CN103212697A - 一种采用变频低压调制脉冲电场改善铸造铝合金凝固组织的铸型方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用变频低压调制脉冲电场改善铸造铝合金凝固组织的铸型方法，该方法应用于铝合金连铸结晶器或模铸的铸型中，在铝合金的整个凝固过程中施加变频低压调制脉冲，电脉冲的参数为：电压±1V～30V连续调节，脉冲频率2Hz～1600Hz，占空比1%～43%。最大瞬时输出电流10000安培。该方法能够有效地增加铝合金凝固的形核率，细化晶粒；使发达的树枝晶转化为蔷薇状等轴晶，且等轴晶比例增加；减小凝固组织的疏松和缩孔。

Description

一种采用变频低压调制脉冲电场改善铸造铝合金凝固组织的铸型方法

技术领域

本发明涉及一种采用变频低压调制脉冲电场改善铸造铝合金凝固组织的铸型方法，适用于改善铸造铝合金中晶粒粗大，树枝晶发达，易产生疏松和缩孔等缺陷。 

背景技术

铸造铝合金广泛应用于航空、航天及民用工业中各种关键零部件的制造。随着科学技术的发展，人们对铸造铝合金的力学性能要求越来越高。而力学性能在很大程度上依赖于合金的铸造组织，因此控制凝固过程的组织演化，制备出晶粒细小均匀的铸件是铝合金材料的一个重要研究课题。目前在工程上主要采用化学法、动力学法、快速凝固法等细化方法，但是这几种方法都存在明显缺陷，如化学法中所添加的细化剂会造成对金属合金液及环境的污染，动力学法不仅对设备和工艺要求高而且强烈搅拌使金属液上下翻动，易于卷入空气和其他氧化物夹杂，快速凝固法所采用的工艺复杂，难以制备大尺寸的零部件等。 

上世纪90年代，M.Nakada等人将电容放电产生的高压电脉冲应用于Sn-15%Pb合金凝固过程，使其凝固组织得到了明显改善。在随后的20年里，电脉冲作为一种新型的金属细化技术备受人们的关注。近年来，这种新型的电脉冲细化技术逐渐从低熔点合金应用到铝合金。王建中等对Al-Cu合金进行电脉冲孕育处理，晶粒得到了细化且铸件的柱状晶区缩小，等轴区扩大。赵志龙等研究了四种铸造工艺条件下ZL102铝硅合金砂型铸件的凝固组织，脉冲电流对初生α-Al相的细化效果甚至优于Al-5%Ti细化剂的细化作用。訾炳涛研究了脉冲电流密度对LY12铝合金的凝固组织影响，发现电流密度愈大，凝固组织细化效果越显著。然而上述电脉冲模式采用的都是电容高压放电，脉冲电压在几百伏至几千伏之间，不仅操作时危险性高，且电容的损耗率也快，不适用于工业生产。因此，研发具有明显细晶效果且操作安全性高，适用于工业 化推广的低压脉冲电场具有明显应用价值。 

发明内容

要解决的技术问题 

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种采用变频低压调制脉冲电场改善铸造铝合金凝固组织的铸型方法，针对目前高压电容放电电脉冲细化合金凝固组织操作危险大且效率低等缺点，提供了一种更加安全，简单，利用率高，更适用于工业生产的变频低压调制脉冲电场改善铸造铝合金凝固组织的方法。 

技术方案 

一种采用变频低压调制脉冲电场改善铸造铝合金凝固组织的铸型方法，其特征在于：砂型模具为长方体，铸型步骤如下： 

步骤1：将电极置于在模具两端，并与变频低压调制脉冲发生器的两个输出端电连接； 

步骤2：按照被铸造铝合金的加热熔化工艺进行加热熔化，然后去渣、除气后，降温和保温，得到铝合金的金属液； 

步骤3：将金属液浇入模具中，开启变频低压调制脉冲发生器，直至合金全部凝固为止；所述变频低压调制脉冲发生器的脉冲参数为：电源电压±1V～30V，脉冲频率2Hz～1600Hz，占空比1%～43%，最大输出电流10000安培。 

所述铝合金为铝基铸造合金。 

有益效果 

本发明提出的一种采用变频低压调制脉冲电场改善铸造铝合金凝固组织的铸型方法，应用于铸造铝合金连铸或模铸的铸型中，对铝合金的凝固过程施加一选定的变频低压调制脉冲，所述变频低压调制脉冲参数为：电源电压±1V～30V连续调节，脉冲频率2Hz～1600Hz，占空比1%～43%。最大输出电流10000安培。且对于不同的凝固条 件和不同成分下的铝合金，选择合适电脉冲参数可以实现改善凝固组织。脉冲处理后的宏观凝固组织与无脉冲处理相比，晶粒显著细化，且分布均匀；微观组织中的初生α-Al相由发达的树枝晶转化为蔷薇状等轴晶，等轴晶比例增大；减小凝固组织中的疏松和缩孔。 

本发明与现有的铸造铝合金细化晶粒技术相比具有下述优点： 

1、低电压的工作条件，对人员安全和设备可靠性高，适用于工业化应用； 

2、采用低电压大电流电源，其内阻与铸型内熔体电阻处于同一数量级，远小于高压电容放电回路中电源内阻，因此，脉冲信号作用于熔体效率高； 

3、根据不同铸造铝合金的熔体特性，通过调节电脉冲的电压，电流，占空比，脉冲方向，实现多物理场耦合，实现对熔体凝固组织精确控制。 

4、不需要添加化学物质及其他合金元素，对合金成分无污染，且不会产生有害物质，是符合“材料的环境协调性”的凝固细化技术； 

5、工艺流程简单，操作安全方便，有利于连续化工业生产应用； 

6、设备简单，投资少，设备损耗低，能源利用率高。 

附图说明

图1：为变频低压调制脉冲的波形图； 

图2：为变频低压调制脉冲对亚共晶Al-7Si-0.52Mg合金凝固组织的影响，其中，(a)、(b)分别为未经脉冲处理及凝固过程中施加230A/cm²的脉冲处理后的宏观凝固组织照片，(c)、(d)分别对应处理前后的微观组织照片。 

图3：为变频低压调制脉冲对Al-5.0%Cu合金凝固组织的影响，其中，(a)、(b)分别对应未经脉冲处理及凝固过程经过360A/cm²电脉冲处理后的宏观凝固组织照片，(c)、(d)分别对应处理前后的微观组织照片。 

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述： 

实施例1： 

本实施例的材料为Al-7Si-0.52Mg铝合金（其主要化学成分为：7.06%Si、0.52%Mg、0.093%Fe），砂型模具为简单的长方体，电极上下放置在模具两端。先将Al-7Si-0.52Mg铝合金放入电阻加热炉中加热熔化，并加热到740°C。经去渣、除气后，将温度降到720°C，保温30min。然后把金属液浇入砂型模具（30mm×30mm×150mm）中，开启变频低压调制脉冲发生器，在合金凝固过程中施加变频低压调制脉冲，直至合金全部凝固为止。主要脉冲参数为：电压±10V，电流密度230A/cm²，脉冲宽度0.15s。图2(a)和(b)分别是未经过电脉冲处理和经过230A/cm²电脉冲处理后样品宏观凝固组织，可以看出，经过230A/cm²脉冲处理后，合金晶粒被显著细化，且分布均匀。图2(c)和(d)分别是未经过电脉冲处理和经过230A/cm²电脉冲处理后样品微观凝固组织。可以看出，无电脉冲作用时，样品α-Al初生相为发达的树枝晶；经过230A/cm²电脉冲处理后，初生α-Al相全部转变为蔷薇状的等轴晶组织。 

实施例2： 

本实施例的材料为Al-5.0%Cu合金，砂型模具为简单的长方体，电极上下放置在模具两端。先将Al-5.0%Cu合金放入电阻加热炉中加热熔化，并过热到750℃。经去渣、除气后，保温30min。然后把金属液浇入砂型模具（30mm×30mm×150mm）中，开启变频低压调制脉冲发生器，在合金凝固过程中施加低压脉冲，直至合金全部凝固为止。主要脉冲参数为：电压±20V，电流密度360A/cm²，脉冲宽度0.15s。图3(a)和(b)分别是未经过电脉冲处理和经过360A/cm²电脉冲处理后样品宏观凝固组织，可以看出，经过360A/cm²脉冲处理后，合金晶粒被显著细化，且分布均匀。图3(c)和(d)分别是未经过电脉冲处理和经过360A/cm²电脉冲处理后样品微观凝固组织。可以看出，无电脉冲作用时，α-Al初生相为发达的树枝晶；经过360A/cm²电脉冲处理后， 初生α-Al相全部转变为等轴晶组织。 

本发明的方法适用于改善Al-Si、Al-Cu等铝基铸造合金凝固组织，增加合金凝固的形核率，细化晶粒；使发达的树枝晶转化为蔷薇状组织，增加等轴晶比例；减小凝固组织的疏松和缩孔，并且处理后的铝合金的机械性能得到一定的提高。 

Claims (2)

1.一种采用变频低压调制脉冲电场改善铸造铝合金凝固组织的铸型方法，其特征在于：砂型模具为长方体，铸型步骤如下：

步骤1：将电极置于在模具两端，并与变频低压调制脉冲发生器的两个输出端电连接；

步骤2：按照被铸造铝合金的加热熔化工艺进行加热熔化，然后去渣、除气后，降温和保温，得到铝合金的金属液；

步骤3：将金属液浇入模具中，开启变频低压调制脉冲发生器，直至合金全部凝固为止；所述变频低压调制脉冲发生器的脉冲参数为：电源电压±1V～30V，脉冲频率2Hz～1600Hz，占空比1%～43%，最大输出电流10000安培。

2.根据权利要求1所述采用变频低压调制脉冲电场改善铸造铝合金凝固组织的铸型方法，其特征在于：所述铝合金为铝基铸造合金。

Images