专利名称：可控晶粒取向的镁合金制备装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种合金熔炼装置，特别涉及一种能够控制晶粒取向的熔炼凝固装置。
背景技术：
镁合金由于具有密度小、比强度高、导热导电性好的性质，同时具有良好的阻尼减 震和电磁屏蔽性能，因而将广泛应用于电子装置的壳体结构件和对轻、薄、小型化，高集成 度等要求较高的领域。镁合金为六方晶系的晶体结构特征，常规熔炼的多晶镁合金，其铸件 强度、硬度很低，综合力学性能差；因此，为了得到综合性能好的镁合金铸锭和铸件，镁合金 的凝固过程尤为重要。现有技术中，在对于镁合金的熔炼设备，一般包括控制电路和熔炼炉，其主要用于 熔炼出一般合金且对晶粒取向没有特别要求的铸锭和铸件；近年来定向凝固技术也在镁合 金中得到应用，但一般的定向凝固工艺设备只能通过变化凝固速度、温度梯度来控制晶粒的生长，且随着定向凝固过程的进行，生长进入稳定后，晶粒呈现出较明显单一的[10 J 0]择优取向生长，晶粒生长方向也与轴向偏差较大，镁合金性能的提高受到限制。然而，随着 科学技术的发展，镁合金的大量应用要求其各项性能不断的提高，欲得到研究所需要的晶 粒生长方向的晶粒以及非择优取向生长的镁合金铸锭，以往的熔炼凝固设备已经不能满足 实验的要求。因此，需要一种镁合金熔炼设备，结构简单紧凑，操作方便和安全，能够根据需要 选择合适晶粒取向的合金，控制镁合金的凝固速度和温度梯度，可以从凝固速度和温度梯 度的角度去控制凝固后的组织及性能，在凝固时能够得到与坩埚底部合金晶粒取向匹配的 不同凝固速度和温度梯度条件下的固液凝固界面，从而根据需要得到不同晶粒取向的镁合^^ ο
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种可控晶粒取向的镁合金制备装置，结构简单 紧凑，操作方便和安全，能够根据需要选择合适晶粒取向的合金，控制镁合金的凝固速度和 温度梯度，从凝固速度和温度梯度的角度去控制凝固后的组织及性能，在凝固时能够得到 与坩埚底部合金晶粒取向匹配的不同凝固速度和温度梯度条件下的固液凝固界面，从而根 据需要得到不同晶粒取向的镁合金。本发明的可控晶粒取向的镁合金制备装置，包括炉体和设置在炉体内的坩埚组 件，所述炉体由上至下依次设置熔炼段和凝固段，所述熔炼段设置加热装置，凝固段竖直设 置柱状冷却夹套，一坩埚托柱以可上下滑动的方式同轴内套于柱状冷却夹套，坩埚托柱顶 端设置冷却盘，坩埚组件置于冷却盘上。进一步，所述坩埚组件包括由上至下依次设置的漏斗形坩埚和U形坩埚，所述U形坩埚置于冷却盘上，所述U形坩埚包括坩埚体和坩埚底，所述坩埚底以可拆卸的方式设置 于坩埚体下端且至少上表面由所需晶粒取向的金属材料制成；进一步，所述炉体包括中心管和包在中心管外部的保温层，中心管上段为熔炼段，下段 为凝固段，柱状冷却夹套内套于中心管凝固段；进一步，还包括炉架，所述炉体固定安装于炉架，炉架上固定设置环形托盘，所述中心 管底部端面和柱状冷却夹套底部端面密封支撑于环形托盘，一托柱托盘内套于环形托盘并 支撑于坩埚托柱下端面，所述托柱托盘外圆设置外环形凸台，所述外环形凸台上表面与环 形托盘密封接触；进一步，还包括托柱驱动装置，所述托柱驱动装置包括与炉架上下往复滑动配合的支 撑板和用于驱动支撑板上下滑动的动力装置，所述动力装置包括丝杠组件和电机，丝杠组 件的螺母与支撑板固定连接，丝杠组件的丝杠沿上下方向与电机的转子轴同轴固定连接， 电机壳体固定设置于炉架；进一步，所述坩埚底通过螺纹连接设置于坩埚体下端；进一步，所述支撑板设置直径大于坩埚和坩埚托柱直径的下落孔，下落孔横向设置拔 插板，所述坩埚托柱支撑于拔插板；进一步，还包括中心处理器和显示器，所述中心管熔炼段和凝固段分别设置温度传感 器，所述温度传感器的信号输出至中心处理器，所述中心处理器的命令输出端连接电机的 控制电路和显示器；进一步，所述柱状冷却夹套和冷却盘均为循环水冷结构；柱状冷却夹套的循环水进口 管和出口管均径向穿过中心管壁和保温层连通于供水站；冷却盘的循环水进口管和出口管 均沿轴向依次穿过坩埚托柱、托柱托盘和拔插板，通过快速接头连通于软管并通过软管连 通于供水站；所述拔插板沿拔插方向设置用于使冷却盘的循环水进口管和出口管通过的开 口槽；进一步，所述保温层分为熔炼段保温层和凝固段保温层，所述熔炼段保温层和凝固段 保温层之间设置隔热层；所述中心管顶端设置保温密封盖，一搅拌装置的搅拌轴转动密封 配合穿过保温密封盖并伸入漏斗形坩埚，所述搅拌装置为可升降式结构；所述中心管为真 空石英管；所述环形托盘内圆设置内环形凸台，托柱托盘由下向上嵌入环形托盘，使托柱托 盘的外环形凸台上表面与内环形凸台下表面密封接触；所述电机为步进电机。本发明的有益效果是本发明的可控晶粒取向的镁合金制备装置，采用分段熔炼 和冷却的炉体结构，能够根据需要选择合适晶粒取向的合金并置于靠近水冷盘的坩埚底， 并根据需要控制镁合金的凝固速度，从凝固速度的角度去控制凝固后的组织及性能，在凝 固时能够得到与坩埚底部合金晶粒取相匹配的不同凝固速度和温度梯度条件下的固液凝 固界面，从而根据需要得到不同晶粒取向的镁合金；本发明可在结晶前沿随设计的晶种取 向生长，能够根据需要控制温度梯度和选择合适晶粒取向的合金，因而可以从熔体的温度 梯度和合金的晶粒取向来控制凝固后的组织及性能，能够得到轴向或径向方向上综合性能 较强的镁合金铸件和铸锭，装置结构简单紧凑，操作方便和安全。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
图1为本发明的结构示意图； 图2为拔插板结构示意图； 图3为U形坩埚结构示意图。
具体实施例方式图1为本发明的结构示意图，图2为拔插板结构示意图，如图所示本实施例的可 控晶粒取向的镁合金制备装置，包括炉体和设置在炉体内的坩埚组件，所述炉体由上至下 依次设置熔炼段和凝固段，所述熔炼段设置加热装置25，凝固段竖直设置柱状冷却夹套8， 一坩埚托柱10以可上下滑动的方式同轴内套于柱状冷却夹套8，坩埚托柱10顶端设置冷却 盘沈，坩埚组件置于冷却盘沈上。本实施例中，所述坩埚组件包括由上至下依次设置的漏斗形坩埚2和U形坩埚5， 所述U形坩埚5置于冷却盘沈上，所述U形坩埚5包括坩埚体51和坩埚底52，所述坩埚 底52以可拆卸的方式设置于坩埚体下端且至少上表面由所需晶粒取向的金属材料制成； 采用不同的金属材料作为镁合金结晶的引晶合金，并作为在坩埚底的上表面，用于诱导镁 合金向所需要的晶粒方向凝固生长；根据需要将坩埚底拆下换上所需材料的坩埚底，排除 现有技术中在坩埚内直接放置晶种出现的意外干扰，保证最终产品的质量，并且，更换坩埚 底就能达到更换所需任意晶粒取向合金的目的，具有互换性，操作简单，通用性强；当然，除 了坩埚底上表面一体设置所需晶粒取向的金属材料以外，还可以将整个坩埚底都由所需材 料制成，均能达到发明目的。漏斗形坩埚将融化后的镁合金浇注在U形坩埚5内的晶种底面面上，由于水冷盘 的作用，再通过控制固液界面前沿液体中的温度梯度和晶体的生长速度，金属熔液就会从 一定晶粒取向的合金被熔化的部分开始沿金属液中生长，直到引导U型坩埚内的金属液沿 设计的晶粒生长方式生长，并最终形成晶体取向与坩埚底部合金晶粒取相匹配的均勻柱状 晶；由此可见，本实施例可通过选择合适的晶粒取向的合金坩埚底材料，再通过控制固液界 面前沿液体中的温度梯度和晶体的生长速度来得到不同取向的晶粒。本实施例中，所述炉体包括中心管1和包在中心管1外部的保温层，中心管1上段 为熔炼段，下段为凝固段，柱状冷却夹套8内套于中心管凝固段；采用中心管结构，具有较 好的密封性能，保证熔炼过程不受外界干扰。本实施例中，还包括炉架19，所述炉体固定安装于炉架19，炉架19上固定设置环 形托盘11，所述中心管1底部端面和柱状冷却夹套8底部端面密封支撑于环形托盘11，一 托柱托盘17内套于环形托盘11并支撑于坩埚托柱10下端面，所述托柱托盘17外圆设置 外环形凸台17a，所述外环形凸台17a上表面与环形托盘11密封接触；采用组合式托盘结 构，利于坩埚组件冷却时自由上下滑动，较方便的控制冷却速度。本实施例中，还包括托柱驱动装置，所述托柱驱动装置包括与炉架上下往复滑动 配合的支撑板12和用于驱动支撑板12上下滑动的动力装置，所述动力装置包括丝杠组件 和电机15，丝杠组件的螺母与支撑板12固定连接，本实施例中，支撑板12直接加工有与四 缸组件的丝杠配合的螺纹，结构简单紧凑；丝杠组件的丝杠14沿上下方向与电机15的转子 轴同轴固定连接，电机15壳体固定设置于炉架19 ；本实施例中，炉架19上设置至少两个穿 过支撑板并与其滑动配合的滑杆，图中分别为滑杆13和滑杆16 ；滑杆13和滑杆16利于保持支撑板12整体平衡；通过丝杠结构和电机结构进行驱动，能够方便的控制坩埚组件经过 凝固段的速度，配合于冷却温度，能够较好的控制镁合金的凝固速度。本实施例中，所述中心管1顶端设置保温密封盖3，一搅拌装置的搅拌轴4转动密 封配合穿过保温密封盖3并伸入漏斗形坩埚2 ；保证漏斗形坩埚内的镁合金能够充分熔融， 并可使添加的其它微量元素充分均勻混合。本实施例中，还包括中心处理器23和显示器对，所述中心管1熔炼段和凝固段分 别设置温度传感器，图中分别为温度传感器7和温度传感器9，所述温度传感器7和温度传 感器9的信号输出至中心处理器23，所述中心处理器23的命令输出端连接电机15的控制 电路和显示器M ；中心处理器23根据采集的信号控制电机的转速，从而有效控制坩埚组件 经过冷却区域的速度，达到控制冷却速度的目的，同时，在显示器上显示出温度和冷却速度 等参数。本实施例中，所述坩埚底52通过螺纹连接设置于坩埚体51下端；拆卸安装方便， 互换性强。本实施例中，所述支撑板12设置直径大于U形坩埚和坩埚托柱10直径的下落孔 27，下落孔27横向设置拔插板观，所述坩埚托柱10支撑于拔插板观；冷却完毕后，拔出拔 插板观，坩埚组件等部件直接落入下部的淬火池中，操作简单方便，动作迅速，尽量避免外 界的干扰；如用于实验设备，则得到较为客观的结果。本实施例中，所述柱状冷却夹套8和冷却盘沈均为循环水冷结构；柱状冷却夹套 8的循环水进口管18和出口管21均径向穿过中心管1壁和保温层连通于供水站；冷却盘沈 的循环水进口管30和出口管四均沿轴向依次穿过坩埚托柱10、托柱托盘17和拔插板28， 通过快速接头连通于软管并通过软管连通于供水站，所述拔插板沿拔插方向设置用于使冷 却盘的循环水进口管和出口管通过的开口槽观⑴使拔插板拔插和水管之间不互相干扰，顺 利完成整套工艺流程，结构简单紧凑。本实施例中，所述保温层分为熔炼段保温层6和凝固段保温层20，所述熔炼段保 温层6和凝固段保温层20之间设置隔热层22 ；所述搅拌装置为可升降式结构，如图所示， 包括升降电机如和搅拌轴4，可根据需要升降搅拌装置，或者与保温密封盖3 —起上升；所 述中心管1为真空石英管；所述环形托盘11内圆设置内环形凸台11a，托柱托盘17由下向 上嵌入环形托盘11，使托柱托盘17的外环形凸台17a上表面与内环形凸台1 Ia下表面密封 接触，结构紧凑稳定，密封性能好；所述电机15为步进电机，易于控制，保证工艺过程的可 控性。本发明在使用时，将保温密封盖3打开，将所需晶粒取向的合金坩埚底旋入U形坩 埚内，再将实验铸锭放于漏斗形坩埚内，抽取真空，放入保护气，开始加热到720V，直到镁 合金全部熔化落入U形坩埚内，此时，熔体在720°C保温30min，使溶质在熔体内均勻分布； 然后开始按照设计的温度梯度、拉晶速度开始从下向上凝固，根据凝固的需要开启水冷盘 和水冷套，根据需要调整冷却水循环量和下降速度；凝固的开始是部分熔化的一定晶粒取 向的坩埚底的内表面开始凝固(或者坩埚为一体式，在内表面布置所需晶粒取向的合金，也 能实现发明目的，但是不能完全排除工艺过程中外来因素的干扰)，然后是镁合金根据底部 晶粒取向开始凝固，凝固的铸锭和铸件几乎是均勻同取向的柱状晶，在轴向或径向方向上 有较强综合性能。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较 佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技 术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本 发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.一种可控晶粒取向的镁合金制备装置，其特征在于包括炉体和设置在炉体内的坩 埚组件，所述炉体由上至下依次设置熔炼段和凝固段，所述熔炼段设置加热装置，凝固段竖 直设置柱状冷却夹套，一坩埚托柱以可上下滑动的方式同轴内套于柱状冷却夹套，坩埚托 柱顶端设置冷却盘，坩埚组件置于冷却盘上。
2.根据权利要求1所述的可控晶粒取向的镁合金制备装置，其特征在于所述坩埚组 件包括由上至下依次设置的漏斗形坩埚和U形坩埚，所述U形坩埚置于冷却盘上，所述U形 坩埚包括坩埚体和坩埚底，所述坩埚底以可拆卸的方式设置于坩埚体下端且至少上表面由 所需晶粒取向的金属材料制成。
3.根据权利要求2所述的可控晶粒取向的镁合金制备装置，其特征在于所述炉体包 括中心管和包在中心管外部的保温层，中心管上段为熔炼段，下段为凝固段，柱状冷却夹套 内套于中心管凝固段。
4.根据权利要求3所述的可控晶粒取向的镁合金制备装置，其特征在于还包括炉架， 所述炉体固定安装于炉架，炉架上固定设置环形托盘，所述中心管底部端面和柱状冷却夹 套底部端面密封支撑于环形托盘，一托柱托盘内套于环形托盘并支撑于坩埚托柱下端面， 所述托柱托盘外圆设置外环形凸台，所述外环形凸台上表面与环形托盘密封接触。
5.根据权利要求4所述的可控晶粒取向的镁合金制备装置，其特征在于还包括托柱 驱动装置，所述托柱驱动装置包括与炉架上下往复滑动配合的支撑板和用于驱动支撑板上 下滑动的动力装置，所述动力装置包括丝杠组件和电机，丝杠组件的螺母与支撑板固定连 接，丝杠组件的丝杠沿上下方向与电机的转子轴同轴固定连接，电机壳体固定设置于炉架。
6.根据权利要求5所述的可控晶粒取向的镁合金制备装置，其特征在于所述坩埚底 通过螺纹连接设置于坩埚体下端。
7.根据权利要求6所述的可控晶粒取向的镁合金制备装置，其特征在于所述支撑板 设置直径大于坩埚和坩埚托柱直径的下落孔，下落孔横向设置拔插板，所述坩埚托柱支撑 于拔插板。
8.根据权利要求7所述的可控晶粒取向的镁合金制备装置，其特征在于还包括中心 处理器和显示器，所述中心管熔炼段和凝固段分别设置温度传感器，所述温度传感器的信 号输出至中心处理器，所述中心处理器的命令输出端连接电机的控制电路和显示器。
9.根据权利要求8所述的可控晶粒取向的镁合金制备装置，其特征在于所述柱状冷 却夹套和冷却盘均为循环水冷结构；柱状冷却夹套的循环水进口管和出口管均径向穿过中 心管壁和保温层连通于供水站；冷却盘的循环水进口管和出口管均沿轴向依次穿过坩埚托 柱、托柱托盘和拔插板，通过快速接头连通于软管并通过软管连通于供水站；所述拔插板沿 拔插方向设置用于使冷却盘的循环水进口管和出口管通过的开口槽。
10.根据权利要求9所述的可控晶粒取向的镁合金制备装置，其特征在于所述保温层 分为熔炼段保温层和凝固段保温层，所述熔炼段保温层和凝固段保温层之间设置隔热层； 所述中心管顶端设置保温密封盖，一搅拌装置的搅拌轴转动密封配合穿过保温密封盖并伸 入漏斗形坩埚，所述搅拌装置为可升降式结构；所述中心管为真空石英管；所述环形托盘 内圆设置内环形凸台，托柱托盘由下向上嵌入环形托盘，使托柱托盘的外环形凸台上表面 与内环形凸台下表面密封接触；所述电机为步进电机。
全文摘要
本发明公开了一种可控晶粒取向的镁合金制备装置，包括炉体和设置在炉体内的坩埚组件，炉体由上至下依次设置熔炼段和凝固段，熔炼段设置加热装置，凝固段竖直设置柱状冷却夹套，一坩埚托柱以可上下滑动的方式同轴内套于柱状冷却夹套，坩埚托柱顶端设置冷却盘，坩埚组件置于冷却盘上，本发明能够根据需要选择置于坩埚底合适晶粒取向的合金，并通过控制镁合金的凝固速度，从凝固速度的角度去控制凝固后的组织及性能，在凝固时能够得到与坩埚底部合金晶粒取向匹配的不同凝固速度和温度梯度条件下的固液凝固界面，从而根据需要得到不同晶粒取向的镁合金，能够得到轴向或径向方向上综合性能较强的镁合金铸件和铸锭，装置结构简单紧凑，操作方便和安全。
文档编号C30B28/06GK102051678SQ20101027179
公开日2011年5月11日 申请日期2010年9月3日 优先权日2010年9月3日
发明者吴裕, 李瑞红, 杨青山, 潘复生, 蒋斌 申请人:重庆大学