[發明專利]一種輕合金電磁懸浮鑄造裝置和方法

無效

• 申請號: 201110048336.1
• 申請日: 2011-03-01
• 公開（公告）號: CN102133629A
• 公開（公告）日: 2011-07-27
• 發明（設計）人: 賈非;房燦峰;張興國;郝海;任政;馬玉濤
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: B22D27/02
• 分類號: B22D27/02;F27D27/00;B01F13/08
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 梅洪玉

技術領域

本發明屬于金屬材料制備技術領域，特別涉及到輕合金的晶粒細化、熔體凈化及組織成分均勻化等強韌化技術。

背景技術

輕合金具有密度小、比強度比剛度大、導電導熱性好且可再生，是用量僅次于鋼鐵的第二大類結構材料。輕合金的生產和應用主要有鑄造合金和變形合金，變形合金可獲得更高的強度，更好的延性及滿足更多用途使用要求的力學性能。但是，變形輕合金，尤其是鎂合金，由于室溫和高溫強度低、塑性變形能力差，限制了其作為高性能輕質結構材料的應用范圍和產品形式。開發新型變形輕合金及其成型技術，提高合金的性能，替代鋼鐵材料在機械設備、交通運輸及航空航天等領域的應用，對于推動節能減排，解決或緩解當前世界范圍所面臨的能源危機和環境危機，促進經濟和社會可持續發展具有重要的意義。

變形輕合金的強韌化技術主要有合金化、細晶強化、形變強化及熱處理強化等。合金化法利用的是第二相強化效應，雖然許多元素對輕合金有一定的強化作用，但由于尚未發現滿意的彌散沉淀相，尤其是變形加工后為保留細小的再結晶晶粒而不能進行有效的后續熱處理，使得合金化效果難以充分發揮；有些合金化元素會導致合金的塑性變形能力降低。細化晶粒，可以同時提高材料的強度和韌性，是材料強韌化的重要手段。輕合金的特種加工技術，如ECAE等大塑性變形技術、半固態擠壓、往復擠壓、熱等靜壓、低溫擠壓和快速凝固-粉末冶金-熱擠壓等，可以獲得超細晶、高強度和超塑性變形能力，但由于各自特殊的制造、效率及成本等問題而難以得到大量的應用。提高合金的冶金質量，改善合金的鑄態組織，制備出晶粒細小、氣體和夾雜含量少、組織致密的鑄材是合金強韌化的簡便而實用技術，也是形變強化及熱處理強化等后續強化方法得以高效實施的前提。

懸浮鑄造是前蘇聯科學家發明的一種鑄造技術，是將一定量的金屬粉末或顆粒加到金屬液中混合，使金屬粉末與液流一起充填型腔。加入的金屬顆粒稱為懸浮劑，均布于金屬液中的懸浮劑有很大的活性表面，與金屬液間產生一系列的熱物理化學作用，控制金屬的凝固結晶、孕育和合金化過程。懸浮鑄造可以細化晶粒，減少柱狀晶與偏析，降低熱裂傾向和改善夾雜物的形態和分布。在懸浮鑄造過程中，懸浮劑在金屬液中的均勻分散是技術的關鍵。選用與金屬液親和性較好的合金粉末作為懸浮劑時，微納米尺度的粉末易發生團聚，尺寸過大的懸浮劑團不僅難以起到形核質點的作用，還會嚴重降低金屬液的流動性，并在鑄錠內部產生夾生缺陷；而加入含有晶粒細化劑的懸浮劑粉末時，這些高熔點的非金屬化合物顆粒與金屬液的潤濕性差，使懸浮劑被金屬液排斥、團聚，難以均勻混合。

電磁場可以對熔融金屬進行非接觸的攪拌、加熱、運輸和形狀控制。電磁攪拌是利用電磁場與金屬液之間的相互作用產生一定方向的電磁力，引起液態金屬流動或振動，從而影響金屬的凝固過程，改善金屬凝固組織和提高材料性能。由于電磁攪拌器不與金屬液直接接觸，避免了機械攪拌中攪拌頭對金屬液的污染。電磁攪拌引起的熔體強烈流動可以打斷或彎曲枝晶臂，形成大量枝晶碎片將作為金屬液凝固時的晶核，另一部分富溶質的枝晶碎片被液流帶到遠離枝晶的液穴中重熔，更多形核基底的出現和枝晶碎片重熔帶來的溫度均勻化促進更多等軸晶的形成，從而達到提高鑄坯等軸晶率、減少中心偏析、中心疏松和縮孔、改善鑄坯凝固組織的目的。在一定的條件下，攪拌還有利于排除金屬熔體中氣體和夾雜物，對提高金屬熔體的品質有重要作用。

為解決懸浮鑄造過程中懸浮劑難以均勻分散的問題，本發明在懸浮鑄造過程中施加電磁攪拌，將懸浮鑄造和電磁攪拌對促進金屬熔體形核、控制凝固過程、細化顯微組織的優勢相結合，開發一種新型的輕合金凝固組織細化技術。利用該技術，可以制備出晶粒細化、夾雜物及氣體含量少、溶質偏析及熱裂傾向小的高質量輕合金材料。

本發明的原理是：

1.細化晶粒可以提高材料的強度和韌性，是輕合金強韌化的重要手段之一。合金鑄態顯微組織的細化可以通過提高凝固過程的形核率、降低熔體的過熱度、改善熔體內部溫度均勻性、外加有利于異質形核的形核劑、對樹枝晶進行動力彎曲和折斷等方法實現。

2.懸浮鑄造是將一定量的金屬粉末加到金屬液中混合，與金屬液一起澆注到鑄型內。加入的金屬顆粒稱為懸浮劑，懸浮劑具有大的活性表面，并均布于金屬液中，與金屬液間產生一系列的熱物理化學作用，控制金屬的凝固結晶、孕育和合金化過程。懸浮鑄造可以細化晶粒，減少柱狀晶與偏析，降低熱裂傾向和改善非金屬夾雜物的形態和分布。