CN106282869A - 一种轻合金熔体磁致振动凝固的装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种轻合金熔体磁致振动凝固的装置及方法，属于轻合金熔体处理技术领域。轻合金熔体磁致振动凝固的装置，包括感应磁场产生系统、振动系统和冷却系统；还可以包括永久磁场系统。采用上述装置，进行轻合金熔体磁致振动凝固的方法，按照轻合金熔炼、装置前期准备；磁致振动处理；轻合金熔体凝固，获得轻合金铸锭。该方法在轻合金凝固过程中，采用一套振动强度与频率方便可调的磁致振动装置，将振动杆伸入到合金熔体中，利用电磁场引起振动杆振动进而改变合金凝固行为。该装置操作简单，强度与频率方便易调，可显著提高镁、铝等轻合金凝固组织均匀性，细化晶粒，极大提高轻合金铸锭的冶金质量。

Description

一种轻合金熔体磁致振动凝固的装置及方法

技术领域

本发明属于轻合金熔体处理技术领域，特别涉及一种轻合金熔体磁致振动凝固的装置及方法。

背景技术

振动是改变金属凝固行为的十分有效的方法。如凝固时，施加机械振动、气动式振动、电磁式振动及超声波式振动等，均对凝固过程中合金的温度场、流场、浓度场以及形核和长大等凝固行为产生影响。其中机械振动对改变金属凝固行为具有十分显著的效果，是金属振动凝固中最常用的方法之一。采用合理的机械振动机制处理合金熔体，对细化晶粒、抑制枝晶和抑制合金元素偏析有显著效果，能极大提高铸锭质量。

早在20世纪初期，Sokolov将施加于金属凝固过程中的机械振动作为一项晶粒细化技术提出。20世纪中期，日本大野笃美经过研究认为：振动将会产生液面扰动，从而加快了凝固初期型壁上晶粒的游离，增加金属液中晶核数量，从而使晶粒得以细化。机械振动铸造对细化晶粒、均匀组织、净化熔体、增强补缩、增加致密度、提高材料力学性能等都有显著效果。但在振动铸造中必须针对不同合金采用合理的振动制度。若振动所选取的频率、振幅不当，则会导致合金偏析严重、凝固组织恶化。而目前的机械振动装置频率可调范围普遍较小，且不利于操作，导致机械振动不能很好地应用于轻合金铸锭的生产中。

本发明采用磁致振动的方式使振动杆振动强度和频率方便易调，便于针对不同种类、牌号的合金铸造过程中选用适当的振动机制来提高铸件的质量。

发明内容

针对镁、铝等轻合金凝固过程中易于出现成分偏析、晶粒组织粗大且不均等问题。本发明提供一种轻合金熔体磁致振动凝固的装置及方法。该装置采用磁致振动方式，改变了轻合金熔体凝固行为。该方法利用磁致振动，实现合金熔体处理中的外场作用，改变合金的凝固行为。具体过程是通入交流电的励磁线圈产生感应磁场，振动杆受到磁场力的作用而振动。在轻合金熔体处理过程中，将振动杆伸入轻合金熔体中，磁致振动的机械波通过振动杆被导入轻合金熔体，进而改变合金凝固行为。

本发明的一种轻合金熔体磁致振动凝固的装置，包括振动杆、固定架盖板和感应磁场产生系统；所述的振动杆固定于固定架盖板的中心位置，振动杆的周向外侧设置有感应磁场产生系统，振动杆通过感应磁场产生系统提供振动驱动力。

所述的固定架盖板以下的振动杆的周向设置有感应磁场产生系统。

所述的振动杆为阶梯杆，阶梯杆细端穿过固定架盖板，固定架盖板上部的阶梯杆细端设置有弹簧压片，在弹簧压片与固定架盖板之间设置有弹簧；阶梯杆粗端的阶梯台紧邻固定架盖板下表面。

所述的弹簧压片为2～3片。

所述的振动杆把磁致振动导入轻合金熔体。

所述的振动杆的上端设置有永久磁铁，振动杆的永久磁铁端吊接在固定架盖板的下表面。

所述的带有永久磁铁的振动杆的上端设置有法兰盘结构，带有永久磁铁的振动杆通过螺栓固定于固定架盖板的下表面，带有永久磁铁的振动杆和固定架盖板之间设置有橡胶垫片，且螺栓对应固定架盖板的部分为螺纹结构，螺栓对应橡胶垫片和振动杆部分为光杆。

所述的永久磁铁为固定式永久磁铁。

所述的永久磁铁能够增加振动杆的振幅。

所述的振动杆采用分体式结构，分为振动杆上杆和振动杆下杆，振动杆上杆和振动杆下杆之间通过螺纹结构或固定销连接。

所述的感应磁场产生系统与振动杆上部靠近，以使感应磁场产生系统充分发挥作用。

所述的感应磁场产生系统为励磁线圈。

所述的感应磁场产生系统配装有冷却系统，冷却方式有两种：

第一种，采用中空的励磁线圈，冷却水加入励磁线圈的中空管道内，进行冷却；

第二种，将励磁线圈置于冷却水腔中，向冷却水腔中通入冷却水，对励磁线圈进行冷却；

感应磁场产生系统的冷却系统的作用是对励磁线圈进行降温。

所述的感应磁场产生系统通过装置外壳固定于固定架盖板上。

所述的装置外壳通过连接螺杆与固定架盖板连接。

所述的振动杆材质为低碳钢、石墨或钛合金中的一种。

所述的振动杆材质根据处理的轻合金熔体的不同而有区别，其中，当轻合金为镁合金时，振动杆的材料为低碳钢，其含碳量在0.1～0.8％；当轻合金为铝合金时，振动杆的材料为石墨或钛合金中的一种。

在使用时，整个轻合金熔体磁致振动凝固的装置通过振动杆的上端或固定架盖板与升降装置相连接。

所述的升降装置可以控制振动杆的升降幅度，用来调节振动杆伸入轻合金熔体的深度。

所述的升降装置由步进电机控制。

其中，所述的励磁线圈在通入交流电时，能产生感应磁场，励磁线圈产生感应磁场，振动杆受到磁场力的作用而振动，通过改变交流电的电流强度和电流频率，可以改变磁场强度和振动杆振动强度；

本发明的采用轻合金熔体磁致振动凝固的装置，进行轻合金熔体磁致振动凝固的方法，按照以下步骤进行：

步骤1，准备工作：

(1)坩埚中熔炼轻合金，并保温；其中，轻合金熔体的保温温度高于轻合金熔体液相线50～100℃；

(2)将振动杆预热，预热温度为轻合金熔炼温度±20℃，保温0.5～1h；

(3)将预热后的振动杆浸入轻合金熔体；

步骤2，轻合金熔体的磁致振动处理：

向感应磁场产生系统通入交流电，交流电频率为1～100Hz，电流强度为10～250A，振动杆产生相应频率的振动；进行轻合金熔体磁致振动处理的时间为5～250s；磁致振动处理时，轻合金熔体的温度为保温温度；

步骤3，轻合金凝固：

将磁致振动处理后的轻合金进行冷却，凝固后，获得轻合金铸锭。

所述步骤1(1)的具体操作为：按照轻合金配比配料，将轻合金加入坩埚中，熔炼至熔融状态，进行精炼、净化处理，在坩埚中保温10～15min至熔体温度均匀，得到轻合金熔体，其中，轻合金熔体的保温温度高于轻合金熔体液相线50～100℃；

所述步骤1(2)中，将振动杆预热前，向感应磁场产生系统的冷却系统中，通入冷却水，待冷却水水流稳定后，将振动杆进行预热。

所述步骤1(2)中，所述的振动杆进行预热的方式为采用乙炔烘烤后在立式管式炉中保温。

所述步骤1(2)中，将振动杆下杆进行预热。

所述步骤1(3)中，所述的将振动杆浸入轻合金熔体中，采用升降装置调节，振动杆浸入轻合金熔体中的深度为1～3cm。

所述步骤1(3)中，将振动杆下杆浸入轻合金熔体。

所述步骤3中，所述的冷却为在坩埚外侧直接喷水冷却，也可以把熔体移入铸造模后在铸造模外侧喷水冷却，或者把熔体移入半连续铸造结晶器中喷水冷却；

所述的轻合金熔体磁致振动凝固的方法中，当轻合金为镁合金时，镁合金熔体在整个过程中均要采用CO₂+5％5F₆混合气体进行保护，以避免镁合金熔体的氧化与燃烧。

本发明的一种轻合金熔体磁致振动凝固的装置及方法，其优点在于：

振动强度与频率方便可调的磁致振动装置安装方便，操作简单，通入改变励磁线圈中电流强度和电流频率，可以调节磁场强度，从而调节振动杆振动强度和振动频率，调节方式简单方便。

在磁致振动作用下，成长中的枝晶被击碎，晶核数目增加，轻合金熔体温度场得到改善，极大提高铸锭凝固的均匀性，显著降低铸锭铸造缺陷的尺寸效应，可以获得宏观偏析小，晶粒细化，组织差别小的铸锭，极大提高轻合金铸锭的冶金质量。

附图说明

图1是本发明的轻合金熔体磁致振动凝固的装置A结构示意图；

其中，1、振动杆上杆；2、弹簧压片；3、弹簧；5、固定架盖板；6、螺纹结构；7、振动杆下杆；8、感应磁场产生系统；9、连接螺杆；10、装置外壳；11、轻合金熔体；12、坩埚；

图2是本发明轻合金熔体磁致振动凝固的装置B结构示意图；

其中，1、振动杆上杆；4、法兰盘结构；5、固定架盖板；6、螺纹结构；7、振动杆下杆；8、感应磁场产生系统；9、连接螺杆；10、装置外壳；11、轻合金熔体；12、坩埚；13、橡胶垫片；14、永久磁铁；

图3为实例中圆形铸锭横截面上的金相组织观察取样部位示意图；

图4为熔体不经处理和本发明实施例1处理后的Mg-6Zn镁合金铸锭上、中、下位置的宏观组织对比；

图5为熔体不经处理和本发明实施例1处理后的Mg-6Zn镁合金铸锭微观组织对比；

图6为熔体不经处理和本发明实施例2处理后的AZ80镁合金铸锭宏观组织对比；

图7为熔体不经处理和本发明实施例3处理后的Al-20％Si合金铸锭微观组织对比。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明实施例采用的轻合金熔体磁致振动凝固的装置A的结构示意图如图1所示；

本发明实施例采用的轻合金熔体磁致振动凝固的装置B的结构示意图如图2所示；

本发明实施例中圆形铸锭横截面上的金相组织观察取样部位示意图如图3所示。

当轻合金为镁合金时，振动杆的材料为低碳钢，其含碳量在0.1～0.8％；当轻合金为铝合金时，振动杆的材料为石墨或钛合金中的一种。

实施例1

一种轻合金熔体磁致振动凝固的装置A，包括振动杆、固定架盖板5和感应磁场产生系统8；振动杆为阶梯杆，阶梯杆细端穿过固定架盖板5，固定架盖板5上部的阶梯杆细端设置有弹簧压片2，在弹簧压片2与固定架盖板5之间设置有弹簧3；阶梯杆粗端的阶梯台紧邻固定架盖板5下表面。振动杆上部的周向外侧设置有感应磁场产生系统8，振动杆通过感应磁场产生系统8提供振动驱动力。

振动杆采用分体式结构，分为振动杆上杆1和振动杆下杆7，振动杆上杆1和振动杆下杆7之间通过螺纹结构6连接。

感应磁场产生系统8为中空的励磁线圈，其冷却方式为将冷却水加入励磁线圈的中空管道内，进行冷却。

感应磁场产生系统8通过装置外壳10固定于固定架盖板5上，装置外壳10通过连接螺杆9与固定架盖板5连接。

一种镁合金熔体磁致振动凝固的方法，采用上述装置，按照以下步骤进行：

步骤1，准备工作：

(1)按照Mg-6Zn镁合金配比配料，将Mg-6Zn镁合金熔炼至熔融状态，进行精炼、净化处理，在坩埚12中，680℃保温10min，至熔体温度均匀，得到Mg-6Zn镁合金熔体11；

(2)向磁致振动装置中空的励磁线圈中，通入冷却水；

(3)冷却水水流稳定后，采用乙炔烘烤，将振动杆下杆7进行预热，预热温度为700℃，并在立式管式炉中保温0.5h；

(4)待镁合金熔体到达设定温度后，调节由步进电机控制的升降装置，将预热后的振动杆的下杆7浸入Mg-6Zn镁合金熔体11中，浸入深度为2cm；

步骤2，镁合金熔体的磁致振动处理：

向励磁线圈通入交流电，交流电频率为15Hz，电流强度为80A；进行Mg-6Zn镁合金熔体进行磁致振动处理，处理时间为60s；Mg-6Zn镁合金熔体的温度为680℃(高于其液相线约50℃)；

步骤3，镁合金铸造：

在坩埚外侧直接喷水将Mg-6Zn镁合金冷却，凝固后，获得Mg-6Zn镁合金铸锭。

Mg-6Zn镁合金熔体在整个过程中均要采用CO₂+5％SF₆混合气体进行保护。

图4为熔体不经过磁致振动处理与本实施例1所述方法处理后的Mg-6Zn镁合金铸锭上中下位置的宏观组织对比。

可见，熔体未经磁致振动处理时其铸锭晶粒尺寸明显比熔体经过磁致振动处理后的大；未经过磁致处理的熔体从外层到中心晶粒尺寸变化比较大，表层为细小的等轴晶，向内接着是柱状晶区，到了中心位置为尺寸较大的等轴晶；熔体经过处理之后的铸锭晶粒整体比较细小，多为等轴晶，从边部到中心晶粒的尺寸变化量小，没有出现表面细小等轴晶、中部柱状晶、中心等轴晶这一典型的铸锭凝固组织。

通过对比可以看出，熔体经过处理的铸锭其晶粒比熔体未经处理过的铸锭相同部位的晶粒要明显细小。

图5为熔体不经磁致振动处理和本实施例1所示方法处理后的Mg-6Zn合金凝固组织对比。

可见，图5(a)熔体未经磁致振动处理的凝固组织比较粗大，有粗大的枝晶存在，析出相呈连续状分布在晶界上，并且比较发达，同时晶内有少量析出物；

图5(b)采用本实施例1所示方法所获得的凝固组织变得非常细小，晶粒熔断现象明显，析出物不再是网格状或者树枝状，析出相的形态也由原来细长的树枝状变为短粗的蠕虫状、球状并且弥散分布在晶体内。

可见加入磁致振动装置处理熔体能提高镁合金凝固组织均匀性，细化晶粒，改变析出相形态，改变镁合金凝固行为。

实施例2

一种轻合金熔体磁致振动凝固的装置A，包括振动杆、固定架盖板5和感应磁场产生系统8；振动杆为阶梯杆，阶梯杆细端穿过固定架盖板5，固定架盖板5上部的阶梯杆细端设置有弹簧压片2，在弹簧压片2与固定架盖板5之间设置有弹簧3；阶梯杆粗端的阶梯台紧邻固定架盖板5下表面。振动杆上部的周向外侧设置有感应磁场产生系统8，振动杆通过感应磁场产生系统8提供振动驱动力。

振动杆采用分体式结构，分为振动杆上杆1和振动杆下杆7，振动杆上杆1和振动杆下杆7之间通过固定销连接。

感应磁场产生系统8为励磁线圈。

感应磁场产生系统8配装有冷却系统，其冷却方式为：将励磁线圈置于冷却水腔中，向冷却水腔中通入冷却水，对励磁线圈进行冷却；

感应磁场产生系统8通过装置外壳10固定于固定架盖板5上，装置外壳10通过连接螺杆9与固定架盖板5连接。

一种镁合金熔体磁致振动凝固的方法，采用上述装置，按照以下步骤进行：

步骤1，准备工作：

(1)按照AZ80镁合金配比配料，将AZ80镁合金熔炼至熔融状态，进行精炼、净化处理，在坩埚中，680℃保温10min，至熔体温度均匀，得到AZ80镁合金熔体；

(2)向磁致振动装置的冷却系统中，通入冷却水；

(3)冷却水水流稳定后，将振动杆下杆进行预热，预热温度为660℃，保温1h；

(4)待轻合金熔体到达设定温度后，调节由步进电机控制的升降装置，将预热后的振动杆的下杆浸入AZ80镁合金熔体中，浸入深度为2cm；

步骤2，镁合金熔体的磁致振动处理：

向励磁线圈通入交流电，交流电频率为15Hz，电流强度为80A；进行AZ80镁合金熔体进行磁致振动处理，处理时间为120s；AZ80镁合金熔体的温度为680℃(高于其液相线约100℃)；

步骤3，镁合金凝固：

在坩埚外侧直接喷水将AZ80镁合金冷却，凝固后，获得AZ80镁合金铸锭。

其中，AZ80镁合金熔体在整个过程中均要采用CO₂+5％5F₆混合气体进行保护。

图6熔体不经磁致振动处理和本实施例2所示方法处理后的AZ80镁合金铸锭宏观组织对比。

图6(a)未经磁致振动处理的AZ80凝固组织晶粒尺寸为540um；图6(b)采用本实施例2所示方法处理后的AZ80凝固组织晶粒尺寸为320um。

可见，加入磁致振动装置对熔体进行处理过的镁合金凝固组织晶粒更为均匀、细小。

实施例3

一种轻合金熔体磁致振动凝固的装置B，包括振动杆、固定架盖板5和感应磁场产生系统8；振动杆为阶梯杆，振动杆的上端设置有永久磁铁14，带有永久磁铁14的振动杆吊接在固定架盖板5的下表面。

带有永久磁铁14的振动杆的上端设置有法兰盘结构4，振动杆的永久磁铁14一端通过螺栓固定于固定架盖板5的下表面，永久磁铁14的振动杆和固定架盖板8之间设置有橡胶垫片13，且螺栓对应固定架盖板的部分为螺纹结构，螺栓对应橡胶垫片和振动杆部分为光杆。

振动杆的周向外侧设置有感应磁场产生系统8，振动杆通过感应磁场产生系统8提供振动驱动力。

振动杆采用分体式结构，分为振动杆上杆1和振动杆下杆7，振动杆上杆1和振动杆下杆7之间通过螺纹结构6连接。

感应磁场产生系统8为励磁线圈。

感应磁场产生系统8配装有冷却系统，冷却方式为：将励磁线圈置于冷却水腔中，向冷却水腔中通入冷却水，对励磁线圈进行冷却；

感应磁场产生系统8通过装置外壳10固定于固定架盖板5上，装置外壳10通过连接螺杆9与固定架盖板5连接。

一种轻合金熔体磁致振动凝固的方法，采用上述装置，按照以下步骤进行：

步骤1，准备工作：

(1)按照Al-20％Si铝合金配比配料，将Al-20％Si合金熔炼至熔融状态，进行精炼、净化处理，在坩埚12中，760℃保温15min，至熔体温度均匀，得到Al-20％Si铝合金熔体11；

(2)向磁致振动装置的冷却系统中，通入冷却水；

(3)冷却水水流稳定后，向励磁线圈通入交流电，电流频率为10Hz，电流强度为100A；将振动杆下杆进行预热，预热温度为760℃，保温1h；

(4)待铝合金熔体到达设定温度后，调节升降装置，将预热后的振动杆的下杆浸入Al-20％Si铝合金熔体中，浸入深度为2cm；

步骤2，轻合金熔体的磁致振动处理：

向励磁线圈通入交流电，交流电频率为25Hz，电流强度为100A；进行Al-20％Si铝合金熔体进行磁致振动处理，处理时间为70s；Al-20％Si铝合金熔体的温度为760℃(高于其液相线约100℃)；

步骤3，铝合金凝固：

在坩埚外侧直接喷水将Al-20％Si铝合金冷却，凝固后，获得Al-20％Si铝合金铸锭。

图7为熔体不经磁致振动处理和本实施例3所示方法处理后过共晶铝硅合金凝固组织对比。

图7(a)是没有经过任何处理的凝固组织，初晶硅粗大，a-Al枝晶间距非常大。图7(b)为采用本实施例3方法获得的凝固组织，可见初晶硅数目减少，而且分布得分散，α-Al枝晶间距变小。

可见，采用轻合金熔体磁致振动凝固的装置2处理过的铝合金组织更加均匀，晶粒更加细小。

Claims (10)

1.一种轻合金熔体磁致振动凝固的装置，包括振动杆、固定架盖板和感应磁场产生系统；所述的振动杆固定于固定架盖板的中心位置，振动杆的周向外侧设置有感应磁场产生系统，振动杆通过感应磁场产生系统提供振动驱动力。

2.如权利要求1所述的轻合金熔体磁致振动凝固的装置，其特征在于，所述的振动杆为阶梯杆，阶梯杆细端穿过固定架盖板，固定架盖板上部的阶梯杆细端设置有弹簧压片，在弹簧压片与固定架盖板之间设置有弹簧；阶梯杆粗端的阶梯台紧邻固定架盖板下表面。

3.如权利要求1所述的轻合金熔体磁致振动凝固的装置，其特征在于，所述的振动杆的上端设置有永久磁铁，振动杆的永久磁铁端吊接在固定架盖板的下表面；所述的带有永久磁铁的振动杆的上端设置有法兰盘结构，带有永久磁铁的振动杆通过螺栓固定于固定架盖板的下表面，带有永久磁铁的振动杆和固定架盖板之间设置有橡胶垫片，且螺栓对应固定架盖板的部分为螺纹结构，螺栓对应橡胶垫片和振动杆部分为光杆。

4.如权利要求2或3所述的轻合金熔体磁致振动凝固的装置，其特征在于，所述的振动杆采用分体式结构，分为振动杆上杆和振动杆下杆，振动杆上杆和振动杆下杆之间通过螺纹结构或固定销连接。

5.如权利要求1所述的轻合金熔体磁致振动凝固的装置，其特征在于，所述的感应磁场产生系统为励磁线圈；所述的感应磁场产生系统配装有冷却系统，冷却方式有两种：

第一种，采用中空的励磁线圈，冷却水加入励磁线圈的中空管道内，进行冷却；

第二种，将励磁线圈置于冷却水腔中，向冷却水腔中通入冷却水，对励磁线圈进行冷却。

6.如权利要求1所述的轻合金熔体磁致振动凝固的装置，其特征在于，所述的振动杆材质为低碳钢、石墨或钛合金中的一种。

7.采用权利要求1所述的轻合金熔体磁致振动凝固的装置，进行轻合金熔体磁致振动凝固的方法，其特征在于，按照以下步骤进行：

步骤1，准备工作：

(1)坩埚中熔炼轻合金，并保温；其中，轻合金熔体的保温温度高于轻合金熔体液相线50～100℃；

(2)将振动杆预热，预热温度为轻合金熔炼温度±20℃，保温0.5～1h；

(3)将预热后的振动杆浸入轻合金熔体；

步骤2，轻合金熔体的磁致振动处理：

向感应磁场产生系统通入交流电，交流电频率为1～100Hz，电流强度为10～250A，振动杆产生相应频率的振动；进行轻合金熔体磁致振动处理的时间为5～250s；磁致振动处理时，轻合金熔体的温度为保温温度；

步骤3，轻合金凝固：

将磁致振动处理后的轻合金进行冷却，凝固后，获得轻合金铸锭。

8.如权利要求7所述的轻合金熔体磁致振动凝固的方法，其特征在于，所述步骤1(1)的具体操作为：按照轻合金配比配料，将轻合金加入坩埚中，熔炼至熔融状态，进行精炼、净化处理，在坩埚中保温10～15min至熔体温度均匀，得到轻合金熔体，其中，轻合金熔体的保温温度高于轻合金熔体液相线50～100℃；

所述步骤1(2)中，将振动杆预热前，向感应磁场产生系统的冷却系统中，通入冷却水，待冷却水水流稳定后，将振动杆进行预热；所述步骤1(2)中，所述的振动杆进行预热的方式为采用乙炔烘烤后在立式管式炉中保温；

所述步骤1(3)中，所述的将振动杆浸入轻合金熔体中，采用升降装置调节，振动杆浸入轻合金熔体中的深度为1～3cm。

9.如权利要求7所述的轻合金熔体磁致振动凝固的方法，其特征在于，所述步骤3中，所述的冷却为在坩埚外侧直接喷水冷却，或把熔体移入铸造模后在铸造模外侧喷水冷却，或把熔体移入半连续铸造结晶器中喷水冷却。

10.如权利要求7所述的轻合金熔体磁致振动凝固的方法，其特征在于，所述的轻合金熔体磁致振动凝固的方法中，当轻合金为镁合金时，镁合金熔体在整个过程中均要采用CO₂+5％5F₆混合气体进行保护。