超硬铝铸造复合电磁脉冲凝固组织处理装置的制作方法

本实用新型涉及一种铸造装置，特别是涉及一种可预热金属型及改善铸造组织性能的超硬铝铸造复合电磁脉冲凝固组织处理装置。

背景技术：

超硬铝是目前发展潜力最大的铝合金之一，由于其具有强度相当于超强度钢(高达680Mpa)，并且重量轻等特点，广泛应用于制作飞机蒙皮、翼肋、起落架等。但是由于超硬铝的铸造原始组织稳定性不高，低周疲劳强度差等缺点，大大限制了其在特种设备中的使用。超硬铝件通常通过铸造获得，铸造方法和工艺是否恰当直接关系到铸锭质量的优劣。

金属型铸造在整体构件生产中具有不需造型、导热及蓄热性好、精度高、光洁度高、金属利用率高等特点，但其激冷作用大、气孔率较大、复杂铸型组织不均匀、无退让性、透气性、易产生冷隔及浇不足等缺陷是目前亟待解决的难题。由于铸铁的热阻比铜大很多，所以一般连铸结晶器用铜结晶器，使金属液快速冷却，同时铜结晶器可使铝铸件尺寸更加精细化。在保证精密铸造的同时，工件内部组织、成分也是影响其力学性能稳定性的重要因素。过冷度增加可有效细化晶粒，增加形核率。在金属型内通入循环水来保证强制冷却，可以显著提升铸锭质量，若未经预热，浇铸时铸型受到强烈热冲击，内应力增倍，同时薄铸件容易出现冷隔现象。为改善上述状况通常先将金属型预热，传统金属型预热方法有：燃气预热、电加热、加热炉预热等，上述方法易出现加热后温降大、加热不均匀、预热温度难以稳恒控制等情况，并且加热不均匀造成的铸件薄带的冷隔现象通过补热方法改善过程很复杂，还有厚度过大的铸件心部与边部质量变化较大，存在组织疏松、气孔严重等问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种超硬铝铸造复合电磁脉冲凝固组织处理装置，以解决上述现有技术存在的问题，其可以使熔体内的电磁能渗入最大化，在均匀预热金属型，提高铸坯凝固过冷度的同时，通过电磁能对熔体心部组织进行补偿式处理，促使特厚铸件心部组织细化更均匀，获得高质量、高精度铸锭。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：一种超硬铝铸造复合电磁脉冲凝固组织处理装置，包括金属型、边部电磁脉冲装置、顶部电磁脉冲装置，所述金属型的内腔用于放置熔体，所述金属型的侧壁包括外层及内层，所述外层和内层之间形成水冷空腔，所述水冷空腔底部设有冷却水入口、顶部设有冷却水出口，所述边部电磁脉冲装置设置于所述金属型外壁，所述顶部电磁脉冲装置位于所述金属型的内腔正上方。

本实用新型超硬铝铸造复合电磁脉冲凝固组织处理装置，其中，所述边部电磁脉冲装置包括边部线圈、外置铁芯，所述边部线圈绕在所述金属型侧壁的外层，并且相邻两匝边部线圈之间相互绝缘，所述外置铁芯套在所述边部线圈外，每匝边部线圈与所述金属型侧壁的外层之间及每匝边部线圈与所述外置铁芯之间均相互绝缘。

本实用新型超硬铝铸造复合电磁脉冲凝固组织处理装置，其中，所述金属型的侧壁的外层、边部线圈、冷却水入口、冷却水出口上分别连接有温度传感器。

本实用新型超硬铝铸造复合电磁脉冲凝固组织处理装置，其中，所述金属型工作壁厚度H＝D/50，D为所述金属型内铸锭熔体的直径(cm)。

本实用新型超硬铝铸造复合电磁脉冲凝固组织处理装置，其中，所述金属型侧壁的内层上设置有固定有若干个散热片，所述金属型及所述散热片均由铜制成。

本实用新型超硬铝铸造复合电磁脉冲凝固组织处理装置，其中，所述每匝边部线圈与所述金属型侧壁的外层之间设置绝缘陶瓷纤维。

本实用新型超硬铝铸造复合电磁脉冲凝固组织处理装置，其中，所述顶部电磁脉冲装置包括内置铁芯、顶部线圈、外壳，所述顶部线圈绕在所述内置铁芯上，所述顶部线圈、内置铁芯均位于所述外壳内，相邻两匝所述顶部线圈之间相互绝缘，所述顶部线圈与所述内置铁芯及所述外壳之间均相互绝缘。

本实用新型超硬铝铸造复合电磁脉冲凝固组织处理装置，其中，所述边部线圈、顶部线圈均为由高温漆包线绕制成的螺线管形中空铜线圈，所述中空铜线圈的中空腔内通冷却水，所述边部线圈、顶部线圈由相同频率的脉冲电源驱动。

本实用新型超硬铝铸造复合电磁脉冲凝固组织处理装置，其中，所述内置铁芯的直径较小端靠近熔体，所述内置铁芯直径较小端的端部距熔体表面10～20mm。

由于本实用新型超硬铝铸造复合电磁脉冲凝固组织处理装置的金属型的侧壁包括外层及内层，外层和内层之间形成水冷空腔，并且边部电磁脉冲装置设于金属型外壁，顶部电磁脉冲装置位于金属型的内腔正上方，边部电磁脉冲装置既用于加热金属型又用于脉冲处理金属液凝固组织，有效降低金属型预热成本并使金属型预热更均匀，减少因金属型预热不均匀带来的铸件缺陷，并延长金属型使用寿命，采用边部电磁脉冲装置、顶部电磁脉冲装置组成的复合脉冲作用于熔体，复合脉冲装置的电磁能对熔体心部组织进行补偿式处理，使熔体心部组织达到晶粒均匀细化的效果，获得高质量、高精度铸锭。

另外，电磁脉冲作用于金属型，使金属型内部自身产生涡电流，从而达到加热的效果，使金属型加热均匀，补温效果好，并可随用随加热，使用方便。

还有，金属型内设置散热片，可增加金属型的散热面积，增加金属熔体过冷度，再结合电磁脉冲处理，可以获得晶粒更细小均匀的组织，金属型、散热片均由铜制成，一方面可以保证精密铸造要求，另一方面，由于铜的材料特性为良好导电性、低导磁性，其良好导电性保证在金属型内形成涡流，进而对其进行感应加热，又对磁场渗入熔体中干扰较小，保证脉冲磁场对金属液体的磁能作用，增加磁场对熔体的渗透深度，达到均匀细化晶粒的作用。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型超硬铝铸造复合电磁脉冲凝固组织处理装置的整体剖视图；

图2为本实用新型超硬铝铸造复合电磁脉冲凝固组织处理装置的金属型的俯视图；

图3为本实用新型超硬铝铸造复合电磁脉冲凝固组织处理装置所产生的电磁脉冲波形图；

图4为本实用新型超硬铝铸造复合电磁脉冲凝固组织处理装置的金属型中感应电流数值模拟计算矢量图；

图5为本实用新型超硬铝铸造复合电磁脉冲凝固组织处理装置中的熔体中产生的感应磁场矢量图；

图6为本实用新型超硬铝铸造复合电磁脉冲凝固组织处理装置的熔体中产生的电磁力矢量图；

图7为本实用新型超硬铝铸造复合电磁脉冲凝固组织处理装置中金属型对磁感应强度的影响曲线；

图8为本实用新型超硬铝铸造复合电磁脉冲凝固组织处理装置的熔体内磁场分布情况；

图9为本实用新型超硬铝铸造复合电磁脉冲凝固组织处理装置的不同电流激励下对溶体分度分布的影响；

图10为电磁能对临界吉布斯自由能的影响；

图11为不同电流下溶体内瞬时磁能产生情况；

图12为采用电磁预热金属型与未预热金属型得到的铸锭质量对比；

图13为经脉冲磁场处理与未经脉冲磁场处理的超硬铝7A04合金晶粒细化效果对比。

附图标记说明：金属型11、边部电磁脉冲装置12、顶部电磁脉冲装置13、冷却水入口113、冷却水出口114、边部线圈121、外置铁芯122、散热片115、内置铁芯131、顶部线圈132、外壳133。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

本实用新型提供一种超硬铝铸造复合电磁脉冲凝固组织处理装置，如图1所示，包括金属型11、边部电磁脉冲装置12、顶部电磁脉冲装置13，金属型11由铜制成，金属型11工作壁厚度H＝D/50，D为金属型11内铸锭熔体的直径(cm)，采用铜制金属型一方面可以保证精密铸造要求，另一方面，由于铜的材料特性为良好导电性、低导磁性，其良好导电性保证在金属型内形成涡流，进而对其进行感应加热，又对磁场渗入熔体中干扰较小，保证脉冲磁场对金属液体的磁能作用，增加磁场对熔体的渗透深度，达到均匀化晶粒的作用，同时金属型11的厚度增加可进一步保证加热效果；金属型11的内腔111用于放置熔体，金属型11的侧壁包括外层及内层，外层和内层之间形成水冷空腔112，水冷空腔112底部设有冷却水入口113、顶部设有冷却水出口114，冷却水入口113、冷却水出口114均连接到冷却水源，使冷却水在水冷空腔112内循环，边部电磁脉冲装置12设置于金属型11外壁，顶部电磁脉冲装置13位于金属型11的内腔111正上方。

边部电磁脉冲装置12包括边部线圈121、外置铁芯122，外置铁芯122由铁磁性材料加工而成，铁芯壁厚为5～20mm，边部线圈121绕在金属型11侧壁的外层，并且相邻两匝边部线圈121之间相互绝缘，外置铁芯122套在边部线圈121外，每匝边部线圈121与金属型11侧壁的外层之间及每匝边部线圈121与外置铁芯122之间均相互绝缘。

金属型11的侧壁的外层、边部线圈121上分别连接有温度传感器，用于显示工作温度，冷却水入口113、冷却水出口114上分别连接有温度传感器，以便计算热流目的，控制结晶温度。

金属型11侧壁的内层上固定有若干个由铜制成的散热片115，相邻两散热片115之间间距相等。

边部线圈121与金属型11侧壁的外层之间及边部线圈121与外置铁芯122之间均设置绝缘陶瓷纤维，用于隔热、绝缘、保温。

顶部电磁脉冲装置13包括内置铁芯131、顶部线圈132、外壳133，内置铁芯131为铁磁性材料加工而成的T型实心圆柱结构，顶部线圈132绕在内置铁芯131上，顶部线圈132、内置铁芯131均位于外壳133内，相邻两匝顶部线圈132之间相互绝缘，顶部线圈132与内置铁芯131及外壳133之间均通过绝缘陶瓷纤维相互绝缘。

上述边部线圈121、顶部线圈132均为中空铜线圈，中空铜线圈由高温漆包线绕制成螺线管形，由脉冲电源驱动，保证磁动势Fm＝NI＝7000A，加载脉冲波形采用锯齿波形尖端脉冲电流，频率小于55Hz，有文献记载，使熔体心部的感应磁场达到1000Gs，即可达到良好的组织性能指标，边部电磁脉冲处理装置使用脉冲电流100A，遍布线圈绕制5层，每层14匝，总共70匝，中空腔内通冷却水，边部线圈121与金属型11的侧壁之间的绝对距离保持在10～100mm之间，距离太远容易造成较大磁损耗，距离太近有碍于金属型11内冷却水流通；顶部电磁脉冲处理装置使用脉冲电流100A，顶部线圈132绕制7层，每层6匝，总共42匝，顶部电磁脉冲装置位于熔体正上方，且内置铁芯131的直径较小端靠近熔体，距熔体表面10～20mm，直径较大端远离熔体。

采用本实用新型超硬铝铸造复合电磁脉冲凝固组织处理装置铸造7A04超硬铝合金的方法，包括下述过程：

(一)将上述边部线圈121、顶部线圈132的两端分别连接在脉冲电源的两极，并且使边部线圈121、顶部线圈132的中空腔内连通冷却水，使边部线圈121通脉冲电流，边部线圈121激励外置铁芯122产生脉冲磁场，开始对金属型11进行预热处理，脉冲频率控制在15～55Hz，电流控制在50～100A左右可有效提高工作效率，其脉冲输出如图3所示，占空比αT设置为20～50％，

(二)待金属型11达到目标温度同时7A04超硬铝合金达到浇铸温度时(过热度高于100℃)，浇入金属熔体，待达到目标预热温度后，调节适当的晶粒细化脉冲电源参数后，使顶部线圈132通脉冲电流，顶部电磁脉冲装置13、边部电磁脉冲装置12产生的磁场同时作用于熔体内部，作用时间持续1～5分钟，对熔体的凝固组织晶粒细化产生作用，

(三)当熔体冷却至固液相温度以下时，金属型11水冷空腔112内的冷却水打开，使熔体快速冷却，铸锭的质量对比如图12所示，预热后的金属型所成铸锭的缺陷较少，经脉冲磁场处理及未经脉冲磁场处理的7A04超硬铝合金的晶粒细化效果对比如图13所示，经脉冲磁场处理的7A04超硬铝合金的晶粒细化更均匀。

如图4所示为边部电磁脉冲装置12预热金属型11时，金属型11的工作壁及边部线圈121的电流密度图(单位：A)，此图显示边部线圈121为70匝(5×14匝)时，100A电流，频率15Hz的电流密度，可见铜制的金属型11工作壁内感应电流与加载电流方向相反，有电流及可产生焦耳热。

如图5所示为金属型11预热并浇入熔体，对熔体进行电磁脉冲处理时，熔体内的磁感应强度(单位：T)。前期研究结果所证实需要磁感应强度达到0.1T(1000Gs)即对晶粒细化及组织均匀有很好的效果，本方法作用于熔体心部的磁感应强度较大，边部较小，可以补充熔体心部过冷度小的问题，达到理想设计指标。

如图6所示为对熔体进行电磁脉冲处理时，熔体内的电磁力分布(单位：N)。在磁能渗入的基础上，对晶粒产生指向心部的电磁力，对熔体晶粒施加挤压作用，限制其长大行为，具有很好的晶粒细化作用。如图7所示为带金属型与不带金属型所实测的磁感应强度随电流的变化情况，发现金属型对磁感应强度有稍许衰减，但不足以影响对内部熔体的脉冲作用影响，所以磁脉冲可以正常实现。

图8～图11是针对φ60以及大横截面的铸锭进行脉冲磁场处理晶粒细化工艺的理论依据，图8根据不同激励电流下的熔体径向磁场分布变化，按磁场波动与平稳情况，将磁场大致分为边部感应磁场和心部感应磁场。边部组主要由枝晶破碎产生异质形核，同时根据图9的温度分布曲线通过控制冷却水量来控制过冷度，温度曲线由温度传感器测定，所以边部组织达到晶粒细化较为容易。但心部组织过冷度较少，电磁力也较小，很难达到细化目的。根据图10所示在较低过冷度时电磁能对均匀形核、临界形核、吉布斯自由能形核功降低量来达到晶粒细化效果，图中显示，过冷度在5℃以内，100A脉冲磁场基本可以增加形核率，以弥补过冷度不足的缺点，所以为了达到均匀的细化效果，图9温度分布和图10应综合考虑，即冷却水量和磁场机理电流应当匹配。而图11是激励电流产生的电磁能总量。而金属型内通冷却水冷却主要是为了抵消熔体凝固时感应加热对金属型过冷度的减弱，同时控制过冷度。

本实用新型中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。