專利名稱：一種輕合金電磁懸浮鑄造裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬材料制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及到輕合金的晶粒細(xì)化、熔體凈化及 組織成分均勻化等強韌化技術(shù)。
背景技術(shù)：
輕合金具有密度小、比強度比剛度大、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好且可再生，是用量僅次于鋼鐵 的第二大類結(jié)構(gòu)材料。輕合金的生產(chǎn)和應(yīng)用主要有鑄造合金和變形合金，變形合金可獲得 更高的強度，更好的延性及滿足更多用途使用要求的力學(xué)性能。但是，變形輕合金，尤其是 鎂合金，由于室溫和高溫強度低、塑性變形能力差，限制了其作為高性能輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的應(yīng) 用范圍和產(chǎn)品形式。開發(fā)新型變形輕合金及其成型技術(shù)，提高合金的性能，替代鋼鐵材料在 機(jī)械設(shè)備、交通運輸及航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用，對于推動節(jié)能減排，解決或緩解當(dāng)前世界范 圍所面臨的能源危機(jī)和環(huán)境危機(jī)，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)和社會可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。變形輕合金的強韌化技術(shù)主要有合金化、細(xì)晶強化、形變強化及熱處理強化等。合 金化法利用的是第二相強化效應(yīng)，雖然許多元素對輕合金有一定的強化作用，但由于尚未 發(fā)現(xiàn)滿意的彌散沉淀相，尤其是變形加工后為保留細(xì)小的再結(jié)晶晶粒而不能進(jìn)行有效的后 續(xù)熱處理，使得合金化效果難以充分發(fā)揮；有些合金化元素會導(dǎo)致合金的塑性變形能力降 低。細(xì)化晶粒，可以同時提高材料的強度和韌性，是材料強韌化的重要手段。輕合金的特種 加工技術(shù)，如ECAE等大塑性變形技術(shù)、半固態(tài)擠壓、往復(fù)擠壓、熱等靜壓、低溫擠壓和快速 凝固-粉末冶金-熱擠壓等，可以獲得超細(xì)晶、高強度和超塑性變形能力，但由于各自特殊 的制造、效率及成本等問題而難以得到大量的應(yīng)用。提高合金的冶金質(zhì)量，改善合金的鑄態(tài) 組織，制備出晶粒細(xì)小、氣體和夾雜含量少、組織致密的鑄材是合金強韌化的簡便而實用技 術(shù)，也是形變強化及熱處理強化等后續(xù)強化方法得以高效實施的前提。懸浮鑄造是前蘇聯(lián)科學(xué)家發(fā)明的一種鑄造技術(shù)，是將一定量的金屬粉末或顆粒加 到金屬液中混合，使金屬粉末與液流一起充填型腔。加入的金屬顆粒稱為懸浮劑，均布于金 屬液中的懸浮劑有很大的活性表面，與金屬液間產(chǎn)生一系列的熱物理化學(xué)作用，控制金屬 的凝固結(jié)晶、孕育和合金化過程。懸浮鑄造可以細(xì)化晶粒，減少柱狀晶與偏析，降低熱裂傾 向和改善夾雜物的形態(tài)和分布。在懸浮鑄造過程中，懸浮劑在金屬液中的均勻分散是技術(shù) 的關(guān)鍵。選用與金屬液親和性較好的合金粉末作為懸浮劑時，微納米尺度的粉末易發(fā)生團(tuán) 聚，尺寸過大的懸浮劑團(tuán)不僅難以起到形核質(zhì)點的作用，還會嚴(yán)重降低金屬液的流動性，并 在鑄錠內(nèi)部產(chǎn)生夾生缺陷；而加入含有晶粒細(xì)化劑的懸浮劑粉末時，這些高熔點的非金屬 化合物顆粒與金屬液的潤濕性差，使懸浮劑被金屬液排斥、團(tuán)聚，難以均勻混合。電磁場可以對熔融金屬進(jìn)行非接觸的攪拌、加熱、運輸和形狀控制。電磁攪拌是利 用電磁場與金屬液之間的相互作用產(chǎn)生一定方向的電磁力，引起液態(tài)金屬流動或振動，從 而影響金屬的凝固過程，改善金屬凝固組織和提高材料性能。由于電磁攪拌器不與金屬液 直接接觸，避免了機(jī)械攪拌中攪拌頭對金屬液的污染。電磁攪拌引起的熔體強烈流動可以 打斷或彎曲枝晶臂，形成大量枝晶碎片將作為金屬液凝固時的晶核，另一部分富溶質(zhì)的枝晶碎片被液流帶到遠(yuǎn)離枝晶的液穴中重熔，更多形核基底的出現(xiàn)和枝晶碎片重熔帶來的溫 度均勻化促進(jìn)更多等軸晶的形成，從而達(dá)到提高鑄坯等軸晶率、減少中心偏析、中心疏松和 縮孔、改善鑄坯凝固組織的目的。在一定的條件下，攪拌還有利于排除金屬熔體中氣體和夾 雜物，對提高金屬熔體的品質(zhì)有重要作用。為解決懸浮鑄造過程中懸浮劑難以均勻分散的問題，本發(fā)明在懸浮鑄造過程中施 加電磁攪拌，將懸浮鑄造和電磁攪拌對促進(jìn)金屬熔體形核、控制凝固過程、細(xì)化顯微組織的 優(yōu)勢相結(jié)合，開發(fā)一種新型的輕合金凝固組織細(xì)化技術(shù)。利用該技術(shù)，可以制備出晶粒細(xì) 化、夾雜物及氣體含量少、溶質(zhì)偏析及熱裂傾向小的高質(zhì)量輕合金材料。本發(fā)明的原理是1.細(xì)化晶粒可以提高材料的強度和韌性，是輕合金強韌化的重要手段之一。合金 鑄態(tài)顯微組織的細(xì)化可以通過提高凝固過程的形核率、降低熔體的過熱度、改善熔體內(nèi)部 溫度均勻性、外加有利于異質(zhì)形核的形核劑、對樹枝晶進(jìn)行動力彎曲和折斷等方法實現(xiàn)。2.懸浮鑄造是將一定量的金屬粉末加到金屬液中混合，與金屬液一起澆注到鑄型 內(nèi)。加入的金屬顆粒稱為懸浮劑，懸浮劑具有大的活性表面，并均布于金屬液中，與金屬液 間產(chǎn)生一系列的熱物理化學(xué)作用，控制金屬的凝固結(jié)晶、孕育和合金化過程。懸浮鑄造可以 細(xì)化晶粒，減少柱狀晶與偏析，降低熱裂傾向和改善非金屬夾雜物的形態(tài)和分布。3.電磁攪拌引起的熔體強烈流動可以打斷或彎曲枝晶臂，形成大量枝晶碎片作為 金屬液凝固時的晶核，另一部分枝晶碎片被液流帶到遠(yuǎn)離枝晶的液穴中重熔，更多形核基 底的出現(xiàn)和枝晶碎片重熔帶來的溫度均勻化可以促進(jìn)更多等軸晶的形成，實現(xiàn)提高鑄錠等 軸晶率、減少偏析、中心疏松和縮孔，改善鑄坯凝固組織的目的。在一定的條件下，攪拌還有 利于排除金屬熔體中氣體和夾雜物，提高金屬熔體的品質(zhì)。4.懸浮鑄造過程中，施加交變電磁場，利用電磁場與金屬熔體相互作用產(chǎn)生的電 磁力驅(qū)動金屬液流動，使懸浮劑在金屬液中的均勻分散，解決由于懸浮劑團(tuán)聚引起的夾生 和流動性差等問題，提高懸浮劑作為外加晶核質(zhì)點、細(xì)化晶粒的作用效果。5.對于含有非金屬細(xì)化劑的懸浮劑，將非金屬化合物顆粒與組元金屬粉末一起球 磨混合，使金屬粉體包覆于非金屬顆粒，利用熱擠壓技術(shù)制成絲狀懸浮劑，可以提高非金屬 顆粒與合金液的潤濕性，有利于懸浮劑與金屬液的均勻混合。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了 一種輕合金電磁懸浮鑄造裝置和方法。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種輕合金電磁懸浮鑄造裝置，主要由澆口杯、懸浮劑加入器、隔熱保溫層、電磁 攪拌器、懸浮杯、加熱器、金屬鑄型和電源組成，熔煉后的合金通過澆口杯澆入懸浮杯中，由 懸浮劑加入器加入粉末或絲狀懸浮劑；懸浮杯外設(shè)置加熱器和隔熱保溫層，對懸浮杯內(nèi)的 金屬液進(jìn)行加熱和控溫；澆口杯上部裝有液面保護(hù)器，裝置用于鎂合金等化學(xué)活性大的金 屬時，對金屬液面進(jìn)行保護(hù)；隔熱保溫層外安放電磁攪拌器，對懸浮杯內(nèi)的金屬液施加電磁 攪拌，使懸浮劑在金屬液內(nèi)均勻分散；懸浮杯底部有金屬液出口，懸浮劑與金屬液均勻混合 后，澆注到懸浮杯下部的金屬鑄型內(nèi)，在電磁攪拌作用下凝固、冷卻。懸浮杯采用耐高溫、耐氧化的材料制作，不與金屬液發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，最高使用溫度可以達(dá)到1600°C ；加熱器采用電阻或感應(yīng)加熱，外部設(shè)有隔熱保溫層，懸浮杯內(nèi)溫度 的控制精度達(dá)到士 3°C ；電磁攪拌器內(nèi)裝有電磁線圈，線圈采用一對極、兩對極或多對極布置。線圈內(nèi)通過 頻率為0. 3 50Hz，電壓為0 380V，最大為1000A的交變電流，在懸浮杯內(nèi)產(chǎn)生交變電磁 場。懸浮劑加入器可以采用下述兩種形式一種是用于加入粉末懸浮劑，包括氣體流 管和與之相連的粉末罐，氣體流管內(nèi)通入不與金屬液反應(yīng)的氣體，將懸浮劑放入粉末罐、并 導(dǎo)入氣體流管內(nèi)，在氣流的帶動下加入到金屬液中；另一種用來加入絲狀懸浮劑，由調(diào)速電 機(jī)、減速器及夾輥組成，夾輥帶動絲狀懸浮劑以一定的速度加入到金屬液中。使用上述輕合金電磁懸浮鑄造裝置的方法，包括以下步驟a、合金熔煉及澆注用電阻爐或感應(yīng)爐熔煉輕合金，將金屬液以高于液相線溫度 50 150°C的溫度經(jīng)澆口杯澆入懸浮杯內(nèi)，控制金屬液的溫度高于液相線溫度50°C左右； 制備化學(xué)活性大、易氧化的合金時，液面保護(hù)器通入保護(hù)氣體或加入保護(hù)劑；b、加入懸浮劑啟動電源，電磁攪拌器內(nèi)通入交變電流，在懸浮杯內(nèi)產(chǎn)生交變電磁 場，對金屬液施加電磁攪拌，電磁攪拌器電流的頻率為0. 3 50Hz，最大電流強度為1000A ； 打開懸浮劑加入器，在金屬液中加入懸浮劑，懸浮劑的加入和電磁攪拌的時間為1 IOmin ；C、凝固成型金屬液與懸浮劑均勻混合后打開澆口棒，使含懸浮劑的金屬液澆注 到金屬鑄型中，并在電磁攪拌的作用下凝固成型。本發(fā)明采用了上述技術(shù)方案，具有以下優(yōu)點和積極效果1.金屬液在澆注成型之 前加入懸浮劑，控制金屬的凝固結(jié)晶、孕育和合金化過程；2.懸浮劑加入過程中，施加電磁 攪拌，使懸浮劑在金屬液內(nèi)均勻分散，避免由于懸浮劑的團(tuán)聚引起的晶粒細(xì)化效果降低和 產(chǎn)生夾生等缺陷；3.含有懸浮劑的金屬液在電磁攪拌作用下凝固，熔體的強烈流動可以打 斷或彎曲枝晶臂，促進(jìn)金屬液凝固時的形核，并使溫度均勻化；4.電磁攪拌和懸浮劑共同 作用，提高等軸晶的比率，細(xì)化晶粒，減少偏析、縮孔及疏松等缺陷的產(chǎn)生，改善鑄錠凝固組
幺口
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圖1是本發(fā)明的輕合金電磁懸浮鑄造技術(shù)的原理結(jié)構(gòu)示意圖。圖2(a)為ΑΖ61鎂合金的普通金屬型鑄錠顯微組織照片。圖2 (b)為AZ61鎂合金的電磁懸浮鑄造鑄錠顯微組織照片。圖3(a)為絲狀懸浮劑的橫斷面顯微組織照片。圖3(b)為絲狀懸浮劑的縱斷面顯微組織照片。圖中1澆口杯，2懸浮劑加入器，3隔熱保溫層，4電磁攪拌器，5澆口棒，6液面保 護(hù)器，7懸浮杯，8加熱器，9金屬液出口，10金屬鑄型，11電源。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。實施例1 利用本發(fā)明提供的輕合金電磁懸浮鑄造裝置和方法，用粉末懸浮劑制備AZ61變形鎂合金。a、合金熔煉及澆注用工業(yè)用金屬Mg、Al及Si在電阻爐內(nèi)熔煉AZ61變形鎂合 金，合金表面用覆蓋劑保護(hù)；懸浮杯的尺寸為φ 100X200mm，合金澆注前，將懸浮杯預(yù)熱至 3000C ；打開液面保護(hù)器，在懸浮杯內(nèi)通入2%0 SF6和(X)2的混合氣體；將熔煉好的金屬液澆 注到懸浮杯內(nèi)，合金的澆注溫度為730°C，澆注到懸浮杯內(nèi)后，控制金屬液的溫度為700°C ；b、加入懸浮劑金屬液達(dá)到預(yù)定溫度后，開啟電源，電磁攪拌器內(nèi)通入頻率為 50Hz、強度為100A的交變電流；打開懸浮劑加入器的開關(guān)，向金屬液內(nèi)加入懸浮劑，懸浮劑 采用尺寸為150 μ m、純度為99. 96%的鎂粉，懸浮劑加入量為鎂合金量的2wt. % ；電磁懸浮 鑄造的時間為1 :3min ；C、凝固成型到達(dá)設(shè)定時間后，提起澆口棒，金屬液與懸浮劑一起澆注到金屬型 內(nèi)，并在電磁攪拌的作用下凝固，獲得鑄錠。不同條件下鑄錠的顯微組織如圖2所示，圖2(a)是普通金屬型鑄造，粗大的析出 相在晶界處呈連續(xù)狀析出，且晶粒較為粗大。加入懸浮劑后，析出相在晶界呈斷續(xù)分布，但 析出相仍然比較粗大；不加入懸浮劑，只進(jìn)行電磁攪拌時，粗大連續(xù)狀析出相和晶粒尺寸沒 有發(fā)生明顯變化。在加入懸浮劑的同時，施加電磁攪拌，合金的晶粒顯著細(xì)化，析出相更加 彌散和細(xì)小，攪拌時間為anin時晶粒細(xì)化效果最佳，其顯微組織如圖2(b)所示。普通金屬 型鑄錠的晶粒尺寸最大，晶粒大小為200-205 μ m;不施加電磁攪拌，加入懸浮劑后合金的 晶粒尺寸略有減小，達(dá)到125-130μπι ；不加入懸浮劑，僅對合金進(jìn)行電磁攪拌時，合金的晶 粒尺寸變化不大；加入懸浮劑的同時，施加電磁攪拌anin時，合金的平均晶粒尺寸達(dá)到最 小，約為57. 5 μ m，約為懸浮鑄造鑄錠的三分之一、金屬型鑄造鑄錠的四分之一。細(xì)化的顯微組織使材料的力學(xué)性能顯著提高，與普通金屬型鑄錠相比，電磁懸浮 鑄造aiiin鑄錠的抗拉強度提高約20%，延伸率提高約50%。實施例2 利用本發(fā)明提供的輕合金電磁懸浮鑄造裝置和方法，用絲狀懸浮劑制 備AZ31變形鎂合金。絲狀懸浮劑是將金屬粉末與非金屬顆粒球磨混合后，經(jīng)熱擠壓制成，原材料及具 體制作過程如下金屬粉末的原材料為99. 96%的鎂粉(150-200 μ m)、99. 98%鋁粉(80-100 μ m)和 99. 9%鋅粉(40-6(^111)，按照4231鎂合金的成分配比配制成4231粉末(3% A1U% Zn ^P Mg)，并均勻混合；非金屬顆粒選用(3-10 μ m)。將20% ZrB2/80% AZ31粉末在QM-3SP4 (4L)型行星球磨機(jī)上球磨混合，球磨罐為 剛玉真空球磨罐，用真空泵對球磨罐抽真空，球磨速率為300轉(zhuǎn)/分，球磨時間為1小時；混 合后的懸浮劑粉末用液壓機(jī)冷壓為Φ50Χ60πιπι的圓柱塊，并在真空爐中加熱到400°C保溫 3h進(jìn)行除氣處理；將圓柱塊在立式液壓機(jī)上擠壓成Φ6πιπι的線材，擠壓溫度為300°C，液壓 機(jī)滑塊行程速度為0. 10 0. 20m/s，擠壓模具采用H13熱作模具鋼。ZrB2/AZ31絲狀懸浮劑的橫截面和縱截面的微觀組織如圖3所示。從圖中可以看 出，ZrB2懸浮劑顆粒在基體中均勻分布，但有少量的懸浮劑在混合或者擠壓的過程中團(tuán)聚， 從縱截面看，非金屬顆粒沿擠壓方向呈條狀分布，并且有非金屬顆粒或團(tuán)聚顆粒的破碎現(xiàn) 象。AZ31變形鎂合金的電磁懸浮鑄造過程如下
a、合金熔煉及澆注用電阻加熱爐熔煉AZ31合金；合金澆注前，將懸浮杯預(yù)熱至 3000C ；打開液面保護(hù)器，在懸浮杯內(nèi)通入2%0 SF6和(X)2的混合氣體；將熔煉好的金屬液澆 注到懸浮杯內(nèi)，合金的澆注溫度為720°C，澆注到懸浮杯內(nèi)后，控制金屬液的溫度為700°C ；b、加入懸浮劑金屬液達(dá)到預(yù)定溫度后，開啟電磁攪拌器的電源，使攪拌器開始工 作，電源的頻率為50Hz，線圈的電流為100A ；打開懸浮劑加入器的開關(guān)，向金屬液內(nèi)加入 制備好的絲狀復(fù)合懸浮劑，懸浮劑的加入量為鎂合金的1 3% ；電磁懸浮鑄造的時間為 Imin ；C、凝固成型金屬液與懸浮劑混合后，打開澆口棒，金屬液與懸浮劑一起澆注到下 部的金屬型內(nèi)，并在電磁攪拌的作用下凝固，獲得鑄錠。觀察電磁懸浮鑄造AZ31鎂合金的顯微組織，發(fā)現(xiàn)隨著絲狀懸浮劑加入量的增加， 合金的晶粒越來越細(xì)小，絲狀懸浮劑中的質(zhì)點在晶粒內(nèi)部和晶界處均有出現(xiàn)。添加 ZrB2/AZ31復(fù)合懸浮劑能改善合金的微觀組織，細(xì)化晶粒。電磁懸浮鑄造AZ31變形鎂合金的力學(xué)性能測試結(jié)果表明，隨著絲狀懸浮劑添加 量的增加抗拉強度增大而延伸率減小。當(dāng)懸浮劑的加入量為3%時抗拉強度達(dá)到最大，相比 普通金屬型鑄造鑄錠提高了 32%，但延伸率下降了對％。
權(quán)利要求
1.一種輕合金電磁懸浮鑄造裝置，包括懸浮劑加入器O)，隔熱保溫層(3)，電磁攪拌 器G)，懸浮杯(7)，加熱器(8)，金屬鑄型(10)和電源(11)，其特征在于懸浮杯外設(shè)置加 熱器和隔熱保溫層，控制懸浮鑄造金屬液的溫度；隔熱保溫層外部安裝電磁攪拌器，在懸浮 杯內(nèi)施加交變電磁場；懸浮杯下部與金屬鑄型相連，含懸浮劑的金屬液在金屬鑄型內(nèi)快速 冷卻。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種輕合金電磁懸浮鑄造裝置，其特征在于懸浮杯(7)用 耐高溫、耐氧化的材料制作，懸浮杯不與金屬液發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)；加熱器(8)采用電阻 或感應(yīng)加熱，其外部設(shè)有隔熱保溫層(3)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種輕合金電磁懸浮鑄造裝置，其特征在于懸浮劑加入器 (2)包括兩種形式一種用于加入粉末狀懸浮劑；另一種用來加入絲狀懸浮劑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種輕合金電磁懸浮鑄造裝置，其特征在于電磁攪拌器(4) 內(nèi)設(shè)置電磁線圈，線圈采用一對極、兩對極或多對極布置；電源(11)為電磁攪拌器提供頻 率為0. 3 50Hz，電壓為0 380V，最大電流為1000A的交流電。
5.使用權(quán)利要求1、2、3或4所述輕合金電磁懸浮鑄造裝置的方法，包括以下步驟a、合金熔煉及澆注用電阻爐或感應(yīng)爐熔煉輕合金，將金屬液以高于液相線溫度50 150°C的溫度經(jīng)澆口杯⑴澆入懸浮杯(7)內(nèi)，控制金屬液的溫度高于液相線溫度50°C;制 備化學(xué)活性大、易氧化的合金時，液面保護(hù)器(1 通入保護(hù)氣體或加入保護(hù)劑；b、加入懸浮劑啟動電源(11)，使電磁攪拌器內(nèi)通入交變電流，在懸浮杯(7)內(nèi)產(chǎn) 生交變電磁場，對金屬液施加電磁攪拌，電磁攪拌器內(nèi)的電流頻率為0. 3 50Hz，最大電流 強度為1000A ；打開懸浮劑加入器0)，在金屬液中加入懸浮劑，懸浮劑的加入和電磁攪拌 的時間為1 IOmin ；c、凝固成型金屬液與懸浮劑均勻混合后打開澆口棒(5)，使含懸浮劑的金屬液澆注 到金屬鑄型中(10)中，并在電磁攪拌的作用下凝固成型。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電磁懸浮鑄造方法，其特征在于懸浮劑包括粉末及絲狀兩 種形式；粉末懸浮劑為基體金屬、化學(xué)成分相近的合金或含有晶粒細(xì)化劑的粉末，粉末的尺 寸為1 300 μ m ；絲狀懸浮劑是將晶粒細(xì)化劑與金屬粉末混合、擠壓后制成的懸浮劑絲。
全文摘要
一種輕合金電磁懸浮鑄造裝置和方法，屬于金屬材料制備技術(shù)領(lǐng)域。其特征是將電磁改性技術(shù)與懸浮鑄造技術(shù)相結(jié)合，利用電磁場促進(jìn)懸浮劑的分散，改善鑄錠的凝固組織。將熔煉好的金屬液從澆口杯澆入懸浮杯內(nèi)，與由懸浮劑加入器加入的粉末或絲狀懸浮劑混合；電磁攪拌器內(nèi)通入交變電流，在懸浮杯內(nèi)形成交變電磁場，利用交變電磁場產(chǎn)生的攪拌作用使含微-納米尺度顆粒的懸浮劑均勻地分散于金屬液中，并控制金屬的凝固過程，制備出晶粒細(xì)化、氣體及夾雜物含量少、成分偏析及裂紋傾向小的高質(zhì)量輕合金材料。
文檔編號B01F13/08GK102133629SQ20111004833
公開日2011年7月27日 申請日期2011年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月1日
發(fā)明者任政, 張興國, 房燦峰, 賈非, 郝海, 馬玉濤 申請人:大連理工大學(xué)