專利名稱：一種提高合金熔體流動性的方法及旋轉(zhuǎn)電磁場產(chǎn)生裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及合金熔體，特別是關(guān)于-種提高合金熔體流動性的方法及裝置。
背景技術(shù)：
鋁硅合金因其具有良好的鑄造性能、機械性能而被廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天等 領(lǐng)域。當(dāng)前，隨著輕量化技術(shù)的迅速發(fā)展，尤其在鑄造成型過程中，對于薄壁件來講，薄壁充 型更是對合金的流動性等綜合性能提出了更高的要求，如何進(jìn)一步改善合金組織、提高成 型性能是廣大研究工作者所共同關(guān)注的問題。 液態(tài)金屬或液態(tài)合金的流動性可以認(rèn)為是在其它條件確定下的充型能力，它由液 態(tài)金屬的成分、溫度、雜質(zhì)含量等決定，與外界因素?zé)o關(guān)。通過對合金熔體進(jìn)行化學(xué)或物理 方法進(jìn)行處理，不僅可以改善合金的凝固組織、提高力學(xué)性能，也會對合金的流動性產(chǎn)生影 響。在化學(xué)處理方面，主要以往合金中添加化學(xué)元素為主，例如對于鋁合金來講，往合金熔 體中加入鍶、硼及混合稀土等元素改善其流動性。但是合金元素在熔體中的分布不均勻會 產(chǎn)生熱裂、偏析、貼膜等缺陷，尤其對于含鎂量較高的鋁合金來講，缺陷更加嚴(yán)重。通過將合 金元素復(fù)合添加的方法也可以提高鋁合金熔體的流動性，但所添加元素的配比不容易精確 控制，甚至?xí)砥渌绊?，如產(chǎn)生新的夾雜物等。因此,單一通過化學(xué)處理方法往往達(dá)不 到理想的效果，而通過物理方法或物理與化學(xué)相結(jié)合的方法對合金熔體進(jìn)行處理將是更為 有效的手段。 利用旋轉(zhuǎn)電磁場來改善合金熔體的均勻性和流動性是對合金熔體加工處理的典 型物理方法。在固-液相線溫度區(qū)間內(nèi)，利用旋轉(zhuǎn)電磁場作用于過冷合金熔體是制備半固 態(tài)漿料的常用方法。在液相線以上不高的溫度區(qū)間內(nèi)，利用旋轉(zhuǎn)電磁場作用于過熱合金熔 體也是液態(tài)金屬加工處理的重要方式。而液相線以上一定溫度區(qū)間內(nèi)，控制過熱合金熔體 的冷卻過程中，通過利用旋轉(zhuǎn)電磁場連續(xù)作用于熔體，來改變?nèi)垠w的結(jié)構(gòu)進(jìn)而改善流動性 的研究目前尚未見相關(guān)報道。 加熱保溫處理同樣也是使合金熔體溫度和濃度場更加均勻的有效方法，對于改善 熔體的狀態(tài)和結(jié)構(gòu)也有促進(jìn)作用。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的目的就是提供一種提高合金熔體流動性的方法及裝置， 它利用"加熱保溫+攪拌冷卻"的復(fù)合工藝有效地提高了合金熔體在澆鑄時的流動性。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案一種提高合金熔體流動性的方法，包 括如下步驟 1)對合金進(jìn)行加熱熔煉和保溫處理首先將合金進(jìn)行加熱熔煉，達(dá)到液相線以上 一定溫度后，進(jìn)行保溫，得到確定溫度的過熱合金熔體； 2)對過熱合金熔體進(jìn)行攪拌冷卻處理將步驟1)中產(chǎn)生的過熱合金熔體定量置 于旋轉(zhuǎn)電磁場產(chǎn)生裝置中，使過熱合金熔體在旋轉(zhuǎn)電磁場的作用下發(fā)生攪拌，同時以一定
3的冷卻速度降低至澆鑄溫度，獲得待澆鑄的合金熔體。 盛裝所述合金熔體的坩堝由具有一定強度的耐高溫非電磁屏蔽材料制成。 在步驟1)中，對所述合金進(jìn)行加熱熔煉達(dá)到保溫溫度之前,進(jìn)行第一次保溫,保
溫時間2(Min，并進(jìn)行扒渣處理。
對合金熔體進(jìn)行保溫的過程，采用以下方法之 一 ①在保溫爐中進(jìn)行，待到攪拌冷 卻時再從保溫爐轉(zhuǎn)移至旋轉(zhuǎn)電磁場產(chǎn)生裝置中；②直接在旋轉(zhuǎn)電磁場產(chǎn)生裝置中進(jìn)行。
所述合金熔體為鋁合金時，則在步驟1)中，鋁合金熔體的保溫溫度為650 95(rC，保溫時間為30 4()niin ;在步驟2)中，鋁合金熔體的攪拌起始溫度為650 900°C 溫度，冷卻速度為0. 5 1. 2°C /s，攪拌時間為30 90s。 —種實現(xiàn)上述方法的旋轉(zhuǎn)電磁場產(chǎn)生裝置，其特征在于它包括一本體電磁攪拌 器,在所述本體電磁攪拌器的壁體中設(shè)置有幾個均布的磁場發(fā)生源,各所述磁場發(fā)生源周 圍流經(jīng)有循環(huán)冷卻水，所述磁場發(fā)生源外連到一控制柜，在所述本體電磁攪拌器的內(nèi)側(cè)空 腔底部墊設(shè)有熱絕緣墊片，緊貼所述本體電磁攪拌器的內(nèi)側(cè)壁設(shè)置有溫控器,所述溫控器 的內(nèi)腔為放置坩堝的空間，所述溫控器外連到控制儀表。 所述循環(huán)冷卻水在一循環(huán)冷卻系統(tǒng)中流通，所述循環(huán)冷卻系統(tǒng)包括一水箱，所述
水箱的出水管通過水泵連接到到一熱交換器,所述熱交換器的冷水出口連接所述本體電磁
攪拌器的進(jìn)水管，所述本體電磁攪拌器的出水管回接到所述水箱。 所述磁場發(fā)生源為磁繞組式或磁極式之一。 所述控制柜的勵磁頻率為0 100Hz，勵磁電流為0 300A。 本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點1、本發(fā)明采用"加熱保溫+攪拌 冷卻"的復(fù)合工藝，比單--熔體的加工處理方式具有優(yōu)越性，對合金熔體進(jìn)行復(fù)合工藝加工 處理，所產(chǎn)生的效果不是一種簡單的累加作用，而是一種疊加的復(fù)合作用。因此，本發(fā)明以 合金熔體的加熱保溫為基本處理工序，以旋轉(zhuǎn)電磁場的作用作為主要處理工序,通過"加熱 保溫+攪拌冷卻"復(fù)合的方法對合金熔體進(jìn)行加工處理，提高了其流動性。2、與其它攪拌作 用相比，旋轉(zhuǎn)電磁場攪拌改變了熔體的初始結(jié)構(gòu)與狀態(tài)，加速了熔體中原子或原子集團(tuán)的 擴(kuò)散與重新組合，使熔體中溫度場和濃度場的分布更加均勻，進(jìn)而改善了熔體的流動狀態(tài)； 同時旋轉(zhuǎn)電磁場作用還改變了凝固過程，使凝固組織得到細(xì)化與均勻化,減小了合金熔體 的流動阻力，提高了其補縮能力，進(jìn)而使流動性提高。3、旋轉(zhuǎn)電磁場對合金熔體作用不會產(chǎn) 生污染，且成本比較低，易于應(yīng)用于生產(chǎn)實際。4、合金熔體的加熱保溫處理同樣使熔體溫度 和濃度場更加均勻，對于改善熔體的狀態(tài)與結(jié)構(gòu)也有促進(jìn)作用。本發(fā)明工藝簡單，易于在生 產(chǎn)中實現(xiàn)，適用于砂型、金屬型鑄造、低壓鑄造等。


圖1為旋轉(zhuǎn)電磁場產(chǎn)生裝置的結(jié)構(gòu)示意圖
圖2為磁繞組水循環(huán)冷卻系統(tǒng)圖 [酬 圖3為本發(fā)明實施例一的流動指數(shù)對比圖 圖4為本發(fā)明實施例二的流動指數(shù)對比圖
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一歩說明，但本發(fā)明并不限于以下實施例。
本發(fā)明提供的提高合金熔體流動性的方法，其包括如下步驟 1)對合金進(jìn)行加熱熔煉和保溫處理首先將合金進(jìn)行加熱熔煉，達(dá)到液相線以上 -一定溫度后，進(jìn)行保溫,得到確定溫度的過熱合金熔體； 2)對過熱合金熔體進(jìn)行攪拌冷卻處理將歩驟1)中產(chǎn)生的過熱合金熔體定量置 于旋轉(zhuǎn)電磁場產(chǎn)生裝置中，使過熱合金熔體在旋轉(zhuǎn)電磁場的作用下發(fā)生攪拌，同時以一定 的冷卻速度降低至澆鑄溫度，獲得待澆鑄的合金熔體。 上述步驟中，對合金熔體進(jìn)行保溫的過程,可以先在保溫爐中進(jìn)行，待到攪拌冷卻 時再從保溫爐轉(zhuǎn)移至旋轉(zhuǎn)電磁場產(chǎn)生裝置中；也可以對合金熔體加熱到規(guī)定溫度后，直接 放置到旋轉(zhuǎn)電磁場產(chǎn)生裝置中進(jìn)行保溫。 在該方法中，盛裝合金熔體的坩堝為一定強度的耐高溫非電磁屏蔽材料制成，如 不銹鋼坩堝或石墨坩堝。 在該方法的歩驟2)中，旋轉(zhuǎn)電磁場產(chǎn)生裝置可以為磁繞組式攪拌器或磁極旋轉(zhuǎn) 式攪拌器,只要能使合金熔體狀態(tài)與結(jié)構(gòu)得到改善，各種常用的旋轉(zhuǎn)電磁場產(chǎn)生裝置都可 以，如通過調(diào)節(jié)勵磁電流和頻率的大小來改變旋轉(zhuǎn)電磁場強度的攪拌裝置等均適用。
適用于本發(fā)明方法的--種鋁合金熔體的保溫溫度為650 950t:,保溫時間為 30 40min ;攪拌溫度為650 90(TC溫度，熔體攪拌過程中的冷卻速度為0. 5 1. 2°C /s， 攪拌時間為30 90s。實際操作中，具體可為開啟熔化電阻爐,將鋁合金放入石墨坩堝中， 升溫至720 75(rC進(jìn)行保溫,待合金完全熔化后靜置保溫2()rain，精煉扒渣處理。然后將 合金熔體倒入預(yù)熱的坩堝中(熔體裝滿坩堝)，加密封蓋后放入保溫爐中進(jìn)行加熱保溫，保 溫溫度為650 95(TC，保溫時間為30 40min，然后將盛有熔體的柑堝從保溫爐中取出， 轉(zhuǎn)移至旋轉(zhuǎn)電磁場攪拌器內(nèi)腔中，啟動攪拌器,在650 90(TC溫度區(qū)間內(nèi)對合金熔體進(jìn)行 電磁場處理，該過程中熔體冷卻速度控制在0. 5 1. 2°C /s,攪拌時間為30 9()s,攪拌結(jié) 束后過熱熔體稍微靜置后進(jìn)行澆鑄，澆鑄溫度為630 750°C。 為了實現(xiàn)上述方法，本發(fā)明提供了一種旋轉(zhuǎn)電磁場產(chǎn)生裝置，如圖1所示，它包括 本體電磁攪拌器、控制柜、冷卻系統(tǒng)、溫控器、熱絕緣墊片等。本體電磁攪拌器1為圓桶形， 在本體電磁攪拌器的桶壁中設(shè)置有六個相同的磁繞組2，磁繞組采用星形連接，均勻分布在 攪拌器桶壁內(nèi)，當(dāng)接通三相電流時，就會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電磁場。磁繞組外連到控制柜3，磁繞組的 磁場強度通過調(diào)節(jié)控制柜的勵磁電流和頻率來改變，勵磁頻率和電流為無級可調(diào)。磁繞組 2采用獨立的循環(huán)冷卻水直接冷卻,本發(fā)明提供的一種水循環(huán)冷卻系統(tǒng)如圖2所示，它包括 由水箱4、熱交換器5、水泵6和本體電磁攪拌器1組成的水循環(huán)管路。水箱4的出水通過 水泵6流入到熱交換器5 ;熱交換后產(chǎn)生的冷水經(jīng)本體電磁攪拌器1上的入水管流進(jìn)本體 電磁攪拌器，直接冷卻磁繞組2，然后經(jīng)本體電磁攪拌器....匕的出水管流回到水箱4。在本體 電磁攪拌器1的內(nèi)側(cè)空腔底部墊設(shè)有熱絕緣墊片7,緊貼本體電磁攪拌器的內(nèi)壁，并且在熱 絕緣墊片7之上，放置有環(huán)形溫控器8,溫控器8上外連有控制儀表9。在溫控器的內(nèi)側(cè)，留 有能夠放置坩堝IO的空間。 上述提供的旋轉(zhuǎn)電磁場產(chǎn)生裝置僅是其中的一種，本體電磁攪拌器中的磁場發(fā)生 源可以是磁繞組式或磁極旋轉(zhuǎn)式均可,只要能使合金熔體狀態(tài)與結(jié)構(gòu)得到改善，各種常用的旋轉(zhuǎn)電磁場產(chǎn)生裝置都可以，如通過調(diào)節(jié)勵磁電流和頻率的大小來改變旋轉(zhuǎn)電磁場強度 的攪拌裝置等均適用。 工作時，將裝有過熱合金熔體11的坩堝10放置到溫控器8中，在坩堝的密封蓋12 上加設(shè)壓塊13，并將一熱電偶14穿過密封蓋插入到坩堝中。開啟攪拌器本體和溫控器，使裝 置在--定的磁場強度下和冷卻速度下,發(fā)生攪拌，通過控制本體電磁攪拌器和溫控器來控制 熔體的流動性和凝固行為。下面是應(yīng)用此方法和此裝置進(jìn)行的兩個實驗的具體實施例
實施例1 選取適用于本發(fā)明方法的鋁合金，各元素及其質(zhì)量百分含量分別為Si :7.0 12. 7% ;Mg :0. 40 0. 90% ;Ti :0. 10 0. 20% ;余量為雜質(zhì)及Al ;其中，雜質(zhì)為Fe、 Zr、 Cu、 Zn或Mn中的任意一種或幾種的混合物，F(xiàn)e元素的含量小于0. 06%， Zr元素的含量小 于0. 005%， Cu元素的含量小于0. 02%， Zn元素的含量小于0. 003%, Mn元素的含量小于 0. 005% ;雜質(zhì)的總含量小于0. 1%。 試驗用鋁合金鑄錠的化學(xué)成分如表1所示,采用差熱分析(DSC)方法測得該合金 液相線溫度約為616. 9t:，二元共晶溫度約為577. 2°C。本試驗中鋁合金的用量為1. 6Kg，熔 化爐中合金的質(zhì)量為16Kg。 表1試驗用鋁合金鑄錠的化學(xué)成分(質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，％ )
兀 素SiMgTiFeCuZnZrMnAl
含 量7.970.600.180.0510.0100.0026O.005<0.0()5余量 本實施例所用攪拌裝置為磁繞組式旋轉(zhuǎn)電磁場產(chǎn)生裝置，控制柜的勵磁電流和頻 率的調(diào)節(jié)范圍分別為I = 0 100A、 f = 0 50Hz。 將石墨坩堝放入熔煉爐中，電阻爐功率為18KW，當(dāng)溫度升至72(TC進(jìn)行保溫，待合 金完全熔化后靜置保溫20min,精煉扒渣處理,熔體實測溫度725°C ，然后將合金熔體倒入 預(yù)熱的不銹鋼坩堝中，加密封蓋后放入保溫爐中加熱保溫3()niin，合金熔體的實測溫度為 796°C ，然后將裝滿熔體的坩堝從保溫爐中取出轉(zhuǎn)移至本體電磁攪拌器中，通過控制柜開啟 本體電磁攪拌器(勵磁電流I = 30A、勵磁頻率f = 20Hz)，攪拌開始溫度為78(TC，攪拌時
間為45s,攪拌過程中熔體冷卻速度為i. rc /s，攪拌結(jié)束后將合金熔體從本體電磁攪拌器
中取出，過熱熔體稍微靜置后進(jìn)行澆鑄，澆鑄溫度為722°C ，直接澆入同心三螺旋線流動性 測試裝置，澆杯預(yù)熱溫度為100t;，螺旋鑄型烘干后表面溫度為30"C，不銹鋼坩堝中的合金 熔體全部澆入螺旋鑄型，獲得過熱合金熔體經(jīng)復(fù)合工藝加工處理后的螺旋型試樣，其形狀 及大小參照《鑄造工藝基礎(chǔ)(1979年，北京出版社)》的方法進(jìn)行設(shè)計，每間隔50mm刻有標(biāo) 記。室溫凝固一段時間后取出試樣，以每次測試的三條螺旋線金屬流動長度即流動指數(shù)1々 的算術(shù)平均值作為測試結(jié)果。 未經(jīng)電磁攪拌的螺旋試樣的獲得與電磁攪拌的其它過程保持完全相同，測試結(jié)果 的對比如圖3所示。通過對比圖中不同熔體處理方式獲得合金試樣的I^可以看出，與未經(jīng) 旋轉(zhuǎn)電磁場作用的合金熔體流動性相比，在722"C澆鑄溫度下，合金熔體經(jīng)過攪拌處理后，
6平均流動指數(shù)提高2%。
實施例2 試驗用合金、旋轉(zhuǎn)電磁場產(chǎn)生裝置及工藝過程與實施例1相同，區(qū)別在于熔體加
熱保溫溫度不同，本實施例中的加熱保溫溫度為75(TC，攪拌開始溫度為725。C;澆鑄溫度不 同，本實施例中澆鑄溫度為670°C 。合金熔體未經(jīng)旋轉(zhuǎn)電磁場處理的其它條件與經(jīng)電磁場處 理的條件相同，流動性測試結(jié)果的對比如圖4所示，通過對比圖中不同合金試樣的1^可以 看出，與未經(jīng)旋轉(zhuǎn)電磁場作用的合金熔體流動性相比，在67(TC澆鑄溫度下，合金熔體經(jīng)過 攪拌處理后，平均流動指數(shù)顯著增大，提高了13%。說明熔體加熱保溫與旋轉(zhuǎn)電磁場作用使 合金熔體狀態(tài)與結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,進(jìn)而使熔體溫度場與濃度場更加均勻,提高了其流動性。
權(quán)利要求
一種提高合金熔體流動性的方法，包括如下步驟1)對合金進(jìn)行加熱熔煉和保溫處理首先將合金進(jìn)行加熱熔煉，達(dá)到液相線以上一定溫度后，進(jìn)行保溫，得到確定溫度的過熱合金熔體；2)對過熱合金熔體進(jìn)行攪拌冷卻處理將步驟1)中產(chǎn)生的過熱合金熔體定量置于旋轉(zhuǎn)電磁場產(chǎn)生裝置中，使過熱合金熔體在旋轉(zhuǎn)電磁場的作用下發(fā)生攪拌，同時以一定的冷卻速度降低至澆鑄溫度，獲得待澆鑄的合金熔體。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種提高合金熔體流動性的方法，其特征在于盛裝所述合金 熔體的坩堝由具有一定強度的耐高溫非電磁屏蔽材料制成。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種提高合金熔體流動性的方法，其特征在于在步驟1)中，對所述合金進(jìn)行加熱熔煉達(dá)到保溫溫度之前，進(jìn)行第一次保溫，保溫時間20min，并進(jìn)行扒 渣處理。
4. 如權(quán)利要求1所述的一種提高合金熔體流動性的方法,其特征在于對合金熔體進(jìn) 行保溫的過程，采用以下方法之一①在保溫爐中進(jìn)行，待到攪拌冷卻時再從保溫爐轉(zhuǎn)移至 旋轉(zhuǎn)電磁場產(chǎn)生裝置中；②直接在旋轉(zhuǎn)電磁場產(chǎn)生裝置中進(jìn)行。
5. 如權(quán)利要求1或2或3或4所述的一種提高合金熔體流動性的方法，其特征在于 所述合金熔體為鋁合金時，則在步驟1)中，鋁合金熔體的保溫溫度為650 95(TC，保溫時 間為30 40min ;在步驟2)中，鋁合金熔體的攪拌起始溫度為650 90()nC溫度，冷卻速度 為0. 5 1. 2°C /s，攪拌時間為30 90s。
6. —種實現(xiàn)如權(quán)利要求1 5之一所述的旋轉(zhuǎn)電磁場產(chǎn)生裝置，其特征在于它包括 一本體電磁攪拌器,在所述本體電磁攪拌器的壁體中設(shè)置有幾個均布的磁場發(fā)生源,各所 述磁場發(fā)生源周圍流經(jīng)有循環(huán)冷卻水，所述磁場發(fā)生源外連到一控制柜，在所述本體電磁 攪拌器的內(nèi)側(cè)空腔底部墊設(shè)有熱絕緣墊片，緊貼所述本體電磁攪拌器的內(nèi)側(cè)壁設(shè)置有溫控 器，所述溫控器的內(nèi)腔為放置坩堝的空間，所述溫控器外連到控制儀表。
7. 如權(quán)利要求6所述的一種旋轉(zhuǎn)電磁場產(chǎn)生裝置,其特征在于所述循環(huán)冷卻水在一 循環(huán)冷卻系統(tǒng)中流通，所述循環(huán)冷卻系統(tǒng)包括一水箱，所述水箱的出水管通過水泵連接到 到-熱交換器，所述熱交換器的冷水出口連接所述本體電磁攪拌器的進(jìn)水管，所述本體電 磁攪拌器的出水管回接到所述水箱。
8. 如權(quán)利要求6所述的一種旋轉(zhuǎn)電磁場產(chǎn)生裝置，其特征在于所述磁場發(fā)生源為磁 繞組式或磁極式之一。
9. 如權(quán)利要求6或7所述的一種旋轉(zhuǎn)電磁場產(chǎn)生裝置，其特征在于所述控制柜的勵 磁頻率為0 100Hz，勵磁電流為0 300A。
10. 如權(quán)利要求8所述的一種旋轉(zhuǎn)電磁場產(chǎn)生裝置，其特征在于所述控制柜的勵磁頻 率為() l()()H:z，勵磁電流為0 3()0A。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種提高合金熔體流動性的方法及裝置，該方法包括如下步驟1)將鋁合金進(jìn)行加熱熔煉后進(jìn)行加熱保溫處理，得到過熱鋁合金熔體；2)將保溫處理后的過熱鋁合金熔體移至旋轉(zhuǎn)電磁場產(chǎn)生裝置中進(jìn)行攪拌冷卻處理。本發(fā)明的一種旋轉(zhuǎn)電磁場產(chǎn)生裝置，包括一本體電磁攪拌器，在本體電磁攪拌器的壁體中設(shè)置有幾個均布的磁場發(fā)生源，磁場發(fā)生源周圍流經(jīng)有循環(huán)冷卻水，磁場發(fā)生源外連到一控制柜，本體電磁攪拌器的內(nèi)側(cè)空腔中，底部墊設(shè)有熱絕緣墊片，內(nèi)側(cè)壁設(shè)置有溫控器，溫控器的內(nèi)側(cè)留有放置坩堝的空間，所述溫控器外連到控制儀表。本發(fā)明是一種“加熱保溫+攪拌冷卻”疊加的復(fù)合作用，有效地改善合金的組織性能和流動性。該方法工藝簡單，適用范圍廣。
文檔編號B22D1/00GK101708531SQ200910093920
公開日2010年5月19日 申請日期2009年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月23日
發(fā)明者何良菊, 弭光寶, 李培杰, 王晶 申請人:清華大學(xué)