CN1208152C - 高熔点触变金属坯料及复合材料间歇制备装置及方法 - Google Patents

高熔点触变金属坯料及复合材料间歇制备装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高熔点触变金属坯料及复合材料间歇制备装置及方法。坯料制备室由坩埚18、密封法兰盖2、电磁搅拌器5、循环水套6、复合保温管7、钼丝8、耐热管9、阻尼孔10、顶部铂铑-铂热电偶11、氩气入孔12、堵头13、密封盖14、出水口16、进水口21、入孔22、底部热电偶26组成;升降器包括驱动机构25、耐热触头3、导柱24、前端板23、后端板27。本发明加热、熔化、保温、搅拌、冷却过程均在同一个坯料制备室中进行,制备室相对封闭,在制备过程中采用氩气保护坩埚中金属熔体。坯料制备室中的钼丝表面刷有涂料,在加热过程,采用氢气和氮气进行保护。本发明工艺先进,设备结构简单,避免金属熔体的氧化;电磁搅拌效果好,生产效率高;可以稳定生产半固态坯料。

Description

高熔点触变金属坯料及复合材料间歇制备装置及方法
技术领域
本发明属于冶金材料领域,特别涉及一种高熔点半固态触变金属坯料及复合材料制备工艺与设备。
背景技术
材料的性能在较大程度上取决于其组织特征,在材料的制备过程中对组织形态控制是提高性能的重要手段。传统液态成形初生相以枝晶方式长大,当固相率为20%时则形成连续枝晶网架结构,过早使合金丧失流动性而导致制件品质下降。半固态加工原理是在液态金属凝固过程中施以剧烈搅拌,破碎所生成的树枝晶,而形成近球形初晶晶粒和残余液相共同构成的具有非枝晶组织特征的合金浆料,冷却凝固后形成半固态坯料。此种坯料加热在液固温度区域内,在力的作用下即使固相率达到60%仍具有较好的流动性。可以利用压铸、挤压、模锻等常规工艺进行加工成形。在近三十年的时间内,半固态加工技术由于具有独特的技术优势和广阔的应用前景倍受人们的关注并且发展迅速。目前研究集中在铝合金半固态组织演变、浆料流变学行为和非枝晶合金的形变特性。在半固态基础研究成果之上,国内外研究并开发了机械搅拌、电磁搅拌等半固态坯料制备工艺;触变与流变等半固态成形工艺,为半固态加工技术的工程化奠定了基础。美国在上世纪70年代初最早发现半固态技术特征,随后对其进行应用基础研究,并在80年代达到了有色金属半固态成形的试生产水平。当时,美国Alumax公司于1985年购买MIT该技术大约30多项专利,目前,国内申请半固态技术专利已达20余项,国内外申请专利多在熔点较低的Sn合金、Al合金、Zn合金和Mg合金等,而实际用于半固态生产主要集中在铝合金与镁合金。对于铸铁、碳钢、不锈钢等高熔点材料,由于涉及半固态组织获得与保持,整个制备过程如何避免氧化,坯料与装置的温度实时控制,坯料容器如何保证耐高温与热稳定性等技术问题。对其设备与工艺应用研究相对较少。
半固态坯料制备作为半固态触变成形工艺的基础,倍受国内外的关注。目前已经发展有机械搅拌法、磁场搅拌法、应变诱变激活法、喷射沉积法、晶粒细化热处理法、控制冷却法、近液相浇注法、斜坡冷却法、液体混合法等坯料制备方法。机械搅拌法出现最早的一种坯料制备方法,由于存在效率低、搅拌装置材质寿命低、污染金属熔体等缺点,主要用于实验研究及低熔点合金的实际生产;应变诱变激活法由于工艺要求合金原料获得较大的变形量,因此只适应小型零件的生产;喷射沉积由于过程复杂,导致成本增加,只适应质量要求较高的半固态坯料制备;日本等国最近发展的控制冷却法、近液相浇注法、斜坡冷却法、液体混合法等具有操作简单、成本较低等特点,但由于上述工艺均需要精确控制合金凝固过程,目前,只适应低熔点半固态合金坯料制备。
电磁搅拌是利用导电的熔融金属与变化磁场间产生的感应力驱动金属熔体进行旋转运动,电磁搅拌在金属熔体中形成水平旋转,从而改变金属熔体的温度场与浓度场,进而抑制枝晶生长而形成球状晶,实现半固态组织演变。电磁搅拌技术已经广泛应用于钢铁材料的连铸工艺上,对组织细化具有明显作用。由于电磁搅拌无接触,所以不受搅拌器材料高温耐热性的限制,相比其他半固态坯料制备工艺,电磁搅拌更适应高熔点材料半固态浆料的制备。
中国专利申请(专利号:02104349.3)提出一种球状初晶的半固态金属或合金浆料直接成形方法及装置,其中浆料制备为将低过热度的金属或合金液浇入铸模中,同时对浇入该铸摸即承接容器中的过热金属或合金液体施加短时低功率搅拌,并对该凝固过程进行冷却控制和球状初晶的保温圆整球化,得到预定固相分数的球状初晶的半固态金属或合金浆料。该方法具有流程短、成本低等特点。但该方法及装置首先通过浇入低过热度合金进行搅拌制备,随后进入冷却、保温器进行冷却控制和圆整球化,最后进入压铸设备进行成型,对于高熔点材料很难避免过程氧化;采用低功率搅拌,对于熔点、密度较高,电导率较低的材料,很难保证其搅拌效果。此外,高熔点材料对制备、冷却、保温装置具有较高的耐热要求,导致较高的制作成本。
发明内容
本发明目的是要解决高熔点触变材料的制备过程氧化问题,提高搅拌强度,改善搅拌效果,降低制作成本。
一种制备高熔点半固态触变金属坯料及复合材料的装置,包括坯料制备室和升降器,坯料制备室与升降器同轴安装,由紧固螺栓通过筒体17、上盖板15和下托板4固定成一体,整个设备通过转轴19、并由底板1、支架20固定在地面上,其特征在于坯料制备室由坩埚18、密封法兰盖2、电磁搅拌器5、循环水套6、复合保温管7、钼丝8、耐热管9、阻尼孔10、顶部铂铑-铂热电偶11、氩气入孔12、堵头13、密封盖14、出水口16、进水口21、入孔22、底部热电偶26组成;升降器置于坯料制备室下方,包括驱动机构25、耐热触头3、导柱24、前端板23、后端板27。驱动机构25置于导柱24之间,并置于坯料制备室下端,耐热触头3与坩埚相接,导柱24垂直安装在升降器两侧,通过前端板23、后端板27与导柱24连接将驱动机构25固定在坯料制备室下托板4上,驱动机构25端部与耐热触头3相接,并推入坯料制备室内腔,耐热触头3的直径小于坯料制备室耐热管9内径,两者直径比为0.8-0.95,最佳直径比为0.9。
高熔点触变金属坯料及复合材料间歇制备方法,包括合金熔化、保温、处理,搅拌(加入增强剂)、冷却等五个坯料制备步骤。
合金熔化:首先将原材料放入刚玉坩埚,通过升降器将装料坩埚放置坯料制备室中,线圈电阻加热,加热温度达到合金液相线上30-80℃;合金保温:熔化后进行保温,使熔体温度充分均匀,保温时间5-20min;合金处理:合金熔炼后进行处理,处理包括脱氧除气、合金化,脱氧除气使用铝、稀土等脱氧剂,脱氧及合金化均通过堵头13直接加入金属熔体;电磁搅拌:在坯料制备室内控制坯料降温至某一温度,在坯料制备室内进行电磁搅拌,即施加一个使金属熔体产生以水平旋转为主、辅之于上下环流的搅拌力,搅拌采用直接冷却降温搅拌和等温搅拌两种方式,若制备复合材料此时则需加入颗粒或短纤维增强剂,搅拌室磁感应强度范围为0.02-0.1T;冷却:电磁搅拌完成后,进行冷却即通过循环水套6进行强制冷却,本装置提供冷却速度为5℃-90℃/min,最佳冷却速度为10℃-60℃/min;待触变金属坯料冷却到一定温度后,通过升降器将坯料运出坯料制备室外,完成高熔点触变金属及复合材料坯料的制备。
本发明加热、熔化、保温、搅拌、冷却过程均在同一个坯料制备室中进行,避免制备过程转换而引起金属熔体的氧化,同时降低设备成本,电磁搅拌效果好,空气磁阻小。搅拌室中心磁感应强度达到0.02-0.1T,30-60min加热时间内搅拌室温度达到1600℃。为使金属熔体表面避免氧化,制备室相对封闭,在制备过程中采用氩气保护坩埚中金属熔体。为使半固态触变坯料上下温度均匀,充分发挥加热线圈的电磁搅拌作用,本发明设计的坯料高度仅为加热线圈高度的二分之一至十分之九,最佳坯料高度仅为加热线圈高度的三分之一。坯料制备室中的钼丝作为容易损坏零件,钼丝表面刷有涂料,在加热过程,采用氢气和氮气进行保护,延长使用时间,降低了成本;制备室温度范围约30-1600℃,可以制备熔点范围为1300-1600℃的合金触变材料或复合材料。设备径向磁场分布基本均匀,轴向存在有约120mm左右的均匀旋转磁场,能够满足φ(40-80)X100mm规格的触变金属及复合材料圆坯料的制备要求。
本发明所涉及的高熔点半固态金属坯料间歇制备工艺及设备具有工艺先进;设备结构简单、维修方便;生产效率高;坯料质量好;可以稳定生产半固态坯料;所制备的合金范围广,特别适应1300-1600℃熔点范围内的触变金属材料或复合材料坯料制备。
附图说明
图1为本发明高熔点触变金属坯料及复合材料间歇制备设备示意图具体实施方式高熔点半固态金属坯料间歇制备设备的加热、保温、保护和电磁搅拌部分具体实施方式为:①加热为电阻加热,热量由缠绕在耐热管9壁上的钼丝8提供。加热过程由顶部铂铑-铂热电偶11和底部热电偶26进行实时测温控制。②保温部分为复合保温,复合保温管7通过控制辐射、对流、传导等方式来阻断热量传输。③保护部分为三方面,一为保护电磁搅拌5:冷却水通过进水口21、循环水套6、出水口16流动控制电磁搅拌器5的温度;二为保护金属熔体避免氧化,熔化室是由耐热触头3、堵头13与耐热管9所构成。通过氩气入孔12输入氩气,保护熔体表面;三为保护加热钼丝8,通过入孔22,输入由氨气裂解的氢气、氮气保护高温状态的钼丝8,整个加热室为密封法兰盖2、密封盖14、耐热管9外壁构成的密封空间。阻尼孔10保证一定量氢气、氮气的存在。④电磁搅拌5由变频电源与搅拌器所组成,提供不同功率范围及频率范围的搅拌力。

Claims (7)

1.一种制备高熔点半固态触变金属坯料及复合材料的装置,包括坯料制备室和升降器,坯料制备室与升降器同轴安装,由紧固螺栓通过筒体(17)、上盖板(15)和下托板(4)固定成一体,整个设备通过转轴(19)、并由底板(1)、支架(20)固定在地面上,其特征在于坯料制备室由坩埚(18)、密封法兰盖(2)、电磁搅拌器(5)、循环水套(6)、复合保温管(7)、钼丝(8)、耐热管(9)、阻尼孔(10)、顶部铂铑-铂热电偶(11)、氩气入孔(12)、堵头(13)、密封盖(14)、出水口(16)、进水口(21)、入孔(22)、底部热电偶(26)组成;升降器置于坯料制备室下方,包括驱动机构(25)、耐热触头(3)、导柱(24)、前端板(23)、后端板(27),驱动机构(25)置于导柱(24)之间,并置于坯料制备室下端,耐热触头(3)与坩埚相接,导柱(24)垂直安装在升降器两侧,通过前端板(23)、后端板(27)与导柱(24)连接将驱动机构(25)固定在坯料制备室下托板(4)上,驱动机构(25)端部与耐热触头(3)相接,并推入坯料制备室内腔。
2.如权利要求1所述制备高熔点半固态触变金属坯料及复合材料的装置,其特征在于耐热触头(3)的直径与坯料制备室耐火管(9)内径两者直径比为0.8-0.95。
3.如权利要求1或2所述制备高熔点半固态触变金属坯料及复合材料的装置,其特征在于耐热触头(3)的直径与坯料制备室耐火管(9)内径两者直径比为0.90。
4.如权利要求3所述的一种高熔点触变金属坯料及复合材料间歇制备装置,其特征在于坯料制备室中的钼丝作为容易损坏零件,钼丝表面刷有涂料。
5.一种高熔点触变金属坯料及复合材料间歇制备方法,其特征在于加热、熔化、保温、搅拌、冷却过程均在同一个坯料制备室中进行;合金熔化:首先将原材料放入刚玉坩埚,通过升降器将装料坩埚放置坯料制备室中,线圈电阻加热,加热温度达到合金液相线上30-80℃;合金保温:熔化后进行保温,使熔体温度充分均匀,保温时间5-20min;合金处理:合金熔炼后进行处理,处理包括脱氧除气、合金化,脱氧除气使用铝、稀土为脱氧剂,脱氧及合金化均通过堵头(13)直接加入金属熔体;电磁搅拌:在坯料制备室内控制坯料降温至某一温度,在坯料制备室内进行电磁搅拌,从而施加一个使金属熔体产生以水平旋转为主、辅之于上下环流的搅拌力,搅拌采用直接冷却降温搅拌和等温搅拌两种方式,若制备复合材料此时则需加入颗粒或短纤维增强剂,搅拌室磁感应强度范围为0.02-0.1T;冷却:电磁搅拌完成后,进行冷却即通过循环水套(6)进行强制冷却,冷却速度为10℃-60℃/min;待触变金属坯料冷却到一定温度后,通过升降器将坯料运出坯料制备室外,完成高熔点触变金属及复合材料坯料的制备;制备过程中制备室相对封闭,通过氩气入孔(12)输入氩气保护坩埚中金属熔体。
6.如权利要求5所述的一种高熔点触变金属坯料及复合材料间歇制备方法,其特征在于为使半固态触变坯料上下温度均匀,充分发挥加热线圈的电磁搅拌作用,设计的坯料高度仅为加热线圈高度的二分之一至十分之九。
7.如权利要求5或6所述的一种高熔点触变金属坯料及复合材料间歇制备方法,其特征在于坯料高度仅为加热线圈高度的三分之一。
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