CN105478706A - 离心浇铸制备大尺寸凝固亚稳薄板的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离心浇铸制备大尺寸凝固亚稳薄板的方法和装置，利用离心力提高熔体的充型和补缩能力，可制备最大厚度在0.5~8mm、尺寸不低于60mm×100mm的大尺寸高致密度的凝固亚稳薄板。本发明凝固亚稳薄板离心浇铸方法将铸料置于由熔炼炉和底部挡板构成的加热空间内；然后驱动转动盘转动，待转速稳定后对铸料进行加热熔融。铸料加热至熔融状态后抽动挡板，使金属液在重力作用下通过导流部件导流后进入模具内，再通过离心作用，使铸件在高速旋转的模具中成型，拆取模具后即可得到薄板铸件。本发明装置构架组成简单，拆卸组装灵活度高，易于操作，能够有效提高设备的充型能力，获得内部结构致密度、形状完整良好的离心浇铸薄板。

Description

离心浇铸制备大尺寸凝固亚稳薄板的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种凝固薄板制备方法，特别是涉及一种离心浇铸制备薄板的方法，应用于高性能金属材料铸造技术领域。

背景技术

一般而言，在快速及亚快速凝固条件下，较快的冷却速度使得铸件组织细化、偏析减少，可以生成亚稳相，而亚稳相具有稳定相所没有的微观组织和性能，已经成为研制高性能工程材料的研究热点。而目前制备亚稳薄板形铸件的真空铸造装置大多是真空吸铸或者喷铸，借助电弧熔炼或者电磁线圈感应加热，快速地将金属锭熔融，再搭配静态重力浇铸以及压差为之。然而传统的浇铸方法因压差或充型能力较小，使得铸件充型不够完整，或者在充型过程中会卷入气泡，产生缩松、缩孔等铸造缺陷，并且使得铸件表面形貌以及内部致密度不够理想，从而影响铸件的性能。再者，使用传统方法制备的快速及亚快速凝固条件下的薄板时，由于熔炼部件无法熔炼足量的铸料、重力及压差作用下的充型力较小、铜模型腔尺寸较小等原因，因此无法制备较大尺寸的薄板铸件。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种离心浇铸制备大尺寸凝固亚稳薄板的方法和装置，获得外部尺寸完整、内部结构致密度的大尺寸凝固亚稳薄板形铸件。本发明方法直接用来制备大尺寸高性能工程材料、高熵合金以及大尺寸非晶材料薄板，本发明方法制备的亚快速亚稳工程材料其组织和力学性能具有重复性好的优点。

为达到上述发明创造目的，采用下述技术方案：

一种离心浇铸制备大尺寸凝固亚稳薄板的方法，在真空环境下或在保护气氛压力不高于0.07MPa的惰性气体环境下，采用离心浇铸方法，将熔融合金经导流后进入高速旋转的模具，利用离心作用力，获得金属熔体凝固的充型力和补缩能力，从而制备出厚度为0.5~8mm且长度尺寸不低于100mm的薄板形铸件。

作为本发明优选的技术方案，金属熔体熔融制备过程在惰性保护气体气氛中完成。

作为本发明上述方案中进一步优选的技术方案，金属熔体熔融制备过程在氩气保护气体气氛中完成。

作为本发明上述方案中进一步优选的技术方案，用来制备高性能工程材料或亚稳工程材料，或用来制备高熵合金薄板或非晶合金材料薄板。

本发明还提供一种大尺寸凝固亚稳薄板的熔铸装置，主要由在密封舱的内部腔室中设置熔炼装置和离心铸造装置组成，在密封舱内处于真空状态或气氛压力不高于0.07MPa的惰性气体环境状态，离心铸造装置由水口挡板、石墨漏斗、导流装置、型腔模具和转动盘构成，型腔模具内腔的最低高度为0.5~8mm，型腔模具内腔的水平长度尺寸不低于100mm，设置竖直旋转轴穿过密封舱的底部，在密封舱外部通过电机驱动竖直旋转轴进行转动，竖直旋转轴的顶端一体连接水平设置的转动盘，将型腔模具固定安装在转动盘上，使型腔模具与竖直旋转轴同步转动，熔炼装置采用竖直设置且炉腔底部开口的熔炼炉，石墨漏斗设置在熔炼炉的炉腔底部开口下方，石墨漏斗的底部开口设置于与导流装置的液流通道的内腔中，导流装置的液流通道下部与型腔模具的内腔顶部开口连通，使石墨漏斗内管腔、导流装置的液流通道和型腔模具的内腔形成金属熔体的输送管道和凝固工作腔，当熔炼炉对金属原料进行熔炼时，使水口挡板对熔炼炉的炉腔底部开口进行封闭，使熔炼炉的内壁和水口挡板组合形成装载金属熔体的坩埚，当熔炼炉内的金属原料完全熔融并且形成的金属熔体的流动性达到浇铸要求时，将水口挡板打开，使熔炼炉的炉腔底部开口开启，在重力作用下使金属熔体从熔炼炉底部流出，依次通过石墨漏斗和导流装置，流入型腔模具中，型腔模具高速旋转对流入型腔模具的金属熔体产生离心作用力，使金属熔体获得金属熔体凝固的充型力和补缩能力，实现金属薄板的离心浇铸，当型腔模具中金属熔体完成凝固过程后，缓速停止转动盘转动，然后将型腔模具打开，即得到离心浇铸的内部致密度高、缺陷少、大尺寸的凝固亚稳薄板。本发明利用其薄板亚快速凝固的特点可以直接用来制备大尺寸高性能工程材料、高熵合金以及大尺寸非晶材料薄板，该方法制备的亚快速亚稳工程材料其组织和力学性能具有重复性好的优点。

作为本发明上述方案中进一步优选的技术方案，通过控制电机的输出功率、电机主轴转速和电机主轴转动方向中的任意几项参数来控制型腔模具高速旋转时产生的离心作用力，进而调控金属熔体获得金属熔体凝固的充型力和补缩能力。

作为本发明上述方案中进一步优选的技术方案，水口挡板为抽拉式挡板。

作为本发明上述方案中进一步优选的技术方案，型腔模具采用紫铜模具。

本发明离心浇铸时将金属液浇铸到旋转的模具中，在离心的作用下成型，凝固而获得铸件。本发明将熔融金属液通过导流后进入模具，根据离心力计算公式F_离=mw₂r，如果使用900r/min，则模具中离心力可以实现约1200倍重力，获得远大于常规方法的充型力和补缩能力，因铜模旋转而产生的离心力能够使铸件的充型过程更加理想，有利于提高铸件在充型过程中的补缩能力，并且能够充入更多质量的铸料，获得质量、致密度都极高的大尺寸铸件。利用本发明方法制备的薄板样品具有亚快速凝固的特征，可以在实验室条件下模拟工业生产中双棍薄带连铸工艺，并对双辊薄带组织及性能进行研究。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.本发明将水冷电磁线圈感应加热与离心浇铸技术结合起来，实现了铸件的真空低压铸造成型，并且为亚快速凝固技术获得高质量的铸件提供了一种新的可行的铸造工艺手段，实现了亚快速凝固条件下大尺寸薄板形铸件的制备；

2.本发明采用离心铸造方法，可以显著提高铸料在模具型腔中的充型能力，有利于提高铸件表面质量，并且能够抑制缩松缩孔等铸造缺陷的产生，获得与喷铸或吸铸相比，尺寸更大、性能更好，结构更加致密的大尺寸薄板铸件。

附图说明

图1是本发明实施例一大尺寸凝固亚稳薄板的熔铸装置的结构原理示意图。

图2是本发明实施例一制备的FeMnAlC大尺寸亚稳薄板尺寸和表面状态图。

图3是本发明实施例一制备的FeMnAlC系合金的大尺寸亚稳薄板的力学性能数据图。

具体实施方式

本发明的优选实施例详述如下：

实施例一：

在本实施例中，参见图1～3，一种大尺寸凝固亚稳薄板的熔铸装置，主要由在密封舱4的内部腔室5中设置熔炼装置和离心铸造装置组成，在密封舱4内处于压力为0.07MPa的惰性气体保护气氛状态，离心铸造装置由水口挡板1、石墨漏斗6、导流装置7、型腔模具8和转动盘9构成，型腔模具8采用紫铜模具，水口挡板1为抽拉式挡板，型腔模具8内腔的最低高度为2.5mm，型腔模具8内腔为水平长度尺寸为60mm×100mm的矩形板状空腔，设置竖直旋转轴10穿过密封舱4的底部，在密封舱4外部通过电机驱动竖直旋转轴10进行转动，竖直旋转轴10的顶端一体连接水平设置的转动盘9，将型腔模具8固定安装在转动盘9上，使型腔模具8与竖直旋转轴10同步转动，熔炼装置采用竖直设置且炉腔底部开口的熔炼炉2，石墨漏斗6设置在熔炼炉2的炉腔底部开口下方，石墨漏斗6的底部开口设置于与导流装置7的液流通道的内腔中，导流装置7的液流通道下部与型腔模具8的内腔顶部开口连通，使石墨漏斗6内管腔、导流装置7的液流通道和型腔模具8的内腔形成金属熔体3的输送管道和凝固工作腔，当熔炼炉2对制备FeMnAlC系合金的金属铸料进行熔炼时，使水口挡板1对熔炼炉2的炉腔底部开口进行封闭，使熔炼炉2的内壁和水口挡板1组合形成装载金属熔体3的密封坩埚，并使熔炼炉2内的金属原料在氩气惰性保护气体气氛中进行熔炼，当熔炼炉2内的金属原料完全熔融并且形成的金属熔体3的流动性达到浇铸要求时，将水口挡板1打开，使熔炼炉2的炉腔底部开口开启，在重力作用下使金属熔体3从熔炼炉2底部流出，依次通过石墨漏斗6和导流装置7，流入型腔模具8中，型腔模具8高速旋转对流入型腔模具8的金属熔体3产生离心作用力，使金属熔体3获得金属熔体凝固的充型力和补缩能力，实现金属薄板的离心浇铸，当型腔模具8中金属熔体3完成凝固过程后，缓速停止转动盘9转动，然后将型腔模具8打开，即得到离心浇铸充型后尺寸为2.5mm×60mm×100mm的FeMnAlC系合金的大尺寸凝固亚稳薄板铸件，参见图2。

在本实施例中，浇铸方法是：安装好大尺寸凝固亚稳薄板的熔铸装置后，将密封舱4内抽真空，将配置好的铸料放置于抽拉式的水口挡板1上，再用石英管作为熔炼坩埚将Fe-20%Mn-9%Al-0.8%C合金铸料罩于内部并置入熔炼炉2内，确保铸料在加热至熔融状态时不会流出；然后再将熔炼炉2的炉腔体内部抽取高真空后充入一定量的氩气保护气氛，并将密封舱4内抽成真空，然后开启变频电机，驱动转动盘9转动；当转动盘9转速稳定后，将熔炼炉2内的铸料通过加热线圈感应加热至熔融状态，确定铸料流动性良好后，迅速拉动水口挡板1的手柄，随后停止加热，熔融的金属熔体3受重力作用坠入石墨漏斗6，经导流装置7导流后在高速旋转的紫铜模具中成型。待熔炼炉2的真空炉腔体内部冷却后，打开密封舱4，拆取紫铜上盖模具，便可获得充型后尺寸为2.5mm×60mm×100mm的FeMnAlC系合金的薄板铸件。图2所示是使用本实施例方法制备的FeMnAlC系合金大尺寸离心薄板照片，尺寸为2.5mm×60mm×80mm，可以看到表面形貌良好，并且没有铸造缺陷。

图3所示是使用本实施例方法制备的Fe-20%Mn-9%Al-0.8%C合金薄板铸态下的力学性能曲线，屈服强度约为600Mpa，抗拉强度约为950Mpa，塑性约为46%；在不经过任何的热处理工艺下，依然有着良好的力学性能。

本实施例凝固亚稳薄板离心浇铸过程中，将铸料置于由石英管以及底部抽拉底板构成的加热空间内。首先将熔炼炉2和密封舱4内部的浇铸室抽至高真空，反复充入纯净氩气对设备内部进行洗气，完成洗气后抽至高真空，随后充纯净氩气对设备工作区进行氩气保护。驱动转动盘9转动，待转速稳定后，通过高频电源线圈对铸料进行加热熔融。铸料加热至熔融状态后抽动抽拉挡板手柄，使熔融态的金属液在重力作用下通过导流部件导流后进入紫铜模具内，再通过离心作用，使铸件在高速旋转的模具中成型，拆取型腔模具8后即可得到薄板铸件。本发明方法以及所涉及的装置构架组成简单，拆卸组装灵活度高，易于操作，能够有效提高设备的充型能力，获得内部结构致密度、形状完整良好，并且厚度在0.5~8mm，且不低于尺寸达到60mm×100mm的大尺寸离心薄板。利用本实施例方法制备的薄板具有亚快速凝固、内部结构致密、大尺寸的特征，可直接用来制备和开发高性能工程材料或亚稳工程材料，并且制备的薄板铸件可直接用来研究亚快速凝固样品的组织和性能。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，制备锆基非晶合金离心浇铸薄板形铸件，熔炼以及铸造的过程都是在氩气保护气体下完成。将密封舱4内部抽取高真空后充入一定量的氩气保护气氛，采用的离心浇铸方法与实施例一相同，最终得到尺寸为2.5mm×60mm×80mm锆基非晶合金薄板铸件。本实施例制备的锆基非晶合金薄板铸件表面形貌良好，并且没有铸造缺陷，并表现出优异的非晶合金性能，在不经过任何的热处理工艺下，依然有着良好的力学性能。

上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明离心浇铸制备大尺寸凝固亚稳薄板的方法和装置的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种离心浇铸制备大尺寸凝固亚稳薄板的方法，其特征在于：在真空环境下或在保护气氛压力不高于0.07MPa的惰性气体环境下，采用离心浇铸方法，将熔融合金经导流后进入高速旋转的模具，利用离心作用力，获得金属熔体凝固的充型力和补缩能力，从而制备出厚度为0.5~8mm且长度尺寸不低于100mm的薄板形铸件。

2.根据权利要求1所述离心浇铸制备大尺寸凝固亚稳薄板的方法，其特征在于：金属熔体熔融制备过程在惰性保护气体气氛中完成。

3.根据权利要求2所述离心浇铸制备大尺寸凝固亚稳薄板的方法，其特征在于：金属熔体熔融制备过程在氩气保护气体气氛中完成。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述离心浇铸制备大尺寸凝固亚稳薄板的方法，其特征在于：用来制备高性能工程材料或亚稳工程材料，或用来制备高熵合金薄板或非晶合金材料薄板。

5.一种大尺寸凝固亚稳薄板的熔铸装置，主要由在密封舱（4）的内部腔室（5）中设置熔炼装置和离心铸造装置组成，其特征在于：在所述密封舱（4）内处于真空状态或气氛压力不高于0.07MPa的惰性气体环境状态，所述离心铸造装置由水口挡板（1）、石墨漏斗（6）、导流装置（7）、型腔模具（8）和转动盘（9）构成，所述型腔模具（8）内腔的最低高度为0.5~8mm，所述型腔模具（8）内腔的水平长度尺寸不低于100mm，设置竖直旋转轴（10）穿过所述密封舱（4）的底部，在所述密封舱（4）外部通过电机驱动所述竖直旋转轴（10）进行转动，所述竖直旋转轴（10）的顶端一体连接水平设置的所述转动盘（9），将所述型腔模具（8）固定安装在所述转动盘（9）上，使所述型腔模具（8）与所述竖直旋转轴（10）同步转动，所述熔炼装置采用竖直设置且炉腔底部开口的熔炼炉（2），所述石墨漏斗（6）设置在所述熔炼炉（2）的炉腔底部开口下方，所述石墨漏斗（6）的底部开口设置于与所述导流装置（7）的液流通道的内腔中，所述导流装置（7）的液流通道下部与所述型腔模具（8）的内腔顶部开口连通，使所述石墨漏斗（6）内管腔、所述导流装置（7）的液流通道和所述型腔模具（8）的内腔形成金属熔体（3）的输送管道和凝固工作腔，当所述熔炼炉（2）对金属原料进行熔炼时，使所述水口挡板（1）对所述熔炼炉（2）的炉腔底部开口进行封闭，使所述熔炼炉（2）的内壁和水口挡板（1）组合形成装载金属熔体（3）的密封坩埚，并使所述熔炼炉（2）内的金属原料在惰性保护气体气氛中进行熔炼，当所述熔炼炉（2）内的金属原料完全熔融并且形成的金属熔体（3）的流动性达到浇铸要求时，将所述水口挡板（1）打开，使所述熔炼炉（2）的炉腔底部开口开启，在重力作用下使金属熔体（3）从所述熔炼炉（2）底部流出，依次通过所述石墨漏斗（6）和所述导流装置（7），流入所述型腔模具（8）中，所述型腔模具（8）高速旋转对流入所述型腔模具（8）的金属熔体（3）产生离心作用力，使金属熔体（3）获得金属熔体凝固的充型力和补缩能力，实现金属薄板的离心浇铸，当所述型腔模具（8）中金属熔体（3）完成凝固过程后，缓速停止所述转动盘（9）转动，然后将所述型腔模具（8）打开，即得到离心浇铸的大尺寸凝固亚稳薄板。

6.根据权利要求5所述大尺寸凝固亚稳薄板的熔铸装置，其特征在于：通过控制电机的输出功率、电机主轴转速和电机主轴转动方向中的任意几项参数来控制所述型腔模具（8）高速旋转时产生的离心作用力，进而调控金属熔体（3）获得金属熔体凝固的充型力和补缩能力。

7.根据权利要求5或6所述大尺寸凝固亚稳薄板的熔铸装置，其特征在于：所述水口挡板（1）为抽拉式挡板。

8.根据权利要求5或6所述大尺寸凝固亚稳薄板的熔铸装置，其特征在于：所述型腔模具（8）采用紫铜模具。