CN105964988B - 移动型脉冲磁致振荡细化金属凝固组织方法 - Google Patents

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    • B22D11/114—Treating the molten metal by using agitating or vibrating means
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Abstract

本发明涉及一种移动型脉冲磁致振荡细化金属凝固组织方法，属于金属材料制备技术领域。本发明将螺线管状线圈固定在与螺杆连接的升降架上，螺杆与电动机相连接，电动机与调速控制装置相连接，通过调速装置来控制线圈升降的速度来对熔体进行脉冲磁致振荡处理，实现浇注跟随处理或者整体覆盖式处理。由于处理线圈随着铸坏一起运动，进行长时间处理，可以达到生产极高品质铸坏的要求。对于工业中特殊需求的铸坏，通过这一移动装置可以对不同段实施不同程度处理，使各部分的组织不一样，以满足工业生产中的特殊需求。本发明具有不受金属材料限制，可制备大尺寸的均匀细晶铸坏，且无污染，节能，设备简单，便于操作，成本低等优点。

Description

移动型脉冲磁致振荡细化金属凝固组织方法
技术领域
本发明涉及一种移动型脉冲磁致振荡细化金属凝固组织方法，属于冶金与金属材料制备技术领域。
背景技术
金属材料在材料领域中占主导地位，对国民经济的发展起着至关重要的作用。传统的金属材料，在强化理论、评估表证、应用再生等方面经历了漫长的发展，已形成比较完备的理论与工程体系。随着人们生活水平的提高，对环境保护的意识越来越强烈，提出了生态环境材料，将环保意识引入到材料科学中，材料学科工作者从生态环境的角度对现有材料的发展道路进行了新的思考。从环境材料的角度出发，物理场细晶技术成为金属材料理想的技术手段。物理场细晶技术具有很大的优越性，其效果独特，极大的避免了对环境和金属材料的污染，是一种真正意思上的绿色处理方法。
关于物理场对金属凝固过程的研究最早开始于20世纪30年代，而之后一直没有太大的发展。这是由于对高密度电流、超强磁场和大功率超声波的要求严重的制约了该技术的应用。另外，在那个时期，材料领域中的孕育处理、变质处理和微合金化等凝固组织细化技术发展的很快，大家更愿意接受这些工艺简单的凝固细晶技术。进入21世纪后，材料环境协调性的提出对传统的细晶技术提出了疑问，同时，物理、材料和电子等领域科学技术的大力快速发展使大功率电流、磁场和超声波等物理手段的产生成为可能。然后，从20世界90年代起物理场细化技术再次成为材料领域的热点问题，其中，由于脉冲物理场输出峰值高、设备负荷小，成为物理场凝固细化技术新的亮点。外加物理场凝固细化技术，国内起步较晚，但近些年来的研究突飞猛进、异军突起，特别是在脉冲物理场凝固细晶技术和对钢铁材料等高温合金的研究方面，已领跑与世界范围内的同行。
利用物理外场法可以改善凝固结晶过程新相的动力学和热力学，提高形核速率进而实现细晶。物理外场法有电磁搅拌法、超声场法、脉冲电流法和脉冲磁场法。超声场对凝固细晶有显著的作用，不足之处是超声场在熔体内有严重的衰减，不能够有效均匀的细化凝固组织，另外变幅杆直接跟熔体接触，这样会污染金属材料；通过电磁搅拌可以减少柱状晶区而增大等轴晶区，具有细化晶粒的效果，但不足是细化晶粒的效果不是很明显。与电磁搅拌一样，脉冲电流和脉冲磁场同样能够在金属熔体内产生电磁力，对熔体有搅拌和振动作用；独特之处是，脉冲电流和脉冲磁场能够产生的更大的电磁力振荡，会使枝晶破碎，成为游离的异质核心，进而达到细化凝固组织的效果。然而他们也有各自的局限性，例如在脉冲电流凝固细晶的技术中，电流是直接通过金属熔体，生产安全和人身安全会存在隐患；而脉冲磁场的电路虽然不直接通过金属熔体，但是当强磁场施加到金属熔体后，金属熔体中会产生感应电流，磁场强度比较大时，会使金属表面产生剧烈波动甚至飞溅。脉冲磁致振荡技术具有很好的细晶效果，并且安全性很好，但主要以固定区域处理为主。
发明内容
本发明的目的是提供一种移动型脉冲磁致振荡细化金属凝固组织方法，使线圈可以跟随熔体移动或者与熔体之间有可控的相对移动。本发明的目的是通过以下技术手段来实现的。
本发明通过将螺线管状线圈固定在与螺杆连接的升降架上，螺杆与电动机相连接，小型电动机与与调速控制装置相连接，通过调速控制装置来控制螺线管状线圈升降的速度。螺线管线圈通过软导线与脉冲磁致振荡电源相连接。当进行脉冲磁致振荡处理时，根据需要调节线圈的移动速度，线圈电流激发的磁场使熔体内部产生电磁力，形成一定范围的流动和振动，由于线圈是移动的，所以电磁力的作用区域和流动区域也是移动的。
移动处理的方式主要有2种，先将金属材料熔化，然后将经过预热的铸型置于可移动型脉冲磁致振荡凝固装置中，装置由脉冲电源、螺线管线圈、升降台、螺杆、电动机和变速器组成。浇注之前先通过变速器调节至合理的移动速度。方式一：把金属熔体浇注到铸型中，浇注完毕后立即启动移动型脉冲磁致振荡电源和电动机，使线圈上下来回移动进行往复处理。方式二：边浇注边移动线圈，使线圈始终跟随在熔体液面下方的某一个位置与液面一起上升。
所述的螺线管线圈置于铸型外围2mm～250mm。所述的螺线管线圈的形状为圆柱形，线圈的匝数为1～100匝，层数为1～5层。螺线管线圈为方柱形，线圈的匝数为1～100匝，层数为1～5层。螺线管线圈为多边形，多边形的边数为4～30，线圈的匝数为1～100匝，层数为1～5层。
移动型脉冲磁致振荡参数为：移动型脉冲磁致振荡电流为1A～30000A。最佳电流范围为500A～5000A。移动型脉冲磁致振荡脉冲宽度为10μs～500ms。最佳脉冲宽度为100μs～10ms。移动型脉冲磁致振荡作用频率为0.1Hz～5kHz。最佳作用频率为5Hz～200Hz。
本发明主要优势为：
(1)在方式一的移动型脉冲磁致振荡作用下，在熔体内部形成了移动的电磁场和流场，范围可覆盖整个熔体，大大增加了晶核游离的区域，非常有利于长铸件的整体组织细化。通过ANSYS计算，图9为固定中间部位处理的熔体流场，图10为移动式处理熔体的流场(此时线圈已经自下移动到达顶部)，可以看出移动式处理使流动区域分布更加广泛。
(2)在方式二的移动型脉冲磁致振荡作用下，由于处理线圈可以随着铸坯一起运动，可以应用于连铸和半连铸工业生产，对于有极高品质要求的铸坯，可以对某一位置进行长时间跟随处理。对于工业中特殊需求的铸坯，通过我们这一移动装置可以对不同区段实施不同速度的跟随处理，使各部分的组织不一样，以满足工业生产中的特殊需求。
(3)本发明装备价格低廉，操作简单安全，拆装方便。
附图说明
图1为移动式脉冲磁致振荡处理装置。
图中标号：1.脉冲磁致振荡电源2.铸型3.熔体4.螺杆5.螺线管状线圈6.电动机7.调速控制装置。
图2为浇注后凝固的铝锭的取样部位——1号样距离顶端150mm，2号样距离底部150mm，长度各为80mm。
图3为部位1未加移动式脉冲磁致振荡处理的纯铝宏观组织，铸型为石墨。
图4为部位2未加移动式脉冲磁致振荡处理的纯铝宏观组织，铸型为石墨。
图5为部位1施加移动式脉冲磁致振荡处理的纯铝宏观组织，铸型为石墨，峰值电流为1200A，脉宽为6ms，放电频率为29Hz，移动速度为6cm/s。
图6为部位2施加移动式脉冲磁致振荡处理的纯铝宏观组织，铸型为石墨，峰值电流为1200A，脉宽为6ms，放电频率为29Hz，移动速度为6cm/s。
图7为部位1施加移动式脉冲磁致振荡处理的纯铝宏观组织，铸型为石墨，峰值电流为2400A，脉宽为6ms，放电频率为29Hz，移动速度为11cm/s。
图8为部位2施加移动式脉冲磁致振荡处理的纯铝宏观组织，铸型为石墨，峰值电流为2400A，脉宽为6ms，放电频率为29Hz，移动速度为11cm/s。
图9为固定中间处理熔体内部流场分布。
图10为移动往复处理熔体内部流场分布。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步的阐述；实施例仅用于说明本发明，而不是以任何方式来限制本发明。
实施例1
实验过程如下：熔体用材料纯度为99.7％的工业纯铝，铸型为石墨型，螺线管线圈匝数为15，层数为1，只控制一个变量，即不施加脉冲磁致振荡处理，施加移动式脉冲磁致振荡处理。用参数为峰值电流1200A，脉宽5ms，放电频率29Hz的移动式脉冲磁致振荡处理。具体工艺过程如下：将纯铝熔化加热至750℃，保温30分钟，将预热至180℃的铸型置于螺线管线圈中，螺线管状线圈与升降台相连。速度提前调至6cm/s。浇注完毕后立即打开脉冲电源开关进行脉冲磁致振荡处理，到完全凝固后，切断电源，停止处理，最后对试样进行金相组织观察。
未经任何处理的纯铝试样，均为粗大的柱状穿晶组织，仅有下部区域有小部分粗大等轴晶，等轴晶面积达到18％，如图3和4所示。施加移动式脉冲磁致振荡处理后，如图5和6所示，等轴晶面积达到40％，平均晶粒尺寸为且上下两个部位的组织均匀程度基本相近。
实施例2
实验过程如下：熔体用材料纯度为99.7％的工业纯铝，铸型为石墨型，螺线管线圈匝数为15，层数为1，只控制一个变量，即不施加脉冲磁致振荡处理，施加移动式脉冲磁致振荡处理。用参数为峰值电流2400A，脉宽5ms，放电频率29Hz的移动式脉冲磁致振荡处理。具体工艺过程如下：将纯铝熔化加热至750℃，保温30分钟，将预热至180℃的铸型置于螺线管线圈中，螺线管状线圈与升降台相连。速度提前调至11cm/s.浇注完毕后立即打开脉冲电源开关进行脉冲磁致振荡处理，到完全凝固后，切断电源，停止处理，最后对试样进行金相组织观察。
未经任何处理的纯铝试样，均为粗大的柱状穿晶组织，仅有下部区域有小部分粗大等轴晶，等轴晶面积达到18％，如图3和4所示。施加移动式脉冲磁致振荡处理后，如图7和8所示，等轴晶面积达到60％，平均晶粒尺寸达到1mm以下，且上下两个部位的组织均匀程度基本相近。

Claims (8)

1.一种移动型脉冲磁致振荡细化金属凝固组织方法，其特征在于：螺线管状线圈(5)固定在与螺杆(4)连接的升降架上，螺线管状线圈通过软导线与脉冲磁致振荡电源(1)连接，螺杆与电动机(6)相连接，电动机(6)与调速控制装置(7)相连接，通过调速控制装置(7)来控制螺线管状线圈(5)升降的速度；将金属熔化后向铸型(2)进行浇注，在浇注过程开始阶段启动脉冲磁致振荡电源和电动机，使线圈跟随液面的上升而上升，进行跟随式处理；或者完全浇注后，启动脉冲磁致振荡电源和电动机,使线圈上下移动，进行整体覆盖式反复移动处理；
所述螺线管状线圈(5)置于铸型(2)外围。
2.如权利要求1所述的移动型脉冲磁致振荡细化金属凝固组织方法，其特征在于：螺线管状线圈置于铸型(2)外围2～250mm。
3.如权利要求1所述的移动型脉冲磁致振荡细化金属凝固组织方法，其特征在于：螺线管状线圈内口为圆形，线圈的匝数为1～100匝，层数为1～5层。
4.如权利要求1所述的移动型脉冲磁致振荡细化金属凝固组织方法，其特征在于：螺线管状线圈内口为方柱形，线圈的匝数为1～100匝，层数为1～5层。
5.如权利要求1所述的移动型脉冲磁致振荡细化金属凝固组织方法，其特征在于：螺线管状线圈内口为多边形，多边形的边数为4～30，线圈的匝数为1～100匝，层数为1～5层。
6.如权利要求1所述的移动型脉冲磁致振荡细化金属凝固组织方法，其特征在于：移动型脉冲磁致振荡电流为1A～30000A。
7.如权利要求1所述的移动型脉冲磁致振荡细化金属凝固组织方法，其特征在于：移动型脉冲磁致振荡脉冲宽度为10μs～500ms。
8.如权利要求1所述的移动型脉冲磁致振荡细化金属凝固组织方法，其特征在于：移动型脉冲磁致振荡作用频率为0.1Hz～5kHz。
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