專利名稱：微量流生核處理技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及冶金生產(chǎn)中的鏌鑄和連鑄、鑄造生產(chǎn)中的普通澆注和離心澆注，在上述領(lǐng)域中以獲得鑄態(tài)細(xì)等軸晶為目的的生核處理。
目前以獲得鑄態(tài)細(xì)等軸晶為目的的生核處理主要有以下方法(1)以外加物質(zhì)與金屬液中元素的化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的物質(zhì)或外加物質(zhì)本身作為金屬液形核的核心，如大橋澈朗博士、堤直人先生報(bào)告及座談(北京科技大學(xué)科研處資料，1997年)談到在鋼鐵冶金中向鋼液中加入鈦，通過鈦與鋼液中氧反應(yīng)，生成的TiO作為鋼液凝固的核心。(2)向金屬液中加入與金屬液成分相同的固相顆粒，通過這些顆粒熔化后遺留下來的原子集團(tuán)作為金屬液凝固的核心，如前蘇聯(lián)V.A.Efimov,Suspension CastingTechnological Foundaments.48th.International Foundry Congress,1981提供的懸浮澆注技術(shù)。
本發(fā)明的目的在于提供一種促進(jìn)鋼液凝固過程中生核的方法，促進(jìn)其凝固過程中的生核，從而增加鑄坯及鑄件細(xì)等軸晶數(shù)量、細(xì)化組織、減小宏觀偏析。
本發(fā)明的構(gòu)成是采用的生核劑為液態(tài)金屬流，下稱微量流，該液態(tài)金屬流的組成與母體金屬基本相同，但微量流的碳(C)含量不同，其碳成分范圍為0.02％-1.0％重量百分比。微量流中可以包含Ti、Nb、V、N等促進(jìn)鋼液形核的微量元素。
(1)微量流的成分選擇本發(fā)明通過熱力學(xué)計(jì)算，選擇含碳成分為0.02％-1.0％的鋼液微量流，微量流的碳含量根據(jù)母液碳含量而定。這些微量流的加入能夠造成有利于降低生核所要求能量的成分起伏，從而促進(jìn)金屬液生核。
當(dāng)向金屬液中加入與金屬液成分不同的微量流時(shí)，在金屬液中造成特定的“成分起伏”。這些起伏能否促進(jìn)金屬液生核，取決于這些起伏的引入是否會降低體系生核所需要的能量。如

圖1所示，對于AB二元合金，當(dāng)液相中存在著成分為X1的起伏時(shí)，可以認(rèn)為該起伏微區(qū)暫時(shí)地偏離了平衡，此時(shí)其自由能可由相應(yīng)于X1成分的液相自由能曲線求得，為G點(diǎn)。作G點(diǎn)的切線，與固相自由能曲線相交于兩點(diǎn)，由熱力學(xué)原理可知，凡成分位于此兩點(diǎn)之間的固相皆可在該成分微區(qū)內(nèi)形成。這些不同成分的固相能否穩(wěn)定存在，取決于它們是否與金屬液的穩(wěn)定體系相平衡。與成分為XL液相平衡的固相成分為XS，因此微區(qū)內(nèi)只有XS成分的固相可以在宏觀平衡體系中穩(wěn)定存在，并成為晶胚。
如圖1，假定體系存在成分為X1、X2、X3、X4的起伏，它們在液相自由能曲線上相應(yīng)位置的切線分別為切線1、切線2、切線3、切線4?？梢园l(fā)現(xiàn)，能形成成分為XS固相的起伏成分只有X1和X3，其生核驅(qū)動(dòng)力為ΔGQA和ΔGHA。成分為X2和X4的起伏都使生核自由能大于零。由此可知，起伏方向正確，該成分起伏才有利于生核。過A點(diǎn)作自由能的切線，切點(diǎn)為M,M點(diǎn)和B點(diǎn)處的生核驅(qū)動(dòng)力為零。由以上分析可知，只有位于(XM-XL)范圍內(nèi)的成分起伏能穩(wěn)定存在，并成為新相形成的核心。
(2)加入工藝微量流加入工藝是在澆注金屬液過程中將微量流加入，并使其與母體金屬液混合。其采用的具體方法包括通過另一澆注系統(tǒng)將微量流引入到金屬液中，或?qū)⑽⒘苛饕脒B鑄結(jié)晶器或中間包長水口，以及其他使微量流與金屬液在澆注過程中混合的方法。微量流可以流股形式或液滴形式加入。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于(1)與化合物生核技術(shù)相比，不加入其他組元合金，不污染金屬液，適于高潔凈度要求的金屬。(2)與懸浮澆注法相比，避免了所加入固相顆粒表面氧化和吸附對金屬造成的污染，同時(shí)去掉了固相顆粒制作流程。(3)基本保證金屬液潔凈度的情況下，使鑄坯和鑄件鑄態(tài)組織細(xì)化，等軸晶數(shù)量增多，宏觀成分均勻性提高。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)一步說明。圖1是本發(fā)明的成分起伏方向性和程度的示意圖，橫坐標(biāo)為摩爾分?jǐn)?shù)，縱坐標(biāo)為摩爾自由能，1、2、3、4、5分別為切線。
圖2為含碳量為0.2％低碳鋼的溫度與自由能關(guān)系曲線，T=1795K，橫坐標(biāo)為重量百分比C％×10-2，縱坐標(biāo)為自由能。
圖3為兩種鑄坯的宏觀組織，比例1∶1，充型溫度1520℃，其中(a)為普通，(b)為微量流。
圖4為根據(jù)網(wǎng)格計(jì)點(diǎn)法所測出的鑄坯等軸晶區(qū)數(shù)量。橫坐標(biāo)為澆注條件，縱坐標(biāo)為等軸晶面積百分比。其中(6)為普通，(7)為注入微量流。
實(shí)施例(1)實(shí)施方法為了保證鋼液成分、充型溫度和冷卻條件完全一致，增加實(shí)驗(yàn)的可比性，采用“同時(shí)澆注，分流充型”的實(shí)驗(yàn)方法。粘土干砂型，鑄坯尺寸為Φ50×150(mm)。金屬液經(jīng)澆口杯分成兩個(gè)液流注入兩個(gè)鑄坯型腔，微量流從其中一個(gè)鑄型頂部澆入。實(shí)測充型溫度1520℃。兩個(gè)鑄坯分別為普通鑄坯和微量流生核鑄坯。
采用Q235鋼，化學(xué)成分見表1，真空感應(yīng)電爐熔煉。
表1實(shí)驗(yàn)鋼種的化學(xué)成分
(2)微量流成分的選擇根據(jù)前述熱力學(xué)原理，利用熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫可得0.20％C低碳鋼自由能與成分關(guān)系曲線(見圖2,bcc代表固相自由能曲線，liq代表液相自由能曲線)。由此可得本研究鋼種微量流生核處理的微量流成分為0.035％C。(3)實(shí)施結(jié)果圖3為兩種鑄坯的宏觀組織。圖4為根據(jù)網(wǎng)格計(jì)點(diǎn)法所測出的鑄坯等軸晶區(qū)數(shù)量。實(shí)施結(jié)果表明，微量流生核處理可以有效地增加鑄坯中等軸晶數(shù)量，從而證明微量流的加入促進(jìn)了鋼液的生核。
權(quán)利要求
1.一種生核處理技術(shù)，其特征在于采用的生核劑為液態(tài)金屬流，下稱微量流，該液態(tài)金屬流的組成與母體金屬基本相同，但其溶質(zhì)的碳含量不同，其碳成分范圍為0.02％-1.0％重量百分比，根據(jù)母液碳含量而定；微量流中也可含有Ti、V、Nb、N等促進(jìn)生核的微量元素。加入方法是在澆注金屬液過程中將微量流加入，可以通過另一澆注系統(tǒng)將微量流引入到金屬液中，也可以將微量流引入連鑄結(jié)晶器或中間包長水口，還可以用其他使微量流與金屬液在澆注過程中混合的方法。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種微量流生核技術(shù),微量流的基本組成與母體金屬相同,但其溶質(zhì)的碳含量不同,其碳成分范圍為0.02%－1.0%重量百分比;加入方法是在澆注金屬液過程中將微量流加入,可以通過另一澆注系統(tǒng)將微量流引入到金屬液中,也可以將微量流引入連鑄結(jié)晶器或中間包長水口,還可以用其他使微量流與金屬液在澆注過程中混合的方法。其優(yōu)點(diǎn)在于:在保證金屬液潔凈度的情況下,使鑄坯和鑄件鑄態(tài)組織細(xì)化,等軸晶數(shù)量增多,宏觀成分均勻性提高。
文檔編號B22D11/108GK1318441SQ00105658
公開日2001年10月24日 申請日期2000年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2000年4月14日
發(fā)明者翟啟杰, 趙沛 申請人:北京科技大學(xué)