CN102133629A

CN102133629A - 一种轻合金电磁悬浮铸造装置和方法

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Publication number: CN102133629A
Application number: CN 201110048336
Authority: CN
Inventors: 贾非; 房灿峰; 张兴国; 郝海; 任政; 马玉涛
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2011-03-01
Filing date: 2011-03-01
Publication date: 2011-07-27

Abstract

一种轻合金电磁悬浮铸造装置和方法，属于金属材料制备技术领域。其特征是将电磁改性技术与悬浮铸造技术相结合，利用电磁场促进悬浮剂的分散，改善铸锭的凝固组织。将熔炼好的金属液从浇口杯浇入悬浮杯内，与由悬浮剂加入器加入的粉末或丝状悬浮剂混合；电磁搅拌器内通入交变电流，在悬浮杯内形成交变电磁场，利用交变电磁场产生的搅拌作用使含微-纳米尺度颗粒的悬浮剂均匀地分散于金属液中，并控制金属的凝固过程，制备出晶粒细化、气体及夹杂物含量少、成分偏析及裂纹倾向小的高质量轻合金材料。

Description

一种轻合金电磁悬浮铸造装置和方法

技术领域

本发明属于金属材料制备技术领域，特别涉及到轻合金的晶粒细化、熔体净化及组织成分均匀化等强韧化技术。

背景技术

轻合金具有密度小、比强度比刚度大、导电导热性好且可再生，是用量仅次于钢铁的第二大类结构材料。轻合金的生产和应用主要有铸造合金和变形合金，变形合金可获得更高的强度，更好的延性及满足更多用途使用要求的力学性能。但是，变形轻合金，尤其是镁合金，由于室温和高温强度低、塑性变形能力差，限制了其作为高性能轻质结构材料的应用范围和产品形式。开发新型变形轻合金及其成型技术，提高合金的性能，替代钢铁材料在机械设备、交通运输及航空航天等领域的应用，对于推动节能减排，解决或缓解当前世界范围所面临的能源危机和环境危机，促进经济和社会可持续发展具有重要的意义。

变形轻合金的强韧化技术主要有合金化、细晶强化、形变强化及热处理强化等。合金化法利用的是第二相强化效应，虽然许多元素对轻合金有一定的强化作用，但由于尚未发现满意的弥散沉淀相，尤其是变形加工后为保留细小的再结晶晶粒而不能进行有效的后续热处理，使得合金化效果难以充分发挥；有些合金化元素会导致合金的塑性变形能力降低。细化晶粒，可以同时提高材料的强度和韧性，是材料强韧化的重要手段。轻合金的特种加工技术，如ECAE等大塑性变形技术、半固态挤压、往复挤压、热等静压、低温挤压和快速凝固-粉末冶金-热挤压等，可以获得超细晶、高强度和超塑性变形能力，但由于各自特殊的制造、效率及成本等问题而难以得到大量的应用。提高合金的冶金质量，改善合金的铸态组织，制备出晶粒细小、气体和夹杂含量少、组织致密的铸材是合金强韧化的简便而实用技术，也是形变强化及热处理强化等后续强化方法得以高效实施的前提。

悬浮铸造是前苏联科学家发明的一种铸造技术，是将一定量的金属粉末或颗粒加到金属液中混合，使金属粉末与液流一起充填型腔。加入的金属颗粒称为悬浮剂，均布于金属液中的悬浮剂有很大的活性表面，与金属液间产生一系列的热物理化学作用，控制金属的凝固结晶、孕育和合金化过程。悬浮铸造可以细化晶粒，减少柱状晶与偏析，降低热裂倾向和改善夹杂物的形态和分布。在悬浮铸造过程中，悬浮剂在金属液中的均匀分散是技术的关键。选用与金属液亲和性较好的合金粉末作为悬浮剂时，微纳米尺度的粉末易发生团聚，尺寸过大的悬浮剂团不仅难以起到形核质点的作用，还会严重降低金属液的流动性，并在铸锭内部产生夹生缺陷；而加入含有晶粒细化剂的悬浮剂粉末时，这些高熔点的非金属化合物颗粒与金属液的润湿性差，使悬浮剂被金属液排斥、团聚，难以均匀混合。

电磁场可以对熔融金属进行非接触的搅拌、加热、运输和形状控制。电磁搅拌是利用电磁场与金属液之间的相互作用产生一定方向的电磁力，引起液态金属流动或振动，从而影响金属的凝固过程，改善金属凝固组织和提高材料性能。由于电磁搅拌器不与金属液直接接触，避免了机械搅拌中搅拌头对金属液的污染。电磁搅拌引起的熔体强烈流动可以打断或弯曲枝晶臂，形成大量枝晶碎片将作为金属液凝固时的晶核，另一部分富溶质的枝晶碎片被液流带到远离枝晶的液穴中重熔，更多形核基底的出现和枝晶碎片重熔带来的温度均匀化促进更多等轴晶的形成，从而达到提高铸坯等轴晶率、减少中心偏析、中心疏松和缩孔、改善铸坯凝固组织的目的。在一定的条件下，搅拌还有利于排除金属熔体中气体和夹杂物，对提高金属熔体的品质有重要作用。

为解决悬浮铸造过程中悬浮剂难以均匀分散的问题，本发明在悬浮铸造过程中施加电磁搅拌，将悬浮铸造和电磁搅拌对促进金属熔体形核、控制凝固过程、细化显微组织的优势相结合，开发一种新型的轻合金凝固组织细化技术。利用该技术，可以制备出晶粒细化、夹杂物及气体含量少、溶质偏析及热裂倾向小的高质量轻合金材料。

本发明的原理是：

1.细化晶粒可以提高材料的强度和韧性，是轻合金强韧化的重要手段之一。合金铸态显微组织的细化可以通过提高凝固过程的形核率、降低熔体的过热度、改善熔体内部温度均匀性、外加有利于异质形核的形核剂、对树枝晶进行动力弯曲和折断等方法实现。

2.悬浮铸造是将一定量的金属粉末加到金属液中混合，与金属液一起浇注到铸型内。加入的金属颗粒称为悬浮剂，悬浮剂具有大的活性表面，并均布于金属液中，与金属液间产生一系列的热物理化学作用，控制金属的凝固结晶、孕育和合金化过程。悬浮铸造可以细化晶粒，减少柱状晶与偏析，降低热裂倾向和改善非金属夹杂物的形态和分布。

3.电磁搅拌引起的熔体强烈流动可以打断或弯曲枝晶臂，形成大量枝晶碎片作为金属液凝固时的晶核，另一部分枝晶碎片被液流带到远离枝晶的液穴中重熔，更多形核基底的出现和枝晶碎片重熔带来的温度均匀化可以促进更多等轴晶的形成，实现提高铸锭等轴晶率、减少偏析、中心疏松和缩孔，改善铸坯凝固组织的目的。在一定的条件下，搅拌还有利于排除金属熔体中气体和夹杂物，提高金属熔体的品质。

4.悬浮铸造过程中，施加交变电磁场，利用电磁场与金属熔体相互作用产生的电磁力驱动金属液流动，使悬浮剂在金属液中的均匀分散，解决由于悬浮剂团聚引起的夹生和流动性差等问题，提高悬浮剂作为外加晶核质点、细化晶粒的作用效果。

5.对于含有非金属细化剂的悬浮剂，将非金属化合物颗粒与组元金属粉末一起球磨混合，使金属粉体包覆于非金属颗粒，利用热挤压技术制成丝状悬浮剂，可以提高非金属颗粒与合金液的润湿性，有利于悬浮剂与金属液的均匀混合。

发明内容

本发明提供了一种轻合金电磁悬浮铸造装置和方法。

本发明的技术方案如下：

一种轻合金电磁悬浮铸造装置，主要由浇口杯、悬浮剂加入器、隔热保温层、电磁搅拌器、悬浮杯、加热器、金属铸型和电源组成，熔炼后的合金通过浇口杯浇入悬浮杯中，由悬浮剂加入器加入粉末或丝状悬浮剂；悬浮杯外设置加热器和隔热保温层，对悬浮杯内的金属液进行加热和控温；浇口杯上部装有液面保护器，装置用于镁合金等化学活性大的金属时，对金属液面进行保护；隔热保温层外安放电磁搅拌器，对悬浮杯内的金属液施加电磁搅拌，使悬浮剂在金属液内均匀分散；悬浮杯底部有金属液出口，悬浮剂与金属液均匀混合后，浇注到悬浮杯下部的金属铸型内，在电磁搅拌作用下凝固、冷却。

悬浮杯采用耐高温、耐氧化的材料制作，不与金属液发生剧烈的化学反应，最高使用温度可以达到1600℃；加热器采用电阻或感应加热，外部设有隔热保温层，悬浮杯内温度的控制精度达到±3℃；

电磁搅拌器内装有电磁线圈，线圈采用一对极、两对极或多对极布置。线圈内通过频率为0.3～50Hz，电压为0～380V，最大为1000A的交变电流，在悬浮杯内产生交变电磁场。

悬浮剂加入器可以采用下述两种形式：一种是用于加入粉末悬浮剂，包括气体流管和与之相连的粉末罐，气体流管内通入不与金属液反应的气体，将悬浮剂放入粉末罐、并导入气体流管内，在气流的带动下加入到金属液中；另一种用来加入丝状悬浮剂，由调速电机、减速器及夹辊组成，夹辊带动丝状悬浮剂以一定的速度加入到金属液中。

使用上述轻合金电磁悬浮铸造装置的方法，包括以下步骤：

a、合金熔炼及浇注：用电阻炉或感应炉熔炼轻合金，将金属液以高于液相线温度50～150℃的温度经浇口杯浇入悬浮杯内，控制金属液的温度高于液相线温度50℃左右；制备化学活性大、易氧化的合金时，液面保护器通入保护气体或加入保护剂；

b、加入悬浮剂：启动电源，电磁搅拌器内通入交变电流，在悬浮杯内产生交变电磁场，对金属液施加电磁搅拌，电磁搅拌器电流的频率为0.3～50Hz，最大电流强度为1000A；打开悬浮剂加入器，在金属液中加入悬浮剂，悬浮剂的加入和电磁搅拌的时间为1～10min；

c、凝固成型：金属液与悬浮剂均匀混合后打开浇口棒，使含悬浮剂的金属液浇注到金属铸型中，并在电磁搅拌的作用下凝固成型。

本发明采用了上述技术方案，具有以下优点和积极效果：1.金属液在浇注成型之前加入悬浮剂，控制金属的凝固结晶、孕育和合金化过程；2.悬浮剂加入过程中，施加电磁搅拌，使悬浮剂在金属液内均匀分散，避免由于悬浮剂的团聚引起的晶粒细化效果降低和产生夹生等缺陷；3.含有悬浮剂的金属液在电磁搅拌作用下凝固，熔体的强烈流动可以打断或弯曲枝晶臂，促进金属液凝固时的形核，并使温度均匀化；4.电磁搅拌和悬浮剂共同作用，提高等轴晶的比率，细化晶粒，减少偏析、缩孔及疏松等缺陷的产生，改善铸锭凝固组织。

附图说明

图1是本发明的轻合金电磁悬浮铸造技术的原理结构示意图。

图2(a)为AZ61镁合金的普通金属型铸锭显微组织照片。

图2(b)为AZ61镁合金的电磁悬浮铸造铸锭显微组织照片。

图3(a)为丝状悬浮剂的横断面显微组织照片。

图3(b)为丝状悬浮剂的纵断面显微组织照片。

图中：1浇口杯，2悬浮剂加入器，3隔热保温层，4电磁搅拌器，5浇口棒，6液面保护器，7悬浮杯，8加热器，9金属液出口，10金属铸型，11电源。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

实施例1：利用本发明提供的轻合金电磁悬浮铸造装置和方法，用粉末悬浮剂制备AZ61变形镁合金。

a、合金熔炼及浇注：用工业用金属Mg、Al及Zn在电阻炉内熔炼AZ61变形镁合金，合金表面用覆盖剂保护；悬浮杯的尺寸为Φ100×200mm，合金浇注前，将悬浮杯预热至300℃；打开液面保护器，在悬浮杯内通入2‰SF₆和CO₂的混合气体；将熔炼好的金属液浇注到悬浮杯内，合金的浇注温度为730℃，浇注到悬浮杯内后，控制金属液的温度为700℃；

b、加入悬浮剂：金属液达到预定温度后，开启电源，电磁搅拌器内通入频率为50Hz、强度为100A的交变电流；打开悬浮剂加入器的开关，向金属液内加入悬浮剂，悬浮剂采用尺寸为150μm、纯度为99.96％的镁粉，悬浮剂加入量为镁合金量的2wt.％；电磁悬浮铸造的时间为1～3min；

c、凝固成型：到达设定时间后，提起浇口棒，金属液与悬浮剂一起浇注到金属型内，并在电磁搅拌的作用下凝固，获得铸锭。

不同条件下铸锭的显微组织如图2所示，图2(a)是普通金属型铸造，粗大的析出相在晶界处呈连续状析出，且晶粒较为粗大。加入悬浮剂后，析出相在晶界呈断续分布，但析出相仍然比较粗大；不加入悬浮剂，只进行电磁搅拌时，粗大连续状析出相和晶粒尺寸没有发生明显变化。在加入悬浮剂的同时，施加电磁搅拌，合金的晶粒显著细化，析出相更加弥散和细小，搅拌时间为2min时晶粒细化效果最佳，其显微组织如图2(b)所示。普通金属型铸锭的晶粒尺寸最大，晶粒大小为200-205μm；不施加电磁搅拌，加入悬浮剂后合金的晶粒尺寸略有减小，达到125-130μm；不加入悬浮剂，仅对合金进行电磁搅拌时，合金的晶粒尺寸变化不大；加入悬浮剂的同时，施加电磁搅拌2min时，合金的平均晶粒尺寸达到最小，约为57.5μm，约为悬浮铸造铸锭的三分之一、金属型铸造铸锭的四分之一。

细化的显微组织使材料的力学性能显著提高，与普通金属型铸锭相比，电磁悬浮铸造2min铸锭的抗拉强度提高约20％，延伸率提高约50％。

实施例2：利用本发明提供的轻合金电磁悬浮铸造装置和方法，用丝状悬浮剂制备AZ31变形镁合金。

丝状悬浮剂是将金属粉末与非金属颗粒球磨混合后，经热挤压制成，原材料及具体制作过程如下：

金属粉末的原材料为99.96％的镁粉(150-200μm)、99.98％铝粉(80-100μm)和99.9％锌粉(40-60μm)，按照AZ31镁合金的成分配比配制成AZ31粉末(3％Al、1％Zn和Mg)，并均匀混合；非金属颗粒选用ZrB₂(3-10μm)。

将20％ZrB₂/80％AZ31粉末在QM-3SP4(4L)型行星球磨机上球磨混合，球磨罐为刚玉真空球磨罐，用真空泵对球磨罐抽真空，球磨速率为300转/分，球磨时间为1小时；混合后的悬浮剂粉末用液压机冷压为Φ50×60mm的圆柱块，并在真空炉中加热到400℃保温3h进行除气处理；将圆柱块在立式液压机上挤压成Φ6mm的线材，挤压温度为300℃，液压机滑块行程速度为0.10～0.20m/s，挤压模具采用H13热作模具钢。

ZrB₂/AZ31丝状悬浮剂的横截面和纵截面的微观组织如图3所示。从图中可以看出，ZrB₂悬浮剂颗粒在基体中均匀分布，但有少量的悬浮剂在混合或者挤压的过程中团聚，从纵截面看，非金属颗粒沿挤压方向呈条状分布，并且有非金属颗粒或团聚颗粒的破碎现象。

AZ31变形镁合金的电磁悬浮铸造过程如下：

a、合金熔炼及浇注：用电阻加热炉熔炼AZ31合金；合金浇注前，将悬浮杯预热至300℃；打开液面保护器，在悬浮杯内通入2‰SF₆和CO₂的混合气体；将熔炼好的金属液浇注到悬浮杯内，合金的浇注温度为720℃，浇注到悬浮杯内后，控制金属液的温度为700℃；

b、加入悬浮剂：金属液达到预定温度后，开启电磁搅拌器的电源，使搅拌器开始工作，电源的频率为50Hz，线圈的电流为100A；打开悬浮剂加入器的开关，向金属液内加入制备好的丝状复合悬浮剂，悬浮剂的加入量为镁合金的1～3％；电磁悬浮铸造的时间为1min；

c、凝固成型：金属液与悬浮剂混合后，打开浇口棒，金属液与悬浮剂一起浇注到下部的金属型内，并在电磁搅拌的作用下凝固，获得铸锭。

观察电磁悬浮铸造AZ31镁合金的显微组织，发现随着丝状悬浮剂加入量的增加，合金的晶粒越来越细小，丝状悬浮剂中的ZrB₂质点在晶粒内部和晶界处均有出现。添加ZrB₂/AZ31复合悬浮剂能改善合金的微观组织，细化晶粒。

电磁悬浮铸造AZ31变形镁合金的力学性能测试结果表明，随着丝状悬浮剂添加量的增加抗拉强度增大而延伸率减小。当悬浮剂的加入量为3％时抗拉强度达到最大，相比普通金属型铸造铸锭提高了32％，但延伸率下降了24％。

Claims

1.一种轻合金电磁悬浮铸造装置，包括悬浮剂加入器(2)，隔热保温层(3)，电磁搅拌器(4)，悬浮杯(7)，加热器(8)，金属铸型(10)和电源(11)，其特征在于：悬浮杯外设置加热器和隔热保温层，控制悬浮铸造金属液的温度；隔热保温层外部安装电磁搅拌器，在悬浮杯内施加交变电磁场；悬浮杯下部与金属铸型相连，含悬浮剂的金属液在金属铸型内快速冷却。

2.根据权利要求1所述的一种轻合金电磁悬浮铸造装置，其特征在于：悬浮杯(7)用耐高温、耐氧化的材料制作，悬浮杯不与金属液发生剧烈的化学反应；加热器(8)采用电阻或感应加热，其外部设有隔热保温层(3)。

3.根据权利要求1所述的一种轻合金电磁悬浮铸造装置，其特征在于：悬浮剂加入器(2)包括两种形式：一种用于加入粉末状悬浮剂；另一种用来加入丝状悬浮剂。

4.根据权利要求1所述的一种轻合金电磁悬浮铸造装置，其特征在于：电磁搅拌器(4)内设置电磁线圈，线圈采用一对极、两对极或多对极布置；电源(11)为电磁搅拌器提供频率为0.3～50Hz，电压为0～380V，最大电流为1000A的交流电。

5.使用权利要求1、2、3或4所述轻合金电磁悬浮铸造装置的方法，包括以下步骤：

a、合金熔炼及浇注：用电阻炉或感应炉熔炼轻合金，将金属液以高于液相线温度50～150℃的温度经浇口杯(1)浇入悬浮杯(7)内，控制金属液的温度高于液相线温度50℃；制备化学活性大、易氧化的合金时，液面保护器(12)通入保护气体或加入保护剂；

b、加入悬浮剂：启动电源(11)，使电磁搅拌器(4)内通入交变电流，在悬浮杯(7)内产生交变电磁场，对金属液施加电磁搅拌，电磁搅拌器内的电流频率为0.3～50Hz，最大电流强度为1000A；打开悬浮剂加入器(2)，在金属液中加入悬浮剂，悬浮剂的加入和电磁搅拌的时间为1～10min；

c、凝固成型：金属液与悬浮剂均匀混合后打开浇口棒(5)，使含悬浮剂的金属液浇注到金属铸型中(10)中，并在电磁搅拌的作用下凝固成型。

6.根据权利要求5所述的电磁悬浮铸造方法，其特征在于：悬浮剂包括粉末及丝状两种形式；粉末悬浮剂为基体金属、化学成分相近的合金或含有晶粒细化剂的粉末，粉末的尺寸为1～300μm；丝状悬浮剂是将晶粒细化剂与金属粉末混合、挤压后制成的悬浮剂丝。