[发明专利]外加旋转磁场和电流复合控制金属凝固相组织的方法及其熔铸装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属材料制备工艺和设备，特别是涉及一种通过施加电磁搅拌的金属材料制备工艺和专用设备，应用于金属材料凝固技术领域。

背景技术

汽车是当今社会最主要的交通工具之一，也是我国的支柱产业之一。因此，研究开发高性能汽车材料成为我国发展汽车工业的重要课题。特别是关键零部件材料，如发动机缸套、活塞等，过去通常用铸铁、烧结钢等铁合金制造，使汽车自重增大，油耗量大，行驶阻力大，发动机效率低下，也带来了污染、噪音等环境问题。因此，汽车轻量化将成为未来汽车发展的方向，所采取的措施，除在汽车结构上下功夫外，就是采用轻质材料，特别是关键零部件。而高硅铝合金由于轻质，高强，高耐磨耐热性及低热膨胀性等特点，已经成为汽车材料中的新宠。

对高硅铝合金而言，由于Al-16～23%Si的硅特有的脆性，如果初晶硅尺寸粗大，则用于发动机缸套或活塞时，初晶硅颗粒容易碎裂和脱落，同时缸体材料或活塞的韧性也将降低，因此如何控制高硅铝合金中的初晶硅尺寸，成为制约该种合金在汽车工业中应用的核心问题。

目前对初晶硅形态的控制主要有喷射成型、变质剂处理、半固态搅拌、快速凝固、电脉冲处理等技术。采用喷射成型技术，可以制备出硅含量达50%的高硅铝合金，且初晶硅颗粒尺寸可以细化到5-10um，但喷射成型技术的成本非常高，成型困难，同时其致密性也不高,因此采用喷射成型制备的高硅铝合金产品尚不具市场竞争力；添加变质剂的方法研究较多，目前在工业上也得到较为广泛的应用，但变质剂只能细化Si含量小于30%的Al-Si合金，且细化尺寸受到限制，一般只能将初晶硅颗粒的尺寸细化到30-50um，而高硅铝合金初晶硅尺寸最佳的尺寸为5-20um；半固态搅拌法由于难以使整个铸锭达到均匀的搅拌，从而使得铸锭在各区域的细化效果区别较大，且存在偏析；快速凝固的方法同样可以得到晶粒十分细小的初晶硅组织，但其最大的问题在于冷却速度的提高必须以牺牲试样尺寸为代价，同时工业应用成本较高；电脉冲处理在Al-Si合金的应用依然处于起步阶段，电脉冲对初晶硅作用机制的统一理论体系还未建立起来。由此可见，过共晶铝硅合金铸件中的初晶硅组织和共晶硅组织的尺寸和形貌的控制，目前仍然缺少有效的手段，高性能的高硅铝合金的制备工艺成为亟待解决的关键问题。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的缺陷，提供一种外加旋转磁场和电流复合控制金属凝固相组织的方法及其熔铸装置，在金属凝固过程中施加旋转磁场和外加电流的复合作用，达到晶粒细化、均匀成分的目标，制备高品质的金属材料。

为达到上述发明创造目的，本发明的构思如下：

通过旋转磁场和外加电流的复合作用来完成对该类金属凝固过程的控制。首先，在金属凝固过程中施加旋转磁场，旋转磁场在金属液中产生感应电流，在外加磁场的共同作用下，在金属熔体中产生一体积力即电磁力，推动金属熔体运动，从而达到对金属熔体搅拌的目的；电磁搅拌一方面通过驱动金属液流动，从而对初晶和共晶的枝晶端部产生剪切，造成枝晶碎断，形成新的晶核，细化晶粒；同时，强力流动可以大大加速液心的传热而使过热度迅速消失，使固液界面前沿温度梯度减缓，两相区成分过冷增加，甚至达到内生形核的条件，从而增加形核率，达到细化晶粒的目的。此外，在过金属熔体中引入旋转磁场的同时，施加直流电流，旋转磁场和直流电流的复合作用可以在金属熔体中产生周期性振荡，旋转磁场的正半周，其与直流电流的作用力与旋转磁场同向，则可以促进金属熔体的流动，而在旋转磁场的负半周，其与直流电流的作用力与旋转磁场运动方向反向，则该电磁力将驱动熔体呈反方向的运动，甚至形成与原有金属熔体旋转方向相反的剪切流，这种周期性的振荡或者剪切流可以使金属熔体中初生晶粒之间以及初生晶粒与金属熔体之间发生碰撞、摩擦和冲刷作用，尺寸较大或较长的晶粒被打碎成尺寸较小的晶粒，并均匀分布在整个金属基体中，且晶粒形貌更加圆整光滑。也可以施加交流电流和旋转磁场共同作用，但交流电流的频率和旋转磁场的频率相匹配。因此，通过旋转磁场和外加电流的复合作用，就可以显著细化过金属凝固中的初晶和共晶尺寸，改善初晶和共晶的形貌，进而显著提升铸坯金属材料的韧性和其他力学性能。

根据以上发明构思，本发明采用下述技术方案：