CN110125411B - 熔体微区冲击式全等轴晶铸锭的制备装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种熔体微区冲击式全等轴晶铸锭的制备装置，包括：设置于独立控制压力的上腔体内的熔体释放机构和设置于独立控制压力的成型腔体内的冷凝机构之间的多孔分流盘，以及控制机构，其中：控制机构分别向熔体释放机构发出上引指令，向冷凝机构发出下引指令，向上腔体和成型腔体各自连接的真空泵发出气压调节指令，从而实现熔体在气压差的作用下从多孔分流盘产生连续或间歇的微液滴并喷至铸型内腔表面发生冲击作用冷凝后形成铸锭。本发明通过多孔分流盘使金属液产生连续或间歇的微液滴，以较大速度冲击至下方铸型中并凝固形成金属铸锭。与气体雾化喷射相比，本发明提高了合金锭的致密度，提高了铸锭的生产效率，可以快速制备合金铸锭。

Description

熔体微区冲击式全等轴晶铸锭的制备装置及方法

技术领域

本发明涉及的是一种冶金领域的技术，具体是一种熔体微区冲击式全等轴晶铸锭的制备装置及方法。

背景技术

常规铸造法铸造金锭存在凝固的先后问题，导致很难得到全部的等轴晶组织。合金组织中总会存在一定比例的柱状晶，不利于通过后续的变形过程得到较高的合金性能。对于大型合金铸锭而言，由于主要合金元素在液固界面发生偏析，从边部到心部容易产生较大的宏观元素偏析，严重影响铸锭质量。现有技术采用喷射成形的方法可以制备无宏观成分偏析的铸锭，但该方法制备的铝锭气孔率高、组织不致密且氧化严重。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种熔体微区冲击式全等轴晶铸锭的制备装置及方法，以金属微液滴冲击的方式提高合金锭的致密度，能够快速制备全等轴晶组织且无宏观元素偏析的合金铸锭。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括：设置于独立控制压力的上腔体内的熔体释放机构和设置于独立控制压力的成型腔体内的冷凝机构之间的多孔分流盘，以及控制机构，其中：控制机构分别向熔体释放机构发出上引指令，向冷凝机构发出下引指令，向上腔体和成型腔体各自连接的真空泵发出气压调节指令，从而实现熔体在气压差的作用下从多孔分流盘产生连续或间歇的微液滴并喷至铸型内腔表面发生冲击作用冷凝后形成铸锭。

所述的多孔分流盘为均布分流孔的圆形或多边形盘，其下方设有预热装置以使流经的金属熔体不发生凝固现象。

所述的熔体释放机构包括：坩埚、上引装置和塞杆，其中：塞杆的头部与上引装置连接，塞杆的底部嵌入坩埚的底部并在处于最低位时与多孔分流盘接触，上引装置与控制机构相连并接收上引指令。

所述的坩埚的顶部设有保温罩，其外部设有加热器和电磁搅拌器。

所述的冷凝机构包括：正对多孔分流盘设置的带有冷却水管的冷凝台和带有位移控制器的下引装置，其中：下引装置通过位移控制器与控制机构相连并接收移动步幅信息和移动方式信息。

所述的上腔体和成型腔体均通过进气管道与惰性气源相连以向其内部传输惰性气体，该进气管道均设有阀门以控制通断。

本发明涉及一种运用上述装置的熔体微区冲击式全等轴晶铸锭的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、塞杆处于最低位使多孔分流盘封闭，将完全熔化的金属液倒入坩埚并停留1小时使温度达到大于合金熔点的T₁；将上腔体和成型腔体抽真空并在上腔体内充入适量氩气使其气压为P₂，而成型腔体内不充或充入少量的氩气使其气压为P₁，且满足P₂＞P₁；将预热装置置于多孔分流盘的正下方并使多孔分流盘预热至大于合金熔点T₂；打开电磁搅拌器使金属液成分和温度保持均匀；

步骤2、设定多孔分流盘的底面到铸型内腔的底面的距离为h，并设定合理的冷凝台下引速度V₂；

步骤3、关闭电磁搅拌器并开启冷却水，将推杆拔出，预热装置从多孔分流盘的正下方移开；开启上引装置，控制塞杆的抬起或间歇抬起状态获得连续或间歇的两种微液滴喷出形式，经过距离h喷射到铸型内腔表面并在冷凝机构的作用下发生冷凝形成半固态金属层；开启下引装置使冷凝台以速度V₂匀速下移并使多孔分流盘至铸锭上表面的距离h保持恒定；随着冷凝台的逐步下移，铸型中的金属锭下部为全固态，表面为半固态，进入稳定生长状态；

步骤4、当坩埚中的金属液释放完毕，将塞杆降至最低位，关闭多孔分流盘，关闭下引装置，关闭冷却水，结束制备过程。

所述的连续的微液滴喷出形式是指：抬起塞杆，坩埚中的金属液在气压差的作用下从多孔分流盘中以微液滴的形式喷出，即完成铸锭的连续式制备。

所述的间歇的微液滴喷出形式是指：抬起塞杆并保持其抬起的状态时间为t₁，坩埚中的金属液在气压差的作用下从多孔分流盘中以微液滴的形式喷出，经过t₁时间后放下塞杆，保持在t₂时间内多孔分流盘处于关闭状态，重复上述步骤即完成铸锭的间歇式制备。

技术效果

与现有技术相比，本发明通过多孔分流盘使金属液产生连续或间歇的微液滴，通过压力差将金属微液滴加速，以较大速度冲击至下方铸型中并凝固形成金属铸锭。与气体雾化喷射相比，本发明提高了合金锭的致密度，并通过提高成型腔体的真空度而减轻其氧化，还提高了铸锭的生产效率，可以快速制备具有全等轴晶组织且无宏观元素偏析的合金铸锭。本方法适用于Al、Mg、Zn、Cu、Ni、Fe、Ti、Mn、Sn、Pb等金属及其合金材料。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为多孔分流盘的结构示意图；

图中：上腔体1、保温材料2、坩埚3、保温罩4、上引装置5、塞杆6、熔体7、加热器8、电磁搅拌器9、第一真空泵10、多孔分流盘11、紧固件12、隔板13、成型腔体14、铸型15、冷凝台16、冷却水管17、支撑台18、位移控制器19、第二真空泵20、预热装置21、推杆22、上进气管23、第一阀门24、第二阀门25、惰性气体源26、下进气管27、铸锭28、导轨29、下引装置30、控制机构31。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本实施例涉及的熔体微区冲击式全等轴晶铸锭的制备装置，包括：设置于上腔体1内的坩埚3、上引装置5、塞杆6、加热器8和电磁搅拌器9，设置于成型腔体14内的铸型15、冷凝台16、支撑台18和下引装置30，依次设置于上腔体1和成型腔体14之间的多孔分流盘11和预热装置21，以及分别为上腔体1和成型腔体14输送惰性气体的上进气管23和下进气管27，还有控制上引装置5、下引装置30和各自独立将上腔体1及成型腔体14抽真空的第一真空泵10和第二真空泵20的控制机构31，其中：塞杆6的上部与上引装置5相连，塞杆6的底部嵌入坩埚3的底部并位于最低位时与多孔分流盘11相接触，加热器8和电磁搅拌器9设置于坩埚3的外部，铸型15、冷凝台16、支撑台18和下引装置30依次设置。

所述的上腔体1的内部设有保温材料2，其下方设有隔板13。

所述的冷凝台16带有冷却水管17。

所述的支撑台18的两侧设有导轨29。

所述的多孔分流盘11的两侧用紧固件12固定。

所述的预热装置21连有推杆22以用于移动预热装置21。

所述的下引装置30通过位移控制器19与控制机构31连接以精确控制移动步幅和移动方式。

所述的上进气管23和下进气管27均与惰性气体源26连接并分别设有第一阀门24和第二阀门25控制气体通断。

所述的铸型15为内腔直径为300mm的圆柱体。

如图2所示，所述的多孔分流盘11为均布间距为δ(0.1mm<δ<30mm)孔径为d(0.2mm<d<20mm)分流孔的圆形盘。

本实施例涉及一种运用上述装置的熔体微区冲击式全等轴晶铸锭的连续式制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1、塞杆6处于最低位使多孔分流盘11封闭，将完全熔化的Al-Mg-Si合金倒入坩埚3并停留1小时使温度达到715℃；将上腔体1和成型腔体14抽真空并在上腔体1内充入适量氩气使其气压为1.2个大气压，而成型腔体14内的气压为-0.8MPa；将预热装置21置于多孔分流盘11的正下方并使多孔分流盘11预热至720℃；打开15min电磁搅拌器9使金属液成分和温度保持均匀；

步骤2、设定多孔分流盘11的底面到铸型15内腔的底面的距离为12cm，并设定合理的冷凝台16下引速度3mm/s；

步骤3、关闭电磁搅拌器9并开启冷却水，将推杆22拔出，预热装置21从多孔分流盘11的正下方移开；开启上引装置5，抬起塞杆6，经过距离12cm喷射到铸型15内腔表面并冷凝形成半固态金属层；开启下引装置30使冷凝台16以速度3mm/s匀速下移并使多孔分流盘11至铸锭28上表面的距离12cm保持恒定；随着冷凝台16的逐步下移，铸型15中的金属锭下部为全固态，表面为半固态，进入稳定生长状态，最终形成全等轴晶组织及无偏析的圆形铸锭28，该铸锭28的尺寸为Φ300*1000mm，铸锭28的晶粒尺寸为80～100um，铸锭28心部至边部的合金含量差小于3.5％；

步骤4、当坩埚3中的金属液释放完毕，将塞杆6降至最低位，关闭多孔分流盘11，关闭下引装置30，关闭冷却水，结束制备过程。

实施例2

与实施例1相比，本实施例运用同样的装置来完成熔体微区冲击式全等轴晶铸锭的间歇式制备，具体包括以下步骤：

步骤1、塞杆6处于最低位使多孔分流盘11封闭，将完全熔化的Al-Zn-Mg-Cu合金倒入坩埚3并停留1小时使温度达到730℃；将上腔体1和成型腔体14抽真空并在上腔体1内充入适量氩气使其气压为-0.8个大气压，而成型腔体14内的气压为0；将预热装置21置于多孔分流盘11的正下方并使多孔分流盘11预热至720℃；打开15min电磁搅拌器9使金属液成分和温度保持均匀；

步骤2、设定多孔分流盘11的底面到铸型15内腔的底面的距离为10cm，并设定合理的冷凝台16下引速度2mm/s；

步骤3、关闭电磁搅拌器9并开启冷却水，将推杆22拔出，预热装置21从多孔分流盘11的正下方移开；开启上引装置5，抬起塞杆6并保持其抬起的状态时间为12s，坩埚3中的金属液在气压差的作用下从多孔分流盘11中以微液滴的形式喷出，经过12s后放下塞杆6，保持在8s内多孔分流盘11处于关闭状态，重复上述步骤即完成铸锭28的间歇式制备；经过距离10cm喷射到铸型15内腔表面并冷凝形成半固态金属层；开启下引装置30使冷凝台16以速度2mm/s匀速下移并使多孔分流盘11至铸锭28上表面的距离10cm保持恒定；随着冷凝台16的逐步下移，铸型15中的金属锭下部为全固态，表面为半固态，进入稳定生长状态，最终形成全等轴晶组织及无偏析的圆形铸锭28，该铸锭28的尺寸为Φ300*800mm；

步骤4、当坩埚3中的金属液释放完毕，将塞杆6降至最低位，关闭多孔分流盘11，关闭下引装置30，关闭冷却水，结束制备过程。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (4)

1.一种基于熔体微区冲击式全等轴晶铸锭制备装置的制备方法，其特征在于，所述的制备装置包括：设置于独立控制压力的上腔体内的熔体释放机构和设置于独立控制压力的成型腔体内的冷凝机构之间的多孔分流盘，以及控制机构，其中：控制机构分别向熔体释放机构发出上引指令，向冷凝机构发出下引指令，向上腔体和成型腔体各自连接的真空泵发出气压调节指令，从而实现熔体在气压差的作用下从多孔分流盘产生连续或间歇的微液滴并喷至铸型内腔表面发生冲击作用冷凝后形成铸锭；

所述的多孔分流盘为均布分流孔的圆形或多边形盘，其下方设有预热装置以使流经的金属熔体不发生凝固现象；

所述的熔体释放机构包括：坩埚、上引装置和塞杆，其中：塞杆的头部与上引装置连接，塞杆的底部嵌入坩埚的底部并在处于最低位时与多孔分流盘接触，上引装置与控制机构相连并接收上引指令；

所述的冷凝机构包括：正对多孔分流盘设置的带有冷却水管的冷凝台和带有位移控制器的下引装置，其中：下引装置通过位移控制器与控制机构相连并接收移动步幅信息和移动方式信息；

所述的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、塞杆处于最低位使多孔分流盘封闭，将完全熔化的金属液倒入坩埚并停留1小时使温度达到大于合金熔点的T₁；将上腔体和成型腔体抽真空并在上腔体内充入适量氩气使其气压为P₂，而成型腔体内不充或充入少量的氩气使其气压为P₁，且满足P₂＞P₁；将预热装置置于多孔分流盘的正下方并使多孔分流盘预热至大于合金熔点T₂；打开电磁搅拌器使金属液成分和温度保持均匀；

步骤2、设定多孔分流盘的底面到铸型内腔的底面的距离为h，并设定合理的冷凝台下引速度V₂；

步骤3、关闭电磁搅拌器并开启冷却水，将推杆拔出，预热装置从多孔分流盘的正下方移开；开启上引装置，控制塞杆的抬起或间歇抬起状态获得连续或间歇的两种微液滴喷出形式，经过距离h喷射到铸型内腔表面并在冷凝机构的作用下发生冷凝形成半固态金属层；开启下引装置使冷凝台以速度V₂匀速下移并使多孔分流盘至铸锭上表面的距离h保持恒定；随着冷凝台的逐步下移，铸型中的金属锭下部为全固态，表面为半固态，进入稳定生长状态；

步骤4、当坩埚中的金属液释放完毕，将塞杆降至最低位，关闭多孔分流盘，关闭下引装置，关闭冷却水，结束制备过程；

所述的连续的微液滴喷出形式是指：抬起塞杆，坩埚中的金属液在气压差的作用下从多孔分流盘中以微液滴的形式喷出，即完成铸锭的连续式制备；

所述的间歇的微液滴喷出形式是指：抬起塞杆并保持其抬起的状态时间为t₁，坩埚中的金属液在气压差的作用下从多孔分流盘中以微液滴的形式喷出，经过t₁时间后放下塞杆，保持在t₂时间内多孔分流盘处于关闭状态，重复上述步骤即完成铸锭的间歇式制备。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是，所述的坩埚的顶部设有保温罩，其外部设有加热器和电磁搅拌器。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是，所述的冷凝台和下引装置之间设有沿竖直导轨活动设置的支撑台。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是，所述的上腔体和成型腔体均通过进气管道与惰性气源相连以向其内部传输惰性气体，该进气管道均设有阀门以控制通断。

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