專利名稱：利用強(qiáng)磁場細(xì)化晶粒的方法及其專用金屬凝固鑄造裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種細(xì)化晶粒的新方法，具體是利用穩(wěn)恒強(qiáng)磁場增大金屬熔體的形核過冷度以實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化，應(yīng)用于材料加工技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
金屬液在常規(guī)條件下凝固時，由于存在雜質(zhì)等諸多原因，在平衡熔點(diǎn)以下零點(diǎn)幾度往往就會凝固，凝固組織一般由表面的柱狀晶和中心的等軸晶組成，晶粒粗大，鑄坯性能較差。金屬材料中晶粒大小對其性能有重要的影響，金屬材料的強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性都隨著晶粒尺寸的減少而提高。晶粒細(xì)化是改善材料力學(xué)性能和使用性能的一種非常重要的手段。細(xì)化晶粒的傳統(tǒng)方法在細(xì)化晶粒方面存在諸多不足。如化學(xué)細(xì)化法是在液態(tài)金屬中添加孕育劑，變質(zhì)劑以增加形核質(zhì)點(diǎn)，這種方法細(xì)化晶粒效果顯著。但這種方法會造成環(huán)境污染，添加劑也會污染金屬液而影響材料的回收利用。物理細(xì)化法則是利用機(jī)械力的作用如機(jī)械攪拌，電磁攪拌使金屬液產(chǎn)生強(qiáng)烈的對流，造成枝晶斷裂以細(xì)化晶粒。但強(qiáng)烈攪拌會增加金屬熔體與空氣接觸面，增加氧化物夾雜，對金屬液造成污染。且設(shè)備及工藝復(fù)雜。因此，探索和開發(fā)先進(jìn)的晶粒細(xì)化方法成為材料研究的新方向。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)存在的不足，提供一種利用強(qiáng)磁場細(xì)化晶粒的方法及其專用金屬凝固鑄造裝置，采用對金屬液沒有污染的綠色環(huán)保的細(xì)化晶粒工藝，通過利用強(qiáng)磁場獲得一定過冷度的金屬熔體，在過冷條件下澆注實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化。這種方法利用穩(wěn)恒強(qiáng)磁場抑制金屬熔體的形核，增大形核過冷度，增加形核速率，實(shí)現(xiàn)鑄坯晶粒細(xì)化。避免了傳統(tǒng)晶粒細(xì)化方法帶來的種種弊端。且這種晶粒細(xì)化方法設(shè)備及工藝簡單，有利于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用。此外，這種方法還可以避免在澆注過程中由于鑄模各部位散熱條件的不同而引起鑄坯凝固組織的不均勻，同時避免成分偏析等。為達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
一種利用強(qiáng)磁場細(xì)化晶粒的方法，利用強(qiáng)磁體產(chǎn)生穩(wěn)恒強(qiáng)磁場，金屬熔體在穩(wěn)恒強(qiáng)磁場作用下過冷至熔點(diǎn)以下某一溫度，并在過冷溫度范圍內(nèi)迅速澆注，實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化。還有一種實(shí)現(xiàn)利用強(qiáng)磁場細(xì)化晶粒的方法的專用金屬凝固鑄造裝置，包括坩堝、加熱爐、水冷套、塞棒和鑄模，坩堝安裝在加熱爐內(nèi)進(jìn)行加熱，使在坩堝內(nèi)裝載的金屬材料熔化形成液態(tài)的金屬熔體，水冷套對加熱爐外部進(jìn)行冷卻，塞棒堵住坩堝底部的出口，鑄模放置在坩堝底部的出口的下方，坩堝的外圍還包繞設(shè)置強(qiáng)磁體，使坩堝放置在強(qiáng)磁體所產(chǎn)生的磁場中，強(qiáng)磁體也通過水冷套進(jìn)行冷卻,強(qiáng)磁體向坩堝中的金屬熔體施加穩(wěn)恒強(qiáng)磁場，通過調(diào)節(jié)強(qiáng)磁體使金屬熔體的溫度降到該金屬熔點(diǎn)與強(qiáng)磁場下形核溫度之間，使金屬熔體處于過冷狀態(tài)，熱電偶直接測量坩堝中的金屬熔體的溫度，通過調(diào)節(jié)磁場強(qiáng)度來控制金屬熔體的過冷度，開啟塞棒，使處于過冷態(tài)的金屬熔體迅速倒入鑄模中凝固，獲得晶粒細(xì)小的金屬凝固組織。水冷套最好以接觸方式安裝在強(qiáng)磁體的空腔內(nèi)部。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)
1.本發(fā)明利用強(qiáng)磁場控制金屬熔體的過冷度，是利用強(qiáng)磁場改變金屬材料自身的性質(zhì)而實(shí)現(xiàn)過冷，實(shí)現(xiàn)了鑄造產(chǎn)品無污染的晶粒細(xì)化效果；
2.本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)金屬熔體在過冷條件下的整體凝固，可以避免因由表及里的凝固收縮引起的孔洞，元素偏析等現(xiàn)象；
3.本發(fā)明在澆注過程引入穩(wěn)恒強(qiáng)磁場，不影響澆注過程，操作方便，設(shè)備和工藝簡單，有利于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)使用。


圖1是本發(fā)明本發(fā)明金屬凝固鑄造裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式結(jié)合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例詳述如下
參見圖1，一種金屬凝固鑄造裝置，包括坩堝6、加熱爐1、水冷套2、塞棒8和鑄模5，坩堝6安裝在加熱爐I內(nèi)進(jìn)行加熱，使在坩堝6內(nèi)裝載的金屬材料熔化形成液態(tài)的金屬熔體7，水冷套2對加熱爐I外部進(jìn)行冷卻，塞棒8堵住坩堝6底部的出口，鑄模5放置在坩堝6底部的出口的下方，坩堝6的外圍還包繞設(shè)置強(qiáng)磁體3，使坩堝6放置在強(qiáng)磁體3所產(chǎn)生的磁場中，強(qiáng)磁體3也通過水冷套2進(jìn)行冷卻，使強(qiáng)磁體3與熱流隔離，強(qiáng)磁體3向坩堝6中的金屬熔體7施加穩(wěn)恒強(qiáng)磁場，通過調(diào)節(jié)強(qiáng)磁體3使金屬熔體7的溫度降到該金屬熔點(diǎn)與強(qiáng)磁場下形核溫度之間，使金屬熔體7處于過冷狀態(tài)，熱電偶4直接測量坩堝6中的金屬熔體7的溫度，通過調(diào)節(jié)強(qiáng)磁體3的磁場強(qiáng)度來控制金屬熔體7的過冷度，開啟塞棒8，使處于過冷態(tài)的金屬熔體7迅速倒入鑄模5中凝固，獲得晶粒細(xì)小的金屬凝固組織。在本實(shí)施例中，加熱爐I放置在水冷套2內(nèi)部，水冷套2可避免加熱爐I產(chǎn)生的熱量損害強(qiáng)磁體3。坩堝6熔化金屬并獲得金屬熔體7，熱電偶4測量金屬熔體7的溫度。在本實(shí)施例中，金屬凝固鑄造裝置利用強(qiáng)磁體3產(chǎn)生穩(wěn)恒強(qiáng)磁場，金屬熔體7在穩(wěn)恒強(qiáng)磁場作用下過冷至熔點(diǎn)以下某一溫度，并在過冷溫度范圍內(nèi)迅速澆注，實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化。在利用本實(shí)施例金屬凝固鑄造裝置過程中，首先將金屬材料放入坩堝6中，加熱到一定溫度將其完全熔化獲得金屬熔體7。調(diào)節(jié)強(qiáng)磁體3，在強(qiáng)磁體3空腔內(nèi)部產(chǎn)生某一磁場強(qiáng)度的穩(wěn)恒磁場。以設(shè)定的冷卻速率冷卻金屬熔體7，用熱電偶4實(shí)時監(jiān)測金屬熔體溫度。待溫度降到金屬熔點(diǎn)與強(qiáng)磁場下形核溫度之間的設(shè)定溫度值時，開啟塞棒8，金屬熔體7迅速倒入鑄模5中凝固，獲得晶粒細(xì)小的凝固組織。本實(shí)施例中，澆注過程與傳統(tǒng)的澆注工藝完全一樣，唯一不同的是引入了強(qiáng)磁場到金屬熔體中，利用強(qiáng)磁場增大形核過冷度以細(xì)化晶粒，不污染金屬，設(shè)備及操作簡單，有利于工業(yè)大規(guī)模應(yīng)用。上述水冷套2最好以接觸方式安裝在強(qiáng)磁體3的空腔內(nèi)部，迎向熱流方向，可以更好地避免加熱爐I產(chǎn)生的熱量損害強(qiáng)磁體3。本發(fā)明的基本原理
近年來，利用物理場如磁場、電場等控制凝固組織已成為一個新的研究領(lǐng)域。人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，物理場對金屬凝固組織，相變等方面有顯著的影響。在外場作用下金屬凝固過程出現(xiàn)了一些新現(xiàn)象，本發(fā)明的外加物理場通過無接觸方式相互作用，避免了對材料和環(huán)境的污染，從而可以實(shí)現(xiàn)材料的清潔加工和循環(huán)利用。本發(fā)明采用的強(qiáng)磁場能夠抑制金屬晶體形核，增加形核過冷度。利用這原理，當(dāng)金屬熔體在強(qiáng)磁場作用下過冷到熔點(diǎn)以下某一溫度，迅速澆注，就可以實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化。上面結(jié)合附圖對本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)行了說明，但本發(fā)明不限于上述實(shí)施例，還可以根據(jù)本發(fā)明的發(fā)明創(chuàng)造的目的做出多種變化，凡依據(jù)本發(fā)明技術(shù)方案的精神實(shí)質(zhì)和原理下做的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，只要符合本發(fā)明的發(fā)明目的，只要不背離本發(fā)明利用強(qiáng)磁場細(xì)化晶粒的方法及其專用金屬凝固鑄造裝置的技術(shù)原理和發(fā)明構(gòu)思，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種利用強(qiáng)磁場細(xì)化晶粒的方法，其特征在于利用強(qiáng)磁體產(chǎn)生穩(wěn)恒強(qiáng)磁場，金屬熔體在穩(wěn)恒強(qiáng)磁場作用下過冷至熔點(diǎn)以下某一溫度，并在過冷溫度范圍內(nèi)迅速澆注，實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化。
2.一種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述的利用強(qiáng)磁場細(xì)化晶粒的方法的專用金屬凝固鑄造裝置， 包括坩堝(6)、加熱爐(I)、水冷套(2)、塞棒(8)和鑄模(5)，所述坩堝(6)安裝在所述加熱爐(I)內(nèi)進(jìn)行加熱，使在所述坩堝(6)內(nèi)裝載的金屬材料熔化形成液態(tài)的金屬熔體(7)，所述水冷套(2)對所述加熱爐(I)外部進(jìn)行冷卻，所述塞棒(8)堵住所述坩堝(6)底部的出口， 所述鑄模(5)放置在所述坩堝(6)底部的出口的下方，其特征在于所述坩堝(6)放置在強(qiáng)磁體(3 )所產(chǎn)生的磁場中，所述強(qiáng)磁體(3 )與所述加熱爐(I)通過所述水冷套(2 )進(jìn)行隔離冷卻，所述強(qiáng)磁體(3)向所述坩堝(6)中的金屬熔體(7)施加穩(wěn)恒強(qiáng)磁場，通過調(diào)節(jié)所述強(qiáng)磁體(3)使金屬熔體(7)的溫度降到該金屬熔點(diǎn)與強(qiáng)磁場下形核溫度之間，使金屬熔體(7) 處于過冷狀態(tài)，熱電偶(4)直接測量所述坩堝(6)中的金屬熔體(7)的溫度，通過調(diào)節(jié)所述強(qiáng)磁體(3)的磁場強(qiáng)度來控制金屬熔體(7)的過冷度，開啟所述塞棒(8)，使處于過冷態(tài)的金屬熔體(7)迅速倒入所述鑄模(5)中凝固，獲得晶粒細(xì)小的金屬凝固組織。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的金屬凝固鑄造裝置，其特征在于所述水冷套(2)以接觸方式安裝在所述強(qiáng)磁體(3)的空腔內(nèi)部。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用強(qiáng)磁場細(xì)化晶粒的方法，利用強(qiáng)磁體產(chǎn)生穩(wěn)恒強(qiáng)磁場，金屬熔體在穩(wěn)恒強(qiáng)磁場作用下過冷至熔點(diǎn)以下某一溫度，并在過冷溫度范圍內(nèi)迅速澆注，實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化。本發(fā)明還公開了一種金屬凝固鑄造裝置，坩堝的外圍包繞設(shè)置強(qiáng)磁體，強(qiáng)磁體向坩堝中的金屬熔體施加穩(wěn)恒強(qiáng)磁場，通過調(diào)節(jié)強(qiáng)磁體使金屬熔體的溫度降到該金屬熔點(diǎn)與強(qiáng)磁場下形核溫度之間，使金屬熔體處于過冷狀態(tài)，通過調(diào)節(jié)強(qiáng)磁體的磁場強(qiáng)度來控制金屬熔體的過冷度，開啟塞棒，使處于過冷態(tài)的金屬熔體迅速倒入鑄模中凝固，獲得晶粒細(xì)小的金屬凝固組織。本發(fā)明增大形核過冷度，增加形核速率，實(shí)現(xiàn)鑄坯晶粒細(xì)化，且這種晶粒細(xì)化方法設(shè)備及工藝簡單，有利于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用。
文檔編號B22D27/02GK103008623SQ201210569749
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月25日
發(fā)明者任忠鳴, 李傳軍 申請人:上海大學(xué)