一種溫控型金屬鑄造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及金屬鑄造技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種溫控型金屬鑄造方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 金屬鑄造是將金屬熔煉成符合一定要求的液體并澆進鑄型里，經(jīng)冷卻凝固、清整 處理后得到有預定形狀、尺寸和性能的鑄件的工藝過程。它在金屬的生產(chǎn)中具有舉足輕重 的地位。隨著金屬材料種類和產(chǎn)品品種的不斷增加，應用領(lǐng)域的快速拓展，以及高新技術(shù)的 迅猛發(fā)展和人們生活水平的日益提高，世界面臨環(huán)境惡化、資源與能源短缺的現(xiàn)狀，對金屬 鑄造過程的節(jié)能降耗、短流程、高效率、低成本以及鑄坯質(zhì)量的要求越來越高。
[0003] 目前金屬鑄造所采用的鑄型主要有冷卻鑄型（簡稱"冷型"）、加熱鑄型（簡稱"熱 型"）和兩相區(qū)鑄型。大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化多采用冷卻鑄型，即通過對鑄型四周施加循環(huán)水進行強 制冷卻，使得鑄型溫度遠低于金屬的固相線溫度以下，金屬熔體首先在鑄型的急冷作用下 凝固，并逐漸向中心生長，最終獲得從鑄坯表面往芯部的微觀組織分別為細小等軸晶、垂直 于表面的柱狀晶和粗大等軸晶的鑄坯。這種工藝易形成樹枝狀晶，產(chǎn)生偏析、縮孔和疏松等 缺陷，影響鑄件質(zhì)量。加熱鑄型是在鑄型出口附近對已凝固金屬進行強制冷卻，在凝固金屬 與未凝固熔體間建立起沿拉坯方向的高溫度梯度，使其具備定向凝固條件，從而連續(xù)獲得 具有單向凝固的連續(xù)柱狀晶或單晶組織的無限長鑄坯。利用熱型連鑄方法可獲得表面光潔 度好、具有連續(xù)柱狀晶，但能耗大、生產(chǎn)效率低。兩相區(qū)鑄造方法是將鑄型溫度控制在金屬 的固液兩相區(qū)溫度范圍內(nèi)，并在兩相區(qū)鑄型出口附近對已凝固金屬進行強制冷卻，獲得鑄 坯。該工藝能活動優(yōu)良鑄坯，但不能用于純金屬和共晶合金的鑄造成形，且存在著鑄型加熱 溫度高、能耗大、拉坯速度不能太快等不足。可見，開發(fā)一種節(jié)約能源、生產(chǎn)效率和成材率高 的鑄造設備和鑄造方法，提高金屬鑄還表面光潔度、內(nèi)部致密度，具有十分重要的意義。
[0004] 中國專利201310053924. 3提供了一種金屬型重力鑄造方法：金屬液重力澆鑄到 金屬型模具后，在模具澆口杯位置使用擠壓桿對所述模具型腔進行垂直向下擠壓，使液體 金屬在壓力下凝固、流動成形，已凝固金屬在壓力下發(fā)生塑性變形，使得鑄件無縮孔、縮松 等缺陷，組織細密，力學性能提高，減小冒口與加工余量，金屬利用率高。但該現(xiàn)有技術(shù)僅 僅適用于純金屬鑄造，對于合金鑄件，由于重力因素的影響，鑄造成型的器件內(nèi)部成分不會 均，最終會影響鑄件的整體質(zhì)量。
[0005] 中國專利201310140939. 3提供了一種溫型鑄造方法，其特征為：鑄型通過加熱器 進行加熱，或者利用進入鑄型之前的金屬熔體傳導的熱量加熱鑄型，使鑄型溫度保持在低 于金屬的固相線溫度且高于冷卻鑄型溫度的范圍內(nèi)；通過鑄型出口附近設置的冷卻器對金 屬進行強制冷卻；用牽引機構(gòu)對金屬鑄坯進行拉制。雖然該現(xiàn)有技術(shù)中提供了該溫型鑄造 方法的裝置，但該裝置在鑄造過程中金屬液體中間和周邊的溫度不一樣，造成晶粒大小不 均，最終會影響鑄件的強度?？梢?，該技術(shù)也沒有徹底解決金屬鑄件質(zhì)量的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的鑄造中能耗高、鑄件內(nèi)部組織不致密、晶粒大小不均勻 等的問題，本發(fā)明提供了一種溫控型金屬鑄造方法，采用本發(fā)明提供的制備工藝，鑄造出來 的金屬鑄件表面光澤度高、內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密、晶粒大小均一、可塑性高、質(zhì)量高。
[0007] 本發(fā)明首先公開了一種溫控型金屬鑄造裝置，包括盛料裝置、均勻化裝置、拉伸裝 置，其特征在于：所述盛料裝置包括坩堝、坩堝頂蓋、電磁攪拌器、導流管；所述均勻化裝置 包括螺旋管道、內(nèi)部保溫層、冷卻管道、外部保溫層；所述拉伸裝置包括加熱裝置和牽引機 構(gòu)；所述電磁攪拌器包覆盛料裝置的周圍；其連接關(guān)系為：所述均勻化裝置的上端連接盛 料裝置下方的導流管；所述拉伸裝置連接均勻化裝置的下端。所述盛料裝置還包括導熱棒， 所述導熱棒的下端為圓球面，所述導熱棒豎直插于坩堝的中心位置。
[0008] 本發(fā)明首先還公開了一種溫控型金屬鑄造方法，包括以下步驟：
[0009] 步驟一：對坩堝中的金屬熔液進行攪拌，使其達到成分混合均勻、溫度分布均勻；
[0010] 步驟二：將坩堝中的金屬熔液通過導流管流入均勻化裝置中；
[0011] 步驟三：通過均勻化裝置的螺旋管道的作用將金屬溶熔液形成均勻化湍流，并在 冷卻管道的作用下，均勻化裝置出口的金屬溫度降低至固相線以下；
[0012] 步驟四：在拉伸裝置的作用下，將均勻化裝置出口的金屬連續(xù)拉制成金屬鑄坯。
[0013] 進一步，所述步驟一還包括在坩堝的中心位置通過導熱棒將坩堝中心的熱量及時 傳導出去。
[0014] 進一步，所述步驟四還包括在牽引機構(gòu)的上部通過加熱裝置對預拉伸的金屬進行 溫度調(diào)控。
[0015] 進一步，所述步驟一中進行攪拌的方式為電磁攪拌。
[0016] 進一步，所述步驟三中均勻化裝置的螺旋管道為單螺旋或雙螺旋結(jié)構(gòu)。
[0017] 進一步，所述步驟一中坩堝邊緣的金屬熔液切向力fD滿足下述關(guān)系
[0019] 其中，fD為坩堝邊緣部的金屬液體的切向力；
[0020] D為坩堝的直徑；
[0021] B。為金屬熔液的磁感應強度；
[0022] 〇為進入熔液的電導率；
[0023] ω為感應線圈的角頻率；
[0024] t為攪拌時間；
[0025] μ為磁導率。
[0026] 進一步，所述步驟三中均勻化裝置的螺旋管道的長度L和管道與水平面的夾角Θ 的關(guān)系為：
[0028] 其中，L為螺旋管道的長度；
[0029] P為金屬熔液的密度；
[0030] g為重力加速度；
[0031] ζ為金屬熔液的熱傳導系數(shù)；
[0032] Θ為螺旋管道與水平面的夾角；
[0033] h為螺旋管道下端口的金屬熔液的溫度；
[0034] t2為螺旋管道上端口的金屬熔液的溫度；
[0035] T為單位時間內(nèi)金屬熔液溫度差。
[0036] X為單位時間金屬恪液在X方向上產(chǎn)生的位移；
[0037] y為單位時間金屬熔液在y方向上產(chǎn)生的位移；
[0038] z為單位時間金屬熔液在z方向上產(chǎn)生的位移；
[0039] 隊為時間內(nèi)單位金屬熔液體積數(shù)，其中i = 1，2, 3，......η。
[0040] 作為本發(fā)明可選的一種實施方式，步驟一中所述導熱棒為石墨棒或碳化娃棒，且 外部包覆耐火材料層。
[0041] 作為本發(fā)明可選的一種實施方式，步驟一中所述導熱棒金屬棒為雙層套管，外層 套管為高熔點金屬管，內(nèi)層套管為低熔點金屬管，循環(huán)水從內(nèi)層金屬管道中流入，從外層金 屬管道中流出。
[0042] 進一步，所述的均勻化裝置與水平面具有傾斜夾角，所述夾角為15-45度，優(yōu)選為 30度。
[0043] 進一步，所述均勻化裝置的螺旋管道內(nèi)壁設有螺旋紋，使其管道為螺旋通道，其螺 旋通道可以為單螺旋結(jié)構(gòu)，也可為多螺旋結(jié)構(gòu)，如雙螺旋結(jié)構(gòu)，三螺旋結(jié)構(gòu)等。
[0044] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：
[0045] (1)本發(fā)明提供的溫控型金屬鑄造方法，采用電磁攪拌，使得坩堝內(nèi)的金屬熔液各 成分混合均勻，而且及時將坩堝的中心區(qū)域的熱量通過導熱棒傳遞出去，加強了金屬熔液 內(nèi)部的散熱，提高溫度場分布的均度，更利用金屬晶粒的細化，制備的金屬鑄件表面光澤度 高、內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密、晶粒大小均一、無偏析和裂紋而且，可塑性高、質(zhì)量高，而且節(jié)約能源，簡 化工藝、生產(chǎn)效率高。
[0046] (2)本發(fā)明提供的溫控型金屬鑄造方法，工藝步驟中采用螺旋管道，有利于金屬液 體內(nèi)部產(chǎn)生強烈的湍流，從而避免形成層流，進一步達到細化晶粒的目的，并且實現(xiàn)溫度場 和成分場的均勾化分布。
[0047] (3)本發(fā)明提供的溫控型金屬鑄造方法，將牽引機構(gòu)的上部進行加熱，在進行牽引 時使金屬鑄件處于最佳塑性的溫度區(qū)間，避免牽引時內(nèi)部出現(xiàn)微裂紋而影響鑄件的整體性 能。
[0048] (4)本發(fā)明提供的溫控型金屬鑄造方法，幾乎可以應用于所有的金屬鑄造成形，如 純金屬、合金（如鋁合金、銅合金、鈦合金、鎂合金等），不僅能用于金屬鑄件的成型，而且也 能生產(chǎn)金屬線材、棒材、帶材、管材、板材等產(chǎn)品。
【附圖說明】
[0049] 圖1是本發(fā)明提供的溫控型金屬鑄造方法所使用的鑄造裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0050] 圖2是發(fā)明實施例2的導熱棒的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0051] 圖3是發(fā)明實施例2的導熱棒的截面示意圖；
[0052] 圖1中附圖標記說明：
[0053] 盛料裝置100、均勻化裝置200、拉伸裝置300 ;坩堝1、坩堝頂蓋2、電磁攪拌器3、 導熱棒4、金屬液體5、導流管6、螺旋管道7、內(nèi)部保溫層8、冷卻管道9、外部保溫層10、加熱 裝置11、牽引機構(gòu)12 ;
[0054] 圖2-3中附圖標記說明：
[0055] 箭頭表示流體方向，X表示流體進入方向，?表示流體出來方向。
【具體實施方式】
[0056] 以下結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的 具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
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