CN107988496B - 一种铜基非晶合金在线连续半固态处理设备及其处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铜基非晶合金在线连续半固态处理设备及其处理方法：所述设备包括氧化铝耐高温陶瓷铜基非晶合金半固态处理装置、外部冷却循环装置、石墨吸管。所述方法包括：步骤一、将铜基非晶合金在熔炼炉中进行熔炼，并保温一段时间；步骤二、将液态铜基非晶合金保温一段时间后，通过所述石墨吸管，利用虹吸原理将液态铜基非晶合金引入到所述铜基非晶合金半固态处理装置内；步骤三、利用所述氧化铝耐高温陶瓷铜基非晶合金半固态处理装置对铜基非晶合金进行半固态处理。本发明能够改善铜基非晶合金中合金元素的偏聚现象，并且在铜基非晶合金不发生晶化转变的条件下，提升了铜基非晶合金性能的均匀性，同时它能够实现对铜基非晶合金连续且均匀的在线半固态处理，并满足大规模工业化生产。

Description

一种铜基非晶合金在线连续半固态处理设备及其处理方法

技术领域

本发明涉及一种铜基非晶合金在线连续半固态处理设备及其处理方法。

背景技术

非晶合金具有液态金属原子无序排列的结构特性，不存在晶体结构，因此非晶合金的结构缺陷通常只限制在几个原子尺寸范围内，其力学性能、电学性能和化学性能表现的十分优异，广泛应用于超导材料、半导体材料的制造。由于非晶合金为了保持与液态金属相同的原子结构，非晶合金在快速凝固的过程中往往会将液态金属中本就存在的溶质元素偏聚现象保留了下来，造成非晶合金的元素分布不均，导致非晶合金的性能不均匀。采用传统的热处理方法来对非晶合金进行均匀化处理极易导致非晶合金发生晶化转变，降低非晶成分的存在比例。

半固态处理技术是当今金属加工领域的一项重要基础技术，主要包含对金属的半固态挤压、半固态热处理、半固态均匀化处理等。半固态金属是一种两相混合物，由类似于球状的固态组元与能够自由流动的液态组元组成，二者的成分差异基本一致。在的半固态温度区间内，金属保持粘稠状，它既表现出与固体相似的性质，又表现出与液体相似的性质。而半固态处理是基于液-固混合物在加工过程中的流动行为，通过两相相互作用和组织熔化/凝固方式来实现的，期间既发生化学变化，也发生的物理变化，所以金属半固态流动行为区别于金属塑性加工的流动行为和液态金属的流动行为。因此，采用金属半固态处理的原理来对铜基非晶合金进行均匀化处理，可以有效避免非晶合金在均匀化处理中出现的晶化转变现象，进而提升铜基非晶合金的非晶成分的存在比例。

目前已公布的半固态处理方法有：（1）CN 201110403531.1公开了一种过共晶Al-Fe合金半固态挤压及热处理方法，该方法消减了Al₃Fe粗大相的有害作用，保证了铝合金良好的耐磨、耐高温、高强度等性能，具有流程短、耗能低、质量高和近净成型等优点；（2）CN201010613721.1公开了一种钢铝半固态复合板的均匀后处理方法，该方法有效降低了钢铝复合板横向界面剪切强度差值，保证了复合板性能的均匀性；（3）CN 201410387795.6公布一种半固态铝硅合金流变压铸件无泡热处理方法，该方法在不需要经过高温固溶处理的条件下，就可获得无气泡铸件，大大降低了产品的报废率，同时降低了铝硅合金流变压铸件对压铸机的要求；（4）CN200710052730.6公布了一种镁合金铸件半固态热处理方法，该方法结合消失模铸造工艺特点实现了镁合金消失模铸件的半固态热处理，获得了较圆整的球状组织，消除了铸态下玫瑰状的枝晶组织，使得镁合金铸件的强度和延伸率大为提高。

尽管我国目前的金属半固态处理技术有了一定的技术基础和突破，但还没有一种有效的半固态处理技术能够保证铜基非晶合金的性能均匀稳定、非晶成分不降低，且能满足铜基非晶合金大规模半固态处理的装置及方法。

发明内容

本发明为解决上述技术问题提供了一种铜基非晶合金在线连续半固态处理设备及其处理方法，它能够实现对铜基非晶连续且均匀的在线半固态处理，保证铜基非晶合金不出现晶化转化，且能满足大规模工业化生产。

本发明提供了一种铜基非晶合金在线连续半固态处理设备，通过在线半固态处理装置和上引连续铸造装置的有机结合实现铜基非晶合金在线连续半固态处理，其特征在于在线半固态处理装置包括氧化铝耐高温陶瓷铜基非晶合金半固态处理装置、外部冷却循环装置、石墨吸管；所述上引连续铸造装置主要包括电磁线感应线圈快速加热装置、溶沟、熔池、牵引轮、铜基非晶合金快速凝固装置、石墨吸管、加磷木炭。

进一步地，所述的氧化铝耐高温陶瓷铜基非晶合金半固态处理装置包括内嵌式电磁线圈、内嵌式水冷装置、第一冷却水出水通道、弧形内镶式石墨内衬通道、第一冷却水进水通道、密封圈、电磁线圈通电导线、氧化铝耐高温陶瓷护套；所述外部冷却循环装置包括第二冷却水出水通道、第二冷却水进水通道、水蒸气冷凝通道、冷却水循环降温装置、回流冷却水箱，其与所述内嵌式水冷装置进行连接。

进一步地，所述电磁线圈感应快速加热装置包括电磁线圈、铁芯、冷却水套、绝热石棉层，所述加磷木炭覆盖于所述熔池内金属液体上方。

进一步地，所述氧化铝耐高温陶瓷铜基非晶合金半固态处理装置位于所述铜基非晶合金快速凝固装置与所述石墨吸管之间，被所述加磷木炭所覆盖；所述内嵌式水冷装置安装于氧化铝耐高温陶瓷护套内部上方以及各组内嵌式电磁线圈的间隔之间，所述内嵌式水冷装置与外部冷却循环装置相连接；所述冷却循环装置包括回流冷却水箱，所述回流冷却水箱上方设置有蒸汽冷凝器，所述蒸汽冷凝器一侧设置有冷却水槽，所述冷却水槽上部和下部分别设有第二冷却水进水通道和第二冷却水出水通道，所述冷却水槽顶部通过管路与蒸汽冷凝器顶部相连接，所述蒸汽冷凝器底部通过管路与回流冷却水箱相连接，所述回流冷却水箱通过管路分别与第二冷却水出水通道相连接；所述内嵌式电磁线圈位于氧化铝耐高温陶瓷护套内部下方，毗邻于内嵌式水冷装置，共含有六组线圈，呈圆周相对式分布，每组间隔60°角。

本发明还提供了一种铜基非晶合金在线连续半固态处理方法，包含以下步骤：

（1）将铜基非晶合金在熔炼炉中进行熔炼，并保温一段时间；

（2）将液态铜基非晶合金保温一段时间后，通过所述石墨吸管，利用虹吸原理将液态铜基非晶合金引入到所述铜基非晶合金半固态处理装置内；

（3）利用所述氧化铝耐高温陶瓷铜基非晶合金半固态处理装置对铜基非晶合金进行半固态处理；

（4）通过铜基非晶合金快速凝固装置对经过半固态处理后的铜基非晶合金进行快速凝固处理，得到铜基非晶合金上引连铸杆，最后通过所述牵引轮的牵引作用将上引杆引出。

进一步地，步骤1中铜基非晶合金的熔炼是在Ar气氛围保护中进行，其中Ar气的流量为20L/min，待各组元合金元素完全熔化后，保温10min，保温温度保持在纯铜液相线以上1℃左右。

进一步地，步骤2中所述石墨吸管采取从侧面进液的方式对铜基非晶合金溶液进行上引。

本发明所要解决的问题是降低铜基非晶合金中合金元素的偏聚现象，在铜基非晶合金不发生晶化转变的条件下，提升该合金性能的均匀性，同时提供一种能满足铜基非晶合金大规模半固态处理的装置和方法。本发明所采用的技术方案为：一种铜基非晶合金在线连续半固态处理设备及其处理方法，它包括在线半固态处理和上引连续铸造的有机结合，实现了铜基非晶合金在线半固态处理的一体化和连续化，具有生产效率高和产品性能稳定的优点。

所述上引连续铸造包括的设备主要包括电磁线感应线圈快速加热装置、溶沟、熔池、牵引轮、铜基非晶合金快速凝固装置、石墨吸管、加磷木炭，所述电磁线圈感应快速加热装置包括电磁线圈、铁芯、冷却水套、绝热石棉层，所述加磷木炭覆盖于所述熔池内金属液体上方。

所述铜基非晶合金半固态处理装置为氧化铝耐高温陶瓷铜基非晶合金半固态处理装置，它位于所述铜基非晶合金快速凝固装置与所述石墨吸管之间，被所述加磷木炭所覆盖，所述氧化铝耐高温陶瓷铜基合金非晶半固态处理装置包含氧化铝耐高温陶瓷护套、内嵌式水冷装置、弧形内镶式石墨内衬和内嵌式电磁线圈。所述内嵌式水冷装置安装于氧化铝耐高温陶瓷护套内部上方以及各组内嵌式电磁线圈的间隔之间，所述内嵌式水冷装置与外部冷却循环装置相连接；所述冷却循环装置包括回流冷却水箱，所述回流冷却水箱上方设置有蒸汽冷凝器，所述蒸汽冷凝器一侧设置有冷却水槽，所述冷却水槽上部和下部分别设有第二冷却水进水通道和第二冷却水出水通道，所述冷却水槽顶部通过管路与蒸汽冷凝器顶部相连接，所述蒸汽冷凝器底部通过管路与回流冷却水箱相连接，所述回流冷却水箱通过管路分别与第二冷却水出水通道相连接；所述内嵌式电磁线圈位于氧化铝耐高温陶瓷护套内部下方，毗邻于内嵌式水冷装置，共含有六组线圈，呈圆周相对式分布，每组间隔60°角。

本发明提供的铜基非晶合金在线连续半固态处理方法，具体地包含以下步骤：

步骤一、将铜基非晶合金在熔炼炉中进行熔炼，并保温一段时间。步骤一中铜基非晶合金的熔炼是在Ar气氛围保护中进行的，其中Ar气的流量为20L/min，待各组元合金元素完全熔化后，保温10min，保温温度保持在纯铜液相线以上1℃左右。

步骤二、将液态铜基非晶合金保温一段时间后，通过所述石墨吸管，利用虹吸原理将液态铜基非晶合金引入到所述铜基非晶合金半固态处理装置内。步骤二中利用虹吸原理通过所述石墨吸管对所述熔池中的液态铜基非晶合金进行上引，在这一过程中为防止熔池底部沉积的炉渣进入到石墨吸管内，所述石墨吸管采取从侧面进液的方式对其进行上引，对液态铜基非晶合金的上引流动起到了一定的过滤作用。

步骤三、利用所述氧化铝耐高温陶瓷铜基非晶合金半固态处理装置对铜基非晶合金进行半固态处理。利用所述氧化铝耐高温陶瓷铜基非晶合金半固态处理装置内的弧形内镶式石墨内衬通道进行扩流，增加液态铜基非晶合金在半固态处理装置中的存在时间，并利用所述内嵌式电磁线圈对液态铜基非晶合金进行电磁搅拌作用。所述的氧化铝耐高温陶瓷铜基非晶合金半固态处理装置被燃烧的加磷木炭所覆盖，它采用的是石墨材料制作的圆弧形扩流通道，有利于延长半固态处理的作用时间，并利用电磁搅拌破坏树枝结构。在一般多元合金的凝固过程中，生成的固相极易呈树枝状，造成凝固后的金属内部存在大量的单剪切带；当固液混合区的固相占比达到20%以上时，树枝结构开始硬化，不利于后期的成型加工。根据成分过冷理论，在固液混合区适当降低冷却速度可以使固液界面前沿的溶质和结晶潜热充分扩散，降低界面前沿的温度梯度和浓度梯度，有利于合金元素的均匀扩散，降低树枝结构的存在比例。同时，增加电磁搅拌作用将进一步破坏固相中的树枝结构。因此，采用所述氧化铝耐高温陶瓷铜基非晶合金半固态处理装置，极大地减少树枝结构的存在比例，改善了铜基非晶合金元素的偏聚状态和凝固组织，并实现了对铜基非晶合金的大批量连续性处理。

步骤四、通过所述铜基非晶合金快速凝固装置和牵引轮，将铜基非晶合金上引铸造杆引出。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明提供了一种铜基非晶合金在线连续半固态处理设备及其处理方法，采用了全新设计开发的氧化铝耐高温陶瓷铜基非晶合金半固态处理装置实现了铜基非晶合金不间断地半固态处理，使铜基非晶合金内部的合金元素分布的更加均匀，极大地减少了合金的树枝结构，进而减少了合金内部的单剪切带结构，实现了改善铜基非晶合金杆坯凝固组织的目的。它能够改善铜基非晶合金中合金元素的偏聚现象，在铜基非晶合金不发生晶化转变的条件下，提升了铜基非晶合金性能的均匀性，同时提供了一种能满足铜基非晶合金大规模半固态处理的装置和方法。

附图说明

图1为本发明的氧化铝耐高温陶瓷铜基非晶合金半固态处理装置实施例示意图。

图2为图1的A-A剖视图。

图3为本发明的冷却循环装置实施例示意图。

图4位本发明的石墨吸管剖面示意图。

其中：

内嵌式电磁线圈1

内嵌式水冷装置2

第一冷却水出水通道3

弧形内镶式石墨内衬通道4

第一冷却水进水通道5

密封圈6

电磁线圈通电导线7

氧化铝耐高温陶瓷护套8

第二冷却水出水通道9

氧化铝耐高温陶瓷铜基非晶合金半固态处理装置10

第二冷却水进水通道11

水蒸气冷凝通道12

冷却水循环降温装置13

回流冷却水箱14

石墨吸管15。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

本实施例中的一种铜基非晶合金在线连续半固态处理设备，包括氧化铝耐高温陶瓷铜基非晶合金半固态处理装置（图1、图2）、冷却循环装置（图3）、石墨吸管（图4）。

所述氧化铝耐高温陶瓷铜基非晶合金半固态处理装置10如图1所示，包括内嵌式电磁线圈1、内嵌式水冷装置2、第一冷却水出水通道3、弧形内镶式石墨内衬通道4、第一冷却水进水通道5、密封圈6、电磁线圈通电导线7、氧化铝耐高温陶瓷护套8。

与所述内嵌式水冷装置2进行连接的外部冷却循环装置如图2所示，它包括第二冷却水出水通道9、第二冷却水进水通道11、水蒸气冷凝通道12、冷却水循环降温装置13、回流冷却水箱14。

所述石墨吸管15的剖面图如图4所示。

本实施例中的一种铜基非晶合金在线连续半固态处理方法，包含以下步骤：

步骤一、将铜基非晶合金在熔炼炉中进行熔炼，并保温一段时间。

铜基非晶合金的熔炼是在Ar气氛围保护中进行的，其中Ar气的流量为20L/min，待各组元合金元素完全熔化后，保温10min，保温温度保持在纯铜液相线以上1℃左右。

步骤二、将液态铜基非晶合金保温一段时间后，通过所述石墨吸管，利用虹吸原理将液态铜基非晶合金引入到所述铜基非晶合金半固态处理装置内。

呈熔化状态的铜基非晶合金通过虹吸作用进入到所述石墨吸管15内，在这一过程中为防止熔池底部沉积的炉渣进入到石墨吸管内，所述石墨吸管采取从侧面进液的方式对铜基非晶合金溶液进行上引，对液态铜基非晶合金的上引流动起到了一定的过滤作用。

步骤三、利用所述氧化铝耐高温陶瓷铜基非晶合金半固态处理装置10对铜基非晶合金进行半固态处理。

利用所述氧化铝耐高温陶瓷铜基非晶合金半固态处理装置10内的弧形内镶式石墨内衬通道4进行扩流，增加液态铜基非晶合金在半固态处理装置中的存在时间，并利用所述内嵌式电磁线圈1对液态铜基非晶合金进行电磁搅拌作用。由于所述氧化铝耐高温陶瓷铜基非晶合金半固态处理装置10位于铜基非晶合金液体上方附近，温度极高，为防止所述内嵌式电磁线圈1发生烧损，利用所述内嵌式水冷装置2对所述内嵌式电磁线圈1进行降温处理。同时，为防止所述内嵌式水冷装置2对呈半固态的铜基非晶合金在弧形内镶式石墨内衬通道4内的保温作用产生影响，采用所述氧化铝耐高温陶瓷护套8对所述内嵌式电磁线圈1和所述内嵌式水冷装置2进行绝热隔离。而电磁线圈的供电线，即电磁线圈通电导线7是通过第一冷却水出水通道3和第一冷却水进水通道5与所述内嵌式电磁线圈1进行连接的，其中，所述电磁线圈通电导线7与冷却水出水通道11和第二冷却水出水通道9交叉部位采用密封圈6进行密封处理。为防止回流的冷却水温度过高，采用如图2所示的冷却循环装置对其进行降温，回流的冷却水通过第二冷却水出水通道9进入到冷却水循环降温装置13中，同时利用水蒸气冷凝通道12对水蒸气进行凝结处理并回流至冷却水循环降温装置13中。利用所述冷却水循环降温装置13对凝结的水蒸气和回流冷却水进行降温处理，降温后的冷却水进入到回流冷却水箱14中，然后通过第二冷却水进水通道11再次进入到所述氧化铝耐高温陶瓷铜基非晶合金半固态处理装置10内。

步骤四、通过铜基非晶合金快速凝固装置和牵引轮，将铜基非晶合金上引铸造杆引出。

通过铜基非晶合金快速凝固装置对经过半固态处理后的铜基非晶合金进行快速凝固处理，得到铜基非晶合金上引连铸杆，最后通过所述牵引轮的牵引作用将上引杆引出。

除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种铜基非晶合金在线连续半固态处理设备，通过在线半固态处理装置和上引连续铸造装置的有机结合实现铜基非晶合金在线连续半固态处理，其特征在于在线半固态处理装置包括氧化铝耐高温陶瓷铜基非晶合金半固态处理装置、外部冷却循环装置、石墨吸管；所述上引连续铸造装置主要包括电磁线感应线圈快速加热装置、溶沟、熔池、牵引轮、铜基非晶合金快速凝固装置、石墨吸管、加磷木炭；

所述的氧化铝耐高温陶瓷铜基非晶合金半固态处理装置（10）包括内嵌式电磁线圈（1）、内嵌式水冷装置（2）、第一冷却水出水通道（3）、弧形内镶式石墨内衬通道（4）、第一冷却水进水通道（5）、密封圈（6）、电磁线圈通电导线（7）、氧化铝耐高温陶瓷护套（8）；所述外部冷却循环装置包括第二冷却水出水通道（9）、第二冷却水进水通道（11）、水蒸气冷凝通道（12）、冷却水循环降温装置（13）、回流冷却水箱（14），其与所述内嵌式水冷装置（2）进行连接。

2.根据权利要求1所述铜基非晶合金在线连续半固态处理设备，其特征在于所述上引连续铸造装置的电磁线圈感应快速加热装置包括电磁线圈、铁芯、冷却水套、绝热石棉层，所述上引连续铸造装置的加磷木炭覆盖于所述熔池内金属液体上方。

3.根据权利要求1所述铜基非晶合金在线连续半固态处理设备，其特征在于所述氧化铝耐高温陶瓷铜基非晶合金半固态处理装置（10）位于所述铜基非晶合金快速凝固装置与所述石墨吸管（15）之间，被所述加磷木炭所覆盖；所述内嵌式水冷装置（2）安装于氧化铝耐高温陶瓷护套（8）内部上方以及各组内嵌式电磁线圈（1）的间隔之间，所述内嵌式水冷装置（2）与外部冷却循环装置相连接；所述冷却循环装置包括回流冷却水箱（14），所述回流冷却水箱上方设置有蒸汽冷凝器，所述蒸汽冷凝器一侧设置有冷却水槽，所述冷却水槽上部和下部分别设有第二冷却水进水通道（11）和第二冷却水出水通道（9），所述冷却水槽顶部通过管路与蒸汽冷凝器顶部相连接，所述蒸汽冷凝器底部通过管路与回流冷却水箱（14）相连接，所述回流冷却水箱（14）通过管路分别与第二冷却水出水通道（9）相连接；所述内嵌式电磁线圈（1）位于氧化铝耐高温陶瓷护套（8）内部下方，毗邻于内嵌式水冷装置（2），共含有六组线圈，呈圆周相对式分布，每组间隔60°角。

4.一种铜基非晶合金在线连续半固态处理方法，其特征在于采用权利要求1-3之一所述的铜基非晶合金在线连续半固态处理设备，方法包含以下步骤：

1）将铜基非晶合金在熔炼炉中进行熔炼，并保温一段时间；

2）将液态铜基非晶合金保温一段时间后，通过所述石墨吸管，利用虹吸原理将液态铜基非晶合金引入到所述铜基非晶合金半固态处理装置内；

3）利用所述氧化铝耐高温陶瓷铜基非晶合金半固态处理装置对铜基非晶合金进行半固态处理；

4）通过铜基非晶合金快速凝固装置对经过半固态处理后的铜基非晶合金进行快速凝固处理，得到铜基非晶合金上引连铸杆，最后通过所述牵引轮的牵引作用将上引杆引出。

5.根据权利要求4所述的铜基非晶合金在线连续半固态处理方法，其特征在于步骤1中铜基非晶合金的熔炼是在Ar气氛围保护中进行，其中Ar气的流量为20L/min，待各组元合金元素完全熔化后，保温10min，保温温度保持在纯铜液相线以上1℃。

6.根据权利要求4所述的铜基非晶合金在线连续半固态处理方法，其特征在于步骤2中所述石墨吸管采取从侧面进液的方式对铜基非晶合金溶液进行上引。

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