[发明专利]磁热复合控制复杂精密或薄壁铸件细晶铸造方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种磁热复合控制复杂精密或薄壁铸件细晶铸造方法及装置，属于金属材料制备技术领域。

背景技术

金属材料的凝固组织控制是实现金属材料组织细化和均质化的一个关键，被视为提高其力学性能和加工性能的重要手段，一直是金属材料制备过程追求的目标和研究的重要课题之一。在众多控制凝固过程的方法中，电磁控制凝固受到人们的极大关注。通过改变电磁场作用的类型、方式、强度、时间等参数，再结合控制凝固的冷却过程，对凝固过程实施控制。电磁控制凝固目前应用最多的是交变连续电磁场，在钢的连铸中取得广泛应用。连续磁场主要产生电磁搅拌作用，虽然可细化晶粒，却有引起成分偏析的问题。

近年来，脉冲电磁场控制凝固引起人们的重视。脉冲磁场在熔体中可产生电磁振荡，起到强烈的晶粒细化作用，同时具有一定的电磁对流作用使细晶均匀分布，显示出独特的优势。在国外，如美国主要开展的脉冲电流晶粒细化研究，由于要依靠电极引入熔体脉冲电流，所以其应用受到一定限制。日本和乌克兰等国正在研发脉冲磁场在钢连铸中的应用技术，发现脉冲磁场可减轻连铸坯的中心偏析和改善表面质量。目前，国内一些单位如宝钢和上海大学也正在开展脉冲磁场细化金属凝固组织的研究，并致力于促进在工业上的应用。但是国内外研究较多的是利用高压脉冲磁场，由于其电压较高，在工业中应用具有一定难度。

针对脉冲磁场在凝固过程中的应用难点，中国科学院金属研究所在国内外率先提出采用低压脉冲磁场控制凝固过程，在本世纪初开展了低压脉冲磁场控制凝固的研究，分别应用于钢铁、镍基高温合金等材料中均取得细化和均匀化效果。但上述应用中的过热度均较低(低于100℃)，高于此过热度，细化效果减弱或消失。而低的过热度，满足不了一些复杂精密铸件或薄壁铸件(最薄处1～5mm)的充型要求，如：某航空发动机机匣的过热度为200℃，限制了该技术在此类复杂精密铸件或薄壁铸件细晶铸造的应用。

发明内容

为了满足复杂精密铸件或薄壁铸件晶粒细化的要求，本发明的目的是提供一种磁热复合控制复杂精密或薄壁铸件细晶铸造方法及装置，采用高过热度保证充型的基础上，控制脉冲磁场的施加时间，细化铸件凝固组织，尤其细化铸件厚大部位的组织，获得整体细化凝固组织，解决高过热度下复杂精密铸件或薄壁铸件难细化问题。

为了达到上述目的，本发明的设计思路是：采用高过热度保证充型的基础上，控制脉冲磁场的施加时间，当模壁处晶核生长到一定尺寸(一般尺寸达到1～10μm)的情况下，利用施加的脉冲磁场在金属熔体产生电磁振荡和强制对流，将模壁处具有一定尺寸的晶核冲刷下来，并带入到熔体中去，此时脱落晶核尺寸较大，易存活下来成为有效形核核心，增加形核数目，细化铸件凝固组织。

本发明的技术方案如下：

一种磁热复合控制复杂精密或薄壁铸件细晶铸造方法，采用高过热度保证充型的基础上，过热度控制在100～250℃；控制脉冲磁场施加时间，施加时间控制在浇注后10～500s；当模壁处晶核生长到一定尺寸为1～10μm的情况下，利用施加的脉冲磁场在金属熔体产生电磁振荡和强制对流，将所述模壁处的晶核冲刷下来，并带入到熔体中去，此时脱落晶核尺寸较大，易存活下来成为有效形核核心，增加形核率，从而细化铸件凝固组织。

所述的磁热复合控制复杂精密或薄壁铸件细晶铸造方法，采用脉冲磁场发生装置，在脉冲磁场作用装置中产生脉冲磁场，其励磁电压控制在100～500V，励磁频率控制在2.5～20Hz范围内，作用时间为10～60分钟。

所述的磁热复合控制复杂精密或薄壁铸件细晶铸造方法，具体按以下步骤进行：

(a)根据铸件的特点，设计环形脉冲磁场作用装置或单侧脉冲磁场作用装置，然后安装在预热保温沙箱或模具的四周或底部，并与脉冲磁场发生装置连接；

(b)将过热度100～250℃的熔体浇注到预热保温沙箱或模具内，根据铸件表层温度，控制脉冲磁场施加时间，当温度达到液固两相区后，开启脉冲磁场控制装置，控制脉冲磁场的励磁电压与频率，脉冲电压控制在100～500V，脉冲磁场频率控制在2.5～20Hz范围内，作用时间为10～60分钟；

(c)利用施加的脉冲磁场在金属熔体产生电磁振荡和强制对流，将所述模壁处具有一定尺寸的晶核冲刷下来，并带入到熔体中去，此时脱落晶核尺寸较大，易存活下来成为有效形核核心，增加形核数目，从而细化铸件凝固组织；

(d)当铸锭完全凝固后，关闭脉冲磁场控制装置，取出铸锭。