CN113136491B - 一种金属的晶粒细化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种金属的晶粒细化方法，该方法包括：同时倾倒第一金属熔体和第二金属熔体；使所述第一金属熔体的倾倒流体与所述第二金属熔体的倾倒流体在倾倒过程中交汇、混合，形成第三金属熔体；本发明利用左右倾转边包使两种不同成分、温度的母合金液以一定速度同时倾倒，在空中汇合、流入中间包中得到混合均匀的目标合金，随后将目标合金浇入铸型凝固成形。此方法的优势在于左右两个浇包的熔体同时浇入中间包后，混合熔体在宏观上成分、温度更加均匀，但在微观上形成更多、更细小的温度、成分不均匀的小熔池，提高了在随后凝固中的形核率，获得组织更为细小的铸件。同时，由于没有机械搅拌的作用，避免了对熔体的污染、氧化和吸气。

Description

一种金属的晶粒细化方法
技术领域
本发明涉及铸造技术领域，特别是涉及一种金属的晶粒细化方法。
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。常见的晶粒细化方法有：添加晶粒细化剂、电磁搅拌、超声振动、快速凝固等，但因易造成溶体污染或需昂贵的设备或严苛的外部条件使其应用受到或多或少的限制因此，开发新的晶粒细化技术很有必要。
1978年，美国学者Langford.G和Robert.E在铸钢组织细化的研究过程中，首次提出扩散凝固(Diffusion Solidification)的概念。随后Langford.G和Apelian.D在此基础上对扩散凝固进一步的探索和完善，建立了受控扩散凝固(Controlled diffusionsolidification)，简称CDS。CDS是一种新型的、有应用前景的晶粒细化工艺，它不像常规凝固需要依靠热流控制，而是一种由温度扩散和成分扩散共同控制的新工艺。该方法首先依据所得目标合金(Alloy3)的成分，然后经过热力学计算来确定所需的两种母合金(Alloy1、Alloy2)的温度和成分。使混合熔体的温度维持在目标合金液相线附近，然后浇铸凝固，获得细小等轴晶组织的铸件。
在该技术中，首先将母合金Alloy 1和母合金Alloy 2的温度控制到各自预定的浇注温度，然后将母合金熔体Alloy 1浇入放有母合金熔体Alloy 2的坩埚中并迅速搅拌，使目标合金熔体Alloy 3在宏观上温度、成分均匀，最后将所得到的目标合金熔体Alloy 3浇入铸型中凝固得到铸件；在这一混合过程中，目标合金Alloy 3熔体中形成许多“温度起伏”和“成分起伏”的小熔池，即在微观区域温度、成分更不均匀，从而提高了形核率，达到细化晶粒的目的。从上述制备技术来看，这是一种操作简单且有效的晶粒细化方法，但是在两种母合金熔体混合的过程中，将一种合金浇入另一种合金中，在短时间内混合后的熔体无法达到“宏观均匀、微观不均匀”的要求，需要机械搅拌，但机械搅拌，一方面搅拌器会污染熔体，另一方面增加了熔体的氧化和吸气，且搅拌工艺很难掌控，使得晶粒尺寸不够细小，最终影响到铸件的性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种金属的晶粒细化方法，以解决上述现有技术存在的问题，该方法无需机械搅拌的作用，避免了对熔体的污染，并可获得组织更为细小的铸件。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种金属的晶粒细化方法，包括：
同时倾倒第一金属熔体和第二金属熔体；
使所述第一金属熔体的倾倒流体与所述第二金属熔体的倾倒流体在倾倒过程中交汇、混合，形成第三金属熔体。
进一步地，所述第一金属熔体与所述第二金属熔体具有不同的成分和温度。
进一步地，所述第一金属熔体和所述第二金属熔体的吉布斯自由能的加权平均值
Figure BDA0003039256980000021
小于等于第三金属熔体在液相线温度下的吉布斯自由能
Figure BDA0003039256980000022
即：
Figure BDA0003039256980000031
其中，
Figure BDA0003039256980000032
其中，f1、f2分别为第一金属熔体与第二金属熔体的质量分数，G1、G2分别为第一金属熔体与第二金属熔体的吉布斯自由能。
进一步地，还包括：调整所述第一金属熔体和所述第二金属熔体的倾倒速度，使所述第一金属熔体和所述第二金属熔体同时交汇、倾倒完。
进一步地，还包括：待所述第三金属熔体液面平稳后，浇铸。
本发明还提供一种实施上述的金属的晶粒细化方法的装置，包括：
第一倾转边包和第二倾转边包，分别用于盛放所述第一金属熔体和所述第二金属熔体；
中间包，用于盛放所述第三金属熔体；
铸型，用于所述第三金属熔体浇铸成型。
混合时要确保两种熔体先在空中交汇、混合，在重力和冲击力的作用下发生碰撞，增加了熔体混合过程中的对流强度，随后浇入中间包。混合后的熔体在宏观上成分、温度更加均匀，但在微观上形成更多、更细小的温度、成分不均匀的小熔池，从而提高了在后续凝固中的形核率，获得组织更为细小的铸件。
本发明公开了以下技术效果：
本发明利用左右倾转边包使两种不同成分、温度的母合金液以一定速度同时倾倒，在空中汇合、流入中间包中得到混合均匀的目标合金，随后将目标合金浇入铸型凝固成形。此方法的优势在于左右两个浇包的熔体同时浇入中间包后，混合熔体在宏观上成分、温度更加均匀，但在微观上形成更多细小的温度、成分不均匀的小熔池，提高了在随后凝固中的形核率，获得组织更为细小的铸件。同时，由于无需机械搅拌，避免了对熔体的污染、氧化和吸气。
左右两个倾转边包的熔体同时浇入中间包后，熔体在中间包内产生爆发式形核，细化晶粒；传统的受控扩散凝固是将一种合金熔体Alloy 1浇入装有另一种合金熔体Alloy2的坩埚中，在这一过程中往往要进行搅拌，使得混合后的合金熔体Alloy 3在宏观上成分、温度更加均匀。而本发明在两种熔体的混合过程中不需要借助外界工具进行搅拌，仅通过自身的重力作用下就可以达到宏观均匀、微观不均匀的条件。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施金属的晶粒细化方法的装置结构示意图，其中，1-第一倾转边包，2-第二倾转边包，3-第一金属熔体，4-第二金属熔体，5-中间包，6-第三金属熔体，7-铸型。
图2为实施例1所制得的Al-8Si合金金相组织照片。
图3为实施例2所制得的Al-8Si合金金相组织照片。
图4为实施例3所制得的Al-8Si合金金相组织照片。
图5为对比例1所制得的Al-8Si合金金相组织照片。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
实施例1
采用如图1所示的装置，本实施例的金属的晶粒细化方法，包括以下步骤：
(1)将熔炼好的第一金属熔体纯Al浇入第一倾转边包中保温，保温温度为665℃；将熔炼好的第二金属熔体Al-12Si浇入第二倾转边包中保温，保温温度为585℃；其中纯Al为1.34kg，Al-12Si合金为2.66kg。
(2)将第一倾转边包和第二倾转边包调整到合适位置(两熔体将流出但未流出)并设置第一倾转边包的倾转速度为6°/s，第二倾转边包的倾转速度为9°/s。
(3)将第一金属熔体和第二金属熔体同时倾倒浇入中间包，使第一金属熔体的倾倒流体与第二金属熔体的倾倒流体在倾倒过程中交汇、混合，得到4kg的第三金属熔体Al-8Si合金，即2.5s内混合完成。
(4)待混合完成后，将中间包的第三金属熔体浇入铸型中得到最终的铸件，所得铸件的金相组织如图2，其平均晶粒尺寸为48μm。
实施例2
实施例2与实施例1的不同之处在于，步骤(2)和(3)中第一倾转边包的倾转速度设置为5°/s，第二倾转边包的倾转速度设置为7.5°/s，即在3s内混合完成。重复步骤(1)、(4)，得到最终的铸件，所得铸件的金相组织如图3，其平均晶粒尺寸为63μm。
实施例3
实施例3与实施例1的不同之处在于，步骤(1)中，将熔炼好的第一金属熔体纯Al浇入第一倾转边包中保温，保温温度为665℃；将熔炼好的第二金属熔体Al-11Si浇入第二倾转边包中保温，保温温度为593℃。其中纯Al为1.09kg，Al-11Si合金为2.91kg。步骤(2)和(3)中第一倾转边包的倾转速度设置为4°/s，第二倾转边包的倾转速度设置为8°/s，即在2.5s内混合完成。重复步骤(4)，得到最终的铸件，所得铸件的金相组织如图4，其平均晶粒尺寸为83μm。
对比例1
对比例1以常规方法制备铸件Al-8Si合金，与实施例1的区别在于，直接将熔炼好的第三金属熔体Al-8Si合金在650℃下浇入铸型中，其金相组织如图5，常规方法得到的初生α-Al组织为粗大的树枝状形貌，晶粒的平均尺寸基本大于200μm。其中发达树枝晶中一次枝晶长度可以达到500μm以上。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (3)

1.一种金属的晶粒细化方法，其特征在于，包括：
同时倾倒第一金属熔体和第二金属熔体；
使所述第一金属熔体的倾倒流体与所述第二金属熔体的倾倒流体在倾倒过程中交汇、混合，形成第三金属熔体；调整所述第一金属熔体和所述第二金属熔体的倾倒速度，使所述第一金属熔体和所述第二金属熔体同时交汇、倾倒完；
所述第一金属熔体与所述第二金属熔体具有不同的温度；所述第一金属熔体为纯Al，所述第二金属熔体为体Al-11Si或Al-12Si；
所述第一金属熔体和所述第二金属熔体的吉布斯自由能的加权平均值小于等于第三金属熔体在液相线温度下的吉布斯自由能。
2.根据权利要求1所述的金属的晶粒细化方法，其特征在于，还包括：待所述第三金属熔体液面平稳后，浇铸。
3.根据权利要求1所述的金属的晶粒细化方法，其特征在于，实施所述方法的装置，包括：
第一倾转边包和第二倾转边包，分别用于盛放所述第一金属熔体和所述第二金属熔体；
中间包，用于盛放所述第三金属熔体；
铸型，用于所述第三金属熔体浇铸成型。
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