CN118106469A - 间断行波磁场调控大液固区间青铜凝固过程的装置和方法 - Google Patents
间断行波磁场调控大液固区间青铜凝固过程的装置和方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种间断行波磁场调控大液固区间青铜凝固过程的装置和方法,装置包括两片行波磁场发生器,所述行波磁场发生器包括铁芯,所述铁芯外部缠绕有线圈,所述铁芯和线圈设置于外壳内,所述外壳内设置有冷却水,所述行波磁场发生器用于对连铸过程和模铸过程施加行波磁场;当行波磁场发生器用于连铸过程时,两片行波磁场发生器上下设置,两片行波磁场发生器内侧各设置有一个结晶器,两个结晶器间设置有铸坯;当行波磁场发生器用于模铸过程时,两片行波磁场发生器左右设置,两片行波磁场发生器间设置有坩埚,所述坩埚设置于耐火砖上。本发明通过施加行波磁场,改善大液固区间合金的凝固缺陷,同时细化晶粒,实现大液固区间合金的铸件质量的提高。
Description
技术领域
本发明涉及铜合金铸造技术领域,具体而言,尤其涉及一种间断行波磁场调控大液固区间青铜凝固过程的装置和方法。
背景技术
锡青铜具有良好的强度、较高的弹性、优异的耐腐蚀性能和耐磨性能,且易切削、加工和冲击时不产生火花,在轴承、齿轮、受压杆、电气接插件、海洋工业等众多领域应用广泛。但是由于锡青铜液固区间较大,Sn含量较高时通常具有170℃~200℃左右的大液固区间。在凝固过程中,由于液固区间大,容易形成疏松、缩孔等铸造缺陷,严重影响铸件质量和产品合格率。在后续加工过程中,铸造缺陷的存在也容易导致裂纹和断裂,进而导致产品报废。因此必须对大液固区间锡青铜凝固过程进行调控,以消除铸造缺陷,提高铸件质量。
中国专利CN116140564A“高锡宽幅锡磷青铜合金带坯电磁水平连铸装置及连铸方法”提出了采用电磁装置改善水平连铸坯因铸坯宽度大、锡含量高而导致晶粒组织粗大、偏析加重的问题,也进一步改善石墨板的氧化和开裂问题,并提升石墨板的使用寿命。此方法采用电磁场改善铸坯晶粒和偏析问题,但是未涉及调控凝固过程、改善铸造缺陷领域。中国专利CN108339963A“一种差相位行波磁场电磁铸造方法”通过两组相位角差90°的电磁脉冲信号,在金属熔体中形成位相差行波磁场,从而增强了电磁场的搅拌作用,达到更好的晶粒细化效果。然而,该方法亦未涉及对大液固区间合金铸造缺陷的改善。细化晶粒是电磁搅拌技术的常见应用,主要原理是通过搅拌破碎枝晶,进而实现细化。本专利中利用磁场改善凝固缺陷与上述专利机理不同。主要原理是通过施加磁场改变大液固区间合金的流场以及、质热传输等,从而改善凝固缺陷。
Journal of Materials Science&Technology论文“Optimizing themicrostructures and mechanical properties of Al-Cu-based alloys with largesolidification intervals by coupling travelling magnetic fields withsequential solidification”针对Al-Cu合金施加行波磁场,产生强烈的长程定向环流,从而改变凝固过程中的质热传输和分布,进而影响凝固行为,实现了显微组织改善和力学性能的提升。但是,该研究中的Al-Cu合金液固区间仍较小,液固区间增大,铸造过程中更易形成铸造缺陷,铸造难度大幅增加。该论文研究内容不能简单复制到近200℃大液固区间合金的铸造缺陷改善上。
目前,还未有专利和论文等在行波磁场在近200℃大液固区间合金凝固过程调控、铸造缺陷改善、晶粒细化等方面的报道。
发明内容
根据上述提出不存在近200℃情况下对大液固区间锡青铜凝固过程进行调控的问题,而提供一种间断行波磁场调控大液固区间青铜凝固过程的装置和方法。本发明的目的是提供一种用于调控大液固区间合金凝固过程的间断行波磁场装置和方法,通过施加行波磁场,改善大液固区间合金的凝固缺陷,同时细化晶粒,实现大液固区间合金的铸件质量的提高。
本发明采用的技术手段如下:
一种间断行波磁场调控大液固区间青铜凝固过程的装置,包括两片行波磁场发生器,所述行波磁场发生器包括铁芯,所述铁芯外部缠绕有线圈,所述铁芯和线圈设置于外壳内,所述外壳内设置有冷却水,所述行波磁场发生器用于对连铸过程和模铸过程施加行波磁场;
当行波磁场发生器用于连铸过程时,两片行波磁场发生器上下设置,两片行波磁场发生器内侧各设置有一个结晶器,两个结晶器间设置有铸坯;
当行波磁场发生器用于模铸过程时,两片行波磁场发生器左右设置,两片行波磁场发生器间设置有坩埚,所述坩埚设置于耐火砖上。
进一步地,通过控制电源调控行波磁场发生器的开关、频率f、电流I和电压U以调控行波磁场。
本发明还提供了一种间断行波磁场调控大液固区间青铜凝固过程的方法,基于上述任一项间断行波磁场调控大液固区间青铜凝固过程的装置实现,包括如下步骤:
安装并开启行波磁场发生器,进行行波磁场作用下大液固区间合金凝固实验,并对铸锭铸造缺陷面积比例进行测量,对比间断行波磁场调控后铸造缺陷面积比例S1与所需缺陷面积比例S0的大小关系,当行波磁场作用于大液固区间青铜时,由于电磁搅拌作用使得熔体温度梯度减小同时搅拌可以熔断枝晶,进而实现细化晶粒的效果,在搅拌作用下溶体流动性改善、补缩效果增强,进而改善缩松缺陷;
当S1>S0时,改变行波磁场开关时间、频率f、电流I、电压U的参数,减小缩松缺陷面积S1,提升铸坯质量;
当S1<S0时,停止调整,并记录此时的磁场参数,将此时的磁场参数用做实现凝固缺陷控制和稳定生产。
进一步地,当行波磁场发生器用于模铸过程时,采用间断行波磁场控制磁场在凝固过程的作用起始时间和终止时间,以利于实现最优搅拌效果和节约能源;对于连铸方式,通过控制行波磁场作用范围以实现最优搅拌效果和节约能源。
进一步地,所述铸造缺陷面积比例S1的获取方法如下:对铸锭断面磨、抛后,对铸造缺陷拍照,利用图像处理软件计算得到S1。
较现有技术相比,本发明具有以下优点:
本发明通过间断行波磁场,调控大液固区间合金凝固过程,实现铸件铸造却缺陷改善和组织调控,通过间断方式实现最优电磁搅拌效果并充分节约能源,达到大液固区间合金铸件的良好、稳定的生产。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明间断行波磁场装置结构示意图;
图2为本发明连铸过程间断行波磁场装置安装示意图;
图3为本发明模铸过程间断行波磁场装置安装示意图;
图4本发明施加间断磁场前后铸锭铸造缺陷改善情况对比图;
图5本发明施加间断磁场前后铸锭宏观组织对比图;
图6本发明施加间断磁场前后铸锭微观组织对比图。
图中:1、行波磁场发生器;2、铁芯;3、线圈;4、外壳;5、冷却水;6、结晶器;7、铸坯;8、坩埚;9、耐火砖。
具体实施方式
需要说明的是,在不冲突的情况下,本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的,决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时,其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明,否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时,应当清楚,为了便于描述,附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论,但在适当情况下,所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中,任向具体值应被解释为仅仅是示例性的,而不是作为限制。因此,示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到:相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项,因此,一旦某一项在一个附图中被定义,则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本发明的描述中,需要理解的是,方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,在未作相反说明的情况下,这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明保护范围的限制:方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述,在这里可以使用空间相对术语,如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等,用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是,空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如,如果附图中的器件被倒置,则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而,示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位),并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
如图1所示,本发明提供了一种间断行波磁场调控大液固区间青铜凝固过程的装置,通过施加行波磁场,改善大液固区间合金的凝固缺陷,同时细化晶粒,实现大液固区间合金的铸件质量的提高。包括两片行波磁场发生器1,所述行波磁场发生器1包括铁芯2,所述铁芯2外部缠绕有线圈3,所述铁芯2和线圈3设置于外壳4内,所述外壳4内设置有冷却水5,所述行波磁场发生器1用于对连铸过程和模铸过程施加行波磁场;
该行波磁场发生器1可根据铸锭调整尺寸,适用于连铸、模铸等铸造方式,通过控制电源调控行波磁场开关、频率f、电流I、电压U等;
当行波磁场发生器1用于连铸过程时,如图2所示,两片行波磁场发生器1上下设置,两片行波磁场发生器1内侧各设置有一个结晶器6,两个结晶器6间设置有铸坯7;
当行波磁场发生器1用于模铸过程时,如图3所示,两片行波磁场发生器1左右设置,两片行波磁场发生器1间设置有坩埚8,所述坩埚8设置于耐火砖9上。
本发明还提供了一种间断行波磁场调控大液固区间青铜凝固过程的方法,基于间断行波磁场调控大液固区间青铜凝固过程的装置实现,包括如下步骤:
安装并开启行波磁场发生器,进行行波磁场作用下大液固区间合金凝固实验,并对铸锭铸造缺陷面积比例进行测量,判断间断行波磁场调控后铸造缺陷面积比例S1与所需缺陷面积比例S0的大小关系;对铸锭断面磨、抛后,对铸造缺陷拍照,利用图像处理软件计算S1。
当S1>S0时,调整行波磁场开关时间、频率f、电流I、电压U等参数以改善磁场搅拌效果;
根据行波磁场参数,进行行波磁场调控大液固区间合金凝固过程的实验,直至铸件质量满足S1<S0,宏观和微观组织良好。实现凝固缺陷控制和稳定生产。
本发明中,磁场控制方式可以选择连续和间断方式,频率f、电流I、电压U可调节。其中,间断方式用于控制磁场在凝固过程的作用起始时间和终止时间,以利于实现最优搅拌效果和节约能源。对于连铸方式,通过控制行波磁场作用范围亦可实现最优搅拌效果和节约能源。
实施例
本实施例中,采用的大液固区间合金为锡青铜,其主要成分及各个成分的质量百分含量为:Sn含量为12wt%,P含量为0.1wt%,Cu为余量。
首先针对内腔尺寸为26mm×80mm×100mm的模具,设计了配套的间断行波磁场装置行波磁场装置,该行波磁场发生器每片尺寸为90mm×200mm×340mm,内含线圈180匝,示意图如图1所示。
然后根据图3所示组装方式安装设备,两片磁场发生器间距100mm,进行间断行波磁场调控大液固区间锡青铜凝固过程的实验。
经调整后,确定了较优磁场参数为频率50Hz、电流90A、磁场作用时间8min。磁场施加前后铸锭铸造缺陷改善情况如图4所示,铸造缺陷面积比例由不加磁场时的40.68%降低至8.96%。对铸锭进行金相腐蚀后,观察施加间断磁场前后铸锭宏观组织对比如图5所示。进一步对铸锭进行微观组织观察,施加间断磁场前后铸锭微观组织对比如图6所示。本实施例中,通过施加间断行波磁场,大液固区间锡青铜的铸造缺陷得到极大改善,晶粒细化明显,同时显著降低了微观组织中的一次枝晶臂长度。通过本发明所述间断行波磁场装置,实现了大液固区间凝固过程调控,大幅提升了铸锭质量。
最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (5)
1.一种间断行波磁场调控大液固区间青铜凝固过程的装置,其特征在于,包括两片行波磁场发生器,所述行波磁场发生器包括铁芯,所述铁芯外部缠绕有线圈,所述铁芯和线圈设置于外壳内,所述外壳内设置有冷却水,所述行波磁场发生器用于对连铸过程和模铸过程施加行波磁场;
当行波磁场发生器用于连铸过程时,两片行波磁场发生器上下设置,两片行波磁场发生器内侧各设置有一个结晶器,两个结晶器间设置有铸坯;
当行波磁场发生器用于模铸过程时,两片行波磁场发生器左右设置,两片行波磁场发生器间设置有坩埚,所述坩埚设置于耐火砖上。
2.根据权利要求1所述的间断行波磁场调控大液固区间青铜凝固过程的装置,其特征在于,通过控制电源调控行波磁场发生器的开关、频率f、电流I和电压U以调控行波磁场。
3.一种间断行波磁场调控大液固区间青铜凝固过程的方法,基于权利要求1和2中任一项权利要求所述的间断行波磁场调控大液固区间青铜凝固过程的装置实现,其特征在于,包括如下步骤:
安装并开启行波磁场发生器,进行行波磁场作用下大液固区间合金凝固实验,并对铸锭铸造缺陷面积比例进行测量,对比间断行波磁场调控后铸造缺陷面积比例S1与所需缺陷面积比例S0的大小关系,当行波磁场作用于大液固区间青铜时,由于电磁搅拌作用使得熔体温度梯度减小同时搅拌可以熔断枝晶,进而实现细化晶粒的效果,在搅拌作用下溶体流动性改善、补缩效果增强,进而改善缩松缺陷;
当S1>S0时,改变行波磁场开关时间、频率f、电流I、电压U的参数,减小缩松缺陷面积S1,提升铸坯质量;
当S1<S0时,停止调整,并记录此时的磁场参数,将此时的磁场参数用做实现凝固缺陷控制和稳定生产。
4.根据权利要求1所述的间断行波磁场调控大液固区间青铜凝固过程的方法,其特征在于,当行波磁场发生器用于模铸过程时,采用间断行波磁场控制磁场在凝固过程的作用起始时间和终止时间,以利于实现最优搅拌效果和节约能源;对于连铸方式,通过控制行波磁场作用范围以实现最优搅拌效果和节约能源。
5.根据权利要求3所述的间断行波磁场调控大液固区间青铜凝固过程的方法,其特征在于,所述铸造缺陷面积比例S1的获取方法如下:对铸锭断面磨、抛后,对铸造缺陷拍照,利用图像处理软件计算得到S1。
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PB01 | Publication | ||
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