CN109252059B - 一种镁合金熔体处理装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于金属材料及冶金技术领域，具体涉及一种镁合金熔体处理装置。该装置由熔炼系统、含电磁线圈组的电磁发生系统、移液系统和具有冷却控制装置的模具系统四部分组成，熔炼系统包括测温电偶、坩埚、加热体和温控柜，电磁发生系统包括电磁发生器、电磁线圈组、线圈冷却水箱，移液系统包括可加热的移液管和流量控制装置，模具系统包括模具、冷却控制装置、气体保护装置、测温电偶。该装置结构简单、操作容易、易于控制、非接触无污染处理、处理效率高、处理效果好，可全过程处理，易移植工业化生产应用。

Description

一种镁合金熔体处理装置
技术领域
本发明属于金属材料及冶金技术领域，具体涉及一种镁合金熔体处理装置。
背景技术
作为最轻的金属结构材料镁合金，除了具有密度小之外，比强度和比刚度高，良好的减震性能、散热性能、阻尼性能、电磁屏蔽能力和充型流动性以及易于回收再利用等一系列优点，而在汽车、通讯设备和电子行业中具有广泛的应用前景。但由于镁合金结晶温度范围宽、热导率较低、体收缩较大，晶粒粗化倾向严重。而晶粒粗大易导致合金在凝固过程中产生缩松、热裂等铸造缺陷，易导致合金凝固过程中元素微观偏析和宏观偏析，也易导致合金在后续变形过程中塑性变形能力大大降低。上述问题的存在大大影响合金产品的综合性能、材料的塑性变形能力、产品性能一致性以及热处理的效率等等。而为解决上述问题，晶粒细化是一个重要的手段，已受到人们的广泛关注和高度重视。
目前，国内外对于镁合金的晶粒细化技术进行大量的研究，主要有熔体过热法、浇注前或铸造过程中通过改变铸造工艺参数(如：冷却速率)、添加合金元素、对合金熔体进行机械搅拌等等。其中，熔体过热法虽然能起到一定的细化作用，但该方法增大镁熔体的氧化烧损和吸气量，并增加能量和坩埚的消耗。因此，该方法生产上已很少采用，浇注前或铸造过程中通过改变铸造工艺参数，虽然在凝固过程中起到一定的细化效果，但仅仅对产品的局部区域起到细化作用，难以实现全体积均匀细化。添加合金元素细化法对镁合金凝固组织细化显著，目前添加合金主要是稀土元素，但成本比较高，同时将会引入新的合金元素，影响合金成分。对合金熔体进行机械搅拌，包括接触式和非接触式：接触的搅拌易污染熔体，另外搅拌只有在液态时进行，不能再凝固过程中使用，这样细化效果大大降低；非接触式的搅拌(如：磁场搅拌)是目前熔体处理的主要方式，但目前由于磁场集肤效应作用范围小、搅拌强度低、磁能利用率低等问题，并未达到较好的处理效果。
发明内容
针对现有装置存在的问题，本发明的目的在于提供一种镁合金熔体处理装置，该装置结构简单、操作容易、易于控制、非接触无污染处理、处理效率高、处理效果好，可全过程处理，易移植工业化生产应用。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是：
一种镁合金熔体处理装置，该装置包括熔炼系统、含电磁线圈组的电磁发生系统、移液系统和具有冷却控制装置的模具系统，具体结构如下：
所述熔炼系统包括测温电偶、坩埚、加热体和温控柜，温控柜用电缆与测温电偶连接，且用电缆与加热体连接，加热体设置于坩埚的外围，在加热体的作用下，镁合金在坩埚内成为熔体，测温电偶伸至坩埚的熔体内，气体保护装置的一端伸至坩埚内的熔体上方，坩埚在使用时气体保护装置通气体精炼和保护，熔炼系统的坩埚通过移液管与模具系统的模具相通；
所述电磁发生系统包括电磁发生器、电磁线圈组、线圈冷却水箱，电磁线圈组设置于线圈冷却水箱内，线圈冷却水箱、电磁线圈组位于模具的外围，线圈冷却水箱上有进水管和出水管，电磁线圈组通过电缆与电磁发生器连接；
所述移液系统包括可加热的移液管和流量控制装置，移液管的一端伸至坩埚的熔体内，移液管的另一端伸至模具内，移液管上设置流量控制装置；
所述模具系统包括模具、冷却控制装置、气体保护装置、测温电偶，气体保护装置的一端伸至模具内的熔体上方，测温电偶伸至模具的熔体内，测温电偶通过电缆与电磁发生器连接，模具的底部设置冷却控制装置。
所述的镁合金熔体处理装置，电磁线圈组由耐水、耐热、耐电绝缘薄膜缠绕铜线制成。
所述的镁合金熔体处理装置，电磁线圈组由2～10组多个线圈组成，从上到下分别为线圈1至线圈10，每组线圈10～30匝。
所述的镁合金熔体处理装置，为了产生不同的磁场，不同线圈间连接采用不同的连接方法：间隔串联再并联或连续串联再并联。
所述的镁合金熔体处理装置，线圈冷却水箱和模具采用不导磁材料：不锈钢或锻铝，线圈冷却水箱中冷却水不能超过40℃。
所述的镁合金熔体处理装置，冷却控制装置对镁合金熔体的冷却速率可调，范围为2～100℃/s。
所述的镁合金熔体处理装置，含电磁线圈组的电磁发生系统通不同波形、不同频率、不同电流、不同相位差相的脉冲磁场，电流范围10～300A，频率范围5～80Hz，占空比范围20％～80％，脉冲形式为矩形波、方波、尖形波、阶梯波或正弦波，相位差范围10～160°。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明的镁合金熔体处理装置与其他装置相比，在不同线圈通入不同相位差的电流可以在熔体中产生磁力大和磁能利用率高的旋转磁场，这样可以改变熔体的强制流动，进而改变熔体动量、热量和质量传输，这样可以强化对熔体的处理。
(2)本发明装置在不同电磁线圈组中通入不同频率的电流可以在熔体中产生高穿透强度的磁场，高的频率可以在熔体表面产生高的磁压力、低的频率具有更高的磁场穿透深度，可以在熔体内部实现强烈的搅拌，进而可使组织和成分更为均匀。
(3)本发明装置在不同电磁线圈组中通入脉冲磁场时对熔体产生强烈搅拌的同时，也可以对熔体产生反复拉压和强大的冲击波，这种综合效应可以对已凝固的组织有一个反复锤击的作用，可以使组织细化和均化。
(4)本发明装置结构简单、操作容易、易于控制、非接触无污染处理、处理效率高、处理效果好，可全过程处理，易移植工业化生产应用。
附图说明
图1为采用的熔体处理装置示意图；
图中，1温控柜；2电缆；3气体保护装置；4测温电偶；5加热体；6移液管；7熔体；8坩埚；9电缆；10流量控制装置；11线圈冷却水箱；12电磁线圈组；13出水管；14气体保护装置；15电缆；16冷却控制装置；17模具；18进水管；19电缆；20电磁发生器；21测温电偶。
图2为线圈组间隔串联再并联方式示意图。
图3为线圈组连续串联再并联方式示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明镁合金熔体处理装置，由熔炼系统、含电磁线圈组的电磁发生系统、移液系统和具有冷却控制装置的模具系统四部分组成，具体结构如下：
所述熔炼系统包括测温电偶4、坩埚8、加热体5和温控柜1，温控柜1用电缆2与测温电偶4连接，且用电缆9与加热体5连接，加热体5设置于坩埚8的外围，在加热体5的作用下，镁合金在坩埚8内成为熔体7，测温电偶4伸至坩埚8的熔体7内，气体保护装置3的一端伸至坩埚8内的熔体7上方，坩埚8在使用时气体保护装置3需要通气体精炼和保护，熔炼系统的坩埚8通过移液管6与模具系统的模具17相通。
所述电磁发生系统包括电磁发生器20、电磁线圈组12、线圈冷却水箱11，电磁线圈组12设置于线圈冷却水箱11内，线圈冷却水箱11、电磁线圈组12位于模具17的外围，线圈冷却水箱11上有进水管18和出水管13，电磁线圈组12通过电缆19与电磁发生器20连接。
所述移液系统包括可加热的移液管6和流量控制装置10，移液管6的一端伸至坩埚8的熔体7内，移液管6的另一端伸至模具17内，移液管6上设置流量控制装置10。
所述模具系统包括模具17、冷却控制装置16、气体保护装置14、测温电偶21，气体保护装置14的一端伸至模具17内的熔体上方，测温电偶21伸至模具17的熔体内，测温电偶21通过电缆15与电磁发生器20连接，模具17的底部设置冷却控制装置16。
其中，电磁线圈组12由耐水、耐热、耐电绝缘薄膜缠绕铜线制成，电磁线圈组12由2～10组多个线圈(从上到下分别为线圈1、线圈2、线圈3、……、线圈10)组成，每组线圈10～30匝。为了产生不同的磁场，不同线圈间连接可采用不同的连接方法，如：间隔串联再并联或连续串联再并联等。线圈冷却水箱11和模具17采用不导磁材料，如：不锈钢或锻铝等，线圈冷却水箱11中冷却水不能超过40℃。冷却控制装置16对熔体的冷却速率可调，范围为2～100℃/s。含电磁线圈组12的电磁发生系统可通不同波形、不同频率、不同电流、不同相位差相的脉冲磁场，电流范围10～300A，频率范围5～80Hz，占空比范围20％～80％，脉冲形式可为矩形波、方波、尖形波、阶梯波或正弦波等，相位差范围10～160°。
如图2所示，线圈组间隔串联再并联方式，线圈1、3、5、7…串联，线圈2、4、6…串联，之后再并联与电磁柜相连。
如图3所示，线圈组连续串联再并联方式，线圈1、2、3、4…串联，线圈5、6、7、8…串联，之后再并联与电磁柜相连。
下面通过实施例进一步说明本发明。应该理解的是，本发明的实施例是用于说明本发明而不是对本发明的限制。根据本发明的实质对本发明进行的简单改进都属于本发明要求保护的范围。
实施例1：
将配置好500Kg商用镁合金AZ80材料放置在熔炼炉中熔化，之后进行40min精炼，精炼结束后使熔体在710℃下进行静置；熔体处理之前，设置含电磁线圈组的电磁发生系统中线圈组为6组线圈组成。将线圈1、线圈3、线圈5串联组成一个线圈组并通频率为20Hz电流为100A占空比为50％的尖形波形脉冲电流；将线圈2、线圈4、线圈6串联组成另一个线圈组并通频率为20Hz电流为100A占空比为50％的尖形波形脉冲电流，并将这两个线圈组的相位差设为90℃。将模具放置在具有冷却功能的电磁发生系统中，再将静置后的熔体转移至冷却速度为2℃/s的模具中，启动电磁发生系统对合金熔体进行15min处理。熔体处理结束后，先关闭电磁发生系统，待冷却控制装置使熔体凝固冷却后，关闭模具系统的冷却控制装置，取出铸锭。
利用本实施例方法处理的AZ80镁合金凝固组织与常规处理方法的相比，平均晶粒尺寸由未经处理时的2700μm降为处理后的1600μm，减低幅度达40％；铸锭芯部和边部晶粒大小相差幅度降低26％；偏析程度降低18％；抗拉强度、屈服强度和延伸率与未处理时的相比分别提高约27％、30％和15％。
实施例2：
将配置好500Kg商用镁合金AZ80材料放置在熔炼炉中熔化，之后进行40min精炼，精炼结束后使熔体在710℃下进行静置；熔体处理之前，设置含电磁线圈组的电磁发生系统中线圈组为6组线圈组成。将线圈1、线圈3、线圈5串联组成一个线圈组并通频率为20Hz电流为100A占空比为50％的尖形波形脉冲电流；将线圈2、线圈4、线圈6串联组成另一个线圈组并通频率为40Hz电流为150A占空比为50％的尖形波形脉冲电流，并将这两个线圈组的相位差设为90℃。将模具放置在具有冷却功能的电磁发生系统中，再将静置后的熔体转移至冷却速度为2℃/s的模具中，启动电磁发生系统对合金熔体进行15min处理。熔体处理结束后，先关闭电磁发生系统，待冷却控制装置使熔体凝固冷却后，关闭模具系统的冷却控制装置，取出铸锭。
利用本实施例方法处理的AZ80镁合金凝固组织与常规处理方法的相比，平均晶粒尺寸由未经处理时的2700μm降为处理后的1100μm，减低幅度达59％；铸锭芯部和边部晶粒大小相差幅度降低32％；偏析程度降低21％；抗拉强度、屈服强度和延伸率与未处理时的相比分别提高约30％、31％和18％。
实施例3：
将配置好200Kg商用镁合金AZ80材料放置在熔炼炉中熔化，之后进行20min精炼，精炼结束后使熔体在700℃下进行静置；熔体处理之前，设置含电磁线圈组的电磁发生系统中线圈组为6组线圈组成。将线圈1、线圈2、线圈3串联组成一个线圈组并通频率为20Hz电流为100A占空比为60％的尖形波形脉冲电流；将线圈4、线圈5、线圈6串联组成另一个线圈组并通频率为20Hz电流为100A占空比为3％的尖形波形脉冲电流，并将这两个线圈组的相位差设为90℃。将模具放置在具有冷却功能的电磁发生系统中，再将静置后的熔体转移至冷却速度为30℃/s的模具中，启动电磁发生系统对合金熔体进行10min处理。熔体处理结束后，先关闭电磁发生系统，待冷却控制装置使熔体凝固冷却后，关闭模具系统的冷却控制装置，取出铸锭。
利用本实施例方法处理的AZ80镁合金凝固组织与常规处理方法的相比，平均晶粒尺寸由未经处理时的2700μm降为处理后的1000μm，减低幅度达63％；铸锭芯部和边部晶粒大小相差幅度降低34％；偏析程度降低23％；抗拉强度、屈服强度和延伸率与未处理时的相比分别提高约31％、35％和20％。
实施例4：
将配置好500Kg商用镁合金AZ80材料放置在熔炼炉中熔化，之后进行30min精炼，精炼结束后使熔体在700℃下进行静置；熔体处理之前，设置含电磁线圈组的电磁发生系统中线圈组为6组线圈组成。将线圈1、线圈3、线圈5串联组成一个线圈组并通频率为40Hz电流为100A占空比为50％的尖形波形脉冲电流；将线圈2、线圈4、线圈6串联组成另一个线圈组并通频率为20Hz电流为150A占空比为50％的尖形波形脉冲电流，并将这两个线圈组的相位差设为120℃。将模具放置在具有冷却功能的电磁发生系统中，再将静置后的熔体转移至冷却速度为50℃/s的模具中，启动电磁发生系统对合金熔体进行10min处理。熔体处理结束后，先关闭电磁发生系统，待冷却控制装置使熔体凝固冷却后，关闭模具系统的冷却控制装置，取出铸锭。
利用本实施例方法处理的AZ80镁合金凝固组织与常规处理方法的相比，平均晶粒尺寸由未经处理时的2700μm降为处理后的850μm，减低幅度达69％；铸锭芯部和边部晶粒大小相差幅度降低39％；偏析程度降低26％；抗拉强度、屈服强度和延伸率与未处理时的相比分别提高约32％、36％和21％。
实施例5：
将配置好500Kg商用镁合金AZ31材料放置在熔炼炉中熔化，之后进行30min精炼，精炼结束后使熔体在720℃下进行静置；熔体处理之前，设置含电磁线圈组的电磁发生系统中线圈组为4组线圈组成。将线圈1、线圈3串联组成一个线圈组并通频率为40Hz电流为150A占空比为60％的矩形波形脉冲电流；将线圈2、线圈4串联组成另一个线圈组并通频率为20Hz电流为200A占空比为40％的尖形波形脉冲电流，并将这两个线圈组的相位差设为120℃。将模具放置在具有冷却功能的电磁发生系统中，再将静置后的熔体转移至冷却速度为20℃/s的模具中，启动电磁发生系统对合金熔体进行20min处理。熔体处理结束后，先关闭电磁发生系统，待冷却控制装置使熔体凝固冷却后，关闭模具系统的冷却控制装置，取出铸锭。
利用本实施例方法处理的AZ31镁合金凝固组织与常规处理方法的相比，平均晶粒尺寸由未经处理时的3500μm降为处理后的1800μm，减低幅度达48％；铸锭芯部和边部晶粒大小相差幅度降低25％；偏析程度降低20％；抗拉强度、屈服强度和延伸率与未处理时的相比分别提高约24％、27％和18％。
实施例6：
将配置好300Kg商用镁合金AZ80材料放置在熔炼炉中熔化，之后进行30min精炼，精炼结束后使熔体在700℃下进行静置；熔体处理之前，设置含电磁线圈组的电磁发生系统中线圈组为10组线圈组成。将线圈1、线圈3、线圈5、线圈7、线圈9串联组成一个线圈组并通频率为30Hz电流为150A占空比为40％的阶梯波形脉冲电流；将线圈2、线圈4、线圈6、线圈8、线圈10串联组成另一个线圈组并通频率为50Hz电流为100A占空比为70％的方形波形脉冲电流，并将这两个线圈组的相位差设为90℃。将模具放置在具有冷却功能的电磁发生系统中，再将静置后的熔体转移至冷却速度为10℃/s的模具中，启动电磁发生系统对合金熔体进行20min处理。熔体处理结束后，先关闭电磁发生系统，待冷却控制装置使熔体凝固冷却后，关闭模具系统的冷却控制装置，取出铸锭。
利用本实施例方法处理的AZ80镁合金凝固组织与常规处理方法的相比，平均晶粒尺寸由未经处理时的2700μm降为处理后的1300μm，减低幅度达52％；铸锭芯部和边部晶粒大小相差幅度降低26％；偏析程度降低22％；抗拉强度、屈服强度和延伸率与未处理时的相比分别提高约28％、31％和21％。

Claims (4)

1.一种镁合金熔体处理装置，其特征在于，该装置包括熔炼系统、含电磁线圈组的电磁发生系统、移液系统和具有冷却控制装置的模具系统，具体结构如下：
所述熔炼系统包括测温电偶、坩埚、加热体和温控柜，温控柜用电缆与测温电偶连接，且用电缆与加热体连接，加热体设置于坩埚的外围，在加热体的作用下，镁合金在坩埚内成为熔体，测温电偶伸至坩埚的熔体内，气体保护装置的一端伸至坩埚内的熔体上方，坩埚在使用时气体保护装置通气体精炼和保护，熔炼系统的坩埚通过移液管与模具系统的模具相通；
所述电磁发生系统包括电磁发生器、电磁线圈组、线圈冷却水箱，电磁线圈组设置于线圈冷却水箱内，线圈冷却水箱、电磁线圈组位于模具的外围，线圈冷却水箱上有进水管和出水管，电磁线圈组通过电缆与电磁发生器连接；
所述移液系统包括可加热的移液管和流量控制装置，移液管的一端伸至坩埚的熔体内，移液管的另一端伸至模具内，移液管上设置流量控制装置；
所述模具系统包括模具、冷却控制装置、气体保护装置、测温电偶，气体保护装置的一端伸至模具内的熔体上方，测温电偶伸至模具的熔体内，测温电偶通过电缆与电磁发生器连接，模具的底部设置冷却控制装置；
电磁线圈组由2～10组多个线圈组成，从上到下分别为线圈1至线圈10，每组线圈10～30匝；
为了产生不同的磁场，不同线圈间连接采用不同的连接方法：间隔串联再并联或连续串联再并联；
含电磁线圈组的电磁发生系统通不同波形、不同频率、不同电流、不同相位差相的脉冲磁场，电流范围10～300A，频率范围5～80Hz，占空比范围20％～80％，脉冲形式为矩形波、方波、尖形波、阶梯波或正弦波，相位差范围10～160°。
2.根据权利要求1所述的镁合金熔体处理装置，其特征在于，电磁线圈组由耐水、耐热、耐电绝缘薄膜缠绕铜线制成。
3.根据权利要求1所述的镁合金熔体处理装置，其特征在于，线圈冷却水箱和模具采用不导磁材料：不锈钢或锻铝，线圈冷却水箱中冷却水不能超过40℃。
4.根据权利要求1所述的镁合金熔体处理装置，其特征在于，冷却控制装置对镁合金熔体的冷却速率可调，范围为2～100℃/s。
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