一种多物理场耦合作用的金属凝固装置及方法

1.本发明涉及金属凝固技术领域，尤其涉及一种多物理场耦合作用的金属凝固装置及方法。


背景技术：

2.细晶强化是金属材料的一种极为重要的强化方法，该方法不但可以提高材料的强度，同时还可以改善材料的塑韧性。工业上通常采取以下方法达到细晶强化的目的：一，增加过冷度，即提高液态金属的冷却速度，例如利用金属型或石墨型代替砂型，局部加冷铁，采用水冷铸型等方法，另外降低浇注温度和浇注速度也可以增加过冷度，来增加晶核形成数目，也可以达到增加过冷度，获得细小晶粒的目的；二，变质细化处理，即往液态金属中加入变质剂及细化剂，促进形成大量的非均匀晶核和优化晶粒形貌，进而提高材料强度；三，机械振动或搅拌，例如人工搅拌、吹氩搅拌、超声波处理以及电磁搅拌等等，该方式通过外输能量促进晶核提前形成，也促使成长中的枝晶破碎，使晶核数目增加，达到细晶强化的效果。
3.然而，在现有工业生产中，以上细晶强化的工业措施应用得较为单一且强化效果往往受设备局限性所限制。例如，在提高液态金属冷却速度方面，往往模具类型确定后，相应冷却速度也就大体确定了，即使选用冷却速度较快的金属型模具，其冷却能力也仅靠金属型模具决定，无法从模具之外获取额外的冷却能力。为保证金属熔体的流动性，也不能一味地降低浇注温度和浇注速度来增加过冷度。在机械振动或搅拌方面，工业上往往采取单一的搅拌方式，例如吹氩搅拌、超声波处理或者电磁搅拌，几乎没有复合搅拌，且这种机械振动或搅拌往往是属于熔体的前处理，即在浇注前对坩埚中的熔液进行振动或搅拌处理，处理完成后再浇注到模具中冷却凝固成型。熔液在模具中的冷却凝固过程中，并没有受到振动或搅拌作用。
4.例如cn1702188a公开了磁场与超声波联合处理金属熔体制备纳米晶铸锭的方法及专用设备，通过采用金属熔液在坩埚中冷却凝固成型，以获得纳米晶铸锭；其通过冷却水流过冷却水套，对坩埚底部有降温作用，但这种降温作用仅作用在坩埚底部，即仅是对一个面的加强冷却，坩埚其他部位没有受到冷却作用。cn108436062a公开了一种磁场与振动复合作用细化金属凝固组织的方法，采用高频机械振动和电磁搅拌的复合作用细化金属的凝固组织，并不涉及超声波处理；而且其没有加热、冷却以及编辑特定温控曲线的功能，无法实现相应的烘模、过冷凝固以及在特定温度曲线下的凝固控制。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种多物理场耦合作用的金属凝固装置及方法，使金属熔体能够在受到多物理场耦合作用下冷却凝固成型，增强金属熔液冷却能力，能够更有效的细化金属微观组织，实现更高强度的细晶强化。
6.为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
7.第一方面，本发明的实施例提供了一种多物理场耦合作用的金属凝固装置，包括：
8.箱体，箱体顶部安装箱盖，箱盖设有若干排气孔；
9.加热装置，包括安装于箱体底部的加热线圈，箱体的底板开有传热通孔；
10.冷却装置，包括沿箱体周向形成闭合回路的冷却风管，冷却风管与箱体连通，用于向箱体内置入压缩空气；
11.旋转磁场发生装置，包括沿箱体内壁间隔设置的多个电磁线圈，电磁线圈中设有铁芯，以在电磁线圈通入低频交流电时产生旋转磁场；
12.超声波振动装置，用于振动搅拌盛装于箱体内的金属熔体。
13.作为进一步的实现方式，所述加热线圈连接温度控制器；所述箱体内壁还设有热电偶。
14.作为进一步的实现方式，所述冷却风管连接空气压缩机，且空气压缩机安装电动球阀。
15.作为进一步的实现方式，所述超声波振动装置包括依次连接的换能器、变幅杆和振动棒，所述变幅杆和振动棒与箱体同轴设置，振动棒设于箱体内以搅拌金属熔体；
16.所述换能器连接超声波发生器。
17.作为进一步的实现方式，所述变幅杆通过悬臂连接箱体一侧的升降机构。
18.作为进一步的实现方式，所述箱体内设有用于盛装金属熔体的铸造模具，所述铸造模具采用非导磁材料。
19.作为进一步的实现方式，所述铸造模具通过铸造模具装夹机构与箱体的底板固定。
20.作为进一步的实现方式，所述箱体底部安装多个升降机构。
21.第二方面，本发明的实施例还提供了一种多物理场耦合作用的金属凝固装置的使用方法，包括：
22.将铸造模具固定于箱体底板，并将装置调整到设定高度；
23.关闭箱盖，开启加热模式烘模；
24.烘模完成后，敞开箱盖，浇铸金属熔体到铸造模具中，将超声波振动装置的振动棒插入金属熔体中，关闭箱盖；
25.开启电磁搅拌功能以及超声波振动精炼功能，保持超声波-电磁复合场精炼处理金属熔体设定时间；
26.开启冷却功能，实现金属熔体在搅拌磁场和超声波振动的复合作用下凝固，直至金属完全凝固成型，停止电磁搅拌和超声波振动。
27.作为进一步的实现方式，电磁搅拌和超声波振动精炼也可以在金属完全凝固前停止。
28.本发明的有益效果如下：
29.(1)本发明可以烘模，并增强金属熔液冷却能力，可实现金属熔液在超声波-电磁复合场精炼处理作用下凝固成型；超声波-电磁复合场兼具超声场与磁场的优点，表现出比单一场更为优异的处理效果，凝固组织细化效果更好，晶粒更为圆整，更高程度地提高金属铸件的综合力学性能。
30.(2)本发明的加热装置配有相应温度控制器，可编辑升温保温曲线，可以实现烘模
功能；在浇铸前加热铸造模具，不用配备额外的烘箱来烘模，避免了模具的位置移动，提高工作效率；冷却装置可以及时的将模具冷却金属过程中向外散发的热量迅速带走，提高模具的冷却能力，实现更高程度的过冷浇铸；同时，加热装置和冷却装置相互配合，可实现可控的目标温控曲线，达到特定的冷却目的。
附图说明
31.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
32.图1是本发明根据一个或多个实施方式的金属凝固装置结构示意图；
33.图2是本发明根据一个或多个实施方式的金属凝固装置本体箱盖打开时轴测图；
34.图3是本发明根据一个或多个实施方式的金属凝固装置本体箱盖打开时主视图；
35.图4是图3的a-a剖视图。
36.其中，1-金属凝固装置本体、2-第二冷却风管、3-电动球阀、4-空气压缩机、5-数据线、6-数据线、7-超声波发生器、8-温度控制器、9-滚轮、10-升降机构、11-箱体、12-第一冷却风管、13-电磁线圈、14-铁芯、15-排气孔、16-箱盖、17-中心孔、18-铸造模具、19-金属熔体、20-振动棒、21-底板、22-传热通孔、23-热电偶、24-伸缩杆、25-升降机构、26-变幅杆、27-悬臂、28-换能器、29-加热线圈、30-模具装夹机构。
具体实施方式
37.实施例一：
38.本实施例提供了一种多物理场耦合作用的金属凝固装置，如图1所示，包括金属凝固装置本体1、空气压缩机4、超声波发生器7、温度控制器8，空气压缩机4用于向金属凝固装置本体1提供压缩空气，超声波发生器7与金属凝固装置本体1的超声波振动装置相连，温度控制器8与金属凝固装置本体1的加热装置相连。
39.具体的，如图2-图4所示，金属凝固装置本体1包括箱体11、加热装置、冷却装置、旋转磁场发生装置和超声波振动装置，箱体11的形状可以根据实际情况选择，本实施例为了形成旋转磁场，将箱体11设置为柱形结构，箱体11内部为空腔。
40.箱体11底部均匀分布多个升降机构10，通过升降机构10可实现箱体11整体升降。升降机构10底部可安装滚轮9，以便将金属凝固装置本体1移动至合适位置。
41.箱体11顶部安装箱盖16，箱盖16能够打开或关闭。在本实施例中，为了便于加入金属熔体19，箱盖16设置成对称的两个部分，每一部分均为半圆形，通过彼此靠近实现箱盖16闭合，彼此远离实现箱盖16打开。
42.箱盖16的两个部分铰接，且铰接处连接伸缩杆24；伸缩杆24内置于箱体11，或者，伸缩杆24设于箱体11一侧，通过伸缩杆24实现箱盖16的升降。本实施例的箱盖16具有升降和旋转功能，当需要烘炉、浇注、保温以及多场耦合处理熔液等情况时，便于及时盖住或敞开箱体11。
43.箱盖16的中心设有通孔，用于超声波振动装置的变幅杆26穿过。箱盖16上分布有若干排气孔15，箱体11内产生的高温空气能够通过排气孔15排出，并配合冷却装置，迅速将铸造模具18散发的热量带到箱体11外；通过排气孔15保证箱内气压与环境气压一致。箱体
11的底部为底板21，底板21开设有若干传热通孔22，通过传热通孔22使加热装置的热量进入箱体11内。
44.底板21上侧通过模具装夹机构20固定铸造模具18，铸造模具18用于盛装金属熔体19。模具装夹机构20采用现有结构实现，例如夹爪，只要能够夹持固定铸造模具18即可。
45.在本实施例中，加热装置包括加热线圈29，如图4所示，加热线圈29设置于底板21下侧。加热线圈29通过数据线6连接温度控制器8，可编辑升温保温曲线，便于在浇注前烘模。或者在特定条件下，控制箱体11温度不要过冷，例如在浇铸电机或变压器的硅钢片时，获取较大的铸件晶粒。箱体11内壁装有热电偶23，在烘模或开启风冷时，用于实时获取箱内温度。
46.冷却装置包括第一冷却风管12和第二冷却风管2，如图1和图2所示，第一冷却风管12围绕于箱体11外侧，其形状与箱体11相适应，即为环形结构，第一冷却风管12形成闭合回路；且第一冷却风管12间隔分布有直管段，通过直管段与箱体11连通。
47.第二冷却风管2连接于第一冷却风管12和空气压缩机4之间，通过第二冷却风管2使空气压缩机4中的压缩空气进入第一冷却风管12；其中空气压缩机4安装电动球阀3，以控制空气压缩机4的开闭。压缩空气过电动球阀3调节风速后吹入箱体11内，实现铸造模具18和箱内环境的快速降温，使金属熔体19凝固过程获取铸造模具18之外的额外的冷却能力，加大金属冷却凝固过程的过冷度和冷却速度，进而获得细小的晶粒组织。
48.旋转磁场发生装置包括电磁线圈13和铁芯14，电磁线圈13绕于铁芯14外侧；如图2所示，箱体11内壁间隔分布多个电磁线圈13和铁芯14，铁芯14导磁能力强，起磁路作用，通过电磁线圈13和铁芯14提供电磁搅拌功能。本实施例的电磁线圈13为三相电磁线圈，当三相电磁线圈通以低频交流电时，可在箱体11内产生旋转磁场，从而搅拌金属熔体19。
49.电磁线圈13和铁芯14的组数可根据实际要求设置，在本实施例中，设置六组电磁线圈13和铁芯14，当三相电磁线圈通以低频交流电时，可在箱体11内部产生旋转磁场，由于该磁场的作用，在金属熔体19内感生电磁力，作用在金属熔体19体积元上，从而推动金属熔体19运动。该推力沿旋转磁场方向，推动金属熔体19水平周向运动，即提供了熔体搅拌作用，有利于促进晶核提前形成，打碎生长中的枝晶，使晶核数目增加；并且该电磁力具有切向分量和径向分量，金属熔体19受到径向电磁力压缩后产生上下方向的流动，达到使金属熔体19上下层的成份和温度均匀化的效果。
50.超声波振动装置包括依次连接的换能器28、变幅杆26和振动棒20，变幅杆26和振动棒20与箱体11同轴设置，即呈竖向设置。换能器28通过数据线5连接超声波发生器7。
51.变幅杆26顶端与水平设置的悬臂27一端连接，悬臂27另一端连接升降机构25，升降机构25固定于箱体11外侧，通过升降机构25实现超声波振动装置的下降或提升，使振动棒20可置于箱体11内对金属熔体19进行搅拌，也可以提升到箱体11顶部。
52.在本实施例中，升降机构25、升降机构10可采用液压杆、气缸杆、电动推杆等。
53.超声波处理金属熔体19时，超声波发生器7将市电转化为高功率高频率电源，提供给换能器28，换能器28产生超过1.6万赫兹的高频纵向振动，经由变幅杆26将振幅放大后，振动棒20的振幅可达0.08mm左右。金属熔体19在振动棒高频、小幅的振动作用下产生高频交变的振动冲击波和“空化”作用，在局部形成瞬时高温、高压、真空和微射流，熔液连续性遭到破坏，产生无数的显微空穴，“空化”作用使合金在熔融状态下大量生核，产生的高温高
压亦可以减缓晶粒的长大速度。同时这些显微空穴是除气、去夹杂的重要载体，溶解在熔液中的氢等气体易逸入这些空穴，成为气泡核心，气泡长大并上浮过程中，夹杂物可能吸附在气泡表面并随气泡的逸出去除，达到超声波精炼的目的。
54.为保证合金熔液(金属熔体19)化学成分不被污染，不引入金属杂质，振动棒20采用与熔液基体成分相同的金属做成。
55.超声波-电磁复合场兼具超声场与磁场的优点，表现出比单一场更为优异的处理效果，凝固组织细化效果更好，晶粒更为圆整，可以更高程度地抑制元素偏析、提高铸件内部和表面质量、均衡温度场和提高铸件综合力学性能。主要原因如下：
56.①
超声波高频振动的声流效应产生的轴向搅拌，缓解了由于电磁搅拌集肤效应导致的搅拌中心附近熔体搅拌效果差的缺点，同时在超声波处理的“空化”作用下金属熔体大量生核，加强了电磁搅拌的凝固组织细化效果；
②
电磁场的强烈旋转搅拌有利于克服超声场处理作用范围较小的缺点，超声波的声流效应产生的轴向搅拌和电磁搅拌产生的强制对流搅拌相互促进并作用在整个熔体，引起整个熔体的强烈搅动，使超声波“空化”作用产生的大量晶核充分保留并快速传递到整个熔体，即旋转磁场通过扩大超声“空化”作用范围，加强了超声波振动在整个熔体中爆发生核，增强了超声场对凝固组织的细化作用；
③
超声波-电磁复合作用，容易在熔体中形成更大的温度和溶质的起伏，也有利于均匀成分、形成等轴晶和细化晶粒。
57.随着合金成分的不同，对应的最优电磁搅拌和超声波振动工艺参数也会不同。例如，以电磁搅拌a356铝合金熔体来说，电磁搅拌精炼处理对a356铝合金有明显的晶粒细化作用和晶粒形状优化作用，进而抗拉强度明显提高，且随着搅拌频率的增加，晶粒大小表现出先降低后增加的趋势，在搅拌频率为20hz左右时，晶粒细化效果最好。超声波振动处理亦能够改善、细化合金晶粒。以超声波精炼处理alsi12fe铝合金为例，当超声波振动功率提高时，初生硅由粗大的板块状变成细小均匀的颗粒状，初生硅尖角得以钝化，当振动功率为1kw，处理时间为1min时，可实现最佳的处理效果。
58.由于是电磁搅拌功能是采用旋转磁场直接搅拌模具中的正在冷却凝固的金属熔体19，为了加强透磁性能，铸造模具18采用非导磁材料，例如采用304不锈钢模具。一般来说，电磁搅拌频率可调范围为1～50hz，电磁搅拌旋转中心点的磁感应强度范围为200～1000gs时，可满足绝大多数金属的搅拌需求。超声波振动频率为16～25khz，振动棒振幅为0.05～0.1mm时，可满足绝大多数金属的振动精炼需求。此外，超声波振动和电磁搅拌精炼处理时，并非精炼处理时间越长功率越高，除气、晶粒细化以及晶粒形状优化作用的效果就越好，它们都存在特定的阈值。
59.本实施例可实现多种功能来提高金属浇铸过程的效率以及铸件最终的力学性能，利用加热装置，并配有相应温度控制器8，可编辑升温保温曲线，可以实现烘模功能；在浇铸前加热铸造模具18，不用配备额外的烘箱来烘模，避免了模具的位置移动，提高工作效率。不仅可以对金属熔液进行处理获得超细晶粒铸锭，同时，只要模具尺寸合适，可以匹配不同的模具，金属熔液直接在模具中凝固成型，最终可获得工业铸件产品。
60.本实施例的冷却装置可以及时的将模具冷却金属过程中向外散发的热量迅速带走，提高模具的冷却能力，实现更高程度的过冷浇铸。通过高速风冷，将热量快速带出箱体，在三维尺寸上实现模具和箱内环境的快速降温，实现过冷凝固和细晶强化；同时，风冷的安
全性较高。同时，加热装置和冷却装置相互配合，可实现可控的目标温控曲线，达到特定的冷却目的。
61.本实施例的超声波振动和电磁搅拌精炼功能，可使铸造模具18的液态金属在超声波-电磁复合场作用下冷却凝固成型，实现更高程度的微观组织细化，也可以单独利用其中超声波振动或电磁搅拌精炼功能，探究单一精炼功能的最佳优化效果。
62.本实施例采用线圈缠绕在铁芯上，铁芯导磁能力强，起磁路作用，相对于无铁芯的线圈，可大幅加强搅拌磁场的磁感应强度。同理，在获得相同的磁感应强度情况下，带铁芯的电磁搅拌设备可以大幅减少电能的消耗。
63.实施例二：
64.本实施例提供了一种多物理场耦合作用的金属凝固装置的使用方法，采用实施例所述的金属凝固装置，包括以下步骤：
65.利用模具装夹机构30将所用的铸造模具18固定在底板21上，通过滚轮9、升降机构10将装置移动到合适位置并调整到合适高度，便于浇铸操作。关闭箱盖16，开启加热模式烘模。
66.烘模完成后，敞开箱盖16到合适角度，浇铸铝合金熔体到铸造模具18中，将振动棒20插入到金属熔体19中，关闭箱盖16。
67.开启电磁搅拌功能，开启超声波振动精炼功能，保持超声波-电磁复合场精炼处理金属熔体一段时间。
68.开启冷却功能，实现金属熔液在搅拌磁场和超声波振动的复合作用下凝固，直至金属完全凝固成型，停止电磁搅拌和超声波振动。
69.电磁搅拌和超声波振动精炼也可以在金属完全凝固前停止，探究不同处理时间、不同凝固程度下的精炼处理效果。
70.以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。