專利名稱：脈沖電流液面擾動凝固細(xì)晶方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及脈沖電流液面擾動凝固細(xì)晶方法，屬金屬凝固技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
凝固細(xì)晶技術(shù)一直是冶金材料學(xué)者致力于研究的課題，因此大量的凝固細(xì)晶技術(shù) 隨著研究的深入而不斷涌現(xiàn)出來。目前金屬凝固細(xì)晶方法大體可以歸納為以下幾類 (1)澆注過程和傳熱條件控制方法；(2)化學(xué)處理方法；(3)動力學(xué)細(xì)化方法。
澆注過程和傳熱條件控制方法主要包括澆注過程控制技術(shù)、低溫澆注、提高冷卻 速度和增加過冷度等。這些方法均為傳統(tǒng)的細(xì)化方法，比如在連鑄工業(yè)中，澆注過程 控制技術(shù)和低溫澆注仍然是一種比較有效的改善凝固組織的措施。但是細(xì)化效果有 限，且受生產(chǎn)條件限制，實施難度較大。
化學(xué)處理的方法，即孕育處理和變質(zhì)處理，也就是向液體中添加少量特殊的化學(xué) 物質(zhì)或化學(xué)元素。這種物質(zhì)分為晶粒細(xì)化劑和阻止生長劑兩種， 一般稱為孕育劑或變 質(zhì)劑，來促使熔體內(nèi)部的非均質(zhì)生核及抑制晶粒的長大。化學(xué)處理方法目前在工業(yè)上 應(yīng)用最廣，是普通鑄件獲得細(xì)晶組織的常用方法。但是依靠向熔體中添加晶粒細(xì)化劑 的方法，不僅成本高，制備工藝復(fù)雜，而且有時因外來質(zhì)點(diǎn)的加入，使金屬中異質(zhì)顆 粒、夾雜增多，結(jié)果反而導(dǎo)致塑性降低，力學(xué)性能下降。
動力學(xué)細(xì)化法主要是采用機(jī)械力或電磁力引起液相和固相的相對運(yùn)動，導(dǎo)致枝晶 的破碎或枝晶與鑄型分離，在液相中形成大量結(jié)晶核心，達(dá)到細(xì)化晶粒的效果。常用 的動力學(xué)細(xì)化方法主要有機(jī)械振動、電磁振動、超聲振動等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供兩種脈沖電流液面擾動凝固細(xì)晶方法。 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)手段來實現(xiàn)的。
一種形核階段脈沖電流液面擾動凝固細(xì)晶方法，該方法具有以下工藝特征首先
將金屬熔化成液體，當(dāng)金屬熔體溫度過熱20—180'C時出爐澆注，將兩平行電極從熔 體上方插入金屬液面以下20—500ram，從在線檢測的熱分析曲線實時觀察金屬熔體溫 度變化，待金屬液溫度到達(dá)理論結(jié)晶溫度以下時，打開擾動脈沖電源開關(guān)，脈沖電流 峰值范圍為1000—4000A，脈沖頻率范圍為100—1000Hz，進(jìn)行脈沖電流液面擾動
處理，到凝固平臺開始時，切斷脈沖電源，停止處理，即可得到組織細(xì)化的金屬鑄錠。 一種凝固全程脈沖電流液面擾動凝固細(xì)晶方法，該方法具有以下工藝特征首先 將金屬熔化成液體，當(dāng)金屬熔體溫度過熱20—18(TC時出爐澆注，將兩平行電極從熔 體上方插入金屬液面以下20—500mm，待金屬液澆注完畢后，打開擾動脈沖電源開關(guān)， 脈沖電流峰值范圍為1000—4000A，脈沖頻率范圍為100—1000Hz，進(jìn)行脈沖電流 液面擾動處理，直到凝固結(jié)束時，切斷脈沖電源，停止處理，即可得到組織細(xì)化的金 屬鑄錠。
本發(fā)明根據(jù)脈沖電流擾動時間段的不同分為形核階段擾動處理和凝固全程擾動 處理，當(dāng)金屬液溫度在理論結(jié)晶溫度以下開始到凝固平臺開始這段時間進(jìn)行脈沖電流 液面擾動處理稱為形核階段擾動處理；待金屬液澆注完畢后開始到凝固結(jié)束時這段時
間的擾動處理稱為凝固全程擾動處理。
本發(fā)明是有別于現(xiàn)有的三類金屬凝固細(xì)晶方法，其主要特點(diǎn)在金屬凝固過程中， 利用一定參數(shù)的脈沖電流，通過脈沖電流的熱以及電磁效應(yīng)，擾動金屬的自由液面， 以促進(jìn)表面金屬液的形核，形成結(jié)晶雨，從而使凝固組織得到顯著細(xì)化。
本方法(平行電極引入，參看圖1 (b))與有關(guān)脈沖電流細(xì)晶技術(shù)(施加方式為
垂直電極引入，參看圖l (a))相比，其細(xì)化的本質(zhì)及電流施加方式均有不同，并且 該方法的細(xì)化效率大大提高。同時對于高溫合金而言，尤其是那些在凝固過程中容易 產(chǎn)生偏析的合金來講，該技術(shù)可以明顯地改善合金元素的偏析，從而有效地提高合金 的力學(xué)性能；此外還可避免上下電極處理可能造成的金屬液漏液等情況的發(fā)生，大大 提高了操作的方便性和安全性。
本方法與其他研究人員在金屬進(jìn)入凝固階段之前進(jìn)行的"孕育"處理在技術(shù)手段 和原理上均有本質(zhì)區(qū)別。孕育處理在熔體具有較高溫度就開始進(jìn)行處理，且在凝固開 始之前處理結(jié)束。而本方法則恰恰相反，從熔體形核階段或整個凝固過程進(jìn)行處理。 處理過程可分為"形核階段擾動處理"和"凝固全程擾動處理"兩種模式。
金相組織見附圖。圖2為未進(jìn)行脈沖電流液面擾動的純鋁宏觀組織，圖3為垂直 電極引入脈沖電流處理的純鋁宏觀組織(2000A， 800Hz)，圖4平行電極引入脈沖電 流形核階段擾動處理的純鋁宏觀組織(2000A， 200Hz)，圖5為平行電極引入脈沖電 流凝固全程擾動處理的純鋁宏觀組織(2000A， 200Hz)。對比后發(fā)現(xiàn)相同電流峰值條 件下，無論是形核階段擾動處理還是凝固全程擾動處理，平行電極引入脈沖電流液面 擾動凝固細(xì)晶技術(shù)僅僅需要200Hz的頻率就能達(dá)到垂直電極引入脈沖電流800Hz頻
率的細(xì)化效果，由此可見液面擾動技術(shù)的細(xì)化效率大大提高。
本發(fā)明涉及冶金工業(yè)中的模鑄、連鑄生產(chǎn)，適合有色金屬材料、黑色金屬材料的 組織細(xì)化，并在上述領(lǐng)域中以獲得鑄態(tài)等軸細(xì)晶的外場擾動處理技術(shù)。本發(fā)明的方法 實施非常簡便，但細(xì)化效果顯著。


圖l兩種脈沖電流通電方式的示意圖(a)上下電極通電方式(b)平行電極通電方式
圖2為未進(jìn)行脈沖電流液面擾動的純鋁宏觀組織
圖3為垂直電極引入脈沖電流處理的純鋁宏觀組織(2000A，800Hz)
圖4為平行電極引入脈沖電流形核階段擾動處理的純鋁宏觀組織(2000A,200Hz)
圖5為平行電極引入脈沖電流凝固全程擾動處理的純鋁宏觀組織(2000A,200Hz)
圖6為未進(jìn)行脈沖電流液面擾動的軸承鋼低倍組織
圖7為平行電極引入脈沖電流凝固全程擾動處理的軸承鋼低倍組織 (4000A,400Hz)
具體實施例方式
現(xiàn)將本發(fā)明的實施例具體敘述于后。 實施例1
本實施例的材料是純度為99.7wt1的工業(yè)純鋁，鑄型為水玻璃砂干型，鑄件尺 寸為O40X140mm，分別進(jìn)行形核階段擾動處理和凝固全程擾動處理。為了增強(qiáng)對比 性，圖2為未進(jìn)行脈沖電流液面擾動的純鋁宏觀組織，圖3為垂直電極引入脈沖電流 處理的純鋁宏觀組織(電流峰值為2000A，脈沖頻率為800Hz)。
形核階段脈沖電流液面擾動處理，具體工藝過程如下首先將金屬熔化成液體， 當(dāng)金屬熔體溫度過熱180'C時出爐澆注，將兩平行電極從熔體上方插入金屬液面以下 30ram，從在線檢測的熱分析曲線實時觀察金屬熔體溫度變化，待金屬液溫度到達(dá)660 'C以下時，打開擾動脈沖電源開關(guān)，脈沖電流峰值為2000A，脈沖頻率為200Hz，進(jìn) 行脈沖電流液面擾動處理，到凝固平臺開始時，切斷脈沖電源，停止處理，對試樣進(jìn) 行金相組織觀察，其宏觀組織參看圖4。
凝固全程脈沖電流液面擾動處理，具體工藝過程如下首先將金屬熔化成液體， 當(dāng)金屬熔體溫度過熱18(TC時出爐澆注，將兩平行電極從熔體上方插入金屬液面以下 30mm，待金屬液澆注完畢后，打開擾動脈沖電源開關(guān)，脈沖電流峰值為2000A，脈沖 頻率為200Hz，進(jìn)行脈沖電流液面擾動處理，直到凝固結(jié)束時，切斷脈沖電源，停止
處理，對試樣進(jìn)行金相組織觀察，其宏觀組織參看圖5。
對比后發(fā)現(xiàn)在相同電流峰值條件下，無論是形核階段擾動處理還是凝固全程擾 動處理，平行電極引入脈沖電流液面擾動凝固細(xì)晶技術(shù)僅僅需要200Hz的頻率就能達(dá) 到垂直電極引入脈沖電流800Hz頻率的細(xì)化效果，由此可見液面擾動技術(shù)的細(xì)化效率 大大提高。 實施例2
采用高碳鉻軸承鋼作為實驗材料，其成分為C=0.80~0.96%， Si=0.20~0.35%， Mn=0.3~0,5%， P<0.025%， S<0.02%， Cr=1.35~1.50%， Ni + Cu<0.52%。為確保金屬 液成分、澆注溫度和冷卻條件一致，以保證實驗結(jié)果的可比性，采用"同時澆注、分 流充型"的實驗方案。金屬液通過分流槽，同時分別流入尺寸相同的試樣型腔中。試 樣尺寸為①50mmX180mm。鑄型采用水玻璃砂干型。具體工藝過程如下將O40的 棒料在中頻感應(yīng)爐中重熔，出爐前用0.2%鋁終脫氧。澆注溫度為1650°C (過熱180 °C)，澆注完畢后，將兩平行電極從熔體上方插入金屬液面以下30mm，并立刻通入脈 沖電流進(jìn)行全程液面擾動處理，直到凝固結(jié)束，切割試樣并用過飽和苦味酸冷蝕后， 在低倍金相顯微鏡下觀測試樣的低倍組織。圖6為不加脈沖電流擾動的低倍組織，圖 7為采用脈沖電流凝固全程液面擾動處理(電流峰值4000A，脈沖頻率400Hz)的低 倍組織。結(jié)果表明，未經(jīng)擾動處理的試樣是柱狀晶組織，其等軸晶率僅為30%，而采 用本發(fā)明處理后試樣的等軸晶率可達(dá)70%。
權(quán)利要求
1.一種形核階段脈沖電流液面擾動凝固細(xì)晶方法，該方法具有以下工藝特征首先將金屬熔化成液體，當(dāng)金屬熔體溫度過熱20-180℃時出爐澆注，將兩平行電極從熔體上方插入金屬液面以下20-500mm，從在線檢測的熱分析曲線實時觀察金屬熔體溫度變化，待金屬液溫度到達(dá)理論結(jié)晶溫度以下時，打開擾動脈沖電源開關(guān)，脈沖電流峰值范圍為1000-4000A，脈沖頻率范圍為100-1000Hz，進(jìn)行脈沖電流液面擾動處理，到凝固平臺開始時，切斷脈沖電源，停止處理，即可得到組織細(xì)化的金屬鑄錠。
2. —種凝固全程脈沖電流液面擾動凝固細(xì)晶方法，該方法具有以下工藝特征首先 將金屬熔化成液體，當(dāng)金屬熔體溫度過熱20—18(TC時出爐澆注，將兩平行電極 從熔體上方插入金屬液面以下20—500mm，待金屬液澆注完畢后，打開擾動脈沖 電源開關(guān)，脈沖電流峰值范圍為1000—4000A，脈沖頻率范圍為100—1000Hz， 進(jìn)行脈沖電流液面擾動處理，直到凝固結(jié)束時，切斷脈沖電源，停止處理，即可 得到組織細(xì)化的金屬鑄錠。
全文摘要
本發(fā)明涉及脈沖電流液面擾動凝固細(xì)晶方法，該方法主要工藝特征為將金屬熔化并過熱后澆注，將兩平行電極從熔體上方插入金屬液面以下，對金屬液進(jìn)行脈沖電流液面擾動處理，脈沖電流峰值為1000-4000A，脈沖頻率為100-1000Hz，根據(jù)脈沖電流擾動時間段的不同分為形核階段擾動處理和凝固全程擾動處理，最后得到組織細(xì)化的金屬鑄錠。本發(fā)明的方法非常簡便，且細(xì)化效果顯著。本發(fā)明可用于冶金工業(yè)中的模鑄、連鑄生產(chǎn)，適合各種金屬材料的組織細(xì)化。
文檔編號C22F3/02GK101100705SQ20071004416
公開日2008年1月9日 申請日期2007年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月25日
發(fā)明者旭 侯, 杰 李, 李仁興, 翟啟杰, 馬建宏, 高玉來, 龔永勇 申請人:上海大學(xué)