CN102513523B - 一种熔点以下完全充型铸造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种能够在工业上应用并能够达到设计效果的熔点以下全截面等轴细晶完全充型铸造方法，该方法在于保持浇注液体持续降温到熔点以下仍能流动，直至浇注液体完全充型并同时结晶，使铸件的每个截面上均匀析出等轴细晶；本发明与锻造或轧制相比，没有导致力学性能各向异性的变形织构和流线，可以解决不可锻造的高强度合金的直接成型以及晶粒细化的问题，其组织与普通铸造产品相比，没有典型的三晶带；本发明可用于各种形状复杂的本质粗晶粒钢难充型异型铸件，使铸造产品可以代替锻造产品，实现了本发明的目的。
Description
技术领域
本发明涉及金属或合金材料铸造领域，特别涉及一种浇注液体在熔点以下仍保持流动的完全充型铸造方法。
背景技术
在铸造工艺因素影响下熔融金属的流动性，即充满铸型的能力称为充型能力。液态合金的流动性越好，其充型能力越强，越易于浇注出形状正确、细长以及壁薄等形状复杂的铸件，流动性差的液态合金因其充型能力差，无法浇注出符合质量要求的形状复杂的铸件。
浇注液体的浇注温度越高并在铸型中保持流动的时间越长，其充型能力越强。但其结晶晶粒越大。
目前，本领域理论研究人员对于浇注液体在过冷状态即熔点以下时其充型能力的研究仅局限于在极其纯净和极其安静的实验室环境中进行，即不对浇注液体施加任何人为介入因素条件下的研究。这种理想状态下研制的过冷液体根本无法在工业上应用。在细晶铸造领域，目前多是以在液体熔点附近，对液体进行搅拌形成粥状固液混合体，进而浇注成细晶。这种方法的充型能力很差，浇注的铸件缺陷太多，达不到设计要求。
发明内容
本发明研制一种能够在工业上应用并能够达到设计效果的在熔点以下完全充型的铸造方法。该方法可用于各种形状复杂的难充型异型铸件，在熔点以下完全充型后再结晶，以形成全截面的细晶组织，用铸造的方法也可生产出锻造产品的质量，实现以铸代锻的设计思想。
本发明的原理是采用对浇注液体施加人为介入因素，抑制降温液体中析出固体使其流动性降低，保持浇注液体在熔点以下即过冷状态下完全充满铸型后再整体同时结晶，以利于细晶的形成。本发明的熔点以下完全充型铸造方法可使用于各种金属或合金材料的铸造。
本发明采用以下技术方案来实现，熔点以下完全充型铸造方法在于，在铸造过程中施加人为因素，使浇注液体持续降温至熔点以下仍保持流动，直至完成浇注液体完全充型以及之后的液体整体同时结晶，使铸件的每个截面上均匀析出细晶；其步骤如下：
在浇注液体的降温阶段，给浇注液体施加持续的低频率磁场，但所施加的持续低频率磁场的功率不足以弥补浇注液体的保温功率，低频率磁场的频率为200-1000HZ，功率为5-20KW，以保持浇注液体在持续降温状态；当浇注液体的温度降至其熔点以下5℃-38℃时，实施带功率浇注，模壳温度保持在500℃-1100℃。
本发明所述的完全充型是指浇注液体在熔点以下还能到达铸型的每个地方或角落，实现完全充型以及整体同时结晶铸造。
本发明完全充型铸造的产品的组织结构为等轴细晶，其晶粒度细小，实现了以铸代锻的生产方法，其生产成本也大大降低。又由于其完全的充型能力，其等轴细晶没有锻造细晶的各向异性结构，因此而优于锻造生产方法。
附图说明
图1为实施例1的铸件产品结构图；
图2为实施例1的铸件产品截面1的晶粒结构图；
图3为实施例1的铸件产品截面2的晶粒结构图；
图4为实施例2的铸件产品结构图；
图5为实施例2的铸件产品截面1的晶粒结构图；
图6为实施例2的铸件产品截面2的晶粒结构图；
图7为实施例2的铸件产品截面3的晶粒结构图；
图8为实施例2的铸件产品截面4的晶粒结构图；
图9为实施例2的铸件产品截面5的晶粒结构图；
图10为实施例2的铸件产品截面1的实物图；
图11为实施例2的铸件产品截面2的实物图；
图12为实施例2的铸件产品截面3的实物图；
图13为实施例2的铸件产品截面4的实物图；
图14为实施例2的铸件产品截面5的实物图；
图15为实施例3的铸件产品结构图；
图16为实施例3的铸件产品截面A的实物图；
图17为实施例3的铸件产品截面B的实物图。
具体实施方式
以下结合附图以及示例性实施例，进一步详细描述本发明的设计思想以及形成机理，以使本发明的技术解决方案更加清楚。
本发明的设计思想在于，在浇注时通过对浇注液体主动施加人为影响因素，抑制浇注液体在降温过程中固体的析出，使液体达到持续降温至熔点以下即产生过冷效果时，仍保持流动而不凝固或不结晶，使其具有形似高温液体的充型能力，并同时以过冷为热力学驱动力，增加液体瞬间发生爆发结晶形核的驱动力；当人为因素取消后，液体在完全充型下迅速整体形核，整体凝固，整体收缩，进而使铸件达到在整个金属或合金固体截面上均匀析出晶粒度细小的等轴晶。浇注液体在降温过程中所施加的抑制因素可以是电流(直流或交流)、交变磁场或者稳恒磁场等因素。
本发明的浇注液体在过冷状态下比普通浇注液体具有更好的充型能力。施加了抑制固体核心析出的人为影响因素的过冷浇注液体中，固体核心的析出会被人为推迟，直至液体充型完成之后。因此，对于普通浇注液体已经不能流动的体积分数的固体量来说，过冷浇注液体仍能流动，当铸型完全被充满时，过冷浇注液体的凝固是整体均匀地析出固体核心而使结晶组织均匀，过冷浇注液体的凝固方式是使浇注液体整体同时结晶或凝固，从而浇注出满足要求的等轴细晶产品。而普通浇注液体如要浇注细晶产品，则需降低浇注温度，温度过低则不能完全充型，而较高温度浇注完全充型的目的可以达到，但是浇注出的细晶产品具有典型的三晶带区的不均匀性，其细度也远远无法与过冷细晶产品相比。
本发明金属或合金的感应熔化和精炼工艺与常规相同。在熔化期和精练期结束之后的降温阶段，给浇注液体施加功率不足以弥补浇注液体散热降温的低频率感应磁场，即给浇注液体施加一个恒定功率，该功率不足以弥补浇注液体的散热，即使浇注液体仍保持持续降温，而该频率磁场使液体在熔点以下保持良好的流动性，液体不会结晶。当浇注液体降温到5℃-38℃的过冷度时，即实施带功率浇注，所带浇注功率为熔化期全功率的10％；将浇注液体注入保持有同样低频率的感应磁场中，浇注温度为熔点以下5℃-38℃，浇注模壳的温度保持在500℃-1100℃，使浇注液体在浇注熔点以下仍保持良好的流动状态，并顺利到达铸型的各个地方或角落，从而实现完全充型铸造，使浇注液体在完全充型状态下同时结晶，形成本发明的全截面等轴细晶铸造产品。而无论铸件是否具有薄、厚、或是细而长等形状复杂的异型铸件，或金属材料的不同，均可使用本发明的方法。通过检验证明，在铸造产品的任何一个截面上都产生了完全均匀细致的等轴细晶，并且其组织与普通铸造产品相比，没有典型的三晶带，即激冷层、柱状晶区、等轴粗晶区。本发明与锻造或轧制相比，没有导致力学性能各向异性的变形织构和流线，而且还可以解决一些不可锻造的高强度合金的直接成型以及晶粒细化的问题，使铸造产品可以代替锻造产品，生产成本得以大幅降低。
实施例1
实施例1采用K4169合金，充型试样尺寸为：60×60×40+60×60×20+60×60×8+60×60×2.5的阶梯形。
图1为上述不同变截面铸件的浇注，以及如图2和图3的金相组织结构。
对金属料进行感应熔化并进行精炼工艺，熔化及精练结束后对浇注液体进行降温，对浇注液体施加一个恒定功率5KW、200HZ低频率电流感应磁场，该功率使浇注液体仍能保持持续的降温；当浇注液体降温到熔点以下15℃左右时，将过冷液体注入保持有同样低频率感应磁场的浇注模壳中，浇注模壳的温度保持在800℃左右，在熔点以下15℃进行浇注。此时，浇注液体仍保持很好的流动性，直到完全充型后解除低频率感应磁场或断电。使浇注液体在完全充型下迅速整体形核，整体凝固，整体收缩，铸件整体均匀析出晶粒度细小的等轴晶，实现了图1不同变截面铸件的完全充型铸造。
通过显微检验显示，图1不同截面铸造产品的每个截面上均产生了完全均匀细致的等轴细晶金相组织。图2为序号1宽厚部分截面的晶粒组织；图3为序号2细薄部分截面的晶粒组织。
实施例2
图4为在工业生产中批量铸造的复杂形状产品中的示例之一，合金材料为K4202合金。该铸件最大外圆为Φ200mm，最小内圆为Φ26mm，最厚壁为14mm，最薄壁为3mm。
首先对合金材料进行感应熔化并进行精炼工艺，熔化及精练结束后对浇注液体进行降温，对浇注液体施加一个恒定功率10KW、300HZ的低频率感应磁场，该功率使浇注液体保持持续的降温而不凝固；当浇注液体降温到液相线以下12℃左右时仍保持流动性，此时，将过冷12℃浇注液体注入保持有同样低频率感应磁场的浇注模具中，浇注模具模壳的温度保持在1000℃左右，在熔点以下12℃进行浇注。浇注液体仍保持很好的流动性，直到完全充型后解除低频率感应磁场。使浇注液体在完全充型下迅速整体形核和凝固，铸件整体均匀析出晶粒度细小的等轴晶，因此，实现了图4不同形状和变截面铸件的完全充型铸造。
通过解剖并进行金相组织检验显示，图4各铸造产品的各个不同截面上都形成完全均匀细致的细晶金相组织，其晶粒度细小于ASTM-3级以上。其中，图5、图6、图7、图8和图9对应图4中的序号1、2、3、4、5的各个截面，图5-图9为图4各不同部位截面的晶粒组织结构图；图10-图14则为图4中截面1-5所对应的截面实物图。
实施例3
实施例3为K4169合金浇注材料，图15为实施例3的工业铸件流动性试验结构图，图16和图17分别为在图15铸件的冒口A处和立式方浇道底部B处所切下的的晶粒实物形貌图。
先对浇注料进行感应熔化并进行精炼工艺，熔化及精练结束后对浇注液体进行降温，对浇注液体施加一个恒定功率为15KW、1000HZ的低频率稳恒磁场，该频率使浇注液体保持持续降温；当浇注液体降温到熔点以下15℃左右时，将过冷浇注液体注入保持有同样低频率感应磁场的浇注模具中，浇注模壳的温度保持在600℃左右，在熔点以下15℃进行浇注。因浇注液体在浇注熔点以下仍具有良好的流动性，因此，能够到达铸型的各个地方或角落，直到完全充型后解除低频率稳恒磁场，此时，浇注液体在完全充型下迅速爆发形核和凝固，使铸件整体均匀析出晶粒度细小的等轴细晶，从而实现了K4169产品的完全充型铸造。
通过对图15铸件进行实物解剖并进行检验充分证明，本实施例的所铸出的铸件的不同截面上均产生了完全均匀细致的等轴细晶金相组织，其晶粒组织图如图16所示的冒口A处的晶粒形貌，以及如图17所示的铸件底部B处的晶粒形貌。仅用肉眼就可看出其精细度，并且同时充满了所有高度的(150mm长×39mm宽×2.8mm厚)试片。
实施例4
实施例4以纯Ni为浇注材料，采用与实施例3基本相同的工艺，模壳温度为1000℃，浇注温度为熔点以下约5℃，最终得到了与实施例3相同的充型效果和基本相同的晶粒组织。
本发明还可在熔点以下10℃、20℃、25℃、30℃或在38℃时，功率在10KW、频率500HZ，15KW、频率，800HZ模壳温度500℃、700℃、900℃时实施带功率浇注；均能使铸件的每个截面上均匀析出晶粒度细小于ASTM-3级以上的等轴细晶。
本发明所使用的设备应能在保持正常溶化能力的同时，具备可稳定保持钢液降温的低功率电流和低频率磁场，以用于熔化浇注和铸型模壳的温度控制。
本发明在熔点以下的全截面细晶完全充型铸造方法，可用于形状复杂的难充型异型铸件以及本质粗晶粒的金属及合金。上述实施例充分说明，本发明铸造方法的超强充型能力可在保持生成等轴细晶的情况下，不会因铸件形状的复杂程度或薄壁、厚度、细长度而影响其结晶均匀性。使铸件达到在整个铸件产品的每个截面上均匀析出晶粒度细小于ASTM-3级以上的等轴晶，其产品质量和工艺性能达到和超过了锻造工艺。
尽管本发明已对其优选实施方案作了说明，但本领域技术人员仍可在此技术方案的启示下采取其它实施方式，例如改变浇注温度，功率和频率、模壳温度等参数来实施本发明，在不脱离本发明设计思想的范围内，可以进行各种变形和修改，这些变化均属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种熔点以下完全充型铸造方法，其特征在于，在铸造过程中施加人为因素，使浇注液体持续降温至熔点以下仍保持流动，直至完成浇注液体完全充型以及之后的液体整体同时结晶，使铸件的每个截面上均匀析出细晶；其步骤如下：
在浇注液体的降温阶段，给浇注液体施加持续的低频率磁场，保持浇注液体在持续降温状态，当浇注液体的温度降至其熔点以下5℃-38℃时，实施带功率浇注。
2.根据权利要求1所述熔点以下完全充型铸造方法，其特征在于所述施加持续低频率磁场的功率为不足以弥补浇注液体保温功率的低功率。
3.根据权利要求1所述熔点以下完全充型铸造方法，其特征在于所述实施带功率浇注时，模壳温度为500℃-1100℃。
4.根据权利要求1所述熔点以下完全充型铸造方法，其特征在于所述带功率浇注是指将浇注液体注入保持有同样低频率的磁场中，所带功率为熔化期总功率的10％。
5.根据权利要求1所述熔点以下完全充型铸造方法，其特征在于所述完全充型是指浇注液体在熔点以下还能到达铸型的每个地方或角落，实现完全充型以及整体同时结晶铸造。
6.根据权利要求1或2或4所述熔点以下完全充型铸造方法，其特征在于所述低频率磁场的频率为200-1000HZ，功率为5-20KW。
7.根据权利要求1所述熔点以下完全充型铸造方法，其特征在于所述细晶为晶粒度细小的等轴细晶。
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