CN112828264A

CN112828264A - 一种带螺旋磁场的铸造装置和铸造方法

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Publication number: CN112828264A
Application number: CN202011633120.7A
Authority: CN
Inventors: 刘利兵; 张云虎; 宋长江; 翟启杰
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2020-12-31
Filing date: 2020-12-31
Publication date: 2021-05-25
Anticipated expiration: 2040-12-31
Also published as: CN112828264B

Abstract

本发明公开了一种带螺旋磁场的铸造装置和铸造方法，属于金属铸造领域。该装置包括保温炉、铸型、中间管、升液管和磁场发生器，保温炉上部具有升液口和保温炉压缩气体进口，铸型内具有型腔，型腔下端具有浇口，升液管的下端伸入保温炉内，上端伸出升液口，中间管的下端连接升液管，上端连通浇口。磁场发生器设置在中间管的外侧，用于向中间管内的熔体施加螺旋磁场，能够有效地解决氧化膜等夹杂物容易在浇口及中间管管壁上附着的问题，减少或阻止氧化膜等夹杂物进入最终产品，避免影响产品内部质量。该方法采用上述铸造装置，能够更好的细化和补缩铸件，并减少进入铸件内的夹杂物，提高最终产品质量。

Description

一种带螺旋磁场的铸造装置和铸造方法

技术领域

本发明属于金属铸造技术领域，更具体地说，涉及一种带螺旋磁场的铸造装置和铸造方法。

背景技术

低(差)压铸造是将合金熔体在压缩气体的作用下通过升液通道从模具底部浇口充型，并在压力作用下凝固获得合格铸件的铸造方法，具有充型平稳、压力下结晶凝固、铸件组织致密、生产效率高等优点。该工艺主要适用于有色合金的铸造，其中，铝合金的低(差)压铸造应用最为广泛。

在低(差)压铸造工艺过程中，为了控制铸件的内部质量，通常在铸型内的管路中通水或通入其他介质保证模具远端区的温度低于浇口区的温度，使铸件由远端至浇口顺序凝固，以实现低(差)压铸造铸件内部质量的控制，即保证X光探伤合格率。但是，通水或其他介质使铸件实现顺序凝固的过程会导致铸件远端和浇口区域冷却速率的不同，而冷却速率的不同则会导致铸件各个区域微观组织的不同，即铸件浇口区的二次枝晶间距明显大于铸件远端区的二次枝晶间距。在铸件远端区和浇口区取样测试时，浇口区比远端区的力学性能差，更有甚者，当铸造工艺过程边界条件变化较大时，可能导致浇口区拉伸试棒力学性能无法满足产品要求，因此，需对铸件浇口区组织进一步细化。

再者，合金熔体在每一个铸造循环中通过升液管及中间管充型、泄压，熔体反复上下，并且在通过路径上中间管处的温度最低，氧化膜等夹杂物很容易在中间管及升液管管壁上附着。而在铸造充型过程中，这些夹杂物极易进入最终产品，且难以检测，随着氧化膜厚度的不断增加，情况恶劣时，甚至会堵塞升液管及中间管，造成铸造生产的显著中断，铸件的质量也随着升液管及中间管使用时间的增长而恶化。

另外，由于低(差)压铸造工艺过程存在一些不可避免的过程变量，如模具、升液管、中间管、熔体保温炉的更换等，这些过程变量不可避免的引起铸件合格率的波动，因此传统低(差)压铸造工艺压力充型、保压、凝固、补缩、冷却过程很难实现铸件稳定、高合格率(≥98％)的生产控制。因此，为了克服以上所述传统低(差)压铸造工艺过程存在的问题，新的低(差)压铸造装置及方法亟待开发。

如中国专利申请号为：CN201711302710.X，公开日为：2018年3月30日的专利文献，公开了一种熔体电磁搅拌式低压铸造装置及铸造方法，包括强磁体、变频电源、熔化炉、坩埚、盖板和真空气源等。首先使用熔化炉将金属材料熔化，密封坩埚后抽取真空，同时对熔体施加交变磁场进行电磁搅拌，使熔体内气体在真空及搅拌下析出；然后在低压浇注准备工序及浇注过程中，持续施加交变电磁场，强化熔体内部对流运动，实现熔体成分均匀化控制，从而获得成分均匀、组织细化、性能优异的优质铸件。

又如中国专利申请号为：CN201811609035.X，公开日为：2019年3月8日的专利文献，公开了一种基于电磁场的真空铸造成形装置及气路系统，该真空铸造成形装置包括：电磁场发生装置、上压力罐、下压力罐、铸型、保温熔化炉、隔板和升液管，铸型被圈套在电磁场发生装置中，铸型和电磁场发生装置固定在隔板上并设置在上压力罐内，上压力罐和隔板的上表面紧密接触并固定，下压力罐和隔板的下表面紧密接触并固定，下压力罐内设置有保温熔化炉，保温熔化炉用于盛放金属液，升液管下端位于保温熔化炉内的金属液中，升液管的上端穿过隔板连接铸型，使铸造合金组织晶粒更加细化，内部化学成分均匀，枝晶偏析减小，抗疲劳性能增强，提高铸件成形质量。

上述方案一通过对保温炉中的熔体施加电磁场，对熔体持续搅拌，实现熔体成分均匀化控制，从而获得成分均匀、组织细化、性能优异的优质铸件。上述方案二通过对铸型整体施加电磁场，使磁场作用于充满铸型的熔体，达到晶粒细化、成分均匀、枝晶偏析减小、抗疲劳性能增强、铸件质量提高的目的。但是，二者是从熔化炉或铸型的外侧施加电磁场，电磁场作用于熔化炉或铸型中的熔体，并不能解决上述提到的熔体在升液通道反复上下，氧化膜等夹杂物容易在中间管及升液管管壁上附着，导致附着的氧化膜等夹杂物进入最终产品，影响产品质量的问题。另外，对于上述方案一，熔化炉尺寸一般较大，磁场对其中熔体的作用效果有限，并且熔化炉内温度较高，在其中设置磁场发生器难度较大，可能导致磁场发生器寿命短或无法使用，再者，磁场无法作用于熔体在铸型中的凝固过程，无法得到组织细化的效果；对于上述方案二，磁场施加于铸型外侧，但铸型一般采用金属材料制备，磁场难以穿透铸型对熔体产生作用，从而降低磁场使用的效果，无法起到晶粒细化、成分均匀、枝晶偏析减小，提高铸件质量的效果。

发明内容

1、要解决的问题

针对现有的低(差)压铸造装置生产的产品铸件浇口区组织粗大、容易出现夹杂物，产品质量不理想的问题，本发明提供一种带螺旋磁场的铸造装置，能够有效地解决铸件浇口区组织粗大，同时解决氧化膜等夹杂物容易在中间管及升液管管壁上附着，并进入最终铸件，影响产品质量的问题。

本发明还提供一种带螺旋磁场的铸造方法，采用上述一种铸造装置，能够铸件浇口区组织并减少进入铸型内的夹杂物，提高最终产品质量。

2、技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

一种带螺旋磁场的铸造装置，包括保温炉、铸型、中间管、升液管和磁场发生器，所述保温炉上部具有升液口和保温炉压缩气体进口，所述铸型内具有型腔，型腔下端具有浇口；所述升液管的下端伸入保温炉内，上端伸出升液口，所述中间管的下端连接升液管，上端连通浇口，所述磁场发生器包括壳体和磁场发生机构；所述壳体设置在中间管的外侧，其上下端分别与铸型和保温炉密封连接；所述磁场发生机构设置在中间管的周围。

作为技术方案的进一步改进，所述磁场发生机构包括磁轭和线圈；所述磁轭环绕布置在壳体的内部的四周，所述线圈设置在磁轭内侧且外接电源。

作为技术方案的进一步改进，所述线圈与中间管之间设置有耐火层。

作为技术方案的进一步改进，所述中间管的中部直径大于其两端直径。

作为技术方案的进一步改进，所述保温炉上装有加热机构。

作为技术方案的进一步改进，所述铸型外侧装有密封罩，密封罩上设有密封罩压缩气体进口。

作为技术方案的进一步改进，所述中间管采用耐高温陶瓷材料制备，所述中间管和磁场发生器的数量与升液管的数量相对应，所述铸造装置具有至少一根升液管。

一种带螺旋磁场的铸造方法，采用上述一种带螺旋磁场的铸造装置，包括以下步骤：

一、充型第一阶段

首先进行压力补偿，然后向保温炉中充入压缩气体，在熔体充满中间管前开启磁场，功率为W₁，当熔体到达中间管上端时停止充气，以该充型压力保压5-15s；

二、充型第二阶段

降低磁场功率至W₂，继续向保温炉中充压至熔体充满型腔，直至达到设定压力后进入保压阶段；

三、保压阶段

增大磁场功率至W₃，使熔体向型腔中流动，补缩铸件，浇口处的熔体受到持续搅拌和扰动，在保压阶段的最后5-15s，增大磁场搅拌功率至W₄，其中磁场功率关系为：W₂<W₁<W₃<W₄；

四、取件阶段

当铸件由上至下顺序凝固至下模浇口截面时，关闭磁场并泄压，泄压后待铸件在型腔内冷却至工艺规定要求后，开模取件。

作为技术方案的进一步改进，当采用密封罩时，还包括以下步骤：充型第一阶段前，同时向保温炉和密封罩内充压0.1-1.0Mpa；充型时，保持密封罩内压力不变，保温炉中压力持续增大；保压时，先以保温炉中充型时的压力保压0-10s，然后密封罩泄压进行差压保压。

作为技术方案的进一步改进，充型第一阶段中，需对保温炉中的充型压力进行补偿，采用以下公式：

P₁＝ρgH+ΔP

其中，P₁为充型压力；ΔP为第n次充型所需的补偿压力，设备可自动补偿，通常为3s；ρ为保温炉内熔体的密度；g为重力加速度；H为满炉熔体时型腔下表面至液面的高度；为单个保温炉在不补液情况下可参与铸造的次数；M为单次铸造中填充满所有型腔所需的熔体重量；S为熔体浸入升液管后保温炉中的熔体截面面积，S_坩埚为保温炉内坩埚的直径面积，S_{升液管外径}为所有升液管外径之和，S_{升液管内径}为所有升液管内径之和。

3、有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明一种带螺旋磁场的铸造装置，通过在中间管外圈设置专门针对中间管的，能够对位于中间管内的熔体施加螺旋磁场，解决因为熔体在保温炉和铸型之间反复上下，而熔体通过路径上的中间管的温度最低，氧化膜等夹杂物很容易在中间管及升液管管壁上附着，导致夹杂物进入最终产品，影响产品质量的问题，另外，由于保温炉和铸型一般采用金属材料制备，容易削弱磁场对其中熔体的作用，降低磁场效果；

(2)本发明一种带螺旋磁场的铸造装置，磁场线圈与中间管之间设置有耐火层，能够阻隔高温中间管和带冷却的磁场线圈之间的温度传递，从而消除高温对磁场工作的影响和低温对熔体的影响；

(3)本发明一种带螺旋磁场的铸造装置，中间管的中部直径大于其两端直径，在保证中间管两端直径与升液管上端和浇口直径匹配的同时，增大中间管的内径，使中间管内的熔体容量与单次铸型所需量一致，从而保证磁场能够对参与铸型的熔体都充分作用，提高了充满铸型的熔体各部分的均匀性，最终产品的质量得到提升；

(4)本发明一种带螺旋磁场的铸造装置，由于保温炉和铸型一般采用金属材料制备，容易削弱磁场对其中的熔体的作用，降低磁场效果，而中间管采用耐高温陶瓷材料制备，磁场可以不受影响的穿过，从而提高了磁场对熔体的作用效果；

(5)本发明一种带螺旋磁场的铸造方法，在传统低(差)压铸造基础上实现工艺控制的独特创新，在传统压力作用下充型时，将螺旋磁场引入每次充入型腔的熔体，进行充分搅拌，使熔体混合均匀并到达细化效果，保压时，螺旋磁场继续在浇口下方的中间管作用，使熔体在压力作用下受到额外电磁力的作用，细化浇口区域的组织，实现铸件更好的补缩，提高探伤合格率，且铸造过程中，中间管上不易残留氧化膜等夹杂物，避免了夹杂物进入型腔而导致最终产品质量下降的问题；

(6)本发明一种带螺旋磁场的铸造方法，在充型第一阶段的短暂保压时，能够根据实际装置尺寸和模次实时计算出需要自动补偿的压力，保证铸造过程中熔体充型时间的一致性，提高磁场对熔体的作用效果。

附图说明

图1为低压铸造装置的结构示意图；

图2为磁场发生器的俯视图；

图3为磁场发生器的主视剖视图；

图4为差压铸造装置的结构示意图；

图5为低压铸造工艺的阶段示意图；

图6为差压铸造工艺的阶段示意图；

图中：1、保温炉；11、升液口；12、保温炉压缩气体进口；13、加热机构；2、铸型；21、型腔；22、浇口；3、中间管；31、中间管法兰；4、升液管；5、磁场发生器；51、壳体；52、磁轭；53、线圈；54、耐火层；55、线圈控制器；56、磁轭端面法兰；6、密封罩；61、密封罩压缩气体进口；7、铸造装置控制器；8、熔体。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明进一步进行描述。

实施例1

一种带螺旋磁场的铸造装置，用于进行低(差)压铸造生产工艺，下面对其具体结构和工作原理进行详细描述。

如图1所示，该铸造装置包括保温炉1、铸型2、中间管3、升液管4和磁场发生器5。

其中，保温炉1为储存熔体并对熔体进行保温的装置，其上开设有升液口11和保温炉压缩气体进口12，保温炉压缩气体进口12外接气源。需要的说明的是，由于低差压铸造工艺的熔体是从下至上进入型腔，因此出液口11需要设置在保温炉1的上端。而保温炉压缩气体进口12需要设置在熔体的上方，因此需要设置在保温炉1的上部侧壁或上端面上，防止熔体高于保温炉压缩气体进口12。另外，保温炉1上设有加热机构13，通过温度检测保温炉1可以实现实时加热控制，本实施例的加热机构13采用熔体温度检测热电偶能够维持保温炉1内的熔体温度，保证铸造工艺的连续稳定和最终产品的质量。

铸型2设置在保温炉1的上方，其内部具有用于容纳熔体并使熔体形成一定形状的型腔21，型腔21下端具有浇口22。升液管4沿高度方向布置，其下端伸入保温炉1内，上端伸出升液口11。中间管3的下端连接升液管4，上端连通浇口22，且其上端开口和下端开口的边缘分别通过中间管法兰31与铸型2下端面和保温炉1上端面连接，使中间管3的位置固定。本实施例中，型腔21、中间管3和磁场发生器5的数量与升液管4的数量保持一致，其中，一个保温炉1上能够根据保温炉1的容量和单次铸型所需的熔体等多个因素选择型地采用单个升液管4或多个升液管4，灵活多变。

铸造时，装置能够自动根据模次进行压力补偿，然后通过向保温炉1内充入压缩气体，使得熔体由下至上被挤压至型腔21中，并在型腔中冷却成型。现有技术中，为了提高最终铸件的产品质量，会采用对熔体施加螺旋磁场的措施，螺旋磁场在铸造过程中搅拌熔体，使形成铸件的熔体的成分均匀。但是，现有的磁场发生装置一般都是对保温炉1或铸型2内的熔体施加作用，这会存在以下问题：

①熔体在保温炉1和铸型2之间反复上下，而熔体通过路径上的中间管3的温度最低，氧化膜等夹杂物很容易在中间管3及升液管4管壁上附着，导致夹杂物进入最终产品，影响产品质量。

②由于保温炉1和铸型一般采用金属材料制备，会削弱磁场对其中的熔体的作用，降低磁场对熔体的效果，且保温炉中温度过高，限制了磁场发生器在其内应用和作用。

针对上述问题，本实施例设置了磁场发生器5。如图2和图3所示，磁场发生器5包括壳体51、磁场发生机构和耐热层54。其中，壳体51为圆筒状结构，其设置在中间管3的外侧。壳体51的上端与铸型2的下端面通过法兰固定密封连接，其下端则与保温炉1的上端面通过法兰固定密封连接。磁场发生机构包括磁轭52和线圈53，磁轭52具有多个，环绕在线圈53周围且等间距布置，用于导磁，防止线圈产生的磁场对其他金属装置产生作用，磁轭52的上下端通过磁轭端面法兰56固定，线圈53设置在磁轭52内且外接线圈控制器55，线圈控制器55与铸造装置控制器7电连接。铸造装置控制器7可以采用工业控制软件集成控制，具体模块可采用PLC控制模块等，本实施例采用PLC控制模块实现两个控制器互联。耐火层54设置在线圈53与中间管3之间，能够阻隔线圈53与中间管3之间的温度传递，防止中间管3的高温传递至线圈53，对磁场工作产生影响。

采用本实施例的铸造装置时，磁场发生器5产生的螺旋磁场主要针对于中间管3内的熔体，使得熔体在进入型腔21中前，在中间管3中得到充分的搅拌，提高最终成型的产品各个部分的组织均匀性，从而提高产品质量。尤其是，由于螺旋磁场在整个铸造过程持续施加在中间管3上，持续搅拌中间管3处的熔体，能够避免温度较低的中间管3内的熔体发生凝固堵塞，或出现氧化膜等夹杂物的残留情况，保证铸造过程的稳定进行，减少夹杂物进入型腔21，从而解决最终铸件的产品质量受到夹杂物影响而下降的问题。

值得一提的是，中间管3的中部直径大于其两端直径，具体的，本实施例的中间管3采用中部为圆柱状，两端为锥状的结构，中间管3两端直径与升液管4上端和浇口直径保持一致，从而保证密封连接匹配。采用这种结构时，能够使得中间管3的容量与单次铸型的熔体所需量相一致，从而保证磁场能够充分对充入型腔的熔体都充分作用，提高了充入型腔的熔体各部分的均匀性，保证了最终产品的质量。同时，中间管3采用耐高温陶瓷材料制备，对磁场的影响较小，从而提高了磁场对熔体的作用效果。

需要说明的是，上述结构的铸造装置主要是用于低压铸造工艺，当采用差压铸造工艺时，如图4所示，需要在铸型2外部固定安装在一个密封的密封罩6，密封罩6上开设有密封罩压缩气体进口61，密封罩压缩气体进口61外接压缩气体源，用于在铸造开始前向密封罩6内充入压缩气体。

综上所述，本实施例的一种带螺旋磁场的铸造装置，能够有效地解决铸件浇口区组织粗大，同时解决氧化膜等夹杂物容易在中间管及升液管管壁上附着，并进入最终铸件，影响产品质量的问题。

实施例2

一种带螺旋磁场的铸造方法，采用实施例1中不含密封罩6的铸造装置，属于低压铸造方法，本实施例为A356铝合金低压铸造工艺，具体步骤如下：

一、充型第一阶段(开启磁场)

保温炉1内存储有铝液，通过保温炉压缩气体进口12向保温炉1中充入压缩气体，其中补偿压力ΔP，设备可自动补偿，补偿时间通常为3s，铝液沿升液管4上升至中间管3(图5中的①阶段)。在铝液充满中间管3前通过铸造装置控制器7控制磁场开启，同时通过线圈控制器55控制电流的大小和频率，磁场功率为W₁(图5中的螺旋磁场作用第一阶段(1))，当铝液到达中间管3上端时，停止充气并短暂保压5-15s(图5中的②阶段)，本实施例为12s。在该短暂保压阶段，螺旋磁场对中间管3中的铝液进行持续搅拌，使铝液中的细化剂及成分分布均匀，可起到较好的细化效果。

具体的，首先压力补偿3s结束后，第一阶段开始充型，设备向保温炉1中冲压，冲压速率一般为V＝500-5000Pa/s，本实施例为2000Pa/s。磁场开始施加时刻T＝ρgH/V，其中，T为向保温炉1中单独开始充型至开始施加磁场的时间；ρ为合金铝液的密度；g为重力加速度；H为模具下表面至满炉铝液时的液面高度，为定值，因此开启磁场的时刻T为常数。

另外，在该阶段的短暂保压过程中，铝液从保温炉1中通过升液管4到达内径扩大的中间管3上端面后，压力(P₁)保持一段时间，但是随着铸造的进行，保温炉1中的液面不断下降，该充型压力P₁会随着铸造的进行而不断变化，因此需要进行压力补偿，由下式计算：

P₁＝ρgH+ΔP

其中，P₁为充型压力；ΔP为第n次充型所需的补偿压力，设备可自动补偿，通常为3s；ρ为保温炉(1)内熔体的密度；g为重力加速度；H为满炉熔体时型腔(21)下表面至液面的高度；为单个保温炉(1)在不补液情况下可参与铸造的次数；M为单次铸造中填充满所有型腔(21)所需的熔体重量；S为熔体浸入升液管后保温炉中的熔体截面面积，S_坩埚为保温炉内坩埚的直径面积，S_{升液管外径}为所有升液管外径之和，S_{升液管内径}为所有升液管内径之和。

二、充型第二阶段(降低并持续施加磁场)

短暂保压后，继续向保温炉1中充压使铝液持续上升(图5中的③阶段)，直至铝液充满型腔21，在该过程中，螺旋磁场持续施加，但是降低磁场功率至W₂，以减小充型时的紊流，保证充型稳定(图5中的螺旋磁场作用第二阶段(2))，然后停止充气进行保压。

三、保压阶段(增大并关闭磁场)

该阶段中，铝液首先在保压压力的作用下补缩铸件，同时增大磁场功率至W₃，使铝液受到额外电磁力的作用(图5中的④阶段和螺旋磁场作用第三阶段(3))，促使中间管3内的高温铝液持续向反重力方向的型腔21浇口及型腔21内流动，使铸件得到更好的补缩，尤其是对铸件浇口处的补缩。同时，持续施加的螺旋磁场可使铸件浇口区受到持续的搅拌和扰动，可在凝固时获得较好的细化效果，从而获得与铸件远端区一致的微观组织。在保压阶段的最后5-15s，本实施例为10s，继续增大磁场搅拌功率至W₄，(图5中的④阶段和螺旋磁场作用第三阶段(4))，增加搅拌以减少氧化膜等在中间管附着，提高最终成型的产品质量，防止中间管3和浇口堵塞从而影响下一次铸造，其中磁场功率关系为：W₂<W₁<W₃<W₄。

四、取件阶段(无磁场)

当铸件由上至下顺序凝固至下模浇口截面时(可以通过铸造仿真软件计算出该时间范围)，关闭磁场并泄压，(图5中的⑤阶段)，泄压后待铸件在模腔内继续冷却至工艺规定要求后，再开模取件。

上述步骤后，单次铸造循环施加螺旋磁场的A356铝合金低压铸造工艺过程完成。

实施例3

一种带螺旋磁场的铸造方法，采用实施例1中含密封罩6的铸造装置，属于差压铸造方法，本实施例为A356铝合金差压铸造工艺，具体步骤如下：

一、充型第一阶段(开启磁场)

保温炉1内存储有铝液，在充型第一阶段前，先通过保温炉压缩气体进口12和密封罩压缩气体进口61同时向保温炉1和密封罩6中冲入相同压力的压缩气体0.1-1.0MPa(图6中的①阶段)，本实施例为0.5MPa，并延迟2-5s使建压压力平衡，本实施例为4s。

接着，设备自动进行压力补偿，时间为3s，然后继续向保温炉1中充入压缩气体，铝液沿升液管4上升至中间管3(图6中的②阶段)。在铝液充满中间管3前通过铸造装置控制器7控制磁场开启，同时通过线圈控制器55控制电流的大小和频率，功率为W₁，对磁场进行调节(图6中的螺旋磁场作用第一阶段(1))，当铝液到达中间管3上端后，停止充气保压5-15s(图6中的③阶段)，本实施例为12s。在该短暂保压阶段，螺旋磁场对中间管3中的铝液进行持续搅拌，使铝液中的细化剂及成分分布均匀，可起到较好的细化效果。

具体的，首先充型第一阶段前，分别向保温炉和密封罩中冲入0.5MPa的建压压力，建压加延迟平衡总时间为10s。接着设备自动进行压力补偿，时间为3s，然后向保温炉1中冲压，冲压速率一般为V＝500-5000Pa/s，本实施例为2000Pa/s。磁场开始施加时刻T＝ρgH/V，其中，T为向保温炉1中单独开始充型至开始施加磁场的时间；ρ为合金铝液的密度；g为重力加速度；H为模具下表面至满炉铝液时的液面高度，为定值，因此开启磁场的时刻T为常数。

P₁＝ρgH+ΔP

二、充型第二阶段(降低并持续施加磁场)

短暂保压后，继续向保温炉1中充压使铝液持续上升(图5中的③阶段)，直至铝液充满型腔21，在该过程中，螺旋磁场持续施加，但是降低磁场功率至W₂以减小充型时的紊流，保证充型稳定(图5中的螺旋磁场作用第二阶段(2))，然后停止充气进行保压。

二、充型第二阶段(降低并持续施加磁场)

短暂保压后，保持密封罩6内压力不变，继续向保温炉1中充压使铝液持续上升(图5中的④阶段)，直至铝液充满型腔21。在该过程中，螺旋磁场持续施加，但是降低磁场功率至W₂，以减小充型时的紊流，保证充型稳定(图6中的螺旋磁场作用第二阶段(2))，然后停止充气进行保压。

三、保压阶段(增大并关闭磁场)

该阶段中，先以充型压力保压0-10s(图6中的⑤阶段)，本实施例为3s，增大磁场功率至W₃并持续作用(图6中的螺旋磁场作用第三阶段(3))。接着，密封罩6进行泄压进行差压保压(图6中的⑥阶段)，磁场持续作用(图6中的螺旋磁场作用第四阶段(4))，该保压阶段中螺旋磁场作用第三阶段(3)和第四阶段(4)使用功率一致，该过程可以促使中间管3内的高温铝液持续向反重力方向的型腔21浇口及型腔21内流动，使铸件得到更好的补缩，尤其是对铸件浇口处的补缩，同时，持续施加的螺旋磁场可使铸件浇口区受到持续的搅拌和扰动，可在凝固时获得较好的细化效果，从而获得与铸件远端区一致的微观组织。

需要注意的是，在保压阶段的最后5-15s，本实施例为10s，需继续增大磁场搅拌功率至W₄，(图6中的⑥阶段和螺旋磁场作用第五阶段(5))，增加搅拌以减少氧化膜等在中间管附着，提高最终成型的产品质量，防止中间管3和浇口堵塞从而影响下一次铸造，其中磁场功率关系为：W₂<W₁<W₃<W₄。

四、泄压取件阶段(无磁场)

当铸件由上至下顺序凝固至下模浇口截面时(可以通过铸造仿真软件计算出该时间范围)，关闭磁场并泄压，(图6中的⑦阶段)，泄压后待铸件在模腔内继续冷却至工艺规定要求后，再开模取件。

上述步骤后，单次铸造循环施加螺旋磁场的A356铝合金差压铸造工艺过程完成。

本发明所述实例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种带螺旋磁场的铸造装置，包括保温炉(1)、铸型(2)、中间管(3)和升液管(4)，所述保温炉(1)上部具有升液口(11)和保温炉压缩气体进口(12)，所述铸型(2)内具有型腔(21)，型腔(21)下端具有浇口(22)；所述升液管(4)的下端伸入保温炉(1)内，上端伸出升液口(11)，所述中间管(3)的下端连接升液管(4)，上端连通浇口(22)，其特征在于：

还包括磁场发生器(5)，所述磁场发生器(5)包括壳体(51)和磁场发生机构；所述壳体(51)设置在中间管(3)的外侧，其上下端分别与铸型(2)和保温炉(1)密封连接；所述磁场发生机构设置在中间管(3)的周围。

2.根据权利要求1所述的一种带螺旋磁场的铸造装置，其特征在于：所述磁场发生机构包括磁轭(52)和线圈(53)；所述磁轭(52)环绕布置在壳体(51)的内部的四周，所述线圈(53)设置在磁轭(52)内侧且外接电源。

3.根据权利要求2所述的一种带螺旋磁场的铸造装置，其特征在于：所述线圈(53)与中间管(3)之间设置有耐火层(54)。

4.根据权利要求2所述的一种带螺旋磁场的铸造装置，其特征在于：所述中间管(3)的中部直径大于其两端直径。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的一种带螺旋磁场的铸造装置，其特征在于：所述保温炉(1)上装有加热机构(13)。

6.根据权利要求1-4中任意一项所述的一种带螺旋磁场的铸造装置，其特征在于：所述铸型(2)外侧装有密封罩(6)，密封罩(6)上设有密封罩压缩气体进口(61)。

7.根据权利要求2-4中任意一项所述的一种带螺旋磁场的铸造装置，其特征在于：所述中间管(3)采用耐高温陶瓷材料制备，所述中间管(3)和磁场发生器(5)的数量与升液管(4)的数量相对应，所述铸造装置具有至少一根升液管(4)。

8.一种带螺旋磁场的铸造方法，采用权利要求1-7所述的一种带螺旋磁场的铸造装置，包括以下步骤：

一、充型第一阶段

首先进行压力补偿，然后向保温炉(1)中充入压缩气体，在熔体充满中间管(3)前开启磁场，功率为W₁，当熔体到达中间管(3)上端时停止充气，以该充型压力保压5-15s；

二、充型第二阶段

降低磁场功率至W₂，继续向保温炉(1)中充压至熔体充满型腔(21)，直至达到设定压力后进入保压阶段；

三、保压阶段

增大磁场功率至W₃，使熔体向型腔(21)中流动，补缩铸件，浇口(22)处的熔体受到持续搅拌和扰动，在保压阶段的最后5-15s，增大磁场搅拌功率至W₄，其中磁场功率关系为：W₂<W₁<W₃<W₄；

四、取件阶段

当铸件由上至下顺序凝固至下模浇口(22)截面时，关闭磁场并泄压，泄压后待铸件在型腔(21)内冷却至工艺规定要求后，开模取件。

9.根据权利要求8所述的一种带螺旋磁场的铸造方法，其特征在于：当采用密封罩(6)时，还包括以下步骤：充型第一阶段前，同时向保温炉(1)和密封罩(6)内充压0.1-1.0Mpa；充型时，保持密封罩(6)内压力不变，保温炉中压力持续增大；保压时，先以保温炉中充型时的压力保压0-10s，然后密封罩(6)泄压进行差压保压。

10.根据权利要求8或9所述的一种带螺旋磁场的铸造方法，其特征在于：充型第一阶段中，需对保温炉(1)中的充型压力进行补偿，采用以下公式：

P₁＝ρgH+ΔP

其中，P₁为充型压力；ΔP为第n次充型所需的补偿压力，设备可自动补偿，通常为3s；ρ为保温炉(1)内熔体的密度；g为重力加速度；H为满炉熔体时型腔(21)下表面至液面的高度；n为单个保温炉(1)在不补液情况下可参与铸造的次数；M为单次铸造中填充满所有型腔(21)所需的熔体重量；S为熔体浸入升液管后保温炉中的熔体截面面积，S_坩埚为保温炉内坩埚的直径面积，S_{升液管外径}为所有升液管外径之和，S_{升液管内径}为所有升液管内径之和。