CN1319682C - 磁致振荡细化金属凝固组织的方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种磁致振荡细化金属凝固组织的方法及其装置，属金属材料复合处理技术领域。本发明方法通过特殊设计的电路及作用线圈而构成的振荡发生装置，导入超高频脉冲磁场，在金属熔体表面而非整个熔体内产生磁致振荡，对金属凝固过程产生作用直至凝固。本发明的专用装置包装有高压脉冲电源(1)、容纳金属的砂型容器(2)、温度采集记录系统(3)、磁致振荡单层线圈(4)和导体(5)；高压脉冲电源(1)由充电系统(6)、高压脉冲电容(7)、高频开关(8)构成。本发明中使用的脉冲电源参数为：输出电压U＝75～4000V，脉冲宽度70～121μs，实际作用频率f＝0.017～2Hz。

Description

磁致振荡细化金属凝固组织的方法及其装置
技术领域
本发明涉及一种磁致振荡细化金属凝固组织的方法及其装置，属于金属材料变质处理技术领域。
背景技术
金属凝固组织细化有利于提高金属的综合性能，针对凝固组织的细化，常用的方法是孕育、变质处理、微合金化或采用物理搅拌等。随着凝固技术的不断发展，许多新兴的凝固组织控制工艺应运而生，其中外场处理对金属凝固组织和固态相变的影响非常显著，已取得了很大进展。外场处在节能节材条件下，减少对环境和材料本身的污染。
在当今外场处理中，主要有电源、磁场、振动、以及微重力和超重力场等，而电流和磁场又可分为非脉冲场和脉冲场，振动也可以分为超声波和机械振动。这些外场能不同程度地改善金属凝固组织，只是其作用机理各不相同。如：在用脉冲电流和脉冲磁场对金属熔体处理时，虽然脉冲电流的作用方式主要是让脉冲电流通过金属熔体来进行，而脉冲磁场的作用方式主要是让脉冲电流通过金属熔体外的磁场线圈来产生磁场作用，但由于电磁感应效应脉冲电流会同时在金属熔体中产生感应磁场。同样脉冲磁场也会同时在金属熔体中产生感应电流，因此脉冲电流和脉冲磁场虽然从原始的处理方式来看有所区别，但从最后的作用来看是非常相似的，因而它们的作用机理都同样可以从电流、磁场等方面来进行分析。
再如：用功率超声波对金属熔体处理时，我们既可用传统的方法来获得超声波，也可以在超强磁场中外加超音频感应电流，通过其相互作用使金属熔体表面产生超声振动从而获得非接触式超声波。使用传统超声波产生方法导入金属熔体时，因工具头与金属熔体的接触而造成相互影响，不利其对熔点较高的金属熔体进行处理。非接触式超声波虽然没有传统超声波因接触而产生的问题，但其对金属熔体处理与传统超声波对金属熔体处理的明显不同是其在金属熔体中又增加了超强磁场的作用。因此通过超强磁场产生的非接触式超声波对金属熔体的作用就是由功率超声波和超强磁场两者共用作用的结果。
在脉冲电流(或称电脉冲)凝固细晶技术中，电流直接通过金属熔体，这不仅影响生产安全，而且当电流较大时会使金属表面产生强烈波动甚至飞溅，造成连铸结晶器内金属液卷渣。在脉冲磁场凝固细晶技术中，虽然电流不直接通过金属熔体，但是强磁场施加到金属熔体后，会在金属熔体产生感应电流，磁场强度较大时，强磁场也会使金属表面产生强烈波动甚至飞溅，造成金属液卷渣。
发明内容
本发明的目的是提供一种磁致振荡细化金属凝固组织的方法及其专用装置。
磁致振荡细化金属凝固组织的技术不同于脉冲磁场和脉冲电流细化金属凝固组织的技术。磁致振荡细化金属凝固组织的技术也不同于超声波细化凝固组织的技术，前者无需设置与液态金属接触的变幅杆。与电磁感应超声波凝固细晶技术相比，无需向金属熔体内部导入强电流和强磁场。
本发明中磁致振荡细化金属凝固组织的方法，通过特殊设计的电路及作用线圈而构成的振荡发生装置，导入超高频脉冲磁场，在金属熔体表面而非整个熔体产生磁致振荡，对金属凝固过程产生作用直至凝固，改善金属凝固组织并使其细化；该方法的特征在于：被处理的金属熔体在相关技术参数特殊设计的磁致振荡发生装置作用下，在表面产生振荡；振荡发生装置由一高压脉冲电源作为供送电源，该高压脉冲电源由充电系统、高压脉冲电容、高频开关、单层放电线圈构成；通过高频开关的控制，使金属凝固熔体表面产生频率较高的强电磁脉冲振荡，在一定振荡强度下改变金属凝固组织形态，细化晶粒；所使用的脉冲电源参数为：输出电压U＝75～4000V，脉冲宽度70～121μs，实际作用频率f＝0.017～2Hz。
本发明磁致振荡细化金属凝固组织的方法所用的一种专用装置，其特征在于该装置包括有高压脉冲电源、容纳金属液的砂型容器、温度采集记录系统、磁致振荡单层线圈和导体；高压脉冲电源由充电系统、高压脉冲电容、高频开关构成；高压脉冲电容通过高频开关由导线与砂型容器外的单层线圈相连接，使高压脉冲电容对单层线圈放电，在金属熔体与放电线圈之间产生脉冲强磁场；盛有金属熔体的砂型容器设置于环状的磁致振荡单层线圈的中心位置，其一侧设置有高压脉冲电源，另一侧设置有自动化的温度采集记录系统装置。
本发明方法的工作原理如下所述：
当砂型容器中的金属熔体处于凝固过程中时，高压脉冲电源中的高压脉冲电容在高频开关的控制下通过导线对设置于砂型容器外的环状单层线圈放电；在金属熔体与放电线圈之间产生脉宽极窄的脉冲强磁场，使金属熔体表面产生感应电流，感应电流和脉冲强磁场相互作用使凝固熔体表面产生脉宽极窄的受迫振荡。在这种快速变化的窄脉冲作用下，感应电流会产生趋肤效应，只集中在金属熔体表面，同时感应电流还会屏蔽脉冲磁场，所以金属熔体内部既没有电流也没有磁场的作用。但在金属熔体表面，感应电流与磁场相互作用，使金属熔体表面受向内的压力，并向内部传播，而当遇到对面的表面时，压缩波就被反射，并变成弛波，这样金属熔体内就会产生磁致振荡。由于振荡频率为超声频率，振荡强度很大时，甚至可能形成空化气泡。同时通过高频开关的控制，可产生重复率较高的磁致脉冲振荡。作用结果可显著改变凝固组织形态，细化粗大晶粒组织，并消除比重偏析。
本发明方法的优点如下：
(1)本发明为新的外场处理技术，虽然其产生振荡的方法是通过电容放电产生脉冲磁场作用于熔体表面，但熔体内部既没有磁场也没有电流；
(2)本发明方法所产生的非接触式振荡解决了接触式超声波导入高温金属熔液中所遇到的污染问题，同样本发明方法无需向金属熔体内部导入强电流和强磁场，这就减少了工业化应用的障碍。
附图说明
图1为本发明磁致振荡细化金属凝固组织方法专用装置的正视示意图。
图2位为本发明磁致振荡细化金属凝固组织方法专用装置的俯视示意图。
图3为图1中高压脉冲电源的简单电路图。
图4为未经处理的金属纯Al凝固组织的显微照片。
图5为经磁致振荡处理后的金属纯Al凝固组织的显微照片(U＝1775V，f＝1.2Hz)。
具体实施方式
现将本发明的实施例叙述于后。
实施例1
参见图1，本发明磁致振荡细化金属凝固组织方法中所用的一种专用装置，包括有高压脉冲电源1、容纳金属液的砂型容器2、温度采集记录系统3、磁致振荡单层线圈4和导体5；参见图2，高压脉冲电源1由充电系统6、高压脉冲电容7、高频开关8构成；高压脉冲电容7通过高频开关8由导线5与砂型容器2外的单层线圈4相连接，使高压脉冲电容7对单层线圈4放电，在金属熔体与放电线圈之间产生脉冲强磁场；装有金属熔体的砂型容器设置于环状的磁致振荡单层线圈的中心位置，其一侧设置有高压脉冲电源1，另一侧设置有自动化的温度采集记录系统装置3。
所使用的脉冲电源参数为：输出电压U＝75～4000V，脉冲宽度70～121μs，实际作用频率f＝0.017～2Hz。
利用本发明方法及其专用装置，对金属纯Al所作的实验，其试验情况及结果叙述如下：
将工业用纯度为99.99％的0号纯铝放置于电阻炉中进行熔化，在800℃温度时保温10分钟，然后从砂型容器顶部注入；砂型的规格为φ50×150mm；同时开启振荡发生电路，产生频率为1.2Hz、电压为1775V的磁致振荡，使其对熔体施振，直至金属铝熔体完全凝固。
经电子显微镜检测，可发现磁致振荡后的纯金属铝锭中绝大部分凝固组织为均匀细化的等轴晶。
参见图3和图4，可见未处理的纯铝金属凝固组织和经磁致振荡处理后的纯铝金属凝固组织有着明显的差别，后者具有大量分布均匀的细小晶体。

Claims (2)

1.一种磁致振荡细化金属凝固组织的方法，通过特殊设计的电路及作用线圈而构成的振荡发生装置，导入超高频脉冲磁场，在金属熔体表面而非整个熔体产生磁致振荡，对金属凝固过程产生作用直至凝固，改善金属凝固组织并使其细化；该方法的特征在于：被处理的金属熔体在相关技术参数特殊设计的磁致振荡发生装置作用下，在表面产生振荡；振荡发生装置由一高压脉冲电源作为供送电源，该高压脉冲电源由充电系统、高压脉冲电容、高频开关、单层放电线圈构成；通过高频开关的控制，使金属凝固熔体表面产生频率较高的强电磁脉冲振荡，在一定振荡强度下改变金属凝固组织形态，细化晶粒；所使用的脉冲电源参数为：输出电压U＝75～4000V，脉冲宽度70～121μs，实际作用频率f＝0.017～2Hz。
2.如权利要求1所述的磁致振荡细化金属凝固组织的方法所用的一种专用装置，其特征在于该装置包括有高压脉冲电源(1)、容纳金属液的砂型容器(2)、温度采集记录系统(3)、磁致振荡单层线圈(4)和导体(5)；高压脉冲电源(1)由充电系统(6)、高压脉冲电容(7)、高频开关(8)构成；高压脉冲电容(7)通过高频开关(8)由导线(5)与砂型容器(2)外的单层线圈(4)相连接，使高压脉冲电容(7)对单层线圈(4)放电，在金属熔体与放电线圈之间产生脉冲强磁场；盛有金属熔体的砂型容器设置于环状的磁致振荡单层线圈的中心位置，其一侧设置有高压脉冲电源(1)，另一侧设置有自动化的温度采集记录系统装置(3)。
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