脉冲磁致液面振荡细化金属凝固组织的方法 【技术领域】
本发明涉及一种脉冲磁致液面振荡细化金属凝固组织的方法， 属于材料加工技术领域。 背景技术 金属材料在一个国家的国民经济中占有举足轻重的地位， 随着现代科学技术的发 展对金属材料性能的要求也越来越高， 而获得高性能优质金属材料的关键是对金属的凝固 过程的控制。控制金属凝固过程的研究一直是材料学者关注的热点， 特别是对金属凝固组 织细化的研究成为改善金属材料性能的重要手段。细化金属凝固组织的传统方法主要有 (1) 浇注过程和传热条件控制方法 ； (2) 化学处理方法 ； (3) 微区成分扰动生核处理方法 ； (4) 机械和物理处理方法。
浇注过程和传热条件控制方法包括浇注过程控制技术、 低温浇注、 提高冷却速度 和增加过冷度等。 但是浇注过程和传热条件控制方法效果有限、 容易造成设备条件、 控制环 节等因素的制约等问题 ； 化学处理方法即孕育处理和变质处理， 也就是向液体中添加少量 特殊的化学物质或化学元素， 这种物质分为晶粒细化剂和阻止生长剂两种， 一般称为孕育 剂或变质剂， 来促使熔体内部的非均质生核及抑制晶粒的长大。铝合金中常用的晶粒细化 剂或变质剂有 Ti、 Zr、 Ti+B、 Ti+C、 TiBAl、 TiAl、 TiCAl 等。铸铁中的孕育剂和变质剂有硅 铁、 镁、 稀土硅铁等。 由于钢的熔点较高， 给其孕育剂的选择带来很大困难， 钢中的变质剂有 TiN、 ZrN、 TiC、 ZrC 等高熔点氮化物和碳化物， 这类孕育剂虽然改善了一次组织， 却恶化了钢 的二次组织， 从而导致钢的塑性降低。
添加晶粒细化剂， 即向液态金属中引入大量形核能力很强的异质晶核， 达到细化 晶粒的目的。 这种方法在工业上应用最广， 研究工作也最多， 是普通铸件获得细晶组织的常 用方法。但是依靠向熔体中添加晶粒细化剂的方法， 不仅成本高， 制备工艺复杂， 而且有时 因外来质点的加入， 使金属中异质颗粒、 夹杂增多， 结果反而导致塑性降低， 力学性能下降。
微区成分扰动生核处理方法是向金属液中加入与金属液溶质含量不同的微量同 类金属， 从而在金属液中造成特定的 “成分起伏” 。这些起伏的引入降低体系生核所需要的 能量， 促进金属液生核。
动力学细化法主要是采用机械力或电磁力引起液相和固相的相对运动， 导致枝晶 的破碎或枝晶与铸型分离， 在液相中形成大量结晶核心， 达到细化晶粒的效果。常用的动 力学细化方法主要有对金属熔体搅拌、 铸型振动等。物理处理方法是在金属凝固过程中给 金属熔体施加选定的物理场如电流、 磁场、 超声波等， 利用金属熔体和物理场的相互作用， 改善其凝固组织。采用机械搅拌、 电磁搅拌或气体搅拌等方法均可造成在液相和固相之间 产生不同程度的相对运动， 即液态金属的对流运动， 从而引起枝晶臂的折断、 破碎和增殖， 达到细化晶粒的目的。但这类方法设备一般比较复杂。外加物理场如振动场、 高压场， 超声 设备简单、 操作方便、 投资少、 效 场和电磁场等新兴技术由于其对环境和金属材料无污染、 果显著等优点成为我国材料领域研究的热点。但也有着各自的局限性， 在脉冲电流凝固细
晶技术中， 电流直接通过金属熔体， 这不仅影响生产安全， 而且当电流较大时会使金属表面 产生强烈波动甚至飞溅 ； 对于超声波凝固细晶技术， 金属熔体中导入超声波的耐热工具头 的选择是一个技术关键， 同时由于超声波在金属熔体中的衰减很快， 其有效作用范围受到 很大限制， 这也限制了它的应用 ； 在脉冲磁场凝固细晶技术中， 虽然电流不直接通过金属熔 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 场也会使金属表面产生强烈波动甚至飞溅。 发明内容
本发明目的是提供一种细化金属凝固组织的方法， 即一种脉冲磁致液面振荡细化 金属凝固组织的方法。
本发明的目的是通过以下技术手段来实现的。
本发明中通过多层线圈作用于金属液面上方而获得较佳细化效果的脉冲磁致液 面振荡方法。 其特征在于将金属熔化成液体， 当金属熔体温度过热 20-180℃时出炉浇注。 在 金属液面上方 0.1 ～ 20cm 设置一非接触多层线圈， 层数可根据铸型的口径大小进行调整， 进行脉冲磁致液面振荡。处理阶段可分为形核阶段处理和全程处理， 全程处理包括形核阶 段加晶核长大阶段处理， 从理论上讲晶核长大阶段处理是后期处理， 因此不可能影响前期 的处理效果， 除非脉冲磁致液面振荡产生的焦耳热影响晶粒长大， 但如果热量太大影响凝 固， 应该形核处理也没有效果。因此只要形核阶段处理有效， 那么全程处理也应有效果。脉 冲磁致液面振荡参数为 ： 脉冲电流 I ＝ 5 ～ 10000A， 脉冲宽度 10μs ～ 50ms ； 实际作用脉冲 频率 f ＝ 0.010 ～ 2kHz。本方法工作原理为通过脉冲电源作用于多层线圈， 从而在金属熔 体表面产生脉冲磁致液面振荡， 改善金属凝固组织并使其细化。
本发明主要特点为 ： 1) 铸锭凝固组织显著细化， 等轴晶尺寸 0.1 ～ 0.2mm， 等轴晶面积比例达到 50％以上。 2) 将多层线圈置于金属熔体的上表面进行非接触式熔体处理， 同脉冲电流等接触 熔体处理相比， 可以避免电极对熔体的激冷效应或污染， 且接触式处理或线圈作用在铸型 其他部位， 拆装调试过程较复杂 ； 与传统的超声波凝固细晶技术相比， 本方法无需与金属接 触的变幅杆， 可长时间处理高温金属 ； 本方法拆装调试过程简单， 且能方便的移动线圈进行 批量处理， 提高生产效率。
3) 在金属熔体的上表面处理， 可以避免铸型或结晶器等对磁场的屏蔽效应。
附图说明 图 1 为脉冲磁致液面振荡细化金属凝固组织方法示意图
图中 ： 1. 脉冲电源 2. 连接脉冲电源与脉冲磁致液面振荡线圈的导体 3. 容纳金 属的容器 4. 脉冲磁致液面振荡多层线圈 5. 热电偶 6. 测温采集系统。
图 2 为未进行脉冲磁致液面振荡处理的纯铝宏观组织 ( 铸型为砂型 )
图 3 为进行脉冲磁致液面振荡处理的纯铝宏观组织 ( 铸型为砂型， 6kIHz， 8hIA， 50bIμs)
本专利中 kI、 hI、 bI 均为设备参数， 不随实验条件的改变而改变。
图 4 为未进行脉冲磁致液面振荡处理的纯铝宏观组织 ( 铸型为石墨型 ) 图 5 为进行脉冲磁致液面振荡处理的纯铝宏观组织 ( 铸型为石墨型， 6kIHz， 8hIA，50bIμs) 具体实施方式
现将本发明的实施例叙述于后。
实施例 1
本实施例的材料为纯度为 99.7wt％的工业纯铝， 铸型为水玻璃砂干型和石墨型， 水玻璃砂干型铸件尺寸为 Φ110×140mm， 石墨型铸件尺寸为 Φ110×120mm， 线圈匝数为 1， 层数为 12。在形核阶段进行脉冲磁致液面振荡。为了增强对比性， 图 2 为铸型为砂型时未 进行脉冲磁致液面振荡处理的纯铝宏观组织， 图 3 为铸型为砂型时在形核阶段进行脉冲磁 致液面振荡处理的纯铝宏观组织 ( 脉冲磁致液面振荡电流峰值 8hIA， 处理频率 6kIHz， 脉冲 宽度 50bIμs)。图 4 为铸型为石墨型时未进行脉冲磁致液面振荡处理的纯铝宏观组织， 图 5 为铸型为石墨型时在形核阶段进行脉冲磁致液面振荡处理的纯铝宏观组织 ( 脉冲磁致液 面振荡电流峰值为 8hIA， 处理频率为 6kIHz， 脉冲宽度 50bIμs)。 具体工艺过程如下 ： 将金属 熔化成液体， 当金属过热 20 ～ 180℃时， 出炉浇注， 将线圈放置于金属液面上方约 3cm， 根据 在线检测的热分析曲线实时观察金属熔体温度变化， 待金属温度到达 660℃以下时， 打开脉 冲电源开关进行脉冲磁致液面处理， 到凝固平台开始时， 切断脉冲电源， 停止处理， 对试样 进行金相组织观察， 其宏观组织如图 3。
结果表明 ： 无论是水玻璃砂干型中还是石墨型， 未经过磁致振荡处理的铸件的宏 观组织为柱状晶组织， 而经过脉冲磁致液面振荡在形核期处理后， 凝固组织显著细化， 等轴 晶尺寸 0.1 ～ 0.2mm， 等轴晶面积比例分别为 ： 水玻璃砂干型 ： 54.6％， 石墨型 ： 66.8％。