专利名称：一种铸造用金属熔体的处理装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种铸造用金属熔体的处理装置及方法，属于金属材料加工技术领域。
背景技术：
发展金属熔体处理方法，即通过对金属熔体的凝固进程施加控制，获得细小、成分均匀的显微组织一直是国内外金属材料领域发展的重点。化学细化法是应用最为广泛的一种熔体处理方法。通过在熔体中添加化学细化齐U，可形成大量的形核质点，来改善晶粒大小、减轻成分偏析、降低各种铸造缺陷。但是该方法因细化剂的加入改变金属熔体的化学成分，对纯净度会产生一定的影响。因此只能应用在成分控制较为宽松的金属熔体。除了化学细化法，国内外也相继发明了超声波振动法等物理细化的方法。这些方法摒弃了化学细化法通过添加细化剂来细化晶粒，而主要通过外场作用于金属凝固，扰乱金属的凝固进程，进而达到细化晶粒的效果。中国专利(ZL200310115377.3)公开了 一种超声波振动法进行熔体处理的方法，虽可以达到细化晶粒的效果，但是由于超声波在金属熔体中的衰减非常厉害，超声波不易到达较深或较远的区域，因此使得晶粒细化效果有限，应用范围受到很大的局限。电磁搅拌法是物理细化法中应用最为广泛的一种熔体处理方法，由于控制参数易于调节，搅拌是无接触的，不会污染金属，金属熔体纯净，可以实现金属熔体的连续制备。采用该方法可以获得细小等轴的微观结构，具有很高的技术价值，在熔体均匀凝固控制方面具有独特的优势。中国专利(CN1485452A)公开了一种金属熔体处理制备合金浆料和坯料的方法，该方法通过利用电磁场在金属液中产生感应电流，金属液在洛伦滋力的作用下对金属液形成剧烈地搅拌作用，使金属凝固析出的枝晶充分被碎化或球化，从而达到细化晶粒、改善铸坯质量的目的。但是，由于交变电磁场趋肤效应的存在，电磁场作用于金属熔体时，其作用力随着距离的增加呈指数式衰减，也即熔体外部受到的作用力大，而熔体内部小，作用力不均匀，金属熔体的搅拌效果不均匀，最终会导致晶粒组织不均匀，使这种方法的应用受到了一定程度的限制。
发明内容
为了使金属熔体在处理过程中获得强大而且均匀的搅拌力，本发明提供了一种铸造用金属熔体的处理装置及方法。本发明所采用的技术方案如下:
一种铸造用金属熔体的处理装置，主要由冷却器、电磁搅拌器、电磁制动器、成形设备承接器和熔体处理坩埚组成，所述冷却器置于所述熔体处理坩埚内的中心区域，所述电磁制动器设置在所述熔体处理坩埚外周的下部，所述电磁搅拌器设置在所述熔体处理坩埚外周的上部，所述成形设备承接器设置于所述熔体处理坩埚的下方。
冷却器的主要功能是使金属熔体冷却到所需的温度，冷却器的截面形状可为圆形、椭圆形、方形、梯形和其他形状，冷却管沿轴向方向的形状可为螺旋形，蛇形、波浪形和其他各种形状，冷却器的材质可为钢、铜、铝、锌、镁等金属基材料和陶瓷等非金属材料。优选地，冷却器的冷却速度可为I 100°c /S。电磁搅拌器的主要功能是产生很强的电磁力搅动熔体处理坩埚内的金属熔体,使金属熔体发生强烈的搅拌，电磁搅拌器可为旋转电磁搅拌器、行波电磁搅拌器、螺旋电磁搅拌器和其他形式的电磁搅拌器，即搅拌方式可为旋转型、行波型、螺旋型和其他形式。优选地，电磁搅拌器的功率可为I 60kW，频率为50 400Hz，搅拌速率为1000 lOOOOrpm。电磁制动器的主要功能是产生很强的电磁力推动熔体处理坩埚内的金属熔体，使金属熔体悬浮在熔体处理坩埚内，一方面使金属熔体不断处在强烈的搅拌中，使浆料的温度场和成分场更加均匀。另一方面，浇铸时通过改变电磁力方向可使金属熔体迅速流到成形设备熔体承接器中。优选地，电磁制动器的功率为0.1 10kW，频率为1000 8000Hz。优选地，电磁搅拌器和电磁制动器分别为两个，相对放置在熔体处理坩埚的外围。熔体处理坩埚的主要功能是盛放金属熔体，制备坩埚的截面形状可为圆形、椭圆形、方形、梯形和其他形状，制备坩埚的材质可为钥、锆、钢、铜等金属基材料和石墨、陶瓷等非金属材料。本发明的另一个目的是提供一种铸造用金属熔体的处理方法，本方法使金属熔体在处理过程中可获得强大而且均匀的搅拌力，克服了现有技术存在的缺陷。本发明提供的铸造用金属熔体的处理方法，包括如下步骤:将金属熔体浇入由熔体处理坩埚及置于其中心区域的冷却器所形成的环状处理室内，然后分别启动设置在熔体处理坩埚外周下部的电磁制动器和上部的电磁搅拌器，对金属熔体实施复合电磁搅拌作用，最后将处理好的金属熔体注入成形设备熔体承接器进行流变成形。金属熔体可以是铝合金、镁合金、锌合金、铜合金、锂合金、锡合金、铅合金、镍合金、钴合金和铁合金及其复合材料，熔体温度控制在其液相线温度-20 120°C范围之内。本铸造用金属熔体的处理方法可采用本发明前面所述的铸造用金属熔体处理装置来进行。经过上述方法处理后，金属熔体的固相分数(重量百分数)为O 30%。本发明的优点在于:
(I)充分利用了电磁搅拌具有非接触、能量密度高、清洁和可精确设计与控制等特点，方法成本低，可操作性强。(2)将电磁搅拌与环状熔体处理室巧妙结合，使熔体主要集中在环形制浆室内进行强烈搅拌，使交变电磁场集肤效应的劣势转变为了优势，充分利用了集肤效应层磁感应强度高、剪切强度和速率大的优点，提高了熔体的搅拌效率，加速了熔体的散热，使金属熔体凝固过程中界面前沿的温度场趋向一致，熔体内温度场、浓度场更均匀，有效形核率提高，晶粒细化，获得的显微组织更加细小均匀。(3)由于冷却器冷却速度可控，使熔体心部的热量迅速通过棒体散去，金属熔体可获得更大的冷却强度和过冷度，晶粒组织将更加细小。此外，冷却器激冷所产生的晶核在这样的环境中存活率会更高。同时，由于搅拌作用的存在，也使初生相的团聚现象大大减轻。这些都利于浆料质量的提高。(4)在环形熔体处理室外周下部设置电磁制动器，通过转变电磁制动控制的方向，产生向上推力不停地往上推金属熔体，使熔体搅拌更加均匀，同时处理结束后能够产生向下推力可以加速熔体迅速流到成形设备中。因此，处理设备简单、应用范围广、实用性强，操作方便。处理好的金属熔体，流到压铸、轧制、模锻等常规成形设备上进行成形时，不需要专门的控制阀。避免了浆料的堵塞问题。采用本发明，使被处理的金属熔体获得较大的搅拌力，熔体的温度场和成分场将更加均匀，非常有利于获得细小均匀的晶粒组织。下面通过附图和具体实施方式
对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。
图1是金属熔体的处理装置示意图。图2为通过熔体处理后经流变压铸的Al-Zn-Mg-Cu-Er汽车零件的微观组织。
具体实施例方式如图1所示，为本发明金属熔体的处理装置示意图，图中I为冷却器，2为电磁搅拌器，3为电磁制动器，4为成形设备熔体承接器，5为熔体处理坩埚，6为金属熔体。本发明铸造用金属熔体的处理装置，主要由冷却器1、电磁搅拌器2、电磁制动器3、成形设备承接器4和熔体处理坩埚5组成，冷却器I置于熔体处理坩埚5内的中心区域，电磁制动器3设置在熔体处理坩埚5外周的下部，电磁搅拌器2设置在熔体处理坩埚5外周的上部，成形设备承接器4设置于熔体处理坩埚5的下方。熔体处理坩埚5用于盛放金属熔体6，熔体处理坩埚5的截面形状可为圆形、椭圆形、方形、梯形和其他形状，熔体处理坩埚5的材质可为钥、锆、钢、铜等金属基材料和石墨、陶瓷等非金属材料。冷却器I用于使金属熔体6冷却到所需的温度，冷却器I的截面形状可为圆形、椭圆形、方形、梯形和其他形状，冷却管I沿轴向方向的形状可为螺旋形，蛇形、波浪形和其他各种形状，冷却器I的材质可为钢、铜、铝、锌、镁等金属基材料和陶瓷等非金属材料。冷却器I的冷却速度可为I 100°C /S。电磁搅拌器2用于产生很强的电磁力搅动熔体处理坩埚5内的金属熔体6，使金属熔体6发生强烈的搅拌，电磁搅拌器2可为旋转电磁搅拌器、行波电磁搅拌器、螺旋电磁搅拌器和其他形式的电磁搅拌器。电磁搅拌器2的功率可为I 60kW，频率为50 400Hz，搅拌速率为1000 lOOOOrpm。电磁制动器3用于产生很强的电磁力推动熔体处理坩埚5内的金属熔体6，使金属熔体6悬浮在熔体处理坩埚5内，一方面使金属熔体6不断处在强烈的搅拌中，使浆料的温度场和成分场更加均匀。另一方面，浇铸时通过改变电磁力方向可使金属熔体6迅速流到成形设备熔体承接器4中。电磁制动器3的功率为0.1 10kW，频率为1000 8000Hz。电磁搅拌器和电磁制动器分别为两个，相对放置在熔体处理坩埚的外围。在本实施例中，熔体处理坩埚5材质为石墨，其截面形状为圆形，坩埚5内壁直径为90mm，在其中心设置直径为40mm的石墨冷却器1，冷却器I的截面形状为方形，冷却管I沿轴向方向的形状为螺旋形，石墨坩埚5内壁和石墨冷却器I外壁形成径向宽度为20_的环状处理室。电磁搅拌器2为旋转型电磁搅拌器，电磁搅拌器2的功率3kW，频率为50Hz，搅拌速率为2900rpm。电磁制动器3的频率为3000Hz，功率为1.5kW。利用本实施例的铸造用金属熔体的处理装置来处理金属熔体6，将温度为680°C的过热Al-Zn-Mg-Cu-Er铝合金熔体连续不断地浇到环状处理室内，石墨坩埚5的预热温度控制在600°C，上下误差不超过2°C，并保证金属熔体6在石墨坩埚5内始终保持恒定高度。启动电磁制动器3和电磁搅拌器2，对处理室内的铝合金熔体进行强烈搅拌，搅拌速率为2900rpm。搅拌过程中用测温装置测量金属熔体6的温度，当铝合金熔体温度达到615°C时，关闭电磁搅拌器2，改变电磁制动器3的推动方向，产生下推电磁力，驱使铝合金熔体迅速流到成形设备熔体承接器4，进行流变压铸。零件为某大型汽车企业的产品，对零件气密性和力学性能要求比较高。采用普通压铸工艺生产的零件组织粗大、不均匀、气孔、缩孔等铸造缺陷多，不能进行后续热处理。而采用本发明压铸的零件凝固组织明显细化、均匀化，铸造缺陷大幅度减少，能够进行后续T6热处理，如附图2所示，为通过熔体处理后经流变压铸的Al-Zn-Mg-Cu-Er汽车零件的微观组织，浅色区域为初晶α -Al，深色区域为共晶凝固组织。实施该发明的装备与方法既适合于铝合金，也适合于镁合金、锌合金、铜合金、锂合金、锡合金、铅合金、镍合金、钴合金和铁合金及其复合材料的熔体处理与流变成形。熔体温度控制在其液相线温度-20 120°C范围之内。经过上述方法处理后，金属熔体的固相分数(重量百分数)为O 30%。本发明将电磁搅拌和电磁制动的复合作用与环状熔体处理室巧妙结合，使得熔体的剪切强度和速率大幅度提高，金属熔体成分场和温度场的均匀化效果明显改善，铸件凝固组织明显细化与均匀化，铸造缺陷显著降低。由于电磁制动器可实现金属熔体的不接触传输，因此无需再增设出料装置或堵塞装置，解决了压铸、轧制、模锻等常规成形设备上进行流变成形时控制阀的堵塞问题。
权利要求
1.一种铸造用金属熔体的处理装置，其特征在于:其主要由冷却器、电磁搅拌器、电磁制动器、成形设备承接器和熔体处理坩埚组成，所述冷却器置于所述熔体处理坩埚内的中心区域，所述电磁制动器设置在所述熔体处理坩埚外周的下部，所述电磁搅拌器设置在所述熔体处理坩埚外周的上部，所述成形设备承接器设置于所述熔体处理坩埚的下方。
2.根据权利要求1所述的铸造用金属熔体的处理装置，其特征在于:所述冷却器的截面形状为圆形、椭圆形、方形或梯形，冷却管沿轴向方向的形状为螺旋形，蛇形或波浪形，所述冷却器的材质为钢、铜、铝、锌、镁或陶瓷，所述冷却器的冷却速度为I 100°C /S。
3.根据权利要求1所述的铸造用金属熔体的处理装置，其特征在于:所述电磁搅拌器的功率为I 60kW，频率为50 400Hz，搅拌速率为1000 lOOOOrpm，所述电磁搅拌器的搅拌方式为旋转型、行波型或螺旋型。
4.根据权利要求1所述的铸造用金属熔体的处理装置，其特征在于:所述电磁制动器的功率为0.1 10kW，频率为1000 8000Hz。
5.根据权利要求1所述的铸造用金属熔体的处理装置，其特征在于:所述的电磁搅拌器和电磁制动器分别为两个，相对放置在所述熔体处理坩埚的外围。
6.根据权利要求1所述的铸造用金属熔体的处理装置，其特征在于:所述熔体处理坩埚的截面形状为圆形、椭圆形、方形或梯形，材质为钥、锆、钢、铜、石墨或陶瓷。
7.—种铸造用金属熔体的处理方法，包括如下步骤:将金属熔体浇入由熔体处理坩埚及置于其中心区域的冷却器所形成的环状处理室内，然后分别启动设置在熔体处理坩埚外周下部的电磁制动器和上部的电磁搅拌器，对金属熔体实施复合电磁搅拌作用，最后将处理好的金属熔体注入成形设备熔体承接器进行流变成形。
8.根据权利要求7所述的铸造用金属熔体的处理方法，其特征在于:所述金属熔体为招合金、镁合金、锌合金、铜合金、锂合金、锡合金、铅合金、镍合金、钴合金、铁合金和/或它们的复合材料，所述金属熔的体温度控制在其液相线温度-20 120°C范围之内。
9.根据权利要求7所述的铸造用金属熔体的处理方法，其特征在于:所述金属熔体经处理后，固相分数为O 30%。
全文摘要
本发明涉及一种铸造用金属熔体的处理装置及方法，属于金属材料加工技术领域。包括将金属熔体浇入由熔体处理坩埚及置于其中心区域的冷却器形成环状处理室内，然后分别启动设置在环状处理室外周下部电磁制动器和上部的旋转电磁搅拌器，最后将处理好的金属熔体注入成形设备熔体承接器进行后续流变成形。本发明的优点是将电磁搅拌和电磁制动的复合作用与环状熔体处理室巧妙结合，使得熔体的剪切强度和速率大幅度提高，金属熔体成分场和温度场的均匀化效果明显改善，铸件凝固组织明显细化与均匀化，铸造缺陷显著降低。无需再增设出料装置或堵塞装置，解决了压铸、挤压、轧制、模锻等常规成形设备上进行流变成形时控制阀的堵塞问题。
文档编号C22C1/00GK103162550SQ20111040764
公开日2013年6月19日 申请日期2011年12月9日 优先权日2011年12月9日
发明者张志峰, 徐骏, 白月龙 申请人:北京有色金属研究总院