CN110944769A - 电磁改性的金属铸造方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于对被铸造轻金属进行电磁细化的方法。该方法包括在凝固期间用低频感应线圈向金属施加单相弱静态场。

Description

电磁改性的金属铸造方法

本申请要求于2017年5月24日提交的临时申请No.62/510,472的权益，其公开内容通过引用并入本文。

技术领域

本示例性实施例涉及对金属铸件的微观结构进行细化(refine)的方法，所述金属铸件比如是由包括铝、镁和钛的轻金属及其合金形成的铸件。本文详细描述的电磁铸造工艺主要被设计用于包含轻金属的铸件。

背景技术

金属的铸造是最古老的制造工艺之一，其中将液态金属倒入模具中以生产零件。传统铸造涉及将金属倒入永久或非永久模具中，包括允许足够压力的流道(runner)或浇口(gating)系统和立管(riser)，以使俘获的气体逸出并且液态金属完全填充模具。

模制金属的微观结构和物理性质可以在凝固过程中使用各种处理方法来影响。普遍的做法是用冷却系统来激冷铸造模具(例如，直接激冷或DC铸造、永久性主动/被动冷却模具或其它模具)，以从模具中去除热能并提高凝固过程的速度。凝固的速度通过增加结晶速度来影响微观结构，这限制了晶粒的生长时间，从而生成具有更好物理特性的更精细的微观结构。

增强微观结构的另一种方式是在铸造之前向金属中添加晶粒细化剂。晶粒细化剂可以充当成核晶粒，从而增加晶核数量，并在凝固期间形成大量晶体，这些晶体具有较小的生长空间。以这种方式，可以在完成的铸造中获得更精细的晶粒结构。遗憾的是，晶粒细化剂在某些应用中会是有害的。

铸造技术还考虑了使用电磁场来容纳被铸造金属体。从法国专利No.1509962已知，可以通过电磁铸造来生产钢或铝锭，该专利通过引用并入本文。所公开的规程包括借助于角度感应器在熔化的条件下围绕金属柱产生交变电磁场。磁场提供了在初级铸造区域内感应电磁压力的手段，以防止熔化的金属扩散，从而为金属赋予某种几何形状。当以那种方式约束的金属经受合适的冷却剂的冷却作用后，它会按照磁场施加的形式凝固。与常规铸造工艺不同，凝固不会在与模具壁接触的情况下发生，而是在与固体材料的接触之外发生。在那些情况下，所生产的制品一般是具有更好表面条件的锭，并且在一些情况下，其可以直接用在维度变换操作中，而无需有资源以进行特定的表面处理(诸如例如剥皮操作)。有利的是，冷坩埚和/或非接触式凝固系统可以提供适用于高纯度金属测试和生产的优异化学清洁度。当然，这需要非常高能量的过程。例如，通过施加电磁场将液态金属保持在封闭条件，该电磁场是借助于环形感应器生成的，该环形感应器以一般在500到5000赫兹之间的频率被供以交流电。这些过程的缺点在于它们是一般而言不适合大规模工业应用的批处理(batch)过程。

在美国专利号3,985,179(其公开内容通过引用并入本文)中，Goodrich等人公开了一种使用电磁铸造装置的方法，其中环形感应器生成电磁场，该电磁场的通量密度朝着感应器顶部减小，从而更高效地控制感应器中熔化的金属的形状，以与轻金属一起使用。在美国专利No.4,004,631(其公开内容通过引用并入本文)中，添加了冷却护套。Goodrich使用这种技术通过电磁力来控制凝固金属的形状，以减少耐火材料的磨损，从而延长其使用寿命。当将熔化的金属馈送到感应器的内周区域时，电磁场与熔化的金属中感应出的涡流的相互作用生成电磁力，该电磁力将凝固金属的横截面形状控制为与感应器相同的总体形状。由电磁场生成的径向力分量防止熔化的金属的任何显著的横向移动，因此不允许熔化的金属与感应器之间接触。

在US 4,307,772(其公开内容通过引用并入本文)和US Re.32,529(其公开内容通过引用并入本文)中示出了在铝合金的铸造期间使用电磁场来控制坯料或板坯的形状。使用电磁悬浮，Hull等人示出了如美国专利4,741,383(其公开内容通过引用并入本文)中所述的薄板的水平浇铸的可能性。这些技术中的每一项都使用高功率交变电磁场来通过涡流和洛伦兹力的感应来维持铸件的形状。

凝固期间的电磁搅拌已经通过由Charles Vives在1980年代后期开发的CREM(铸造、细化、电磁)工艺应用于锻造合金的直接激冷(DC)铸造。在美国专利4,530,404(其公开内容通过引用并入本文)中，Vives讨论了电磁场对金属的结构的影响。在这个文献中，Vives描述了交流电流频率对微观结构的影响以及液态金属的搅拌效果。Vives讲到，随着增加到搅拌器的功率输入，铸锭中随后的晶粒尺寸减小。在一些合金中，获得的晶粒尺寸小于使用晶粒细化母合金的晶粒尺寸。

Radjai等人使用DC磁体和AC电流成功地细化了Mg、Al和灰铁。Mizutani等人已经采用类似的方法并用于铝合金和块状金属玻璃的晶粒细化。Greenwich大学和ValdisBojarevics(2015-2016)的论文讨论了使用高频和浸没的线圈通过EM振动进行超声细化。

但是，这些出版物都教导了高力方法，其使用多相方法并且在非常高的磁场强度下使用至少50Hz的频率。因此，调查都集中在电磁场的方向上。本公开内容替代地设想单相相对低的可变力和可变低频方法。而且，已发现使用微移动、共振效果、增加动能、更改成核晶粒的临界半径和对DAS结构生长的干扰，而不是通过显著的感应加热感应出大量的块状流，提供了意想不到的好处。

发明内容

根据一个实施例，提供了用于金属的电磁铸造的过程。该过程在凝固的过程中对熔化的金属施加电磁约束场。该过程还包括向金属施加单相固定磁场，其中该磁场由放置在金属的仅一侧或两侧的低频感应线圈施加。

预期低频感应线圈将在大约0.1-240Hz或0.1-120Hz的范围内操作。还预期该过程可以使用具有垂直轴与相关联的铸造台的垂直方向对准的线圈。优选的是提供一种线圈，其形状和位置使得相关联的电磁场可以穿透铸件的所有截面(section)并在其中感应出电流。优选的是仅使用单个线圈。

还优选的是该场满足以下至少一项：(a)小于2Tesla或小于1Tesla或小于0.5Tesla和(b)6-60Hz。在某些实施例中，线圈以小于500安培或小于250安培或小于0.8kA的功率操作。例如，对于100mTesla场以小于500安培的电流操作的单板30匝线圈可以是合适的。

本公开还考虑了在凝固过程期间(可选地取决于金属相)的功率、电流和/或频率的调整。

附图说明

图1是第一代表性电磁压铸配置的示意图；

图2是第二代表性电磁压铸配置的示意图；

图3是第三代表性电磁压铸配置的示意图；

图4是图3的配置的顶部横截面图；

图5是图3的配置的侧视横截面图；

图6是第四代表性电磁压铸件配置的示意图；

图7是圆形单线圈的透视图；

图8是圆形双线圈的顶视图：

图9是薄饼线圈测试设置的示意图；

图10是圆形线圈测试设置的示意图；

图11是代表性EM振动模型的示意图；

图12是代表性EM连续铸造振动模型的示意图；

图13是代表性强EM振动模型的示意图；

图14是代表性强EM振动连续铸造模型的示意图；以及

图15是EM压力模型的示意图。

具体实施方式

如本文所使用的，术语“电磁凝固”是指在暴露于交变磁场或静磁场期间在凝固温度下或在低于凝固温度的温度下的金属或金属合金的凝固。

如本文所使用的，术语“电磁细化”是指通过引入动能和热能对铸件的微观结构进行细化而对凝固过程造成的电磁场效应。

本公开的一个目的是在铝的铸造和凝固期间施加电磁场以对微观结构进行细化，结果直接提高了铸件的机械稳定性。为实现这一点，已经评估了相关的影响变量和独立输入变量的影响。

在一个实施例中，已经发现使用单相改善了对于感应出的洛伦兹力和涡流的控制。以这种方式，本方法不在金属中引起显著的速度(有限的搅拌)。单相允许感兴趣的部分/体积处的EM通量，而无需管理巨大的线圈组、行进磁场和强流场。它还允许通过可变频率来设计线圈、模具和凝固速率，从而通过可变频率在凝固前沿给出高电流密度，并且在没有显著混合的情况下在凝固前沿给出高电流密度。可变性是有利的，因为固态铝和液态铝的电导率是显著不同的。

本公开的重要设计参数包括功率、场和几何形状。由于有证据表明速度或振动影响凝固金属的微观结构，所以可以将改变这种影响的参数分为3组：

·功率：包含电流、电压、功率因数、电容器要求、线圈的电感和电阻、冷却要求、线圈形状和几何形状及屏蔽；

·场：包含频率、相体系架构、线圈的位置、坩埚的几何形状和材料、所使用的合金、线圈形状和几何形状及屏蔽；以及

·几何形状：包含坩埚的几何形状和材料、壁厚度、铸件形状、用于受控冷却的涂层(具有较高或较低的导热率)

作为积极的副作用，可以预期孔隙率的降低、宏观偏析的降低、化学成分的均质性以及精细的微观结构。

铝及其合金是制造汽车零件的首选。不同的制造商使用各种铸造工艺来生产铸件，例如发动机缸体和汽缸盖。最流行的工艺是压铸、精密砂型铸造、消失模铸造(LostFoam Casting)和熔模铸造。铸造可以作为直接激冷铸造(DC)、增压铸造(作为低压铸造和高压铸造的差压铸造PCP)和改性铸造进行。铸造室中常用的一种铝合金是铝-硅合金，它提供良好的流动性、强度、延展性、良好的耐磨性和耐腐蚀性。

本公开特别适用于铝合金。特别地，铝合金示范了一种凝固处理，其中沿着凝固前沿出现“糊状”区。本公开的低功率单相系统产生恰好足够的EM通量，以引起沿着凝固前沿的局部振动和大枝晶破裂。在这方面，并且认识到固态金属是电磁能的更好导体，当铸造设备中任何位置的金属达到其凝固温度(例如，对于铝合金，在550℃至660℃之间)时，可以降低感应线圈的功率。还可以预期，线圈的功率将基本上与铸造中凝固的金属量相称地连续减小。

铝合金的耐疲劳性和可靠性直接受铸造工艺影响。改变该疲劳性的缺陷首先是由于收缩或气体引起的孔，其次是外来夹杂物和/或第二相晶粒，诸如金属间夹杂物和析出物。这些妨碍物/缺陷/析出物的分布和尺寸是由铸件的化学成分和几何形状决定的，其中传统铸造通过更改凝固速率和铸造压力来修改这些影响。

疲劳裂纹是从现有缺陷中成核和生长的。传统上，铸造的微观结构细化，诸如二次枝晶臂间距，取决于凝固阶段期间金属内部和模具内部的传热速率。

微观结构的细化也可以由于外力发生。铝凝固期间流体流的作用是复杂而重要的课题。微观和宏观结构以及微观和宏观偏析都会受到影响。流体流的来源可以是自然对流或者强制对流。自然对流是由于温度和/或化学成分的差异而在凝固过程期间发生的密度和热能变化而驱动的，而强制对流可以通过机械或电磁搅拌引起。流体流可以在半固态金属的液体主体(bulk liquid)和液体部分两者中发生。

电磁是自然界中存在的四种基本相互作用之一。电磁的焦点是基于粒子与电荷的相互作用。当系统暴露于电流变化时，会感应出磁通量。磁通量和电流成比例。这是由安培电路定律定义的。

为了能够定义在磁通量内的反作用力，可以使用法拉第定律，法拉第定律被定义为电场的旋度等于磁场的变化率。磁通量取决于所施加电流的频率和量以及所使用的感应设备的种类。当我们知道电流密度J和磁通量B时，可以使用简单的等式F_L＝J×B来得出反作用力F。力F_L称为洛伦兹力，是作用在流体上的体积力。

由于所施加的电流随时间改变，随着由频率给定的周期数而振荡，因此洛伦兹力的方向也像电流的频率那样频繁地改变两次。

EM搅拌可以被分类为线性感应机(LM)搅拌，其中2至3相电流感应移动磁场(traveling magnetic field)，从而在液体内生成强的定向推进。如果将单相电流施加到液态金属附近的电感器，会发生弱搅拌，从而允许通量穿行通过液态金属。磁通量仍会在受影响的区域内感应出使金属循环的优势流场，较低的速度主要生成强机电振动。一般而言，受影响的区域中的EM通量的功率应当小于以下级别：该级别会通过金属铸件中的拖曳力而产生主体流(bulk flow)。

如果在凝固的早期阶段期间施加，那么电磁场的效果可以是最高效的。在不受理论束缚的情况下，认为熔体中的附加动能通过减小成核临界半径来帮助成核，从而获得更高的成核速率和晶粒细化，但是也在凝固期间破坏了形成枝晶臂间距结构(DAS)生长的生长枝晶。这会在凝固前沿附近生成额外的成核晶粒。预期可通过凝固前沿处的EM振动和感应出的速度梯度来部分抑制二次DAS。

电磁改性铸造(EMC)和电磁改性细化(EMR)的概念不仅实现了EM搅拌效应的使用，而且还基于感应出的主体流、机电振动、电磁压力和铝在凝固期间的电导率改变的综合效果。由于凝固的铝具有更高的电导率，因此电流将更倾向于沿着凝固前沿的固体部分和已经凝固的金属传导。然后，电流在凝固金属的固体部分内感应出EM场。这些场将在凝固前沿处感应出洛伦兹力，并由此产生振动，这感应出EM压力以扰动和破坏枝晶(断开的枝晶可以充当成核位点)，从而增加成长晶粒内的形成位错和晶界的能量，生成成核位点，因此减小了晶粒尺寸、枝晶臂间距(DAS)，并抑制了二级枝晶臂间距(SDAS)。此外，从凝固晶粒中分离出枝晶结构并在熔体内稀释它们还可能生成充当成核位点/晶粒的晶粒。

通过使用AC电流的单相，可以为施加的每个频率产生稳态条件。改变相和/或设计/优化电感器可以改变振动和流模式。可以通过依据铸造内的凝固阶段增加/减小频率和电流，来调整凝固阶段期间与凝固和糊状金属之间的相互作用。就这一点而言，在金属凝固期间(减小)频率的过程可以是有益的。类似地，在凝固期间(增加)电流的方法可以是有益的。

电导率与金属的状态密切相关。液态铝的电导率取决于所用金属的纯度和合金元素的含量，比固态铝低大约30％。换句话说，电流将选择电阻最小的路径，并且主要在铝的凝固的截面中传导。纯Al的25℃电导率为36.9微Si/m，在650℃下电导率降低至9.4微Si/m，并且当液体时，电导率急剧降低至4.1微Si/m。这是相对于当固体时的电导率的大约44％。

现有文献集中于减少凝固时间以减少DAS和SDAS。精细的枝晶结构和减少的DAS导致较短的微观偏析周期性。有令人信服的证据表明，超声波振动和电磁振动朝着更精细的结构改变DAS和SDAS。

由电磁通量感应出的电动势可以表现为强烈的振动和速度梯度。电动势通过在一个方向上主导而生成阻力，这取决于感应器的几何形状和电流的相。由施加的电流的极化频率定义的穿透深度定义了EM磁通量在金属内相互作用的深度，从而在体积内感应出振动和速度。

本公开构思了一般提供1-2Tesla的最大B场的AC场设计。可以从不同的导电金属类型(诸如钢或铜)中选择用于AC电流的连接器。该设计可以包括用于AC电流供应的指定模具截面(section)和/或作为连接器的铜指。预期将采用具有单相AC电流的单板或双板感应线圈。示例性电流可以在约400A的范围内。示例性DC场可以在约0.5Tesla的数量级。

可以通过使用感应设备来实现EMC，该感应设备使用穿透到液态金属中的交流(AC)EM通量。穿透深度可以通过改变所施加的电流的频率和场强来调整。当通量穿透时，它与导电介质相互作用，从而感应出抵消电流(counteracting current)(阻力)，该抵消电流反过来感应出洛伦兹力，从而生成拖曳力。记住，EM通量的本质始终是闭环的，对于每个相，洛伦兹力在交替方向上被感应两次。电动势引发金属内部的速度和振动。

在一个实施例中，有利地定位线圈以便生成洛伦兹力，该洛伦兹力作用于凝固金属，随着所施加的频率和电流而改变，从而增强了细化动作。一旦凝固，铸件的微观结构就会依据施加到线圈的物理性质而被细化。在电磁铸造之后，该铸件需要更少的后处理，从而生成明显的经济优势。

由于铸件周围空间的缺乏，水在液态铝附近的安全性问题以及在使用相同的线圈时能够改变铸件的情况下，具有“自上而下”或“自下而上”的磁通量的线圈几何形状是可行的选择。铸造台的盖子上的线圈是另一个可行的示例，其中线圈的几何形状和屏蔽在空间上受限制，但靠近铸件。

现在转向详细的线圈设计考虑因素，应当记住的是，携带同相的相同电流的平行线(诸如在薄饼线圈中发生的)生成强烈的相互吸引力，同时生成垂直于薄饼形状的磁通量，这取决于相和几何形状。但是，虽然在本段落中提到了薄饼形状，但是本公开也考虑了例如圆形线圈、板形线圈和螺线管线圈。

在本公开的也许最简单的配置中，低频感应线圈(0.1-120Hz)被放置在铸件的一侧，其轴线在铸造坩埚的垂直方向上对准。可以将线圈的形状和位置设置为使得在使用最低预期频率进行凝固处理时，电磁场可以穿透铸件的所有截面并在其中感应出电流。

可替代地，通过接通和断开施加到任何几何形状的螺线管或电感器的直流电(DC)，在电流改变期间，当感应器被充电时，它生成磁场，类似于AC模拟。这也被称为脉宽调制(PWM)。作为一个示例，DC线圈可以与来自适用于单相使用的Ac/Ac逆变器或DC/AC逆变器的脉冲电流一起使用，但是也可以例如由标准DC驱动器来使用，该标准DC驱动器可以在可控速率下脉冲驱动。这施加了变化电流的频率，而极化始终保持相同的方向，因此线圈经历DC电流，从而在通电期间生成磁通量。

如前所述，不管电磁场的来源如何，本公开的一个特征是在凝固期间将铸件暴露于相对低的功率。在本公开的某些地方，这被表示为在熔化金属被凝固时不产生主体流的系统。所需的低功率EM晶粒细化工艺的替代效果仅限于(如果有的话)在凝固期间将感应出的热量添加到金属铸件。而且，优先的是，当系统通电以在凝固铸造中对晶粒结构进行细化时，依据所施加的频率，供应给系统的元件并用于生成感应力的功率的少于10％或5％或1％或1/2％被转化为热量。

在图1-4中示出了用于AC和DC系统的本公开的若干概念构思。

在图1中，描绘了使用直接通过金属施加的AC电流的DC EM压铸装置的示意图。可以以本领域中任何已知方式包含的铸造金属，诸如砂模，都被DC线圈径向束缚(一侧或两侧的薄饼感应线圈也是可行的)。在模具的每一端都提供AC连接。在图2中，DC线圈被一对DC亥姆霍兹线圈代替。

在图3-5中，示出了位于铸造模具的一端处的单个AC板感应线圈的示意图。12匝煎饼线圈的形状是，例如矩形6.5mm的矩形铜管，其壁厚为1mm，直径为14mm。可以提供围绕线圈的磁屏蔽。在某些情况下，优选的是围绕各个线圈提供套筒，例如(SiO₂)。

在图6中示出了类似的概念，其中一对AC板感应线圈在软磁铁芯屏蔽内相对于彼此偏置。这提供了具有两相的AC场(层叠支腿上的两个线圈)。线圈分别重叠在两个支腿上，其中心支腿被两个线圈包围。当施加相时，这生成移动磁波。这个概念提供了两种不同的AC相，具有低频感应的微小速度流，将由于电磁力产生的晶粒细化与微小搅拌动作(小于主体流)相结合，从而减少了凝固期间所施加的铸造合金的偏析。

示例

如图7中所示，具有SiO₂套筒的圆形单线圈被用于调查在熔化的铝的凝固期间的弱线性EM场。图7图示了具有16匝的圆形单线圈。在某些测试中，如图8中所示，使用具有SiO₂套筒的双圆形线圈(31匝)评估更强的EM场。图9中图示了煎饼线圈(例如，图4和5)相对于铸造模具的相对定位。图10提供了与双圆形线圈(如图所示)和单圆形线圈一起使用的测试设置的示意图。

通过玻璃纤维套筒(SiO₂)和高温玻璃纤维带，提供线圈的电绝缘和物理完整性。还构思了使用纤维带、环氧树脂、硅聚合物橡胶或其它支撑材料。将线圈进行水冷(本公开还构思了乙二醇、两相油和雾化涂层或冷却用替代品)以去除涡流中的热量、线圈的电阻性热量以及来自热金属的辐射热。

下表提供了单线圈、双线圈和煎饼线圈的示例性维度。

表

	单位	缩写	单	双	煎饼
						内直径	M	D<sub>c</sub>	0.1315	0.1315	0.2
半径	M	r	0.06575	0.06575	0.14
						面积	m<sup>2</sup>	A	0.0135	0.0135	-
匝		N	16	31	12
						高度	m	I<sub>c</sub>	0.1058	0.111	0.006

坩埚的外半径在顶部直径处为10cm，容量约为0.8l。在空气气氛中使用电阻炉加热和熔化金属。不强制进行凝固，将坩埚预热。在电阻炉中，将金属温度设置为800℃，并且在使线圈通电之前对其进行测量。

当达到所需温度时，将坩埚放置在预热的砂床上。使用圆形线圈的试验允许将坩埚放置在线圈内，而将煎饼线圈放置在坩埚的顶部。

线圈由50Hz单相可变电源供电，在40V时可提供高达400A的电流。每个线圈使用纯铝评估3次。

实验表明，7匝煎饼线圈能够在铸件的中心生成强磁场，而EM通量产生振动，并感应出足以搅拌线圈下方的金属的微小流场。样本在壁区域处的峰速度被计算为3.4cm/s。上部截面中存在旋度，其使液态铝朝着壁以大约2.5cm/s加速。中央的旋度从底部向上移动。所使用的50Hz的频率允许穿透大约30mm的深度，使得洛伦兹力扩展坩埚的整个深度。对驱动速度的磁通密度进行建模，使其在坩埚内金属表面的峰值约为～11mT。

相对于金属的表面上的通量评估了各种屏蔽材料，结果在下面的图中示出。

该图示出了坩埚金属层表面上的磁通密度的r分布，如图像右侧的小示意图所示，跟随着指向右侧的箭头。不同的线表示不同的材料特性以及磁屏蔽对EM通量密度的影响。

屏蔽材料对金属坩埚中心(沿着向下指的箭头的z轴)的磁通强度的影响在下图中示出。50Hz的频率允许大约30mm的穿透深度，这表明可以在坩埚的前三个穿透深度内以及在100mm的完整深度起泡时，产生洛伦兹力。

该图示出了坩埚中的金属的中心(r＝o)处的磁通密度的z轴分布，如图像右侧的小示意图所示，由向下指的箭头指示，反映出使用煎饼线圈设置反射的坩埚磁通强度的中心。不同的线表示不同的材料特点特性，以及磁屏蔽在z轴上对EM通量密度的影响。

已发现，屏蔽有助于增加通量。硅钢，诸如GO(晶粒取向)的3wt％Si，层压的或(FM-B)Si-Fe，在坩埚中心的通量增加了几乎250％。软磁铁氧体铁屏蔽具有180％的额外磁场强度，剩余的磁通量经由屏蔽金属的感应发热而消散。

已经计算出在壁区域处实验中的峰速度为5.9cm/s。上部截面中存在旋度，使液态铝朝着壁以大约4.5cm/s加速。中央的旋度以相似的速度从底部向上移动。在稳态下，坩埚内的速度均匀化为彼此相对的两个旋度，从而在中心引起向下流动，在壁区域引起向上流动。驱动速度的磁通密度在坩埚的金属表面的峰值为-22mT。

根据评估磁通量对晶粒结构的影响的另一组实验，在图10的配置中评估了当用100A电流通电时，提供峰值磁通密度为15mT的单个线圈(参见图7)和提供峰值磁通密度为28mT的双圆形线圈(参见图8)。对煎饼线圈进行了电气测试。电气数据在表2中示出。

表2：用100A的可变电源获得的电气数据。

		煎饼线圈	单圆形线圈	双圆形线圈
					峰磁通量	mT	9.8	15	28
激励电流	A	100	100	100
					电压	V	3.6	4.8	11
功率	VAr	360	480	1100
					电感	μH	18	26	104

与加热到800℃、从炉中移出并在砂床中凝固的铸造纯铝相关联地测试单线圈和双圆形线圈中的每一个。

对所得铸件进行切片、抛光、蚀刻和目视检查。未经处理的样本的铝晶粒可以用肉眼观察到，因为这些晶粒的直径为几毫米。凝固前沿遵循温度梯度从外壳朝着金属样本的中心开始产生。在样本底部的(由于氢气和其它气体在铝合金中的收缩以及溶解度不同而产生)的气腔中可见到枝晶生长结构。对DAS的3D结构进行观察，可看到对称的金字塔成长进入该中空的空间中。

蚀刻之后的目视检查表明，该实验方案通过在凝固期间对铝施加弱场，改变了铸铝的微观结构。圆形单线圈用100A通电，具有0.48kVar，从而在金属坩埚界面处产生15mT的最大交变磁场，并朝着坩埚中心呈指数衰减。消除了未经EM处理的纯铝合金的晶粒结构变化和正常凝固结构。DAS被打断，但仍在生长，同时观察到较小的晶粒。此外，气腔变小并且从金属样本的底部移动到中心，这能够与弱感应速度场相关。与没有经过弱EM处理的对比样本相比，腔体的表面更光滑并且DAS的3D结构更小。

被测试的最强磁场是由双线圈生成的。将填充有800C热金属的坩埚放入圆形双线圈内后，将该线圈通电。激励电流为100A，具有1.1kVar，从而在金属坩埚界面处产生最大交变磁场28mT。对铸铝的目视检查表现出精细的晶粒结构，特别是在铸件的下部。气腔从金属铸造的底部移动到顶部，与表面连接，并允许在凝固和收缩期间排出气体。

测试表明，对于0.8L尺寸的坩埚，由单相AC感应线圈生成的15至28mT范围内的可变磁场是非常有益的。而且，穿透深度看起来足以使EM振动对凝固结构产生有益影响。一般而言，以Tesla为单位的磁场表示被铸造金属与所施加的EM场之间可能的相对相互作用，而所施加的频率表示受影响的被铸造金属的体积。广义地说，对于典型的铸件(诸如发动机缸体)，在15mT至1T范围内(例如200mT)的可变磁场可以是有益的；对于铸件(诸如车轮)，可变磁场在5mT至250mT的范围内(例如60mT)可以是有益的。

本实验进一步证明，较小的感应速度是有益的，并且允许金属在不显著降低凝固温度的情况下凝固。依据所使用的几何形状和合金，优选的是，在800℃及以下铝合金的铸造内的速度在大约大于0和12cm/s之间的范围内。单线圈表现出在坩埚表面有大约4cm/s的最大速度。双线圈提供了在8至10cm/s范围内的坩埚表面速度。

当观察一个单一的感应系统时、并且当降低频率时，磁场强度也会降低，因为每次电流的变化较小。尽管如此，EM穿透深度会增加，从而增大了磁通量与金属的相互作用的体积，因此，较低的频率会增大体积，同时减小这个体积上的力分布。本公开的一个有趣的方面是，在凝固期间，存在电导率的变化、穿透深度随着在最低电阻的路径中流动的电流而发生的变化、以及涡电流的生成的变化。在不受理论束缚的情况下，认为通过改变整个凝固期间的功率和/或频率以将能量集中在感兴趣的区域中，EM相互作用可以支持在没有主体流的情况下对微观结构进行细化。

本公开构思了几种电磁铸造配置。所公开的系统旨在单独地或以结合EM压力速度的方式提供EM振动。该系统可以有能力在整个凝固过程中提供变化的频率，使得可以基于金属电导率和合金成分来修改该频率和/或强度。这允许该系统能够被定制以主要在凝固前沿感应EM振动和EM压力。本公开还构思了在凝固期间在不同线圈上施加的AC和DC电流的组合使用，以在铸件内的(一个或多个)感兴趣区域(诸如移动的凝固前沿)处提供洛伦兹力。

现在参考图11，描绘了EM振动铸造模型。在这种配置中，在铸件的顶部和底部区域提供AC/DC线圈。在铸件的顶表面中提供电流出口，在铸件的底表面中提供电流入口。这个实施例提供了较大的应用几何形状的优点，因为线圈可以处于非常低的频率或DC，从而提供最大穿透深度(B)，而AC电流被直接施加到铸件(J)，通过公式F_L＝J×B在大多数电流通过的区域生成洛伦兹力。由于金属内部从液体到固体的电导率差异，电流将优先选择金属的固体部分，与磁场一样。这将在生长中的DAS和SDAS内以及在凝固前沿的界面处感应出洛伦兹力。继续参考图12，可以与连续铸造工艺(诸如与线材、棒材和/或触变铸件)一起使用类似的配置。

现在参考图13，描绘了强EM振动模型。在这种配置中，DC/低频AC线圈被放置在铸件的上下表面附近，而AC/DC线圈被放置在(一个或多个)DC/低频AC线圈的中间。该模型提供了与图11和12的设计相似的优点。它还提供了AC场的非接触感应的额外优点，从而进一步减少了电流连接器的磨损和/或相互作用。继续参考图14，具有较高生产率的线材和/或棒材的挤出物、线、棒在晶粒细化阶段将是非接触的，因此没有磨损，因此。应当注意的是，虽然图示了一组三个线圈，但是商业实施例可以包括更多线圈(例如，多达10个线圈或更多)和/或可以使用类似的布置来形成触变铸件，从而使得设计适于生产。实际上，要注意的是，本文公开的任何线圈配置都被认为适用于单模和连续铸造工艺。

现在转向图15，描绘了EM压力模型。特别地，差压模具与第一DC或低频AC线圈和AC线圈组合使用。这是用于汽车轮辋、活塞、半锻高质量零件或其它高质量要求产品的标准CPC(差压铸造)或PCP(增压铸造工艺)的说明。压力通常由金属熔池内的机械泵和/或模具内的真空(差压铸造)产生。感应线圈可以改善晶粒结构、宏观偏析和均匀性，而增压铸造进一步降低收缩率和孔隙率。

已经参考优选实施例描述了示例性实施例。显然，在阅读和理解了前面的详细描述之后，其他人将想到修改和变更。意图将示例性实施例解释为包括所有此类修改和更改，只要它们落入所附权利要求或其等同物的范围内即可。

Claims (24)

1.一种用于被铸造金属的电磁细化的方法，其中电磁约束场在凝固过程中作用于熔化的金属上，所述方法包括对所述金属施加单相磁场，所述场是通过仅放置在所述金属的一侧的低频感应线圈施加的。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述低频包括0.1–120Hz。

3.如权利要求2所述的方法，其中所述频率是准正弦的。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述低频包括脉冲DC。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述线圈的形状和位置被设置为使得相关联的电磁场能够穿透所述铸件的所有截面并在其中感应出电流。

6.如权利要求1所述的方法，其中所述场满足小于2Tesla和6-60Hz两种范围中的至少一个。

7.如权利要求1所述的方法，其中所述线圈以小于800amps的功率操作。

8.一种用于轻金属的电磁铸造的方法，其中电磁场在凝固过程中作用于熔化的金属上，所述电磁场由感应线圈提供，其中，所述感应线圈在凝固期间提供小于约2Tesla的场。

9.如权利要求8所述的方法，其中施加的电流是单相的交流电流。

10.如权利要求8所述的方法，其中所述感应线圈是单层线圈或多层线圈。

11.如权利要求8所述的方法，其中频率和/或功率和/或电流在凝固处理期间被修改。

12.如权利要求8所述的方法，其中所施加的频率包括0.1-120Hz或甚至240Hz。

13.如权利要求8所述的方法，其中所述线圈的形状和位置被设置为使得对于最低的施加频率，相关联的电磁场能够穿透铸件的前两个穿透深度内的所有截面并在其中感应出电流。

14.如权利要求6所述的方法，其中所述线圈在小于800A的电流下操作。

15.如权利要求6所述的方法，其中在所述方法的至少一部分期间，所述熔化的金属被凝固的表面速度在约0和12cm/s之间。

16.如权利要求8所述的方法，所述方法是连续铸造。

17.如权利要求8所述的方法，其中被铸造的轻金属包括合金，并且其中所述电磁场被维持但在所述凝固处理期间减小。

18.如权利要求8所述的方法，其中所述电磁场是至少基本上静态的。

19.如权利要求8所述的方法，其中所述电磁场是正弦的或准正弦的。

20.如权利要求8所述的方法，其中所述电磁场是脉冲DC。

21.如权利要求8所述的方法，其中使用逆变器。

22.如权利要求8所述的方法，其中供应给系统以产生所述电磁场的功率引起所述被铸造金属的温度的小于10％的升高。

23.如权利要求8所述的方法，其中线圈的频率被维持但在凝固期间降低。

24.如权利要求8所述的方法，其中线圈的电流在凝固期间增加。

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