[发明专利]一种复合磁场下金属材料高温处理方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种磁场条件下对金属材料进行高温处理的方法及装置，具体涉及一种利用脉冲磁场与超导强磁场构成的复合磁场条件改善金属凝固组织的高温处理方法和装置。

背景技术

金属的凝固组织对其产品的质量和性能起着决定性作用，对金属凝固组织的控制是金属凝固过程研究的重要内容。均匀细小的等轴晶粒可以提高材料的力学性能，同时微观组织的各向异性也是功能材料的重要性质。因此，合理控制材料的晶粒组织和凝固晶体取向是金属凝固技术中面临的两个主要问题。

采用传统的凝固技术，如连续铸造、连铸连轧及普通铸造方法获得的均为粗大的柱状晶或枝晶组织。目前材料晶粒组织的细化技术主要采用以下三种手段：一是通过向金属液中加入变质剂，增加形核率，细化组织，该方法对材料本身和环境都造成污染；二是控制冷却速度和浇注温度，提高冷却速度使金属液过冷度提高，增加形核率，但难以提高大型铸件的内部冷却速度，并会产生内应力的缺陷，浇注温度的控制受到生产条件的限制，作用十分有限；三是通过强制搅拌，促使枝晶破碎，使晶粒数量增多，尺寸减小，但不足在于：细化作用不明显，搅拌易卷入空气和杂质，搅拌强度较低影响温度场和成分均匀化的效果，特别是连铸实践证明，强烈的搅拌会使铸坯造成带状偏析。

向金属溶液中施加脉冲磁场会对金属晶粒组织具有显著的细化效果，且对材料和环境无污染，是目前控制金属凝固组织的一项新技术。脉冲磁压强引起的熔体振荡导致晶粒明显细化、球化；剧烈的强迫对流促进晶粒从型壁上游离，大大增加金属熔体的形核率。

对于材料凝固过程中的晶体取向控制技术，目前主要根据晶体的各轴磁化率不同，利用磁场Lorentz力作用，获得平行于磁场方向的沿易轴取向的织构。磁场可以施加在定向凝固过程中。磁场仅能对初始凝固的激冷薄层中的形核晶粒的取向施加作用，由于缺少晶粒自由取向的熔体空间，造成磁场作用不明显。目前磁场更多地施加于普通凝固过程中，相比定向凝固的优点在于，形核晶粒自由取向的熔体空间较大，磁场作用时间长，更易于产生沿易轴取向的织构。随着5T以上超导强磁场的出现，强磁场中的Lorentz力的效果更加明显，并且对非磁性物质一直被忽略的磁化力的利用变得可能。因此，有关磁场下的结晶取向控制，以及凝固和再结晶的理论与应用研究开始受到普遍的重视。

现有的关于材料加热电磁处理方面的公开专利较多，主要分为：强磁场处理方法或装置、高频磁场处理方法或装置、梯度磁场处理方法或装置、脉冲磁场处理方法或装置、以及磁场电场复合处理方法或装置等。

中国专利CN2879162Y公开了一种强磁场下高温处理装置，利用其装置能够将单一强磁场(5T以上)与高温环境耦合，对材料熔化过程进行处理，并能利用其装置使熔体在磁场轴向移动，进行定向凝固。

中国专利CN1472021公开了一种自生增强体的高频磁场法细化工艺。其装置利用高频磁场加热细化效应和感生高频磁场的偏聚效应获得表面改性的自生梯度复合材料。

中国专利CN1865465公开了一种利用高强梯度磁场制备梯度复合材料的方法和装置。利用高强梯度磁场在熔融金属材料中的作用，控制熔体的凝固，制得梯度复合材料，并控制第二相在液态基体中分布。

中国专利CN1731537公开了一种脉冲磁场作用下原位自生MgB2超导材料的制备方法。在套管法的基础上对材料施加脉冲磁场，制得组织优异、临界电流密度高的低温超导材料。中国专利CN2898052公开了一种静磁场下电迁移净化金属的装置。其装置通过磁场和电场的联合作用使熔融金属中的固相颗粒或杂质原子发生定向迁移，净化金属基体。

以上专利中，对于材料凝固过程中晶粒尺寸的控制主要是通过施加脉冲磁场装置来完成的，晶体取向的控制主要是通过施加强磁场装置来完成的。在现有技术中，都是将单一磁场与高温加热的方式耦合，完成单一的组织控制目的。对于需要同时对晶粒尺寸和晶体取向进行控制的某些功能材料而言，材料需要经历两次加热过程，往往后次的加热会破坏前次处理得到的晶粒组织，造成性能不稳定；同时两次加热的工艺路线过长，浪费资源。因此需要有一种新的方法及装置能够将脉冲磁场和强磁场结合起来，使材料在复合磁场作用下进行高温处理，以解决上述问题。目前尚没有见到将脉冲磁场和强磁场结合起来的复合磁场下金属材料高温处理方法及装置的相关报道与专利。

发明内容

本发明的目的是提供一种复合磁场下金属材料高温处理方法及装置。

本发明在金属材料凝固过程中，对金属熔体施加同轴同向的脉冲磁场和超导强磁场，控制晶粒尺寸和晶体取向。