可控晶粒取向的鎂合金製備裝置的製作方法

2023-11-07 07:14:17 2

專利名稱：可控晶粒取向的鎂合金製備裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種合金熔煉裝置，特別涉及一種能夠控制晶粒取向的熔煉凝固裝置。
背景技術：
鎂合金由於具有密度小、比強度高、導熱導電性好的性質，同時具有良好的阻尼減 震和電磁屏蔽性能，因而將廣泛應用於電子裝置的殼體結構件和對輕、薄、小型化，高集成 度等要求較高的領域。鎂合金為六方晶系的晶體結構特徵，常規熔煉的多晶鎂合金，其鑄件 強度、硬度很低，綜合力學性能差；因此，為了得到綜合性能好的鎂合金鑄錠和鑄件，鎂合金 的凝固過程尤為重要。現有技術中，在對於鎂合金的熔煉設備，一般包括控制電路和熔煉爐，其主要用於 熔煉出一般合金且對晶粒取向沒有特別要求的鑄錠和鑄件；近年來定向凝固技術也在鎂合 金中得到應用，但一般的定向凝固工藝設備只能通過變化凝固速度、溫度梯度來控制晶粒的生長，且隨著定向凝固過程的進行，生長進入穩定後，晶粒呈現出較明顯單一的[10 J 0]擇優取向生長，晶粒生長方向也與軸向偏差較大，鎂合金性能的提高受到限制。然而，隨著 科學技術的發展，鎂合金的大量應用要求其各項性能不斷的提高，欲得到研究所需要的晶 粒生長方向的晶粒以及非擇優取向生長的鎂合金鑄錠，以往的熔煉凝固設備已經不能滿足 實驗的要求。因此，需要一種鎂合金熔煉設備，結構簡單緊湊，操作方便和安全，能夠根據需要 選擇合適晶粒取向的合金，控制鎂合金的凝固速度和溫度梯度，可以從凝固速度和溫度梯 度的角度去控制凝固後的組織及性能，在凝固時能夠得到與坩堝底部合金晶粒取向匹配的 不同凝固速度和溫度梯度條件下的固液凝固界面，從而根據需要得到不同晶粒取向的鎂合^^ ο

發明內容
有鑑於此，本發明的目的是提供一種可控晶粒取向的鎂合金製備裝置，結構簡單 緊湊，操作方便和安全，能夠根據需要選擇合適晶粒取向的合金，控制鎂合金的凝固速度和 溫度梯度，從凝固速度和溫度梯度的角度去控制凝固後的組織及性能，在凝固時能夠得到 與坩堝底部合金晶粒取向匹配的不同凝固速度和溫度梯度條件下的固液凝固界面，從而根 據需要得到不同晶粒取向的鎂合金。本發明的可控晶粒取向的鎂合金製備裝置，包括爐體和設置在爐體內的坩堝組 件，所述爐體由上至下依次設置熔煉段和凝固段，所述熔煉段設置加熱裝置，凝固段豎直設 置柱狀冷卻夾套，一坩堝託柱以可上下滑動的方式同軸內套於柱狀冷卻夾套，坩堝託柱頂 端設置冷卻盤，坩堝組件置於冷卻盤上。進一步，所述坩堝組件包括由上至下依次設置的漏鬥形坩堝和U形坩堝，所述U形坩堝置於冷卻盤上，所述U形坩堝包括坩堝體和坩堝底，所述坩堝底以可拆卸的方式設置 於坩堝體下端且至少上表面由所需晶粒取向的金屬材料製成；進一步，所述爐體包括中心管和包在中心管外部的保溫層，中心管上段為熔煉段，下段 為凝固段，柱狀冷卻夾套內套於中心管凝固段；進一步，還包括爐架，所述爐體固定安裝於爐架，爐架上固定設置環形託盤，所述中心 管底部端面和柱狀冷卻夾套底部端面密封支撐於環形託盤，一託柱託盤內套於環形託盤並 支撐於坩堝託柱下端面，所述託柱託盤外圓設置外環形凸臺，所述外環形凸臺上表面與環 形託盤密封接觸；進一步，還包括託柱驅動裝置，所述託柱驅動裝置包括與爐架上下往復滑動配合的支 撐板和用於驅動支撐板上下滑動的動力裝置，所述動力裝置包括絲槓組件和電機，絲槓組 件的螺母與支撐板固定連接，絲槓組件的絲槓沿上下方向與電機的轉子軸同軸固定連接， 電機殼體固定設置於爐架；進一步，所述坩堝底通過螺紋連接設置於坩堝體下端；進一步，所述支撐板設置直徑大於坩堝和坩堝託柱直徑的下落孔，下落孔橫向設置拔 插板，所述坩堝託柱支撐於拔插板；進一步，還包括中心處理器和顯示器，所述中心管熔煉段和凝固段分別設置溫度傳感 器，所述溫度傳感器的信號輸出至中心處理器，所述中心處理器的命令輸出端連接電機的 控制電路和顯示器；進一步，所述柱狀冷卻夾套和冷卻盤均為循環水冷結構；柱狀冷卻夾套的循環水進口 管和出口管均徑向穿過中心管壁和保溫層連通於供水站；冷卻盤的循環水進口管和出口管 均沿軸向依次穿過坩堝託柱、託柱託盤和拔插板，通過快速接頭連通於軟管並通過軟管連 通於供水站；所述拔插板沿拔插方向設置用於使冷卻盤的循環水進口管和出口管通過的開 口槽；進一步，所述保溫層分為熔煉段保溫層和凝固段保溫層，所述熔煉段保溫層和凝固段 保溫層之間設置隔熱層；所述中心管頂端設置保溫密封蓋，一攪拌裝置的攪拌軸轉動密封 配合穿過保溫密封蓋並伸入漏鬥形坩堝，所述攪拌裝置為可升降式結構；所述中心管為真 空石英管；所述環形託盤內圓設置內環形凸臺，託柱託盤由下向上嵌入環形託盤，使託柱託 盤的外環形凸臺上表面與內環形凸臺下表面密封接觸；所述電機為步進電機。本發明的有益效果是本發明的可控晶粒取向的鎂合金製備裝置，採用分段熔煉 和冷卻的爐體結構，能夠根據需要選擇合適晶粒取向的合金並置於靠近水冷盤的坩堝底， 並根據需要控制鎂合金的凝固速度，從凝固速度的角度去控制凝固後的組織及性能，在凝 固時能夠得到與坩堝底部合金晶粒取相匹配的不同凝固速度和溫度梯度條件下的固液凝 固界面，從而根據需要得到不同晶粒取向的鎂合金；本發明可在結晶前沿隨設計的晶種取 向生長，能夠根據需要控制溫度梯度和選擇合適晶粒取向的合金，因而可以從熔體的溫度 梯度和合金的晶粒取向來控制凝固後的組織及性能，能夠得到軸向或徑向方向上綜合性能 較強的鎂合金鑄件和鑄錠，裝置結構簡單緊湊，操作方便和安全。


下面結合附圖和實施例對本發明作進一步描述。
圖1為本發明的結構示意圖； 圖2為拔插板結構示意圖； 圖3為U形坩堝結構示意圖。
具體實施例方式圖1為本發明的結構示意圖，圖2為拔插板結構示意圖，如圖所示本實施例的可 控晶粒取向的鎂合金製備裝置，包括爐體和設置在爐體內的坩堝組件，所述爐體由上至下 依次設置熔煉段和凝固段，所述熔煉段設置加熱裝置25，凝固段豎直設置柱狀冷卻夾套8， 一坩堝託柱10以可上下滑動的方式同軸內套於柱狀冷卻夾套8，坩堝託柱10頂端設置冷卻 盤沈，坩堝組件置於冷卻盤沈上。本實施例中，所述坩堝組件包括由上至下依次設置的漏鬥形坩堝2和U形坩堝5， 所述U形坩堝5置於冷卻盤沈上，所述U形坩堝5包括坩堝體51和坩堝底52，所述坩堝 底52以可拆卸的方式設置於坩堝體下端且至少上表面由所需晶粒取向的金屬材料製成； 採用不同的金屬材料作為鎂合金結晶的引晶合金，並作為在坩堝底的上表面，用於誘導鎂 合金向所需要的晶粒方向凝固生長；根據需要將坩堝底拆下換上所需材料的坩堝底，排除 現有技術中在坩堝內直接放置晶種出現的意外幹擾，保證最終產品的質量，並且，更換坩堝 底就能達到更換所需任意晶粒取向合金的目的，具有互換性，操作簡單，通用性強；當然，除 了坩堝底上表面一體設置所需晶粒取向的金屬材料以外，還可以將整個坩堝底都由所需材 料製成，均能達到發明目的。漏鬥形坩堝將融化後的鎂合金澆注在U形坩堝5內的晶種底面面上，由於水冷盤 的作用，再通過控制固液界面前沿液體中的溫度梯度和晶體的生長速度，金屬熔液就會從 一定晶粒取向的合金被熔化的部分開始沿金屬液中生長，直到引導U型坩堝內的金屬液沿 設計的晶粒生長方式生長，並最終形成晶體取向與坩堝底部合金晶粒取相匹配的均勻柱狀 晶；由此可見，本實施例可通過選擇合適的晶粒取向的合金坩堝底材料，再通過控制固液界 面前沿液體中的溫度梯度和晶體的生長速度來得到不同取向的晶粒。本實施例中，所述爐體包括中心管1和包在中心管1外部的保溫層，中心管1上段 為熔煉段，下段為凝固段，柱狀冷卻夾套8內套於中心管凝固段；採用中心管結構，具有較 好的密封性能，保證熔煉過程不受外界幹擾。本實施例中，還包括爐架19，所述爐體固定安裝於爐架19，爐架19上固定設置環 形託盤11，所述中心管1底部端面和柱狀冷卻夾套8底部端面密封支撐於環形託盤11，一 託柱託盤17內套於環形託盤11並支撐於坩堝託柱10下端面，所述託柱託盤17外圓設置 外環形凸臺17a，所述外環形凸臺17a上表面與環形託盤11密封接觸；採用組合式託盤結 構，利於坩堝組件冷卻時自由上下滑動，較方便的控制冷卻速度。本實施例中，還包括託柱驅動裝置，所述託柱驅動裝置包括與爐架上下往復滑動 配合的支撐板12和用於驅動支撐板12上下滑動的動力裝置，所述動力裝置包括絲槓組件 和電機15，絲槓組件的螺母與支撐板12固定連接，本實施例中，支撐板12直接加工有與四 缸組件的絲槓配合的螺紋，結構簡單緊湊；絲槓組件的絲槓14沿上下方向與電機15的轉子 軸同軸固定連接，電機15殼體固定設置於爐架19 ；本實施例中，爐架19上設置至少兩個穿 過支撐板並與其滑動配合的滑杆，圖中分別為滑杆13和滑杆16 ；滑杆13和滑杆16利於保持支撐板12整體平衡；通過絲槓結構和電機結構進行驅動，能夠方便的控制坩堝組件經過 凝固段的速度，配合於冷卻溫度，能夠較好的控制鎂合金的凝固速度。本實施例中，所述中心管1頂端設置保溫密封蓋3，一攪拌裝置的攪拌軸4轉動密 封配合穿過保溫密封蓋3並伸入漏鬥形坩堝2 ；保證漏鬥形坩堝內的鎂合金能夠充分熔融， 並可使添加的其它微量元素充分均勻混合。本實施例中，還包括中心處理器23和顯示器對，所述中心管1熔煉段和凝固段分 別設置溫度傳感器，圖中分別為溫度傳感器7和溫度傳感器9，所述溫度傳感器7和溫度傳 感器9的信號輸出至中心處理器23，所述中心處理器23的命令輸出端連接電機15的控制 電路和顯示器M ；中心處理器23根據採集的信號控制電機的轉速，從而有效控制坩堝組件 經過冷卻區域的速度，達到控制冷卻速度的目的，同時，在顯示器上顯示出溫度和冷卻速度 等參數。本實施例中，所述坩堝底52通過螺紋連接設置於坩堝體51下端；拆卸安裝方便， 互換性強。本實施例中，所述支撐板12設置直徑大於U形坩堝和坩堝託柱10直徑的下落孔 27，下落孔27橫向設置拔插板觀，所述坩堝託柱10支撐於拔插板觀；冷卻完畢後，拔出拔 插板觀，坩堝組件等部件直接落入下部的淬火池中，操作簡單方便，動作迅速，儘量避免外 界的幹擾；如用於實驗設備，則得到較為客觀的結果。本實施例中，所述柱狀冷卻夾套8和冷卻盤沈均為循環水冷結構；柱狀冷卻夾套 8的循環水進口管18和出口管21均徑向穿過中心管1壁和保溫層連通於供水站；冷卻盤沈 的循環水進口管30和出口管四均沿軸向依次穿過坩堝託柱10、託柱託盤17和拔插板28， 通過快速接頭連通於軟管並通過軟管連通於供水站，所述拔插板沿拔插方向設置用於使冷 卻盤的循環水進口管和出口管通過的開口槽觀⑴使拔插板拔插和水管之間不互相干擾，順 利完成整套工藝流程，結構簡單緊湊。本實施例中，所述保溫層分為熔煉段保溫層6和凝固段保溫層20，所述熔煉段保 溫層6和凝固段保溫層20之間設置隔熱層22 ；所述攪拌裝置為可升降式結構，如圖所示， 包括升降電機如和攪拌軸4，可根據需要升降攪拌裝置，或者與保溫密封蓋3 —起上升；所 述中心管1為真空石英管；所述環形託盤11內圓設置內環形凸臺11a，託柱託盤17由下向 上嵌入環形託盤11，使託柱託盤17的外環形凸臺17a上表面與內環形凸臺1 Ia下表面密封 接觸，結構緊湊穩定，密封性能好；所述電機15為步進電機，易於控制，保證工藝過程的可 控性。本發明在使用時，將保溫密封蓋3打開，將所需晶粒取向的合金坩堝底旋入U形坩 堝內，再將實驗鑄錠放於漏鬥形坩堝內，抽取真空，放入保護氣，開始加熱到720V，直到鎂 合金全部熔化落入U形坩堝內，此時，熔體在720°C保溫30min，使溶質在熔體內均勻分布； 然後開始按照設計的溫度梯度、拉晶速度開始從下向上凝固，根據凝固的需要開啟水冷盤 和水冷套，根據需要調整冷卻水循環量和下降速度；凝固的開始是部分熔化的一定晶粒取 向的坩堝底的內表面開始凝固(或者坩堝為一體式，在內表面布置所需晶粒取向的合金，也 能實現發明目的，但是不能完全排除工藝過程中外來因素的幹擾)，然後是鎂合金根據底部 晶粒取向開始凝固，凝固的鑄錠和鑄件幾乎是均勻同取向的柱狀晶，在軸向或徑向方向上 有較強綜合性能。
最後說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較 佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技 術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的宗旨和範圍，其均應涵蓋在本 發明的權利要求範圍當中。
權利要求
1.一種可控晶粒取向的鎂合金製備裝置，其特徵在於包括爐體和設置在爐體內的坩 堝組件，所述爐體由上至下依次設置熔煉段和凝固段，所述熔煉段設置加熱裝置，凝固段豎 直設置柱狀冷卻夾套，一坩堝託柱以可上下滑動的方式同軸內套於柱狀冷卻夾套，坩堝託 柱頂端設置冷卻盤，坩堝組件置於冷卻盤上。
2.根據權利要求1所述的可控晶粒取向的鎂合金製備裝置，其特徵在於所述坩堝組 件包括由上至下依次設置的漏鬥形坩堝和U形坩堝，所述U形坩堝置於冷卻盤上，所述U形 坩堝包括坩堝體和坩堝底，所述坩堝底以可拆卸的方式設置於坩堝體下端且至少上表面由 所需晶粒取向的金屬材料製成。
3.根據權利要求2所述的可控晶粒取向的鎂合金製備裝置，其特徵在於所述爐體包 括中心管和包在中心管外部的保溫層，中心管上段為熔煉段，下段為凝固段，柱狀冷卻夾套 內套於中心管凝固段。
4.根據權利要求3所述的可控晶粒取向的鎂合金製備裝置，其特徵在於還包括爐架， 所述爐體固定安裝於爐架，爐架上固定設置環形託盤，所述中心管底部端面和柱狀冷卻夾 套底部端面密封支撐於環形託盤，一託柱託盤內套於環形託盤並支撐於坩堝託柱下端面， 所述託柱託盤外圓設置外環形凸臺，所述外環形凸臺上表面與環形託盤密封接觸。
5.根據權利要求4所述的可控晶粒取向的鎂合金製備裝置，其特徵在於還包括託柱 驅動裝置，所述託柱驅動裝置包括與爐架上下往復滑動配合的支撐板和用於驅動支撐板上 下滑動的動力裝置，所述動力裝置包括絲槓組件和電機，絲槓組件的螺母與支撐板固定連 接，絲槓組件的絲槓沿上下方向與電機的轉子軸同軸固定連接，電機殼體固定設置於爐架。
6.根據權利要求5所述的可控晶粒取向的鎂合金製備裝置，其特徵在於所述坩堝底 通過螺紋連接設置於坩堝體下端。
7.根據權利要求6所述的可控晶粒取向的鎂合金製備裝置，其特徵在於所述支撐板 設置直徑大於坩堝和坩堝託柱直徑的下落孔，下落孔橫向設置拔插板，所述坩堝託柱支撐 於拔插板。
8.根據權利要求7所述的可控晶粒取向的鎂合金製備裝置，其特徵在於還包括中心 處理器和顯示器，所述中心管熔煉段和凝固段分別設置溫度傳感器，所述溫度傳感器的信 號輸出至中心處理器，所述中心處理器的命令輸出端連接電機的控制電路和顯示器。
9.根據權利要求8所述的可控晶粒取向的鎂合金製備裝置，其特徵在於所述柱狀冷 卻夾套和冷卻盤均為循環水冷結構；柱狀冷卻夾套的循環水進口管和出口管均徑向穿過中 心管壁和保溫層連通於供水站；冷卻盤的循環水進口管和出口管均沿軸向依次穿過坩堝託 柱、託柱託盤和拔插板，通過快速接頭連通於軟管並通過軟管連通於供水站；所述拔插板沿 拔插方向設置用於使冷卻盤的循環水進口管和出口管通過的開口槽。
10.根據權利要求9所述的可控晶粒取向的鎂合金製備裝置，其特徵在於所述保溫層 分為熔煉段保溫層和凝固段保溫層，所述熔煉段保溫層和凝固段保溫層之間設置隔熱層； 所述中心管頂端設置保溫密封蓋，一攪拌裝置的攪拌軸轉動密封配合穿過保溫密封蓋並伸 入漏鬥形坩堝，所述攪拌裝置為可升降式結構；所述中心管為真空石英管；所述環形託盤 內圓設置內環形凸臺，託柱託盤由下向上嵌入環形託盤，使託柱託盤的外環形凸臺上表面 與內環形凸臺下表面密封接觸；所述電機為步進電機。
全文摘要
本發明公開了一種可控晶粒取向的鎂合金製備裝置，包括爐體和設置在爐體內的坩堝組件，爐體由上至下依次設置熔煉段和凝固段，熔煉段設置加熱裝置，凝固段豎直設置柱狀冷卻夾套，一坩堝託柱以可上下滑動的方式同軸內套於柱狀冷卻夾套，坩堝託柱頂端設置冷卻盤，坩堝組件置於冷卻盤上，本發明能夠根據需要選擇置於坩堝底合適晶粒取向的合金，並通過控制鎂合金的凝固速度，從凝固速度的角度去控制凝固後的組織及性能，在凝固時能夠得到與坩堝底部合金晶粒取向匹配的不同凝固速度和溫度梯度條件下的固液凝固界面，從而根據需要得到不同晶粒取向的鎂合金，能夠得到軸向或徑向方向上綜合性能較強的鎂合金鑄件和鑄錠，裝置結構簡單緊湊，操作方便和安全。
文檔編號C30B28/06GK102051678SQ20101027179
公開日2011年5月11日 申請日期2010年9月3日 優先權日2010年9月3日
發明者吳裕, 李瑞紅, 楊青山, 潘復生, 蔣斌 申請人:重慶大學