线圈处理及施加复合线圈处理。用参数为39Hz，50A，10μs的复合磁致振荡处理。具体工艺过程如下：将纯铝熔化后，当金属过热20～150℃时，将预热的铸型置于复合线圈中，螺线管状线圈固定到砂型壁上，扁状线圈放置于金属液面上方约5cm，浇注完毕后立即打开脉冲电源开关进行脉冲磁致振荡处理，到完全凝固后，切断电源，停止处理，最后对试样进行金相组织观察。

未经任何处理的纯铝试样，晶粒没有得到细化，等轴晶区面积9.7％，如图4a所示。施加扁状线圈处理的纯铝试样，晶粒尺度为0.48mm，等轴晶区面积41％，如图4b所示。施加螺线管状线圈处理的纯铝试样，晶粒尺度为0.53mm，等轴晶区面积37％，如图4c所示。施加复合线圈处理的纯铝试样，晶粒尺度为0.44 mm，等轴晶区面积62％，如图4d所示。

实施例2

实验过程如下：熔体用材料纯度为99.7％的工业纯铝，铸型为水玻璃砂干型，复合线圈为椭圆形扁状线圈匝数为10，层数为1；椭圆形螺线管状线圈匝数为14，层数为2，两个线圈并联组成，实施一组实验，保持其他变量一致，只控制一个变量，即施加螺线管状线圈处理，施加扁状线圈处理及施加复合线圈处理。用参数为300Hz，1800A，90μs的复合磁致振荡处理。具体工艺过程如下：将纯铝熔化后，当金属过热20～150℃时，将预热的铸型置于复合线圈中，螺线管状线圈固定到砂型壁上，扁状线圈放置于金属液面上方约3cm，浇注完毕后立即打开脉冲电源开关进行脉冲磁致振荡处理，到完全凝固后，切断电源，停止处理，最后对试样进行金相组织观察。

施加扁状线圈处理的纯铝试样，晶粒尺度为0.58mm，等轴晶区面积26％，如图5a所示。施加螺线管状线圈处理的纯铝试样，晶粒尺度为0.54mm，等轴晶区面积42％，如图5b所示。施加复合线圈处理的纯铝试样，晶粒尺度为0.38mm，等轴晶区面积82％，如图5c所示。

实施例3

实验过程如下：熔体用材料纯度为99.7％的工业纯铝，铸型为水玻璃砂干型，复合线圈为方形扁状线圈匝数为7，层数为2；方形螺线管状线圈匝数为8，层数为3，两个线圈独立与一台电源连接组成，实施一组实验，保持其他变量一致，只控制一个变量，即施加螺线管状线圈处理，施加扁状线圈处理及施加复合线圈处理。用参数为1200Hz，6000A，300μs的复合磁致振荡处理。具体工艺过程如下：将纯铝熔化后，当金属过热20～150℃时，将预热的铸型置于复合线圈中，螺线管状线圈固定到砂型壁上，扁状线圈放置于金属液面上方约1cm，浇注完毕后立即打开脉冲电源开关进行脉冲磁致振荡处理，到完全凝固后，切断电源，停止处理，最后对试样进行金相组织观察。

施加扁状线圈处理的纯铝试样，晶粒尺度为0.84mm，等轴晶区面积25％，如图6a所示。施加螺线管状线圈处理的纯铝试样，晶粒尺度为0.86mm，等轴晶区面积15％，如图6b所示。施加复合线圈处理的纯铝试样，晶粒尺度为0.44mm，等轴晶区面积79％，如图6c所示。

实施例4

脉冲磁致振荡金属铸造装置对模铸65Mn凝固组织的控制。

实验过程如下：熔体材料为65Mn，铸型为水玻璃砂干型，复合线圈为圆形扁状线圈匝数为15，层数为3；圆形螺线管状线圈匝数为18，层数为2，两个线圈串联组成，实施一组实验，保持其他变量一致，只控制一个变量，即未施加任何处理和施加复合线圈处理。用参数为800Hz，9800A，900μs的复合磁致振荡处理。具体工艺过程如下：将纯铝熔化后，当金属过热20～150℃时，将预热的铸型置于复合线圈中，螺线管状线圈固定到砂型壁上，扁状线圈放置于金属液面上方约1cm，浇注完毕后立即打开脉冲电源开关进行脉冲磁致振荡处理，到完全凝固后，切断电源，停止处理，最后对试样进行金相组织观察。

通过金相显微镜观察试样凝固组织（12.5倍），未施加任何处理的试样，枝晶粗大，如图7上半部分所示。施加复合脉冲磁致振荡的试样，枝晶明显变细，且分布均匀，如图7下半部分所示。

结果表明：在水玻璃砂干型中，经过复合型脉冲磁致振荡处理的铸件的宏观组织同只施加单一脉冲磁致振荡处理和未施加任何处理的纯铝宏观组织相比，铸件得到更均匀的细化。

Claims

1.一种复合型脉冲磁致振荡细化金属凝固组织方法，其特征在于该方法具有以下工艺过程：将金属材料熔化，然后将经过预热的模具置于复合型脉冲磁致振荡凝固装置中，该装置由脉冲电源与两个振荡线圈组成，一个振荡线圈为螺线管状线圈固定于铸型侧壁，另一个为扁状线圈放在铸型的顶部或底部，把金属熔体浇注到模具中，浇注完毕后立即启动复合型脉冲磁致振荡凝固装置中的复合型脉冲磁致振荡发生装置，使金属熔体在复合型脉冲磁致振荡作用下凝固；所述的脉冲磁致振荡参数为：电流1800A，频率300Hz～1200Hz，宽度90μs～900μs。

2.如权利要求1所述的复合型脉冲磁致振荡细化金属凝固组织方法，其特征在于：扁状线圈置于金属熔体液面上方2～250mm。

3.如权利要求1所述的复合型脉冲磁致振荡细化金属凝固组织方法，其特征在于：扁状线圈置于金属熔体液面上方5～100mm。

4.如权利要求1所述的复合型脉冲磁致振荡细化金属凝固组织方法，其特征在于：扁状线圈的形状为圆形，线圈的匝数为2～50匝，层数为1～5层。

5.如权利要求1所述的复合型脉冲磁致振荡细化金属凝固组织方法，其特征在于：扁状线圈为方形，线圈的匝数为2～50匝，层数为1～5层。

6.如权利要求1所述的复合型脉冲磁致振荡细化金属凝固组织方法，其特征在于：扁状线圈为多边形，多边形的边数为4～30，线圈的匝数为2～50匝，层数为1～5层。

7.如权利要求1所述的复合型脉冲磁致振荡细化金属凝固组织方法，其特征在于：扁状线圈为圆形，匝数为4～15匝，层数为1～3层。

8.如权利要求1所述的复合型脉冲磁致振荡细化金属凝固组织方法，其特征在于：螺线管状线圈内口为圆形，线圈的匝数为2～100匝，层数为1～3层。

9.如权利要求1所述的复合型脉冲磁致振荡细化金属凝固组织方法，其特征在于：螺线管状线圈内口为方形，线圈的匝数为2～100匝，层数为1～3层。

10.如权利要求1所述的复合型脉冲磁致振荡细化金属凝固组织方法，其特征在于：螺线管状线圈内口为圆形，匝数为5～20匝，层数为1～2层。

11.如权利要求1所述的复合型脉冲磁致振荡细化金属凝固组织方法，其特征在于：脉冲磁致振荡的线圈连接方式为两个线圈串联后于一台脉冲电源相连。

12.如权利要求1所述的复合型脉冲磁致振荡细化金属凝固组织方法，其特征在于：脉冲磁致振荡的线圈连接方式为两个线圈并联后于一台脉冲电源相连。

13.如权利要求1所述的复合型脉冲磁致振荡细化金属凝固组织方法，其特征在于：脉冲磁致振荡的线圈连接方式为两个线圈独自于两台脉冲电源相连。