本實(shí)用新型涉及一種鑄造裝置，特別是涉及一種可預(yù)熱金屬型及改善鑄造組織性能的超硬鋁鑄造復(fù)合電磁脈沖凝固組織處理裝置。

背景技術(shù)：

超硬鋁是目前發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮匿X合金之一，由于其具有強(qiáng)度相當(dāng)于超強(qiáng)度鋼(高達(dá)680Mpa)，并且重量輕等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于制作飛機(jī)蒙皮、翼肋、起落架等。但是由于超硬鋁的鑄造原始組織穩(wěn)定性不高，低周疲勞強(qiáng)度差等缺點(diǎn)，大大限制了其在特種設(shè)備中的使用。超硬鋁件通常通過(guò)鑄造獲得，鑄造方法和工藝是否恰當(dāng)直接關(guān)系到鑄錠質(zhì)量的優(yōu)劣。

金屬型鑄造在整體構(gòu)件生產(chǎn)中具有不需造型、導(dǎo)熱及蓄熱性好、精度高、光潔度高、金屬利用率高等特點(diǎn)，但其激冷作用大、氣孔率較大、復(fù)雜鑄型組織不均勻、無(wú)退讓性、透氣性、易產(chǎn)生冷隔及澆不足等缺陷是目前亟待解決的難題。由于鑄鐵的熱阻比銅大很多，所以一般連鑄結(jié)晶器用銅結(jié)晶器，使金屬液快速冷卻，同時(shí)銅結(jié)晶器可使鋁鑄件尺寸更加精細(xì)化。在保證精密鑄造的同時(shí)，工件內(nèi)部組織、成分也是影響其力學(xué)性能穩(wěn)定性的重要因素。過(guò)冷度增加可有效細(xì)化晶粒，增加形核率。在金屬型內(nèi)通入循環(huán)水來(lái)保證強(qiáng)制冷卻，可以顯著提升鑄錠質(zhì)量，若未經(jīng)預(yù)熱，澆鑄時(shí)鑄型受到強(qiáng)烈熱沖擊，內(nèi)應(yīng)力增倍，同時(shí)薄鑄件容易出現(xiàn)冷隔現(xiàn)象。為改善上述狀況通常先將金屬型預(yù)熱，傳統(tǒng)金屬型預(yù)熱方法有：燃?xì)忸A(yù)熱、電加熱、加熱爐預(yù)熱等，上述方法易出現(xiàn)加熱后溫降大、加熱不均勻、預(yù)熱溫度難以穩(wěn)恒控制等情況，并且加熱不均勻造成的鑄件薄帶的冷隔現(xiàn)象通過(guò)補(bǔ)熱方法改善過(guò)程很復(fù)雜，還有厚度過(guò)大的鑄件心部與邊部質(zhì)量變化較大，存在組織疏松、氣孔嚴(yán)重等問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是提供一種超硬鋁鑄造復(fù)合電磁脈沖凝固組織處理裝置，以解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，其可以使熔體內(nèi)的電磁能滲入最大化，在均勻預(yù)熱金屬型，提高鑄坯凝固過(guò)冷度的同時(shí)，通過(guò)電磁能對(duì)熔體心部組織進(jìn)行補(bǔ)償式處理，促使特厚鑄件心部組織細(xì)化更均勻，獲得高質(zhì)量、高精度鑄錠。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提供了如下方案：一種超硬鋁鑄造復(fù)合電磁脈沖凝固組織處理裝置，包括金屬型、邊部電磁脈沖裝置、頂部電磁脈沖裝置，所述金屬型的內(nèi)腔用于放置熔體，所述金屬型的側(cè)壁包括外層及內(nèi)層，所述外層和內(nèi)層之間形成水冷空腔，所述水冷空腔底部設(shè)有冷卻水入口、頂部設(shè)有冷卻水出口，所述邊部電磁脈沖裝置設(shè)置于所述金屬型外壁，所述頂部電磁脈沖裝置位于所述金屬型的內(nèi)腔正上方。

本實(shí)用新型超硬鋁鑄造復(fù)合電磁脈沖凝固組織處理裝置，其中，所述邊部電磁脈沖裝置包括邊部線圈、外置鐵芯，所述邊部線圈繞在所述金屬型側(cè)壁的外層，并且相鄰兩匝邊部線圈之間相互絕緣，所述外置鐵芯套在所述邊部線圈外，每匝邊部線圈與所述金屬型側(cè)壁的外層之間及每匝邊部線圈與所述外置鐵芯之間均相互絕緣。

本實(shí)用新型超硬鋁鑄造復(fù)合電磁脈沖凝固組織處理裝置，其中，所述金屬型的側(cè)壁的外層、邊部線圈、冷卻水入口、冷卻水出口上分別連接有溫度傳感器。

本實(shí)用新型超硬鋁鑄造復(fù)合電磁脈沖凝固組織處理裝置，其中，所述金屬型工作壁厚度H＝D/50，D為所述金屬型內(nèi)鑄錠熔體的直徑(cm)。

本實(shí)用新型超硬鋁鑄造復(fù)合電磁脈沖凝固組織處理裝置，其中，所述金屬型側(cè)壁的內(nèi)層上設(shè)置有固定有若干個(gè)散熱片，所述金屬型及所述散熱片均由銅制成。

本實(shí)用新型超硬鋁鑄造復(fù)合電磁脈沖凝固組織處理裝置，其中，所述每匝邊部線圈與所述金屬型側(cè)壁的外層之間設(shè)置絕緣陶瓷纖維。

本實(shí)用新型超硬鋁鑄造復(fù)合電磁脈沖凝固組織處理裝置，其中，所述頂部電磁脈沖裝置包括內(nèi)置鐵芯、頂部線圈、外殼，所述頂部線圈繞在所述內(nèi)置鐵芯上，所述頂部線圈、內(nèi)置鐵芯均位于所述外殼內(nèi)，相鄰兩匝所述頂部線圈之間相互絕緣，所述頂部線圈與所述內(nèi)置鐵芯及所述外殼之間均相互絕緣。

本實(shí)用新型超硬鋁鑄造復(fù)合電磁脈沖凝固組織處理裝置，其中，所述邊部線圈、頂部線圈均為由高溫漆包線繞制成的螺線管形中空銅線圈，所述中空銅線圈的中空腔內(nèi)通冷卻水，所述邊部線圈、頂部線圈由相同頻率的脈沖電源驅(qū)動(dòng)。

本實(shí)用新型超硬鋁鑄造復(fù)合電磁脈沖凝固組織處理裝置，其中，所述內(nèi)置鐵芯的直徑較小端靠近熔體，所述內(nèi)置鐵芯直徑較小端的端部距熔體表面10～20mm。

由于本實(shí)用新型超硬鋁鑄造復(fù)合電磁脈沖凝固組織處理裝置的金屬型的側(cè)壁包括外層及內(nèi)層，外層和內(nèi)層之間形成水冷空腔，并且邊部電磁脈沖裝置設(shè)于金屬型外壁，頂部電磁脈沖裝置位于金屬型的內(nèi)腔正上方，邊部電磁脈沖裝置既用于加熱金屬型又用于脈沖處理金屬液凝固組織，有效降低金屬型預(yù)熱成本并使金屬型預(yù)熱更均勻，減少因金屬型預(yù)熱不均勻帶來(lái)的鑄件缺陷，并延長(zhǎng)金屬型使用壽命，采用邊部電磁脈沖裝置、頂部電磁脈沖裝置組成的復(fù)合脈沖作用于熔體，復(fù)合脈沖裝置的電磁能對(duì)熔體心部組織進(jìn)行補(bǔ)償式處理，使熔體心部組織達(dá)到晶粒均勻細(xì)化的效果，獲得高質(zhì)量、高精度鑄錠。

另外，電磁脈沖作用于金屬型，使金屬型內(nèi)部自身產(chǎn)生渦電流，從而達(dá)到加熱的效果，使金屬型加熱均勻，補(bǔ)溫效果好，并可隨用隨加熱，使用方便。

還有，金屬型內(nèi)設(shè)置散熱片，可增加金屬型的散熱面積，增加金屬熔體過(guò)冷度，再結(jié)合電磁脈沖處理，可以獲得晶粒更細(xì)小均勻的組織，金屬型、散熱片均由銅制成，一方面可以保證精密鑄造要求，另一方面，由于銅的材料特性為良好導(dǎo)電性、低導(dǎo)磁性，其良好導(dǎo)電性保證在金屬型內(nèi)形成渦流，進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行感應(yīng)加熱，又對(duì)磁場(chǎng)滲入熔體中干擾較小，保證脈沖磁場(chǎng)對(duì)金屬液體的磁能作用，增加磁場(chǎng)對(duì)熔體的滲透深度，達(dá)到均勻細(xì)化晶粒的作用。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本實(shí)用新型實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本實(shí)用新型的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本實(shí)用新型超硬鋁鑄造復(fù)合電磁脈沖凝固組織處理裝置的整體剖視圖；

圖2為本實(shí)用新型超硬鋁鑄造復(fù)合電磁脈沖凝固組織處理裝置的金屬型的俯視圖；

圖3為本實(shí)用新型超硬鋁鑄造復(fù)合電磁脈沖凝固組織處理裝置所產(chǎn)生的電磁脈沖波形圖；

圖4為本實(shí)用新型超硬鋁鑄造復(fù)合電磁脈沖凝固組織處理裝置的金屬型中感應(yīng)電流數(shù)值模擬計(jì)算矢量圖；

圖5為本實(shí)用新型超硬鋁鑄造復(fù)合電磁脈沖凝固組織處理裝置中的熔體中產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)矢量圖；

圖6為本實(shí)用新型超硬鋁鑄造復(fù)合電磁脈沖凝固組織處理裝置的熔體中產(chǎn)生的電磁力矢量圖；

圖7為本實(shí)用新型超硬鋁鑄造復(fù)合電磁脈沖凝固組織處理裝置中金屬型對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響曲線；

圖8為本實(shí)用新型超硬鋁鑄造復(fù)合電磁脈沖凝固組織處理裝置的熔體內(nèi)磁場(chǎng)分布情況；

圖9為本實(shí)用新型超硬鋁鑄造復(fù)合電磁脈沖凝固組織處理裝置的不同電流激勵(lì)下對(duì)溶體分度分布的影響；

圖10為電磁能對(duì)臨界吉布斯自由能的影響；

圖11為不同電流下溶體內(nèi)瞬時(shí)磁能產(chǎn)生情況；

圖12為采用電磁預(yù)熱金屬型與未預(yù)熱金屬型得到的鑄錠質(zhì)量對(duì)比；

圖13為經(jīng)脈沖磁場(chǎng)處理與未經(jīng)脈沖磁場(chǎng)處理的超硬鋁7A04合金晶粒細(xì)化效果對(duì)比。

附圖標(biāo)記說(shuō)明：金屬型11、邊部電磁脈沖裝置12、頂部電磁脈沖裝置13、冷卻水入口113、冷卻水出口114、邊部線圈121、外置鐵芯122、散熱片115、內(nèi)置鐵芯131、頂部線圈132、外殼133。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本實(shí)用新型實(shí)施例中的附圖，對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本實(shí)用新型一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本實(shí)用新型中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。

為使本實(shí)用新型的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。

本實(shí)用新型提供一種超硬鋁鑄造復(fù)合電磁脈沖凝固組織處理裝置，如圖1所示，包括金屬型11、邊部電磁脈沖裝置12、頂部電磁脈沖裝置13，金屬型11由銅制成，金屬型11工作壁厚度H＝D/50，D為金屬型11內(nèi)鑄錠熔體的直徑(cm)，采用銅制金屬型一方面可以保證精密鑄造要求，另一方面，由于銅的材料特性為良好導(dǎo)電性、低導(dǎo)磁性，其良好導(dǎo)電性保證在金屬型內(nèi)形成渦流，進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行感應(yīng)加熱，又對(duì)磁場(chǎng)滲入熔體中干擾較小，保證脈沖磁場(chǎng)對(duì)金屬液體的磁能作用，增加磁場(chǎng)對(duì)熔體的滲透深度，達(dá)到均勻化晶粒的作用，同時(shí)金屬型11的厚度增加可進(jìn)一步保證加熱效果；金屬型11的內(nèi)腔111用于放置熔體，金屬型11的側(cè)壁包括外層及內(nèi)層，外層和內(nèi)層之間形成水冷空腔112，水冷空腔112底部設(shè)有冷卻水入口113、頂部設(shè)有冷卻水出口114，冷卻水入口113、冷卻水出口114均連接到冷卻水源，使冷卻水在水冷空腔112內(nèi)循環(huán)，邊部電磁脈沖裝置12設(shè)置于金屬型11外壁，頂部電磁脈沖裝置13位于金屬型11的內(nèi)腔111正上方。

邊部電磁脈沖裝置12包括邊部線圈121、外置鐵芯122，外置鐵芯122由鐵磁性材料加工而成，鐵芯壁厚為5～20mm，邊部線圈121繞在金屬型11側(cè)壁的外層，并且相鄰兩匝邊部線圈121之間相互絕緣，外置鐵芯122套在邊部線圈121外，每匝邊部線圈121與金屬型11側(cè)壁的外層之間及每匝邊部線圈121與外置鐵芯122之間均相互絕緣。

金屬型11的側(cè)壁的外層、邊部線圈121上分別連接有溫度傳感器，用于顯示工作溫度，冷卻水入口113、冷卻水出口114上分別連接有溫度傳感器，以便計(jì)算熱流目的，控制結(jié)晶溫度。

金屬型11側(cè)壁的內(nèi)層上固定有若干個(gè)由銅制成的散熱片115，相鄰兩散熱片115之間間距相等。

邊部線圈121與金屬型11側(cè)壁的外層之間及邊部線圈121與外置鐵芯122之間均設(shè)置絕緣陶瓷纖維，用于隔熱、絕緣、保溫。

頂部電磁脈沖裝置13包括內(nèi)置鐵芯131、頂部線圈132、外殼133，內(nèi)置鐵芯131為鐵磁性材料加工而成的T型實(shí)心圓柱結(jié)構(gòu)，頂部線圈132繞在內(nèi)置鐵芯131上，頂部線圈132、內(nèi)置鐵芯131均位于外殼133內(nèi)，相鄰兩匝頂部線圈132之間相互絕緣，頂部線圈132與內(nèi)置鐵芯131及外殼133之間均通過(guò)絕緣陶瓷纖維相互絕緣。

上述邊部線圈121、頂部線圈132均為中空銅線圈，中空銅線圈由高溫漆包線繞制成螺線管形，由脈沖電源驅(qū)動(dòng)，保證磁動(dòng)勢(shì)Fm＝NI＝7000A，加載脈沖波形采用鋸齒波形尖端脈沖電流，頻率小于55Hz，有文獻(xiàn)記載，使熔體心部的感應(yīng)磁場(chǎng)達(dá)到1000Gs，即可達(dá)到良好的組織性能指標(biāo)，邊部電磁脈沖處理裝置使用脈沖電流100A，遍布線圈繞制5層，每層14匝，總共70匝，中空腔內(nèi)通冷卻水，邊部線圈121與金屬型11的側(cè)壁之間的絕對(duì)距離保持在10～100mm之間，距離太遠(yuǎn)容易造成較大磁損耗，距離太近有礙于金屬型11內(nèi)冷卻水流通；頂部電磁脈沖處理裝置使用脈沖電流100A，頂部線圈132繞制7層，每層6匝，總共42匝，頂部電磁脈沖裝置位于熔體正上方，且內(nèi)置鐵芯131的直徑較小端靠近熔體，距熔體表面10～20mm，直徑較大端遠(yuǎn)離熔體。

采用本實(shí)用新型超硬鋁鑄造復(fù)合電磁脈沖凝固組織處理裝置鑄造7A04超硬鋁合金的方法，包括下述過(guò)程：

(一)將上述邊部線圈121、頂部線圈132的兩端分別連接在脈沖電源的兩極，并且使邊部線圈121、頂部線圈132的中空腔內(nèi)連通冷卻水，使邊部線圈121通脈沖電流，邊部線圈121激勵(lì)外置鐵芯122產(chǎn)生脈沖磁場(chǎng)，開始對(duì)金屬型11進(jìn)行預(yù)熱處理，脈沖頻率控制在15～55Hz，電流控制在50～100A左右可有效提高工作效率，其脈沖輸出如圖3所示，占空比αT設(shè)置為20～50％，

(二)待金屬型11達(dá)到目標(biāo)溫度同時(shí)7A04超硬鋁合金達(dá)到澆鑄溫度時(shí)(過(guò)熱度高于100℃)，澆入金屬熔體，待達(dá)到目標(biāo)預(yù)熱溫度后，調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)木Я＜?xì)化脈沖電源參數(shù)后，使頂部線圈132通脈沖電流，頂部電磁脈沖裝置13、邊部電磁脈沖裝置12產(chǎn)生的磁場(chǎng)同時(shí)作用于熔體內(nèi)部，作用時(shí)間持續(xù)1～5分鐘，對(duì)熔體的凝固組織晶粒細(xì)化產(chǎn)生作用，

(三)當(dāng)熔體冷卻至固液相溫度以下時(shí)，金屬型11水冷空腔112內(nèi)的冷卻水打開，使熔體快速冷卻，鑄錠的質(zhì)量對(duì)比如圖12所示，預(yù)熱后的金屬型所成鑄錠的缺陷較少，經(jīng)脈沖磁場(chǎng)處理及未經(jīng)脈沖磁場(chǎng)處理的7A04超硬鋁合金的晶粒細(xì)化效果對(duì)比如圖13所示，經(jīng)脈沖磁場(chǎng)處理的7A04超硬鋁合金的晶粒細(xì)化更均勻。

如圖4所示為邊部電磁脈沖裝置12預(yù)熱金屬型11時(shí)，金屬型11的工作壁及邊部線圈121的電流密度圖(單位：A)，此圖顯示邊部線圈121為70匝(5×14匝)時(shí)，100A電流，頻率15Hz的電流密度，可見(jiàn)銅制的金屬型11工作壁內(nèi)感應(yīng)電流與加載電流方向相反，有電流及可產(chǎn)生焦耳熱。

如圖5所示為金屬型11預(yù)熱并澆入熔體，對(duì)熔體進(jìn)行電磁脈沖處理時(shí)，熔體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度(單位：T)。前期研究結(jié)果所證實(shí)需要磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到0.1T(1000Gs)即對(duì)晶粒細(xì)化及組織均勻有很好的效果，本方法作用于熔體心部的磁感應(yīng)強(qiáng)度較大，邊部較小，可以補(bǔ)充熔體心部過(guò)冷度小的問(wèn)題，達(dá)到理想設(shè)計(jì)指標(biāo)。

如圖6所示為對(duì)熔體進(jìn)行電磁脈沖處理時(shí)，熔體內(nèi)的電磁力分布(單位：N)。在磁能滲入的基礎(chǔ)上，對(duì)晶粒產(chǎn)生指向心部的電磁力，對(duì)熔體晶粒施加擠壓作用，限制其長(zhǎng)大行為，具有很好的晶粒細(xì)化作用。如圖7所示為帶金屬型與不帶金屬型所實(shí)測(cè)的磁感應(yīng)強(qiáng)度隨電流的變化情況，發(fā)現(xiàn)金屬型對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度有稍許衰減，但不足以影響對(duì)內(nèi)部熔體的脈沖作用影響，所以磁脈沖可以正常實(shí)現(xiàn)。

圖8～圖11是針對(duì)φ60以及大橫截面的鑄錠進(jìn)行脈沖磁場(chǎng)處理晶粒細(xì)化工藝的理論依據(jù)，圖8根據(jù)不同激勵(lì)電流下的熔體徑向磁場(chǎng)分布變化，按磁場(chǎng)波動(dòng)與平穩(wěn)情況，將磁場(chǎng)大致分為邊部感應(yīng)磁場(chǎng)和心部感應(yīng)磁場(chǎng)。邊部組主要由枝晶破碎產(chǎn)生異質(zhì)形核，同時(shí)根據(jù)圖9的溫度分布曲線通過(guò)控制冷卻水量來(lái)控制過(guò)冷度，溫度曲線由溫度傳感器測(cè)定，所以邊部組織達(dá)到晶粒細(xì)化較為容易。但心部組織過(guò)冷度較少，電磁力也較小，很難達(dá)到細(xì)化目的。根據(jù)圖10所示在較低過(guò)冷度時(shí)電磁能對(duì)均勻形核、臨界形核、吉布斯自由能形核功降低量來(lái)達(dá)到晶粒細(xì)化效果，圖中顯示，過(guò)冷度在5℃以內(nèi)，100A脈沖磁場(chǎng)基本可以增加形核率，以彌補(bǔ)過(guò)冷度不足的缺點(diǎn)，所以為了達(dá)到均勻的細(xì)化效果，圖9溫度分布和圖10應(yīng)綜合考慮，即冷卻水量和磁場(chǎng)機(jī)理電流應(yīng)當(dāng)匹配。而圖11是激勵(lì)電流產(chǎn)生的電磁能總量。而金屬型內(nèi)通冷卻水冷卻主要是為了抵消熔體凝固時(shí)感應(yīng)加熱對(duì)金屬型過(guò)冷度的減弱，同時(shí)控制過(guò)冷度。

本實(shí)用新型中應(yīng)用了具體個(gè)例對(duì)本實(shí)用新型的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說(shuō)明只是用于幫助理解本實(shí)用新型的方法及其核心思想；同時(shí)，對(duì)于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本實(shí)用新型的思想，在具體實(shí)施方式及應(yīng)用范圍上均會(huì)有改變之處。綜上所述，本說(shuō)明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對(duì)本實(shí)用新型的限制。