離心澆鑄制備大尺寸凝固亞穩(wěn)薄板的方法和裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及一種凝固薄板制備方法，特別是涉及一種離心澆鑄制備薄板的方法，應用于高性能金屬材料鑄造技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]—般而言，在快速及亞快速凝固條件下，較快的冷卻速度使得鑄件組織細化、偏析減少，可以生成亞穩(wěn)相，而亞穩(wěn)相具有穩(wěn)定相所沒有的微觀組織和性能，已經(jīng)成為研制高性能工程材料的研究熱點。而目前制備亞穩(wěn)薄板形鑄件的真空鑄造裝置大多是真空吸鑄或者噴鑄，借助電弧熔煉或者電磁線圈感應加熱，快速地將金屬錠熔融，再搭配靜態(tài)重力澆鑄以及壓差為之。然而傳統(tǒng)的澆鑄方法因壓差或充型能力較小，使得鑄件充型不夠完整，或者在充型過程中會卷入氣泡，產(chǎn)生縮松、縮孔等鑄造缺陷，并且使得鑄件表面形貌以及內(nèi)部致密度不夠理想，從而影響鑄件的性能。再者，使用傳統(tǒng)方法制備的快速及亞快速凝固條件下的薄板時，由于熔煉部件無法熔煉足量的鑄料、重力及壓差作用下的充型力較小、銅模型腔尺寸較小等原因，因此無法制備較大尺寸的薄板鑄件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了解決現(xiàn)有技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)存在的不足，提供一種離心澆鑄制備大尺寸凝固亞穩(wěn)薄板的方法和裝置，獲得外部尺寸完整、內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密度的大尺寸凝固亞穩(wěn)薄板形鑄件。本發(fā)明方法直接用來制備大尺寸高性能工程材料、高熵合金以及大尺寸非晶材料薄板，本發(fā)明方法制備的亞快速亞穩(wěn)工程材料其組織和力學性能具有重復性好的優(yōu)點。
[0004]為達到上述發(fā)明創(chuàng)造目的，采用下述技術(shù)方案:
一種離心澆鑄制備大尺寸凝固亞穩(wěn)薄板的方法，在真空環(huán)境下或在保護氣氛壓力不高于0.07MPa的惰性氣體環(huán)境下，采用離心澆鑄方法，將熔融合金經(jīng)導流后進入高速旋轉(zhuǎn)的模具，利用離心作用力，獲得金屬熔體凝固的充型力和補縮能力，從而制備出厚度為0.5~8_且長度尺寸不低于100mm的薄板形鑄件。
[0005]作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，金屬熔體熔融制備過程在惰性保護氣體氣氛中完成。
[0006]作為本發(fā)明上述方案中進一步優(yōu)選的技術(shù)方案，金屬熔體熔融制備過程在氬氣保護氣體氣氛中完成。
[0007]作為本發(fā)明上述方案中進一步優(yōu)選的技術(shù)方案，用來制備高性能工程材料或亞穩(wěn)工程材料，或用來制備高熵合金薄板或非晶合金材料薄板。
[0008]本發(fā)明還提供一種大尺寸凝固亞穩(wěn)薄板的熔鑄裝置，主要由在密封艙的內(nèi)部腔室中設(shè)置熔煉裝置和離心鑄造裝置組成，在密封艙內(nèi)處于真空狀態(tài)或氣氛壓力不高于
0.07MPa的惰性氣體環(huán)境狀態(tài)，離心鑄造裝置由水口擋板、石墨漏斗、導流裝置、型腔模具和轉(zhuǎn)動盤構(gòu)成，型腔模具內(nèi)腔的最低高度為0.5?8mm，型腔模具內(nèi)腔的水平長度尺寸不低于100mm，設(shè)置豎直旋轉(zhuǎn)軸穿過密封艙的底部，在密封艙外部通過電機驅(qū)動豎直旋轉(zhuǎn)軸進行轉(zhuǎn)動，豎直旋轉(zhuǎn)軸的頂端一體連接水平設(shè)置的轉(zhuǎn)動盤，將型腔模具固定安裝在轉(zhuǎn)動盤上，使型腔模具與豎直旋轉(zhuǎn)軸同步轉(zhuǎn)動，熔煉裝置采用豎直設(shè)置且爐腔底部開口的熔煉爐，石墨漏斗設(shè)置在熔煉爐的爐腔底部開口下方，石墨漏斗的底部開口設(shè)置于與導流裝置的液流通道的內(nèi)腔中，導流裝置的液流通道下部與型腔模具的內(nèi)腔頂部開口連通，使石墨漏斗內(nèi)管腔、導流裝置的液流通道和型腔模具的內(nèi)腔形成金屬熔體的輸送管道和凝固工作腔，當熔煉爐對金屬原料進行熔煉時，使水口擋板對熔煉爐的爐腔底部開口進行封閉，使熔煉爐的內(nèi)壁和水口擋板組合形成裝載金屬熔體的坩禍，當熔煉爐內(nèi)的金屬原料完全熔融并且形成的金屬熔體的流動性達到澆鑄要求時，將水口擋板打開，使熔煉爐的爐腔底部開口開啟，在重力作用下使金屬熔體從熔煉爐底部流出，依次通過石墨漏斗和導流裝置，流入型腔模具中，型腔模具高速旋轉(zhuǎn)對流入型腔模具的金屬熔體產(chǎn)生離心作用力，使金屬熔體獲得金屬熔體凝固的充型力和補縮能力，實現(xiàn)金屬薄板的離心澆鑄，當型腔模具中金屬熔體完成凝固過程后，緩速停止轉(zhuǎn)動盤轉(zhuǎn)動，然后將型腔模具打開，即得到離心澆鑄的內(nèi)部致密度高、缺陷少、大尺寸的凝固亞穩(wěn)薄板。本發(fā)明利用其薄板亞快速凝固的特點可以直接用來制備大尺寸高性能工程材料、高熵合金以及大尺寸非晶材料薄板，該方法制備的亞快速亞穩(wěn)工程材料其組織和力學性能具有重復性好的優(yōu)點。
[0009]作為本發(fā)明上述方案中進一步優(yōu)選的技術(shù)方案，通過控制電機的輸出功率、電機主軸轉(zhuǎn)速和電機主軸轉(zhuǎn)動方向中的任意幾項參數(shù)來控制型腔模具高速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的離心作用力，進而調(diào)控金屬熔體獲得金屬熔體凝固的充型力和補縮能力。
[0010]作為本發(fā)明上述方案中進一步優(yōu)選的技術(shù)方案，水口擋板為抽拉式擋板。
[0011]作為本發(fā)明上述方案中進一步優(yōu)選的技術(shù)方案，型腔模具采用紫銅模具。
[0012]本發(fā)明離心澆鑄時將金屬液澆鑄到旋轉(zhuǎn)的模具中，在離心的作用下成型，凝固而獲得鑄件。本發(fā)明將熔融金屬液通過導流后進入模具，根據(jù)離心力計算公式F離=mw2r，如果使用900r/min，則模具中離心力可以實現(xiàn)約1200倍重力，獲得遠大于常規(guī)方法的充型力和補縮能力，因銅模旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的離心力能夠使鑄件的充型過程更加理想，有利于提高鑄件在充型過程中的補縮能力，并且能夠充入更多質(zhì)量的鑄料，獲得質(zhì)量、致密度都極高的大尺寸鑄件。利用本發(fā)明方法制備的薄板樣品具有亞快速凝固的特征，可以在實驗室條件下模擬工業(yè)生產(chǎn)中雙棍薄帶連鑄工藝，并對雙棍薄帶組織及性能進行研究。
[0013]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實質(zhì)性特點和顯著優(yōu)點:
1.本發(fā)明將水冷電磁線圈感應加熱與離心澆鑄技術(shù)結(jié)合起來，實現(xiàn)了鑄件的真空低壓鑄造成型，并且為亞快速凝固技術(shù)獲得高質(zhì)量的鑄件提供了一種新的可行的鑄造工藝手段，實現(xiàn)了亞快速凝固條件下大尺寸薄板形鑄件的制備；
2.本發(fā)明采用離心鑄造方法，可以顯著提高鑄料在模具型腔中的充型能力，有利于提高鑄件表面質(zhì)量，并且能夠抑制縮松縮孔等鑄造缺陷的產(chǎn)生，獲得與噴鑄或吸鑄相比，尺寸更大、性能更好，結(jié)構(gòu)更加致密的大尺寸薄板鑄件。
【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明實施例一大尺寸凝固亞穩(wěn)薄板的熔鑄裝置的結(jié)構(gòu)原理示意圖。
[0015]圖2是本發(fā)明實施例一制備的FeMnAlC大尺寸亞穩(wěn)薄板尺寸和表面狀態(tài)圖。
[0016]圖3是本發(fā)明實施例一制備的FeMnAlC系合金的大尺寸亞穩(wěn)薄板的力學性能數(shù)據(jù)圖。
【具體實施方式】
[0017]本發(fā)明的優(yōu)選實施例詳述如下:
實施例一:
在本實施例中，參見圖1?3，一種大尺寸凝固亞穩(wěn)薄板的熔鑄裝置，主要由在密封艙4的內(nèi)部腔室5中設(shè)置熔煉裝置和離心鑄造裝置組成，在密封艙4內(nèi)處于壓力為0.07MPa的惰性氣體保護氣氛狀態(tài)，離心鑄造裝置由水口擋板1、石墨漏斗6、導流裝置7、型腔模具8和轉(zhuǎn)動盤9構(gòu)成，型腔模具8采用紫銅模具，水口擋板1為抽拉式擋板，型腔模具8內(nèi)腔的最低高度為2.5mm，型腔模具8內(nèi)腔為水平長度尺寸為60mm X 100mm的矩形板狀空腔，設(shè)置豎直旋轉(zhuǎn)軸10穿過密封艙4的底部，在密封艙4外部通過電機驅(qū)動豎直旋轉(zhuǎn)軸10進行轉(zhuǎn)動，豎直旋轉(zhuǎn)軸10的頂端一體連接水平設(shè)置的轉(zhuǎn)動盤9，將型腔模具8固定安裝在轉(zhuǎn)動盤9上，使型腔模具8與豎直旋轉(zhuǎn)軸10同步轉(zhuǎn)動，熔煉裝置采用豎直設(shè)置且爐腔底部開口的熔煉爐2，石墨漏斗6設(shè)置在熔煉爐2的爐腔底部開口下方，石墨漏斗6的底部開口設(shè)置于與導流裝置7的液流通道的內(nèi)腔中，導流裝置7的液流通道下部與型腔模具8的內(nèi)腔頂部開口連通，使石墨漏斗6內(nèi)管腔、導流裝置7的液流通道和型腔模具8的內(nèi)腔形成金屬熔體3的輸送管道和凝固工作腔，當熔煉爐2對制備FeMnAlC系合金的金屬鑄料進行熔煉時，使水口擋板1對熔煉爐2的爐腔底部開口進行封閉，使熔煉爐2的內(nèi)壁和水口擋板1組合形成裝載金屬熔體3的密封坩禍，并使熔煉爐2內(nèi)的金屬原料在氬氣惰性保護氣體氣氛中進行熔煉，當熔煉爐2內(nèi)的金屬原料完全熔融并且形成的金屬熔體3的流動性達到澆鑄要求時，將水口擋板1打開，使熔煉爐2的爐腔底部開口開啟，在重力作用下使金屬熔體3從熔煉爐2底部流出，依次通過石墨漏斗6和導流裝置7，流入型腔模具8中，型腔模具8高速旋轉(zhuǎn)對流入型腔模具8的金屬熔體3產(chǎn)生離心作用力，使金屬熔體3獲得金屬熔體凝固的充型力和補縮能力，實現(xiàn)金屬薄板的離心澆鑄，當型腔模具8中金屬熔體3完成凝固過程后，緩速停止轉(zhuǎn)動盤9轉(zhuǎn)動，然后將型腔模具8打開，即得到