[发明专利]一种同频脉冲磁场与脉冲电流细化金属凝固组织的方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属凝固控制技术领域，特别涉及到一种同频脉冲磁场与脉冲电流细化金属凝固组织的方法。

背景技术

金属材料的凝固组织控制是改善材料性能的重要手段，特别是材料的凝固细晶技术近年来广泛受到关注，被视为提高材料性能的主要手段之一，我国提出的超级钢发展规划也将晶粒细化作为实现超级钢制备的一条重要实现途径；针对凝固细晶的技术目前已有很多，传统的方法包括：快速凝固法、化学孕育法及外场控制法等；快速凝固法受冷却强度限制及凝固缺陷控制等因素的需要，很难实现大批量金属无缺陷凝固；化学孕育法是向熔体内加入孕育剂促进形核实现晶粒细化，但化学孕育法会给金属熔体带来一定程度的污染，而且孕育颗粒会影响材料的二次组织，降低材料的性能。

利用外场作用可以改善凝固结晶过程新相形成的热力学和动力学，提高形核速度而实现细晶；现有技术中，对熔体施加电磁场、超声场以及电场都已有研究，这几种外场都有各自的优点和不足；凝固过程的电磁搅拌技术可以减少柱状晶区而增大等轴晶区，同时具有细化晶粒的效果，其不足是细化晶粒的效果不太明显；超声场对凝固细晶也有明显的作用，其显著不足时超声场在熔体内的衰减严重，是材料的凝固组织不均匀，且变幅杆会污染金属；凝固过程施加电场，当电场较弱时，效果不明显，而当电场较强时会带来安全威胁，并且消耗太多的电能；中国专利（申请号：201010167538.3，发明名称：脉冲磁致液面振荡细化金属凝固组织的方法）公开了一种在金属液面上设置线圈施加脉冲磁场细化金属熔体凝固组织的方法；然而，在金属熔体凝固过程单一的施加电磁场、超声场以及电场都存在晶粒细化效果较弱，目前还没有可以直接通过凝固控制将晶粒细化到十个微米或几个微米尺度的技术，而单靠增加外场强度的方法又会带来能耗过高、操作安全等问题，例如，施加单一施加脉冲电场，当电场强度高时有很多不安全因素，而外加电磁场强度过高时，磁场在铸型或结晶器壁的磁屏蔽损耗大幅增加，不仅浪费能源，而且使得材料的内部组织均匀性差，这是由于外场在熔体内部的不均匀所导致的；因此，研究开发一种具有更高效的控制晶粒长大和细化晶粒的外场控制方法，这种外场要兼具有节约能源、易于实现和操作安全等特征，这对实现超细晶材料的制备是具有重要意义的。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用同频脉冲磁场与脉冲电流耦合作用实现金属凝固组织细化的方法，解决目前金属凝固组织控制存在的细化效果差、凝固组织不均匀以及外场能耗高等问题。

本发明的目的是通过以下手段来实现的：在金属凝固成形用的铸型或结晶器外安置脉冲磁场线圈，当金属熔体浇入铸型或结晶器后，在熔体内插入电极并通入与脉冲磁场频率及脉冲宽度都相同的脉冲电流，使金属熔体在脉冲磁场与脉冲电流耦合作用下凝固，脉冲磁场与脉冲电流耦合，在熔体内产生非常强的瞬态磁-电冲击振荡效应，震碎晶粒从而促进“结晶雨”的形成，增加了熔体内结晶形核的核心，保证了细化金属凝固组织的效果。

本发明所用的脉冲磁场与通入熔体的脉冲电流的脉冲宽度和作用频率相同，即同时达到峰值，脉冲磁场与脉冲电流的脉冲宽度为10μs-50ms，作用频率为0.1-10 Hz，通过控制脉冲磁场的输入电流，控制脉冲磁场的峰值强度为0.1-10T，通入熔体的脉冲电流峰值密度为0.1-10 A/cm²。

以下结合本发明的示意图(见图1)，说明实现本发明的具体方案如下：

一种在同频脉冲磁场与脉冲电流耦合作用实现金属凝固组织细化的新方法，主要包括以下步骤：

a）金属熔体5浇注到铸型或结晶器内，特别说明的是，由于脉冲磁场及脉冲电流的热效应微弱，可以忽略其热效应对凝固的影响，因此，浇注温度与无外场下的浇注温度相同，其过热度无需调整；

b）脉冲磁场线圈5安置在铸型壁模或结晶器壁3的外侧，线圈高度与铸型壁模或结晶器壁内熔体的高度相同，使熔体在磁场范围内凝固；

c）将电极插入熔体，然后接通脉冲电场电源1，通过调压电阻8调整调整熔体内通入的脉冲电流参数；

d）向脉冲磁场的线圈中通入脉冲电流，脉冲磁场与通入熔体的脉冲电流用相同的脉冲电流波形，即脉冲宽度和脉冲频率完全相同，调整脉冲磁场的控制参数到规定范围；

e）直至金属完全凝固，关闭脉冲磁场与脉冲电流的电源；

实现本发明方法装置方面的特征是：

f）当金属熔体在固定铸型内凝固时，向熔体内通入脉冲电流的两个电极可以是一个固定于铸型底模2，一个安插在熔体液面上或铸型上部或顶部，如图1所示；