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。
技术实现要素：
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。
与现有技术相比本发明具有以下优点和技术效果：
1)本发明利用电磁搅拌与高频机械振动协同作用，实现金属凝固组织细化，这是两种不同的作用，在金属凝固过程中对组织细化的作用具有很好的互补性和协同强化作用，因此其细化效果比单一的电磁搅拌和单一的机械振动要好的多，起到一加一大于二的效果；晶粒及其晶间的析出相都可以细化到5μm以下，得到完全的等轴晶组织；之所以有这样的效果，除电磁搅拌和机械振动是两种不同的作用场具有互补和协同强化的原因以外，电磁搅拌和机械振动通过合理的电磁参数和机械振动参数相匹配，实现熔体水平周向运动和上下振动具有接近的速率，消除凝固过程中晶粒生长及析出物形成的方向性，并大幅度提高形核速率，实现了高效细化和等向生长。
2)本发明利用电磁场与机械振动作用，作用效果互补和协同增强，比单一施加电磁场或机械振动的效果显著提高，现有技术中，单一施加外场时，凝固组织的粒度也仅能控制在20-50μm的范围，因此，采用本发明的技术效果非常显著。
3)采用本发明的电磁搅拌比现有技术中单一的采用电磁搅拌具有电源消耗低的优势，因为单一施加电磁搅拌时，需要增大电流值或频率值来提高电磁搅拌能力，无功电耗很大，采用本发明，比单一采用电磁搅拌时，可以节约50％左右的能源消耗。
4)采用本发明比单一的采用机械振动控制金属凝固的现有技术具有振动装置简单，效果突出的优势，克服了目前机械振动细化金属时采用超高频振动的不稳定性问题。
5)采用本发明的安全系数高，因为比单一的电磁搅拌强度要弱，比单一的机械振动强度也要低，所以，设备的可控制性提高，稳定性提高。
6)本发明可用于铁磁性材料和非铁磁性材料的凝固，具有很好的通用性。
附图说明
图1本发明所述磁场与振动复合作用细化金属凝固组织的方法的设备图。
图2中(a)、(b)分别为实施例1及对比例实验1所得的铸态试样中心部位的晶粒组织图。
图3中(a)、(b)、(c)、(d)分别为实施例2及对比例实验2-4的铸态试样中心部位的晶粒组织图。
图4中(a)、(b)分别为实施例3及对比例实验5铸态试样中心部位的晶粒组织图。
图中：
1-支撑平台；2-柔性连接装置；3-振动装置；4-高频电机；5-电磁搅拌线圈；6-铸模；7-金属熔体。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步的阐述；实施例仅用于说明本发明，而不是以任何方式来限制本发明。
本发明所述的磁场与振动复合作用细化金属凝固组织的方法，是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。
如图1所示，本方法中，所需的振动由支撑平台1、振动装置3、高频电机4提供，所述振动装置3通过柔性装置2连接在支撑平台1上部，柔性装置2可以是具有弹性的弹簧等。振动装置3由高频电机4驱动，铸模6直接放在振动装置3上面；铸模6外侧安装电磁搅拌线圈5，电磁搅拌的磁场由电磁搅拌线圈5提供；铸模6连同里面的金属熔体7随振动装置3一起振动，金属熔体7同时在电磁搅拌的作用下运动。实现本发明的具体步骤为：
将铸模6直接放在振动装置3上面，振动装置3和支撑平台1之间通过柔性装置2连接，振动装置3由高频电机4驱动；铸模6内浇入金属熔体后，开始振动，使铸模6连同里面的金属熔体7随振动装置3一起振动；同时，在铸模外侧安装电磁搅拌线圈5，振动的同时开启电磁搅拌，使金属熔体7同时在电磁搅拌的作用下凝固，实现了金属熔体在磁场与振动复合作用下凝固，直至完全凝固，停止振动和电磁搅拌。
较佳地，电磁搅拌使熔体运动的方向与振动的方向相垂直。电磁搅拌力使熔体水平周向运动，铸模连同里面的金属一起随振动平台沿垂直方向上往复振动。
另外，还能够通过合理的电磁参数和机械振动参数相匹配，实现熔体水平周向运动和上下振动具有接近的速率，消除凝固过程中晶粒生长及析出物形成的方向性，并大幅度提高形核速率，实现了高效细化和等向生长。对于铁磁性金属材料，电磁搅拌线圈5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。对于非铁磁性金属材料，电磁搅拌线圈5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。
下面用具体实施例来说明本发明所述磁场与振动复合作用细化金属凝固组织的方法的具体实施方式及效果。
实施例1：铝合金在石墨型内的凝固
熔体准备：6063铝合金1kg,99.7％在720℃下熔炼；
铸模：电极石墨铸模，烘烤到400℃，石墨铸模的尺寸为φ160×150mm；
凝固过程：将铸模直接放在振动装置上面，振动装置和支撑平台之间通过柔性装置连接，振动装置由高频电机驱动；铝合金熔体经脱气后在温度降低到700℃时，将铝合金熔体浇铸到铸模内，开始振动，使铸模连同里面的金属熔体随振动装置一起沿垂直方向上往复振动，振动的频率为400hz，振幅为10微米；同时，在铸模外侧安装电磁搅拌线圈，振动的同时开启电磁搅拌，使金属熔体同时在电磁搅拌的作用下水平周向运动至凝固，磁搅拌所用电流的频率15hz，熔体内磁感应强度在800gs，直至完全凝固，停止振动和电磁搅拌，取试样进行金相组织观察。
从凝固理论可知，铸样中心部位是晶粒最粗大的等轴晶组织，图2(a)为该实施例获得的铸态试样中心部位的晶粒组织图，由图2(a)可见，采用本发明后，铸态试样中心的晶粒最大尺寸小于5μm，晶粒尺寸的均匀度非常高，特别是晶粒间的析出物全部弥散分布于晶界，尺寸小于1μm。
为对比本发明的效果，不采用电磁搅拌和振动，在其他条件完全相同的条件下，进行对比例实验1，获得的铸样取中心部位进行金相分析，图2(b)给出了对比例实验1获得的铸态试样中心部位的晶粒组织图，由图2(b)可见，对比例实验1的晶粒尺寸在50-60μm以上，且晶粒为条状，具有柱状晶的部分特征；此外，对比晶界的析出物可以发现，不采用本发明时晶界间析出相粗大，且不均匀，这也更好的说明了本发明具有使晶粒和晶间析出物同时细化的显著效果。
实施例2：az91镁合金在铜铸模内的凝固
铜铸模：尺寸为φ280×250mm；
凝固实验过程：将铸模直接放在振动装置上面，振动装置和支撑平台之间通过柔性装置连接，振动装置由高频电机驱动；合金熔体精炼后在温度降低到610℃时，浇铸到铸模内，开始振动，使铸模连同里面的金属熔体随振动装置一起沿垂直方向上往复振动，振动的频率为500hz，振幅为20微米；同时，在铸模外侧安装电磁搅拌线圈，振动的同时开启电磁搅拌，使金属熔体同时在电磁搅拌的作用下水平周向运动至凝固，磁搅拌所用电流的频率10hz，熔体内磁感应强度在600gs，直至完全凝固，停止振动和电磁搅拌，取试样进行金相组织观察。
从凝固理论可知，铸样中心部位是晶粒最粗大的等轴晶组织，图3(a)为该实施例获得的铸态试样中心部位的晶粒组织图，由图3(a)可见，采用本发明后，铸态试样中心的初生α相的晶粒度小于4μm，且粒度尺寸的均匀度非常高，特别是共晶相为点状，全部弥散分布于晶界，尺寸小于1μm。
为对比本发明的效果，不采用电磁搅拌和振动，在其他条件完全相同的条件下，进行对比例实验2，获得的铸样取中心部位进行金相分析，图3(b)给出了对比例实验2获得的铸态试样中心部位的晶粒组织图，由图3(b)可见，对比例实验2的初生α相的晶粒度在40-50μm以上，且晶粒为条柱状；此外，共晶相可以发现，不采用本发明时共晶相粗大，为蠕虫状，且不均匀，这也更好的说明了本发明具有显著的细化组织的效果，包括可以是初生晶相和共晶相同时细化的显著效果。
为说明本发明比单一的电磁搅拌和单一的振动作用对凝固的影响，在其他条件完全相同的条件下，进行对比例实验3和对比例实验4，对比例实验3只采用与实施例2完全相同的电磁搅拌而不采用振动，对比例实验4只采用与实施例2完全相同的振动而不采用电磁搅拌，分别获得的铸样取中心部位进行金相分析，图3中(c)和(d)分别给出了对比例实验3和对比例实验获得的铸态试样中心部位的晶粒组织图，由图3中(c)和(d)可见，当只采用电磁搅拌或只采用振动时，凝固组织中初生α相的晶粒度在20μm以上，且晶粒具有柱状晶特征，；此外，从共晶相可以发现，只采用电磁搅拌或只采用振动时，共晶相的为5μm的颗粒或蠕虫状，相对于实施例而言，不仅粗大，且不均匀，这也更好的说明了本发明比单一的电磁搅拌和单一的振动具有显著的细化组织的效果，包括可以是初生晶相和共晶相同时细化的显著效果。
实施例3：钢的凝固
熔体准备：40cr合金钢10kg在1580℃下熔炼。
铸模：尺寸为φ280×250mm的砂型铸模内。
将铸模直接放在振动装置上面，振动装置和支撑平台之间通过柔性装置连接，振动装置由高频电机驱动；合金熔体精炼后在温度降低到1520℃时，浇铸到铸模内，开始振动，使铸模连同里面的金属熔体随振动装置一起沿垂直方向上往复振动，振动的频率为200hz，振幅为45微米；同时，在铸模外侧安装电磁搅拌线圈，振动的同时开启电磁搅拌，使金属熔体同时在电磁搅拌的作用下水平周向运动至凝固，磁搅拌所用电流的频率6hz，熔体内磁感应强度在400gs，直至完全凝固，停止振动和电磁搅拌，取试样进行金相组织观察。
图4(a)为该实施例获得的铸态试样中心部位的晶粒组织图，为对比说明本发明的效果，不采用电磁搅拌和振动，在其他条件完全相同的条件下，进行对比例实验5，获得的铸样取中心部位进行金相分析，结果见图4(b)；对比可知，本发明具有显著的细化组织的效果，能够使初生晶相和共晶相同时细化的显著效果。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。