[发明专利]复合电磁连续铸造高取向细晶金属材料的方法及其装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种在复合电磁场作用下连续铸造高取向细晶金属材料的方法及其装置，属金属铸造工艺技术领域。

背景技术

材料的晶粒大小对材料的性能有重要的影响，金属材料的强度、硬度、塑性和韧性都随着晶粒细化而提高，因此，控制材料的晶粒大小具有重要的实际意义。晶粒细化按照对熔体的作用方式不同大致可分为热力学控制方式、化学控制方式和动力学控制方式。

热力学方法主要是对熔体冷体冷却进行控制以获得大的过冷度。据经典结晶学原理，金属结晶时的形核率与过冷度有关，过冷度越大，在其它相同的凝固条件下一定体积的熔体中形核数目就会起多，晶粒则越细。大的过冷度可通过提高液态金属冷却速度来获得，实际生产中可采用金属型模具、降低铸型温度、降低浇注温度和速度来实现。

在熔融合金中加入孕育剂是最古老的细化晶粒的方法之一。变质处理是在熔液凝固之前加入形核剂(又称为变质剂或孕育剂)，促进形成大量的非均匀晶核来细化晶粒。

与前两种细化晶粒的方法相比，利用动力学(外场)作用细有晶粒的优点在于容易实现、而且偏析较小、不引入外加元素，因为已有的固相很容易被施加到凝固系统上的外作用破碎，所以使晶粒增殖要比增加成核的速度更容易办到。常用外场细化晶粒的方法包括机械搅拌、振动、摆动；超声波；交变电场、磁场、以及电磁场复合作用来完成。通常所用的这些外场作用均能使枝晶破碎和游离，但只有当温度接近熔点时其破碎枝晶才能够远离固液相界面并在液体中广泛分布，此时才能获得最好的晶粒细化效果。

总之，在金属凝固过程中引入外场迫使熔体形成足够强的熔体对流，不仅有利于凝固组织形态的转变(如柱状晶向等轴晶的转变)和晶粒组织的细化，还有助于过热的散失和温度的均匀化，这些现象已经为人们所熟知。但是上述外场迫使熔体运动的方法并不完美，还存在诸多的问题，例如机械振荡的方法要求振荡器和凝固中的熔体相互接触才能将振荡压力传给金属熔体，这样就容易对凝固金属造成污染；而且振荡强度主要集中在振源附近。超声振荡的缺陷在于声波在高温熔体中耗散严重，细化的区域有限。脉冲电流(磁场)是在短时间内产生剧烈振荡，电流过大容易造成熔体飞溅，电流太小，会使新形成的晶粒在高温熔体中重熔，弱化细化效果。

为此，在20世纪90年代C.Vives等发明了一种新的晶粒细化的方法——电磁振荡，其原理是在合金的凝固过程中，同时施加一个静磁场B和一个与之垂直的交变电流，它们相互作用在熔体内部产生一个交变电磁力F，迫使熔体发生振动，均匀温度场，破碎晶粒，从而使晶粒增殖细化和去除气体以及提高充型能力，且这种振动设备不与熔体接触，基本无污染，振荡强度在熔体中的均匀分布，因而可以获得均匀一致的组织，但是，由于交变电流的集肤效应而不适应较大的试样，同时采用的大电流+小磁场的方法，电流的焦耳热效应也比较严重，故对于工业推广运动这种方法也存在明显的不足。

细晶是材料制备技术的一个热点，细晶的结果形成多晶材料，往往具有各向同性。在实际应用过程中，人们也常常需要各向异性的材料，为了获得各向异性的材料，人们通常采用单向凝固从而获得具有高度取向的柱状组织，这使材料纵向力学性能得到很大的提升，可是横向的力学性能却不近人意，为此人们就发明单晶铸造技术获得单晶材料，从而提高材料各向性能，但单晶技术并不能利用所有的合金体系，同时其对各项技术要求非常高，成本昂贵。因此发明一种操作简单、价廉具有高取向细晶的各向异性材的制备技术，变得很有意义。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种在复合磁场下连续铸造高取向细晶金属材料的方法及其装置。

本发明一种复合电磁连续铸造高取向细晶金属材料的方法，其特征在于：在结晶器内的金属熔体上部插入一对电极，并通入交流电，加热并控制熔体温度；电极采用自冷电极；同时在结晶器外侧设置的感应线圈中通入直流电，产生直流磁场；利用自冷电极诱发电极附近熔体迅速形成晶核，同时结合电磁振荡促使晶核弹射到金属熔体中，形成其后金属凝固的核心主体；同时晶核在沉降的过程中使其发生磁致取向，最终取高取向细晶组织的金属材料；所述的复合磁场中，采用交流电频率为50Hz，电流强度为100A；直流电产生的磁场强度为10T。