一种脉冲耦合电磁场细化金属凝固组织的方法及装置与流程

本发明涉及金属材料制备变质处理技术，特别是涉及一种脉冲耦合电磁场细化金属凝固组织的方法及装置。
背景技术：
细化金属凝固组织是能够同时提高金属材料强度和塑性最有效的途径。目前，细化凝固组织的方法主要包括物理方法和化学方法。物理方法主要包括机械搅拌、超声波处理、电磁搅拌等，化学方法主要是在金属液中添加孕育剂。但是这些方法都有其内在的缺点，机械搅拌、超声波处理等方法很难应用于温度较高的钢液中，且会污染母液，对熔炼设备的要求比较高。电磁搅拌容易产生负偏析。添加孕育剂虽然在有色金属和铸铁中得到很好的应用，但是仍未发现适用于钢液的孕育剂，且孕育剂比较昂贵，容易出现细化衰退效果，不太适合工业化生产。而脉冲电磁场由于具有不污染金属、设备简单、节约能源、操作方便等优点，在对合金凝固组织改善方面受到越来越多的关注，成为一个新的研究热点。近些年，国内外学者对脉冲电磁场耦合其他物理场以及多场耦合细化金属凝固组织晶粒也多有研究，目前主要的耦合方式包括脉冲磁场耦合机械振动、脉冲磁场耦合交流、直流电、交流电耦合静磁场、电磁搅拌耦合机械场等，这些耦合方式对细化金属凝固组织都有一定的作用，但是都是各有利弊，比如脉冲磁场耦合机械振动虽然比只施加脉冲磁场获得晶粒尺寸更加的细小，但是应用前景不足，交流电耦合静磁场、脉冲磁场耦合直流、交流电也能够细化金属凝固组织，但是耦合直流或者交流电需要把电极插进熔体中，这样一是会导致电极污染金属母液，二是电极是消耗品，也不太适合于工业生产。技术实现要素：发明目的：针对现有技术中存在的上述问题，本申请提供了一种细化效果好、低能耗的脉冲耦合电磁场细化金属凝固组织的方法与装置。技术方案：本发明所述的一种脉冲耦合电磁场细化金属凝固组织的方法为：在金属熔体凝固过程中，对其施加脉冲耦合电磁场，所述脉冲耦合电磁场是由脉冲磁场和静磁场相互耦合产生，所述脉冲磁场由脉冲电源连接脉冲线圈形成，其中脉冲线圈放置在金属熔体周围，所述静磁场由放置在金属熔体外侧的磁铁或者直流线圈形成，使金属熔体表面及其内部在脉冲耦合电磁场作用下产生对流和振荡。进一步的，所述脉冲磁场的脉冲电源参数为：输出电流i＝500a～20000a，脉冲宽度0.1～500ms，实际作用频率f＝1～5000hz。所述静磁场的中心磁场强度b＝0.1～5t。所述脉冲磁场和静磁场同时施加于金属熔体。具体的，在常温常压环境下，当金属液温度达到对应的出炉温度时开始施加脉冲耦合电磁场，并在金属液温度降到凝固点以下时停止施加。所述金属包括所有的金属及其合金，比如铁基合金、镍基高温合金、铝合金、镁合金、高温合金、铁基合金、复合金属材料等等。本发明所述的一种脉冲耦合电磁场细化金属凝固组织的装置，包括金属液容器、脉冲电源、脉冲线圈、磁铁或直流线圈和温度采集记录系统，所述金属液容器置于脉冲线圈内，脉冲线圈通过导线与脉冲电源相连接，所述磁铁或直流线圈放置在金属液容器外侧。根据上述描述，本发明方案中只要将金属液容器置于磁铁或直流线圈中间即可，由此，磁铁或直流线圈可以围绕金属液容器呈立体环绕安置。其中，采用磁铁或直流线圈时，将其放置在脉冲线圈外。所述永磁体或者直流线圈在线圈内部时，磁体或者直流线圈会对脉冲磁场的分布产生很大的影响。并且，当磁铁在脉冲线圈内部时，由于金属熔体附近温度很高，会出现永磁体消磁现象。所述脉冲电源由充电系统、脉冲电容和开关构成，脉冲电容通过开关由导线与容纳金属液的容器外的脉冲线圈相连接，脉冲电容对脉冲线圈放电，产生脉冲磁场。工作原理：当金属熔体处于凝固过程中时，脉冲电源中的脉冲电容在开关的控制下，通过导线对放置于容纳金属液容器外的环形线圈放电，产生脉冲磁场；脉冲磁场和放置在金属液容器外侧的静磁场相互耦合产生脉冲耦合电磁场，使得形成的耦合磁场作用于正在凝固的金属熔体上，促使金属熔体表面及其内部产生强烈的对流，从而细化金属凝固组织。有益效果：本申请具有以下优势：(1)相较于其他细化技术，可以在输入脉冲功率相同的情况下，获得更加细化的金属凝固组织，降低能耗；(2)本技术不会污染金属母液，耦合方式简单、施加方式简单，不会有耗材上的损耗，在工业上有较好的应用前景；(3)对金属凝固组织的细化效果明显。附图说明图1是本申请静磁场由永磁体产生时的简单装置示意图；图2是图1的俯视图；图3是本申请静磁场由直流线圈产生时的简单装置示意图；图4是图3的俯视图；图5是脉冲电源的简单电路图示意；图6是实施例2试样1经过脉冲磁场处理后的al-7wt.％si合金凝固组织的宏观腐蚀照片(i＝2500a,f＝30hz)；图7为实施例2试样2经过脉冲耦合电磁场处理后的al-7％si合金凝固组织的宏观腐蚀照片(i＝2500a,f＝30hz)。具体实施方式下面结合具体实施例对本申请作出详细说明。实施例1如图1和图2所示的脉冲耦合电磁场细化金属凝固组织的装置，包括金属液容器2、脉冲电源1、脉冲线圈4、两块磁铁6和温度采集记录系统3，其中，脉冲线圈4为圆环形，金属液容器2置于圆环形脉冲线圈4的中心位置，脉冲线圈4通过导线5与脉冲电源1相连接，如图5所示，脉冲电源1由充电系统11、脉冲电容12和开关13构成，脉冲电容12通过开关14由导线5与容纳金属液的容器2外的脉冲线圈4相连接，脉冲电容12对脉冲线圈4放电，产生脉冲磁场；两块磁铁6对称放置在金属液容器2两侧的脉冲线圈4外，使得两块磁铁6和金属液容器2处于一条直线上。采用上述装置细化金属凝固组织的方法，包括以下步骤：在常温常压环境下，将达到对应的金属液出炉温度的金属熔体浇注到金属液容器内，开启高压脉冲电源：输出电流i＝500a～20000a，脉冲宽度0.1～50ms，实际作用频率f＝10～5000hz；静磁场的中心磁场强度为b＝0.1～2t；使得形成的耦合磁场作用于正在凝固的金属熔体上，促使金属熔体表面及其内部产生强烈的对流，从而细化金属凝固组织；通过温度采集记录系统实时监测金属熔体温度，当熔体温度降低至凝固点以下时，停止施加脉冲耦合电磁场。实施例2采用实施例1所述装置和方法细化al-7wt.％si合金凝固组织。将工业纯度为99.9％的纯铝放置于电阻炉中，加热到850℃后，在850℃保温一个小时，然后向电阻炉中加入一定比例的工业纯度为99.99％的纯硅，再保温一个小时，然后把合金液浇筑到石墨坩埚中进行制样，然后把样品分别切割为420g。任意取两个样品置于刚玉坩埚中，将其放置在电阻炉中进行熔化，加热到850℃保温一个小时，将上述两个试样分为试样1和试样2，当熔体的温度降为720℃时，对试样1只施加脉冲磁场，对试样2则按照实施例1的方法予以脉冲耦合电磁场处理，温度降为566℃停止处理。试样1和试样2的脉冲电源参数均为：脉冲电流i＝2500a，脉冲频率f＝30hz，脉冲宽度为3ms。待试样凝固后，对试样进行切割、打磨、腐蚀、拍照，试样1结果参见图6，试样2结果参见图7，由此可见只经过脉冲磁场处理后的凝固组织和经过脉冲耦合电磁场处理后的凝固组织有着明显的差别，后者的凝固组织更加的细小。使用ipp软件统计后发现，试样1采用2500a脉冲磁场处理得到的晶粒尺寸为640μm，而试样2采用2500a脉冲耦合电磁场处理得到的晶粒尺寸为450μm，细化效果得到显著提高。实施例3采用实施例1所述装置和方法细化al-5wt.％cu合金凝固组织。将工业纯度为99.99％的纯铝放置于电阻炉中，加热到800℃后，在800℃保温一个小时，然后向电阻炉中加入一定比例的工业纯度为99.99％的纯铜，再保温一个小时，然后把金属液浇筑到石墨坩埚中进行制样，然后把样品分别切割为400g。任意取两个样品置于刚玉坩埚中，将其放置在电阻炉中进行熔化，加热到800℃保温一个小时，将上述两个试样分为试样3和试样4，当熔体的温度降为750℃时，对试样3只施加脉冲磁场，对试样4则按照实施例1的方法予以脉冲耦合电磁场处理，温度降为545℃停止处理。试样3和试样4的脉冲参数均为：脉冲电流i＝5000a，脉冲频率f＝30hz，脉冲宽度为3ms。待试样凝固后，对试样进行切割、打磨、腐蚀、拍照，研究发现只经过脉冲磁场处理后的凝固组织和经过脉冲耦合电磁场处理后的凝固组织有着明显的差别，后者的凝固组织更加的细小。实施例4采用实施例1所述装置和方法细化al-5wt.％si合金凝固组织。将工业纯度为99.99％的纯铝放置于电阻炉中，加热到850℃后，在850℃保温一个小时，然后把合金液浇筑到石墨坩埚中进行制样，然后把样品分别切割为400g。任意取两个样品置于刚玉坩埚中，将其放置在电阻炉中进行熔化，加热到850℃保温一个小时，将上述两个试样分为试样5和试样6，当熔体的温度降为800℃时，对试样5只施加脉冲磁场，对试样6则按照实施例1的方法予以脉冲耦合电磁场处理，温度降为650℃停止处理。试样5和试样6的脉冲参数均为：脉冲电流i＝500a，脉冲频率f＝30hz，脉冲宽度为3ms。待试样凝固后，对试样进行切割、打磨、腐蚀、拍照，研究发现只经过脉冲磁场处理后的凝固组织和经过脉冲耦合电磁场处理后的凝固组织有着明显的差别，后者的凝固组织更加的细小。实施例5采用实施例1所述装置和方法细化工业纯镁凝固组织。将工业纯度为99.99％的纯镁放置于电阻炉中，加热到850℃后，在850℃保温一个小时，然后把金属液浇筑到石墨坩埚中进行制样，然后把样品分别切割为400g。任意取两个样品置于刚玉坩埚中，将其放置在电阻炉中进行熔化，加热到850℃保温一个小时，将上述两个试样分为试样7和试样8，当熔体的温度降为800℃时，对试样7只施加脉冲磁场，对试样8则按照实施例1的方法予以脉冲耦合电磁场处理，温度降为640℃停止处理。试样7和试样8的脉冲参数均为：脉冲电流i＝10000a，脉冲频率f＝30hz，脉冲宽度为3ms。待试样凝固后，对试样进行切割、打磨、腐蚀、拍照，研究发现只经过脉冲磁场处理后的凝固组织和经过脉冲耦合电磁场处理后的凝固组织有着明显的差别，后者的凝固组织更加的细小。实施例6采用实施例1所述装置和方法细化gcr15轴承钢凝固组织。任意取两块质量为2kg的gcr15轴承钢样品置于石墨黏土坩埚中，将其放置在中频真空感应炉中进行熔化，加热到1500℃保温一个小时，将上述两个试样分为试样9和试样10，当熔体的温度降为1400℃时，对试样9只施加脉冲磁场，对试样10则按照实施例1的方法予以脉冲耦合电磁场处理，温度降为727℃停止处理。试样9和试样10的脉冲参数均为：脉冲电流i＝10000a，脉冲频率f＝100hz，脉冲宽度为30ms。待试样凝固后，对试样进行切割、打磨、腐蚀、拍照，研究发现只经过脉冲磁场处理后的凝固组织和经过脉冲耦合电磁场处理后的凝固组织有着明显的差别，后者的凝固组织更加的细小。实施例7如图3和图4所示的一种脉冲耦合电磁场细化金属凝固组织的装置，其设置同实施例1不同之处在于，将两块磁铁6换成施加直流电的线圈，其余均不变。将工业纯度为99.9％的纯铝放置于电阻炉中，加热到850℃后，在850℃保温一个小时，然后向电阻炉中加入一定比例的工业纯度为99.99％的纯硅，再保温一个小时，然后把合金液浇筑到石墨坩埚中进行制样，然后把样品分别切割为420g。任意取两个样品置于刚玉坩埚中，将其放置在电阻炉中进行熔化，加热到850℃保温一个小时，将上述两个试样分为试样11和试样12，当熔体的温度降为720℃时，对试样11只施加脉冲磁场，对试样12则按照实施例1的方法予以脉冲耦合电磁场处理，温度降为566℃停止处理。试样11和试样12的脉冲电源参数均为：脉冲电流i＝1000a，脉冲频率f＝30hz，脉冲宽度为3ms。待试样凝固后，对试样进行切割、打磨、腐蚀、拍照，研究发现只经过脉冲磁场处理后的凝固组织和经过脉冲耦合电磁场处理后的凝固组织有着明显的差别，后者的凝固组织更加的细小实施例8采用实施例6所述装置和方法细化al-5wt.％cu合金凝固组织。将工业纯度为99.99％的纯铝放置于电阻炉中，加热到800℃后，在800℃保温一个小时，然后向电阻炉中加入一定比例的工业纯度为99.99％的纯铜，再保温一个小时，然后把金属液浇筑到石墨坩埚中进行制样，然后把样品分别切割为400g。任意取两个样品置于刚玉坩埚中，将其放置在电阻炉中进行熔化，加热到800℃保温一个小时，将上述两个试样分为试样13和试样14，当熔体的温度降为750℃时，对试样13只施加脉冲磁场，对试样14则按照实施例1的方法予以脉冲耦合电磁场处理，温度降为545℃停止处理。试样13和试样14的脉冲参数均为：脉冲电流i＝5000a，脉冲频率f＝30hz，脉冲宽度为3ms。待试样凝固后，对试样进行切割、打磨、腐蚀、拍照，研究发现只经过脉冲磁场处理后的凝固组织和经过脉冲耦合电磁场处理后的凝固组织有着明显的差别，后者的凝固组织更加的细小。实施例9至实施例15实施例9至实施例15的处理同实施例2中的试样2，不同之处在于脉冲电源参数，分别如下：序号脉冲电流/a脉冲频率/hz脉冲宽度/ms实施例9250010.1实施例105000580实施例1110000500100实施例12120001000200实施例13150002000300实施例14180003500400实施例15200005000500当前第1页12