脈沖電流和液面脈沖磁致振蕩復(fù)合細(xì)化金屬凝固組織方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明屬于金屬凝固組織細(xì)化【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種脈沖電流和液面脈沖磁致振蕩復(fù)合細(xì)化金屬凝固組織方法。該方法是將兩個(gè)電極平行嵌入鑄型的型壁兩側(cè)，電極與鑄型絕緣；將金屬熔體澆注到鑄型中后將非接觸式多層線(xiàn)圈置于金屬液面上方，進(jìn)行脈沖電流和脈沖磁致液面振蕩復(fù)合處理。處理參數(shù)為：脈沖電流峰值為10~30000A，脈沖寬度為10μs~100ms；脈沖頻率為：0.01Hz~4KHz。脈沖電流是通過(guò)激發(fā)熔體形核，進(jìn)而形成結(jié)晶雨來(lái)細(xì)化凝固組織。復(fù)合液面脈沖磁致振蕩處理后可以使形核區(qū)域增加，并取得更好的細(xì)化效果。本發(fā)明裝備價(jià)格低廉，操作簡(jiǎn)單安全，比單一的脈沖電流或單一的液面脈沖磁致振蕩晶粒細(xì)化效果更好，可用于模鑄金屬凝固組織細(xì)化。
【專(zhuān)利說(shuō)明】脈沖電流和液面脈沖磁致振蕩復(fù)合細(xì)化金屬凝固組織方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于晶粒細(xì)化【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種脈沖電流和液面脈沖磁致振蕩復(fù)合細(xì)化金屬凝固組織方法。
【背景技術(shù)】
[0002]脈沖磁致振蕩凝固細(xì)晶技術(shù)是由上海大學(xué)翟啟杰、龔永勇等人提出的。脈沖磁致振蕩技術(shù)利用脈沖電流的趨膚效應(yīng)，在金屬熔體表面施加脈沖磁場(chǎng)，并于熔體表面感應(yīng)出脈沖電流。在熔體表面，脈沖電磁場(chǎng)的相互作用可以產(chǎn)生脈沖電磁力。脈沖電磁力引起熔體表層的強(qiáng)烈振蕩，并利用隨之產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)使型壁處產(chǎn)生的晶核不斷的生成、脫落，也就是振蕩在熔體內(nèi)部引起的結(jié)晶雨現(xiàn)象。脈沖電流是脈沖電磁場(chǎng)的另一種施加方式，脈沖電流作用下的金屬凝固已成為國(guó)內(nèi)外凝固科學(xué)和新材料制備【技術(shù)領(lǐng)域】的國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)。
[0003]由于近年來(lái)鑄錠尺寸的增大，單一的脈沖磁致振蕩技術(shù)和脈沖電流技術(shù)在細(xì)化大型鑄錠的凝固組織時(shí)，電源參數(shù)越來(lái)越大，耗能也隨之增大。而脈沖電流和液面脈沖磁致振蕩復(fù)合細(xì)化金屬凝固組 織則可以解決這個(gè)問(wèn)題。此項(xiàng)技術(shù)通過(guò)增大金屬凝固時(shí)的形核區(qū)域，達(dá)到降低能耗的作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種脈沖電流和液面脈沖磁致振蕩復(fù)合處理細(xì)化金屬凝固組織，解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題。
[0005]由于脈沖電流是通過(guò)激發(fā)熔體形核，從而形成結(jié)晶雨來(lái)細(xì)化金屬凝固組織，但是液面處則沒(méi)有晶核形成。加入液面脈沖磁致振蕩后可以使形核區(qū)域增加，可以更好的細(xì)化金屬凝固組織。經(jīng)計(jì)算，本發(fā)明可將處理區(qū)域面積增加4-16倍。
[0006]本發(fā)明通過(guò)將兩個(gè)電極嵌入在金屬凝固成形用的鑄型上兩側(cè)，在鑄型液面上方放置另一非接觸多式層線(xiàn)圈，使脈沖電流和液面脈沖磁致振蕩可以分別作用在熔體內(nèi)部和表面。本發(fā)明可以在熔體內(nèi)部和液面處均產(chǎn)生強(qiáng)效的電磁力振蕩，促使在液面處和型壁處同時(shí)產(chǎn)生晶核，增大了形核區(qū)域；并能輕易的振碎枝晶并且振落型壁晶核從而促進(jìn)“結(jié)晶雨”的形成，充分細(xì)化金屬凝固組織。
[0007]—種脈沖電流和液面脈沖磁致振蕩復(fù)合細(xì)化金屬凝固組織方法，該方法具有以下工藝過(guò)程:將兩個(gè)電極平行嵌入鑄型的型壁兩側(cè)，電極與鑄型絕緣；將金屬熔體澆注到鑄型中后將非接觸式多層線(xiàn)圈置于金屬液面上方，進(jìn)行脈沖電流和脈沖磁致液面振蕩復(fù)合處理。
[0008]所述脈沖電流和液面脈沖磁致振蕩復(fù)合細(xì)化金屬凝固組織方法，金屬凝固時(shí)，向金屬熔體施加電磁場(chǎng)的裝置有兩個(gè)，一個(gè)是在金屬熔體內(nèi)部，另一個(gè)在金屬熔體外部。
[0009]所述脈沖電流和液面脈沖磁致振蕩復(fù)合細(xì)化金屬凝固組織方法，脈沖電流和液面脈沖磁致振蕩復(fù)合細(xì)化金屬凝固組織的參數(shù)為:脈沖電流峰值10-30000Α，脈沖寬度為10 μ S~IOOms ;脈沖頻率為:0.01Hz~4ΚΗζ。[0010]所述脈沖電流和液面脈沖磁致振蕩復(fù)合細(xì)化金屬凝固組織方法，脈沖電流和液面脈沖磁致振蕩復(fù)合處理的電極斷面尺寸為5?4X104mm2。非接觸式多層線(xiàn)圈匝數(shù)為3?100，層數(shù)為1?3層。非接觸式多層線(xiàn)圈距離金屬熔體自由液面高度為Imm?200mm。
[0011]脈沖電流和液面脈沖磁致振蕩對(duì)金屬熔體進(jìn)行復(fù)合處理的時(shí)候，非接觸式多層線(xiàn)圈與電極可以采用三種連接方式，分別為非接觸式多層線(xiàn)圈與電極并聯(lián)，然后與一臺(tái)脈沖電源連接；非接觸式多層線(xiàn)圈與電極串聯(lián)，然后與一臺(tái)脈沖電源連接；非接觸式多層線(xiàn)圈與電極分別連接一個(gè)脈沖電源。液面脈沖磁致振蕩技術(shù)與脈沖電流兩種技術(shù)對(duì)金屬熔體處理時(shí)有效作用區(qū)域并無(wú)交界，所以對(duì)于非接觸式多層線(xiàn)圈與電極的連接方式從本質(zhì)上是相同的。
[0012]本發(fā)明的有益效果是:
(I)脈沖電流和液面脈沖磁致振蕩復(fù)合細(xì)化金屬凝固組織技術(shù)，同單一的脈沖電流、單一的液面脈沖磁致振蕩相比，可以在熔體內(nèi)部和液面處均產(chǎn)生強(qiáng)效的電磁力振蕩，促使在液面處和型壁處同時(shí)產(chǎn)生晶核，增大了形核區(qū)域，有效處理面積可較單一脈沖電流和液面脈沖磁致振蕩處理時(shí)增加4-16倍，金屬凝固組織得到細(xì)化效果。
[0013](2)本發(fā)明裝備價(jià)格低廉，操作簡(jiǎn)單安全，可用于模鑄金屬凝固組織細(xì)化控制，且拆裝方便。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1是非接觸式多層線(xiàn)圈與電極串聯(lián)，然后與一臺(tái)脈沖電源連接，脈沖電流和液面脈沖磁致振蕩組合細(xì)化金屬凝固組織示意圖。
[0015]其中標(biāo)號(hào):I為非接觸式多層線(xiàn)圈，2為電極，3為金屬熔體，4為鑄型。
[0016]圖2是非接觸式多層線(xiàn)圈與電極并聯(lián)，然后與一臺(tái)脈沖電源連接，脈沖電流和液面脈沖磁致振蕩組合細(xì)化金屬凝固組織示意圖。
[0017]圖3是非接觸式多層線(xiàn)圈與電極分別連接一個(gè)脈沖電源，脈沖電流和液面脈沖磁致振蕩組合細(xì)化金屬凝固組織示意圖。
[0018]圖4是脈沖電流和液面脈沖磁致振蕩復(fù)合處理細(xì)化金屬凝固組織效果圖。其中a為空白對(duì)比，b為單施加脈沖電流進(jìn)行處理，c為單施加液面脈沖磁致振蕩進(jìn)行處理，d為脈沖電流和液面脈沖磁致振蕩復(fù)合處理。
【具體實(shí)施方式】
[0019]以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的闡述；實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明，而不是以任何方式來(lái)限制本發(fā)明。
[0020]實(shí)施例1
脈沖電流和液面脈沖磁致振蕩同時(shí)處理砂型中工業(yè)純鋁(99.7%)的凝固組織實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下:實(shí)驗(yàn)材料為純度99.7%的工業(yè)純鋁，鑄型為砂型，非接觸式多層線(xiàn)圈匝數(shù)為14，層數(shù)為I ;電極斷面尺寸為100mm2。在整個(gè)金屬凝固階段進(jìn)行脈沖磁致液面振蕩與脈沖電流同時(shí)處理。具體工藝過(guò)程如下:
1.將兩個(gè)電極平行嵌入鑄型的型壁兩側(cè)，電極與鑄型絕緣。(如圖1所示)
2.將砂型預(yù)熱至443K。[0021]3.將過(guò)熱度為25°C的金屬熔體用頂澆的方式注入砂型后將非接觸式多層線(xiàn)圈置于金屬液面上方2.5cm處。
[0022]4.開(kāi)通電源進(jìn)行脈沖電流和脈沖磁致液面振蕩復(fù)合處理。其中，非接觸式多層線(xiàn)圈與電極為串聯(lián)電路，電流峰值200A，電流脈寬8ms，作用頻率100Hz。
[0023]6.完全凝固后，切斷電源，停止復(fù)合處理。
[0024]結(jié)果表明，未經(jīng)處理的空白錠柱狀晶比例達(dá)到85%，且晶粒粗大，如圖4a ;利用脈沖電流處理或液面脈沖磁致振蕩處理后，等軸晶比例可分別達(dá)到50%和70%，金屬凝固組織得到細(xì)化。兩種方式處理后，晶粒尺寸分別為500 μ m和200 μ m。如圖4b、4c所示；利用脈沖電流和液面脈沖磁致振蕩復(fù)合處理后，等軸晶比例可達(dá)到80%，金屬凝固組織較上述兩種方法，細(xì)化效果更顯著，晶粒尺寸可達(dá)到50 μ m以下，如圖4d所示。
[0025]實(shí)施例2
脈沖電流和液面脈沖磁致振蕩同時(shí)處理砂型中軸承鋼的凝固組織實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下:實(shí)驗(yàn)材料軸承鋼，鑄型為砂型，非接觸式多層線(xiàn)圈匝數(shù)為24，層數(shù)為2 ；電極斷面尺寸為lX103mm2。在整個(gè)金屬凝固階段進(jìn)行脈沖磁致液面振蕩與脈沖電流同時(shí)處理。具體工藝過(guò)程如下:
1.將兩個(gè)電極平行嵌入鑄型的型壁兩側(cè)，電極與鑄型絕緣。(如圖1所示)
2.將砂型預(yù)熱至943K。
[0026]4.將過(guò)熱度為50°C的金屬熔體用頂澆的方式注入砂型后將非接觸式多層線(xiàn)圈置于金屬液面上方3cm處。
[0027]5.開(kāi)通電源進(jìn)行脈沖電流和脈沖磁致液面振蕩復(fù)合處理。其中，非接觸式多層線(xiàn)圈與電極為串聯(lián)電路，電流峰值10000A，電流脈寬400 μ S，作用頻率1500Hz。
[0028]6.完全凝固后，切斷電源，停止復(fù)合處理。
[0029]實(shí)施例3
脈沖電流和液面脈沖磁致振蕩同時(shí)處理砂型中工業(yè)純鋁(99.7%)的凝固組織實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下:實(shí)驗(yàn)材料為純度99.7%的工業(yè)純鋁，鑄型為砂型，非接觸式多層線(xiàn)圈匝數(shù)為18，層數(shù)為I ;電極斷面尺寸為70mm2。在整個(gè)金屬凝固階段進(jìn)行脈沖磁致液面振蕩與脈沖電流同時(shí)處理。具體工藝過(guò)程如下:
1.將兩個(gè)電極平行嵌入鑄型的型壁兩側(cè)，電極與鑄型絕緣。(如圖2所示)
2.將砂型預(yù)熱至443K。
[0030]3.將過(guò)熱度為25°C的金屬熔體用頂澆的方式注入砂型后將非接觸式多層線(xiàn)圈置于金屬液面上方2.5cm處。
[0031]4.開(kāi)通電源進(jìn)行脈沖電流和脈沖磁致液面振蕩復(fù)合處理。其中，非接觸式多層線(xiàn)圈與電極為并聯(lián)電路，電流峰值100A，電流脈寬50 μ S，作用頻率3900Hz。
[0032]6.完全凝固后，切斷電源，停止復(fù)合處理。
[0033]實(shí)施例4
脈沖電流和液面脈沖磁致振蕩同時(shí)處理砂型中軸承鋼的凝固組織實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下:實(shí)驗(yàn)材料軸承鋼，鑄型為砂型，非接觸式多層線(xiàn)圈匝數(shù)為24，層數(shù)為2 ；電極斷面尺寸為lX103mm2。在整個(gè)金屬凝固階段進(jìn)行液面脈沖磁致振蕩與脈沖電流同時(shí)處理。具體工藝過(guò)程如下: 1.將兩個(gè)電極平行嵌入鑄型的型壁兩側(cè)，電極與鑄型絕緣。(如圖2所示)
2.將砂型預(yù)熱至943K。
[0034]4.將過(guò)熱度為50°C的金屬熔體用頂澆的方式注入砂型后將非接觸式多層線(xiàn)圈置于金屬液面上方3cm處。
[0035]5.開(kāi)通電源進(jìn)行脈沖電流和脈沖磁致液面振蕩復(fù)合處理。其中，非接觸式多層線(xiàn)圈與電極為并聯(lián)電路，電流峰值10000A，電流脈寬15ms，作用頻率20Hz。
[0036]6.完全凝固后，切斷電源，停止復(fù)合處理。
[0037]實(shí)施例5
脈沖電流和液面脈沖磁致振蕩同時(shí)處理砂型中鐵素體不銹鋼的凝固組織實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下:實(shí)驗(yàn)材料超純鐵素體不銹鋼，鑄型為砂型，非接觸式多層線(xiàn)圈匝數(shù)為30，層數(shù)為3 ;電極斷面尺寸為5X 104mm2。在整個(gè)金屬凝固階段進(jìn)行脈沖磁致液面振蕩與脈沖電流同時(shí)處理。具體工藝過(guò)程如下:
1.將兩個(gè)電極平行嵌入鑄型的型壁兩側(cè)，電極與鑄型絕緣。(如圖3所示)
2.將砂型預(yù)熱至1043K。
[0038]4.將過(guò)熱度為60°C的金屬熔體用頂澆的方式注入砂型后將非接觸式多層線(xiàn)圈置于金屬液面上方5cm處。
[0039]5.開(kāi)通電源進(jìn)行脈沖電流和脈沖磁致液面振蕩復(fù)合處理。其中，非接觸式多層線(xiàn)圈與電極用兩臺(tái)電源分別供電，電流峰值18000A，電流脈寬600 μ S，作用頻率20Hz。
[0040]6.完全凝固后，切斷電源，停止復(fù)合處理。
[0041]實(shí)施例6
脈沖電流和液面脈沖磁致振蕩同時(shí)處理砂型中鐵素體不銹鋼的凝固組織實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下:實(shí)驗(yàn)材料超純鐵素體不銹鋼，鑄型為砂型，非接觸式多層線(xiàn)圈匝數(shù)為12，層數(shù)為I ;電極斷面尺寸為30mm2。在整個(gè)金屬凝固階段進(jìn)行脈沖磁致液面振蕩與脈沖電流同時(shí)處理。具體工藝過(guò)程如下:
1.將兩個(gè)電極平行嵌入鑄型的型壁兩側(cè)，電極與鑄型絕緣。(如圖3所示)
2.將砂型預(yù)熱至1043K。
[0042]4.將過(guò)熱度為60°C的金屬熔體用頂澆的方式注入砂型后將非接觸式多層線(xiàn)圈置于金屬液面上方0.5cm處。
[0043]5.開(kāi)通電源進(jìn)行脈沖電流和脈沖磁致液面振蕩復(fù)合處理。其中，非接觸式多層線(xiàn)圈與電極用兩臺(tái)電源分別供電，電流峰值8000A，電流脈寬50 μ S，作用頻率1900Hz。
[0044]6.完全凝固后，切斷電源，停止復(fù)合處理。
【權(quán)利要求】
1.一種脈沖電流和液面脈沖磁致振蕩復(fù)合細(xì)化金屬凝固組織方法，其特征在于該方法具有以下工藝過(guò)程:將兩個(gè)電極平行嵌入鑄型的型壁兩側(cè)，電極與鑄型絕緣；將金屬熔體澆注到鑄型中后將非接觸式多層線(xiàn)圈置于金屬液面上方，進(jìn)行脈沖電流和脈沖磁致液面振蕩復(fù)合處理。
2.如權(quán)利要求1所述脈沖電流和液面脈沖磁致振蕩復(fù)合細(xì)化金屬凝固組織方法，其特征在于:金屬凝固時(shí)，向金屬熔體施加電磁場(chǎng)的裝置有兩個(gè)，一個(gè)是在金屬熔體內(nèi)部，另一個(gè)在金屬熔體外部。
3.如權(quán)利要求1所述脈沖電流和液面脈沖磁致振蕩復(fù)合細(xì)化金屬凝固組織方法，其特征在于:液面脈沖磁致振蕩的非接觸式多層線(xiàn)圈與電極的連接方式是非接觸式多層線(xiàn)圈與電極并聯(lián)，然后與一臺(tái)脈沖電源連接。
4.如權(quán)利要求1所述脈沖電流和液面脈沖磁致振蕩復(fù)合細(xì)化金屬凝固組織方法，其特征在于:液面脈沖磁致振蕩的非接觸式多層線(xiàn)圈與電極的連接方式是非接觸式多層線(xiàn)圈與電極串聯(lián)，然后與一臺(tái)脈沖電源連接。
5.如權(quán)利要求1所述脈沖電流和液面脈沖磁致振蕩復(fù)合細(xì)化金屬凝固組織方法，其特征在于:液面脈沖磁致振蕩的非接觸式多層線(xiàn)圈與電極的連接方式是非接觸式多層線(xiàn)圈與電極分別連接一個(gè)脈沖電源。
6.如權(quán)利要求1所述脈沖電流和液面脈沖磁致振蕩復(fù)合細(xì)化金屬凝固組織方法，其特征在于:脈沖電流和液面脈沖磁致振蕩復(fù)合處理的電極斷面尺寸為5~4X104mm2。
7.如權(quán)利要求1所述脈沖電流和液面脈沖磁致振蕩復(fù)合細(xì)化金屬凝固組織方法，其特征在于:非接觸式多層 線(xiàn)圈匝數(shù)為3~100，層數(shù)為1~3層。
8.如權(quán)利要求1所述脈沖電流和液面脈沖磁致振蕩復(fù)合細(xì)化金屬凝固組織方法，其特征在于:脈沖電流和液面脈沖磁致振蕩復(fù)合處理的電流峰值為10-30000Α。
9.如權(quán)利要求1所述脈沖電流和液面脈沖磁致振蕩復(fù)合細(xì)化金屬凝固組織方法，其特征在于:脈沖電流和液面脈沖磁致振蕩復(fù)合處理的脈沖寬度為10 μ S~100ms。
10.如權(quán)利要求1所述脈沖電流和液面脈沖磁致振蕩復(fù)合細(xì)化金屬凝固組織方法，其特征在于:脈沖電流和液面脈沖磁致振蕩復(fù)合處理的脈沖頻率為0.01Hz"4KHzo
11.如權(quán)利要求1所述脈沖電流和液面脈沖磁致振蕩復(fù)合細(xì)化金屬凝固組織方法，其特征在于:非接觸式多層線(xiàn)圈 距離金屬熔體自由液面高度為1mm~200mm。
【文檔編號(hào)】B22D27/02GK103658609SQ201310655329
【公開(kāi)日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2013年12月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月9日
【發(fā)明者】翟啟杰, 李祺欣, 張志臣, 徐智帥, 梁柱元, 梁冬, 龔永勇, 李仁興 申請(qǐng)人:上海大學(xué)