一種近液相線澆注的鋁合金熔模鑄造方法及熔模鑄造裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及金屬凝固制造領域，尤其是涉及一種近液相線澆注的鋁合金熔模鑄造方法及熔模鑄造裝置。
【背景技術】
[0002]熔模鑄造可以生產形狀復雜，同時具有高尺寸精度和表面光潔度的鑄件，在鑄造領域中得到了廣泛的應用。其中，鋁合金熔模鑄造在航空、航天以及民用領域應用最為普遍。在熔模鑄造中，模殼的預熱有助于提高流動性，但由于模殼的傳熱系數比較低，就限制了鑄件的冷卻速度。因此，與常用的鑄造方法，比如金屬型鑄造、砂型鑄造等相比，熔模鑄造較低的冷卻速度，不利于獲得細小的晶粒。所以普通熔模鑄件的尺寸精度雖然較高，但鑄件晶粒組織粗大，并且其一致性難以控制，進而影響了鑄件的力學性能。因此，熔模鑄造鑄件在設計過程中，尤其在航空航天領域，通常要增加鑄造系數來保證鑄件的機械性能，從而限制了熔模鑄造在航空航天領域的應用。
[0003]眾所周知，材料的組織決定著材料的性能，細小的晶粒組織，可以顯著提高鑄件的機械性能。所以，鋁合金鑄造組織的晶粒細化一直是研究的熱點問題。凡是能促進形核、抑制晶粒長大的因素，都能細化晶粒。目前，鋁合金鑄造的晶粒細化有三個方向，分別為控制過冷度、動態晶粒細化和變質處理。
[0004]控制過冷度:通過降低澆注溫度，提高液態金屬的冷卻速度，達到晶粒細化的目的。降低澆注溫度，尤其是選擇在接近液相線溫度進行澆注，可以有效增加液態金屬的原子團簇，促進形核;冷卻速度可以改變過冷度的大小，冷卻速度越快，實際結晶溫度就越低，過冷度就越大，在具有較大的過冷度的情況下，形核率的增加比晶核長大的速度更快從而可以獲得更細晶粒。
[0005]動態晶粒細化:即對凝固的金屬進行振動和攪動，一方面依靠從外面輸入能量促使晶核提前形成，另一方面使成長中的枝晶破碎，增加晶核數目。當前已采取的方法有機械場凝固細晶、磁場凝固細晶、電場凝固細晶及超聲凝固細晶等。
[0006]變質細晶:即通過添加形核劑或微合金化達到細化目的，包括磷及磷化物變質細化、鈉鹽變質細化、鋁鍶中間合金細化、鋁銻中間合金細化、鋁鈦硼合金細化及鋁鈦碳合金細化等。由于實際的凝固均為非均勻形核，因此，在熔體凝固前加入能作為非均質形核基底的變質劑，能夠提高形核率。
[0007]針對鋁合金熔模鑄造中晶粒組織粗大的問題，希望開發出一種能夠在液相線附近溫度進行澆注，從而獲得細晶組織的鑄造工藝。然而，隨著澆注溫度的降低，熔體的流動性能變差，需要提高模殼預熱溫度來增加該工藝的充型性能。過高的預熱溫度，減緩了熔體的散熱，降低了鑄件的凝固速度，需要采取措施加速冷卻的方法獲得細晶組織。

【發明內容】

[0008]本發明的第一個目的在于提供一種通過提高模殼溫度、在近液相線溫度進行澆注、并在澆注后將模殼按照一定速度浸入冷卻液中、從而獲得晶粒細小、組織均勻致密鋁合金鑄件的近液相線澆注的鋁合金熔模鑄造方法。
[0009]本發明的第二個目的在于提供一種近液相線澆注的鋁合金熔模鑄造裝置。
[0010]本發明的第一個目的是這樣實現的:
一種近液相線澆注的鋁合金熔模鑄造方法，特征是:
A、按照傳統熔模鑄造工藝制取蠟模、模殼；
B、在罐體中通過冷卻液入口注入冷卻液，升降平臺設在罐體中的冷卻液的上方的石墨套內，模殼置于升降平臺上；
C、通過電磁感應加熱裝置將模殼預熱至鋁合金的液相線溫度，或液相線以下10?100°C°C;鋁合金熔煉后轉移至澆包靜置，待鋁合金熔體溫度降至液相線以上10?90°C，將澆包內的鋁合金熔體澆入模殼中，完成澆注；
D、澆注后，升降平臺以0.5?lOmm/s的速度下降，將模殼浸入溫度為20?80°C的冷卻液中，實現熔體的凝固，得到晶粒細化的鋁合金鑄件；
E、關閉電磁感應加熱裝置的電源，升起升降平臺，取出鑄件，去除模殼，得到成品鑄件。[0011 ]冷卻液為淬火油、水溶性聚合物PAG(聚烷撐乙二醇水溶液)或水中的一種。
[0012]冷卻液的溫度為20?90°C。
[0013]本發明的第二個目的是這樣實現的:
一種近液相線澆注的鋁合金熔模鑄造裝置，包括向上開口的罐體，特征是:在罐體的頂部蓋有帶澆注孔的罐體上蓋，在罐體的左側壁中部設有冷卻液入口，在罐體的右側壁底部設有冷卻液出口，在罐體內的中下部注有冷卻液，在罐體中的冷卻液的上方設有筒形的石墨套，在石墨套的外壁繞有與外部電源連接的電磁感應加熱裝置，升降平臺通過升降桿設在罐體中的石墨套內，模殼置于升降平臺上。
[0014]本發明的工作原理為:由于模殼的溫度處于液相線附近，所以澆注過程中不會出現冷隔、澆不足等缺陷，所以更有利于對大型、復雜、薄壁鑄件的充型;近液相線澆注有利于增加熔體的原子團簇，促進形核，容易獲得細晶組織。澆注后，模殼仍處于液相線溫度附近，模殼隨升降平臺按一定的速度下降R浸入冷卻液中，模殼浸入冷卻液的部分率先凝固，而處于模殼上部的金屬呈熔體狀態，建立了溫度梯度G。由金屬學知識可知，溫度梯度與升降平臺的下降速度的比值:G/R，決定了鑄件組織的形態。隨著升降平臺的下降速度的減小，即隨著G/R值的增加，晶粒組織分別經歷了平面生長、柱狀晶生長和等軸晶生長;進一步提高下降速度，下部金屬液還未完全凝固，上部液態金屬已發生凝固，無法對下部金屬的液態收縮進行補縮，會出現大面積的縮孔縮松缺陷。所以通過控制G/R值，可以獲得晶粒細小的等軸晶組織。同時，由于升降平臺的下降速度可控，即鑄件各部位的凝固時間可以控制，所以針對不同壁厚的鑄件，也可以得到均勻的組織，提高鑄件的一致性和力學性能穩定性。
[0015]本發明將模殼溫度預熱至液相線附近，進行近液相線溫度鑄造，同時降低澆注溫度，在熔體溫度高于液相線10?90 °C進行澆注。澆注完成后，將充滿熔體的模殼按照一定的速度浸入冷卻液中，從而有效、精確控制鑄件的凝固過程，加速鑄件的冷卻，就可獲得組織均勻、晶粒細小的高品質鋁合金鑄件。由于鑄件凝固過程中的溫度梯度可以精確控制，鑄件下部又率先侵入冷卻液中，而上部仍處于加熱氛圍中，并處于熔融狀態，因而可以使鑄件自下而上的順序依次凝固，先凝固的部位得到充分的液態補縮，鑄件組織致密，同時消除了鑄件各部分凝固過程中的鑄造應力。本發明適用于普通鋁合金精密鑄造和大型、薄壁、復雜鋁合金鑄件熔模鑄造。
【附圖說明】
[0016]圖1為該發明的工藝流程圖；
圖2為該發明的設備示意圖，其中:I一模殼;2—石墨套;3—電磁感應加熱裝置;4一冷卻液入口 ； 5—冷卻液出口 ；6—冷卻液;7—升降平臺；8—罐體;9一罐體上蓋;10—澆包；
圖3為該發明的鑄件冷卻示意圖，其中:I一熔體;2—模殼;3—固液界面;4一固態金屬。
【具體實施方式】
[0017]下面結合實施例并對照附圖對本發明作進一步闡述，需要說明的是硬化的時間可根據不同的工藝而設定。
[0018]實施例1:
一種近液相線澆注的鋁合金熔模鑄造方法，具體步驟如下:
1、將水溶性聚合物PAG