CN104439203B - 磁热复合控制复杂精密或薄壁铸件细晶铸造方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁热复合控制复杂精密或薄壁铸件细晶铸造方法及装置，属于金属材料制备技术领域。本发明方法是采用高过热度保证充型的基础上，控制脉冲磁场的施加时间，当模壁处晶核生长到1～10μm的情况下，利用施加的脉冲磁场在金属熔体产生电磁振荡和强制对流，将模壁处的晶核冲刷下来，并带入到熔体中去，此时脱落晶核尺寸较大，易存活下来成为有效形核核心，增加形核率，从而细化铸件凝固组织。本发明装置由脉冲磁场发生装置、脉冲磁场作用装置和温度控制系统组成。本发明涉及的方法和装置可用于高温合金、高合金钢等金属材料复杂精密铸件和大型薄壁复杂铸件的细晶铸造，能够细化合金凝固组织。

Description

磁热复合控制复杂精密或薄壁铸件细晶铸造方法及装置

技术领域

本发明涉及一种磁热复合控制复杂精密或薄壁铸件细晶铸造方法及装置，属于金属材料制备技术领域。

背景技术

金属材料的凝固组织控制是实现金属材料组织细化和均质化的一个关键，被视为提高其力学性能和加工性能的重要手段，一直是金属材料制备过程追求的目标和研究的重要课题之一。在众多控制凝固过程的方法中，电磁控制凝固受到人们的极大关注。通过改变电磁场作用的类型、方式、强度、时间等参数，再结合控制凝固的冷却过程，对凝固过程实施控制。电磁控制凝固目前应用最多的是交变连续电磁场，在钢的连铸中取得广泛应用。连续磁场主要产生电磁搅拌作用，虽然可细化晶粒，却有引起成分偏析的问题。

近年来，脉冲电磁场控制凝固引起人们的重视。脉冲磁场在熔体中可产生电磁振荡，起到强烈的晶粒细化作用，同时具有一定的电磁对流作用使细晶均匀分布，显示出独特的优势。在国外，如美国主要开展的脉冲电流晶粒细化研究，由于要依靠电极引入熔体脉冲电流，所以其应用受到一定限制。日本和乌克兰等国正在研发脉冲磁场在钢连铸中的应用技术，发现脉冲磁场可减轻连铸坯的中心偏析和改善表面质量。目前，国内一些单位如宝钢和上海大学也正在开展脉冲磁场细化金属凝固组织的研究，并致力于促进在工业上的应用。但是国内外研究较多的是利用高压脉冲磁场，由于其电压较高，在工业中应用具有一定难度。

针对脉冲磁场在凝固过程中的应用难点，中国科学院金属研究所在国内外率先提出采用低压脉冲磁场控制凝固过程，在本世纪初开展了低压脉冲磁场控制凝固的研究，分别应用于钢铁、镍基高温合金等材料中均取得细化和均匀化效果。但上述应用中的过热度均较低(低于100℃)，高于此过热度，细化效果减弱或消失。而低的过热度，满足不了一些复杂精密铸件或薄壁铸件(最薄处1～5mm)的充型要求，如：某航空发动机机匣的过热度为200℃，限制了该技术在此类复杂精密铸件或薄壁铸件细晶铸造的应用。

发明内容

为了满足复杂精密铸件或薄壁铸件晶粒细化的要求，本发明的目的是提供一种磁热复合控制复杂精密或薄壁铸件细晶铸造方法及装置，采用高过热度保证充型的基础上，控制脉冲磁场的施加时间，细化铸件凝固组织，尤其细化铸件厚大部位的组织，获得整体细化凝固组织，解决高过热度下复杂精密铸件或薄壁铸件难细化问题。

为了达到上述目的，本发明的设计思路是：采用高过热度保证充型的基础上，控制脉冲磁场的施加时间，当模壁处晶核生长到一定尺寸(一般尺寸达到1～10μm)的情况下，利用施加的脉冲磁场在金属熔体产生电磁振荡和强制对流，将模壁处具有一定尺寸的晶核冲刷下来，并带入到熔体中去，此时脱落晶核尺寸较大，易存活下来成为有效形核核心，增加形核数目，细化铸件凝固组织。

本发明的技术方案如下：

一种磁热复合控制复杂精密或薄壁铸件细晶铸造方法，采用高过热度保证充型的基础上，过热度控制在100～250℃；控制脉冲磁场施加时间，施加时间控制在浇注后10～500s；当模壁处晶核生长到一定尺寸为1～10μm的情况下，利用施加的脉冲磁场在金属熔体产生电磁振荡和强制对流，将所述模壁处的晶核冲刷下来，并带入到熔体中去，此时脱落晶核尺寸较大，易存活下来成为有效形核核心，增加形核率，从而细化铸件凝固组织。

所述的磁热复合控制复杂精密或薄壁铸件细晶铸造方法，采用脉冲磁场发生装置，在脉冲磁场作用装置中产生脉冲磁场，其励磁电压控制在100～500V，励磁频率控制在2.5～20Hz范围内，作用时间为10～60分钟。

所述的磁热复合控制复杂精密或薄壁铸件细晶铸造方法，具体按以下步骤进行：

(a)根据铸件的特点，设计环形脉冲磁场作用装置或单侧脉冲磁场作用装置，然后安装在预热保温沙箱或模具的四周或底部，并与脉冲磁场发生装置连接；

(b)将过热度100～250℃的熔体浇注到预热保温沙箱或模具内，根据铸件表层温度，控制脉冲磁场施加时间，当温度达到液固两相区后，开启脉冲磁场控制装置，控制脉冲磁场的励磁电压与频率，脉冲电压控制在100～500V，脉冲磁场频率控制在2.5～20Hz范围内，作用时间为10～60分钟；

(c)利用施加的脉冲磁场在金属熔体产生电磁振荡和强制对流，将所述模壁处具有一定尺寸的晶核冲刷下来，并带入到熔体中去，此时脱落晶核尺寸较大，易存活下来成为有效形核核心，增加形核数目，从而细化铸件凝固组织；

(d)当铸锭完全凝固后，关闭脉冲磁场控制装置，取出铸锭。

所述方法专用的磁热复合控制复杂精密或薄壁铸件细晶铸造装置，该装置用于复杂精密铸件或薄壁铸件细晶铸造工艺中，包括脉冲磁场发生装置、脉冲磁场作用装置和温度控制系统，脉冲磁场发生装置的输出端分别与环形脉冲磁场作用装置和单侧脉冲磁场作用装置连接，温度控制系统的输入端连接保温沙箱或模具中的铸件，环形脉冲磁场作用装置内侧、与保温沙箱或模具侧面之间设置水套，单侧脉冲磁场作用装置顶部、与保温沙箱或模具底部之间设置水套。

所述的磁热复合控制复杂精密或薄壁铸件细晶铸造装置，脉冲磁场发生装置调节脉冲磁场励磁电压和频率；温度控制系统监测铸件表层温度，为脉冲磁场开启施加提供信息。

所述的磁热复合控制复杂精密或薄壁铸件细晶铸造装置，脉冲磁场作用装置分为环形脉冲磁场作用装置和单侧脉冲磁场作用装置，环形脉冲磁场作用装置用于细化形状对称的铸件，单侧脉冲磁场作用装置用于细化形状不对称的铸件，对于大型铸件同时采用环形脉冲磁场作用装置和单侧脉冲磁场作用装置细化。

所述的磁热复合控制复杂精密或薄壁铸件细晶铸造装置，环形脉冲磁场作用装置内侧为不锈钢水套，以消除铸件高温对脉冲磁场作用装置的影响；水套外为励磁线圈，用于产生脉冲磁场，励磁线圈由横截面尺寸为3×8mm扁铜砂包线绕制，其匝数通过电感和通量计算设计出，励磁线圈高50～250mm，总匝数为100～300。

所述的磁热复合控制复杂精密或薄壁铸件细晶铸造装置，单侧脉冲磁场作用装置顶部为不锈钢水套，以消除铸件高温对脉冲磁场作用装置的影响；水套下为励磁线圈，用于产生脉冲磁场，励磁线圈由横截面尺寸为3×8mm扁铜砂包线绕制，其匝数通过电感和通量计算设计出，励磁线圈高20～50mm，总匝数为100～700。

与现有技术相比，本发明的优点和有益效果如下：

1、本发明提供的一种磁热复合控制复杂精密铸件或薄壁铸件细晶铸造方法及装置，采用高过热度保证充型的基础上，通过控制脉冲磁场的施加时间和作用方式，细化铸件凝固组织，尤其细化铸件厚大部位的组织，获得整体细化凝固组织，解决高过热度下复杂精密铸件或薄壁铸件难细化问题。

2、本发明提供的一种磁热复合控制复杂精密铸件或薄壁铸件细晶铸造方法及装置，脉冲电压控制范围为100～500V，脉冲磁场频率控制范围为2.5～20Hz，与现有技术相比，存在工作电压低，效果显著等特点，在工业上实施比较容易。

3、本发明的脉冲磁场作用装置可根据铸件的形状和尺寸灵活使用环形脉冲磁场作用装置或单侧脉冲磁场作用装置，以及复合使用，拓宽了此技术的使用范围。

附图说明

图1是本发明磁热复合控制复杂精密铸件细晶铸造示意图：其中，1、脉冲磁场发生装置；2、温度控制系统；3、环形脉冲磁场作用装置；4、单侧脉冲磁场作用装置；5、水套；6、铸件；7、保温沙箱或模具。

图2是本发明磁热复合控制复杂精密铸件细晶铸造过程中熔体受力示意图：(a)环形脉冲磁场作用下熔体中的受力，(b)单侧脉冲磁场作用下熔体中的受力。

图3为本发明和普通铸造IN718高温合金Φ100mm铸锭凝固后显微组织的对比：(a)本发明工艺铸锭组织，(b)普通铸造工艺铸锭组织。

图4为本发明和普通铸造K4169高温合金大型薄壁铸件凝固后显微组织的对比：(a)大型薄壁铸件取样部位示意图，(b)本发明工艺铸件厚大部位凝固组织，(c)普通铸造工艺铸件厚大部位凝固组织。

具体实施方式

在具体实施方式中，本发明电磁复合控制电渣重熔细晶铸造方法，具体按以下步骤进行：

(a)根据铸件的特点，设计环形脉冲磁场作用装置或单侧脉冲磁场作用装置，然后安装在预热保温沙箱或模具的四周或底部，并与脉冲磁场发生装置连接；

(b)将一定过热度100～250℃(优选180～220℃)的熔体浇注到预热保温沙箱或模具内，根据铸件表层温度，控制脉冲磁场施加时间，当温度达到液固两相区后，开启脉冲磁场控制装置，控制脉冲磁场的励磁电压与频率，脉冲电压控制在100～500V，脉冲磁场频率控制在2.5～20Hz范围内；

(c)利用施加的脉冲磁场在金属熔体产生电磁振荡和强制对流，将模壁处具有一定尺寸的晶核冲刷下来，并带入到熔体中去，此时脱落晶核尺寸较大，易存活下来成为有效形核核心，增加形核数目，细化铸件凝固组织；

(d)当铸锭完全凝固后，关闭脉冲磁场控制装置，取出铸锭；

如图1所示，为了实现磁热复合控制复杂精密铸件或薄壁铸件细晶铸造，本发明还提供了一种磁热复合控制复杂精密铸件或薄壁铸件细晶铸造装置，用于复杂精密铸件或薄壁铸件细晶铸造工艺中，包括脉冲磁场发生装置1、脉冲磁场作用装置(环形脉冲磁场作用装置3和单侧脉冲磁场作用装置4)和温度控制系统2等，脉冲磁场发生装置1的输出端分别与环形脉冲磁场作用装置3和单侧脉冲磁场作用装置4连接，温度控制系统2的输入端连接保温沙箱或模具7中的铸件6，环形脉冲磁场作用装置3内侧、与保温沙箱或模具7侧面之间设置水套5，单侧脉冲磁场作用装置4顶部、与保温沙箱或模具7底部之间设置水套5。

其中，脉冲磁场发生装置1可以调节脉冲磁场励磁电压和频率；温度控制系统2可监测铸件表层温度，为脉冲磁场施加时刻提供信息；脉冲磁场作用装置1可分为环形脉冲磁场作用装置3和单侧脉冲磁场作用装置4，环形脉冲磁场作用装置3用于细化形状对称的铸件6，单侧脉冲磁场作用装置4用于细化形状不对称的铸件6，对于大型铸件可同时采用环形脉冲磁场作用装置3和单侧脉冲磁场作用装置4细化。

环形脉冲磁场作用装置特征在于：装置内侧为不锈钢水套，以消除铸件高温对脉冲磁场作用装置的影响；水套外为励磁线圈，用于产生脉冲磁场，励磁线圈由横截面尺寸为3×8mm扁铜砂包线绕制，其匝数通过电感和通量计算设计出，励磁线圈高50～250mm，总匝数为100～300。如图2(a)所示，其作用原理为：环形脉冲磁场在熔体径向产生周期变化的磁压力和磁拉力，引起电磁振荡和和强制对流，使模壁处晶核脱落并分散到熔体中，成为新的形核核心，增加形核率，细化铸件凝固组织。

单侧脉冲磁场作用装置特征在于：装置顶部为不锈钢水套，以消除铸件高温对脉冲磁场作用装置的影响；水套下为励磁线圈，用于产生脉冲磁场，励磁线圈由横截面尺寸为3×8mm扁铜砂包线绕制，其匝数通过电感和通量计算设计出，励磁线圈高20～50mm，总匝数为100～700。如图2(b)所示，其作用原理为：单侧脉冲磁场在熔体中产生垂直于枝晶生长方向周期变化的电磁力，使枝晶脱落或折断，分散到熔体中，增加形核数目，从而细化铸件凝固组织。

对于大型铸件，环形脉冲磁场在熔体中的电磁力大小沿径向由外到中心递减，因此对于铸件外侧部位细化效果好，对于中心部位细化效果减弱。此时可复合使用环形脉冲磁场作用装置和单侧脉冲磁场作用装置，利用环形脉冲磁场细化铸件外侧部位凝固组织，利用单侧脉冲磁场作用装置细化心部凝固组织。

以下结合实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1

将IN718镍基高温合金在真空感应熔炼炉中熔化至1600℃并精炼5分钟，然后降温至1580℃(过热度220℃)后浇注到置于环形脉冲磁场作用装置的模具(预热到950℃)中，待熔体表面温度降至1350℃时(浇注后50s后)开启脉冲磁场，使合金熔体在脉冲磁场作用下凝固。实验时脉冲磁场电压为250V，频率5Hz，作用时间为15分钟。

图3为本发明和普通铸造IN718高温合金Φ100mm铸锭的横截面金相组织对比。可见，采用本发明工艺，厚大铸锭凝固组织整体得到细化，整个截面晶粒尺寸分布均匀，心部晶粒小于2mm。

实施例2

将K4169高温合金在感应熔炼炉中熔化至1580℃并精炼5分钟，然后降温至1550℃(过热度190℃)后浇注到置于单侧脉冲磁场作用装置的模具(预热到1050℃)中，待熔体表面温度降至1350℃时(浇注后10s后)开启脉冲磁场，使合金熔体在脉冲磁场作用下凝固。实验时脉冲磁场电压为300V，频率5Hz，作用时间为20分钟。

图4为本发明和普通铸造K4169高温合金大型薄壁铸件凝固后合金显微组织的对比。铸件外径为330mm，薄壁2mm，厚大部位20mm。可见，采用本发明工艺，铸件厚大部位晶粒细化效果明显，晶粒尺寸小于3mm。

实施例结果表明，本发明涉及的方法和装置可用于高温合金、高合金钢等金属材料复杂精密铸件和大型薄壁复杂铸件的细晶铸造，能够细化合金凝固组织。

Claims (8)

1.一种磁热复合控制复杂精密或薄壁铸件细晶铸造方法，其特征在于，采用高过热度保证充型的基础上，过热度控制在180～220℃；控制脉冲磁场施加时间，施加时间控制在浇注后10～500s；当模壁处晶核生长到一定尺寸为1～10mm的情况下，利用施加的脉冲磁场在金属熔体产生电磁振荡和强制对流，将所述模壁处的晶核冲刷下来，并带入到熔体中去，此时脱落晶核尺寸较大，易存活下来成为有效形核核心，增加形核率，从而细化铸件凝固组织，用于高温合金或高合金钢精密铸件或薄壁铸件的细晶铸造。

2.按照权利要求1所述的磁热复合控制复杂精密或薄壁铸件细晶铸造方法，其特征在于：采用脉冲磁场发生装置，在脉冲磁场作用装置中产生脉冲磁场，其励磁电压控制在100～500V，励磁频率控制在2.5～20Hz范围内，作用时间为10～60分钟。

3.按照权利要求1所述的磁热复合控制复杂精密或薄壁铸件细晶铸造方法，其特征在于，具体按以下步骤进行：

（a）根据铸件的特点，设计环形脉冲磁场作用装置或单侧脉冲磁场作用装置，然后安装在预热保温沙箱或模具的四周或底部，并与脉冲磁场发生装置连接；

（b）将过热度100～250℃的熔体浇注到预热保温沙箱或模具内，根据铸件表层温度，控制脉冲磁场施加时间，当温度达到液固两相区后，开启脉冲磁场控制装置，控制脉冲磁场的励磁电压与频率，脉冲电压控制在100～500V，脉冲磁场频率控制在2.5～20Hz范围内，作用时间为10～60分钟；

（c）利用施加的脉冲磁场在金属熔体产生电磁振荡和强制对流，将所述模壁处具有一定尺寸的晶核冲刷下来，并带入到熔体中去，此时脱落晶核尺寸较大，易存活下来成为有效形核核心，增加形核数目，从而细化铸件凝固组织；

（d）当铸锭完全凝固后，关闭脉冲磁场控制装置，取出铸锭。

4.一种权利要求1所述方法的磁热复合控制复杂精密或薄壁铸件细晶铸造装置，其特征在于，该装置用于复杂精密铸件或薄壁铸件细晶铸造工艺中，包括脉冲磁场发生装置、脉冲磁场作用装置和温度控制系统，脉冲磁场发生装置的输出端分别与环形脉冲磁场作用装置和单侧脉冲磁场作用装置连接，温度控制系统的输入端连接保温沙箱或模具中的铸件，环形脉冲磁场作用装置内侧、与保温沙箱或模具侧面之间设置水套，单侧脉冲磁场作用装置顶部、与保温沙箱或模具底部之间设置水套。

5.按照权利要求4所述的磁热复合控制复杂精密或薄壁铸件细晶铸造装置，其特征在于，脉冲磁场发生装置调节脉冲磁场励磁电压和频率；温度控制系统监测铸件表层温度，为脉冲磁场开启施加提供信息。

6.按照权利要求4所述的磁热复合控制复杂精密或薄壁铸件细晶铸造装置，其特征在于，脉冲磁场作用装置分为环形脉冲磁场作用装置和单侧脉冲磁场作用装置，环形脉冲磁场作用装置用于细化形状对称的铸件，单侧脉冲磁场作用装置用于细化形状不对称的铸件，对于大型铸件同时采用环形脉冲磁场作用装置和单侧脉冲磁场作用装置细化。

7.按照权利要求4或6所述的磁热复合控制复杂精密或薄壁铸件细晶铸造装置，其特征在于，环形脉冲磁场作用装置内侧为不锈钢水套，以消除铸件高温对脉冲磁场作用装置的影响；水套外为励磁线圈，用于产生脉冲磁场，励磁线圈由横截面尺寸为3´8mm扁铜砂包线绕制，其匝数通过电感和通量计算设计出，励磁线圈高50～250mm，总匝数为100～300。

8.按照权利要求4或6所述的磁热复合控制复杂精密或薄壁铸件细晶铸造装置，其特征在于，单侧脉冲磁场作用装置顶部为不锈钢水套，以消除铸件高温对脉冲磁场作用装置的影响；水套下为励磁线圈，用于产生脉冲磁场，励磁线圈由横截面尺寸为3´8mm扁铜砂包线绕制，其匝数通过电感和通量计算设计出，励磁线圈高20～50mm，总匝数为100～700。