[发明专利]一种脉冲耦合电磁场细化金属凝固组织的方法及装置

说明书

本发明公开了一种脉冲耦合电磁场细化金属凝固组织的方法，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相对两侧的磁铁或者施加直流电的线圈形成，最终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。本发明还公开了用于脉冲耦合电磁场细化金属凝固组织的装置。本发明相较于脉冲磁场细晶技术，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。

技术领域

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。

发明内容

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0.1～500 ms，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。