CN101733380B - 低压脉冲磁场作用下细晶金属材料制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及金属材料制备领域，具体为一种低压脉冲磁场作用下细晶金属材料的制备方法，其工艺简单有效，适用范围广，能耗和成本低。解决了现有技术中设备庞大，电压高，操作安全性差，限制了脉冲磁场在工业生产上的应用和推广等问题。先将金属材料熔化并在一定过热度下保温一定时间，然后将合金熔体浇注到置于脉冲磁场凝固装置中的模具中，使合金熔体在脉冲磁场作用下凝固。脉冲磁场发生电压为10～500V，脉冲频率1～25Hz，作用时间为3～30分钟，浇注温度和模具预热温度由所制备的材料决定。本发明具有不受合金成分限制，可制备大尺寸的均匀细晶铸锭等特点，且具有无污染，节约能源，设备简单，操作简便易行，降低成本和投资等优点。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料制备领域，具体为一种低压脉冲磁场作用下细晶金属材料的制备方法。
背景技术
晶粒尺寸对金属材料的力学性能有极大影响，金属和合金的晶粒尺寸细小时，不仅强度高且韧性高，具有良好的综合力学性能。因此，在金属材料制备和生产过程中，获得细小晶粒(细晶)对于提高材料力学性能具有重要意义。
对于铸造合金，由于普通铸造方法制备的合金和获得的铸件晶粒粗大，枝晶组织发达，导致合金性能不高。为细化铸造合金晶粒尺寸，发展了许多方法和技术来控制合金的凝固过程。其中主要方法可分为变质法、快速凝固法、施加外场法，等等。变质法是在金属熔体凝固前向熔体中施加变质剂起到提高形核率作用，以细化晶粒，其优点是方法简单、操作简便，但是并非所有金属及其合金都有适用的变质剂。另外，加入变质剂会改变合金成分，因此该方法有一定范围限制；快速凝固法是上世纪60年代后发现的一种获得细晶金属材料的方法，采用快速冷却使熔体凝固可以使晶粒得到极大程度的细化，也发展了许多快凝细晶技术，但是要保证快速凝固，铸件尺寸必须受到一定限制。采用外场控制金属凝固过程，一方面通过向熔体输入能量可以提高形核率，另一方面对熔体起到搅拌作用细化凝固组织，可以获得细晶铸造合金。由于施加外场(如电磁场)不受铸件尺寸限制，也不改变材料化学成分，具有适用性广、方便可控、效果明显等特点，成为制备细晶金属材料和铸件的一种重要方法。
近年来，电磁场控制凝固过程制备细晶金属材料得到较快发展。其中，脉冲磁场的作用引起了人们的重视，研究发现将高压高能量强脉冲磁场作用于钢铁、铝合金等材料的凝固过程，可明显细化其凝固组织。如国内北京科技大学将高压脉冲磁场用于钢铁熔体孕育处理，细化了钢的晶粒；东北大学将强脉冲磁场技术应用于LY12铝合金的凝固过程，显著细化了合金晶粒；上海大学将高压脉冲磁场应用于不锈钢的凝固过程，显著细化了不锈钢的晶粒。但是，上述研究中应用的脉冲磁场均为高压脉冲磁场，电压高达2000伏以上，设备庞大，操作安全性差，限制了脉冲磁场在工业生产上的应用和推广。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低压脉冲磁场作用细晶金属材料制备方法，其工艺简单有效，适用范围广，能耗和成本低。解决了现有技术中设备庞大，电压高，操作安全性差，限制了脉冲磁场在工业生产上的应用和推广等问题。
本发明的技术方案是：
本发明提供了一种低压脉冲磁场作用下细晶金属材料的制备方法，先将金属材料熔化，然后将经过预热的模具置于脉冲磁场凝固装置中，把合金熔体浇注到模具中，浇注完毕后立即启动脉冲磁场凝固装置中的脉冲磁场发生装置，使合金熔体在脉冲磁场作用下凝固。
本发明提供了一种利用低压脉冲磁场作用控制凝固过程制备细晶金属材料的方法，金属合金熔体在电压10～500伏、频率在1～25赫兹的脉冲磁场下凝固，获得细晶金属材料或铸件。
将金属材料熔化，在过热度为20～120℃下，保温5～15分钟，然后将把合金熔体浇注到置于脉冲磁场凝固装置中的模具中，浇注完毕后立即启动脉冲磁场发生装置，使合金熔体在脉冲磁场作用下凝固。脉冲磁场施加于合金熔体，对合金熔体产生箍缩效应，引起熔体运动，将型壁上大量晶核冲刷下来，并带入熔体中，使合金熔体的形核率大大增加；另一方面，由于磁脉冲使熔体产生运动，使合金熔体内外温度差快速减小，均匀化合金熔体温度，加上在凝固界面前沿产生的焦耳热作用，使得晶核的生长受到抑制，从而使铸锭的凝固组织细化、等轴化，进而获得均匀细晶铸锭。脉冲磁场发生电压为10～500V(较佳范围为50～200V)，脉冲频率为1～25Hz(较佳范围为2.5～10Hz)，作用时间为3～30分钟(较佳范围为5～20分钟)。此方法可应用到镁合金、铝合金、钢铁等金属材料的细晶制备。
本发明具有以下优点：
1、本发明可均匀地细化金属材料的凝固组织，可制备大尺寸的均匀细晶铸锭。
2、本发明不受合金成分限制，即可制备有色合金如铝合金和镁合金细晶材料，也可制备黑色金属如细晶钢铁材料。
3、由于脉冲磁场发生装置采用低电压，本发明设备简单，操作简便易行，安全可靠，且节约成本和投资。
4、无污染。由于脉冲磁场不直接接触合金熔体，不会对合金产生污染，也不会对环境产生污染。
附图说明
图1为本发明脉冲磁场作用下细晶金属材料制备装置示意图。图中，1熔体；2模具；3脉冲磁场发生线圈；4线圈产生的脉冲磁场；5脉冲磁场发生装置。
图2为本发明和普通铸造AZ91D镁合金凝固后合金显微组织的对比；其中，(a)未施加脉冲磁场的普通凝固；(b)施加脉冲磁场凝固。
图3为本发明和普通铸造16Mn钢凝固后合金显微组织的对比；其中，(a)未施加脉冲磁场的普通凝固；(b)施加脉冲磁场凝固。
具体实施方式
如图1所示，本发明脉冲磁场作用下细晶金属材料制备装置结构如下：
该装置包括模具、脉冲磁场凝固装置等，脉冲磁场凝固装置设有脉冲磁场发生线圈3、脉冲磁场发生装置5，模具2置于与脉冲磁场发生装置5相连的脉冲磁场发生线圈3中，熔体1浇注于模具2，线圈产生的脉冲磁场4作用于熔体1，使合金熔体在脉冲磁场作用下凝固。
本发明采用以下具体步骤来实现：
1.模具的准备
本发明方法对模具无苛刻的要求，可采用陶瓷、石墨等作为模具，模具预热温度为400～950℃。
2.合金的熔化
将金属材料熔化并在一定过热度下保温一定时间。
3.脉冲磁场发生装置参数设置
根据合金材料的不同，在脉冲磁场发生电压为10～500V(较佳范围为50～200V)、频率1～25Hz(较佳范围为2.5～10Hz)的范围内选择脉冲电压和频率参数。
4.脉冲磁场凝固
把合金熔体浇注到置于脉冲磁场凝固装置的模具中，浇注完毕后立即启动脉冲磁场发生装置，使合金熔体在脉冲磁场作用下凝固，从而制备出细晶金属材料。
以下结合实施例对本发明做详细说明。
实施例1
将AZ91D镁合金在电阻炉中熔化至700℃(过热度为105℃)并保温10分钟，然后把镁合金熔体浇注到置于脉冲磁场凝固装置中预热温度为400℃的铸模内，浇注完毕后使熔体在电压200V、频率5Hz的脉冲磁场作用下凝固，作用时间为5分钟。
图2为AZ91D镁合金采用本发明和常规凝固后合金显微组织的对比。图2a为未施加脉冲磁场时镁合金的凝固显微组织，图2b为施加脉冲磁场时合金的凝固显微组织。可见，应用本发明使镁合金晶粒得到明显细化，而且使初生α-Mg由未加脉冲磁场条件下的枝晶形貌转变为球状形貌。
实施例2
与实施例1不同之处在于：
对金属镁、AM60、AS31等三种化学成分不同的金属材料分别熔化后，金属材料熔化后，分别在过热度为100℃下，保温15分钟；在电压200V、频率5Hz的脉冲磁场作用下凝固，作用时间为10分钟，材料的晶粒都得到显著细化。
采用本发明方法与通常凝固方法制备的部分镁合金的凝固组织和晶粒对比如表1所示：
实施例3
与实施例1不同之处在于：
金属材料为16Mn钢，实验时熔体过热度为90℃，保温时间为10分钟，脉冲磁场电压为200V，频率为15Hz，作用时间为15分钟。在脉冲磁场作用下凝固，材料的晶粒得到显著细化。图3为采用本发明和常规凝固后16Mn钢显微组织的对比。图3a为未施加脉冲磁场时的凝固显微组织，图3b为施加脉冲磁场时的凝固显微组织。可见，无脉冲磁场作用的凝固组织为粗大柱状晶，晶粒尺寸为2300μm；采用本发明则得到了完全等轴晶组织，晶粒尺寸细化为180μm。
实施例结果表明，本发明成功地把低压脉冲磁场应用到有色金属合金和钢铁等金属材料的凝固过程中，使粗大的柱状晶转化为细小的等轴晶，晶粒细化效果显著。脉冲磁场细化晶粒具有不受合金成分影响，可制备大尺寸的均匀细晶铸锭等特点，且具有无污染，操作简便易行等优点，是在冶金和材料制备领域有应用前景的一项晶粒细化新技术。
Claims (5)
1.一种低压脉冲磁场作用下细晶金属材料的制备方法，其特征在于：先将金属材料熔化，然后将经过预热的模具置于脉冲磁场凝固装置中，把合金熔体浇注到模具中，浇注完毕后立即启动脉冲磁场凝固装置中的脉冲磁场发生装置，使合金熔体在脉冲磁场作用下凝固；其中，脉冲磁场电压为10～500V，脉冲磁场频率为2.5～25Hz，脉冲磁场作用时间为3～30分钟；
所述脉冲磁场凝固装置设有脉冲磁场发生线圈、脉冲磁场发生装置，模具置于与脉冲磁场发生装置相连的脉冲磁场发生线圈中，熔体浇注于模具，线圈产生的脉冲磁场作用于熔体，使合金熔体在脉冲磁场作用下凝固；
所述合金熔体的过热度和模具预热温度由制备材料决定，金属材料熔化后，在过热度为20～120℃下，保温5～15分钟，模具预热温度为400～950℃。
2.根据权利要求1所述的低压脉冲磁场作用下细晶金属材料的制备方法，其特征在于：所述脉冲磁场电压最佳范围为50～200V。
3.根据权利要求1所述的低压脉冲磁场作用下细晶金属材料的制备方法，其特征在于：所述脉冲磁场频率最佳范围为2.5～10Hz。
4.根据权利要求1所述的低压脉冲磁场作用下细晶金属材料的制备方法，其特征在于：所述的脉冲磁场作用较佳范围为5～20分钟。
5.根据权利要求1所述的低压脉冲磁场作用下细晶金属材料的制备方法，其特征在于：该方法应用到镁合金、铝合金或钢铁的细晶制备。
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