CN116475365A - 用于超声处理和转移熔融金属的装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及用于超声处理和转移熔融金属的装置及其方法，包括用于接收熔融金属的浇包；用于产生超声振动而在熔融金属中产生空化气泡的换能器；和波导；其中该换能器通过用于将超声振动从换能器引导至浇包的波导连接至浇包。
Description
技术领域
本发明涉及有色合金的熔融金属处理。本发明涉及一种由使用者转移熔融金属的装置及其方法。具体而言，涉及在合金熔体转移期间通过超声辅助的浇包(ladle)，提供可靠而直接的熔融金属处理方法，由于孔隙率降低和浇注的组件的微结构精细化而使机械性能得到显著改善。
背景技术
通常，熔融铝中存在两种主要杂质，非金属夹杂物和溶解氢。氢是铝铸件的主要气体孔隙来源，因为其是唯一在熔融铝中具有显著溶解度的气体。在液态铝中，氢溶解度非常高，并且随着熔体温度的升高而增加。然而，溶解度在凝固点会发生显著变化，会从液体中约0.7mL H2/100mg Al下降到固态中约0.03mL H2/100mg Al。出于这个原因，特别是在处理高强度铸造合金时，熔融合金的氢含量必须保持尽可能低。
取决于合金及其冷却速率，氢气可能产生足够的气体孔隙而降低机械性能、耐腐蚀和热撕裂性。由于冷却速度低，溶解于液体中的氢气会导致砂重力铸造中铸件的高孔隙率。
铸造中容许的孔隙率由铸造方法和组件规格决定。
在液态铝中，氢以原子形式存在。要被去除，氢原子必须结合形成氢气分子，但这是一个复杂的机制。
传统上，为了解决这个问题，在压力下以微气泡的形式将无氢气体(例如，氩气、氮气)引入液态金属中，由此通过处理氢气转化，氢原子可以自发在惰性气泡内迁移和扩散，随后传送到熔体表面而被去除。该过程可以概括为以下步骤：(i)通过扩散和对流的组合过程将氢原子传输到惰性气泡表面；(ii)氢吸附于气泡表面；(iii)氢反应而形成氢气分子，并扩散到气泡内部；(iv)气泡逸出至熔体表面。此外，非金属固体颗粒通过在压力下引入液态金属中的气泡所产生的漂浮效应而被扫到表面上，然后被撇去。这个过程被称为“金属脱气”。
多年来已经提出了几种设备和方法处理有色合金熔融金属。例如，文献US6887424B2描述了一种用于有色金属如铝和镁合金的连续脱气的在线脱气装置。文献US5660614A公开了一种在铸造或涉及金属冷却和凝固的其他方法之前用气体处理熔融金属的方法和装置。然而，这种用于熔融金属脱气的设备和方法多年来一直会降低效率并促进需要处理或惰性化的熔渣形成。在文献US4290590、CN101568397A或EP0786015A1中可以查阅到使用气体扩散板或类似装置产生所需气体/金属接触的“金属脱气”的其他实例。然而，用这些装置产生的气泡仍然趋于过大，并且考虑到要处理的体积，必须使处理时间过长才能实现有效脱气，并且必须使引入的气体体积相对较大。为了克服前面提到的缺点，文献US6689310B1公开了一种通过使用叶轮设备对熔融金属进行脱气的新变体。该设备包括叶轮和具有第一端和第二端的杆轴，该杆轴随后连接到叶轮，可以有效地将气体混合到熔融金属中，通过将气泡分配到整个熔融金属体积内的能力而促进熔浴的纯化。然而，根据所用的气体类型和叶轮旋转，形成的炉渣可能是惰性的，也可能不是惰性的，并且会对环境产生显著影响，并为企业带来高昂的额外成本。此外，该装置占用了大量的地面空间，并且随着加工时间推移而引入的气体量会导致金属温度损失，这需要通过其他系统进行补偿，才能确保完全填充模腔。
几个问题与“金属脱气”的现有技术设备和方法相关，这些问题使得它们将细化的气泡分散到熔融金属浴中的效率相对较低。上述证据导致了对其他解决方案的研究。从这个意义上而言，已经提出了使用物理机制(例如，超声波、电磁、搅拌)对熔融金属进行脱气。
例如，文献US5462572A提出了应用低频磁体对熔体进行感应搅拌以促进熔体细化、脱气、合金化、保持或铸造。然而，这种方法在铸造厂中需要有特定条件的适当设备。
在过去十年中已经探索了使用超声技术的“金属脱气”。超声有色合金脱气的一些实例传统上直接在熔融金属上进行(例如，文献US7682556B2、RU2719820C1、CN101418381B、CN101435064B、US10233515B1)，并且也间接在熔体所在的容器壁处(例如，EP0403411A、KR101449018B1)进行。无论采用何种装置，超声辅助熔融金属脱气的效率取决于振动向液体的传递方式。然而，公认的是，通过超声处理熔融金属的最佳方法是通过声辐射器和液体之间的直接接触。
使用这种技术(超声脱气)的主要缺点来自高温，高温倾向于改变辐射器的声学特性并因此导致谐振频率偏移。辐射器金属长时间暴露于声学处理是另一个缺点，直接后果是对其腐蚀，影响铸件质量。正在开发几种解决方案以将声波振动直接传递到熔融金属，如使用陶瓷辐射器解决这些问题。然而，振动衰减会导致超声系统设计复杂，要补偿高熔融金属体积中的振动损失，这对于缺乏工程知识的铸造厂来说是不切实际的。
有色金属合金的细化传统上是通过不同设备向熔融金属中重复添加化学试剂而进行。文献US6073677A公开的一种优化铝合金晶粒细化的方法就是这种化学细化的优异实例。然而，使用的大多数化学试剂会有损于合金回收，由于衰退现象(fading phenomena)而导致效率低下，并且趋向于增加溶解气体进入熔融金属的水平(表面张力变化)，导致对合金回收铸造的机械性能产生中度影响。此外，反复使用化学试剂对熔融金属合金的细化是低效的、不均匀的、劳动密集型的，并且受加工时间和温度限制。
由于涉及的加工温度，对熔融金属处理使用物理过程仍然存在限制。例如，为了通过超声技术促进基质晶粒细化，加工温度必须更接近液相线，这对于采用熔融金属填充模具型腔是成问题的。
因此，需要开发出一种在短时间内提供有效处理的熔融金属处理装置和方法，其精确对应于填充模具型腔的金属体积。
本文公开这些事实是为了说明本公开所解决的技术问题。
发明内容
几种方法旨在将声能转移到熔融金属浴中；然而，这些方法都不是廉价的并且不易应用于工业铸造，因为没有可用于支持高温而不遭受侵蚀的声学辐射器材料。此外，由于熔融金属的粘度引起的衰减效应，进一步的空化效应(cavitation effect)，会限制声波传输范围。
本发明涉及一种应用于有色合金的熔体处理的用于合金转移的超声辅助浇包及其方法。
公开了一种在将合金熔体从坩埚转移到模具时使用超声振动的浇包，熔体脱气、微结构细化和微/纳米颗粒添加的步骤。换能器产生超声振动，优选压电换能器，这通过适当设计的放大器和波导传递，并直接施加于包含液态金属的浇包，产生空化气泡。在另一实施辐射中，有意提供惰性吹扫气体通过波导中适当设计的通道，提高涉及整个熔融金属体积的空化气泡数量。综合效果会导致脱气和细化的快速步骤，可以直接适用于重力铸造。
用于应用于有色合金熔体处理的合金转移的超声辅助浇包，基于熔融金属中引入的专门创建的声场以创建空间上均匀均匀分布的且宽带的多频空化，可以导致金属纯化；微结构细化；结构改性，提供更好和更快的熔体均化、合金化和微合金化优化、非金属夹杂物润湿和合金密度显著增加；和脱气。
本公开涉及一种使用通过超声辅助的浇包将熔融金属合金从坩埚或熔炉转移到模具腔体的新颖、可靠和可行的装置和方法。在一个实施方式中，该装置从保温炉(holdingfurnace)转移熔融金属，该保温炉是用于将在较大的炉中产生的熔融金属保持于铸造所需温度的小炉。其目的之一是为铸工浇铸期间进行处理提供简单且廉价的方法，将脱气和基质细化组合于一个步骤中，这可以直接应用于传统的铸造和浇铸，而无需任何额外费用。
在一个实施方式中，该设备在从坩埚或熔炉转移到模腔的过程中提供熔融金属超声处理，即在浇注阶段期间直接在浇包中进行超声处理，因此提供包括直接连接到手柄的压电换能器的新型浇包。
通过本公开，金属将在浇注阶段期间连续振动，这是该浇包和方法的众多优点之一，避免了金属湍流而因此避免了孔隙或夹杂物的出现。因此，声能向熔融金属的传播通过浇包界面直接完成，允许在工业中通常使用的温度下浇注熔体，而更适合工业实践实施。
在超声熔融金属处理的第一时刻，在从坩埚或熔炉收集熔融金属与浇注阶段之间经过的时间期间，该装置充当有利于熔体纯净的脱气器。在此时刻之后，进入熔融金属中的感应声学活性将在一定时间期间内保留下来，也称为声学记忆，随着熔融金属通量在整个模具型腔中传播。存留的气泡将会破碎，在整个熔体中产生声流，将晶核分布到周围的液体中，在熔融合金中产生大量晶核，声学刺激将有利于微米和纳米结晶。如果熔体中已经存在固体体积部分，则第一个树枝状晶粒可能破碎并分布于液态金属中，充当新晶核并促进球状晶粒的高密度。
如果熔体温度高于晶粒细化的最佳温度，则脱气更容易且更快，但微结构细化在如此高的温度下是低效的。因此，利用本发明的装置，结合提及的两个时刻确保了基质的均匀性，通过孔隙减少和浇注组件的微结构细化而改善机械性能。
还使得设备制造简单，组件数量减少，低电压工作，不经历高温，谐振频率无显著变化，并且对于任何采用重力模具铸造或重力砂/陶瓷模具的铸造厂而言都是廉价的。
本发明的一个方面涉及一种用于熔融金属超声处理和转移的装置，包括
浇包，用于接收熔融金属；
换能器，用于产生超声振动以在熔融金属中产生空化气泡；
波导；
其中换能器通过波导连接至浇包，用于将超声振动从换能器引导至浇包。
在一个实施方式中，波导的长度是超声振动的4-14个半波长，更优选8-12个半波长。
在一个实施方式中，在换能器和波导之间布置放大器，用于放大来自换能器的超声振动。
在一个实施方式中，在波导和浇包之间布置另外的放大器，用于放大来自波导的超声振动。
在一个实施方式中，该设备包括布置于另外的放大器周围的冷却环，用于降低来自浇包的热传递。
在一个实施方式中，该设备还包括气体入口和阀门，其放置在布置于波导和浇包之间的放大器上，用于插入吹扫气体。
在一个实施方式中，该设备包括用于将气体从阀门传递到浇包的内部通道。
在一个实施方式中，该设备包括气体源，气体选自氩气或氮气。
在一个实施方式中，气体包含熔融金属体积的0.1wt％-5wt％范围内的微米或纳米颗粒。
在一个实施方式中，该微米或纳米颗粒选自碳化硅(SiC)、碳化钛(TiC)、碳化硼(B4C)或氧化铝(Al2O3)或其混合物。
在一个实施方式中，该波导具有直径为20-50mm、优选35-38mm的圆柱形形状。
在一个实施方式中，内部通道具有2-10mm、优选3-6mm、更优选4mm的直径。
在一个实施方式中，冷却环包括用于冷却波导的空气压力。
在一个实施方式中，冷却环由钢，优选不锈钢制成。
在一个实施方式中，该换能器配置为施加具有18kHz-22kHz、优选19kHz-21kHz、更优选19.5kHz-20.5kHz频率的超声振动。
在一个实施方式中，该换能器是压电换能器。
在一个实施方式中，放大器配置为用于将从换能器到波导和/或从波导到浇包的超声振动放大1:1-2:5，优选1:2.0，更优选1:2.5。
在一个实施方式中，浇包由钢，优选不锈钢，优选不锈钢1.4749、Ti6Al4V或高温耐火材料，优选赛隆(Sialon)制成。
在一个实施方式中，浇包涂覆有氮化硅等离子涂层或氮化硼涂层。
在一个实施方式中，该设备包括两个把手，优选布置成使波导位于两个把手(grip)之间，优选布置于放大器周围，更优选布置于放大器的节点平面(nodal plane)周围。
本公开的另一方面涉及一种使用根据前述实施方式中任一项的设备的方法，包括以下步骤：
将浇包预热至200-300℃的温度；
用浇包从400-1050℃温度范围内的保温炉中收集熔融金属；
在转移期间启动换能器而施加超声振动，该超声振动由波导引导至浇包，以在浇包内的熔融金属中产生空化气泡；
将熔融金属倒入模具腔中；
其中空化气泡在熔融金属中生成并充分分布，声学激活熔体。
具体而言，空化气泡产生并充分分布于熔融金属的整个体积内，声学激活熔体。
在一个实施方式中，该方法包括插入温度为200-500℃的气体的步骤。
附图说明
以下附图提供了用于图示说明本公开的优选实施方式并且不应该将其视为限制本发明的范围。
图1是设备的一个实施方式的透视图，超声辅助浇包具有连接到压电换能器的长圆柱形状。
图2是设备的一个实施方式的透视图，超声辅助浇包具有圆柱形形状，具有连接到长圆柱形形状和连接到压电换能器的通道。
具体实施方式
图1显示了包含熔融金属的设备的实施方式的示意图，其中1代表换能器，优选压电换能器，连接至包括由2表示的放大器的细长手柄；3表示波导，优选具有圆柱形形状；4代表浇包；5表示两个手柄，优选两个把手，供铸造工握住该设备，把手位于放大器2的节点上；6表示由浇包输送的熔融金属介质，该熔融金属介质选自铝合金、镁合金、黄铜合金、扎马克锌基压铸合金(Zamak alloy)等，或其混合物。优选该把手围绕放大器2的每一端，允许使用者抓起和移动该设备；7代表冷却环。在另一个实施方式中，图2显示了设备的一个实施方式的示意图，其中8代表放大器，具有圆柱形形状，包括将气体输送到浇包4的轴向中心通道，允许少量，至多0.2m3/h的吹扫气体，由阀9插入(例如，氩气或氮气)，单独或与微米或纳米颗粒混合，可以通过中央通道引入，放大由换能器1至熔融金属介质6的振动传输产生的空化效应。在该实施方式中，引入熔融金属介质中的气泡将分解成小得多的气泡，通过声流放大而均匀分散于浇包4内含的整个体积，沿其路径收集溶解于熔融金属中的氢和夹杂物，将其传送到熔体的表面。这种配置可用于需要快速熔融金属处理的铸件之间的短周期浇注。冷却环7可以提供用于围绕布置于波导和浇包之间的放大器2或8，通过减少从熔融金属到其他组件(即，放大器2或8、波导3和换能器1)的热传递而将波导保持于低温。
图1的实施方式对于确保铸件在不同的有色合金，优选铝合金铸件中具有低水平的孔隙率和高水平的细化是非常有效的。然而，主要是为了需要快速熔融金属处理的情况下铸件之间短浇注周期，可以通入少量吹扫气以加速处理。因此，如图2所示，提出了一种变体，其中浇包4包括通道。吹扫气体(例如，氩气或氮气)由阀9通入。使用至多0.2m3/h的少量吹扫气体的目的之一是使超声诱导的空化气泡在熔融金属中存留并迅速倍增，而使该技术可以更快速。
优选该通道布置为从第二放大器进入浇包，其中该浇包的内表面包括一个用于释放气体的孔。该浇包的内表面是与熔融金属接触的表面。
对于该设备包括阀9的实施方式，声强将会提高，有助于将杂质和非金属夹杂物溶解、分散、减少或整合到熔融金属合金中，这在铸造部件的机械性能方面将是危害较小的问题。
考虑到金属基质复合材料(MMC)是改善轻合金机械性能的有前途的解决方案，一些作者认为常规合金本身在机械方面已达到其极限。因此，图2的实施方式可以用于将200-500℃，优选275-325℃的温度下预热的气体吹扫与一定量微米或纳米颗粒的混合物通入到超声波处理下的熔融金属中。该方法是可行的，避免了微米或纳米颗粒与合金基质的润湿性或沉降的问题，优于文献中报道的所有微米和纳米颗粒的插入问题。
对于图2中描述的实施方式，可以添加某些合金元素，如锡(Sn)、铋(Bi)和铅(Pb)，其可以更快地溶解并均匀分散于熔融金属中，促进软铝合金基质的制造。这种类型的合金可以用于需要高塑性和钎焊的特定应用。此外，在用这些元素生产铸锭后，由于这些单质的熔点较低(约330℃)，它们具有高塑性和较低轧制能量，因此可以容易通过轧制转变为箔片。
随着将这种设计应用于熔融金属处理，在具有精确熔体重量而生产组件的单个且受限的体积中，晶粒尺寸和次级相尺寸将相当小并且沿晶界均匀分布，从而允许在较低的人工老化时间内进行峰值老化，并且具有更高的硬度值。
在一个实施方式中，两个放大器之间的波导3产生高强度的均一且均匀的声学分布，从而允许在适当的有源振动域中消除驻波的产生，允许将手柄5定位于两个放大器节点平面上，为铸造工人握持该设备提供安全和舒适。
在一个实施方式中，冷却环7布置于浇包4和放大器2、8之间。冷却环7通过减少从熔融金属到其他组件的热传递而将波导保持于低温。
在一个实施方式中，冷却环7包括冷冻流体。
在一个实施方式中，冷却环7由钢，优选不锈钢制成。
在一个实施方式中，浇包4是半球形碗，其是常规形状，连接到具有直径20-50mm、优选35-38mm不等的圆柱形波导3，并且长度为4-14个半波长(HWL)，优选8-12HWL，通过具有不同放大率，即1:1、1:1.5、1:2或1.25，优选1.2或2.5的放大器2、8辅助来自源(工作于19-21kHz，优选19.5-20.5kHz的换能器1)的放大或未放大振动的传递。
包含熔融金属合金6的浇包4优化为以与换能器1相同的谐波谐振频率工作。
本公开的装置具有激发宽带声波和超声能量的能力，匹配超声波辅助的熔融金属加工中涉及的所有组件。
在一个实施方式中，浇包涂覆有合适的涂层，优选氮化硅等离子涂层或氮化硼涂层，使它们准备接收并以最小磨损通过超声辅助处理熔融金属，聚集由于传输的功率和必不条件而出现的空化和声流现象，以确保在尽可能短的时间内处理熔融金属。
在一个实施方式中，浇包4由不锈钢1.4749、Ti6Al4V或难容塞隆制成。
在一个实施方式中，浇包4具有转移0.1-4kg、优选0.5-1.5kg熔融金属的容量。
在一个实施方式中，浇包4使用电加热元件预热或在一定时间期间经受火焰，从而防止熔融金属6过度冷却。
在一个实施方式中，铝合金熔融金属从温度为680-720℃的坩埚或保温炉收集，并在加工周期期间经受浇包4中的振动，对应于要制造的部件。周期时间与收集时刻和熔融金属倾入钢或陶瓷材料制成的模腔之间的时间相匹配。
在一个实施方式中，镁合金熔融金属从温度650-680℃的坩埚或熔炉中收集，并在处理周期期间经受浇包4中的振动，对应于要制造的部件。周期时间与收集时刻和熔融金属倒入钢制模腔之间的时间相匹配。
在一个实施方式中，黄铜合金熔融金属从温度950-1050℃的坩埚或熔炉收集，并在加工周期期间经受浇包4中的振动，对应于要制造的组件。周期时间与收集时刻和熔融金属倾入钢或陶瓷材料制成的模腔之间的时间相匹配。
在一个实施方式中，扎马克锌基压铸合金熔融金属从温度400-450℃的坩埚或熔炉收集，并在加工周期期间经受浇包4中的振动，对应于要制造的组件。循环时间与收集时刻和熔融金属倒入钢制模腔之间的时间相匹配。
在浇注阶段期间，金属受到连续振动，这是该方法的众多优点之一，避免了金属湍流，从而避免了孔隙或夹杂物的出现。因此，声能向熔融金属6的传播直接通过浇包4界面完成，允许在工业中通常使用的温度下浇注熔体，并且更适合于工业实践实施。
在本文中无论何时使用的术语“包括”旨在表示存在特征、整数、步骤、组件，而不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、组件或其组。
本公开不应该以任何方式视为仅限于所描述的实施方式，并且本领域普通技术人员将会预见对其修改的许多可能性。上述实施方式是可组合的。
Claims (15)
1.一种用于熔融金属的超声波处理和转移的装置，包括：
浇包，用于接收所述熔融金属；
换能器，用于产生超声振动以在所述熔融金属中产生空化气泡；
波导；
其中所述换能器通过用于将所述超声振动从所述换能器引导至所述浇包的所述波导连接至所述浇包。
2.根据前述权利要求所述的装置，其中，所述波导的长度是所述超声振动的4-14个半波长HWL，更优选8-12个HWL。
3.根据前述权利要求中任一项所述的装置，还包括布置于所述换能器和所述波导之间的用于放大超声振动的放大器。
4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，还包括位于所述波导和所述浇包之间的用于放大超声振动的另外的放大器。
5.根据权利要求4所述的装置，还包括围绕所述另外的放大器布置的冷却环，用于减少来自所述浇包的热传递。
6.根据前述权利要求所述的装置，还包括设置于布置于所述波导和所述浇包之间的所述放大器上的用于插入吹扫气体的气体入口和阀。
7.根据前述权利要求所述的装置，还包括用于将气体从所述阀传递到所述浇包的内部通道。
8.根据权利要求6至7所述的装置，包括气体源，其中气体选自氩气或氮气。
9.根据权利要求6至8所述的装置，其中，气体包含熔融金属的0.1wt％至5wt％的选自碳化硅、碳化钛、碳化硼或氧化铝(Al2O3)或它们的混合物的微米颗粒或纳米颗粒。
10.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述波导具有直径为20-50mm、优选35-38mm的圆柱形。
11.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述换能器配置为施加频率为18kHz-22kHz、优选19kHz-21kHz、更优选19.5kHz-20.5kHz的超声振动。
12.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述换能器是压电换能器。
13.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述放大器配置为将从所述换能器到所述波导和/或从所述波导到所述浇包的所述超声振动放大1:1-1:2.5，优选1:2.0，更优选1:2.5。
14.根据前述权利要求中任一项所述的装置，还包括两个把手，优选布置为使所述波导位于所述两个把手之间，优选布置于所述放大器周围，更优选布置于所述放大器的节点平面周围。
15.使用根据前述权利要求中任一项所述的装置的方法，包括以下步骤：
将所述浇包预热至200-300℃的温度；
用所述浇包由400-1050℃范围内的温度下的保温炉中收集所述熔融金属；
在转移期间启动所述换能器而施加超声振动，所述超声振动由波导引导至所述浇包，以在所述浇包内的所述熔融金属中产生空化气泡；
将所述熔融金属倒入模腔中；
其中所述空化气泡在所述熔融金属中产生并均匀分布，声学激活熔体。
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