一种镁合金变频超声半连续铸造方法与流程

本发明属于轻合金加工领域，具体涉及一种镁合金变频超声半连续铸造方法。

技术背景

镁合金有密度轻，比强度、比刚度高，电磁屏蔽性好，阻尼性能好等优点，使其广泛应用在交通运输、航空航天、国防科技和3c电子等多个领域，被誉为“21世纪的绿色工程材料”。

半连铸铸造是目前镁合金锭坯的主要生产方式，其基本原理是将镁合金熔体引入由循环水冷却的结晶器中，当镁合金熔体凝固成坯壳后，用引锭装置将其拉出，继续喷水冷却直到形成铸锭。半连续铸造具有生产率高，铸造成本低，操作简单等优点。

然而，在半连续铸造过程中，由于镁合金低热熔、低融化热、低导热能力等特点，使其凝固散热困难，凝固边界与熔体中心温度差异大，从而造成凝固组织组织晶粒粗大，枝晶发达，组织不均，溶质元素宏观偏析严重等缺点。同时，由于镁合金易燃，大凝固收缩比及高的氢溶解度等特点，易导致铸锭铸造应力大，组织疏松严重。因此，设法生产细晶、均匀、纯净的镁合金锭坯是镁合金加工领域追求的目标。

近年来，在半连续铸造过程中施加外场改变合金凝固行为的技术得到飞速发展。其中，以在半连续铸造过程中施加电磁场和超声场为主，东北大学开发了轻合金电磁半连续铸造的技术。然而，电磁场作用于镁合金熔体存在趋肤效应，即越远离线圈的镁合金熔体受到电磁场作用越小，这就限制了其在大规格镁合金锭坯生产中的应用。美国的vladimirivanovich等人发明了轻合金的超声波连续铸造方法，并通过实验验证其细化效果；北京有色金属研究总院的张康等人对超声波处理镁合金铸态组织的影响进行研究；东北大学对镁合金超声处理的空化效应及其细化机理进行了研究。超声场作用于镁合金熔体时会产生空化效应和声流效应，这两种声致非线性效应会促进异质形核，搅动熔体，产生晶粒细化、均匀组织的效果。

现有固定频率超声半连铸技术存在衰减严重和频率漂移两个问题。由于超声场在镁合金熔体中衰减严重，导致超声场作用范围有限，使其作用范围限制在超声发射面附近很小的区域，而不利于大直径锭坯的生产。同时，由于半连铸生产中熔体物性参数并不是恒定不变，导致熔体的谐振频率会发生改变，现有固定频率超声场难以克服这种因谐振频率改变而使得声致非线性效应减弱的现象。因此，不能充分发挥超声场所带来的细化晶粒，均匀组织等效果。

南京声学研究所冯诺等人的研究指出多种频率的超声波共同作用会产生更高密度的空化泡，显著增强空化效应，且这些高密度的空化泡相互影响还会增强声流效应。因此，若超声频率可变化且变化很快，可在同一时间在熔体内存在多种频率的超声波，这些超声波的相互叠加可显著增强声致非线性效应。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种变频超声场作用下的镁合金立式半连续铸造方法，针对现有镁合金外场半连续铸造所存在的各种问题，同时为了充分发挥超声场在镁合金熔体中的作用，增强空化、声流效应，显著改善镁合金锭坯组织结构与成分分布，改善铸锭性能。

本发明目的通过以下技术方案来实现：

一种镁合金变频超声半连续铸造方法，其包括如下步骤：合金熔炼、熔体输送、超声处理下铸造成型，在半连续铸造过程中引入频率实时极速变化的超声场处理镁合金熔体，使全体镁合金熔体均处于连续变频率超声场处理之下。

所述的镁合金变频超声半连续铸造方法，包括如下步骤：

步骤一、对合金进行配料，在熔炼炉中进行合金的熔化与精炼，然后进行保温静置，调整温度；

步骤二、为了防止热量散失影响凝固过程，对半连续铸造机的中间包、溜槽和超声辐射杆进行预热；

步骤三、将引锭杆伸入结晶器中，打开结晶器中的冷却水；镁合金熔体先导入中间包、再导入结晶器，把经过精炼和静置并达到设定温度的镁合金熔体经由导液管导入中间包，并通过流量控制口控制中间包中的液面高度；然后打开中间包浇嘴通道，使镁合金熔体流入结晶器，并通过浇嘴处的流量控制头控制结晶器内液面高度；

步骤四、开启铸造机设定的铸造速度进行铸造，打开变频超声系统，待结晶器内液面稳定后将经过预热的超声辐射杆插入结晶器中液面以下，并通过超声控制软件调节超声频率及功率，锭坯通过引锭杆拉出直至铸造结束。

所述的镁合金变频超声半连续铸造方法，变频超声系统提供的超声基本频率为15khz～25khz，频率变化范围为±2，超声频率变化速率范围为20～500次/秒，超声功率范围为0.5～6kw。

所述的镁合金变频超声半连续铸造方法，铸造坯锭直径50～500mm，铸造速度范围20～300mm/min，根据坯锭牌号和规格进行调整；中间包中的熔体温度控制在高于液相线温度50～100℃，对于az系镁合金其温度高于液相线50～80℃；对于zk系或其他含稀土类镁合金其温度高于液相线80～100℃。

所述的镁合金变频超声半连续铸造方法，超声辐射杆插入结晶器内的镁合金熔体液面以下20～80mm，超声辐射杆插入位置及插入深度根据不同铸造条件和合金牌号而改变；超声辐射杆的定位由步进电机控制的可实现三维精确定位并维持稳定的超声架控制，或者超声辐射杆的定位由可实现升降、旋转和移动功能的机械手来控制。

所述的镁合金变频超声半连续铸造方法，步骤二中，预热使用电阻炉加热至熔体温度并保持0.5～1h；或者，预热采用乙炔烘烤至相应熔体温度；预热温度用红外温度检测仪检测。

所述的镁合金变频超声半连续铸造方法，步骤三中，待中间包中的熔体达到中间包高度的80％时，打开中间包浇嘴通道；铸造过程中，中间包内熔体高度在中间包高度的60～80％。

所述的镁合金变频超声半连续铸造方法，在铸造过程中，超声发生、冷却及导入系统装置的流程如下：变频超声电源→变频超声换能器→超声波导杆→超声辐射杆→镁合金熔体；所使用的变频超声换能器包括压电超声换能器和磁致伸缩超声换能器；对于压电超声换能器，使用气体冷却装置以保证整个变频超声系统的工作温度低于40℃，气体冷却装置使用涡流冷却管或使用内部有干冰或液氮的冷却箱；对于磁致伸缩超声换能器，使用循环水冷却。

所述的镁合金变频超声半连续铸造方法，步骤四中，在镁合金熔体导入结晶器流动状态稳定后，再将超声辐射杆插入结晶器，输入超声波，并根据铸造情况调节超声参数。

所述的镁合金变频超声半连续铸造方法，在铸造过程中，熔体进入中间包和进入结晶器的整个过程中均要采用保护气体进行保护，以避免二次氧化和燃烧；在铸造过程中，可将变频超声半连续铸造技术和电磁半连续铸造技术配合同时使用，能够减少电磁半连续铸造技术所造成的“趋肤效应”。

本发明的设计思想是：

在半连续铸造过程中，对设定好的铸造条件和铸造温度，存在一个固定的谐振频率fl，随着铸造的进行，铸造条件和熔体温度的波动会使谐振频率fl产生一个δfl的波动，就是所谓的频率漂移，传统超声处理技术因频率固定无法改变而无法实时满足谐振频率。变频超声系统所产生的超声场在基本频率fus附近δfus范围内极速变化，且fus+δfus远大于并包含fl+δfl；由于频率变化非常快，可达到对对谐振频率fl+δfl的准实时跟踪而解决频率漂移问题。变频超声场不仅可以解决超声频率漂移的问题，同时由于空化效应的增强还能在一定程度上减少超声衰减带来的不利影响。因此，本发明采用一种连续变频超声镁合金半连续铸造方法，大大加强超声非线性效应，加强超声细化效果，充分发挥超声能源作为一种清洁、环保的能源在镁合金半连铸过程中的作用，生产更加纯净、均匀、细晶的镁合金锭坯。

本发明通过以上技术手段，具有以下优点和积极效果：

(1)本发明超声发生系统可产生一种持续变频、震荡的超声场，由于频率变化很快可同时在熔体中存在多种频率的超声波并对熔体谐振频率实现准实时跟踪，可有效改善镁合金半连续铸造过程中超声频率漂移所导致的无法实时谐振的问题。同时，这些不同频率的超声波，其相互作用可增强声强，增加空化泡数量，从而大大加强超声空化效应和声流效应。

(2)本发明超声功率和频率均可由专用软件控制，可针对不同镁合金，不同铸造条件进行调节，达到最优处理效果，所生产的镁合金元素宏观偏析大大降低，晶粒大幅下降，力学性能显著提高，成品率也能显著提高。

(3)本发明超声设备固定在由步进电机控制的可实现三维精确定位超声架上。可针对不同生产条件，随时调整超声辐射杆作用位置，作用深度。

(4)本发明采用一种空气压缩或循环水冷却装置，可以保证超声设备可以在高温环境下依然保持最佳工作状态，以达到最佳效果。

(5)超声能源作为清洁环境友好型能源，无污染，不仅可以使用于镁合金半连续铸造，还可以使用于铝合金、钛合金、铜合金等其他轻合金。

附图说明

图1是本发明的连续变频超声半连续铸造装置的结构示意图；

图2是本发明所使用的中间包结构示意图；

图3是本发明所使用冷却箱结构示意图；

图4为本发明装置组成流程图；

图5为本发明超声发生、冷却及导入系统装置组成示意图；

图6为实施例中圆形锭坯横截面上的进行组织观察取样部位及样品尺寸示意图；

图7为实施例中圆形锭坯纵截面上的进行拉伸试验取样示意图；其中，(a)为拉伸试样；(b)为圆形锭坯纵截面。

图8为传统dc铸造、传统单频超声半连续铸造和本发明图1所示变频超声半连铸方法铸造的zk60镁合金锭坯组织对比；其中，(a)为中心处；(b)为1/2r处；(c)为边部。

图9为传统dc铸造、传统单频超声半连续铸造和本发明图1所示变频超声半连铸方法铸造的zk60镁合金锭坯主元素宏观偏析对比。

图10为传统dc铸造、传统单频超声半连续铸造和本发明图1所示变频超声半连铸方法铸造的zk60镁合金锭坯拉伸力学性能对比。

图11(a)为本发明传统dc铸造、传统单频超声半连续铸造和本发明图1所示变频超声半连铸方法铸造的az80镁合金锭坯金相组织对比(中心处、1/2r处和边部)；图11(b)为传统dc铸造锭坯的横截面宏观组织；图11(c)单频超声半连铸锭坯的横截面宏观组织；图11(d)变频超声半连铸锭坯的横截面宏观组织。

图12为本发明图1所示变频超声半连铸方法铸造的az80条件下使用模拟软件模拟熔体中心处、1/2r处、边部声压分布。

图13为传统dc铸造、传统单频超声半连续铸造和本发明图1所示变频超声半连铸方法铸造的zk60镁合金锭坯组织对比(中心处、1/2r处和边部)。

图14为传统dc铸造、传统单频超声半连续铸造和本发明图1所示变频超声半连铸方法铸造的zk60镁合金锭坯硬度测试结果。

图15为传统dc铸造和本发明图1所示变频超声半连铸方法铸造的az80镁合金锭坯宏观组织对比。其中，(a)传统dc铸造；(b)变频超声半连铸。

图中：1变频超声电源；2引锭头；3镁合金锭坯；4镁合金熔体；5结晶器；6中间包；7熔炼炉；8导液管；9变频超声换能器；10超声波导杆；11超声辐射杆；12涡流冷却管；13超声架；14中间包浇嘴通道；15流量控制头；16中间包外壁；17中间包保温层；18气环；19冷却箱体；20气管；21干冰或液氮。

具体实施方式

如图1～图3所示，本发明镁合金连续超声半连续铸造装置，用于镁合金生产线的合金熔体进行超声细化晶粒，均匀组织，提高力学性能，包括变频超声系统和半连续铸造系统。所述的变频超声系统包括变频超声电源1、变频超声换能器9、超声波导杆10、超声辐射杆11、气体冷却装置(涡流冷却管12或冷却箱)和精确定位装置超声架13，变频超声电源1与电脑由电缆连接，以控制变频超声频率及功率，变频超声换能器9、超声波导杆10、超声辐射杆11按自上而下依次设置，变频超声换能器9和超声波导杆10通过螺纹紧密连接，超声波导杆10和超声辐射杆11通过螺纹紧密连接，运行时变频超声换能器9、超声波导杆10、超声辐射杆11固定在超声架13上，超声架13通过步进电机控制可实现三维精确定位，超声辐射杆11插入合金熔体内部，气体冷却装置位于超声架13上；所述的半连铸系统包括熔炼炉7、中间包6、结晶器5和引锭头2，结晶器5固定于铸造平台之上，可以左右移动，浇铸前将引锭头2深入结晶器5内部，熔炼炉7与中间包6之间通过导液管8连通，熔体经结晶器5后，在引锭头2顶部形成镁合金锭坯3。

其中，中间包6设有中间包浇嘴通道14、流量控制头15、中间包外壁16、中间包保温层17、气环18，中间包的顶部设置气环18，中间包6的气环18一端与保护气体气罐相连，气环18内圆一侧设有数个气孔，保护气通过气环18通入中间包6中，用以保护中间包中的镁合金熔体；中间包6的侧面和底面均为由外到内的三层结构：中间包外壁16、中间包保温层17和中间包内壁，中间包的侧面设置中间包浇嘴通道14，中间包浇嘴通道14与中间包内腔之间开设出口并由流量控制头15控制出口大小(图2)。气体冷却装置采用冷却箱，冷却箱包括冷却箱体19和气管20，气管20的一端为进气口，气管20的另一端为出气口，冷却箱体19中放置干冰或导入液氮(图3)。

如图4所示，本发明装置的流程如下：坩埚熔炼炉→导液管→中间包→结晶器→立式半连续铸造机→镁合金锭坯。其中，坩埚熔炼炉分别与加压系统和加热控温系统连接，中间包和结晶器分别与保护气系统连接，结晶器与变频超声系统连接。

如图5所示，本发明超声发生、冷却及导入系统装置的流程如下：变频超声电源→变频超声换能器→超声波导杆→超声辐射杆→镁合金熔体。其中，变频超声电源与参数控制软件连接，所使用的变频超声换能器包括压电超声换能器和磁致伸缩超声换能器；对于压电超声换能器，压电超声换能器与压电超声冷却系统的出口连接，压电超声冷却系统的流程为：空气压缩器→空气干燥器→气瓶→气体冷却装置(涡流冷却管或冷却箱)连至压电超声换能器，使用气体冷却装置以保证整个变频超声系统的工作温度低于40℃，气体冷却装置使用涡流冷却管或使用内部有干冰或液氮的冷却箱；对于磁致伸缩超声换能器，磁致伸缩超声换能器与磁致伸缩超声冷却系统连接，磁致伸缩超声冷却系统使用循环水冷却，其流程为：水泵→循环水冷却管道连至变频超声换能器。

如图1～图5所示，本发明镁合金连续超声半连续铸造装置的工作原理为：将连续变频超声场引入镁合金半连续铸造过程中，使结晶器内的镁合金熔体4在连续变频超声场作用下发生凝固。将熔炼好的镁合金熔体4在熔炼炉7中静置，然后通过导液管8导入中间包6中，再经由中间包浇嘴通道14流入结晶器5中。变频超声电源1和电脑相连，并由控制软件控制其超声波功率、频率和频率变化速率，变频超声电源1所产生的高频交流电信号由变频超声换能器9转换成变频超声波，利用超声波导杆10将超声能量放大并导入超声辐射杆11，再将超声辐射杆11插入镁合金熔体4中，从而将连续变频超声导入镁合金熔体4中，使超声场所产生的空化及声流效应作用于镁合金熔体4的凝固过程，镁合金熔体4在结晶器5壁附近凝固形成坯壳，然后在引锭头2向下牵引的过程中继续凝固成均匀细化的镁合金锭坯3，实现变频超声场作用下的镁合金熔体半连续铸造。

如图1～图5所示，本发明使用镁合金变频超声半连续铸造装置进行镁合金铸锭变频超声半连续铸造的方法，其步骤如下：

步骤一、对合金进行配料，在熔炼炉7中进行合金的熔化与精炼，然后进行保温静置，调整温度。

步骤二、为了防止热量散失影响凝固过程，对半连续铸造机的中间包6和中间包浇嘴通道14等部件和超声辐射杆11进行预热。

步骤三、将引锭头2伸入结晶器中，打开冷却水，把经过精炼和适当静置并达到设定温度的镁合金熔体4经由导液管导入中间包，并通过压力控制中间包中的液面高度；待中间包中的镁合金熔体4达到一定高度至中间包高度的80％时打开中间包浇嘴通道，使镁合金熔体4流入结晶器5，并通过浇嘴处的流量控制头15控制结晶器内液面高度。

步骤四、开启铸造机设定的铸造速度进行铸造，打开变频超声系统，待结晶器5内液面稳定后将经过预热的超声辐射杆插入结晶器中液面以下，并通过超声控制软件调节超声频率及功率，锭坯通过引锭杆拉出直至铸造结束。

从而，将由变频超声系统产生的频率极速实时变化的超声场引入结晶器内的镁合金熔体，实现对金属熔体谐振频率的准实时跟踪，使整个半连续铸造过程中的液穴熔体持续处于超声谐振处理之下，实现镁合金熔体凝固过程的超声连续高效处理。

在铸造过程中，当镁合金熔体进入中间包和进入结晶器的整个过程中均要采用保护气体(如：氩气或其他隋性气体等)进行保护，以避免二次氧化和燃烧。

如图6～图7所示，本发明实施例中分别在圆形锭坯横截面和圆形锭坯纵截面上的进行拉伸试验取样。

下面结合具体的实施例对本发明的实施方式进一步说明：

实施例1：zk60镁合金锭坯变频超声半连续铸造

本实施例中，按照zk60镁合金的配比将各个配料在合金熔炼炉内熔化并精炼；待中间包温度为660℃时开始浇铸，在铸造过程中将超声辐射杆插入熔体液面以下对熔体施加连续变频超声处理，使用压电超声换能器和涡流冷却管对变频超声系统中的压缩空气进行冷却。

铸造工艺条件：铸造速度50mm/min；将的304不锈钢超声辐射杆用乙炔烘烤至600℃；设定的超声基本频率21khz，频率变化速率500次/秒，超声功率2400w；结晶器中的冷却水流量4.63t/h。

图8为传统dc铸造、传统单频超声半连续铸造和本发明图1所示变频超声半连铸方法铸造的zk60镁合金锭坯组织对比。可见，本发明方法的组织在整个铸锭上都更为均匀、细小。

图9为传统dc铸造、传统单频超声半连续铸造和本发明图1所示变频超声半连铸方法铸造的zk60镁合金锭坯主元素宏观偏析对比。由图可见，本发明方法的铸锭主元素宏观偏析更低，组织更均匀。

图10为传统dc铸造、传统单频超声半连续铸造和本发明图1所示变频超声半连铸方法铸造的zk60镁合金锭坯拉伸力学性能对比。可见，本发明方法的得到的铸锭在抗拉强度和伸长率方面都有很大提高。其中，心部抗拉强度达到280mpa，伸长率达到8.9％。

实施例2：az80镁合金锭坯变频超声半连续铸造

本实施例中，按照配比熔炼az80镁合金；待中间包温度为670℃时开始浇铸，在铸造过程中对熔体施加连续变频超声处理，使用压电超声换能器和冷却箱对变频超声系统中的压缩空气进行冷却。

铸造工艺条件：铸造速度：30mm/min，将的304不锈钢超声辐射杆用乙炔烘烤至610℃；设定的超声基本频率25khz，频率变化速率300次/秒，超声功率6000w；结晶器中的冷却水流量11.3t/h。

图11(a)～(d)为传统dc铸造、传统单频超声半连续铸造和本发明图1所示变频超声半连铸方法铸造的az80镁合金锭坯组织对比。可见，本发明方法的组织在整个铸锭上都更为均匀、细小，同时变频超声场还可减少铸锭柱状晶区。

图12为本发明图1所示变频超声半连铸方法铸造的az80条件下使用模拟软件模拟熔体心部，1/2r处，边部声压分布。可见，相较单频超声场，连续变频超声场更加震荡，所产生的声压更高。

实施例3：zk60镁合金锭坯变频超声半连续铸造

本实施例中，按照zk60镁合金的配比将各个配料在合金熔炼炉内熔化并精炼；待中间包温度为660℃时开始浇铸，在铸造过程中将超声辐射杆插入熔体液面以下对熔体施加连续变频超声处理，使用压电超声换能器和涡流冷却管对变频超声系统中的压缩空气进行冷却。

铸造工艺条件：铸造速度：40mm/min，将的304不锈钢超声辐射杆用乙炔烘烤至600℃；设定的超声基本频率15khz，频率变化速率20次/秒，超声功率4000w；结晶器中的冷却水流量5.34t/h。

图13为传统dc铸造、传统单频超声半连续铸造和本发明图1所示变频超声半连铸方法铸造的zk60镁合金锭坯组织对比。可见，本发明方法的组织在整个铸锭上都更为均匀、细小。

图14为传统dc铸造、传统单频超声半连续铸造和本发明图1所示变频超声半连铸方法铸造的zk60镁合金锭坯硬度测试结果。可见本发明可提高铸锭的硬度。

实施例4：az80镁合金锭坯变频超声半连续铸造

本实施例中，按照az80镁合金的配比将各个配料在合金熔炼炉内熔化并精炼；待中间包温度为670℃时开始浇铸，在铸造过程中将超声辐射杆插入熔体液面以下对熔体施加连续变频超声处理，使用磁致伸缩超声换能器和循环水冷却装置对变频超声系统进行冷却。

铸造工艺条件：铸造速度：40mm/min，将的304不锈钢超声辐射杆用乙炔烘烤至600℃；设定的超声基本频率22khz，频率变化速率400次/秒，超声功率4500w；结晶器中的冷却水流量12.44t/h。

图15(a)～(b)为传统dc铸造和本发明图1所示变频超声半连铸方法铸造的az80镁合金锭坯组织对比。可见，本发明方法所获得的铸锭柱状晶更小，组织更为均匀、细小。

实施例结果表明，本发明在镁合金半连续铸造过程中将超声辐射杆伸入镁合金熔体，使变频超声场引起的空化效应及声流效应直接作用于正在凝固的镁合金熔体。本发明可显著改变镁合金凝固行为，细化组织，提高锭坯凝固组织的均匀性，提高镁合金坯锭的力学性能，显著降低坯锭铸造缺陷，极大改善镁合金锭坯的质量。