[发明专利]一种磁场与振动复合作用细化金属凝固组织的方法

说明书

本发明提供了一种利用磁场与振动复合作用实现金属凝固组织细化的方法，属金属凝固控制技术领域。在金属熔体凝固过程中使金属液连同铸模产生高频微幅振动，同时对金属熔体施加磁场进行电磁搅拌，高频振动和电磁搅拌的复合作用使金属的凝固组织包括晶粒和析出相细化，有利于提高金属铸件的综合性能。采用本发明的显著优势是比单一的电磁搅拌和单一的振动使金属细化的效果显著，且不污染金属，适合各种金属熔体的凝固组织细化。

技术领域

本发明涉及金属凝固领域，特别涉及到一种利用磁场与机械振动复合作用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。

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，这几种外场作用存在的共同问题是不能使金属凝固组织中的金属晶粒和晶粒间析出物同时细化；凝固过程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，且单一电磁搅拌没有对晶间析出物的细化作用；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。

因此，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的问题，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，磁场在铸模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。

综上所述，提出一种具有更高效的细化金属凝固组织的方法，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磁场与振动复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方案实现的：

一种磁场与振动复合作用细化金属凝固组织的方法，其特征在于：在金属熔体的凝固过程中，对金属熔体同时施加电磁搅拌和振动，使金属凝固组织在磁场与振动复合作用下细化，直至金属完全凝固。

优选地，所述振动由支撑平台、振动装置、高频电机提供，所述振动装置通过柔性装置连接在支撑平台上部，振动装置由高频电机驱动，铸模直接放在振动装置上面；铸模外侧安装电磁搅拌线圈，电磁搅拌的磁场由电磁搅拌线圈提供；铸模连同里面的金属熔体随振动装置一起振动，金属熔体同时在电磁搅拌的作用下运动。

优选地，电磁搅拌使熔体运动的方向与振动的方向相垂直。

优选地，电磁搅拌使熔体水平周向运动。

优选地，铸模连同里面的金属熔液一起随振动平台沿垂直方向上往复振动。

优选地，对于铁磁性金属材料，电磁搅拌线圈所用电流的频率2-9Hz，磁感应强度在200-500Gs，振动的频率为100-300Hz，振幅为40-50微米。

优选地，对于非铁磁性金属材料，电磁搅拌线圈所用电流的频率10-15Hz，磁感应强度在600-800Gs，振动的频率为400-500Hz，振幅为10-20微米。