[发明专利]一种高剪切强电磁搅拌熔体处理的装置和方法

说明书

本发明涉及一种高剪切强电磁搅拌熔体处理的装置和方法，属于金属材料及其加工成形技术领域。该装置主要由坩埚、安装在坩埚内的芯棒、及安装在坩埚外围的电磁搅拌装置组成，电磁搅拌装置包括水箱和放置在水箱中的电磁搅拌器；坩埚的形状为半锥形，芯棒形状上端为半锥形结构，下端为螺旋结构，芯棒中间为中空结构，中空部分的形状为半锥形；芯棒与坩埚同轴。该装置和方法可用于处理铝合金、镁合金、铜合金、锌合金、钛合金等合金熔体及其颗粒增强的金属基复合材料。通过本发明处理得金属熔体温度场和成分场非常均匀，成型坯料及零件组织细小均匀、成分分布均匀，铸造缺陷大大减少，性能大幅提高，同时提高产品生产效率，大幅度降低产品成本。

技术领域

本发明属于金属材料及其加工成形技术领域，具体涉及一种高剪切强电磁搅拌熔体处理的装置和方法。

背景技术

凝固组织的细化、均匀化是提高金属材料性能和品质的关键环节，是实现金属材料短流程近终形成形加工的技术基础。但是受金属材料固有的凝固特性限制，组织通常呈现“三晶带”的分布特点，存在晶粒粗大、成分偏析、组织不均匀等问题，对大体积合金熔体凝固而言尤为明显。因此，如何获得细小、圆整、均匀分布的凝固组织一直是材料学者们研究的热点问题。针对这个科学问题，国内外均尝试采用施加外场干预合金熔体的凝固过程，通过施加外场使合金熔体产生强烈扰动，促使合金熔体的温度场、成分场更加均匀，进而使合金熔体在整个熔体范围内同时大量形核，从而实现对合金熔体凝固组织的精确控制，获得细小均匀的凝固组织，最终细化晶粒组织。

电磁搅拌法具有能量的高密度性和清洁性、优越的响应性和可控性、易于自动化、能量利用率高等优点，所以率先实现产业化并获得较为广泛的商业应用。美国专利4434837和4229210及中国专利200420112702.0、200510086377.4和201220715064.6都公开了几种制备合金浆料或坯料的电磁搅拌方法，其主要原理是利用强烈的电磁搅拌使合金熔体产生流动，获得相对均匀的温度场和成分场，最终细化合金的晶粒组织。但是由于电磁感应的集肤效应的存在导致搅拌作用仅仅集中在表面的一个很小的薄层，而使中心大面积的金属液搅拌效果很差，从而使得金属液无法获得均匀的搅拌，从心部到边部的合金熔体的温度场和成分场分布不均匀，频率越高，集肤效应越明显，距离断面外表层的距离越大，则感应电流的衰减越剧烈。因此大部分电磁搅拌装置和方法均是采取降低频率的方法减弱集肤效应，但是低的频率不仅减弱了搅拌强度，同时需增设变频装置，会增加设备投资成本，增加合金浆料的制备成本。中国专利200810116181提出了一种环缝式电磁搅拌装置和方法，该装置在熔体心部放置一个芯棒，形成熔体缝隙，在搅拌缝隙宽度可调的环缝式制浆系统内实现浆料的搅拌。环缝不仅避开了磁感应强度较低的部分，可有效避免电磁感应趋肤效应导致的搅拌力的不均匀性，将交变电磁场趋肤效应劣势转变为优势，充分利用趋肤效应层磁感应强度高的优点，同时增加了熔体心部的散热面积，使浆料获得的更加均匀的温度场和成分场，使用工频电流便可以实现均匀的搅拌，因此减少了变频设备，减少成本。但由于缝隙的宽度有限，只能处理小体积熔体，熔体处理量有限，同时电磁搅拌的固有特性，电磁力在熔体中是按周向分布的，熔体的流动也是沿周向运动，以层流为主，这就不可避免的产生了沿径向和轴向分布的温度梯度和成分梯度。美国专利5135564也提出了一种类似的电磁搅拌设备和方法，该设备主要是通过旋转的磁场和可上下移动的芯棒来控制熔体的搅拌，避开熔体受电磁力较小的地方和增加熔体的散热，但是电磁搅拌所产生的熔体搅拌效果都是沿周向运动的，以层流为主，很难产生熔体的径向和轴向流动，也就同样不可避免的产生了沿径向和轴向分布的温度梯度和成分梯度，上下移动的的芯棒虽说可以增强熔体上下的流动，但是效果有限，同时该设备相当复杂，操作困难，生产成本较高。

发明内容