专利名称：脉冲电流液面扰动凝固细晶方法
技术领域：
本发明涉及脉冲电流液面扰动凝固细晶方法，属金属凝固技术领域。
背景技术：
凝固细晶技术一直是冶金材料学者致力于研究的课题，因此大量的凝固细晶技术 随着研究的深入而不断涌现出来。目前金属凝固细晶方法大体可以归纳为以下几类 (1)浇注过程和传热条件控制方法；(2)化学处理方法；(3)动力学细化方法。
浇注过程和传热条件控制方法主要包括浇注过程控制技术、低温浇注、提高冷却 速度和增加过冷度等。这些方法均为传统的细化方法，比如在连铸工业中，浇注过程 控制技术和低温浇注仍然是一种比较有效的改善凝固组织的措施。但是细化效果有 限，且受生产条件限制，实施难度较大。
化学处理的方法，即孕育处理和变质处理，也就是向液体中添加少量特殊的化学 物质或化学元素。这种物质分为晶粒细化剂和阻止生长剂两种， 一般称为孕育剂或变 质剂，来促使熔体内部的非均质生核及抑制晶粒的长大。化学处理方法目前在工业上 应用最广，是普通铸件获得细晶组织的常用方法。但是依靠向熔体中添加晶粒细化剂 的方法，不仅成本高，制备工艺复杂，而且有时因外来质点的加入，使金属中异质颗 粒、夹杂增多，结果反而导致塑性降低，力学性能下降。
动力学细化法主要是采用机械力或电磁力引起液相和固相的相对运动，导致枝晶 的破碎或枝晶与铸型分离，在液相中形成大量结晶核心，达到细化晶粒的效果。常用 的动力学细化方法主要有机械振动、电磁振动、超声振动等。
发明内容
本发明的目的是提供两种脉冲电流液面扰动凝固细晶方法。 本发明的目的是通过以下技术手段来实现的。
一种形核阶段脉冲电流液面扰动凝固细晶方法，该方法具有以下工艺特征首先
将金属熔化成液体，当金属熔体温度过热20—180'C时出炉浇注，将两平行电极从熔 体上方插入金属液面以下20—500ram，从在线检测的热分析曲线实时观察金属熔体温 度变化，待金属液温度到达理论结晶温度以下时，打开扰动脉冲电源开关，脉冲电流 峰值范围为1000—4000A，脉冲频率范围为100—1000Hz，进行脉冲电流液面扰动
处理，到凝固平台开始时，切断脉冲电源，停止处理，即可得到组织细化的金属铸锭。 一种凝固全程脉冲电流液面扰动凝固细晶方法，该方法具有以下工艺特征首先 将金属熔化成液体，当金属熔体温度过热20—18(TC时出炉浇注，将两平行电极从熔 体上方插入金属液面以下20—500mm，待金属液浇注完毕后，打开扰动脉冲电源开关， 脉冲电流峰值范围为1000—4000A，脉冲频率范围为100—1000Hz，进行脉冲电流 液面扰动处理，直到凝固结束时，切断脉冲电源，停止处理，即可得到组织细化的金 属铸锭。
本发明根据脉冲电流扰动时间段的不同分为形核阶段扰动处理和凝固全程扰动 处理，当金属液温度在理论结晶温度以下开始到凝固平台开始这段时间进行脉冲电流 液面扰动处理称为形核阶段扰动处理；待金属液浇注完毕后开始到凝固结束时这段时
间的扰动处理称为凝固全程扰动处理。
本发明是有别于现有的三类金属凝固细晶方法，其主要特点在金属凝固过程中， 利用一定参数的脉冲电流，通过脉冲电流的热以及电磁效应，扰动金属的自由液面， 以促进表面金属液的形核，形成结晶雨，从而使凝固组织得到显著细化。
本方法(平行电极引入，参看图1 (b))与有关脉冲电流细晶技术(施加方式为
垂直电极引入，参看图l (a))相比，其细化的本质及电流施加方式均有不同，并且 该方法的细化效率大大提高。同时对于高温合金而言，尤其是那些在凝固过程中容易 产生偏析的合金来讲，该技术可以明显地改善合金元素的偏析，从而有效地提高合金 的力学性能；此外还可避免上下电极处理可能造成的金属液漏液等情况的发生，大大 提高了操作的方便性和安全性。
本方法与其他研究人员在金属进入凝固阶段之前进行的"孕育"处理在技术手段 和原理上均有本质区别。孕育处理在熔体具有较高温度就开始进行处理，且在凝固开 始之前处理结束。而本方法则恰恰相反，从熔体形核阶段或整个凝固过程进行处理。 处理过程可分为"形核阶段扰动处理"和"凝固全程扰动处理"两种模式。
金相组织见附图。图2为未进行脉冲电流液面扰动的纯铝宏观组织，图3为垂直 电极引入脉冲电流处理的纯铝宏观组织(2000A， 800Hz)，图4平行电极引入脉冲电 流形核阶段扰动处理的纯铝宏观组织(2000A， 200Hz)，图5为平行电极引入脉冲电 流凝固全程扰动处理的纯铝宏观组织(2000A， 200Hz)。对比后发现相同电流峰值条 件下，无论是形核阶段扰动处理还是凝固全程扰动处理，平行电极引入脉冲电流液面 扰动凝固细晶技术仅仅需要200Hz的频率就能达到垂直电极引入脉冲电流800Hz频
率的细化效果，由此可见液面扰动技术的细化效率大大提高。
本发明涉及冶金工业中的模铸、连铸生产，适合有色金属材料、黑色金属材料的 组织细化，并在上述领域中以获得铸态等轴细晶的外场扰动处理技术。本发明的方法 实施非常简便，但细化效果显著。
图l两种脉冲电流通电方式的示意图(a)上下电极通电方式(b)平行电极通电方式
图2为未进行脉冲电流液面扰动的纯铝宏观组织
图3为垂直电极引入脉冲电流处理的纯铝宏观组织(2000A，800Hz)
图4为平行电极引入脉冲电流形核阶段扰动处理的纯铝宏观组织(2000A,200Hz)
图5为平行电极引入脉冲电流凝固全程扰动处理的纯铝宏观组织(2000A,200Hz)
图6为未进行脉冲电流液面扰动的轴承钢低倍组织
图7为平行电极引入脉冲电流凝固全程扰动处理的轴承钢低倍组织 (4000A,400Hz)
具体实施例方式
现将本发明的实施例具体叙述于后。 实施例1
本实施例的材料是纯度为99.7wt1的工业纯铝，铸型为水玻璃砂干型，铸件尺 寸为O40X140mm，分别进行形核阶段扰动处理和凝固全程扰动处理。为了增强对比 性，图2为未进行脉冲电流液面扰动的纯铝宏观组织，图3为垂直电极引入脉冲电流 处理的纯铝宏观组织(电流峰值为2000A，脉冲频率为800Hz)。
形核阶段脉冲电流液面扰动处理，具体工艺过程如下首先将金属熔化成液体， 当金属熔体温度过热180'C时出炉浇注，将两平行电极从熔体上方插入金属液面以下 30ram，从在线检测的热分析曲线实时观察金属熔体温度变化，待金属液温度到达660 'C以下时，打开扰动脉冲电源开关，脉冲电流峰值为2000A，脉冲频率为200Hz，进 行脉冲电流液面扰动处理，到凝固平台开始时，切断脉冲电源，停止处理，对试样进 行金相组织观察，其宏观组织参看图4。
凝固全程脉冲电流液面扰动处理，具体工艺过程如下首先将金属熔化成液体， 当金属熔体温度过热18(TC时出炉浇注，将两平行电极从熔体上方插入金属液面以下 30mm，待金属液浇注完毕后，打开扰动脉冲电源开关，脉冲电流峰值为2000A，脉冲 频率为200Hz，进行脉冲电流液面扰动处理，直到凝固结束时，切断脉冲电源，停止
处理，对试样进行金相组织观察，其宏观组织参看图5。
对比后发现在相同电流峰值条件下，无论是形核阶段扰动处理还是凝固全程扰 动处理，平行电极引入脉冲电流液面扰动凝固细晶技术仅仅需要200Hz的频率就能达 到垂直电极引入脉冲电流800Hz频率的细化效果，由此可见液面扰动技术的细化效率 大大提高。 实施例2
采用高碳铬轴承钢作为实验材料，其成分为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%。为确保金属 液成分、浇注温度和冷却条件一致，以保证实验结果的可比性，采用"同时浇注、分 流充型"的实验方案。金属液通过分流槽，同时分别流入尺寸相同的试样型腔中。试 样尺寸为①50mmX180mm。铸型采用水玻璃砂干型。具体工艺过程如下将O40的 棒料在中频感应炉中重熔，出炉前用0.2%铝终脱氧。浇注温度为1650°C (过热180 °C)，浇注完毕后，将两平行电极从熔体上方插入金属液面以下30mm，并立刻通入脉 冲电流进行全程液面扰动处理，直到凝固结束，切割试样并用过饱和苦味酸冷蚀后， 在低倍金相显微镜下观测试样的低倍组织。图6为不加脉冲电流扰动的低倍组织，图 7为采用脉冲电流凝固全程液面扰动处理(电流峰值4000A，脉冲频率400Hz)的低 倍组织。结果表明，未经扰动处理的试样是柱状晶组织，其等轴晶率仅为30%，而采 用本发明处理后试样的等轴晶率可达70%。
权利要求
1.一种形核阶段脉冲电流液面扰动凝固细晶方法，该方法具有以下工艺特征首先将金属熔化成液体，当金属熔体温度过热20-180℃时出炉浇注，将两平行电极从熔体上方插入金属液面以下20-500mm，从在线检测的热分析曲线实时观察金属熔体温度变化，待金属液温度到达理论结晶温度以下时，打开扰动脉冲电源开关，脉冲电流峰值范围为1000-4000A，脉冲频率范围为100-1000Hz，进行脉冲电流液面扰动处理，到凝固平台开始时，切断脉冲电源，停止处理，即可得到组织细化的金属铸锭。
2. —种凝固全程脉冲电流液面扰动凝固细晶方法，该方法具有以下工艺特征首先 将金属熔化成液体，当金属熔体温度过热20—18(TC时出炉浇注，将两平行电极 从熔体上方插入金属液面以下20—500mm，待金属液浇注完毕后，打开扰动脉冲 电源开关，脉冲电流峰值范围为1000—4000A，脉冲频率范围为100—1000Hz， 进行脉冲电流液面扰动处理，直到凝固结束时，切断脉冲电源，停止处理，即可 得到组织细化的金属铸锭。
全文摘要
本发明涉及脉冲电流液面扰动凝固细晶方法，该方法主要工艺特征为将金属熔化并过热后浇注，将两平行电极从熔体上方插入金属液面以下，对金属液进行脉冲电流液面扰动处理，脉冲电流峰值为1000-4000A，脉冲频率为100-1000Hz，根据脉冲电流扰动时间段的不同分为形核阶段扰动处理和凝固全程扰动处理，最后得到组织细化的金属铸锭。本发明的方法非常简便，且细化效果显著。本发明可用于冶金工业中的模铸、连铸生产，适合各种金属材料的组织细化。
文档编号C22F3/02GK101100705SQ20071004416
公开日2008年1月9日 申请日期2007年7月25日 优先权日2007年7月25日
发明者旭 侯, 杰 李, 李仁兴, 翟启杰, 马建宏, 高玉来, 龚永勇 申请人:上海大学