[发明专利]电磁激振复合机械搅拌的金属连铸工艺及金属连铸装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属连铸工艺及金属连铸装置，特别是涉及一种对金属熔体增强搅拌的金属连铸工艺及金属连铸装置，应用于凝固技术领域。

背景技术

由于具有良好的抗粘咬性、耐磨减摩性、耐腐蚀性、顺应性和嵌入性等综合性能，同时又具有密度小、导热性好、承载能力大、疲劳强度高等优越性，铝锡轴瓦合金获得愈来愈多的应用以代替传统的锡青铜和巴氏合金，成为汽车柴油发动机中轴瓦的首选材料，以满足高速重载、节能减排的要求。但是，传统水冷铁模浇注法制备的铝锡轴瓦合金晶粒粗大且夹杂物含量较高。同时，由于冷却速度慢和固液共存区宽的凝固特点，常在铝锡合金铸锭中产生严重的偏析，导致在贫Sn处造成Al基体的迅速磨损，使轴瓦合金性能和寿命大打折扣。

为细化铝锡合金材料中的凝固组织、降低夹杂物含量、增加Sn元素的分布均匀性，从而提高合金的承载强度和耐磨减摩等性能，目前主要采用了粉末冶金、喷射成型、快速凝固、脉冲磁场、电磁搅拌等方法。采用粉末冶金技术，可以制备出成分较均匀的铝锡合金，但其工艺复杂，粉末表面易氧化，合金的力学性能和致密度也较差；采用喷射成型技术，可以制备出结构较致密、无宏观偏析、含氧量少的坯件，但其成本非常高，而且生产效率比较低；采用快速凝固技术，可以制备出晶粒十分细小的铝锡合金凝固组织，但对于大尺寸、形状复杂的铸件而言，该技术的实际效果不佳，且工业应用成本较高；采用脉冲磁场技术和电磁搅拌技术，对铝锡合金熔体进行无接触式地搅拌，均匀温度场，在一定程度上可以细化凝固组织并减小偏析程度，但是，这两种技术均是通过交变磁场产生作用的，而交变磁场在透过铜质结晶器时，巨大的屏蔽效应会造成巨大的能量损耗，即使交变磁场透过结晶器，在铝锡合金熔体中仍然存在集肤效应，将进一步弱化电磁力的作用，因此，铸坯的晶粒细化效果很不明显，且电磁力作用区域有限。由此可见，在铝锡合金凝固组织的晶粒尺寸和溶质偏析的控制方面，目前仍然缺少有效的手段。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种电磁激振复合机械搅拌的金属连铸工艺及金属连铸装置，在金属凝固过程中利用机械搅拌以及交变电流与静磁场复合产生的电磁激振效应，达到细化金属组织，获得全等轴晶组织并均匀元素分布的目的，使电磁搅拌的能耗显著降低，节能特征显著。

为达到上述发明创造目的，本发明构思如下：

本发明通过电磁激振效应复合机械搅拌技术来完成对金属凝固过程的控制。

首先，在金属连铸过程中施加一个轴向静磁场。静磁场由水冷线圈通入直流电流产生，其可以直接穿透结晶器和处于顺磁状态的金属熔体，不但降低了电能消耗，而且磁场作用区域可以覆盖整个金属熔体。

其次，在施加轴向静磁场的同时，施加一个周期反向的交变电流。将两电极分别连接在转子搅拌桨和引锭杆上，可以非常方便地将交变电流引入金属熔体中，这种直接施加的电流与脉冲磁场等产生的感生电流相比，其效率更高。同时，由于金属熔体电阻率很低，基本属于短路连接，进一步降低了电能消耗，且可以通过改变电流频率更好地控制电流的分布。交变电流与静磁场复合作用能产生显著的电磁激振效应，从而打碎枝晶，细化晶粒。

再次，采用机械转动方式，驱动转子搅拌桨旋转。转子搅拌桨不仅可以作为电极向金属熔体中传输电流，还可作为搅拌棒搅拌金属熔体。与传统的电磁搅拌相比，这种转子搅拌桨的机械搅拌所需能耗大大降低。采用正反转方式搅拌，可以在金属熔体中产生周期反向的流场，其效果如下：第一，金属熔体流动降低了固液界面前沿的温度梯度，易形成内生形核的环境，有利于提高金属凝固组织的等轴晶率，增强凝固组织的细化效果；第二，机械搅拌与电磁激振结合，可以从宏观流动和微观流动双重层次来影响金属凝固过程，电磁激振产生的微观流动和机械搅拌产生的宏观流动可以呈同向、对向或者正交、或者成特定角度等耦合形态，从而可以形成非常复杂的混沌流动，形成强烈的剪切流，这可以显著细化晶粒；第三，流动的金属熔体不断冲刷结晶器壁和固液界面，使部分枝晶臂断裂，这些断裂的枝晶臂随着金属熔体流动而分散开来，形成了许多新的形核质点，产生晶粒增殖效应，有利于形成晶粒细小的全等轴晶凝固组织；第四，金属熔体的强烈流动以及晶粒的细化和等轴晶化促进了元素的均匀分布，有利于提高金属材料的耐磨减摩性能。

    因此，通过电磁激振复合机械搅拌，可以显著细化金属凝固组织中的晶粒，并显著降低成分偏析，进而显著提升金属材料的力学性能和耐磨减摩性能等。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：