CN102873291B - 一种电磁流振镁合金半固态半连续铸造装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁流振镁合金半固态半连续铸造装置及方法，其中，包括中间包、倾斜板、电磁激振器、固定台、弹簧、支板、振动控制柜及半连续铸造装置，所述固定台与支板间设有电磁激振器，电磁激振器与振动控制柜连接，支板与倾斜板间设有弹簧；所述半连续铸造装置包括括DC铸造机和结晶器；DC铸造机为立式直接水冷半连续铸造机。本发明成本低，工艺流程短，更容易实现工业化生产。

Description

一种电磁流振镁合金半固态半连续铸造装置及方法

技术领域

本发明属于镁合金半固态加工技术领域，特别是涉及一种电磁流振镁合金半固态半连续铸造装置及方法。

技术背景

金属半固态加工是在金属从固态向液态或从液态向固态两相转变过程中，对其施加强烈搅拌等措施，使其具有良好的流变特性而进行的金属加工方法。该技术的主要核心是使固－液混合浆料或坯料获得非枝晶组织，固相必须球化和细化，合金组织一般包含有10-100μm的球形晶、近球形晶或者等轴晶，半固态材料制备过程中需要将合金树枝晶转化为球形晶或者近球形晶，具有这种组织的合金表现出较好的流动性和成形性能。

与传统的液态成形和固态成形相比，由于半固态浆料由一定比例的固相、液相混合组成，且其中的固相为非枝晶态，因此，金属半固态成形技术具有一系列的优点：

(1)半固态浆料具有剪切变稀和静置增稠的特性，即未成形前，在重力作用下，半固态金属浆料或坯料的粘度很高，可以方便地进行机械搬运，便于自动化操作；在高速剪切作用下，半固态金属坯料的粘度又可迅速降低，便于成形；

(2)铸件组织微细且均匀，大大减轻了铸件内部气孔、疏松等缺陷。在充型过程中，半固态浆料多以层流形式平稳地流入膜腔内，不易产生湍流和喷溅，这有利于减轻合金的氧化和裹气，提高了铸件的致密性，其力学性能通常高于液态金属的压铸件；

(3)由于在零件成形时已形成了一些均匀分布的固相，半固态成形零件的宏观偏析倾向大大减小，零件性能更均一；

(4)半固态浆料的凝固收缩小，铸件的尺寸精度高，可以进行零件的近终成形，大幅度减少了零件毛坯的机械加工量，简化了生产工艺、降低生产成本；

(5)凝固速度加快，使得生产周期缩短、生产效率提高；

(6)半固态金属的粘度较高，可以方便地加入增强材料（颗粒或纤维）而制备复合材料，同时还可改善制备复合材料时非金属材料的漂浮、偏析以及与金属基体不润湿等技术难题，从而为复合材料的廉价生产开辟了一个新途径。

镁合金被誉为21世纪的绿色工程材料。镁合金具有密度小，比强度、比刚度高，阻尼减震性、切削加工性、导热性好，电磁屏蔽能力强，铸造性能和尺寸稳定性好等点，而且具有高应变速率和低温超塑性的潜力，被广泛应用于航空、航天、汽车、计算机、通讯和家电等行业。但是镁合金属于HCP晶格结构，在常温下，多晶密排六方结构的镁合金塑性变形过程中，只有三个几何滑移系和两个独立滑移系，因此镁的塑性较差，加工成本高，大大限制了它的应用。

半固态加工技术具有成形性能好、产品质量优的特点，可以有效解决镁合金塑性差、产品加工成本高的问题，而制备镁合金半固态铸锭是镁合金半固态加工技术中需要解决的首要关键问题。

发明内容

本发明涉及一种电磁流振镁合金半固态半连续铸造装置及方法，将电磁流振制备镁合金半固态浆料的方法与半连续铸造相结合并进行改进，实现了镁合金的半固态半连续铸造。

本发明采用以下技术方案：

一种电磁流振镁合金半固态半连续铸造装置，其中，包括中间包、倾斜板、电磁激振器、固定台、弹簧、支板、振动控制柜及半连续铸造装置，所述固定台与支板间设有电磁激振器，电磁激振器与振动控制柜连接，支板与倾斜板间设有弹簧；所述半连续铸造装置包括括DC铸造机和结晶器。DC铸造机为立式直接水冷半连续铸造机。

作为优选，所述倾斜板为表面平整的直板，倾斜板长度为200-400mm，倾斜角为20-30°。

作为优选，所述结晶器材质为硬铝，内嵌石墨环，石墨环的内径为100mm，外径为120mm，高度为30mm。

作为优选，所述倾斜板材质为碳素工具钢，表面覆盖BN61涂料，喷洒涂料前先将倾斜板加热到200-300℃，然后把涂料均匀喷涂到倾斜板表面。

作为优选，所述电磁激振器振幅为0.5-1.45mm。

一种电磁流振镁合金半固态半连续铸造装置制备AZ91镁合金半固态铸锭的方法，包括如下步骤：

第一步，将工业AZ91镁合金原料在熔化炉中熔化；

第二步：将熔化的液态合金温度调整到700℃并保温，然后加入熔体质量分数0.5%的六氯乙烷进行除气、精炼，最后除渣，然后在700℃保温；

第三步：将液态合金加入中间包，待合金液温度达到680℃时浇注到倾斜板上方入口处，倾斜板长度为200-400mm，倾斜角为20-30°，振幅为0.5-1.45mm，合金液流过倾斜板后形成半固态浆料；

第四步：将半固态浆料注入到半连续铸造装置的浇注口进行半连续铸造，铸造速度为100mm/min，得到AZ91镁合金半固态铸锭，半固态铸锭在550℃保温30min后获得球形固相和液相组成的半固态金属组织。

作为优选，所述倾斜板的倾斜角为25°，振幅为1.45mm。

本发明的有益效果为：

（1）采用电磁振动的倾斜板，改变了原来采用电机驱动带动凸轮进行振动的方法，而采用电磁激振器对倾斜板进行振动。

（2）采用表面覆盖BN61涂料的平直倾斜板，并调整倾斜板的倾角和长度，倾斜板的倾角为20-30°，长度调整为200-400mm。

（3）将电磁振动的倾斜板与半连续铸造机相结合。

（4）成本低，工艺流程短，更容易实现工业化生产。

附图说明

图1是倾斜板振动半连续铸造示意图；

图2是半连续铸造装置示意图；

图3是自制熔炼电阻炉示意图；

图4是不同长度倾斜板制备的AZ91合金半固态铸锭心部组织：(a)铸造温度680℃，倾斜板角度25°，铸造速度100mm/min，振幅1.45mm，熔体浇注位置距离倾斜板底端400mm；(b)铸造温度680℃，倾斜板角度25°，铸造速度100mm/min，振幅1.45mm，熔体浇注位置距离倾斜板底端200mm；

图5是倾斜板不同振幅制备的AZ91合金半固态铸锭中心组织：(a)铸造温度680℃，倾斜板角度25°，铸造速度100mm/min，振幅0mm；(b)铸造温度680℃，倾斜板角度25°，铸造速度100mm/min，振幅1.45mm；

图6是最优工艺条件制备的AZ91合金半固态铸锭及其二次加热组织（浇注温度680℃、倾斜板角度25°、振幅1.45mm、铸造速度100mm/min、熔体浇注位置距离倾斜板底端300mm）：(a)铸锭；(b)铸锭在550℃保温30min二次加热组织；

上述图中：1中间包，2合金熔体，3倾斜板，4电磁激振器，5固定台，6振动控制柜，7支板，8半连续铸造装置，9半连续铸造半固态铸锭，10弹簧，11结晶器，12冷却水，13石墨环，14铸锭，15密封炉盖，16热电偶，17保温炉壁，18加热电阻，19熔体出口。

具体实施方式

如图1、图2所示，本装置包括中间包1、倾斜板3、电磁激振器4、固定台5、弹簧10、支板7、振动控制柜6及半连续铸造装置8，固定台5与支板7间设有电磁激振器4，电磁激振器4与振动控制柜6连接，支板7与倾斜板3间设有弹簧10。倾斜板3为表面平整的直板，倾斜板3长度为200-400mm，倾斜角为20-30°。倾斜板3材质为碳素工具钢，表面覆盖BN61涂料，喷洒涂料前先将倾斜板3加热到200-300℃，然后把涂料均匀喷涂到倾斜板3表面。电磁激振器4其振幅均可在一定范围内调节，实施例中使用振幅为0.5-1.45mm。

如图2所示，半连续铸造装置8包括括DC铸造机和结晶器11。DC铸造机为立式直接水冷半连续铸造机。结晶器11材质为硬铝，内嵌石墨环13，石墨环13的内径为100mm，外径为120mm，高度为30mm。流出倾斜板3的浆料经冷动水12降温，在半连续铸造装置8内铸成半固态半连续铸锭14。

如图3所示，熔炼电阻炉包括密封炉盖15、热电偶16、保温炉壁17、加热电阻18和熔体出口19，加热电阻18设在保温炉壁17上，热电偶16伸入熔炼电阻炉内。

本发明的铸造过程为：配置好成分的合金在图3所示的自制电阻炉中进行熔炼并进行除渣除气处理，获得纯净的合金熔体，将其输送到中间包，通过控温柜控制中间包内熔体的温度，在预定的温度下保温一段时间后，在适当的温度条件下提升浇注阀进行浇注，合金熔体沿着平直的倾斜板流动，同时打开电磁激振器对倾斜板施加振动。合金在斜板表面流动过程中，在流动与振动的共同作用下，逐渐形成组织优良的半固态合金浆料，流出倾斜板的浆料再通过半连续铸造装置收集铸成半固态半连续铸锭。

图4中图a所示铸锭组织晶粒等积圆直径和圆度为26.57μm和2.46，图b所示则为29.77μm和2.96。其他参数相同条件下，经过400mm振动的铸锭组织比经过200mm振动的组织晶粒更加细小、圆整。图5中图a铸锭组织晶粒等积圆直径和圆度为32.87μm和3.86，图b所示则为25.34μm和2.34。可以看出，铸锭经过振幅为1.45mm的振动，铸锭组织的晶粒明显比振幅为0（不振动）的组织晶粒细小得多，更多等轴晶和近球形晶。图6中图a为最优工艺条件下得到的半固态铸锭，其表面质量及内部质量都要明显优于其他条件下的铸锭。最优工艺条件下的铸锭经过550℃、30min的二次加热处理后得到均匀细小的等轴晶，其晶粒等积圆直径和圆度为50.16μm和2.15

实施例1：

采用本发明装置和方法制备AZ91镁合金半固态铸锭步骤如下：

第一步，将工业AZ91镁合金原料在熔化炉中熔化；

第二步：将熔化的液态合金温度调整到700℃，并保温5min，然后加入熔体质量分数0.5%的六氯乙烷进行除气、精炼，最后除渣，然后在700℃保温；

第三步：在700℃把处理好的液态合金转移到中间包，待合金液温度达到680℃时浇注到振动倾斜板上方入口处，倾斜板长度为200-400mm，倾斜板的角度为25°，振幅为1.45mm，合金液流过振动倾斜板后形成半固态浆料；

第四步：将半固态浆料注入到半连续铸造机的浇注口进行半连续铸造，铸造速度为100mm/min，得到AZ91镁合金半固态铸锭，半固态铸锭550℃保温30min后可获得优良的球形固相和液相组成的半固态金属组织。

实施例2：

采用本发明装置和方法制备AZ91镁合金半固态铸锭步骤如下：

第一步，将工业AZ91镁合金原料在熔化炉中熔化；

第二步：将熔化的液态合金温度调整到700℃，并保温5min，然后加入熔体质量分数0.5%的六氯乙烷进行除气、精炼，最后除渣，然后在700℃保温；

第三步：在700℃把处理好的液态合金转移到中间包，待合金液温度达到680℃时浇注到振动倾斜板上方入口处，倾斜板长度为200-400mm，倾斜板的角度为20°，振幅为0.5mm，合金液流过振动倾斜板后形成半固态浆料；

第四步：将半固态浆料注入到半连续铸造机的浇注口进行半连续铸造，铸造速度为100mm/min，得到AZ91镁合金半固态铸锭，半固态铸锭550℃保温30min后可获得优良的球形固相和液相组成的半固态金属组织。

实施例3：

采用本发明装置和方法制备AZ91镁合金半固态铸锭步骤如下：

第一步，将工业AZ91镁合金原料在熔化炉中熔化；

第二步：将熔化的液态合金温度调整到700℃，并保温5min，然后加入熔体质量分数0.5%的六氯乙烷进行除气、精炼，最后除渣，然后在700℃保温；

第三步：在700℃把处理好的液态合金转移到中间包，待合金液温度达到680℃时浇注到振动倾斜板上方入口处，倾斜板长度为200-400mm，倾斜板的角度为30°，振幅为1mm，合金液流过振动倾斜板后形成半固态浆料；

第四步：将半固态浆料注入到半连续铸造机的浇注口进行半连续铸造，铸造速度为100mm/min，得到AZ91镁合金半固态铸锭，半固态铸锭550℃保温30min后可获得优良的球形固相和液相组成的半固态金属组织。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种电磁流振镁合金半固态半连续铸造装置，其特征在于：包括中间包、倾斜板、电磁激振器、固定台、弹簧、支板、振动控制柜及半连续铸造装置，所述固定台与支板间设有电磁激振器，电磁激振器与振动控制柜连接，支板与倾斜板间设有弹簧；所述半连续铸造装置包括DC铸造机和结晶器。

2.按照权利要求1所述的一种电磁流振镁合金半固态半连续铸造装置，其特征在于：所述的倾斜板为表面平整的直板，倾斜板长度为200-400mm，倾斜角为20-30°。

3.按照权利要求1或2所述的一种电磁流振镁合金半固态半连续铸造装置，其特征在于：所述结晶器材质为硬铝，内嵌石墨环，石墨环的内径为100mm，外径为120mm，高度为30mm。

4.按照权利要求2所述的一种电磁流振镁合金半固态半连续铸造装置，其特征在于：所述倾斜板材质为碳素工具钢，表面覆盖BN61涂料，喷洒涂料前先将倾斜板加热到200-300℃，然后把涂料均匀喷涂到倾斜板表面。

5.按照权利要求1所述的一种电磁流振镁合金半固态半连续铸造装置，其特征在于：所述电磁激振器振幅为0.5-1.45mm。

6.按照权利要求1所述的一种电磁流振镁合金半固态半连续铸造装置制备AZ91镁合金半固态铸锭的方法，其特征在于：包括如下步骤：

第一步，将工业AZ91镁合金原料在熔化炉中熔化；

第二步：将熔化的液态合金温度调整到700℃并保温，然后加入熔体质量分数0.5%的六氯乙烷进行除气、精炼，最后除渣，然后在700℃保温；

第三步：将液态合金加入中间包，待合金液温度达到680℃时浇注到倾斜板上方入口处，倾斜板长度为200-400mm，倾斜角为20-30°，振幅为0.5-1.45mm，合金液流过倾斜板后形成半固态浆料；

第四步：将半固态浆料注入到半连续铸造装置的浇注口进行半连续铸造，铸造速度为100mm/min，得到AZ91镁合金半固态铸锭，半固态铸锭在550℃保温30min后获得球形固相和液相组成的半固态金属组织。

7.按照权利要求6所述的一种电磁流振镁合金半固态半连续铸造装置制备AZ91镁合金半固态铸锭的方法，其特征在于：所述倾斜板的倾斜角为25°，振幅为1.45mm。

8.按照权利要求7所述的一种电磁流振镁合金半固态半连续铸造装置制备AZ91镁合金半固态铸锭的方法，其特征在于：所述铸造速度为100mm/min。