复杂精密铸件细晶铸造装置论文和设计-王绍爽

全文摘要

本实用新型涉及金属材料领域，公开了一种复杂精密铸件细晶铸造装置，主要包括炉腔（1）、旋转磁场发生器（2）、电磁搅拌感应器（3）和温控仪（4），所述旋转磁场发生器（2）的输出端与所述电磁搅拌感应器（3）连接，所述温控仪（4）的输入端连接保温沙箱（5）中的铸件（6），所述保温沙箱（5）外围包裹有通有循环冷却水（7）的金属外壳（8），所述电磁搅拌感应器（3）安装在所述金属外壳（8）外围且二者互不接触。与现有技术相比，本实用新型解决精密铸件厚大部位和薄壁部位难以细化问题，从而获得整体细化凝固组织。

主设计要求

1.一种复杂精密铸件细晶铸造装置，其特征在于：主要包括炉腔（1）、旋转磁场发生器（2）、电磁搅拌感应器（3）和温控仪（4），所述旋转磁场发生器（2）的输出端与所述电磁搅拌感应器（3）连接，所述温控仪（4）的输入端连接保温沙箱（5）中的铸件（6），所述保温沙箱（5）外围包裹有通有循环冷却水（7）的金属外壳（8），所述电磁搅拌感应器（3）安装在所述金属外壳（8）外围且二者互不接触。

设计方案

2.根据权利要求1所述的复杂精密铸件细晶铸造装置，其特征在于，所述金属外壳（8）的进水口（801）位于其侧壁下部，出水口（802）位于其侧壁上部，且所述进水口（801）与所述出水口（802）呈轴心对称设置。

3.根据权利要求1所述的复杂精密铸件细晶铸造装置，其特征在于，所述保温沙箱（5）的外壁紧贴于所述金属外壳（8）的内壁。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的复杂精密铸件细晶铸造装置，其特征在于，所述电磁搅拌感应器（3）为包围在所述金属外壳（8）外围的环形金属块。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的复杂精密铸件细晶铸造装置，其特征在于，所述金属外壳（8）为紫铜材质。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的复杂精密铸件细晶铸造装置，其特征在于，所述保温沙箱（5）、所述金属外壳（8）以及所述电磁搅拌感应器（3）的形状匹配。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及金属材料制备技术领域，特别涉及一种电磁搅拌与快速凝固相结合的复杂精密铸件细晶铸造装置。

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，可细化晶粒，并有效避免铸造缺陷。

细晶铸造技术是通过控制普通熔模铸造工艺，强化合金的形核机制，在铸造过程中是合金形成大量结晶核心，并阻止晶粒长大，从而获得平均晶粒尺寸小于 1.6mm 的均匀、细小、各向同性的等轴晶铸件，较典型的细晶铸造晶粒度为美国标准 ASTM0 ～ 2 级。细晶铸造在晶粒细化同时，尤其细化合金中的初生碳化物和γ′强化相，并改善其形态及其分布，进而改善合金性能。因此，细晶铸造的突出优点是大幅提高铸件在中低温（≤ 760℃）条件下的低周疲劳性能，显著减小铸件力学性能数据的分散度，从而提高铸件的设计容限。同时，该技术还在一定程度上改善铸件的抗拉性能和持久性能，并使铸件具有良好的热处理性能。细晶铸造技术还可以改善合金铸件的机械加工性能，减小螺孔和刀形锐利边缘等处产生加工裂纹的潜在危险。因此，整体细晶铸造工艺技术已成为中温及以下使用的零部件制造技术关键。

工业发达国家，尤其是美国和德国，早在 20 世纪 70 年代末就开始了细晶铸造技术的研究和应用，20 世纪 80 年代中后期趋于成熟，目前该技术已在航空、航天等领域广泛应用。如美国 Howmet 公司利用细晶铸造技术成功的制造了 IN792MOD5A、Mar-M247、IN713C、IN718 等合金整体涡轮，使涡轮的低周疲劳寿命提高了 2 ～ 3 倍。德国、法国在新型号航空发动机上也采用了细晶整体涡轮铸件。

国内对细晶铸造技术研究从 20 世纪 80 年代末开始起步，经过“八五”和“九五”期间的研究和应用，对合金细晶铸造工艺进行了较系统的研究，但在航空发动机等领域应用尚不广泛。

实用新型内容

实用新型目的：针对现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种复杂精密铸件细晶铸造装置，解决精密铸件厚大部位和薄壁部位难以细化问题，从而获得整体细化凝固组织。

技术方案：本实用新型提供了一种复杂精密铸件细晶铸造装置，主要包括炉腔、旋转磁场发生器、电磁搅拌感应器、金属外壳和温控仪，所述旋转磁场发生器的输出端与所述电磁搅拌感应器连接，所述温控仪的输入端连接保温沙箱中的铸件，所述保温沙箱外围包裹有通有冷却水的金属外壳，所述电磁搅拌感应器安装在所述金属外壳外围且二者互不接触。所述金属外壳的进水口位于其侧壁下部，且所述进水口与所述出水口呈轴心对称设置。

优选地，所述金属外壳的进水口位于其侧壁下部，出水口位于其侧壁上部，且所述进水口与所述出水口呈轴心对称设置。

优选地，所述保温沙箱的外壁紧贴于所述金属外壳的内壁。

优选地，所述电磁搅拌感应器为包围在所述金属外壳外围的环形金属块。

优选地，所述金属外壳为紫铜材质。

优选地，所述保温沙箱、所述金属外壳以及所述电磁搅拌感应器的形状匹配。

本实用新型还提供了一种复杂精密铸件细晶铸造方法，包括以下步骤：S1：采用真空感应细晶铸造炉熔化母合金锭，炉内真空度保持在1×10^{-2<\/sup>以上，在熔点以上200℃左右精炼3 ～ 7 分钟，至熔体表面洁净；S2：降温静置后将熔体浇注到保温沙箱中，浇注温度为50～100℃；S3：当熔体全部浇注到保温沙箱后，迅速开启所述金属外壳内的循环冷却水系统，水流速度为30-50ml\/s；S4：当铸件表层温度达到液固两相区后，开启旋转磁场发生器，控制电磁搅拌感应器产生旋转磁场，通过控制所述旋转磁场发生器，控制所述旋转磁场的励磁电流为150～300A，励磁频率为5～20Hz，作用时间为5～30分钟；S5：铸件随炉冷却，待所述旋转磁场停止搅拌后，关掉循环冷却水，最终得到细晶铸件。}

优选地，在所述S4中，所述旋转磁场发生器能够控制电磁搅拌感应器产生单向或双向旋转磁场，双向旋转电磁场中的正、反向磁场旋转时间为20～40秒，换向时间2～5秒。

有益效果：本实用新型方法利用旋转磁场发生器施加的旋转磁场使熔体内部产生感应电流，这种感应电流又与电磁搅拌感应器产生的磁场相互作用产生电磁力，驱动金属液的旋转运动，从而将模壁处的晶核冲刷下来，成为有效形核核心，增加形核率，进而细化铸件凝固组织。同时，在熔体冷却过程中，开启循环水冷系统，通过水流速度控制冷却速度，吸收大量热量，达到迅速冷却铸锭的目的。本实用新型装置由旋转磁场发生器、电磁搅拌感应器、温控仪和循环水冷系统组成。本实用新型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细晶铸造，能够细化合金凝固组织。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点和效果：本实用新型结合了快速凝固和电磁搅拌的特点，熔体通过冷却水带走大量热量，而通过磁场搅拌使熔体各处温度均匀，这样就能不断带走热量，避免熔体出现温度梯度，使熔体各处均匀形核，提高了形核率，细化晶粒。同时在电磁搅拌作用下熔断或折断枝晶，进而抑制了枝晶长大，促进形核。另外利用本实用新型技术还能减少偏析、缩孔及疏松等缺陷的产生，改善铸锭凝固组织。

附图说明

图1为本实用新型中复杂精密铸件细晶铸造装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行详细的介绍。

实施方式1：

本实施方式提供了一种电磁搅拌与快速凝固相结合的复杂精密铸件细晶铸造装置，如图1所示，主要由炉腔1、旋转磁场发生器2、电磁搅拌感应器3、温控仪4和紫铜材质的金属外壳8组成，旋转磁场发生器2用来调节旋转磁场的励磁频率和励磁电流；旋转磁场发生器2的输出端与电磁搅拌感应器3连接，温控仪4的输入端连接保温沙箱5中的铸件6，温控仪4可监测精炼温度、浇注温度和铸6表层温度，进而为旋转磁场施加时间提供信息；保温沙箱5外围包裹有通有循环冷却水7的金属外壳8，金属外壳8的进水口801位于其侧壁下部，出水口802位于其侧壁上部，且进水口801与出水口802呈轴心对称设置；保温沙箱5的外壁紧贴于金属外壳8的内壁；电磁搅拌感应器3安装在金属外壳8外围且二者互不接触，电磁搅拌感应器3优选使用包围在金属外壳8外围的环形金属块，保温沙箱5、金属外壳8以及电磁搅拌感应器3的形状匹配。

实施方式2：

本实施方式提供了一种使用实施方式1中的电磁搅拌与快速凝固相结合的复杂精密铸件细晶铸造装置进行铸造的方法：

将K418镍基高温合金在真空感应熔炼炉中熔化至1550℃并精炼5分钟，然后降温至1420℃(过热度75℃)后浇注到置于环形电磁搅拌感应器3的保温沙箱5中，并立即开启金属外壳8内的循环冷却水7，水流速度为35ml\/s，待温控仪4检测到铸件6表面温度降至1345℃时开启旋转磁场发生器2，使合金熔体在电磁搅拌感应器3产生的旋转磁场作用下凝固。实验时旋转磁场电流为250A，频率10Hz，作用时间为15分钟。

图1为本实用新型和普通铸造K418（左）高温合金Φ100mm铸锭的横截面金相组织对比。可见，采用本实用新型工艺，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0.5mm。

实施方式3：

本实施方式提供了一种使用实施方式1中的电磁搅拌与快速凝固相结合的复杂精密铸件细晶铸造装置进行铸造的方法：

将Mar-246高温合金在真空感应熔炼炉中熔化至1580℃并精炼5分钟，然后降温至1455℃(过热度100℃)后浇注到置于环形电磁搅拌感应器3的保温沙箱5中(预热到1050℃)中，并立即开启金属外壳8内的循环冷却水7，水流速度为50ml\/s，待温控仪4检测到铸件6表面温度降至1355℃时开启旋转磁场发生器2，使合金熔体在电磁搅拌感应器3产生的旋转磁场作用下凝固。实验时旋转磁场电流为300A，频率15Hz，作用时间为20分钟。

本实用新型和普通铸造Mar-246高温合金大型薄壁铸件凝固后合金显微组织尽进行对比后，本实用新型铸造出的铸件6外径为330mm，薄壁2mm，厚大部位20mm，铸件6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，本实用新型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。

上述各实施方式只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

设计图

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