專利名稱：一種鑄造用金屬熔體的處理裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鑄造用金屬熔體的處理裝置及方法，屬于金屬材料加工技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
發(fā)展金屬熔體處理方法，即通過對金屬熔體的凝固進(jìn)程施加控制，獲得細(xì)小、成分均勻的顯微組織一直是國內(nèi)外金屬材料領(lǐng)域發(fā)展的重點?；瘜W(xué)細(xì)化法是應(yīng)用最為廣泛的一種熔體處理方法。通過在熔體中添加化學(xué)細(xì)化齊U，可形成大量的形核質(zhì)點，來改善晶粒大小、減輕成分偏析、降低各種鑄造缺陷。但是該方法因細(xì)化劑的加入改變金屬熔體的化學(xué)成分，對純凈度會產(chǎn)生一定的影響。因此只能應(yīng)用在成分控制較為寬松的金屬熔體。除了化學(xué)細(xì)化法，國內(nèi)外也相繼發(fā)明了超聲波振動法等物理細(xì)化的方法。這些方法摒棄了化學(xué)細(xì)化法通過添加細(xì)化劑來細(xì)化晶粒，而主要通過外場作用于金屬凝固，擾亂金屬的凝固進(jìn)程，進(jìn)而達(dá)到細(xì)化晶粒的效果。中國專利(ZL200310115377.3)公開了 一種超聲波振動法進(jìn)行熔體處理的方法，雖可以達(dá)到細(xì)化晶粒的效果，但是由于超聲波在金屬熔體中的衰減非常厲害，超聲波不易到達(dá)較深或較遠(yuǎn)的區(qū)域，因此使得晶粒細(xì)化效果有限，應(yīng)用范圍受到很大的局限。電磁攪拌法是物理細(xì)化法中應(yīng)用最為廣泛的一種熔體處理方法，由于控制參數(shù)易于調(diào)節(jié)，攪拌是無接觸的，不會污染金屬，金屬熔體純凈，可以實現(xiàn)金屬熔體的連續(xù)制備。采用該方法可以獲得細(xì)小等軸的微觀結(jié)構(gòu)，具有很高的技術(shù)價值，在熔體均勻凝固控制方面具有獨特的優(yōu)勢。中國專利(CN1485452A)公開了一種金屬熔體處理制備合金漿料和坯料的方法，該方法通過利用電磁場在金屬液中產(chǎn)生感應(yīng)電流，金屬液在洛倫滋力的作用下對金屬液形成劇烈地攪拌作用，使金屬凝固析出的枝晶充分被碎化或球化，從而達(dá)到細(xì)化晶粒、改善鑄坯質(zhì)量的目的。但是，由于交變電磁場趨膚效應(yīng)的存在，電磁場作用于金屬熔體時，其作用力隨著距離的增加呈指數(shù)式衰減，也即熔體外部受到的作用力大，而熔體內(nèi)部小，作用力不均勻，金屬熔體的攪拌效果不均勻，最終會導(dǎo)致晶粒組織不均勻，使這種方法的應(yīng)用受到了一定程度的限制。

發(fā)明內(nèi)容
為了使金屬熔體在處理過程中獲得強(qiáng)大而且均勻的攪拌力，本發(fā)明提供了一種鑄造用金屬熔體的處理裝置及方法。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下:
一種鑄造用金屬熔體的處理裝置，主要由冷卻器、電磁攪拌器、電磁制動器、成形設(shè)備承接器和熔體處理坩堝組成，所述冷卻器置于所述熔體處理坩堝內(nèi)的中心區(qū)域，所述電磁制動器設(shè)置在所述熔體處理坩堝外周的下部，所述電磁攪拌器設(shè)置在所述熔體處理坩堝外周的上部，所述成形設(shè)備承接器設(shè)置于所述熔體處理坩堝的下方。
冷卻器的主要功能是使金屬熔體冷卻到所需的溫度，冷卻器的截面形狀可為圓形、橢圓形、方形、梯形和其他形狀，冷卻管沿軸向方向的形狀可為螺旋形，蛇形、波浪形和其他各種形狀，冷卻器的材質(zhì)可為鋼、銅、鋁、鋅、鎂等金屬基材料和陶瓷等非金屬材料。優(yōu)選地，冷卻器的冷卻速度可為I 100°c /S。電磁攪拌器的主要功能是產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁力攪動熔體處理坩堝內(nèi)的金屬熔體,使金屬熔體發(fā)生強(qiáng)烈的攪拌，電磁攪拌器可為旋轉(zhuǎn)電磁攪拌器、行波電磁攪拌器、螺旋電磁攪拌器和其他形式的電磁攪拌器，即攪拌方式可為旋轉(zhuǎn)型、行波型、螺旋型和其他形式。優(yōu)選地，電磁攪拌器的功率可為I 60kW，頻率為50 400Hz，攪拌速率為1000 lOOOOrpm。電磁制動器的主要功能是產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁力推動熔體處理坩堝內(nèi)的金屬熔體，使金屬熔體懸浮在熔體處理坩堝內(nèi)，一方面使金屬熔體不斷處在強(qiáng)烈的攪拌中，使?jié){料的溫度場和成分場更加均勻。另一方面，澆鑄時通過改變電磁力方向可使金屬熔體迅速流到成形設(shè)備熔體承接器中。優(yōu)選地，電磁制動器的功率為0.1 10kW，頻率為1000 8000Hz。優(yōu)選地，電磁攪拌器和電磁制動器分別為兩個，相對放置在熔體處理坩堝的外圍。熔體處理坩堝的主要功能是盛放金屬熔體，制備坩堝的截面形狀可為圓形、橢圓形、方形、梯形和其他形狀，制備坩堝的材質(zhì)可為鑰、鋯、鋼、銅等金屬基材料和石墨、陶瓷等非金屬材料。本發(fā)明的另一個目的是提供一種鑄造用金屬熔體的處理方法，本方法使金屬熔體在處理過程中可獲得強(qiáng)大而且均勻的攪拌力，克服了現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷。本發(fā)明提供的鑄造用金屬熔體的處理方法，包括如下步驟:將金屬熔體澆入由熔體處理坩堝及置于其中心區(qū)域的冷卻器所形成的環(huán)狀處理室內(nèi)，然后分別啟動設(shè)置在熔體處理坩堝外周下部的電磁制動器和上部的電磁攪拌器，對金屬熔體實施復(fù)合電磁攪拌作用，最后將處理好的金屬熔體注入成形設(shè)備熔體承接器進(jìn)行流變成形。金屬熔體可以是鋁合金、鎂合金、鋅合金、銅合金、鋰合金、錫合金、鉛合金、鎳合金、鈷合金和鐵合金及其復(fù)合材料，熔體溫度控制在其液相線溫度-20 120°C范圍之內(nèi)。本鑄造用金屬熔體的處理方法可采用本發(fā)明前面所述的鑄造用金屬熔體處理裝置來進(jìn)行。經(jīng)過上述方法處理后，金屬熔體的固相分?jǐn)?shù)(重量百分?jǐn)?shù))為O 30%。本發(fā)明的優(yōu)點在于:
(I)充分利用了電磁攪拌具有非接觸、能量密度高、清潔和可精確設(shè)計與控制等特點，方法成本低，可操作性強(qiáng)。(2)將電磁攪拌與環(huán)狀熔體處理室巧妙結(jié)合，使熔體主要集中在環(huán)形制漿室內(nèi)進(jìn)行強(qiáng)烈攪拌，使交變電磁場集膚效應(yīng)的劣勢轉(zhuǎn)變?yōu)榱藘?yōu)勢，充分利用了集膚效應(yīng)層磁感應(yīng)強(qiáng)度高、剪切強(qiáng)度和速率大的優(yōu)點，提高了熔體的攪拌效率，加速了熔體的散熱，使金屬熔體凝固過程中界面前沿的溫度場趨向一致，熔體內(nèi)溫度場、濃度場更均勻，有效形核率提高，晶粒細(xì)化，獲得的顯微組織更加細(xì)小均勻。(3)由于冷卻器冷卻速度可控，使熔體心部的熱量迅速通過棒體散去，金屬熔體可獲得更大的冷卻強(qiáng)度和過冷度，晶粒組織將更加細(xì)小。此外，冷卻器激冷所產(chǎn)生的晶核在這樣的環(huán)境中存活率會更高。同時，由于攪拌作用的存在，也使初生相的團(tuán)聚現(xiàn)象大大減輕。這些都利于漿料質(zhì)量的提高。(4)在環(huán)形熔體處理室外周下部設(shè)置電磁制動器，通過轉(zhuǎn)變電磁制動控制的方向，產(chǎn)生向上推力不停地往上推金屬熔體，使熔體攪拌更加均勻，同時處理結(jié)束后能夠產(chǎn)生向下推力可以加速熔體迅速流到成形設(shè)備中。因此，處理設(shè)備簡單、應(yīng)用范圍廣、實用性強(qiáng)，操作方便。處理好的金屬熔體，流到壓鑄、軋制、模鍛等常規(guī)成形設(shè)備上進(jìn)行成形時，不需要專門的控制閥。避免了漿料的堵塞問題。采用本發(fā)明，使被處理的金屬熔體獲得較大的攪拌力，熔體的溫度場和成分場將更加均勻，非常有利于獲得細(xì)小均勻的晶粒組織。下面通過附圖和具體實施方式
對本發(fā)明做進(jìn)一步說明，但并不意味著對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。


圖1是金屬熔體的處理裝置示意圖。圖2為通過熔體處理后經(jīng)流變壓鑄的Al-Zn-Mg-Cu-Er汽車零件的微觀組織。
具體實施例方式如圖1所示，為本發(fā)明金屬熔體的處理裝置示意圖，圖中I為冷卻器，2為電磁攪拌器，3為電磁制動器，4為成形設(shè)備熔體承接器，5為熔體處理坩堝，6為金屬熔體。本發(fā)明鑄造用金屬熔體的處理裝置，主要由冷卻器1、電磁攪拌器2、電磁制動器3、成形設(shè)備承接器4和熔體處理坩堝5組成，冷卻器I置于熔體處理坩堝5內(nèi)的中心區(qū)域，電磁制動器3設(shè)置在熔體處理坩堝5外周的下部，電磁攪拌器2設(shè)置在熔體處理坩堝5外周的上部，成形設(shè)備承接器4設(shè)置于熔體處理坩堝5的下方。熔體處理坩堝5用于盛放金屬熔體6，熔體處理坩堝5的截面形狀可為圓形、橢圓形、方形、梯形和其他形狀，熔體處理坩堝5的材質(zhì)可為鑰、鋯、鋼、銅等金屬基材料和石墨、陶瓷等非金屬材料。冷卻器I用于使金屬熔體6冷卻到所需的溫度，冷卻器I的截面形狀可為圓形、橢圓形、方形、梯形和其他形狀，冷卻管I沿軸向方向的形狀可為螺旋形，蛇形、波浪形和其他各種形狀，冷卻器I的材質(zhì)可為鋼、銅、鋁、鋅、鎂等金屬基材料和陶瓷等非金屬材料。冷卻器I的冷卻速度可為I 100°C /S。電磁攪拌器2用于產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁力攪動熔體處理坩堝5內(nèi)的金屬熔體6，使金屬熔體6發(fā)生強(qiáng)烈的攪拌，電磁攪拌器2可為旋轉(zhuǎn)電磁攪拌器、行波電磁攪拌器、螺旋電磁攪拌器和其他形式的電磁攪拌器。電磁攪拌器2的功率可為I 60kW，頻率為50 400Hz，攪拌速率為1000 lOOOOrpm。電磁制動器3用于產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁力推動熔體處理坩堝5內(nèi)的金屬熔體6，使金屬熔體6懸浮在熔體處理坩堝5內(nèi)，一方面使金屬熔體6不斷處在強(qiáng)烈的攪拌中，使?jié){料的溫度場和成分場更加均勻。另一方面，澆鑄時通過改變電磁力方向可使金屬熔體6迅速流到成形設(shè)備熔體承接器4中。電磁制動器3的功率為0.1 10kW，頻率為1000 8000Hz。電磁攪拌器和電磁制動器分別為兩個，相對放置在熔體處理坩堝的外圍。在本實施例中，熔體處理坩堝5材質(zhì)為石墨，其截面形狀為圓形，坩堝5內(nèi)壁直徑為90mm，在其中心設(shè)置直徑為40mm的石墨冷卻器1，冷卻器I的截面形狀為方形，冷卻管I沿軸向方向的形狀為螺旋形，石墨坩堝5內(nèi)壁和石墨冷卻器I外壁形成徑向?qū)挾葹?0_的環(huán)狀處理室。電磁攪拌器2為旋轉(zhuǎn)型電磁攪拌器，電磁攪拌器2的功率3kW，頻率為50Hz，攪拌速率為2900rpm。電磁制動器3的頻率為3000Hz，功率為1.5kW。利用本實施例的鑄造用金屬熔體的處理裝置來處理金屬熔體6，將溫度為680°C的過熱Al-Zn-Mg-Cu-Er鋁合金熔體連續(xù)不斷地澆到環(huán)狀處理室內(nèi)，石墨坩堝5的預(yù)熱溫度控制在600°C，上下誤差不超過2°C，并保證金屬熔體6在石墨坩堝5內(nèi)始終保持恒定高度。啟動電磁制動器3和電磁攪拌器2，對處理室內(nèi)的鋁合金熔體進(jìn)行強(qiáng)烈攪拌，攪拌速率為2900rpm。攪拌過程中用測溫裝置測量金屬熔體6的溫度，當(dāng)鋁合金熔體溫度達(dá)到615°C時，關(guān)閉電磁攪拌器2，改變電磁制動器3的推動方向，產(chǎn)生下推電磁力，驅(qū)使鋁合金熔體迅速流到成形設(shè)備熔體承接器4，進(jìn)行流變壓鑄。零件為某大型汽車企業(yè)的產(chǎn)品，對零件氣密性和力學(xué)性能要求比較高。采用普通壓鑄工藝生產(chǎn)的零件組織粗大、不均勻、氣孔、縮孔等鑄造缺陷多，不能進(jìn)行后續(xù)熱處理。而采用本發(fā)明壓鑄的零件凝固組織明顯細(xì)化、均勻化，鑄造缺陷大幅度減少，能夠進(jìn)行后續(xù)T6熱處理，如附圖2所示，為通過熔體處理后經(jīng)流變壓鑄的Al-Zn-Mg-Cu-Er汽車零件的微觀組織，淺色區(qū)域為初晶α -Al，深色區(qū)域為共晶凝固組織。實施該發(fā)明的裝備與方法既適合于鋁合金，也適合于鎂合金、鋅合金、銅合金、鋰合金、錫合金、鉛合金、鎳合金、鈷合金和鐵合金及其復(fù)合材料的熔體處理與流變成形。熔體溫度控制在其液相線溫度-20 120°C范圍之內(nèi)。經(jīng)過上述方法處理后，金屬熔體的固相分?jǐn)?shù)(重量百分?jǐn)?shù))為O 30%。本發(fā)明將電磁攪拌和電磁制動的復(fù)合作用與環(huán)狀熔體處理室巧妙結(jié)合，使得熔體的剪切強(qiáng)度和速率大幅度提高，金屬熔體成分場和溫度場的均勻化效果明顯改善，鑄件凝固組織明顯細(xì)化與均勻化，鑄造缺陷顯著降低。由于電磁制動器可實現(xiàn)金屬熔體的不接觸傳輸，因此無需再增設(shè)出料裝置或堵塞裝置，解決了壓鑄、軋制、模鍛等常規(guī)成形設(shè)備上進(jìn)行流變成形時控制閥的堵塞問題。
權(quán)利要求
1.一種鑄造用金屬熔體的處理裝置，其特征在于:其主要由冷卻器、電磁攪拌器、電磁制動器、成形設(shè)備承接器和熔體處理坩堝組成，所述冷卻器置于所述熔體處理坩堝內(nèi)的中心區(qū)域，所述電磁制動器設(shè)置在所述熔體處理坩堝外周的下部，所述電磁攪拌器設(shè)置在所述熔體處理坩堝外周的上部，所述成形設(shè)備承接器設(shè)置于所述熔體處理坩堝的下方。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑄造用金屬熔體的處理裝置，其特征在于:所述冷卻器的截面形狀為圓形、橢圓形、方形或梯形，冷卻管沿軸向方向的形狀為螺旋形，蛇形或波浪形，所述冷卻器的材質(zhì)為鋼、銅、鋁、鋅、鎂或陶瓷，所述冷卻器的冷卻速度為I 100°C /S。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑄造用金屬熔體的處理裝置，其特征在于:所述電磁攪拌器的功率為I 60kW，頻率為50 400Hz，攪拌速率為1000 lOOOOrpm，所述電磁攪拌器的攪拌方式為旋轉(zhuǎn)型、行波型或螺旋型。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑄造用金屬熔體的處理裝置，其特征在于:所述電磁制動器的功率為0.1 10kW，頻率為1000 8000Hz。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑄造用金屬熔體的處理裝置，其特征在于:所述的電磁攪拌器和電磁制動器分別為兩個，相對放置在所述熔體處理坩堝的外圍。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑄造用金屬熔體的處理裝置，其特征在于:所述熔體處理坩堝的截面形狀為圓形、橢圓形、方形或梯形，材質(zhì)為鑰、鋯、鋼、銅、石墨或陶瓷。
7.—種鑄造用金屬熔體的處理方法，包括如下步驟:將金屬熔體澆入由熔體處理坩堝及置于其中心區(qū)域的冷卻器所形成的環(huán)狀處理室內(nèi)，然后分別啟動設(shè)置在熔體處理坩堝外周下部的電磁制動器和上部的電磁攪拌器，對金屬熔體實施復(fù)合電磁攪拌作用，最后將處理好的金屬熔體注入成形設(shè)備熔體承接器進(jìn)行流變成形。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的鑄造用金屬熔體的處理方法，其特征在于:所述金屬熔體為招合金、鎂合金、鋅合金、銅合金、鋰合金、錫合金、鉛合金、鎳合金、鈷合金、鐵合金和/或它們的復(fù)合材料，所述金屬熔的體溫度控制在其液相線溫度-20 120°C范圍之內(nèi)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的鑄造用金屬熔體的處理方法，其特征在于:所述金屬熔體經(jīng)處理后，固相分?jǐn)?shù)為O 30%。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鑄造用金屬熔體的處理裝置及方法，屬于金屬材料加工技術(shù)領(lǐng)域。包括將金屬熔體澆入由熔體處理坩堝及置于其中心區(qū)域的冷卻器形成環(huán)狀處理室內(nèi)，然后分別啟動設(shè)置在環(huán)狀處理室外周下部電磁制動器和上部的旋轉(zhuǎn)電磁攪拌器，最后將處理好的金屬熔體注入成形設(shè)備熔體承接器進(jìn)行后續(xù)流變成形。本發(fā)明的優(yōu)點是將電磁攪拌和電磁制動的復(fù)合作用與環(huán)狀熔體處理室巧妙結(jié)合，使得熔體的剪切強(qiáng)度和速率大幅度提高，金屬熔體成分場和溫度場的均勻化效果明顯改善，鑄件凝固組織明顯細(xì)化與均勻化，鑄造缺陷顯著降低。無需再增設(shè)出料裝置或堵塞裝置，解決了壓鑄、擠壓、軋制、模鍛等常規(guī)成形設(shè)備上進(jìn)行流變成形時控制閥的堵塞問題。
文檔編號C22C1/00GK103162550SQ20111040764
公開日2013年6月19日 申請日期2011年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月9日
發(fā)明者張志峰, 徐駿, 白月龍 申請人:北京有色金屬研究總院