縱向磁場(chǎng)下定向凝固cet細(xì)化金屬凝固組織的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種金屬凝固組織的制備方法，尤其是涉及一種外加磁場(chǎng)的金屬凝固組織的制備方法，應(yīng)用于金屬材料重熔鑄造加工技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]金屬材料對(duì)于一個(gè)國(guó)家的發(fā)展和進(jìn)步有著十分重要的影響。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，人們對(duì)金屬材料性能的要求也越來(lái)越高，而獲得高品質(zhì)金屬材料的關(guān)鍵是有效的控制金屬的凝固過(guò)程。其中，細(xì)化金屬凝固組織既能提高材料的強(qiáng)度，又能提高材料塑性，同時(shí)也能顯著提高其力學(xué)性能。為了獲得細(xì)化的金屬凝固組織，研究者們進(jìn)行了大量的探索和研究。根據(jù)控制熔體手段的作用方式不同，可以將這些手段分為物理法，化學(xué)法以及外加物理場(chǎng)法。
[0003]物理法是指采用機(jī)械力引起液相和固相的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，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)化金屬凝固組織的效果。但這種方法需要通過(guò)振蕩器與熔體接觸才能將振蕩力傳至熔體，造成金屬液的污染，同時(shí)，振蕩的細(xì)化效果主要集中于振蕩器附近，得到的組織不均勻?；瘜W(xué)法主要是向液體中添加少量特殊的化學(xué)物質(zhì)或化學(xué)元素，來(lái)促使熔體內(nèi)部的非均質(zhì)生核及抑制晶粒的長(zhǎng)大。但此方法不僅成本高，制備工藝復(fù)雜，而且有時(shí)因外來(lái)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。
[0004]近年來(lái)，利用外加物理場(chǎng)方法來(lái)改善金屬凝固組織和性能的方法，由于其具有無(wú)污染，操作方便，效果顯著等優(yōu)點(diǎn)，顯示出十分廣闊的應(yīng)用前景，目前越來(lái)越受到材料工作者的重視，日益成為人們的研究熱點(diǎn)。但各自也存在一定的缺點(diǎn)。在超聲波細(xì)化金屬凝固組織技術(shù)中，將超聲波的耐熱工具頭導(dǎo)入金屬熔體中導(dǎo)入是一個(gè)技術(shù)關(guān)鍵，同時(shí)由于超聲波在金屬熔體中的耗散嚴(yán)重，其細(xì)化作用有限，這也限制了它的應(yīng)用；對(duì)于脈沖電流細(xì)化金屬凝固組織技術(shù)中，電極與熔體接觸可能會(huì)產(chǎn)生激冷效應(yīng)或污染，電流直接通過(guò)金屬熔體，若電流過(guò)大則易造成熔體飛濺，電流太小，會(huì)使新形成的晶粒在高溫熔體中重熔，弱化細(xì)化效果；在脈沖磁場(chǎng)細(xì)化金屬凝固組織技術(shù)中，將強(qiáng)磁場(chǎng)施加到金屬熔體后產(chǎn)生感應(yīng)電流，如果磁場(chǎng)強(qiáng)度較大，強(qiáng)磁場(chǎng)也會(huì)使金屬表面產(chǎn)生強(qiáng)烈波動(dòng)甚至飛濺。特別的，在電磁場(chǎng)細(xì)化金屬凝固組織技術(shù)，無(wú)論是外加還是感應(yīng)產(chǎn)生的交變電流都會(huì)在熔體中發(fā)生趨膚效應(yīng)，嚴(yán)重影響細(xì)化作用范圍。因此，細(xì)化作用范圍廣和效果好、無(wú)污染和高安全性將是細(xì)化金屬凝固組織技術(shù)的改善目標(biāo)，也成為亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決現(xiàn)有技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)存在的不足，提供一種縱向磁場(chǎng)下定向凝固CET細(xì)化金屬凝固組織的方法，在穩(wěn)恒磁場(chǎng)下進(jìn)行金屬重熔后定向凝固，使凝固組織發(fā)生柱狀晶向到等軸晶的轉(zhuǎn)變(CET)，從而細(xì)化金屬凝固組織。本發(fā)明顯著細(xì)化金屬凝固組織且細(xì)化作用范圍大，與熔體非接觸式無(wú)污染，磁場(chǎng)可以抑制液體流動(dòng)防止飛濺安全性高，適合各種金屬材料的組織細(xì)化。
[0006]為達(dá)到上述發(fā)明創(chuàng)造目的，采用下述技術(shù)方案:
一種縱向磁場(chǎng)下定向凝固CET細(xì)化金屬凝固組織的方法，步驟如下:
a.金屬熔鑄裝置設(shè)置:首先將定向凝固坩禍連接于定向凝固裝置的拉桿上，組成抽拉系統(tǒng)，使其能在加熱爐中抽拉作直線移動(dòng)；
b.金屬熔鑄過(guò)程:在坩禍內(nèi)裝入固態(tài)金屬材料，將加熱爐內(nèi)腔爐溫加熱到設(shè)定溫度，使坩禍中的金屬材料熔化，并按照設(shè)定時(shí)間對(duì)熔化后的金屬熔體進(jìn)行保溫，然后開(kāi)啟抽拉系統(tǒng)，以設(shè)定的拉速進(jìn)行定向抽拉，在抽拉過(guò)程中，向金屬恪體施加縱向磁場(chǎng)，使所述穩(wěn)恒磁場(chǎng)的中心磁力線與抽拉方向平行，并始終保持坩禍內(nèi)的金屬固液界面處于具有設(shè)定磁場(chǎng)強(qiáng)度的穩(wěn)恒磁場(chǎng)區(qū)域；坩禍內(nèi)金屬固液界面前沿的溫度梯度優(yōu)選控制在40?62.8K/cm ;抽拉系統(tǒng)的拉速優(yōu)選采用2?20 μπι/s ;優(yōu)選始終保持坩禍內(nèi)的金屬固液界面處于接近12T的磁場(chǎng)強(qiáng)度的穩(wěn)恒磁場(chǎng)區(qū)域；對(duì)坩禍中的金屬熔體保溫優(yōu)選接近0.5小時(shí)后，再開(kāi)啟抽拉系統(tǒng)進(jìn)行抽拉；在坩禍內(nèi)優(yōu)選裝入Sn-Pb、Al-Cu, Al-Si或Al-S1- Fe合金進(jìn)行熔鑄；
c.抽拉結(jié)束后，即獲得凝固后的金屬棒材。
[0007]本發(fā)明原理:
本發(fā)明基于Seeback效應(yīng)。Seeback效應(yīng)是指當(dāng)兩個(gè)Seebeck系數(shù)不同的金屬上下兩端分別連接在一起，且兩結(jié)點(diǎn)之間具有溫度梯度，回路中就會(huì)形成熱電流。在定向凝固過(guò)程中固液界面會(huì)存在較大的溫度梯度，并且枝晶固相和枝晶間的液相成分不同導(dǎo)致其Seebeck系數(shù)不同，因此會(huì)在固相中產(chǎn)生熱電流。當(dāng)處于縱向磁場(chǎng)中，若熱電流方向與磁場(chǎng)方向不同，則會(huì)產(chǎn)生洛倫茲力。只要熱電流和磁場(chǎng)強(qiáng)度足夠大，產(chǎn)生的洛倫茲力將破壞枝晶完成CET,在界面前沿增大形核率并細(xì)化晶粒。
[0008]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見(jiàn)的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn):
1.本發(fā)明制備的金屬凝固組織顯著細(xì)化，等軸晶尺寸小于0.1_，細(xì)化作用深入熔體內(nèi)部范圍更廣，金屬凝固組織細(xì)化更加均勻，柱狀晶幾乎全部轉(zhuǎn)換成等軸晶；
2.本發(fā)明利用定向凝固中的高溫度梯度產(chǎn)生熱電流與磁場(chǎng)作用進(jìn)行非接觸式熔體處理，同電磁振蕩等接觸熔體處理相比，可以避免電極對(duì)熔體的激冷效應(yīng)或污染；
3.本發(fā)明是在傳統(tǒng)定向凝固裝置上外加縱向磁場(chǎng)，操作簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，同時(shí)較高的磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)抑制熔體宏觀流動(dòng)，防止液體飛濺，安全性高。
【附圖說(shuō)明】
[0009]圖1是本發(fā)明實(shí)施例一定向凝固方法采用的金屬熔鑄裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0010]圖2是本發(fā)明實(shí)施例一方法中CET的原理示意圖。
[0011]圖3是本發(fā)明實(shí)施例一和對(duì)比例一制備的金屬棒材的縱截面的微觀凝固組織照片對(duì)比。
[0012]圖4是本發(fā)明實(shí)施例二和對(duì)比例二制備的金屬棒材的縱截面的微觀凝固組織照片對(duì)比。
[0013]圖5是本發(fā)明實(shí)施例三和對(duì)比例三制備的金屬棒材的縱截面的微觀凝固組織照片對(duì)比。
[0014]圖6是本發(fā)明實(shí)施例四和對(duì)比例四方法中形成的宏觀固液界面EBSD衍射花樣對(duì)比。
[0015]圖7是本發(fā)明實(shí)施例五和對(duì)比例五方法中形成的宏觀固液界面EBSD衍射花樣對(duì)比。
【具體實(shí)施方式】
[0016]本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例詳述如下:
實(shí)施例一:
在本實(shí)施例中，參見(jiàn)圖1?圖3，本發(fā)明定向凝固方法采用的金屬熔鑄裝置由水冷夾套1、加熱爐2、磁體4、冷卻池6、拉桿7和定向凝固坩禍8組成，定向凝固坩禍8通過(guò)加熱爐2的加熱使金屬材料熔化，將定向凝固坩禍8連接于定向凝固裝置的拉桿7上，組成抽拉系統(tǒng)，使其能在加熱爐2中抽拉作直線移動(dòng)，通過(guò)拉桿7的抽拉和冷卻池6的冷卻作用使熔化的金屬材料進(jìn)行定向凝固，在定向凝固i甘禍8內(nèi)腔中上面部分為合金棒液相部分3，在定向凝固i甘禍8內(nèi)腔中下面部分為合金棒固相部分6，在合金棒液相部分3和合金棒固相部分6界面位置形成固液界面轉(zhuǎn)變區(qū)，本發(fā)明是在傳統(tǒng)定向凝固裝置上通過(guò)磁體4施加外加縱向磁場(chǎng)，磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)抑制熔體宏觀流動(dòng)，防止液體飛濺，同時(shí)根據(jù)Seeback效應(yīng)，通過(guò)縱向磁場(chǎng)作用于定向凝固的固液界面將柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶，從而獲得細(xì)化的金屬凝固組織，本實(shí)施例的材料為Sn-20wt% Pb合金，參見(jiàn)圖3。
[0017]參見(jiàn)圖1和圖2，本實(shí)施例一種縱向磁場(chǎng)下定向凝固CET細(xì)化金屬凝固組織的方法，步驟如下:
a.金屬熔鑄裝置設(shè)置:首先將定向凝固坩禍連接于定向凝固裝置的拉桿上，組成抽拉系統(tǒng)，使其能在加熱爐中抽拉作直線移動(dòng)；
b.金屬恪鑄過(guò)程:采用剛玉管作為定向凝固i甘禍8，剛玉管的內(nèi)徑3mm，長(zhǎng)度200mm，磁體4采用電磁體，采用Sn-20wt%Pb合金，按照合金比例4:1稱(chēng)量打磨掉氧化層的純度為99.99%的Sn和Pb，在真空爐中熔化金屬并電磁攪拌I小時(shí)，使原材料充分混合后，用內(nèi)徑為3mm的石英管進(jìn)行真空負(fù)壓吸鑄，得到成分均勾的Sn-20wt% Pb合金棒試樣，合金棒試樣的直徑2.9_，長(zhǎng)度150_，并將其封裝在剛玉管中備用，將垂直定向凝固裝置放入縱向強(qiáng)磁場(chǎng)中，所述縱向強(qiáng)磁場(chǎng)由磁體4產(chǎn)生，將剛玉管連接于定向凝固裝置的拉桿7上，使其能在加熱爐2中抽拉作垂直移動(dòng)；開(kāi)啟電磁體使其產(chǎn)生12T縱向磁場(chǎng)，加熱到600°C使合金熔化，并保溫0.5小時(shí)，然后開(kāi)啟抽拉系統(tǒng)以設(shè)定的拉速10 μ m/s進(jìn)行定向抽拉，在抽拉過(guò)程中，向金屬熔體施加縱向磁場(chǎng)，使所述穩(wěn)恒磁場(chǎng)的中心磁力線與抽拉方向平行，并始終保持剛玉管中的金屬固液界面處于具有設(shè)定磁場(chǎng)強(qiáng)度的穩(wěn)恒磁場(chǎng)區(qū)域，在抽拉過(guò)程中保持