一種電磁攪拌高剪切熔體處理及自動凈化的裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種電磁攪拌高剪切熔體處理及自動凈化的裝置，屬于金屬材料及其加工成形技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]凝固組織的細(xì)化、均勻化是提高金屬材料性能和品質(zhì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是實(shí)現(xiàn)金屬材料短流程近終形成形加工的技術(shù)基礎(chǔ)。但是受金屬材料固有的凝固特性限制，組織通常呈現(xiàn)“三晶帶”的分布特點(diǎn)，存在晶粒粗大、成分偏析、組織不均勻等問題，對大體積合金熔體凝固而言尤為明顯。因此，如何獲得細(xì)小、圓整、均勻分布的凝固組織一直是材料學(xué)者們研宄的熱點(diǎn)問題。針對這個科學(xué)問題，國內(nèi)外均嘗試采用施加外場(電磁攪拌、機(jī)械攪拌、超聲震動等)干預(yù)合金熔體的凝固過程，通過施加外場使合金熔體產(chǎn)生強(qiáng)烈擾動，促使合金熔體的溫度場、成分場更加均勻，進(jìn)而使合金熔體在整個熔體范圍內(nèi)同時(shí)大量形核，從而實(shí)現(xiàn)對合金熔體凝固組織的精確控制，獲得細(xì)小均勻的凝固組織，最終細(xì)化晶粒組織。
[0003]其中，由于電磁攪拌法具有能量的高密度性和清潔性、優(yōu)越的響應(yīng)性和可控性、易于自動化、能量利用率高等優(yōu)點(diǎn)，所以率先實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化并獲得較為廣泛的商業(yè)應(yīng)用。但是傳統(tǒng)的電磁攪拌技術(shù)有一個固有缺點(diǎn)，即電磁感應(yīng)的集膚效應(yīng):在高頻率下攪拌器內(nèi)的金屬液上產(chǎn)生的感生電流主要聚集在靠近攪拌器內(nèi)壁的位置，而中心位置的感生電流則很小。電磁場越強(qiáng)，頻率越高，集膚層就會越小，這導(dǎo)致攪拌作用僅僅集中在表面的一個很小的薄層，集膚層厚度與半徑之比太小，而使中心大面積的金屬液攪拌效果很差，從而使得金屬液無法獲得均勻的攪拌，從心部到邊部的合金熔體的溫度場和成分場分布不均勻。針對上述問題，北京有色金屬研宄總院徐駿教授等人開發(fā)了新型環(huán)縫式電磁攪拌法工藝(中國專利200810116181.9)。環(huán)縫式電磁攪拌技術(shù)的創(chuàng)新在于:將施加電磁和縫隙式攪拌巧妙結(jié)合，減小了攪拌室的徑向面積、增加了軸向面積和內(nèi)置冷卻系統(tǒng)。一方面使剪切強(qiáng)度大幅度的提高，攪拌更加均勻；另一方面加大了熔體的散熱面積，減小了熔體的溫度差。其目的是獲得均勻的溫度場和成分場，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制均勻凝固，進(jìn)而獲得細(xì)小均勻的凝固組織。
[0004]但由于電磁攪拌的固有特性，電磁力在熔體中是按周向分布的，熔體的流動也是以層流為主，沿周向運(yùn)動，這就不可避免的產(chǎn)生了沿徑向分布的溫度梯度和成分梯度。熔體的剪切強(qiáng)度是熔體流速沿半徑方向的變化率，由于受傳統(tǒng)電磁攪拌的熔體沿徑向分布的速度差異較小，且方向相同，所以熔體的剪切強(qiáng)度較小。同時(shí)由于電磁攪拌設(shè)備溫度控制比較難，所以熔體的溫度較難精確控制。而且合金內(nèi)部的氧化夾雜及氣孔等缺陷對合金的最終的使用性能也有極為重要的影響。對于已知的電磁攪拌熔體處理設(shè)備中，如何去掉熔體內(nèi)氧化夾雜和氣體也是一個比較繁瑣的難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對以上問題，本實(shí)用新型的目的是提供一種新型電磁攪拌高剪切熔體處理及自動凈化的裝置。該裝置充分利用了電磁攪拌的集膚效應(yīng)，同時(shí)通過攪拌腔體結(jié)構(gòu)的巧妙設(shè)計(jì)，熔體流動呈現(xiàn)紊流狀態(tài)，使熔體受到攪拌更加均勻，溫度場和成分場在整個熔體體積內(nèi)分布更加均勻，熔體的剪切強(qiáng)度明顯增加。同時(shí)增加了熔體的自動除氣除渣功能。
[0006]一種電磁攪拌高剪切熔體處理及自動凈化的裝置，該裝置主要由坩禍、電磁攪拌器、熔體處理腔體和溫控裝置組成。在該裝置中，核心裝置為熔體處理腔體和溫控裝置。所述的熔體處理腔體主要由腔體外殼、扇葉、中間芯棒、除氣裝置和除渣裝置組成，所述的坩禍由機(jī)械控制裝置控制可移入或移出熔體處理腔體。
[0007]溫度控制裝置包括油道和進(jìn)油口，所述的油道設(shè)置于熔體處理腔體外殼、扇葉和中間芯棒的內(nèi)部，通過進(jìn)油口通入可以控溫的油來控制熔體處理腔體的溫度。
[0008]所述的扇葉包括外扇葉和內(nèi)扇葉，分別有四個。所述的外扇葉的上端與腔體外殼頂部連接，四個外扇葉相隔90°均勻分布；外扇葉與腔體外殼留有一定寬的縫隙，以便坩禍進(jìn)入，且外扇葉面與通過該扇葉靠近腔體外殼的邊的圓柱形熔體處理腔體軸截面之間的角度為30?60°。所述的內(nèi)扇葉的上端與腔體外殼頂部連接，且內(nèi)扇葉與中間芯棒接觸，四個內(nèi)扇葉相隔90°均勻分布；內(nèi)扇葉面與通過該扇葉接觸中間芯棒的邊的圓柱形熔體處理腔體軸截面之間的角度為120?150°。且兩個相鄰的通過內(nèi)扇葉接觸中間芯棒的邊與外扇葉靠近腔體外殼的邊的圓柱形熔體處理腔體軸截面之間的夾角為45°。熔體的流動形式主要由芯棒和扇葉特有的結(jié)構(gòu)來控制，實(shí)現(xiàn)熔體在整個體積內(nèi)的紊流，實(shí)現(xiàn)熔體的強(qiáng)剪切。
[0009]所述的除氣裝置由設(shè)置于中間芯棒的氣道、進(jìn)氣口和除氣孔組成，熔體自動除氣功能主要由芯棒中設(shè)置的氣道和除氣孔來實(shí)現(xiàn)。
[0010]所述的除渣裝置為設(shè)置于中間芯棒底部的過濾網(wǎng)，熔體自動除渣功能主要由芯棒底部設(shè)置的過濾網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)。
[0011]所述的熔體處理腔體為下面開口的圓柱形結(jié)構(gòu)，熔體處理腔體頂部設(shè)有進(jìn)料口。所述的電磁攪拌器設(shè)置于熔體處理腔體的外側(cè)。
[0012]本實(shí)用新型還提供了采用上述裝置進(jìn)行電磁攪拌高剪切熔體處理及自動凈化的方法。
[0013]一種電磁攪拌高剪切熔體處理及自動凈化的方法，包括如下步驟:
[0014](I)通過溫控裝置調(diào)節(jié)油道內(nèi)油的溫度來控制熔體處理腔體的溫度，待達(dá)到預(yù)定溫度后，將預(yù)熱到一定溫度的坩禍通過機(jī)械控制裝置放入到熔體處理腔體中；
[0015](2)通入除氣氣體，之后通過進(jìn)料口澆入金屬熔體，開動電磁攪拌器，對坩禍內(nèi)的金屬熔體進(jìn)行處理，處理完成后，通過機(jī)械控制裝置取出坩禍。
[0016]將處理后的金屬熔體澆入到成型模具，進(jìn)行壓鑄、擠壓鑄造或其他成型方式。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0018](I)與傳統(tǒng)的電磁攪拌相比，由于本實(shí)用新型攪拌腔體結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計(jì)，可以充分利用電磁攪拌的集膚效應(yīng)，對熔體進(jìn)行強(qiáng)剪切處理，可以使熔體產(chǎn)生紊流，使攪拌更加均勻，熔體溫度場和成分場不會存在沿徑向分布的梯度，最終使合金熔體在整個熔體范圍內(nèi)同時(shí)大量形核，從而實(shí)現(xiàn)對合金熔體凝固組織的精確控制，獲得細(xì)小均勻的凝固組織，最終細(xì)化晶粒組織。
[0019](2)與傳統(tǒng)的電磁攪拌相比，由于油道的設(shè)置，使攪拌腔體溫度控制更加精確，同時(shí)加入了除氣裝置和除渣裝置，可以在熔體處理后實(shí)現(xiàn)自動除氣除渣，省略人工除氣除渣，提高熔體處理效率，節(jié)約成本。
[0020]通過本實(shí)用新型處理的金屬熔體成型零件組織細(xì)小、均勻，性能大大提高。
【附圖說明】
[0021]圖1-1至圖1-2為電磁攪拌高剪切熔體處理及自動凈化的裝置示意圖，其中，圖
1-1:熔體處理及自動凈化的裝置；圖1-2:攪拌腔體主要結(jié)構(gòu)。
[0022]圖2-1至圖2-4為電磁攪拌高剪切熔體處理及自動凈化的裝置及成型示意圖，其中圖2-1:熔體處理；圖2-2:處理完畢；圖2-3:熔體注入成型腔；圖2-4:壓鑄成型。
[0023]圖3-1至圖3-3為合金熔體不同處理方式的流動狀態(tài)模擬圖，其中，圖3-1:普通電磁攪拌裝置；圖3-2:環(huán)縫式電磁攪拌裝置；圖3-3:本實(shí)用新型電磁攪拌高剪切熔體處理及自動凈化的裝置。
[0024]主要附圖標(biāo)記:
[0025]I 坩禍2 電磁攪拌器
[0026]3 (熔體處理)腔體外殼4 油道
[0027]5 中間芯棒6 扇葉
[0028]7 進(jìn)油口8 進(jìn)氣口
[0029]9 除氣孔10 過濾網(wǎng)
[0030]11 進(jìn)料口12 機(jī)械控制裝置
[0031]13 金屬熔體14 通氣管(氣道)
【具體實(shí)施方式】
[0032]如圖1-1和圖1-2所示，本實(shí)用新型的電磁攪拌高剪切熔體處理及自動凈化的裝置，主要由坩禍1、電磁攪拌器2、熔體處理腔體和溫控裝置組成。在該裝置中，核心裝置為熔體處理腔體和溫控裝置。熔體處理腔體主要由腔體外殼3、扇葉6、中間芯棒5、除氣裝置和除渣裝置組成，坩禍I由自動機(jī)械控制裝置12控制可移入或移出熔體處理腔體。
[0033]溫度控制裝置包括油道4和進(jìn)油口 7，油道4設(shè)置于熔體處理腔體外殼3內(nèi)部上，在中間芯棒5內(nèi)部和扇葉6上也設(shè)置油道4。溫度控制通過在熔體處理腔體內(nèi)部增加油道4，通入可以控溫的油來進(jìn)行攪拌腔體的溫度控制，精確控制熔體溫度。
[0034]扇葉6包括外扇葉和內(nèi)扇葉，分別有四個。外扇葉的上端與腔體外殼3頂部連接，四個外扇葉相隔90°均勻分布；外扇葉與腔體外殼3留有一定寬的縫隙，以便坩禍I進(jìn)入，且外扇葉面與通過該扇葉靠近腔體外殼3的邊的圓柱形熔體處理腔體軸截面之間的角度為30?60°。內(nèi)扇葉的上端與腔體外殼3頂部連接，且內(nèi)扇葉與中間芯棒5接觸，四個內(nèi)扇葉相隔90°均勻分布；內(nèi)扇葉面與通過該扇葉接觸中間芯棒5的邊的圓柱形熔體處理腔體軸截面之間的角度為120?150°。且兩個相鄰的通過內(nèi)扇葉接觸中間芯棒5的邊與外扇葉靠近腔體外殼3的邊的圓柱形熔體處理腔體軸截面之間的夾角為45°。熔體的流動形式主要由中間芯棒5和扇葉6特有的結(jié)構(gòu)來控制，實(shí)現(xiàn)熔體在整個體積內(nèi)的紊流，實(shí)現(xiàn)熔體的強(qiáng)剪切。
[0035]除氣裝置由設(shè)置于中間芯棒5的通氣管(氣道)14、進(jìn)氣口 8和除氣孔9組成，熔體自動除氣功能主要由芯棒中設(shè)置的通氣管14和除氣孔9來實(shí)現(xiàn)。
[0036]除渣裝置為設(shè)置于中間芯棒5底部的過濾網(wǎng)10，熔體自動除渣功能主要由芯棒底部設(shè)置的過濾網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)。