[發(fā)明專利]復(fù)合電磁連續(xù)鑄造高取向細(xì)晶金屬材料的方法及其裝置

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200710047482.6
• 申請日: 2007-10-26
• 公開（公告）號: CN101181739A
• 公開（公告）日: 2008-05-21
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 任忠鳴;余建波;鄧康;任維麗;李喜;雷作勝;鐘云波
• 申請（專利權(quán)）人: 上海大學(xué)
• 主分類號: B22D11/115
• 分類號: B22D11/115
• 代理公司: 上海上大專利事務(wù)所
• 代理人: 顧勇華

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種在復(fù)合電磁場作用下連續(xù)鑄造高取向細(xì)晶金屬材料的方法及其裝置，屬金屬鑄造工藝技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

材料的晶粒大小對材料的性能有重要的影響，金屬材料的強度、硬度、塑性和韌性都隨著晶粒細(xì)化而提高，因此，控制材料的晶粒大小具有重要的實際意義。晶粒細(xì)化按照對熔體的作用方式不同大致可分為熱力學(xué)控制方式、化學(xué)控制方式和動力學(xué)控制方式。

熱力學(xué)方法主要是對熔體冷體冷卻進行控制以獲得大的過冷度。據(jù)經(jīng)典結(jié)晶學(xué)原理，金屬結(jié)晶時的形核率與過冷度有關(guān)，過冷度越大，在其它相同的凝固條件下一定體積的熔體中形核數(shù)目就會起多，晶粒則越細(xì)。大的過冷度可通過提高液態(tài)金屬冷卻速度來獲得，實際生產(chǎn)中可采用金屬型模具、降低鑄型溫度、降低澆注溫度和速度來實現(xiàn)。

在熔融合金中加入孕育劑是最古老的細(xì)化晶粒的方法之一。變質(zhì)處理是在熔液凝固之前加入形核劑(又稱為變質(zhì)劑或孕育劑)，促進形成大量的非均勻晶核來細(xì)化晶粒。

與前兩種細(xì)化晶粒的方法相比，利用動力學(xué)(外場)作用細(xì)有晶粒的優(yōu)點在于容易實現(xiàn)、而且偏析較小、不引入外加元素，因為已有的固相很容易被施加到凝固系統(tǒng)上的外作用破碎，所以使晶粒增殖要比增加成核的速度更容易辦到。常用外場細(xì)化晶粒的方法包括機械攪拌、振動、擺動；超聲波；交變電場、磁場、以及電磁場復(fù)合作用來完成。通常所用的這些外場作用均能使枝晶破碎和游離，但只有當(dāng)溫度接近熔點時其破碎枝晶才能夠遠離固液相界面并在液體中廣泛分布，此時才能獲得最好的晶粒細(xì)化效果。

總之，在金屬凝固過程中引入外場迫使熔體形成足夠強的熔體對流，不僅有利于凝固組織形態(tài)的轉(zhuǎn)變(如柱狀晶向等軸晶的轉(zhuǎn)變)和晶粒組織的細(xì)化，還有助于過熱的散失和溫度的均勻化，這些現(xiàn)象已經(jīng)為人們所熟知。但是上述外場迫使熔體運動的方法并不完美，還存在諸多的問題，例如機械振蕩的方法要求振蕩器和凝固中的熔體相互接觸才能將振蕩壓力傳給金屬熔體，這樣就容易對凝固金屬造成污染；而且振蕩強度主要集中在振源附近。超聲振蕩的缺陷在于聲波在高溫熔體中耗散嚴(yán)重，細(xì)化的區(qū)域有限。脈沖電流(磁場)是在短時間內(nèi)產(chǎn)生劇烈振蕩，電流過大容易造成熔體飛濺，電流太小，會使新形成的晶粒在高溫熔體中重熔，弱化細(xì)化效果。

為此，在20世紀(jì)90年代C.Vives等發(fā)明了一種新的晶粒細(xì)化的方法——電磁振蕩，其原理是在合金的凝固過程中，同時施加一個靜磁場B和一個與之垂直的交變電流，它們相互作用在熔體內(nèi)部產(chǎn)生一個交變電磁力F，迫使熔體發(fā)生振動，均勻溫度場，破碎晶粒，從而使晶粒增殖細(xì)化和去除氣體以及提高充型能力，且這種振動設(shè)備不與熔體接觸，基本無污染，振蕩強度在熔體中的均勻分布，因而可以獲得均勻一致的組織，但是，由于交變電流的集膚效應(yīng)而不適應(yīng)較大的試樣，同時采用的大電流+小磁場的方法，電流的焦耳熱效應(yīng)也比較嚴(yán)重，故對于工業(yè)推廣運動這種方法也存在明顯的不足。

細(xì)晶是材料制備技術(shù)的一個熱點，細(xì)晶的結(jié)果形成多晶材料，往往具有各向同性。在實際應(yīng)用過程中，人們也常常需要各向異性的材料，為了獲得各向異性的材料，人們通常采用單向凝固從而獲得具有高度取向的柱狀組織，這使材料縱向力學(xué)性能得到很大的提升，可是橫向的力學(xué)性能卻不近人意，為此人們就發(fā)明單晶鑄造技術(shù)獲得單晶材料，從而提高材料各向性能，但單晶技術(shù)并不能利用所有的合金體系，同時其對各項技術(shù)要求非常高，成本昂貴。因此發(fā)明一種操作簡單、價廉具有高取向細(xì)晶的各向異性材的制備技術(shù)，變得很有意義。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的是提供一種在復(fù)合磁場下連續(xù)鑄造高取向細(xì)晶金屬材料的方法及其裝置。

本發(fā)明一種復(fù)合電磁連續(xù)鑄造高取向細(xì)晶金屬材料的方法，其特征在于：在結(jié)晶器內(nèi)的金屬熔體上部插入一對電極，并通入交流電，加熱并控制熔體溫度；電極采用自冷電極；同時在結(jié)晶器外側(cè)設(shè)置的感應(yīng)線圈中通入直流電，產(chǎn)生直流磁場；利用自冷電極誘發(fā)電極附近熔體迅速形成晶核，同時結(jié)合電磁振蕩促使晶核彈射到金屬熔體中，形成其后金屬凝固的核心主體；同時晶核在沉降的過程中使其發(fā)生磁致取向，最終取高取向細(xì)晶組織的金屬材料；所述的復(fù)合磁場中，采用交流電頻率為50Hz，電流強度為100A；直流電產(chǎn)生的磁場強度為10T。