一種提高合金熔體流動性的方法及旋轉電磁場產生裝置的製作方法
2023-05-22 08:42:36 1
專利名稱：一種提高合金熔體流動性的方法及旋轉電磁場產生裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及合金熔體，特別是關於-種提高合金熔體流動性的方法及裝置。
背景技術：
鋁矽合金因其具有良好的鑄造性能、機械性能而被廣泛應用於汽車、航空航天等 領域。當前，隨著輕量化技術的迅速發展，尤其在鑄造成型過程中，對於薄壁件來講，薄壁充 型更是對合金的流動性等綜合性能提出了更高的要求，如何進一步改善合金組織、提高成 型性能是廣大研究工作者所共同關注的問題。 液態金屬或液態合金的流動性可以認為是在其它條件確定下的充型能力，它由液 態金屬的成分、溫度、雜質含量等決定，與外界因素無關。通過對合金熔體進行化學或物理 方法進行處理，不僅可以改善合金的凝固組織、提高力學性能，也會對合金的流動性產生影 響。在化學處理方面，主要以往合金中添加化學元素為主，例如對於鋁合金來講，往合金熔 體中加入鍶、硼及混合稀土等元素改善其流動性。但是合金元素在熔體中的分布不均勻會 產生熱裂、偏析、貼膜等缺陷，尤其對於含鎂量較高的鋁合金來講，缺陷更加嚴重。通過將合 金元素複合添加的方法也可以提高鋁合金熔體的流動性，但所添加元素的配比不容易精確 控制，甚至會帶來其他影響，如產生新的夾雜物等。因此,單一通過化學處理方法往往達不 到理想的效果，而通過物理方法或物理與化學相結合的方法對合金熔體進行處理將是更為 有效的手段。 利用旋轉電磁場來改善合金熔體的均勻性和流動性是對合金熔體加工處理的典 型物理方法。在固-液相線溫度區間內，利用旋轉電磁場作用於過冷合金熔體是製備半固 態漿料的常用方法。在液相線以上不高的溫度區間內，利用旋轉電磁場作用於過熱合金熔 體也是液態金屬加工處理的重要方式。而液相線以上一定溫度區間內，控制過熱合金熔體 的冷卻過程中，通過利用旋轉電磁場連續作用於熔體，來改變熔體的結構進而改善流動性 的研究目前尚未見相關報導。 加熱保溫處理同樣也是使合金熔體溫度和濃度場更加均勻的有效方法，對於改善 熔體的狀態和結構也有促進作用。
發明內容
針對上述問題，本發明的目的就是提供一種提高合金熔體流動性的方法及裝置， 它利用"加熱保溫+攪拌冷卻"的複合工藝有效地提高了合金熔體在澆鑄時的流動性。
為實現上述目的，本發明採取以下技術方案一種提高合金熔體流動性的方法，包 括如下步驟 1)對合金進行加熱熔煉和保溫處理首先將合金進行加熱熔煉，達到液相線以上 一定溫度後，進行保溫，得到確定溫度的過熱合金熔體； 2)對過熱合金熔體進行攪拌冷卻處理將步驟1)中產生的過熱合金熔體定量置 於旋轉電磁場產生裝置中，使過熱合金熔體在旋轉電磁場的作用下發生攪拌，同時以一定
3的冷卻速度降低至澆鑄溫度，獲得待澆鑄的合金熔體。 盛裝所述合金熔體的坩堝由具有一定強度的耐高溫非電磁屏蔽材料製成。 在步驟1)中，對所述合金進行加熱熔煉達到保溫溫度之前,進行第一次保溫,保
溫時間2(Min，並進行扒渣處理。
對合金熔體進行保溫的過程，採用以下方法之 一 ①在保溫爐中進行，待到攪拌冷 卻時再從保溫爐轉移至旋轉電磁場產生裝置中；②直接在旋轉電磁場產生裝置中進行。
所述合金熔體為鋁合金時，則在步驟1)中，鋁合金熔體的保溫溫度為650 95(rC，保溫時間為30 4niin ;在步驟2)中，鋁合金熔體的攪拌起始溫度為650 900°C 溫度，冷卻速度為0. 5 1. 2°C /s，攪拌時間為30 90s。 —種實現上述方法的旋轉電磁場產生裝置，其特徵在於它包括一本體電磁攪拌 器,在所述本體電磁攪拌器的壁體中設置有幾個均布的磁場發生源,各所述磁場發生源周 圍流經有循環冷卻水，所述磁場發生源外連到一控制櫃，在所述本體電磁攪拌器的內側空 腔底部墊設有熱絕緣墊片，緊貼所述本體電磁攪拌器的內側壁設置有溫控器,所述溫控器 的內腔為放置坩堝的空間，所述溫控器外連到控制儀表。 所述循環冷卻水在一循環冷卻系統中流通，所述循環冷卻系統包括一水箱，所述
水箱的出水管通過水泵連接到到一熱交換器,所述熱交換器的冷水出口連接所述本體電磁
攪拌器的進水管，所述本體電磁攪拌器的出水管回接到所述水箱。 所述磁場發生源為磁繞組式或磁極式之一。 所述控制櫃的勵磁頻率為0 100Hz，勵磁電流為0 300A。 本發明由於採取以上技術方案，其具有以下優點1、本發明採用"加熱保溫+攪拌 冷卻"的複合工藝，比單--熔體的加工處理方式具有優越性，對合金熔體進行複合工藝加工 處理，所產生的效果不是一種簡單的累加作用，而是一種疊加的複合作用。因此，本發明以 合金熔體的加熱保溫為基本處理工序，以旋轉電磁場的作用作為主要處理工序,通過"加熱 保溫+攪拌冷卻"複合的方法對合金熔體進行加工處理，提高了其流動性。2、與其它攪拌作 用相比，旋轉電磁場攪拌改變了熔體的初始結構與狀態，加速了熔體中原子或原子集團的 擴散與重新組合，使熔體中溫度場和濃度場的分布更加均勻，進而改善了熔體的流動狀態； 同時旋轉電磁場作用還改變了凝固過程，使凝固組織得到細化與均勻化,減小了合金熔體 的流動阻力，提高了其補縮能力，進而使流動性提高。3、旋轉電磁場對合金熔體作用不會產 生汙染，且成本比較低，易於應用於生產實際。4、合金熔體的加熱保溫處理同樣使熔體溫度 和濃度場更加均勻，對於改善熔體的狀態與結構也有促進作用。本發明工藝簡單，易於在生 產中實現，適用於砂型、金屬型鑄造、低壓鑄造等。
圖1為旋轉電磁場產生裝置的結構示意圖
圖2為磁繞組水循環冷卻系統圖 [酬 圖3為本發明實施例一的流動指數對比圖 圖4為本發明實施例二的流動指數對比圖
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一歩說明，但本發明並不限於以下實施例。
本發明提供的提高合金熔體流動性的方法，其包括如下步驟 1)對合金進行加熱熔煉和保溫處理首先將合金進行加熱熔煉，達到液相線以上 -一定溫度後，進行保溫,得到確定溫度的過熱合金熔體； 2)對過熱合金熔體進行攪拌冷卻處理將歩驟1)中產生的過熱合金熔體定量置 於旋轉電磁場產生裝置中，使過熱合金熔體在旋轉電磁場的作用下發生攪拌，同時以一定 的冷卻速度降低至澆鑄溫度，獲得待澆鑄的合金熔體。 上述步驟中，對合金熔體進行保溫的過程,可以先在保溫爐中進行，待到攪拌冷卻 時再從保溫爐轉移至旋轉電磁場產生裝置中；也可以對合金熔體加熱到規定溫度後，直接 放置到旋轉電磁場產生裝置中進行保溫。 在該方法中，盛裝合金熔體的坩堝為一定強度的耐高溫非電磁屏蔽材料製成，如 不鏽鋼坩堝或石墨坩堝。 在該方法的歩驟2)中，旋轉電磁場產生裝置可以為磁繞組式攪拌器或磁極旋轉 式攪拌器,只要能使合金熔體狀態與結構得到改善，各種常用的旋轉電磁場產生裝置都可 以，如通過調節勵磁電流和頻率的大小來改變旋轉電磁場強度的攪拌裝置等均適用。
適用於本發明方法的--種鋁合金熔體的保溫溫度為650 950t:,保溫時間為 30 40min ;攪拌溫度為650 90(TC溫度，熔體攪拌過程中的冷卻速度為0. 5 1. 2°C /s， 攪拌時間為30 90s。實際操作中，具體可為開啟熔化電阻爐,將鋁合金放入石墨坩堝中， 升溫至720 75(rC進行保溫,待合金完全熔化後靜置保溫2rain，精煉扒渣處理。然後將 合金熔體倒入預熱的坩堝中(熔體裝滿坩堝)，加密封蓋後放入保溫爐中進行加熱保溫，保 溫溫度為650 95(TC，保溫時間為30 40min，然後將盛有熔體的柑堝從保溫爐中取出， 轉移至旋轉電磁場攪拌器內腔中，啟動攪拌器,在650 90(TC溫度區間內對合金熔體進行 電磁場處理，該過程中熔體冷卻速度控制在0. 5 1. 2°C /s,攪拌時間為30 9s,攪拌結 束後過熱熔體稍微靜置後進行澆鑄，澆鑄溫度為630 750°C。 為了實現上述方法，本發明提供了一種旋轉電磁場產生裝置，如圖1所示，它包括 本體電磁攪拌器、控制櫃、冷卻系統、溫控器、熱絕緣墊片等。本體電磁攪拌器1為圓桶形， 在本體電磁攪拌器的桶壁中設置有六個相同的磁繞組2，磁繞組採用星形連接，均勻分布在 攪拌器桶壁內，當接通三相電流時，就會產生旋轉電磁場。磁繞組外連到控制櫃3，磁繞組的 磁場強度通過調節控制櫃的勵磁電流和頻率來改變，勵磁頻率和電流為無級可調。磁繞組 2採用獨立的循環冷卻水直接冷卻,本發明提供的一種水循環冷卻系統如圖2所示，它包括 由水箱4、熱交換器5、水泵6和本體電磁攪拌器1組成的水循環管路。水箱4的出水通過 水泵6流入到熱交換器5 ;熱交換後產生的冷水經本體電磁攪拌器1上的入水管流進本體 電磁攪拌器，直接冷卻磁繞組2，然後經本體電磁攪拌器....匕的出水管流回到水箱4。在本體 電磁攪拌器1的內側空腔底部墊設有熱絕緣墊片7,緊貼本體電磁攪拌器的內壁，並且在熱 絕緣墊片7之上，放置有環形溫控器8,溫控器8上外連有控制儀表9。在溫控器的內側，留 有能夠放置坩堝IO的空間。 上述提供的旋轉電磁場產生裝置僅是其中的一種，本體電磁攪拌器中的磁場發生 源可以是磁繞組式或磁極旋轉式均可,只要能使合金熔體狀態與結構得到改善，各種常用的旋轉電磁場產生裝置都可以，如通過調節勵磁電流和頻率的大小來改變旋轉電磁場強度 的攪拌裝置等均適用。 工作時，將裝有過熱合金熔體11的坩堝10放置到溫控器8中，在坩堝的密封蓋12 上加設壓塊13，並將一熱電偶14穿過密封蓋插入到坩堝中。開啟攪拌器本體和溫控器，使裝 置在--定的磁場強度下和冷卻速度下,發生攪拌，通過控制本體電磁攪拌器和溫控器來控制 熔體的流動性和凝固行為。下面是應用此方法和此裝置進行的兩個實驗的具體實施例
實施例1 選取適用於本發明方法的鋁合金，各元素及其質量百分含量分別為Si :7.0 12. 7% ;Mg :0. 40 0. 90% ;Ti :0. 10 0. 20% ;餘量為雜質及Al ;其中，雜質為Fe、 Zr、 Cu、 Zn或Mn中的任意一種或幾種的混合物，Fe元素的含量小於0. 06%， Zr元素的含量小 於0. 005%， Cu元素的含量小於0. 02%， Zn元素的含量小於0. 003%, Mn元素的含量小於 0. 005% ;雜質的總含量小於0. 1%。 試驗用鋁合金鑄錠的化學成分如表1所示,採用差熱分析(DSC)方法測得該合金 液相線溫度約為616. 9t:，二元共晶溫度約為577. 2°C。本試驗中鋁合金的用量為1. 6Kg，熔 化爐中合金的質量為16Kg。 表1試驗用鋁合金鑄錠的化學成分(質量百分數，％ )
兀 素SiMgTiFeCuZnZrMnAl
含 量7.970.600.180.0510.0100.0026O.005<0.05餘量 本實施例所用攪拌裝置為磁繞組式旋轉電磁場產生裝置，控制櫃的勵磁電流和頻 率的調節範圍分別為I = 0 100A、 f = 0 50Hz。 將石墨坩堝放入熔煉爐中，電阻爐功率為18KW，當溫度升至72(TC進行保溫，待合 金完全熔化後靜置保溫20min,精煉扒渣處理,熔體實測溫度725°C ，然後將合金熔體倒入 預熱的不鏽鋼坩堝中，加密封蓋後放入保溫爐中加熱保溫3niin，合金熔體的實測溫度為 796°C ，然後將裝滿熔體的坩堝從保溫爐中取出轉移至本體電磁攪拌器中，通過控制櫃開啟 本體電磁攪拌器(勵磁電流I = 30A、勵磁頻率f = 20Hz)，攪拌開始溫度為78(TC，攪拌時
間為45s,攪拌過程中熔體冷卻速度為i. rc /s，攪拌結束後將合金熔體從本體電磁攪拌器
中取出，過熱熔體稍微靜置後進行澆鑄，澆鑄溫度為722°C ，直接澆入同心三螺旋線流動性 測試裝置，澆杯預熱溫度為100t;，螺旋鑄型烘乾後表面溫度為30"C，不鏽鋼坩堝中的合金 熔體全部澆入螺旋鑄型，獲得過熱合金熔體經複合工藝加工處理後的螺旋型試樣，其形狀 及大小參照《鑄造工藝基礎(1979年，北京出版社)》的方法進行設計，每間隔50mm刻有標 記。室溫凝固一段時間後取出試樣，以每次測試的三條螺旋線金屬流動長度即流動指數1々 的算術平均值作為測試結果。 未經電磁攪拌的螺旋試樣的獲得與電磁攪拌的其它過程保持完全相同，測試結果 的對比如圖3所示。通過對比圖中不同熔體處理方式獲得合金試樣的I^可以看出，與未經 旋轉電磁場作用的合金熔體流動性相比，在722"C澆鑄溫度下，合金熔體經過攪拌處理後，
6平均流動指數提高2%。
實施例2 試驗用合金、旋轉電磁場產生裝置及工藝過程與實施例1相同，區別在於熔體加
熱保溫溫度不同，本實施例中的加熱保溫溫度為75(TC，攪拌開始溫度為725。C;澆鑄溫度不 同，本實施例中澆鑄溫度為670°C 。合金熔體未經旋轉電磁場處理的其它條件與經電磁場處 理的條件相同，流動性測試結果的對比如圖4所示，通過對比圖中不同合金試樣的1^可以 看出，與未經旋轉電磁場作用的合金熔體流動性相比，在67(TC澆鑄溫度下，合金熔體經過 攪拌處理後，平均流動指數顯著增大，提高了13%。說明熔體加熱保溫與旋轉電磁場作用使 合金熔體狀態與結構發生改變,進而使熔體溫度場與濃度場更加均勻,提高了其流動性。
權利要求
一種提高合金熔體流動性的方法，包括如下步驟1)對合金進行加熱熔煉和保溫處理首先將合金進行加熱熔煉，達到液相線以上一定溫度後，進行保溫，得到確定溫度的過熱合金熔體；2)對過熱合金熔體進行攪拌冷卻處理將步驟1)中產生的過熱合金熔體定量置於旋轉電磁場產生裝置中，使過熱合金熔體在旋轉電磁場的作用下發生攪拌，同時以一定的冷卻速度降低至澆鑄溫度，獲得待澆鑄的合金熔體。
2. 如權利要求1所述的一種提高合金熔體流動性的方法，其特徵在於盛裝所述合金 熔體的坩堝由具有一定強度的耐高溫非電磁屏蔽材料製成。
3. 如權利要求1所述的一種提高合金熔體流動性的方法，其特徵在於在步驟1)中，對所述合金進行加熱熔煉達到保溫溫度之前，進行第一次保溫，保溫時間20min，並進行扒 渣處理。
4. 如權利要求1所述的一種提高合金熔體流動性的方法,其特徵在於對合金熔體進 行保溫的過程，採用以下方法之一①在保溫爐中進行，待到攪拌冷卻時再從保溫爐轉移至 旋轉電磁場產生裝置中；②直接在旋轉電磁場產生裝置中進行。
5. 如權利要求1或2或3或4所述的一種提高合金熔體流動性的方法，其特徵在於 所述合金熔體為鋁合金時，則在步驟1)中，鋁合金熔體的保溫溫度為650 95(TC，保溫時 間為30 40min ;在步驟2)中，鋁合金熔體的攪拌起始溫度為650 90nC溫度，冷卻速度 為0. 5 1. 2°C /s，攪拌時間為30 90s。
6. —種實現如權利要求1 5之一所述的旋轉電磁場產生裝置，其特徵在於它包括 一本體電磁攪拌器,在所述本體電磁攪拌器的壁體中設置有幾個均布的磁場發生源,各所 述磁場發生源周圍流經有循環冷卻水，所述磁場發生源外連到一控制櫃，在所述本體電磁 攪拌器的內側空腔底部墊設有熱絕緣墊片，緊貼所述本體電磁攪拌器的內側壁設置有溫控 器，所述溫控器的內腔為放置坩堝的空間，所述溫控器外連到控制儀表。
7. 如權利要求6所述的一種旋轉電磁場產生裝置,其特徵在於所述循環冷卻水在一 循環冷卻系統中流通，所述循環冷卻系統包括一水箱，所述水箱的出水管通過水泵連接到 到-熱交換器，所述熱交換器的冷水出口連接所述本體電磁攪拌器的進水管，所述本體電 磁攪拌器的出水管回接到所述水箱。
8. 如權利要求6所述的一種旋轉電磁場產生裝置，其特徵在於所述磁場發生源為磁 繞組式或磁極式之一。
9. 如權利要求6或7所述的一種旋轉電磁場產生裝置，其特徵在於所述控制櫃的勵 磁頻率為0 100Hz，勵磁電流為0 300A。
10. 如權利要求8所述的一種旋轉電磁場產生裝置，其特徵在於所述控制櫃的勵磁頻 率為 lH:z，勵磁電流為0 30A。
全文摘要
本發明涉及一種提高合金熔體流動性的方法及裝置，該方法包括如下步驟1)將鋁合金進行加熱熔煉後進行加熱保溫處理，得到過熱鋁合金熔體；2)將保溫處理後的過熱鋁合金熔體移至旋轉電磁場產生裝置中進行攪拌冷卻處理。本發明的一種旋轉電磁場產生裝置，包括一本體電磁攪拌器，在本體電磁攪拌器的壁體中設置有幾個均布的磁場發生源，磁場發生源周圍流經有循環冷卻水，磁場發生源外連到一控制櫃，本體電磁攪拌器的內側空腔中，底部墊設有熱絕緣墊片，內側壁設置有溫控器，溫控器的內側留有放置坩堝的空間，所述溫控器外連到控制儀表。本發明是一種「加熱保溫+攪拌冷卻」疊加的複合作用，有效地改善合金的組織性能和流動性。該方法工藝簡單，適用範圍廣。
文檔編號B22D1/00GK101708531SQ200910093920
公開日2010年5月19日 申請日期2009年9月23日 優先權日2009年9月23日
發明者何良菊, 弭光寶, 李培傑, 王晶 申請人:清華大學