离心铸造方法及其设备和工艺的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种离心铸造方法及其设备和工艺，该方法包括下列步骤：使熔融材料隔离第一气氛环境和第二气氛环境，将熔融材料从第一气氛环境引导入第二气氛环境进行喷射；以及使被喷射的熔融材料堆积并凝固在转动的圆筒形铸型的内表面；其中，第一气氛环境的压强高于第二气氛环境。本发明的离心铸造方法通过对熔融材料施加压力，可提高供给装置喷射出的熔融材料的速度，从而使铸坯在圆筒形铸型内表面的周向厚度变得均一。在此基础上降低堆积速度，可获得具有均匀组织的铸坯。另外，本发明还公开了基于上述离心铸造方法的设备和工艺，该设备和工艺可降低生产成本，且改善铸坯的质量，极大地有利于后续的稀土磁体的制造。
【专利说明】离心铸造方法及其设备和工艺
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于稀土合金以及类似材料的快速凝固的铸造方法及其设备和工艺。【背景技术】
[0002]研究人员曾提出一种离心铸造方法及其设备(参见中国专利文献CN1162023A)，如图1所示，通过箱式中间包将熔融材料引入到转动的铸型中，箱式中间包以可往复运动的方法设置在铸型中并且具有多个注口，熔融材料通过这些注口被堆积在转动的铸型的内表面并且在该表面上凝固(以下简称为CCl方法)。
[0003]在生产稀土含量低的合金时，CCl方法必然会产生树枝状的α Fe，这是由于在高温区域中熔融材料的冷却速度较低。若降低熔融材料的堆积速率以提高凝固冷却速率时，凝固的铸坯温度降低，从而增大附加熔融材料堆积层的温降率，导致凝固冷却速率的增大。但是，在CCl方法中，降低堆积速率会产生以下问题。
[0004](I)堆积速率是通过用每单位时间的熔融材料供给量(供给的体积)除以铸型的有效内表面积而得到的数值。若考虑通过增大铸型的有效面积而降低堆积速率，例如，使用相对于被铸造的材料量内径较大或者长度较长的铸型，则，设备的规格将增大，需要制造更大的腔体，另外，惰性气体的消耗也会增加。这样将降低经济效益。
[0005](2)若考虑通过减少熔融材料的供给量降低堆积速率，则，从中间包流出的熔融材料会变得不均匀，难以获得在铸型的纵向上厚度均匀的铸坯，还会导致铸坯的微观结构劣化。
[0006](3)另外，当减少熔融材料的供给量时，会大大地降低装在中间包中的熔融材料的温度，从而难以进行稳定的铸造。
[0007]因而，研究人员又提出一种改进的离心铸造方法及其设备(参见中国专利文献CN1489499A)，通过将熔融材料浇注到旋转体上，利用旋转体的转动来喷淋熔融材料，使被喷淋的熔融材料堆积并凝固在一个转动的圆筒形铸型的内表面上，其中，旋转体的转动轴线R和圆筒形铸型的转动轴线L不相互平行(以下简称CC2方法)。
[0008]CC2方法利用旋转体的转动将熔融材料喷淋在圆筒形铸型的内表面，提高了熔融材料在高温区域的冷却速度，从而，在生产稀土含量低的合金时，树枝状的aFe的产生可以被控制。但是，在CC2的方法中，增加的旋转体仍会产生以下问题。
[0009](I)增加的旋转体，包括其驱动轴及驱动电机均被容纳于离心铸造设备的舱体中，这会使设备的规格增大，也增加了惰性气体的消耗。这样，会降低经济效益。
[0010](2)要使旋转体所甩出的熔融材料均匀的分布在圆筒形铸型的内表面，需要旋转体的转动轴线R进行往复地小幅摆动，这将使设备的复杂程度增大，且难以获得在铸型的纵向上厚度均匀的铸坯。
[0011]相关技术文献:
[0012]中国专利文献CN1162023A，
【公开日】为1997年10月15日；
[0013]中国专利文献CN1489499A，
【公开日】为2004年4月14日。
【发明内容】
[0014]本发明的目的在于，解决上述问题并提供一种凝固冷却速率高且成本低的离心铸造方法及其设备和工艺。
[0015]本发明采用的技术方案如下:
[0016]本发明的离心铸造方法包括下列步骤:使熔融材料隔离第一气氛环境和第二气氛环境，将熔融材料从第一气氛环境引导入第二气氛环境进行喷射；以及使被喷射的熔融材料堆积并凝固在转动的圆筒形铸型的内表面；其中，第一气氛环境的压强高于第二气氛环境。
[0017]在【背景技术】中曾经提及，在CCl方法中，考虑减少熔融材料的供给量来降低堆积速率，以提高熔融材料在转动的圆筒形铸型的内表面的凝固冷却速率，进而改善所铸造的合金中存在树枝状的aFe的情况。但是，减少熔融材料的供给量会使从中间包流出的熔融材料的速度下降，从而难以获得在圆筒形铸型的周向上厚度均匀的铸坯。其原因在于:当熔融材料流出中间包的速度下降时，其在圆筒形铸型内表面或下层铸坯上堆积的形态较厚，随圆筒形铸型的旋转，熔融材料的表面会因波动现象而变得凹凸不平，即影响铸坯在圆筒形铸型的周向上的均匀度。基于此，发明人将原本一体的铸造空间划分为两个隔离的具有不同气压的空间，将熔融材料从高压的气氛环境导入低压的气氛环境中进行堆积和凝固，这样，即使减少熔融材料的供给量，也可使熔融材料以高速度从供给装置喷射出。当熔融材料以高速度撞击在铸型的内表面或下层铸坯，其扁平的堆积形态可加速熔融材料的凝固，从而使上层的熔融材料和下层的铸坯更加贴合，改善铸坯组织的分层结构。这样获得的铸坯中，aFe的生成减轻，结晶粒径较大，适于进行加厚及热处理等特殊处理，从而改善基于该铸坯所生产的烧结磁体的磁性能(铸坯经粉碎和取向成形后烧结为磁体)。
[0018]与CC2方法相比:(1)本发明中未新增部件，虽然划分为两个空间，但并不会使设备的规格增大，因此，总体上反而降低设备成本；(2)本发明中由供给装置向圆筒形铸型的内表面直接喷淋熔融材料，通过均匀设置喷嘴或使圆筒形铸型与供给装置之间进行简单的往复运动即可使熔融材料均匀地分布在圆筒形铸型的内表面。综上所述，本发明的方法有效地提高铸造的凝固冷却速率且降低生产的成本。
[0019]在某优选的实施例中，第一气氛环境处于熔炼舱体内，第二气氛环境处于铸造舱体内；且，熔炼舱体和铸造舱体是两个独立的、用以进行真空排气及气体置换的舱体。这样，即可通过两个分离的舱体制造两个具有不同气压的气氛环境。
[0020]在某优选的实施例中，第一气氛环境处于熔炼舱体内，第二气氛环境处于铸造舱体内；且，用以进行真空排气及气体置换的熔炼舱体和铸造舱体由一个舱体通过隔离壁分隔形成。这样，即可通过隔离壁将一个舱体进行分离，从而制造两个具有不同气压的气氛环境。
[0021]在某优选的实施例中，通过表面气密的供给装置连通第一气氛环境和第二气氛环境，将熔融材料倒入供给装置，并使所述熔融材料在供给装置中形成液封，受第一气氛环境和第二气氛环境之间压差作用的熔融材料喷射在转动的圆筒形铸型的内表面。这样，供给装置除位于第一气氛环境和第二气氛环境中的开口，其余部分的表面具有气密设计，其内的空间可满足第一气氛环境和第二气氛环境实现气氛交换。当熔融材料在供给装置中形成液封，即第一气氛环境和第二气氛环境之间的压差将直接作用于熔融材料，因此，熔融材料将以高速度喷射出供给装置。
[0022]在某优选的实施例中，通过至少一个驱动机构使供给装置和圆筒形铸型相对地进行往复运动。即，通过往复运动，增大供给装置的喷射面，使熔融材料更均匀地分布在圆筒形铸型的内表面。该驱动机构可直接作用于供给装置或圆筒形铸型，也可同时作用于供给装置和圆筒形铸型。该驱动机构可通过控制电机正反转、凸轮结构、摆杆结构等本领域普通技术人员容易想到的方式实现往复运动，此处不再赘述，之后的具体实施例中将举例说明。
[0023]在某优选的实施例中，使第一气氛环境的压强比第二气氛环境高0.0lbar?
2.0bar。在上述的压差范围内，可最低限度地使熔融材料高速、均匀地喷射出供给装置。在实际生产中，可以根据舱体的压力承载能力选取压强的差值，例如，对于非压力容器等级的舱体，压强的差值可选取0.0lbar或0.4bar ;对于低压力容器等级的舱体，压强的差值可选取Ibar或2bar。而压强的差值若超过2.0bar,则对设备的压力承载要求将显著提高，从而极大增加设备成本。
[0024]发明人进一步开发出用于本发明的离心铸造方法的设备，包括:可调节至第一气氛环境的熔炼舱体；可调节至第二气氛环境的铸造舱体；熔炼舱体和铸造舱体通过表面气密的供给装置连通；坩埚设置于熔炼舱体内；转动的圆筒形铸型设置于铸造舱体内，其侧面设有允许供给装置伸入的通孔；且供给装置伸入圆筒形铸型的部分设置有喷射结构。
[0025]在某优选的实施例中，供给装置从熔炼舱体向铸造舱体倾斜，其相对水平面的倾斜角度大于0°、小于45°。其中，倾斜角度是指供给装置从熔炼舱体向铸造舱体倾斜方向的延伸与水平的夹角。处于上述倾斜角度范围时，例如，选取1°、10°、20°或40°，坩埚的架设较为简单(降低架设的高度)，供给装置的长度需要量较小，最适于设备成本的优化。
[0026]在某优选的实施例中，喷射结构是均匀地设置于供给装置伸入圆筒形铸型的部分的至少一个喷嘴。另外，喷射结构还可以是设置于供给装置伸入圆筒形铸型的部分的细缝等。上述设计的目的在于使喷射出熔融材料更均匀地分布在圆筒形铸型的内表面。
[0027]在某优选的实施例中，本发明的设备还包括使供给装置与圆筒形铸型相对地进行往复运动的驱动机构。
[0028]在某优选的实施例中，本设备还包括用于对供给装置加热的预热机构。该预热机构可对供给装置进行预热，防止初始流入供给装置的熔融材料部分地发生凝固，并影响后续的铸造过程。该预热机构可为埋设在供给装置内部的电阻丝、加热管等元件，也可为设置在供给装置外部的感应加热机构等，之后的具体实施例中将举例说明。
[0029]基于该设备，发明人设计出一套相应的离心铸造工艺，其步骤包括:1)往熔炼舱体的坩埚内投入原料；2)对熔炼舱体及铸造舱体抽真空处理；3)在熔炼舱体中对原料进行加热制造熔融材料；4)将熔融材料倒入供给装置，同时，对熔炼舱体和/或铸造舱体进行气压调节；5)使熔融材料通过供给装置流入铸造舱体，并通过供给装置的喷射结构喷射在转动的圆筒形铸型的内表面；6)铸造时，保持熔炼舱体与铸造舱体的压力差为0.0lbar?
2.0bar ；7)熔融材料在圆筒形铸型的内表面堆积并凝固为铸坯，待铸坯温度降低后，将铸造舱体向大气开放，从圆筒形铸型的内表面剥离并收集铸坯。其中，所述的气压调节是指以惰性气体或氮气对舱体进行气体置换。惰性气体可选自氩气、氦气等。[0030]另外，圆筒形铸型需设定最低旋转速度，以防止旋转中处于高的部位的熔融材料在重力作用下向下流。最低旋转速度需要使熔融材料经受由于圆筒形铸型的转动而产生IG的离心力。若圆筒形铸型以较高的旋转速度转动，能使熔融材料在离心力的作用下分布在其内表面，增加熔融材料的冷却效果和铸坯的均匀性。但是，具有更高旋转速度的圆筒形铸型同时也意味着更高的设备成本。优选地，使熔融材料经受由于圆筒形铸型的转动而产生的不小于3G的离心力。
[0031]另外，通过调节供给装置和第一气氛环境与第二气氛环境之间的压差可以控制熔融材料在圆筒形铸型的内表面的堆积速率。优选地，使熔融材料堆积并凝固在圆筒形铸型的内表面上时，平均堆积速率小于0.005厘米/秒。当铸造稀土含量低的合金时，采用这样的堆积速率范围能够降低单位时间和单位面积输入到铸坯上的热量，使铸造过程中铸坯的表面温度降低，提高另外供给的熔融材料堆积层的凝固冷却速率，从而减少树枝状的α Fe的产生。
[0032]另外，当堆积速率被设定过低时，叠加的铸坯之间不能充分熔合，将导致晶体不能以外延的方式生长。且熔合不充分时，在层间界面处会形成空隙，其将阻碍热量传递，从而减低下层铸坯的冷却。通过监测铸坯的表面温度并调节堆积速率可以改善这样的情况。优选地，当使熔融材料堆积并凝固在圆筒形铸型的内表面时，铸坯的平均表面温度为0.4Τ?
0.8Τ，其中T(K)是熔融材料的凝固开始温度。在铸造过程中，可利用辐射高温计或类似的装置通过形成在铸造设备中的检测窗口测量铸坯的表面温度。为了提高被测温度的准确度，必须以下面所述的方式预先准备一个校准曲线。对一个能够利用热电偶进行温度测量的金属块进行实际加热并且利用光学高温计通过相同的测量窗口进行温度测量。将热电偶测量结果与光学高温计的测量结果进行比对，从而形成校准曲线。
【专利附图】
【附图说明】
[0033]图1是使用CCl方法的离心铸造设备。
[0034]图2是本发明的离心铸造设备的第一实施例的示意图。
[0035]图3是本发明的离心铸造设备的第二实施例的示意图。
[0036]附图标记明细:
[0037]10(10，)_熔炼舱体，11-坩埚，20 (20’)_铸造舱体，21-圆筒形铸型，211-通孔，22-铸型驱动机构，31-第一中间包，32-第二中间包，321-喷射结构，40-隔离壁。
【具体实施方式】
[0038]以下将结合附图详细说明实现本发明的离心铸造方法的设备与工艺。
[0039]参加附图2，本发明第一实施例的离心铸造设备包括两个相互独立的舱体一熔炼舱体10和铸造舱体20。
[0040]熔炼舱体10具有气密设计且还设有第一气氛控制装置(图未标)。第一气氛控制装置可进行真空排气及气体置换(惰性气体)，从而将熔炼舱体10的内部调节至第一气氛环境。
[0041]熔炼舱体10中设有坩埚11，坩埚11适于通过提供热量使金属、合金、金属间化合物或类似物质熔化成液态材料，从而产生熔融材料。熔化方法的示例包括电阻加热、感应加热、电弧熔化和等离子体电弧熔化。例如在大气氛围、真空氛围或惰性气体氛围中进行熔化。本发明所涉及的离心铸造方法特别适于铸造一种包含稀土元素和高熔点金属的物质。适用于这种情况的熔化方法是在真空氛围下或惰性气体氛围下的射频感应加热方法或者等离子体加热方法。所用的惰性气体通常是氩气。当提高冷却速率时，氦气是优选的，这是因为其导热率高。当使用等离子体电弧熔化时，惰性气体最好与氢气结合使用，这是因为可增加熔化能量。
[0042]第一中间包31位于熔炼舱体10中。第一中间包31位于坩埚11的开口下方。当坩埚11倾斜时，熔融材料可沿坩埚11的开口流入第一中间包31。第一中间包31与水平具有倾角，熔融材料在第一中间包31内可沿倾斜方向流动，且上述倾角可被调节，从而控制流出第一中间包31的熔融材料的速率。
[0043]铸造舱体20具有气密设计且还设有第二气氛控制装置(图未标)。第二气氛控制装置可进行真空排气及气体置换(惰性气体)，从而将铸造舱体20的内部调节至第二气氛环境。
[0044]铸造舱体20内设有可转动的圆筒形铸型21。铸型驱动机构22与圆筒形铸型21的外圆筒表面相连，以使圆筒形铸型21在铸型驱动机构22的转动驱动力的作用下转动。在本不例中，该铸型驱动机构22为由电机(图未标)驱动的、且与圆筒形铸型21的外圆表面阻力接触的滚轮。在圆筒形铸型21的侧壁形成一个通孔211以使第二中间包32可伸入其中。因此，随圆筒形铸型21的转动，喷射的熔融材料可在其内表面堆积并凝固为铸坯。
[0045]第二中间包32连通熔炼舱体10和铸造舱体20，即前述之供给装置。第二中间包32从熔炼舱体10向铸造舱体20倾斜10°。第二中间包32的外层采用气密材料制作，且其中埋设有电阻丝(图未示)。在熔融材料流入第二中间包32之前，可通电电阻丝对熔融材料的流道进行预热。第二中间包32的一部分位于熔炼舱体10内，其设有开口且处于第一中间包31的出口下方，即，熔融材料可从第一中间包31流入第二中间包32。第二中间包32的一部分位于熔炼舱体10和铸造舱体20之间，其具有密封设计。第二中间包32的一部分位于铸造舱体20内，并从圆筒形铸型21侧面的通孔211伸入圆筒形铸型21内，且，该部分设有喷射结构321，熔融材料通过该喷射结构321喷射在圆筒形铸型21的内表面。在本示例中，喷射结构321为均匀地设置于第二中间包32伸入圆筒形铸型21的部分的复数个喷嘴。另外，在驱动机构(图未示)的作用下，第二中间包32与圆筒形铸型21可相对地进行往复运动。例如，该驱动机构可为由电机驱动的、且与第二中间包32的外表面接触的滚轮。当电机间隔地进行正反转时，即可实现第二中间包32相对圆筒形铸型21进行往复运动。又例如，该驱动机构可为两个由电机驱动的、且分别与圆筒形铸型21的两侧接触的凸轮。凸轮的转动可迫使圆筒形铸型21发生侧移，若两个电机间隔地启动，则两个凸轮间隔地转动，即可实现圆筒形铸型21相对第二中间包32进行往复运动。特别地，将上述两种驱动机构组合，也可实现第二中间包32和圆筒形铸型21相对地进行往复运动。
[0046]熔炼舱体10和铸造舱体20之间还设有连结部(图未标)，该连结部用于容纳和保护位于第二中间包32。在本发明的示例中，连结部由第一连结部(图未示)和第二连结部(图未示)连接组成。第一连结部是在熔炼舱体10外表面的第二中间包32伸出处的周围向外延伸出的圆管，且圆管的外端设有法兰。第二连结部是在铸造舱体20外表面的第二中间包32伸入处的周围向外延伸出的圆管，且圆管的外端也设有法兰。因此，第一连结部和第二连结部可通过法兰连接，并在熔炼舱体10和铸造舱体20之间形成一个容纳和保护第二中间包32的空间。
[0047]参加附图3，本发明第二实施例的离心铸造设备具有一个整体的舱体(图未标)，其中设有由隔离壁40气密分离的两个舱体——熔炼舱体10’和铸造舱体21’。熔炼舱体10’内可实现第一气氛环境。铸造舱体20’内可实现第二气氛环境。第二实施例和第一实施例的区别在于第一气氛环境和第二气氛环境的实现方式，其他相配合的装置和结构相同，在此不再赘述。
[0048]使用第一实施例的离心铸造设备实施本发明的离心铸造方法，其步骤包括:
[0049]I)将原料投入熔炼舱体10内的坩埚11中；2)对熔炼舱体10和铸造舱体20进行抽真空处理；3)加热坩埚11,将原料制成熔融材料；4)注入氩气，将熔炼舱体和铸造舱体的压力调节为0.4bar ；5)启动预热机构，倾斜坩埚11，熔融材料先流入第一中间包31，再流入第二中间包32，并在第二中间包32内形成液封，此时，对铸造舱体进行真空排气；6)熔融材料沿第二中间包32流入铸造舱体20，在熔炼舱体10和铸造舱体20之间的压差作用下，熔融材料通过第二中间包32的喷嘴喷射在转动的圆筒形铸型21的内表面；7)铸造时，保持熔炼舱体10和铸造舱体20的压力差为0.4bar，且控制驱动机构使第二中间包32相对圆筒形铸型21进行往复运动；8)熔融材料在转动的圆筒形铸型21的内表面堆积并凝固为铸坯，待铸坯温度降低后，将铸造舱体20向大气开放，从圆筒形铸型的内表面剥离并收集铸坯。
[0050]本发明并不局限于上述具体实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。
【权利要求】
1.离心铸造方法，该方法包括下列步骤:使熔融材料隔离第一气氛环境和第二气氛环境，将熔融材料从第一气氛环境引导入第二气氛环境进行喷射；以及使被喷射的熔融材料堆积并凝固在转动的圆筒形铸型的内表面；其中，第一气氛环境的压强高于第二气氛环境。
2.如权利要求1所述离心铸造方法，其特征在于: 所述第一气氛环境处于熔炼舱体内，所述第二气氛环境处于铸造舱体内； 且，熔炼舱体和铸造舱体是两个独立的、用以进行真空排气及气体置换的舱体。
3.如权利要求1所述的离心铸造方法，其特征在于: 所述第一气氛环境处于熔炼舱体内，所述第二气氛环境处于铸造舱体内； 且，用以进行真空排气及气体置换的熔炼舱体和铸造舱体由一个舱体通过隔离壁分隔形成。
4.如权利要求1所述的离心铸造方法，其特征在于:通过表面气密的供给装置连通所述第一气氛环境和第二气氛环境，将所述熔融材料倒入供给装置，并使所述熔融材料在供给装置中形成液封，受所述第一气氛环境和第二气氛环境之间压差作用的所述熔融材料喷射在所述转动的圆筒形铸型的内表面。
5.如权利要求4所述的离心铸造方法，其特征在于:通过至少一个驱动机构使所述供给装置和所述圆筒形铸型相对地进行往复运动。
6.如权利要求1所述的离心铸造方法，其特征在于:铸造时，所述第一气氛环境的压强比所述第二气氛环境高0.01bar~2.0bar。
7.一种用于权利要求1所述离心铸造方法的设备，该设备包括:用以调节至第一气氛环境的熔炼舱体；用以调节至第二气氛环境的铸造舱体；熔炼舱体和铸造舱体通过表面气密的供给装置连通；坩埚设置于熔炼舱体内；转动的圆筒形铸型设置于铸造舱体内，圆筒形铸型的侧面设有允许供给装置伸入的通孔；且供给装置伸入圆筒形铸型的部分设置有喷射结构。
8.如权利要求7所述的设备，其特征在于:所述供给装置从所述熔炼舱体向所述铸造舱体倾斜，其相对水平面的倾斜角度大于0°、小于45°。
9.如权利要求7所述的设备，其特征在于；所述喷射结构是均匀地设置于所述供给装置伸入所述圆筒形铸型的部分的至少一个喷嘴。
10.如权利要求7所述的设备，其特征在于:还包括使所述供给装置与所述圆筒形铸型相对地进行往复运动的驱动机构。
11.如权利要求7所述的设备，其特征在于:还包括对所述供给装置加热的预热机构。
12.一种基于权利要求7所述的离心铸造设备的工艺，其步骤包括: 1)往熔炼舱体的坩埚内投入原料； 2)对熔炼舱体及铸造舱体抽真空处理； 3)在熔炼舱体中对原料进行加热制造熔融材料； 4)将熔融材料倒入供给装置，同时，对熔炼舱体和/或铸造舱体进行气压调节； 5)使熔融材料通过供给装置流入铸造舱体，并通过供给装置的喷射结构喷射在转动的圆筒形铸型的内表面； 6)铸造时，保持熔炼舱体与铸造舱体的压力差为0.01bar~2.0bar ； 7)熔融材料在圆筒形铸型的内表面堆积并凝固为铸坯，待铸坯温度降低后，将铸造舱体向大气开放，从圆筒形铸型的内表面剥离并收集铸坯。
13.如权利要求12所述的工艺，其特征在于:在步骤5)中，将熔融材料在圆筒形铸型的内表面的平均堆积 速率控制在0.005cm /秒以下。
【文档编号】B22D13/00GK103801669SQ201410027054
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2014年1月16日 优先权日:2014年1月16日
【发明者】王清江, 永田浩, 黄火庚, 林松, 刘华远 申请人:厦门钨业股份有限公司