移動型脈沖磁致振蕩細化金屬凝固組織方法
【專利摘要】本發明涉及一種移動型脈沖磁致振蕩細化金屬凝固組織方法，屬于金屬材料制備技術領域。本發明將螺線管狀線圈固定在與螺桿連接的升降架上，螺桿與電動機相連接，電動機與調速控制裝置相連接，通過調速裝置來控制線圈升降的速度來對熔體進行脈沖磁致振蕩處理，實現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動，進行長時間處理，可以達到生產極高品質鑄壞的要求。對于工業中特殊需求的鑄壞，通過這一移動裝置可以對不同段實施不同程度處理，使各部分的組織不一樣，以滿足工業生產中的特殊需求。本發明具有不受金屬材料限制，可制備大尺寸的均勻細晶鑄壞，且無污染，節能，設備簡單，便于操作，成本低等優點。
【專利說明】
移動型脈沖磁致振蕩細化金屬凝固組織方法
技術領域
[0001 ]本發明涉及一種移動型脈沖磁致振蕩細化金屬凝固組織方法，屬于冶金與金屬材料制備技術領域。【背景技術】
[0002]金屬材料在材料領域中占主導地位，對國民經濟的發展起著至關重要的作用。傳統的金屬材料，在強化理論、評估表證、應用再生等方面經歷了漫長的發展，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，對環境保護的意識越來越強烈，提出了生態環境材料，將環保意識引入到材料科學中，材料學科工作者從生態環境的角度對現有材料的發展道路進行了新的思考。從環境材料的角度出發，物理場細晶技術成為金屬材料理想的技術手段。物理場細晶技術具有很大的優越性，其效果獨特，極大的避免了對環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]關于物理場對金屬凝固過程的研究最早開始于20世紀30年代，而之后一直沒有太大的發展。這是由于對高密度電流、超強磁場和大功率超聲波的要求嚴重的制約了該技術的應用。另外，在那個時期，材料領域中的孕育處理、變質處理和微合金化等凝固組織細化技術發展的很快，大家更愿意接受這些工藝簡單的凝固細晶技術。進入21世紀后，材料環境協調性的提出對傳統的細晶技術提出了疑問，同時，物理、材料和電子等領域科學技術的大力快速發展使大功率電流、磁場和超聲波等物理手段的產生成為可能。然后，從20世界90年代起物理場細化技術再次成為材料領域的熱點問題，其中，由于脈沖物理場輸出峰值高、設備負荷小，成為物理場凝固細化技術新的亮點。外加物理場凝固細化技術，國內起步較晚， 但近些年來的研究突飛猛進、異軍突起，特別是在脈沖物理場凝固細晶技術和對鋼鐵材料等高溫合金的研究方面，已領跑與世界范圍內的同行。
[0004]利用物理外場法可以改善凝固結晶過程新相的動力學和熱力學，提高形核速率進而實現細晶。物理外場法有電磁攪拌法、超聲場法、脈沖電流法和脈沖磁場法。超聲場對凝固細晶有顯著的作用，不足之處是超聲場在熔體內有嚴重的衰減，不能夠有效均勻的細化凝固組織，另外變幅桿直接跟熔體接觸，這樣會污染金屬材料;通過電磁攪拌可以減少柱狀晶區而增大等軸晶區，具有細化晶粒的效果，但不足是細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同樣能夠在金屬熔體內產生電磁力，對熔體有攪拌和振動作用;獨特之處是，脈沖電流和脈沖磁場能夠產生的更大的電磁力振蕩，會使枝晶破碎，成為游離的異質核心，進而達到細化凝固組織的效果。然而他們也有各自的局限性，例如在脈沖電流凝固細晶的技術中，電流是直接通過金屬熔體，生產安全和人身安全會存在隱患;而脈沖磁場的電路雖然不直接通過金屬熔體，但是當強磁場施加到金屬熔體后，金屬熔體中會產生感應電流，磁場強度比較大時，會使金屬表面產生劇烈波動甚至飛濺。脈沖磁致振蕩技術具有很好的細晶效果，并且安全性很好，但主要以固定區域處理為主。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是提供一種移動型脈沖磁致振蕩細化金屬凝固組織方法，使線圈可以跟隨熔體移動或者與熔體之間有可控的相對移動。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與螺桿連接的升降架上，螺桿與電動機相連接，小型電動機與與調速控制裝置相連接，通過調速控制裝置來控制螺線管狀線圈升降的速度。螺線管線圈通過軟導線與自制的脈沖磁致振蕩電源相連接。當進行脈沖磁致振蕩處理時，根據需要調節線圈的移動速度，線圈電流激發的磁場使熔體內部產生電磁力，形成一定范圍的流動和振動，由于線圈是移動的，所以電磁力的作用區域和流動區域也是移動的。
[0007]移動處理的方式主要有2種，先將金屬材料熔化，然后將經過預熱的模具置于可移動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、螺桿、電動機和變速器組成。澆注之前先通過變速器調節至合理的移動速度。方式一:把金屬熔體澆注到模具中，澆注完畢后立即啟動移動型脈沖磁致振蕩電源和電動機，使線圈上下來回移動進行往復處理。方式二:邊澆注邊移動線圈，使線圈始終跟隨在熔體液面下方的某一個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，線圈的匝數為1?100匝，層數為1?5層。螺線管線圈為方柱形，線圈的匝數為1?100匝， 層數為1?5層。螺線管線圈為多邊形，多邊形的邊數為4?30,線圈的匝數為1?100匝，層數為1?5層。
[0009]移動型脈沖磁致振蕩參數為:移動型脈沖磁致振蕩電流為1A?30000A。最佳電流范圍為500A?5000A。移動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]本發明主要優勢為:(1)在方式一的移動型脈沖磁致振蕩作用下，在熔體內部形成了移動的電磁場和流場， 范圍可覆蓋整個熔體，大大增加了晶核游離的區域，非常有利于長鑄件的整體組織細化。通過ANSYS計算，圖9為固定中間部位處理的熔體流場，圖10為移動式處理熔體的流場(此時線圈已經自下移動到達頂部)，可以看出移動式處理使流動區域分布更加廣泛。
[0011] (2)在方式二的移動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動，可以應用于連鑄和半連鑄工業生產，對于有極高品質要求的鑄坯，可以對某一位置進行長時間跟隨處理。對于工業中特殊需求的鑄壞，通過我們這一移動裝置可以對不同區段實施不同速度的跟隨處理，使各部分的組織不一樣，以滿足工業生產中的特殊需求。
[0012] (3)本發明裝備價格低廉，操作簡單安全，拆裝方便。【附圖說明】
[0013]圖1為移動式脈沖磁致振蕩處理裝置。
[0014]圖中標號: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.電動機7.調速控制裝置。
[0015]圖2為澆注后凝固的鋁錠的取樣部位一一1號樣距離頂端150mm，2號樣距離底部 150mm，長度各為90mm。[〇〇16]圖3為部位1未加移動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，移動速度為6cm/s。[〇〇19]圖6為部位2施加移動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，移動速度為6cm/s。
[0020]圖7為部位1施加移動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，移動速度為11 cm/s。[0021 ]圖8為部位2施加移動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，移動速度為11 cm/s。[〇〇22]圖9為固定中間處理熔體內部流場分布。[〇〇23]圖10為移動往復處理熔體內部流場分布。【具體實施方式】[〇〇24]以下結合實施例對本發明作進一步的闡述;實施例僅用于說明本發明，而不是以任何方式來限制本發明。[〇〇25] 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，鑄型為石墨型，螺線管線圈匝數為15,層數為1，只控制一個變量，即不施加脈沖磁致振蕩處理，施加移動式脈沖磁致振蕩處理。用參數為峰值電流1200A，脈寬5ms，放電頻率29Hz的移動式脈沖磁致振蕩處理。具體工藝過程如下:將純鋁熔化加熱至750°C，保溫30分鐘，將預熱至180°C的鑄型置于螺線管線圈中，螺線管狀線圈與升降臺相連。速度提前調至6cm/s.澆注完畢后立即打開脈沖電源開關進行脈沖磁致振蕩處理，到完全凝固后，切斷電源，停止處理，最后對試樣進行金相組織觀察。[〇〇26]未經任何處理的純鋁試樣，均為粗大的柱狀穿晶組織，僅有下部區域有小部分粗大等軸晶，等軸晶面積達到18%，如圖3和4所不。施加移動式脈沖磁致振湯處理后，如圖5和6 所示，等軸晶面積達到40%，平均晶粒尺寸為且上下兩個部位的組織均勻程度基本相近。 [〇〇27] 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，鑄型為石墨型，螺線管線圈匝數為15,層數為1，只控制一個變量，即不施加脈沖磁致振蕩處理，施加移動式脈沖磁致振蕩處理。用參數為峰值電流2400A，脈寬5ms，放電頻率29Hz的移動式脈沖磁致振蕩處理。具體工藝過程如下:將純鋁熔化加熱至750°C，保溫30分鐘，將預熱至180°C的鑄型置于螺線管線圈中，螺線管狀線圈與升降臺相連。速度提前調至llcm/s.澆注完畢后立即打開脈沖電源開關進行脈沖磁致振蕩處理，到完全凝固后，切斷電源，停止處理，最后對試樣進行金相組織觀察。[〇〇28]未經任何處理的純鋁試樣，均為粗大的柱狀穿晶組織，僅有下部區域有小部分粗大等軸晶，等軸晶面積達到18%，如圖3和4所不。施加移動式脈沖磁致振湯處理后，如圖7和8 所示，等軸晶面積達到60%，平均晶粒尺寸達到1mm以下，且上下兩個部位的組織均勻程度基本相近。
【主權項】
1.一種移動型脈沖磁致振蕩細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，螺線管狀線圈通過軟導線與脈沖磁致振蕩電源(1)連接， 螺桿與電動機(6)相連接，電動機與調速控制裝置(7)相連接，通過調速控制裝置來控制螺 線管狀線圈升降的速度;將金屬熔化后向鑄型(2)進行澆注，在澆注過程開始階段啟動脈沖 磁致振蕩電源和電動機，使線圈跟隨液面的上升而上升，進行跟隨式處理；或者完全澆注 后，啟動脈沖磁致振蕩電源和電動機，使線圈上下移動，進行整體覆蓋式反復移動處理。2.如權利要求1所述的移動型脈沖磁致振蕩細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.如權利要求1所述的移動型脈沖磁致振蕩細化金屬凝固組織方法，其特征在于:螺線 管狀線圈內口為圓形，線圈的匝數為1?100匝，層數為1?5層。4.如權利要求1所述的移動型脈沖磁致振蕩細化金屬凝固組織方法，其特征在于:螺線 管狀線圈內口為方柱形，線圈的匝數為1?100匝，層數為1?5層。5.如權利要求1所述的移動型脈沖磁致振蕩細化金屬凝固組織方法，其特征在于:螺線 管狀線圈內口為多邊形，多邊形的邊數為4?30,線圈的匝數為1?100匝，層數為1?5層。6.如權利要求1所述的移動型脈沖磁致振蕩細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，螺桿與電動機相 連接。7.如權利要求1所述的移動型脈沖磁致振蕩細化金屬凝固組織方法，其特征在于:電動 機與調速控制裝置相連接，通過調速裝置來控制螺線管線圈上升或下降的速度;螺線管線 圈通過軟導線與自制的脈沖電源相連接。8.如權利要求1所述的移動型脈沖磁致振蕩細化金屬凝固組織方法，其特征在于:移動 型脈沖磁致振蕩電流為1A?30000A。9.如權利要求1所述的移動型脈沖磁致振蕩細化金屬凝固組織方法，其特征在于:移動 型脈沖磁致振蕩脈沖寬度為l〇ys?500ms。10.如權利要求1所述的移動型脈沖磁致振蕩細化金屬凝固組織方法，其特征在于:移 動型脈沖磁致振蕩作用頻率為0.1Hz?5kHz。
【文檔編號】B22D11/115GK105964988SQ201610163258
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年3月19日
【發明人】徐智帥, 龔永勇, 王翔, 王琦鑫, 李仁興, 翟啟杰
【申請人】上海大學