[發(fā)明專利]低壓脈沖磁場作用下細(xì)晶金屬材料制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200810228547.1
• 申請日: 2008-11-05
• 公開（公告）號: CN101733380A
• 公開（公告）日: 2010-06-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊院生;汪斌;童文輝;李應(yīng)舉;馬曉平;馮小輝
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院金屬研究所
• 主分類號: B22D11/115
• 分類號: B22D11/115;B22D1/00
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標(biāo)代理有限公司 21002
• 代理人: 張志偉

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及金屬材料制備領(lǐng)域，具體為一種低壓脈沖磁場作用下細(xì)晶金屬 材料的制備方法。

背景技術(shù)

晶粒尺寸對金屬材料的力學(xué)性能有極大影響，金屬和合金的晶粒尺寸細(xì)小 時(shí)，不僅強(qiáng)度高且韌性高，具有良好的綜合力學(xué)性能。因此，在金屬材料制備 和生產(chǎn)過程中，獲得細(xì)小晶粒(細(xì)晶)對于提高材料力學(xué)性能具有重要意義。

對于鑄造合金，由于普通鑄造方法制備的合金和獲得的鑄件晶粒粗大，枝 晶組織發(fā)達(dá)，導(dǎo)致合金性能不高。為細(xì)化鑄造合金晶粒尺寸，發(fā)展了許多方法 和技術(shù)來控制合金的凝固過程。其中主要方法可分為變質(zhì)法、快速凝固法、施 加外場法，等等。變質(zhì)法是在金屬熔體凝固前向熔體中施加變質(zhì)劑起到提高形 核率作用，以細(xì)化晶粒，其優(yōu)點(diǎn)是方法簡單、操作簡便，但是并非所有金屬及 其合金都有適用的變質(zhì)劑。另外，加入變質(zhì)劑會改變合金成分，因此該方法有 一定范圍限制；快速凝固法是上世紀(jì)60年代后發(fā)現(xiàn)的一種獲得細(xì)晶金屬材料的 方法，采用快速冷卻使熔體凝固可以使晶粒得到極大程度的細(xì)化，也發(fā)展了許 多快凝細(xì)晶技術(shù)，但是要保證快速凝固，鑄件尺寸必須受到一定限制。采用外 場控制金屬凝固過程，一方面通過向熔體輸入能量可以提高形核率，另一方面 對熔體起到攪拌作用細(xì)化凝固組織，可以獲得細(xì)晶鑄造合金。由于施加外場(如 電磁場)不受鑄件尺寸限制，也不改變材料化學(xué)成分，具有適用性廣、方便可 控、效果明顯等特點(diǎn)，成為制備細(xì)晶金屬材料和鑄件的一種重要方法。

近年來，電磁場控制凝固過程制備細(xì)晶金屬材料得到較快發(fā)展。其中，脈 沖磁場的作用引起了人們的重視，研究發(fā)現(xiàn)將高壓高能量強(qiáng)脈沖磁場作用于鋼 鐵、鋁合金等材料的凝固過程，可明顯細(xì)化其凝固組織。如國內(nèi)北京科技大學(xué) 將高壓脈沖磁場用于鋼鐵熔體孕育處理，細(xì)化了鋼的晶粒；東北大學(xué)將強(qiáng)脈沖 磁場技術(shù)應(yīng)用于LY12鋁合金的凝固過程，顯著細(xì)化了合金晶粒；上海大學(xué)將高 壓脈沖磁場應(yīng)用于不銹鋼的凝固過程，顯著細(xì)化了不銹鋼的晶粒。但是，上述 研究中應(yīng)用的脈沖磁場均為高壓脈沖磁場，電壓高達(dá)2000伏以上，設(shè)備龐大， 操作安全性差，限制了脈沖磁場在工業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用和推廣。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種低壓脈沖磁場作用細(xì)晶金屬材料制備方法，其 工藝簡單有效，適用范圍廣，能耗和成本低。解決了現(xiàn)有技術(shù)中設(shè)備龐大，電 壓高，操作安全性差，限制了脈沖磁場在工業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用和推廣等問題。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

本發(fā)明提供了一種低壓脈沖磁場作用下細(xì)晶金屬材料的制備方法，先將金 屬材料熔化，然后將經(jīng)過預(yù)熱的模具置于脈沖磁場凝固裝置中，把合金熔體澆 注到模具中，澆注完畢后立即啟動脈沖磁場凝固裝置中的脈沖磁場發(fā)生裝置， 使合金熔體在脈沖磁場作用下凝固。

本發(fā)明提供了一種利用低壓脈沖磁場作用控制凝固過程制備細(xì)晶金屬材料 的方法，金屬合金熔體在電壓10～500伏、頻率在1～25赫茲的脈沖磁場下凝固， 獲得細(xì)晶金屬材料或鑄件。

將金屬材料熔化，在過熱度為20～120℃下，保溫5～15分鐘，然后將把合 金熔體澆注到置于脈沖磁場凝固裝置中的模具中，澆注完畢后立即啟動脈沖磁 場發(fā)生裝置，使合金熔體在脈沖磁場作用下凝固。脈沖磁場施加于合金熔體， 對合金熔體產(chǎn)生箍縮效應(yīng)，引起熔體運(yùn)動，將型壁上大量晶核沖刷下來，并帶 入熔體中，使合金熔體的形核率大大增加；另一方面，由于磁脈沖使熔體產(chǎn)生 運(yùn)動，使合金熔體內(nèi)外溫度差快速減小，均勻化合金熔體溫度，加上在凝固界 面前沿產(chǎn)生的焦耳熱作用，使得晶核的生長受到抑制，從而使鑄錠的凝固組織 細(xì)化、等軸化，進(jìn)而獲得均勻細(xì)晶鑄錠。脈沖磁場發(fā)生電壓為10～500V(較佳 范圍為50～200V)，脈沖頻率為1～25Hz(較佳范圍為2.5～10Hz)，作用時(shí)間為 3～30分鐘(較佳范圍為5～20分鐘)。此方法可應(yīng)用到鎂合金、鋁合金、鋼鐵等 金屬材料的細(xì)晶制備。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、本發(fā)明可均勻地細(xì)化金屬材料的凝固組織，可制備大尺寸的均勻細(xì)晶鑄 錠。

2、本發(fā)明不受合金成分限制，即可制備有色合金如鋁合金和鎂合金細(xì)晶材 料，也可制備黑色金屬如細(xì)晶鋼鐵材料。

3、由于脈沖磁場發(fā)生裝置采用低電壓，本發(fā)明設(shè)備簡單，操作簡便易行， 安全可靠，且節(jié)約成本和投資。

4、無污染。由于脈沖磁場不直接接觸合金熔體，不會對合金產(chǎn)生污染，也 不會對環(huán)境產(chǎn)生污染。

附圖說明