CN105803366A - 一种超重力细化金属凝固组织的方法 - Google Patents

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宋波
杨玉厚
宋高阳
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F3/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by special physical methods, e.g. treatment with neutrons
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D10/00—Modifying the physical properties by methods other than heat treatment or deformation

Abstract

本发明涉及金属晶粒细化技术领域，公开了一种超重力细化金属凝固组织的方法，包括金属熔体在超重力场中进行冷却凝固的步骤；冷却凝固的速率为匀速或非匀速；金属冷却速率为1~10℃/min；超重力场通过设备的旋转离心实现；超重力场的重力系数为1‑800，即超重力加速度为1g~800g；当所述金属熔体降温到液相线时开始进行超重力处理，当温度降至固相线以下50℃时停止超重力处理；本发明的有益效果为：利用超重力极大地强化了初生枝晶的运动聚集，尤其是在凝固前期细小晶核在超重力场中的迅速运动聚集，快速有效地细化金属的凝固组织；不引入别的元素，保证金属的纯净度；工艺流程简单、成本低廉、环保、应用前景广阔。

Description

一种超重力细化金属凝固组织的方法
技术领域
本发明涉及金属晶粒细化技术领域，特别涉及一种超重力细化金属凝固组织的方法。
背景技术
细化的金属凝固组织能够同时提高金属材料的强度和韧性，研究者们一直都致力于研究如何细化金属材料的凝固组织来提高材料的综合性能。
目前金属凝固组织细化可以通过以下方式来实现：加入细化剂、控制冷却制度、外场和机械处理。但是加入细化剂的方法在一定程度上又引入了别的元素；控制冷却制度的方法已经远远不能满足现代工业生产的要求；外场和机械处理是目前研究中的热点，但是也存在自身的局限性，如电、磁场存在一定的安全隐患，机械搅拌又存在污染金属液的问题。
超重力技术的兴起为超重力在金属凝固组织细化上的应用提供了新的思路。
发明内容
本发明的目的就是克服现有技术的至少一点不足之处，提供了一种超重力细化金属凝固组织的方法，利用超重力极大地强化了初生枝晶的运动聚集，尤其是在凝固前期细小晶核在超重力场中的迅速运动聚集对凝固组织的细化起到了非常关键的作用；超重力细化金属凝固组织是一种非常高效的方法，它没有向金属中加入任何添加剂，且金属无需和外部设备有任何接触，最大程度上保证了金属的纯净度。
本发明一种超重力细化金属凝固组织的方法，包括金属熔体在超重力场中进行冷却凝固的步骤。
进一步的，所述冷却凝固的速率为匀速或非匀速。
进一步的，金属冷却速率为1~10℃/min。
进一步的，所述超重力场通过设备的旋转离心实现。
进一步的，所述超重力场的重力系数为1-800，即超重力加速度为1g~800g。
进一步的，当所述金属熔体降温到液相线时开始进行超重力处理，当温度降至固相线以下50℃时停止超重力处理。
进一步的，当超重力处理结束后，取出试样在空气中冷却。
进一步的，所述金属包括铝合金、铜合金、钢或铁中的一种或几种。
本发明还公开了一种金属，所述金属在制备过程中包括金属熔体在超重力场中进行冷却凝固的步骤。
本发明的有益效果为：利用超重力极大地强化了初生枝晶的运动聚集，尤其是在凝固前期细小晶核在超重力场中的迅速运动聚集，快速有效地细化金属的凝固组织；不引入别的元素，保证金属的纯净度；工艺流程简单、成本低廉、环保、应用前景广阔。
附图说明
图1所示为本发明实施例中超重力实现方式示意图。
图2所示为实施例1试样中合金的宏观凝固组织图。
图3所示为实施例1试样中合金的微观凝固组织图。
图4所示为实施例2试样中合金的宏观凝固组织图。
图5所示为实施例2试样中合金的微观凝固组织图。
图6所示为对比试样中合金的宏观凝固组织图。
图7所示为对比试样中合金的微观凝固组织图。
图8所示为常重力场和超重力场中合金晶粒尺寸的变化曲线图。
具体实施方式
下文将结合具体附图详细描述本发明具体实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。在下述实施例的附图中，各附图所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。
本发明实施例一种超重力细化金属凝固组织的方法，包括金属熔体在超重力场中进行冷却凝固的步骤；所述金属包括铝合金、铜合金、钢或铁中的一种或几种。
所述冷却凝固的速率可以为匀速或非匀速。
优选的，通过温控仪控制金属冷却速率为1~10℃/min。
优选的，所述超重力场通过设备的旋转离心实现，超重力场的实现方式如图1所示。
优选的，所述超重力场的重力系数为1-800，即超重力加速度为1g~800g。
优选的，当所述金属熔体降温到液相线时开始进行超重力处理，当温度降至固相线以下50℃时停止超重力处理，确保金属完全凝固。
优选的，当超重力处理结束后，取出试样在空气中冷却。
本发明还公开了一种金属，所述金属在制备过程中包括金属熔体在超重力场中进行冷却凝固的步骤。
实施例 1
在本实施例中，不丧失一般性，金属选用Al-Cu（铝-铜）合金。
Al-Cu合金制备时，选用的工业纯Al、工业纯Cu可以为本领域技术人员已知的任意一种，例如：金属Al块可以为购自北京翠铂林有色金属技术开发中心的工业纯Al块，纯度为99.99%；工业纯Cu可以为购自北京翠铂林有色金属技术开发中心的工业纯Cu块，纯度为99.99%。
Al-Cu母合金制备及超重力处理步骤如下：
步骤一、Al-Cu母合金熔炼制备；取适量纯Al和纯Cu于氧化铝坩埚内，在有氩气保护的钼丝炉内升温至750℃，保温时间不小于2h，确保合金成分均匀，待保温结束后取出试样水冷，得到超重力处理前的母合金；
步骤二、超重力处理；取48g母合金放于石墨坩埚内一起放入超重力加热炉，升温至750℃，保温10min，然后开始降温，待温度降至660℃时，立即开启离心机，调整到转速为600r/min(重力系数为G=100)进行超重力处理，待温度降至500℃时关闭离心机，取出试样水冷。
将所得的试样沿超重力方向从中间剖开，其中一半经过镶嵌、编号、磨制、抛光，用侵蚀液H2O+HNO3+HF=92+7.5+2.5(单位：ml)侵蚀8s，然后用数码相机拍照，观察试样宏观组织，结果如图2所示，用金相显微镜观察试样的微观组织形貌，结果如图3所示。
实施例 2
除步骤二中离心机调整到转速为1687r/min(重力系数为G=800)进行超重力处理外，其余均与实施例1相同。
将所得的试样沿超重力方向从中间剖开,其中一半经过镶嵌、编号、磨制、抛光，用混合酸侵蚀液H2O+HNO3+HF=92+7.5+2.5(单位：ml)侵蚀8-12s，然后用数码相机拍照，观察试样宏观组织，结果如图4所示，用金相显微镜观察试样的微观组织形貌，结果如图5所示。
对比例
为与实施例1、2作对比，Al-Cu母合金超重力处理步骤如下：取48g母合金放于石墨坩埚内一起放入超重力加热炉内，升温至750℃，保温10min，然后开始降温，待温度降至500℃时取出试样水冷。
将所得的试样沿超重力方向从中间剖开,其中一半经过镶嵌、编号、磨制、抛光，用混合酸侵蚀液H2O+HNO3+HF=92+7.5+2.5(单位：ml)侵蚀8-12s，然后用数码相机拍照，观察试样宏观组织，结果如图6所示，用金相显微镜观察试样的微观组织形貌，结果如图7所示。
上述实施例及对比例中的金相显微镜选用光学显微镜，型号为9XB-PC。
对比图2、图6可以看出，常重力场中合金试样凝固组织非常粗大，而在超重力场中，凝固组织发生了显著的细化现象。
对比图2、和图4可以发现，重力系数越大，凝固组织细化效果越明显。
对比图3、图5和图7可以看出，在常重力场中合金微观组织主要呈非常粗大的树枝晶状，且二次枝晶非常发达；在重力系数为G=100时，树枝晶尺寸明显减小，枝晶臂显著变短；而在重力系数G=800时，树枝晶明显有球化趋势，几乎全部变成等轴晶。
图8总结了合金在不同重力场中晶粒尺寸的变化；可以看出，重力系数越大，晶粒尺寸越小，超重力细化金属凝固组织的效果越明显。
本发明的有益效果为：利用超重力极大地强化了初生枝晶的运动聚集，尤其是在凝固前期细小晶核在超重力场中的迅速运动聚集，快速有效地细化金属的凝固组织；不引入别的元素，保证金属的纯净度；工艺流程简单、成本低廉、环保、应用前景广阔。
本文虽然已经给出了本发明的几个实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。

Claims (9)

1.一种超重力细化金属凝固组织的方法，其特征在于，包括金属熔体在超重力场中进行冷却凝固的步骤。
2.如权利要求1所述的超重力细化金属凝固组织的方法，其特征在于，所述冷却凝固的速率为匀速或非匀速。
3.如权利要求2所述的超重力细化金属凝固组织的方法，其特征在于，金属冷却速率为1~10℃/min。
4.如权利要求1所述的超重力细化金属凝固组织的方法，其特征在于，所述超重力场通过设备的旋转离心实现。
5.如权利要求4所述的超重力细化金属凝固组织的方法，其特征在于，所述超重力场的重力系数为1-800，即超重力加速度为1g~800g。
6.如权利要求1所述的超重力细化金属凝固组织的方法，其特征在于，当所述金属熔体降温到液相线时开始进行超重力处理，当温度降至固相线以下50℃时停止超重力处理。
7.如权利要求6所述的超重力细化金属凝固组织的方法，其特征在于，当超重力处理结束后，取出试样在空气中冷却。
8.如权利要求1-7任一项所述的超重力细化金属凝固组织的方法，其特征在于，所述金属包括铝合金、铜合金、钢或铁中的一种或几种。
9.一种金属，其特征在于，所述金属在制备过程中包括金属熔体在超重力场中进行冷却凝固的步骤。
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