CN111304519A - 一种用于半固态触变成形的钢铁坯料的制备方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于半固态触变成形的钢铁坯料的制备方法及装置。所述方法通过控制熔融钢铁材料从液相线温度以上，经过温控结晶器冷却至半固态温度区间过程中的微观组织演变，获得具有均匀、且具有球化微观组织特征的半固态触变成形钢铁坯料。所述装置包括结晶器和成型模具；所述结晶器本体为柱状结构，其内竖向设有均匀分布呈蜂窝状的通孔，在所述通孔的周围均匀设置冷却水道，所述结晶器的上部向外延伸形成锥面入料端；所述成型模具设于结晶器的底部，其开口端与结晶器底部的出料端吻合；所述结晶器的温度通过调节冷却水管的冷却水流速进行控制。本发明能够满足复杂构件的尺寸和微观组织的要求，并且装置和操作方法均简单易行。

Description

一种用于半固态触变成形的钢铁坯料的制备方法及装置

技术领域

本发明涉及金属材料成形技术领域，具体涉及一种用于半固态触变成形的钢铁坯料的制备方法及装置。

背景技术

相对于半固态加工，3D打印等新材料加工工艺，更多合金工具钢产品的制造依赖于传统的铸造和锻造工艺。然而，在全球倡导“节能减排”和“绿色制造”的今天，传统的铸造和锻造工艺在材料质量利用率和材料性能利用率的双重考量标准下，都显示出一定的局限性，例如汽车转向节等形状复杂构件的锻造成形存在着材料质量利用率低，成形载荷大等缺点；同时，较低的材料质量利用率又造成合金元素资源的浪费。

半固态锻造成形技术是充分利用金属合金材料，在其半固态温度区间内呈现等轴球状组织以及良好且可控的流动性和较小的变形抗力等特点，而建立的是一种先进的近净成形技术。为了制备适用于半固态触变锻造的具有均匀、细小的球状晶半固态坯浆料，国内外研究者们先后尝试使用机械搅拌法、电磁搅拌法、超声波处理法、冷却斜槽法、喷射沉积法，粉末冶金法、应变诱导熔化激活法等方法来制备钢铁半固态坯料。

然而，由于钢铁较高的固/液相线温度，对机械搅拌法、电磁搅拌法中使用的搅拌棒的熔点要求较高，以及形状复杂构件的特殊性和复杂性，和对制备的钢铁半固态坯料宏观形状、尺寸和微观组织的限制，现有技术明显不能适应半固态成形技术的工业应用，为钢铁半固态成形的研究带来更大的挑战。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种用于半固态触变成形的钢铁坯料的制备方法，解决现有技术对搅拌棒的熔点要求较高，以及不能满足复杂构件的触变锻造成形等问题。

本发明还提供一种用于半固态触变成形的钢铁坯料的制备设备，解决现有技术搅拌棒材料要求高，并且现有设备结构复杂，不便控制等问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种用于半固态触变成形的钢铁坯料的制备方法，通过控制熔融钢铁材料从液相线温度以上，经过温控结晶器冷却至半固态温度区间过程中的微观组织演变，并在模具内获得具有均匀、且具有球化微观组织特征的半固态触变成形钢铁坯料；具体包括以下步骤：

S1：初始钢铁材料的熔融；

S2：熔融钢铁材料的浇铸和冷却：将熔融的钢铁材料经由蜂窝状结晶器浇铸到成型模具之中冷却至半固态温度区；

S3：坯料冷却：将经温控冷却形成的半固态钢铁材料，引入到模具中并强制冷却至室温，即得用于半固态触变成形的钢铁坯料。

其中，所述步骤S1采用氮气作为保护气体，以10-20℃/s的升温速率加热钢铁材料至完全熔融后，保温2-5分钟；步骤S2控制冷却速度为1000-2000mm/s，使结晶器的温度维持在1250-1350℃；最后步骤S3将钢铁材料引入到模具中，对模具进行10-20℃的强制降温，使钢铁材料冷却至室温得到用于半固态触变成形的钢铁坯料。

进一步，所述钢铁材料为SKD11钢、38MnVS6钢或304不锈钢。

本发明还提供一种用于半固态触变成形的钢铁坯料的制备装置，包括感应加热炉、结晶器和成型模具；所述结晶器本体为柱状结构，其内竖向设有均匀分布呈蜂窝状的通孔，在所述通孔的周围均匀设置冷却水道，所述结晶器的上部向外延伸形成锥面入料端；所述成型模具设于结晶器的底部，其开口端与结晶器底部的出料端吻合；所述感应加热炉和结晶器的温度分别通过调节感应线圈的电流数值和冷却水管的冷却水流速进行控制。

进一步，所述冷却水道垂直或平行于呈蜂窝状通孔的方向，并均匀设置用于对所述通孔冷却。

进一步，所述冷却水道中插入1Cr18Ni9Ti不锈钢管制作的冷却水管，该冷却水管的两端伸出所述结晶器外，其一端通过橡胶管道与冷却水泵相连。

进一步，所述结晶器采用圆柱形H13热作工具钢机械加工而成，该结晶器的长度为300-800mm，直径为800-1200mm。

进一步，所述成型模具上部开有进气孔和出气孔，所述进气孔通过橡胶管与保护气源相连接，所述出气孔通过橡胶管置于水桶内部。

进一步，在结晶器的外壁上分布有用于检测结晶器内温度的热电偶。

进一步，所述成型模具为氧化铝制成。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明用于半固态触变成形的钢铁坯料的制备方法，通过控温水冷和结晶器的设计（通道的数量、分布、几何形状尺寸等），控制熔融钢铁材料在从液相线温度以上冷却至半固态温度区间过程中的微观组织演变，从而获得适用于半固态触变精密锻造成形的具有均匀且球化微观组织特征的钢铁材料坯料；具有较高的材料质量利用率和高的材料性能利用率，满足现代绿色制造技术的发展方向。

熔融钢铁材料熔炼好后，金属为熔融态，即熔融金属的温度高于其液相线温度，并无结晶。进入结晶器通道后，熔融金属由于与结晶器的热交换而温度降低，进而在靠近结晶通道内壁出开始向结晶通道中心产生结晶，在重力作用下，结晶无法形成较长的柱状晶，而是在下降过程中形成近球形晶粒，从而获得具有均匀且球化的微观组织特征的用于半固态触变成形的钢铁坯料。

2、本发明提供的装置集结晶器与浇铸于一体，避免采用复杂的设置，不仅易于制备和使用，也极大的降低制造成本。蜂窝状结晶器上的结晶通道和冷却水道均通过机械加工手段得以实现，制造方法简单易行。整个制坯过程中的坯料的感应加热和浇铸均采用较为简单的常规技术，且感应加热速率和结晶器的温度分别可以通过调节感应线圈的电流数值和冷却水管的冷却水流速进行控制。

附图说明

图1为本发明用于半固态触变成形的钢铁坯料的制备方法的工作原理示意图。

图2为本发明用于半固态触变成形的钢铁坯料的制备装置的结构示意图。

图3为本发明中结晶器的结构示意图。

图4为结晶器的俯视图。

图5为图4中A-A向剖视图。

图6为图5中B处放大图。

图7为本发明中成型模具（坩埚）的示意图。

图8为本发明实施例1制备的38MnVS6钢坯料微观组织图。

图9为本发明实施例2制备的直齿轮半固态触变锻造用304不锈钢钢坯料微观组织图。

图中，1-结晶器本体，1.1-呈蜂窝状的通孔，1.2-冷却水管，1.3-出料端，1.4-锥面入料端，2-成型模具，3-熔融的钢铁材料。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

参见图1，一种用于半固态触变成形的钢铁坯料的制备方法，具体包括以下步骤：

S1：初始钢铁材料的熔融。采用氮气作为保护气体，以10-20℃/s的升温速率加热钢铁材料至完全熔融后，保温2-5分钟；在加热和保温的过程中初始钢铁材料的温度通过K型热电偶和无纸记录仪进行测量和记录，为了抑制钢铁材料在加热和保温过程中的氧化，采用氮气作为保护气体。

S2：熔融钢铁材料的浇铸和冷却。将熔融的钢铁材料经由蜂窝状结晶器浇铸到氧化铝成型模具之中。浇铸过程中确保氮气以1-5m³/s的速率通过橡胶进气管管充入氧化铝成型模具，并从另一个橡胶出气管排出。在浇铸的过程中确保水温为5-15℃的冷却水一直以1000-2000mm/s的速度，流通于蜂窝状结晶器中的不锈钢冷却水管，并且通过焊接在蜂窝状结晶器四周的K型热电偶测量蜂窝状结晶器的温度，依据无纸记录仪所测得的实时温度数据对冷却水的流速进行调节，确保蜂窝结晶器的温度维持在1250-1350℃的温度区间内，直至全部的熔融钢铁材料经由蜂窝状结晶器浇铸到氧化铝成型模具之中。

S3：坯料冷却。浇铸完成后，将蜂窝状结晶器从氧化铝成型模具上方取出，将氧化铝成型模具连同坯料一同放置于温度为的10-20℃冷却水槽之中，并保证冷却水不会超过氧化铝成型模具上沿并流入其中与钢铁坯料接触，使用红外线测温仪测量位于氧化铝成型模具中的钢铁坯料的表面温度，待钢铁坯料冷却至20-30℃后，将其从氧化铝成型模具中取出，并对坯料表面进行清理和打磨。

参见图2，用于上述半固态触变成形钢铁坯料制备方法的装置，包括感应加热炉、结晶器本体1和成型模具2。参见图3-图6，所述结晶器本体1为柱状结构，其内竖向设有均匀分布呈蜂窝状的通孔1.1，在所述通孔1.1的周围均匀设置冷却水管1.2，所述结晶器本体1的上部向外延伸形成锥面入料端1.4。所述成型模具2设于结晶器本体1的底部，其开口端2.1与结晶器本体1的底部出料端1.3吻合。所述感应加热炉和结晶器的温度分别通过调节感应线圈的电流数值和冷却水管的冷却水流速进行控制。其中，所述冷却水管1.2优选垂直于呈蜂窝状通孔1.1的方向均匀设置，用于对所述通孔1.1进行冷却；所述冷却水管1.2采用1Cr18Ni9Ti不锈钢管制作而成，该冷却水管1.2的两端伸出所述结晶器本体1之外，其一端通过橡胶管道（图中省略）与冷却水泵（图中省略）相连。

其中，所述蜂窝状结晶器本体1优选长度为300-800mm、直径为800-1200mm的圆柱形H13热作工具钢作为加工母材，使用数控钻床沿其轴向加工出30-80个直径为20-50mm的通孔。随后，使用数控加工平台将上述通孔的上沿加工成角度为30-60°、外径为30-80mm的圆锥面。之后，使用数控加工平台沿圆柱形热作模具钢母材的径向加工4-10个直径为20-50mm的通孔，并在上述径向通孔中插入长度为1200-1600mm、壁厚为的3-5mm的1Cr18Ni9Ti不锈钢管作为冷却水管，不锈钢管在通孔的两端均露出相同的长度，并采用氩弧焊方法对圆柱形热作工具钢母材和不锈钢管及逆行焊接。随后在每根不锈钢管的两端加装与之尺寸对应的橡胶水管，橡胶水管和不锈钢管呈现内外相套的状态，橡胶水管外接可以控制水流速度的冷却水泵，并保证冷却水的通导。将四个K型热电偶焊接于蜂窝状结晶器的外壁，保证焊点均匀分布于蜂窝状结晶器四周，并且四个K型热电偶连接无纸记录仪。

参见图7，依据设计好的坯料形状和尺寸，使用氧化铝材料烧制成型模具2，成型模具2的内腔形状即尺寸即为设计好的坯料形状和尺寸，氧化铝成型模具的壁厚为10-30mm。根据有限元法模拟仿真计算触变锻造构件所需坯料的几何形状（一般为圆锥或圆柱）和尺寸，再根据实际情况进行进一步优化，以保证坯料方便脱模。在氧化铝成型模具2上部打两个直径为20mm的小孔，并各安装一个外径为20mm内径为15mm的橡胶管，其中一根橡胶管为进气管，一根为出气管，进气管远离成型模具的一端与氮气瓶连接，出气管远离成型模具的一端置于水桶内部，确保进气管和出气管插入成型模具的一端均不超过氧化铝成型模具内壁，将氧化铝成型模具放置于蜂窝状结晶器下方。

实施例1：汽车转向节半固态触变锻造用38MnVS6钢坯料制备

一、蜂窝状结晶器的预制。以长度为600mm、直径为1000mm的圆柱形H13热作工具钢作为加工母材，使用数控钻床沿其轴向加工出69个直径为30mm的通孔。随后，使用数控加工平台将上述通孔的上沿加工成角度为65°，外径为40mm的圆锥面。之后，使用数控加工平台沿圆柱形热作模具钢母材的径向加工8个直径为30mm的通孔，并在上述径向通孔中插入长度为1500mm、壁厚为的3mm的1Cr18Ni9Ti不锈钢管作为冷却水道，不锈钢管在通孔的两端均露出相同的长度，并采用氩弧焊方法对圆柱形热作工具钢母材和不锈钢管及逆行焊接。随后在每根不锈钢管的两端加装与之尺寸对应的橡胶水管，橡胶水管和不锈钢管呈现内外相套的状态，橡胶水管外接可以控制水流速度的冷却水泵，并保证冷却水的通导。将四个K型热电偶焊接于蜂窝状结晶器的外壁，保证焊点均匀分布于蜂窝状结晶器四周，并且四个K型热电偶连接无纸记录仪。

二、氧化成型模具的预制。根据有限元法模拟仿真计算触变锻造构件所需坯料的几何形状和尺寸，再根据实际情况进行进一步优化，以保证坯料方便脱模。随后依据设计好的坯料形状和尺寸，使用氧化铝材料烧制成型模具（例如氧化铝坩埚），成型模具的内腔形状即尺寸即为设计好的坯料形状和尺寸，氧化铝成型模具的壁厚为20mm。在氧化铝成型模具上部打两个直径为30mm的小孔，并各安装一个外径为30mm内径为20mm的橡胶管，其中一根橡胶管为进气管，一根为出气管，进气管远离成型模具的一端与氮气瓶连接，出气管远离成型模具的一端置于水桶内部，确保进气管和出气管插入成型模具的一端均不超过氧化铝成型模具内壁，将氧化铝成型模具放置于蜂窝状结晶器下方。

三、坯料制备。

（1）钢铁材料的制备。将制坯所需的初始钢铁材料放置于感应加热炉中，以10℃/s的升温速率加热至完全熔融，待确认钢铁材料完全熔融之后，进行2分钟的保温。在加热和保温的过程中初始钢铁材料的温度通过K型热电偶和无纸记录仪进行测量和记录，为了抑制钢铁材料在加热和保温过程中的氧化，采用氮气作为保护气体。

（2）熔融钢铁材料的浇铸和冷却。将熔融的钢铁材料经由蜂窝状结晶器浇铸到氧化铝成型模具之中。浇铸过程中确保氮气以2m3/s的速率通过橡胶进气管管充入氧化铝成型模具，并从另一个橡胶出气管排出。在浇铸的过程中确保水温为10℃的冷却水一直以1500mm/s的速度，流通于蜂窝状结晶器中的不锈钢冷却水管，并且通过焊接在蜂窝状结晶器四周的K型热电偶测量蜂窝状结晶器的温度，依据无纸记录仪所测得的实时温度数据对冷却水的流速进行调节，确保蜂窝结晶器的温度维持在1350℃的温度区间内，直至全部的熔融钢铁材料经由蜂窝状结晶器浇铸到氧化铝成型模具之中。

（3）坯料冷却。浇铸完成后，将蜂窝状结晶器从氧化铝成型模具上方取出，虽然将氧化铝成型模具连同坯料一同放置于温度为的20℃冷却水槽之中，并保证冷却水不会超过氧化铝成型模具上沿并流入其中与钢铁坯料接触，使用红外线测温仪测量位于氧化铝成型模具中的钢铁坯料的表面温度，待钢铁坯料冷却至25℃后，将其从氧化铝成型模具中取出，并对坯料表面进行清理和打磨。

参见图8，本实施例制备的38MnVS6钢半固态坯料中原始固相体积比为35%，固相晶粒尺寸为25 μm，固相晶粒形状因子为0.91（当晶粒形状为绝对圆形时，其形状因子为1.0）。

由此可见，采用本发明提供的方法和装置制备的用于半固态触变成形的钢铁坯料，具有均匀且球化的微观组织特征，能够满足半固态触变精密锻造成形复杂构件的尺寸和微观组织的要求，并且装置和操作方法均简单易行，具有高的材料质量利用率和高的材料性能利用率，符合现代绿色制造技术的发展方向。

实施例2：直齿轮半固态触变锻造用304不锈钢钢坯料制备

一、蜂窝状结晶器的预制。以长度为800mm、直径为1200mm的圆柱形H13热作工具钢作为加工母材，使用数控钻床沿其轴向加工出30个直径为20mm的通孔。随后，使用数控加工平台将上述通孔的上沿加工成角度为45°，外径为40mm的圆锥面。之后，使用数控加工平台沿圆柱形热作模具钢母材的径向加工5个直径为20mm的通孔，并在上述径向通孔中插入长度为1600mm、壁厚为的3mm的1Cr18Ni9Ti不锈钢管作为冷却水道，不锈钢管在通孔的两端均露出相同的长度，并采用氩弧焊方法对圆柱形热作工具钢母材和不锈钢管及逆行焊接。随后在每根不锈钢管的两端加装与之尺寸对应的橡胶水管，橡胶水管和不锈钢管呈现内外相套的状态，橡胶水管外接可以控制水流速度的冷却水泵，并保证冷却水的通导。将四个K型热电偶焊接于蜂窝状结晶器的外壁，保证焊点均匀分布于蜂窝状结晶器四周，并且四个K型热电偶连接无纸记录仪。

二、氧化铝成型模具的预制。根据有限元法模拟仿真计算触变锻造构件所需坯料的几何形状和尺寸，再根据实际情况进行进一步优化，以保证坯料方便脱模。随后依据设计好的坯料形状和尺寸，使用氧化铝材料烧制成型模具，成型模具的内腔形状即尺寸即为设计好的坯料形状和尺寸，氧化铝成型模具的壁厚为20mm。在氧化铝成型模具上部打两个直径为20mm的小孔，并各安装一个外径为20mm内径为15mm的橡胶管，其中一根橡胶管为进气管，一根为出气管，进气管远离成型模具的一端与氮气瓶连接，出气管远离成型模具的一端置于水桶内部，确保进气管和出气管插入成型模具的一端均不超过氧化铝成型模具内壁，将氧化铝成型模具放置于蜂窝状结晶器下方。

三、坯料的制备

（1）钢铁材料的制备。将制坯所需的初始钢铁材料放置于感应加热炉中，以20℃/s的升温速率加热至完全熔融，待确认钢铁材料完全熔融之后，进行2-5分钟的保温。在加热和保温的过程中初始钢铁材料的温度通过K型热电偶和无纸记录仪进行测量和记录，为了抑制钢铁材料在加热和保温过程中的氧化，采用氮气作为保护气体。

（2）熔融钢铁材料的浇铸和冷却。将熔融的钢铁材料经由蜂窝状结晶器浇铸到氧化铝成型模具之中。浇铸过程中确保氮气以1-5m³/s的速率通过橡胶进气管管充入氧化铝成型模具，并从另一个橡胶出气管排出。在浇铸的过程中确保水温为15℃的冷却水一直以2000mm/s的速度，流通于蜂窝状结晶器中的不锈钢冷却水管，并且通过焊接在蜂窝状结晶器四周的K型热电偶测量蜂窝状结晶器的温度，依据无纸记录仪所测得的实时温度数据对冷却水的流速进行调节，确保蜂窝结晶器的温度维持在1320℃的温度区间内，直至全部的熔融钢铁材料经由蜂窝状结晶器浇铸到氧化铝成型模具之中。

（3）坯料冷却。浇铸完成后，将蜂窝状结晶器从氧化铝成型模具上方取出，虽然将氧化铝成型模具连同坯料一同放置于温度为的20℃冷却水槽之中，并保证冷却水不会超过氧化铝成型模具上沿并流入其中与钢铁坯料接触，使用红外线测温仪测量位于氧化铝成型模具中的钢铁坯料的表面温度，待钢铁坯料冷却至20℃后，将其从氧化铝成型模具中取出，并对坯料表面进行清理和打磨。

参见图9，本实施例制备的304不锈钢半固态坯料中原始固相体积比为33%，固相晶粒尺寸为30 μm，固相晶粒形状因子为0.85（当晶粒形状为绝对圆形时，其形状因子为1.0）。

由此可见，采用本发明提供的方法和装置制备的用于半固态触变成形的钢铁坯料，具有均匀且球化的微观组织特征，能够满足半固态触变精密锻造成形复杂构件的尺寸和微观组织的要求，并且装置和操作方法均简单易行，具有高的材料质量利用率和高的材料性能利用率，符合现代绿色制造技术的发展方向。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种用于半固态触变成形的钢铁坯料的制备方法，其特征在于，通过控制熔融钢铁材料从液相线温度以上，经过温控结晶器冷却至半固态温度区间过程中的微观组织演变，并在模具内获得具有均匀、且具有球化微观组织特征的半固态触变成形钢铁坯料；具体包括以下步骤：

S1：初始钢铁材料的熔融；

S2：熔融钢铁材料的浇铸和冷却：将熔融的钢铁材料经由蜂窝状结晶器浇铸到成型模具之中冷却至半固态温度区；

S3：坯料冷却：将经温控冷却形成的半固态钢铁材料，引入到模具中并强制冷却至室温，即得用于半固态触变成形的钢铁坯料。

2.根据权利要求1所述用于半固态触变成形的钢铁坯料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1采用氮气作为保护气体，以10-20℃/s的升温速率加热钢铁材料至完全熔融后，保温2-5分钟；步骤S2控制冷却速度为1000-2000mm/s，使结晶器的温度维持在1250-1350℃；最后步骤S3将钢铁材料引入到模具中，对模具进行10-20℃的强制降温，使钢铁材料冷却至室温得到用于半固态触变成形的钢铁坯料。

3.根据权利要求1所述用于半固态触变成形的钢铁坯料的制备方法，其特征在于，所述钢铁材料为SKD11钢、38MnVS6钢或304不锈钢。

4.一种用于半固态触变成形的钢铁坯料的制备装置，其特征在于，包括感应加热炉、结晶器和成型模具；所述结晶器本体为柱状结构，其内竖向设有均匀分布呈蜂窝状的通孔，在所述通孔的周围均匀设置冷却水道，所述结晶器的上部向外延伸形成锥面入料端；所述成型模具设于结晶器的底部，其开口端与结晶器底部的出料端吻合；所述感应加热炉和结晶器的温度分别通过调节感应线圈的电流数值和冷却水管的冷却水流速进行控制。

5.根据权利要求4所述用于半固态触变成形的钢铁坯料的制备装置，其特征在于，所述冷却水道垂直或平行于呈蜂窝状通孔的方向，并均匀设置用于对所述通孔冷却。

6.根据权利要求4或5所述用于半固态触变成形的钢铁坯料的制备装置，其特征在于，所述冷却水道中插入1Cr18Ni9Ti不锈钢管制作的冷却水管，该冷却水管的两端伸出所述结晶器外，其一端通过橡胶管道与冷却水泵相连。

7.根据权利要求4所述用于半固态触变成形的钢铁坯料的制备装置，其特征在于，所述结晶器采用圆柱形H13热作工具钢机械加工而成，该结晶器的长度为300-800mm，直径为800-1200mm。

8.根据权利要求4所述用于半固态触变成形的钢铁坯料的制备装置，其特征在于，所述成型模具上部开有进气孔和出气孔，所述进气孔通过橡胶管与保护气源相连接，所述出气孔通过橡胶管置于水桶内部。

9.根据权利要求4所述用于半固态触变成形的钢铁坯料的制备装置，其特征在于，在结晶器的外壁上分布有用于检测结晶器内温度的热电偶。

10.根据权利要求4所述用于半固态触变成形的钢铁坯料的制备装置，其特征在于，所述成型模具为氧化铝制成。

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