CN102688994A - 铸造装置、铸造方法及镁合金坯料的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种铸造装置、铸造方法及镁合金坯料的制造方法，其降低从熔融金属的液面卷入夹杂物或气氛中的气体等的量。本发明的一方式的铸造装置具备：承载熔融金属(100)的金属承载内筒(102)；配置在所述内筒之下且从所述内筒导入所述熔融金属的铸模(106)；配置在所述铸模的外周的外侧且对导入到所述铸模的熔融金属进行搅拌的电磁感应搅拌机构(108)；使在所述铸模内凝固后的金属向所述铸模的下方的外侧移动的移动机构，所述承载部的内径小于所述铸模的内径。

Description

铸造装置、铸造方法及镁合金坯料的制造方法

技术领域

本发明涉及铸造装置、铸造方法及镁合金坯料的制造方法等。

背景技术

图15是表示现有的铸造装置的纵剖面图。

连续铸造装置1具备：配置有中间罐3的衬台5、铸模7、电磁感应搅拌机(磁场产生部)9、冷却水套11、冷却水台13、承载台15。应予说明，套筒17配置在铸模7的外周。

中间罐3中收纳有镁合金熔融金属，从中间罐3将熔融金属注入铸模7，由铸模7向单方向施加旋转力而进行电磁感应搅拌之后，利用从冷却水套11喷出的冷却水进行冷却，使熔融金属凝固，并通过承载台15拉出，从而连续铸造镁合金(例如参照专利文献1)。

在上述现有的铸造装置中，收纳镁合金熔融金属的中间罐3的直径形成为大于铸模7的直径。因此，当向铸模7内的熔融金属施加单方向的旋转力时，其旋转力易于向中间罐3内的熔融金属传递，中间罐3内的熔融金属也向单方向强烈旋转。并且，收纳于中间罐3的熔融金属的液面强烈旋转，从而夹杂物或气氛中的气体等从其液面卷入易反应的镁合金的熔融金属内的量增多。其结果，存在铸造后的镁合金中夹杂物增加的问题。

【专利文献】

【专利文献1】日本特开2010-162588号公报(段落[0009]及图1)

发明内容

本发明的一方式目的在于降低从熔融金属的液面卷入夹杂物或气氛中的气体等的量。

本发明的一方式涉及的一种铸造装置，其特征在于，具备：承载部，其承载熔融金属；铸模，其配置在所述承载部之下，并从所述承载部导入所述熔融金属；电磁感应搅拌机构，其配置在所述铸模的外周的外侧，并对导入到所述铸模的熔融金属进行搅拌；移动机构，其使在所述铸模内凝固后的金属向所述铸模的下方的外侧移动，所述承载部的内径小于所述铸模的内径。

根据本发明的一方式，由于承载部的内径小于铸模的内径，从而减小熔融金属的液面的表面积，因此当利用电磁感应搅拌机构对导入到铸模的熔融金属进行搅拌时，其搅拌力难以向承载部内的熔融金属传递，能够抑制承载部内的熔融金属如在铸模内那样被强烈搅拌。其结果，承载部内的熔融金属的液面不会被强烈搅拌，能够降低从熔融金属的液面卷入夹杂物或气氛中的气体等的量。

此外，在本发明的一方式中，所述搅拌机构也可以是使所述铸模内的所述熔融金属沿周向旋转的机构。

此外，在本发明的一方式中，优选所述铸造装置还具备在所述承载部内配置的至少一片阻挡板，所述至少一片阻挡板用于阻碍所述承载部内的所述熔融金属的旋转。

此外，在本发明的一方式中，优选所述电磁感应搅拌机构是使所述铸模内的所述熔融金属沿一周向及与其相反的周向交替旋转的机构。由此，能够抑制熔融金属的液面的流速。

本发明的一方式涉及的铸造方法，其特征在于，向承载部导入熔融金属，将所述承载部内的熔融金属导入到在所述承载部之下配置的铸模中，利用电磁感应搅拌机构对导入到所述铸模的熔融金属进行搅拌，将在所述铸模内凝固后的金属向所述铸模的下方的外部拉出，所述承载部的内径小于所述铸模的内径。

此外，在本发明的一方式中，在利用所述电磁感应搅拌机构进行搅拌时，可以使导入到所述铸模内的熔融金属沿周向旋转。

此外，在本发明的一方式中，在使所述熔融金属沿周向旋转时，优选利用配置在所述承载部内的至少一片阻挡板来阻碍所述承载部内的所述熔融金属的旋转。

此外，在本发明的一方式中，在利用所述电磁感应搅拌机构进行搅拌时，优选使导入到所述铸模内的熔融金属沿一周向及与其相反的周向交替旋转。

本发明的一方式涉及的镁合金坯料的制造方法，其特征在于，向承载部导入熔融金属，将所述承载部内的熔融金属导入到在所述承载部之下配置的铸模中，利用电磁感应搅拌机构对导入到所述铸模的熔融金属进行搅拌，将在所述铸模内凝固后的金属向所述铸模的下方拉出，所述承载部的内径小于所述铸模的内径。

通过应用本发明的一方式，能够降低从熔融金属的液面卷入夹杂物或气氛中的气体等的量。

附图说明

图1是示意表示本发明的一方式涉及的铸造装置的结构的剖面图。

图2(A)是示意地表示本发明的一方式涉及的铸造装置的一部分的剖面图，图2(B)是图2(A)所示的2B-2B线的剖面图，图2(C)是示意地表示本发明的一方式涉及的铸造装置的一部分的剖面图，图2(D)是图2(C)所示的2D-2D线的剖面图。

图3是将比较例的镁合金坯料的中央纵向切断后的剖面照片。

图4是将实施例1的镁合金坯料的中央纵向切断后的剖面照片。

图5是将实施例2的镁合金坯料的中央纵向切断后的剖面照片。

图6是比较例的镁合金坯料的宏观组织照片。

图7是实施例1的镁合金坯料的宏观组织照片。

图8是实施例2的镁合金坯料的宏观组织照片。

图9是由图6放大的比较例的宏观组织照片。

图10是由图7放大的实施例1的宏观组织照片。

图11是由图8放大的实施例2的宏观组织照片。

图12是比较例的镁合金坯料的中心部的宏观组织照片。

图13是实施例1的镁合金坯料的中心部的宏观组织照片。

图14是实施例2的镁合金坯料的中心部的宏观组织照片。

图15是表示现有的铸造装置的纵剖面图。

附图符号说明

100…熔融金属

100a…液面

101…熔融金属导入机构

102…金属承载内筒

103…盖

104…加热线圈

106…铸模(模具)

107…一次冷却机构

108…电磁搅拌机构(电磁搅拌线圈)

109…下模

110…凝固金属

112…二次冷却机构

121…第一阻挡板

122…第2阻挡板

123…第3阻挡板

124…第4阻挡板

d…金属承载内筒的内径

D…铸模的内径

具体实施方式

以下，参照附图，对本发明的实施方式详细地进行说明。但本发明并不限于以下说明，在不脱离本发明的思想及其范围内，本领域技术人员容易知晓可以改变其方式及具体构造。因此，本发明并不限定并解释为以下所示的实施方式记载的内容。

(第一实施方式)

图1是示意表示本发明的一方式涉及的铸造装置的结构的剖面图。

该铸造装置包括：导入熔融金属100的机构101、作为从该机构101导入熔融金属100的承载部的金属承载内筒102。导入熔融金属100的机构101与熔解炉(未图示)连接。该机构101用于将由所述熔解炉熔融后的熔融金属100导入金属承载内筒102。该熔融金属100是易氧化金属或含有易氧化元素的金属的熔融金属，例如是含有稀土类元素的镁合金、钛、钛合金、铝、铝合金等熔融金属。

金属承载内筒102具有圆筒形状的部分，其内径例如为140mm。在金属承载内筒102的外侧配置有加热线圈104。加热线圈104是用于将导入到金属承载内筒102内的熔融金属的温度保持为恒定的温度调节机构，在熔融金属低于保持温度的情况下，由加热线圈进行加热，而将熔融金属的温度保持为恒定。

在金属承载内筒102的上方配置有盖103，能够密封金属承载内筒102内的熔融金属100。此外，该铸造装置具有向金属承载内筒102内导入惰性气体的惰性气体导入机构(未图示)，利用该惰性气体导入机构，能够将金属承载内筒102内保持为惰性气体气氛。

在金属承载内筒102之下配置有铸模(模具)106，铸模106与金属承载内筒102直接连结。该连结的部分为密闭构造。铸模106具有圆筒形状的部分，其内径例如为200mm。金属承载内筒102的内径小于铸模106的内径。由此，能够减小熔融金属100的液面100a的表面积，其结果，能够尽量减少在液面100a产生的夹杂物的量。

金属承载内筒102的内径d与铸模106的内径D的关系满足下述式(1)，更优选满足下述式(2)。

0.2≤d/D≤0.9···(1)

0.5≤d/D≤0.8···(2)

在上述式(1)、(2)中设置下限的理由是：若金属承载内筒102的内径d过小，则保持在金属承载内筒102中的熔融金属100的量减少，因此随着熔融金属100不断流入金属承载内筒102，无法保证金属承载内筒102内的熔融金属100的温度的均匀性。

在铸模106上设有一次冷却机构107，通过使水等冷却介质通过铸模106的外侧，该一次冷却机构107对铸模106进行冷却，其结果，该一次冷却机构107成为对导入到铸模106内的熔融金属100进行冷却的机构。

在铸模106的外周的外侧配置有电磁搅拌机构(电磁搅拌线圈)108，该电磁搅拌线圈108覆盖铸模。电磁搅拌机构108是对导入到铸模106的熔融金属100进行搅拌的机构，例如是使铸模106内的熔融金属100沿周向旋转的机构，优选电磁搅拌机构108是使铸模106内熔融金属向一周向和其相反的周向交替旋转的机构。如此，通过交替旋转，能够抑制熔融金属100的液面100a的流速。

应予说明，由电磁搅拌线圈108形成的磁通优选尽量远离熔融金属100的液面100a。由此，能够防止铸造时液面100a晃动。例如，设置用于使电磁搅拌机构108上下移动的移动装置(未图示)，利用该移动装置，使电磁搅拌机构108向铸模106的下方移动，在铸模106的下方形成磁通，或者利用移动装置使电磁搅拌机构108上下移动的同时形成磁通，或者使电磁搅拌机构108上下移动的同时在铸模106的下方较强地形成磁通，由此能够构筑不使液面晃动的液面与磁通的位置关系。此外，在电磁搅拌机构108内使用将能够独立控制的线圈上下配置多个而成的多层式的线圈，并仅利用铸模下方的线圈来产生磁通，或者磁通形成为沿铸模106的上下移动，或者磁通形成为沿铸模106的上下移动且使磁通在铸模106的下方形成得更强，由此能够在铸造时不使液面100a晃动。

该铸造装置具有将在铸模106内凝固后的金属110向铸模106的下方的外侧移动的移动机构。该移动机构包括：配置在铸模106的下方的下模109、使该下模109升降的升降台(未图示)。

下模109的面的形状例如可以使用圆形或多边形等各种形状。下模109构成为将下模109与铸模106连结时的连结部密闭。

上述升降台是使下模109向远离铸模106的方向即下方移动，且使下模109向接近铸模106的方向即上方移动的机构。此外，铸模106还配置有二次冷却机构112，利用该二次冷却机构112将凝固后的金属110冷却。

此外，该铸造装置具有真空排气机构，通过闭合上述金属承载内筒102上方的盖103，并将下模109与铸模106密闭连结，从而由盖103、金属承载内筒102、铸模106及下模109形成内部空间，该真空排气机构利用真空泵(未图示)对上述内部空间进行真空排气，并且该内部空间具有导入惰性气体例如Ar气的惰性气体导入机构(未图示)。惰性气体是与熔融的金属、或者合金中包含的元素不发生反应的气体。例如，对于镁来说，Ar气和氮气的混合气即可。

接下来，参照图1，对本发明的一方式涉及的铸造方法进行说明。在此使用的熔融金属100例如为含有稀土类元素的镁合金。

将盖103闭合，通过升降台使下模109上升，将上述的内部空间形成为密闭状态，并利用上述的真空排气机构对内部空间进行真空排气。由此，除去内部空间的氧或水分(H₂O)。此外，在真空排气时，通过使内部空间的温度上升，能够得到易于提高真空度的效果，并能够有效地实施真空排气。然后，利用惰性气体导入机构向内部空间内导入惰性气体。由此，内部空间置换为惰性气体气氛(例如Ar气体气氛)。该置换后的内部空间的压力优选为大气压或接近大气压的压力。

如此除去氧而形成惰性气体气氛的理由是因为：在镁合金的熔融金属100导入到内部空间时防止由于氧而使镁合金燃烧。具体来说，通过使内部空间形成为密闭系统，不向内部空间供给氧，理论上难以引起燃烧(氧化)。但是，由于真空中镁蒸发，因此通过使惰性气体充满到内部空间，能够防止镁蒸发，也能够抑制氧化。此外，能够抑制稀土类元素等高价金属元素的氧化，其结果，能够得到降低成本的效果。

此外，除去水分的理由是由于：水分与镁激烈反应而使镁合金氧化，产生H₂气，此外，镁合金含有氢，因此若除去水分，则能够防止水分与镁反应。

然后，利用熔融金属导入机构101将由熔解炉熔融后的熔融金属100导入置换为惰性气体气氛的金属承载内筒102内。利用该导入后的熔融金属100填满金属承载内筒102，并向铸模106内导入熔融金属100。从利用一次冷却机构107冷却后的铸模106的内表面侧对该导入的熔融金属100进行冷却，熔融金属100开始凝固。如此，当熔融金属100正在凝固时，利用电磁感应搅拌机构108使熔融金属100沿铸模106的一周向和其相反的周向交替旋转并搅拌。应予说明，在本发明的一方式中，虽然利用电磁感应搅拌机构108使熔融金属沿铸模106的一周向和其相反的周向交替旋转并搅拌，但也可仅沿一个方向的周向旋转，也可采用其他方法进行搅拌。

接下来，利用升降台以规定的速度降低下模109。由此，在下模109上形成镁合金坯料。

如上所述，通过连续地进行利用熔融金属导入机构101导入熔融金属100和使下模109下降，能够制造规定长度的镁合金坯料。应予说明，制造镁合金坯料期间(铸造中)，优选持续向内部空间供给惰性气体。由此，能够尽量减少液面100a中产生的夹杂物的量。

根据本发明的一方式，一边搅拌铸模106内的熔融金属100，一边使熔融金属100凝固，由此能够切断凝固的金属的晶粒成长同时促进凝固。由此，能够使凝固后的金属的组织微细化。

此外，在本发明的一方式涉及的铸造装置中，使金属承载内筒102的内径小于铸模106的内径，能够较小地形成液面100a的表面积，因此，即使搅拌铸模106内的熔融金属100，也难以使该搅拌力传递到金属承载内筒102内的熔融金属100。其结果，能够抑制金属承载内筒102的熔融金属100被强烈搅拌，并能够抑制金属承载内筒102内的熔融金属100的液面100a强烈搅拌或旋转。因此，能够减少夹杂物或气氛中的气体等从其液面100a卷入易反应的金属的熔融金属100内的量，从而能够降低铸造后的镁合金坯料中包含的夹杂物。

此外，在熔融金属100正在凝固时，利用电磁感应搅拌机构108将熔融金属100沿铸模106的一周向和其相反的周向交替旋转，从而能够抑制液面100a的流速。其结果，能够不使液面100a晃动。

然而，近年来，提高了降低环境负载气体排出量的要求，以机动车或飞机为代表的运输装备要求进一步提高能源效率。其中，实用金属中最轻的镁受到非常高的关注，但还未推广普及。其原因之一就是塑性加工性与其他实用金属相比显著变差，难以应用于产品。在本发明的一方式中，通过制造具有微细且均匀的铸造组织的铸造材料，能够使之前实现困难的锻造成形等变为可能，可以扩展对生产部件的应用范围。

此外，在本发明的一方式中，通过在镁合金的铸造时施加外部磁场，对熔融金属100进行搅拌，抑制凝固时的晶粒成长。由此能够使铸造材料的晶粒微细化，并且能够得到均匀的组织。进而，通过在某一时间内使所施加的磁场的方向重复反转，熔融金属100的搅拌方向不仅是现有的一个方向，而可以在双方向上搅拌。由此，能够获得坯料中心部铸造缺陷少的良好的铸造材料。通过使铸造坯料的晶粒微细化，能够提高挤压或锻造等塑性加工性。此外，在由长周期层状结构相而强化的镁合金中，通过使铸造组织微细化，提高固溶化处理的效率，有利于降低成本。

此外，通过作为本发明的一方式的在铸造中仅向单方向进行搅拌，而实施晶粒的微细化的情况下，由于最易产生铸造缺陷的坯料中心部与由搅拌形成的涡旋中心一致而强烈搅拌的情况下，有时坯料的中心部产生缺陷，难以获得正常的坯料。为此，不能强烈搅拌而需要同时使用微细化材料等对策，成为成本提高的主要原因之一。

与此相反，在本发明的一方式中，搅拌方向不仅为单方向，还是相互方向，由此对由搅拌产生的涡旋中心施加逆旋转，促进熔融金属100向涡旋中心流入，从而能够抑制铸造缺陷。由此能够获得正常的坯料，并且由于能够施加更强磁场，因此不需使用Zr等微细化材料，能够获得具备微细的铸造组织的铸造坯料。

(第二实施方式)

图2(A)是示意地表示本发明的一方式涉及的铸造装置的一部分的剖面图，图2(B)是图2(A)所示的2B-2B线的剖面图，对于与图1相同的部分标注同一符号，仅对不同的部分进行说明。

在金属承载内筒102中，配置有位于液面100a附近的第一阻挡板121。第一阻挡板121用于使铸模106内的熔融金属100的周向旋转力难以向液面100a传递，第一阻挡板121的板面相对于熔融金属的旋转方向垂直地配置。

在本实施方式中也可获得与第一实施方式同样的效果。

进而，由于第一阻挡板121配置于金属承载内筒102，因此在金属承载内筒102内即使熔融金属100产生旋转力，也能够利用第一阻挡板121来削弱该旋转力。由此，能够更可靠地抑制熔融金属100的液面100a强烈搅拌或旋转。

(第三实施方式)

图2(C)是示意表示本发明的一方式涉及的铸造装置的一部分的剖面图，图2(D)是图2(C)所示的2D-2D线的剖面图，对于与图1相同的部分标注同一符号，仅对不同的部分进行说明。

在金属承载内筒102配置有位于液面100a附近的第一～第四阻挡板121～124。第一～第四阻挡板121～124用于使铸模106内的熔融金属100的周向的旋转力难以向液面100a传递，第一～第四阻挡板121各自的板面相对于熔融金属的旋转方向垂直地配置。

在本实施方式中也可获得与第一实施方式同样的效果。

进而，由于第一～第四阻挡板121～124分别配置于金属承载内筒102，因此在金属承载内筒102内即使熔融金属100产生旋转力，也能够利用第一～第四阻挡板121～124来削弱该旋转力。由此，能够更可靠地抑制熔融金属100的液面100a强烈搅拌或旋转。

应予说明，在本实施方式中，4片阻挡板配置于金属承载内筒102，但也可将2片、3片或5片以上的阻挡板配置于金属承载内筒102。

【实施例】

使用图1所示的铸造装置，利用以下的铸造方法来分别制作实施例1、2及比较例的镁合金坯料。

(比较例)

比较例的镁合金坯料的制造方法如下。

作为熔融金属使用将纯Zn及纯Y熔解于熔融了的纯Mg中并通过充分搅拌而得到的Mg96Zn2Y2(at％)合金的熔融金属。在铸模106内的熔融金属的水冷凝固时不进行搅拌。

(实施例1)

实施例1的镁合金坯料的制造方法如下。

作为熔融金属使用与比较例相同的材料。在铸模106内的熔融金属的水冷凝固时仅单方向进行电磁搅拌。电磁搅拌机构108的磁石使用2极旋转磁场型，其输出为10Hz、0～100A，此时的中心磁通密度为0～550高斯左右。

(实施例2)

实施例2的镁合金坯料的制造方法如下。

作为熔融金属使用与比较例相同的材料。在铸模106内的熔融金属的水冷凝固时进行双方向(一方向和其相反方向交替)的电磁搅拌。电磁搅拌机构108的磁石使用与实施例1同样的磁石，其输出实施例1同样，此时的中心磁通密度与实施例1同样。

图3是将比较例的镁合金坯料的中央纵向切断后的剖面照片，图4是将实施例1的镁合金坯料的中央纵向切断后的剖面照片，图5是将实施例2的镁合金坯料的中央纵向切断后的剖面照片。

如图3～图5所示，在重复反转所施加的磁场的方向的实施例2的坯料中，与熔融金属的搅拌方向仅为单方向的实施例1相比，能够获得坯料中心部的铸造缺陷少的良好的铸造材料。

图6是比较例的镁合金坯料的宏观组织照片，图7是实施例1的镁合金坯料的宏观组织照片，图8是实施例2的镁合金坯料的宏观组织照片。图9是由图6放大的比较例的宏观组织照片，图10是由图7放大的实施例1的宏观组织照片，图11是由图8放大的实施例2的宏观组织照片。图12是比较例的镁合金坯料的中心部的宏观组织照片，图13是实施例1的镁合金坯料的中心部的宏观组织照片，图14是实施例2的镁合金坯料的中心部的宏观组织照片。

根据图6～图14，在搅拌的方向不是仅仅单方向而是相互方向的实施例2中，对由搅拌产生的涡旋中心施加逆旋转，促进熔融金属向涡旋中心的流入，从而能够抑制铸造缺陷。

Claims (10)

1.一种铸造装置，其特征在于，具备：

承载部，其承载熔融金属；

铸模，其配置在所述承载部之下，并从所述承载部导入所述熔融金属；

搅拌机构，其配置在所述铸模的外周的外侧，并对导入到所述铸模的熔融金属进行搅拌；

移动机构，其使在所述铸模内凝固后的金属向所述铸模的下方的外侧移动，

所述承载部的内径小于所述铸模的内径。

2.根据权利要求1所述的铸造装置，其特征在于，

所述搅拌机构是使所述铸模内的所述熔融金属沿周向旋转的机构。

3.根据权利要求2所述的铸造装置，其特征在于，

所述铸造装置还具备在所述承载部内配置的至少一片阻挡板，

所述至少一片阻挡板用于阻碍所述承载部内的所述熔融金属的旋转。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的铸造装置，其特征在于，

所述搅拌机构是使所述铸模内的所述熔融金属沿一周向及与其相反的周向交替旋转的机构。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的铸造装置，其特征在于，

所述熔融金属是含有稀土类元素的镁合金。

6.一种铸造方法，其特征在于，

向承载部导入熔融金属，

将所述承载部内的熔融金属导入到在所述承载部之下配置的铸模中，

对导入到所述铸模的熔融金属进行搅拌的同时使熔融金属凝固，

将在所述铸模内凝固后的金属向所述铸模的下方的外部拉出，

所述承载部的内径小于所述铸模的内径。

7.根据权利要求6所述的铸造方法，其特征在于，

在搅拌所述熔融金属时，通过使导入到所述铸模的熔融金属沿周向旋转，从而进行搅拌。

8.根据权利要求7所述的铸造方法，其特征在于，

当使所述熔融金属沿周向旋转时，利用配置在所述承载部内的至少一片阻挡板来阻碍所述承载部内的所述熔融金属的旋转。

9.根据权利要求6～8中任一项所述的铸造方法，其特征在于，

当搅拌所述熔融金属时，使导入到所述铸模的熔融金属沿一周向及与其相反的周向交替旋转，从而进行搅拌。

10.一种镁合金坯料的制造方法，其特征在于，

向承载部导入熔融金属，

将所述承载部内的熔融金属导入到在所述承载部之下配置的铸模中，

对导入到所述铸模的熔融金属进行搅拌的同时使熔融金属凝固，

将在所述铸模内凝固后的金属向所述铸模的下方拉出，

所述承载部的内径小于所述铸模的内径。

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