本發(fā)明涉及一種鑄造方法及鑄造裝置，特別是涉及一種可預熱金屬型及改善鑄造組織性能的超硬鋁鑄造復合電磁脈沖凝固組織處理裝置及處理方法。

背景技術：

超硬鋁是目前發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮匿X合金之一，由于其具有強度相當于超強度鋼(高達680Mpa)，并且重量輕等特點，廣泛應用于制作飛機蒙皮、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，低周疲勞強度差等缺點，大大限制了其在特種設備中的使用。超硬鋁件通常通過鑄造獲得，鑄造方法和工藝是否恰當直接關系到鑄錠質量的優(yōu)劣。

金屬型鑄造在整體構件生產中具有不需造型、導熱及蓄熱性好、精度高、光潔度高、金屬利用率高等特點，但其激冷作用大、氣孔率較大、復雜鑄型組織不均勻、無退讓性、透氣性、易產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，所以一般連鑄結晶器用銅結晶器，使金屬液快速冷卻，同時銅結晶器可使鋁鑄件尺寸更加精細化。在保證精密鑄造的同時，工件內部組織、成分也是影響其力學性能穩(wěn)定性的重要因素。過冷度增加可有效細化晶粒，增加形核率。在金屬型內通入循環(huán)水來保證強制冷卻，可以顯著提升鑄錠質量，若未經預熱，澆鑄時鑄型受到強烈熱沖擊，內應力增倍，同時薄鑄件容易出現(xiàn)冷隔現(xiàn)象。為改善上述狀況通常先將金屬型預熱，傳統(tǒng)金屬型預熱方法有：燃氣預熱、電加熱、加熱爐預熱等，上述方法易出現(xiàn)加熱后溫降大、加熱不均勻、預熱溫度難以穩(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)象通過補熱方法改善過程很復雜，還有厚度過大的鑄件心部與邊部質量變化較大，存在組織疏松、氣孔嚴重等問題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的首要目的是提供一種超硬鋁鑄造復合電磁脈沖凝固組織處理裝置，以解決上述現(xiàn)有技術存在的問題，其可以使熔體內的電磁能滲入最大化，在均勻預熱金屬型，提高鑄坯凝固過冷度的同時，通過電磁能對熔體心部組織進行補償式處理，促使特厚鑄件心部組織細化更均勻，獲得高質量、高精度鑄錠。

本發(fā)明的另一目的是提供一種采用上述超硬鋁鑄造復合電磁脈沖凝固組織處理裝置進行鑄造的方法，該方法可以使熔體內的電磁能滲入最大化，在均勻預熱金屬型，提高鑄坯凝固過冷度的同時，通過電磁能對熔體心部組織進行補償式處理，促使特厚鑄件心部組織細化更均勻，獲得高質量、高精度鑄錠。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：一種超硬鋁鑄造復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，所述金屬型的內腔用于放置熔體，所述金屬型的側壁包括外層及內層，所述外層和內層之間形成水冷空腔，所述水冷空腔底部設有冷卻水入口、頂部設有冷卻水出口，所述邊部電磁脈沖裝置設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腔正上方。

本發(fā)明超硬鋁鑄造復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。

本發(fā)明超硬鋁鑄造復合電磁脈沖凝固組織處理裝置，其中，所述金屬型的側壁的外層、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。

本發(fā)明超硬鋁鑄造復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為所述金屬型內鑄錠熔體的直徑(cm)。

本發(fā)明超硬鋁鑄造復合電磁脈沖凝固組織處理裝置，其中，所述金屬型側壁的內層上設置有固定有若干個散熱片，所述金屬型及所述散熱片均由銅制成。

本發(fā)明超硬鋁鑄造復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壁的外層之間設置絕緣陶瓷纖維。

本發(fā)明超硬鋁鑄造復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置鐵芯、頂部線圈、外殼，所述頂部線圈繞在所述內置鐵芯上，所述頂部線圈、內置鐵芯均位于所述外殼內，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置鐵芯及所述外殼之間均相互絕緣。

本發(fā)明超硬鋁鑄造復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動。

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

采用上述超硬鋁鑄造復合電磁脈沖凝固組織處理裝置進行鑄造的方法，該方法包括下述步驟：

(一)將所述邊部電磁脈沖裝置、頂部電磁脈沖裝置分別連接在脈沖電源的兩極，使所述邊部電磁脈沖裝置通脈沖電流產生脈沖磁場，所述脈沖磁場對所述金屬型進行預熱處理，脈沖頻率控制在15～55Hz，電流控制在50～100A左右，脈沖占空比為20％；

(二)待所述金屬型達到目標溫度同時待澆鑄金屬液達到澆鑄溫度時，將所述金屬液澆入所述金屬型內，待所述金屬型內的熔體達到目標預熱溫度后，使所述頂部電磁脈沖裝置通入相同的脈沖電流，所述頂部電磁脈沖裝置、邊部電磁脈沖裝置產生的磁場同時作用于所述熔體，作用時間持續(xù)1～5分鐘；

(三)當所述熔體冷卻至固液相溫度以下時，將所述金屬型的水冷空腔內的冷卻水打開，使所述熔體快速冷卻，得到鑄件。

由于本發(fā)明超硬鋁鑄造復合電磁脈沖凝固組織處理裝置的金屬型的側壁包括外層及內層，外層和內層之間形成水冷空腔，并且邊部電磁脈沖裝置設于金屬型外壁，頂部電磁脈沖裝置位于金屬型的內腔正上方，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，有效降低金屬型預熱成本并使金屬型預熱更均勻，減少因金屬型預熱不均勻帶來的鑄件缺陷，并延長金屬型使用壽命，采用邊部電磁脈沖裝置、頂部電磁脈沖裝置組成的復合脈沖作用于熔體，復合脈沖裝置的電磁能對熔體心部組織進行補償式處理，使熔體心部組織達到晶粒均勻細化的效果，獲得高質量、高精度鑄錠。

另外，電磁脈沖作用于金屬型，使金屬型內部自身產生渦電流，從而達到加熱的效果，使金屬型加熱均勻，補溫效果好，并可隨用隨加熱，使用方便。

還有，金屬型內設置散熱片，可增加金屬型的散熱面積，增加金屬熔體過冷度，再結合電磁脈沖處理，可以獲得晶粒更細小均勻的組織，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電性、低導磁性，其良好導電性保證在金屬型內形成渦流，進而對其進行感應加熱，又對磁場滲入熔體中干擾較小，保證脈沖磁場對金屬液體的磁能作用，增加磁場對熔體的滲透深度，達到均勻化晶粒的作用。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明超硬鋁鑄造復合電磁脈沖凝固組織處理裝置的整體剖視圖；

圖2為本發(fā)明超硬鋁鑄造復合電磁脈沖凝固組織處理裝置的金屬型的俯視圖；

圖3為本發(fā)明超硬鋁鑄造復合電磁脈沖凝固組織處理裝置所產生的電磁脈沖波形圖；

圖4為本發(fā)明超硬鋁鑄造復合電磁脈沖凝固組織處理裝置的金屬型中感應電流數(shù)值模擬計算矢量圖；

圖5為本發(fā)明超硬鋁鑄造復合電磁脈沖凝固組織處理裝置中的熔體中產生的感應磁場矢量圖；

圖6為本發(fā)明超硬鋁鑄造復合電磁脈沖凝固組織處理裝置的熔體中產生的電磁力矢量圖；

圖7為本發(fā)明超硬鋁鑄造復合電磁脈沖凝固組織處理裝置中金屬型對磁感應強度的影響曲線；

圖8為本發(fā)明超硬鋁鑄造復合電磁脈沖凝固組織處理裝置的熔體內磁場分布情況；

圖9為本發(fā)明超硬鋁鑄造復合電磁脈沖凝固組織處理裝置的不同電流激勵下對溶體分度分布的影響；

圖10為電磁能對臨界吉布斯自由能的影響；

圖11為不同電流下溶體內瞬時磁能產生情況；

圖12為采用電磁預熱金屬型與未預熱金屬型得到的鑄錠質量對比；

圖13為經脈沖磁場處理與未經脈沖磁場處理的超硬鋁7A04合金晶粒細化效果對比。

附圖標記說明：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、內置鐵芯131、頂部線圈132、外殼133。

具體實施方式

下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細的說明。

本發(fā)明提供一種超硬鋁鑄造復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電性、低導磁性，其良好導電性保證在金屬型內形成渦流，進而對其進行感應加熱，又對磁場滲入熔體中干擾較小，保證脈沖磁場對金屬液體的磁能作用，增加磁場對熔體的滲透深度，達到均勻化晶粒的作用，同時金屬型11的厚度增加可進一步保證加熱效果；金屬型11的內腔111用于放置熔體，金屬型11的側壁包括外層及內層，外層和內層之間形成水冷空腔112，水冷空腔112底部設有冷卻水入口113、頂部設有冷卻水出口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內循環(huán)，邊部電磁脈沖裝置12設置于金屬型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，以便計算熱流目的，控制結晶溫度。

金屬型11側壁的內層上固定有若干個由銅制成的散熱片115，相鄰兩散熱片115之間間距相等。

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

頂部電磁脈沖裝置13包括內置鐵芯131、頂部線圈132、外殼133，內置鐵芯131為鐵磁性材料加工而成的T型實心圓柱結構，頂部線圈132繞在內置鐵芯131上，頂部線圈132、內置鐵芯131均位于外殼133內，相鄰兩匝頂部線圈132之間相互絕緣，頂部線圈132與內置鐵芯131及外殼133之間均通過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，由脈沖電源驅動，保證磁動勢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，有文獻記載，使熔體心部的感應磁場達到1000Gs，即可達到良好的組織性能指標，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，中空腔內通冷卻水，邊部線圈121與金屬型11的側壁之間的絕對距離保持在10～100mm之間，距離太遠容易造成較大磁損耗，距離太近有礙于金屬型11內冷卻水流通；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，直徑較大端遠離熔體。

采用本發(fā)明超硬鋁鑄造復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的中空腔內連通冷卻水，使邊部線圈121通脈沖電流，邊部線圈121激勵外置鐵芯122產生脈沖磁場，開始對金屬型11進行預熱處理，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設置為20～50％，

(二)待金屬型11達到目標溫度同時7A04超硬鋁合金達到澆鑄溫度時(過熱度高于100℃)，澆入金屬熔體，待達到目標預熱溫度后，調節(jié)適當?shù)木Я＜毣}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產生的磁場同時作用于熔體內部，作用時間持續(xù)1～5分鐘，對熔體的凝固組織晶粒細化產生作用，

(三)當熔體冷卻至固液相溫度以下時，金屬型11水冷空腔112內的冷卻水打開，使熔體快速冷卻，鑄錠的質量對比如圖12所示，預熱后的金屬型所成鑄錠的缺陷較少，經脈沖磁場處理及未經脈沖磁場處理的7A04超硬鋁合金的晶粒細化效果對比如圖13所示，經脈沖磁場處理的7A04超硬鋁合金的晶粒細化更均勻。

如圖4所示為邊部電磁脈沖裝置12預熱金屬型11時，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，100A電流，頻率15Hz的電流密度，可見銅制的金屬型11工作壁內感應電流與加載電流方向相反，有電流及可產生焦耳熱。

如圖5所示為金屬型11預熱并澆入熔體，對熔體進行電磁脈沖處理時，熔體內的磁感應強度(單位：T)。前期研究結果所證實需要磁感應強度達到0.1T(1000Gs)即對晶粒細化及組織均勻有很好的效果，本發(fā)明方法作用于熔體心部的磁感應強度較大，邊部較小，可以補充熔體心部過冷度小的問題，達到理想設計指標。

如圖6所示為對熔體進行電磁脈沖處理時，熔體內的電磁力分布(單位：N)。在磁能滲入的基礎上，對晶粒產生指向心部的電磁力，對熔體晶粒施加擠壓作用，限制其長大行為，具有很好的晶粒細化作用。如圖7所示為帶金屬型與不帶金屬型所實測的磁感應強度隨電流的變化情況，發(fā)現(xiàn)金屬型對磁感應強度有稍許衰減，但不足以影響對內部熔體的脈沖作用影響，所以磁脈沖可以正常實現(xiàn)。

圖8～圖11是針對φ60以及大橫截面的鑄錠進行脈沖磁場處理晶粒細化工藝的理論依據，圖8根據不同激勵電流下的熔體徑向磁場分布變化，按磁場波動與平穩(wěn)情況，將磁場大致分為邊部感應磁場和心部感應磁場。邊部組主要由枝晶破碎產生異質形核，同時根據圖9的溫度分布曲線通過控制冷卻水量來控制過冷度，溫度曲線由溫度傳感器測定，所以邊部組織達到晶粒細化較為容易。但心部組織過冷度較少，電磁力也較小，很難達到細化目的。根據圖10所示在較低過冷度時電磁能對均勻形核、臨界形核、吉布斯自由能形核功降低量來達到晶粒細化效果，圖中顯示，過冷度在5℃以內，100A脈沖磁場基本可以增加形核率，以彌補過冷度不足的缺點，所以為了達到均勻的細化效果，圖9溫度分布和圖10應綜合考慮，即冷卻水量和磁場機理電流應當匹配。而圖11是激勵電流產生的電磁能總量。而金屬型內通冷卻水冷卻主要是為了抵消熔體凝固時感應加熱對金屬型過冷度的減弱，同時控制過冷度。

本發(fā)明中應用了具體個例對本發(fā)明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時，對于本領域的一般技術人員，依據本發(fā)明的思想，在具體實施方式及應用范圍上均會有改變之處。綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發(fā)明的限制。