一种制备细晶均质铸件用复合熔体处理装置及方法与流程

本发明属于金属材料加工领域，特别涉及一种制备细晶均质铸件用复合熔体处理装置及方法。

背景技术：

随着交通运输以及航空航天向现代化、高速化的方向发展，对于低成本、轻量化、高性能的材料需求越来越大，特别是轻量化程度要求髙的机械设备等重要受力部件和结构件，大量使用铝合金替代原来的钢结构件，因此对大型复杂铝合金零件的需求也日趋增加。

但是传统工艺制备铝合金铸件尤其成分复杂的大型铸件，首先在铸造过程中由于中间包熔体含量多、保温放置时间长，致使合金熔体的成分及温度不均匀，不但相同铸件不同部位性能差异明显，而且先后成型的铸件性能差别也很大；其次在转移输送熔体过程中由于铸件的非均匀凝固，也会导致组织粗大不均匀、偏析严重和热裂倾向性大，使得最终零件的力学性能一致性和稳定性较差，不能满足需求。因此如何在合金熔体存放与转移以及凝固过程中精确控制其温度与成分均匀分布，获得组织细小成分均匀的高性能铸件具有重要意义。

专利cn103162550a公开了一种铸造用金属熔体处理装置及方法。其设计思路是将熔体浇入置有冷却器的环形冷却室，通过电磁搅拌与电磁制动的复合作用与环状熔体室相结合，大幅提高剪切强度和剪切速率，加速熔体的散热，使金属熔体凝固过程中界面前沿的温度场趋于一致，提高有效形核率，使组织更加细小均匀。但是上述方法电磁场由外部施加，没有充分考虑到大体积熔体处理过程中，电磁场强度的衰减，不能使熔体成分与温度保持整体均匀一致。

专利cn102292175a公开了一种金属铸造中的熔体连续供给系统。其设计思路是熔化炉与保温炉交替上升下降，保证了熔体持续输送，解决了搬运过程中熔体温度下降、流动性降低、与大气接触而产生氧化皮的问题。但是上述方法无法保证在长时间工作过程中，由于重力偏析导致的成分不均匀问题，同时其构造相对固定、占用空间大、不能很好与各种铸造方式相对接。

传统制备铝合金铸件尤其成分复杂的大型铸件，主要存在的问题在于：其一，连续铸造生产过程中中间包储存熔体含量多、保温放置时间长，熔体存在从坩埚壁不断冷却散热的问题，因此导致中间包内的熔体温度分布有差异；此外合金元素间密度有差异，尤其对于高合金化的合金，由于重力偏析致使成分不均匀，不但导致先后成型的铸件性能差别很大，而且相同铸件不同部位性能也差异明显；其二，在熔体转移输送和充型过程中，由于熔体成分场与温度场也难以保持均匀一致，铸件的凝固成形是不均匀的，也会导致组织粗大不均匀、偏析严重和热裂倾向性大，使得最终零件的力学性能一致性和稳定性较差，不能满足需求。

技术实现要素：

针对大型铸件，特别对于成分复杂高合金化铸件，在连续生产过程中，难以保证先后成型的铸件以及同一铸件不同部位的成分性能一致性等问题，本发明提出一种制备细晶均质铸件用复合熔体处理装置及方法，其主要思想是：通过在中间包内部对熔体施加剪切搅拌处理，减小中间包内熔体温度和成分因时间和空间变化而存在的差异，实现对大体积熔体温度场及成分场的有效调控；同时在输液管出口端对熔体施加高剪切搅拌和冷却处理，实现对充型过程熔体的固相分数、组织和成分的精确控制，两者共同作用最终制备出细晶均质无缺陷的高性能铸件。

为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种制备细晶均质铸件用复合熔体处理装置，该装置主要由储存大体积合金熔体的中间包、加热单元、外置磁力发生器、冷却器、输液管、内置磁力发生器和牵引机构等组成；所述的输液管深入到中间包内部，所述输液管的入口端位于中间包的下部，所述的外置磁力发生器和冷却器设置在中间包外部的输液管外围，所述的内置磁力发生器设置在中间包内部的输液管外周，所述的加热单元设置在中间包的顶部内侧，所述的牵引机构固定在中间包下部，牵引整个装置与不同铸造装备实现对接。

所述的输液管设置于中间包的中部，所述输液管的入口端接近中间包底部，距离中间包底部的距离为10-20mm。

所述的内置磁力发生器可设置于输液管入口端的外周；所述的内置磁力发生器由产生旋转电磁力的绕组、产生行波电磁力的绕组和产生复合电磁力的绕组构成，能够产生旋转电磁力、行波电磁力或复合电磁力，磁力类型可以通过转换开关进行精确控制。所述的内置磁力发生器中绕组的安匝数为5000～20000at，频率为0.5～100hz。

所述的内置磁力发生器可通过参数设置对施加的电磁力和输送时间实施控制，实现熔体的定量精准输送。

所述的冷却器安装在输液管出口端的外围，对输液管内熔体施加冷却处理。所述的冷却器施加的冷却强度为500～5000w/(m²·k)。

所述的外置磁力发生器安装在输液管的出口端和冷却器的外围，所述的外置磁力发生器由产生旋转电磁力的绕组构成，能够产生旋转电磁力。所述的外置磁力发生器施加的剪切速率为10～2000s^-1。

所述的储存大体积合金熔体的中间包一般指可储存800kg以上合金熔体的中间包。合金熔体可为铁合金、铝合金、镁合金、铜合金、钛合金及其复合材料或其他稀有金属熔体。

一种基于上述装置的制备细晶均质铸件用复合熔体的处理方法，包括如下步骤：

(1)铸造之前，将经除气精炼后的合金熔体转入中间包内，设定预定的浇注温度，开启内置磁力发生器和加热单元对合金熔体进行保温，内置磁力发生器产生旋转或复合电磁力，对合金熔体进行电磁搅拌，搅拌方式为连续式或间歇式，通过牵引机构将该复合熔体处理装置与铸造装备进行对接；

(2)开始铸造时，首先使内置磁力发生器处于开启状态，然后开启外置磁力发生器和冷却器，同时切换内置磁力发生器开关，调节电磁力和输送时间，使其产生向上驱动的电磁力，将合金熔体通过输液管定量输送浇注到模具型腔；

(3)重复上述流程，进入下一个铸造环节。

内置磁力发生器处于间隙式工作，熔体铸造前，开启搅拌开关，对中间包内的熔体进行搅拌，保证中间包内的熔体温度和成分均匀；铸造时，关闭搅拌开关，开启输送开关，产生向上的电磁推力，将合金熔体输送入模具型腔，输送完毕后产生一定的保压压力，使型腔中的合金熔体在压力作用下凝固。

铸造之前，当内置磁力发生器搅拌方式为间歇式时，在铸造时，首先使内置磁力发生器处于开启状态，内置磁力发生器产生旋转或复合电磁力，对合金熔体进行电磁搅拌，搅拌时间为1.5-30min，然后停止搅拌。

上述装置和方法适合于铁合金、铝合金、镁合金、铜合金、钛合金及其复合材料铸件的铸造，也适合于其他稀有金属铸件的铸造。

本发明的创新性及技术进步主要体现在：

1.相比传统熔体处理装置，本发明在中间包内部放置磁力发生器，可以克服大体积熔体在长时间放置所引起成分偏析及温度不均匀，可以解决传统外置式电磁搅拌器磁场衰减导致熔体搅拌不均匀的问题。从熔体内部减小熔体温度场和成分场在各维度的梯度，实现对大体积熔体温度场及成分场的有效调控。

2.相比传统熔体处理装置，本发明在中间包内部放置磁力发生器，调节改变其工作方式，提供向上输送熔体的推力，起到熔体定量输送的作用。

3.相比传统熔体处理装置，本发明在输液管出口端放置冷却器与磁力发生器，保证在熔体输送转移充型过程中成分场与温度场的稳定，同时提供强剪切力，加快熔体散热，控制充型过程熔体的固相分数，进一步细化晶粒，实现对熔体凝固组织的精确控制。

4.通过施加复合熔体处理，从根本上解决了相同铸件不同部位性能差异明显，解决了先后成型的铸件性能差别很大，解决了由于非均匀凝固导致组织粗大不均匀、偏析严重和热裂倾向性大，最终零件的力学性能一致性和稳定性较差得问题。所得到铸件组织更为细小，成分更加均匀，力学性能进一步提高。

5.本发明可以与各种铸造方式，如低压铸造、挤压铸造、压铸等相结合，提高生产效率，具有广阔的工业前景。

附图说明

图1是本发明装置结构示意图。

主要附图标记说明：

1中间包2加热单元

3合金熔体4外置磁力发生器

5冷却器6输液管

7内置磁力发生器8牵引机构

具体实施方式

本发明可以根据以下实例实施，但不限于此，这些实施例只是为了举例说明本发明实施过程，而非以任何方式限制本发明的范围，在以下的实施例中，未详细描述的各种过程和方法是本领域中公知的常规方法。

如图1所示，本发明的制备细晶均质铸件用复合熔体处理装置，主要由储存大体积合金熔体3的中间包1、加热单元2、外置磁力发生器4、冷却器5、输液管6、内置磁力发生器7和牵引机构8等组成；在该装置中，输液管6深入到中间包1底部，外置磁力发生器4和冷却器5安置在中间包1外部的输液管6出口端外围，内置磁力发生器7安置在中间包1内部的输液管6外周，加热单元2安装在中间包1的顶部内侧，牵引机构8固定在中间包1下部，牵引整个装置与不同铸造装备实现对接。

中间包1可储存800kg以上的合金熔体3。合金熔体3可为铁合金、铝合金、镁合金、铜合金、钛合金及其复合材料或其他稀有金属熔体。

输液管6设置于中间包1的中部，输液管6的入口端位于中间包1底部，距离中间包1底部的距离为10-20mm。

内置磁力发生器7置于中间包1内部、输液管6入口端的外周；采用不同绕组绕制而成，即可由产生旋转电磁力的绕组、产生行波电磁力的绕组和产生复合电磁力等的绕组构成，能够产生旋转电磁力、行波电磁力或复合电磁力，磁力类型可以通过转换开关进行精确控制。内置磁力发生器可通过参数设置对施加的电磁力和输送时间实施控制，实现熔体的定量精准输送。内置磁力发生器7中绕组的安匝数为5000～20000at，频率为0.5～100hz。

冷却器5安装在输液管6出口端的外围，对输液管6内熔体施加冷却处理。冷却器5施加的冷却强度为500～5000w/(m²·k)。

外置磁力发生器4安装在输液管6的出口端及冷却器5的外围，外置磁力发生器4由产生旋转电磁力的绕组构成，能够产生旋转电磁力。外置磁力发生器4施加的剪切速率为10～2000s^-1。

基于本发明的上述装置，制备细晶均质铸件用复合熔体处理方法，其工艺流程包括如下步骤：

(1)铸造之前，将经除气精炼后的合金熔体3转入预先设定温度的中间包1内，通过开启内置磁力发生器7和加热单元2(即加热控制装置)对合金熔体3进行保温调节，通过加热控制装置和内置磁力发生器7产生的搅拌作用共同对铝合金熔体3进行保温，内置磁力发生器7产生旋转或复合电磁力，搅拌方式为连续式或间歇式，通过牵引机构8将整个装置与不同铸造装备实现对接；

铸造间歇，开启内置磁力发生器7，内置磁力发生器7产生旋转电磁力或复合电磁力，对合金熔体3进行电磁搅拌处理，搅拌方式可以是连续或间歇式。

(2)铸造过程，首先保证内置磁力发生器7处于开启状态，对合金熔体3进行电磁搅拌，搅拌时间为1.5-30min，停止搅拌；然后开启外置磁力发生器4和冷却器5，同时切换内置磁力发生器7开关，调节相关参数，调节电磁力和输送时间，使其产生向上驱动的电磁力，将合金熔体3通过输液管6定量输送浇注送入模具型腔。在输送过程中，外置磁力发生器4和冷却器5产生电磁搅拌力和强制冷却作用，对于流经输液管6出口端的熔体进行高剪切强电磁搅拌处理和冷却处理。

(3)重复上述流程，进入下一个铸造节拍。

内置磁力发生器7处于间隙式工作，合金熔体3未铸造时，开启搅拌开关，对中间包1内的熔体进行搅拌，保证中间包1内的熔体温度和成分均匀。铸造时，关闭搅拌开关，开启输送开关，产生向上的电磁推力，将合金熔体3输送入模具型腔，输送完毕后产生一定的保压压力，使型腔中的合金熔体3在压力作用下凝固。

实施例1

将本发明的复合熔体处理装置与低压铸造工艺及装备对接来生产22英寸规格的汽车轮毂，中间包1容量为1000kg，合金材料采用zl101a，具体生产工艺过程如下：

将除气精炼后的zl101a合金熔体在720～730℃内转移至大体积熔体中间包1，通过加热单元2和内置磁场发生器7精确控制中间包1内合金熔体3的温度，内置磁力发生器7产生旋转电磁力或复合电磁力，对合金熔体3进行电磁搅拌处理，搅拌方式是间歇式。通过牵引机构8将整个装置与低压铸造装备模具对接。

铸造过程中首先使内置磁场发生器7处于开启状态，设置磁场电流为75a，频率为5hz；搅拌90s后切换内置换磁力发生器7的转换开关，使磁力发生器产生向上驱动的电磁力，对合金熔体3进行定量输送与充型，输送充型时间为30s；同时打开出口端外置磁力发生器4和冷却器5，对流经输液管6出口端的合金熔体3进行在线动态的高剪切搅拌和冷却处理，设置磁场电流为50a，频率为50hz；充型完成后持续提供向上驱动电磁力，保持压力30s使轮毂凝固成型。切换内置磁力发生器7开关到搅拌状态，关闭外置磁力发生器4，自然冷却90s，开模取出轮毂。重复上述流程，进入下一个铸造节拍，直至整个中间包1内的合金熔体连续完成铸造成型。

经过复合熔体处理工艺制备的铝合金轮毂表面光洁，解剖零件厚大部位未发现气孔、缩孔、夹杂物等铸造缺陷。同一铸件的轮辐与轮辋部分组织细小均匀，铸件t6热处理后力学性能平均抗拉强度280mpa，平均屈服强度255mpa，平均延伸率8％，其中轮辐和轮辋部分的力学性能差别小于5％；同一批次最先铸造成型与最后铸造成型轮毂的平均力学性能差不超过3％。

实施例2

将本发明的复合熔体处理装置与挤压铸造(液态模锻)工艺及装备对接来生产某型号的坦克装甲车的负重轮，负重轮外径φ550mm、内径φ480mm、高度165mm、底孔直径为φ140，中间包1容量为800kg，合金材料采用al-zn-mg-cu高强铝合金，具体生产工艺过程如下：

将除气精炼后的合金熔体在750～760℃内转移至大体积熔体中间包1，通过加热单元2和内置磁场发生器7精确控制中间包1内合金熔体3的温度，内置磁力发生器7产生旋转电磁力或复合电磁力，对合金熔体3进行电磁搅拌处理，搅拌方式是间歇式。通过牵引机构8将整个装置与挤压铸造(液态模锻)装备模具对接。

铸造过程中首先使内置磁场发生器7处于开启状态，设置磁场电流为85a，频率为3hz；搅拌90s后切换内置换磁力发生器7的转换开关，使磁力发生器产生向上驱动的电磁力，将合金熔体3送入模具型腔，输送充型时间为30s；同时打开出口端外置磁力发生器4和冷却器5，对流经输液管6出口端的合金熔体3进行在线动态的高剪切搅拌和冷却处理，设置磁场电流为60a，频率为50hz。模具喷涂油基石墨润滑剂后，预热温度至300℃，挤压铸造压力1200吨，保持压力30s使负重轮凝固成型。切换内置磁力发生器7开关到搅拌状态，关闭外置磁力发生器4，自然冷却90s，开模取出负重轮。重复上述流程，进入下一个铸造节拍，直至整个中间包1内的合金熔体连续完成铸造成型。

经过复合熔体处理工艺制备的铝合金负重轮表面光洁，解剖零件厚大部位未发现气孔、缩孔、夹杂物等铸造缺陷。同一铸件的轮辐与轮辋部分组织细小均匀，铸件t6热处理后辐板径向σb≥550mpa、σ0.2≥485mpa、δs≥6％，辋部高向σb≥560mpa、σ0.2≥490mpa、δs≥6％，不仅满足设计指标要求，而且轮辐和轮辋部分的力学性能差别由普通挤压铸造工艺的9％降低至4％；同时同一批次最先与最后铸造成型的负重轮的最大成分偏差不超过3％。

实施例3

将本发明的复合熔体处理装置与压铸工艺及装备对接来生产汽车发动机缸体，中间包1容量为1000kg，合金材料采用adc12铝合金，具体生产工艺过程如下：

将除气精炼后的合金熔体在700～720℃内转移至大体积熔体中间包1，通过加热单元2和内置磁场发生器7精确控制中间包1内合金熔体3的温度，内置磁力发生器7产生旋转电磁力或复合电磁力，对合金熔体3进行电磁搅拌处理，搅拌方式是间歇式。通过牵引机构8将整个装置与压铸装备模具对接。

铸造过程中首先使内置磁场发生器7处于开启状态，设置磁场电流为60a，频率为5hz；搅拌90s后切换内置换磁力发生器7的转换开关，使磁力发生器产生向上驱动的电磁力，将合金熔体3送入模具型腔，输送充型时间为30s；同时打开出口端外置磁力发生器4和冷却器5，对流经输液管6出口端的合金熔体3进行在线动态的高剪切搅拌和冷却处理，设置磁场电流为40a，频率为50hz。模具型腔预热至220～230℃，熔体流速为1.5～1.7m/s，铸造压力为60～65mpa，保持压力30s使缸体凝固成型。切换内置磁力发生器7开关到搅拌状态，关闭外置磁力发生器4，自然冷却90s，开模取出缸体。重复上述流程，进入下一个铸造节拍，直至整个中间包1内的合金熔体连续完成铸造成型。

经过复合熔体处理工艺制备的铝合金缸体表面光洁，解剖零件厚大部位未发现气孔、缩孔、夹杂物等铸造缺陷，针孔度远小于jb/t7946.3规定的二级，成品率提高至98％。同一铸件的不同部位组织细小均匀，铸件t6热处理后力学性能平均抗拉强度288mpa，平均屈服强度225mpa，平均延伸率12％，最大力学性能差由普通压铸工艺的12％降低至6％；而且同一批次最先与最后铸件的最大成分偏差不超过3％。

本发明装置和方法适合于铁合金、铝合金、镁合金、铜合金、钛合金及其复合材料铸件的铸造，也适合于其他稀有金属铸件的铸造。

本发明通过内置磁力发生器7对中间包1内的熔体施加搅拌和输送作用，减小中间包1内熔体温度和成分在时间和空间上的变化，实现对大体积熔体温度场、成分场以及充型过程的定量输送的有效调控；输液管6出口端的外置磁力发生器4和冷却器5对充型铸造过程的熔体施加高剪切搅拌和冷却处理，实现对熔体固相分数、组织和成分的精确控制，两者共同作用最终制备出组织细小成分均匀的无缺陷铸件。本发明的装置和方法效果显著、生产效率高、易与各种铸造方法相结合，具有广阔的工业应用前景。