CN1480275A - 一种钢铁材料半固态熔体的制备方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种钢铁材料半固态熔体的制备方法及装置，其装置包括：盛放钢铁材料熔体(1)的特种容器、安装在其外侧的温度调节装置(5)及搅拌器(4)和底部振动器(7)。盛放钢铁材料熔体(1)的特种容器的内层(2)含有形核促进剂。其方法的步骤：将熔炼合格的钢铁材料熔体(1)以高于液相线温度5－10℃浇入经预热的特种容器内，然后对钢铁材料熔体施加一个搅拌力或振动力，进行强烈搅拌或振动1－10分钟后，得到合格的半固态熔体，供半固态流变成形或铸锭后半固态触变成形使用。该方法称为晶体游离法，适用于各种钢铁材料和有色合金，其突出优点是制备速度快、半固态熔体质量好、控制方便、可以用于大体积半固态熔体的制备。

Description

一种钢铁材料半固态熔体的制备方法及装置

技术领域

本发明涉及一种钢铁材料半固态熔体的制备方法及装置，适用于各种钢铁材料和多种有色金属半固态熔体的制备。

背景技术

半固态熔体是半固态成形必不可少的原料，可以用于压铸、挤压、轧制或锻造等成形方法。半固态熔体的基本要求是其中的固相为细小圆整的非枝晶，且均匀分布。由于钢铁材料具有枝晶生长特性，在通常条件下凝固所得固相组织主要为树枝晶，所以，如何制备符合要求的钢铁材料半固态熔体是一个普遍关心的问题。

现有技术中制备半固态熔体的技术途径主要是利用外力场或物理场、添加粉末变质剂、控制冷却速度与加热保温等四种。利用外力场的方法主要是采用各种搅拌和震动技术对金属熔体施加一个外力场，金属熔体在外力场作用下发生强烈的对流，达到细化晶粒、抑制枝晶生长、获得非枝晶组织的目的。这类方法在有色合金中应用较多，但对于钢铁材料来说，由于熔体温度很高，凝固阶段冷却速度快，现有的利用外力场方法难以在短时间内得到合格的半固态熔体。

添加变质剂的方法是通过向合金熔体内部添加粉末变质剂，改变熔体的晶体形核条件或控制晶体生长条件达到细化晶粒的目的。这种方法的主要问题是难以得到近球形的初生固相，无法单独作为半固态熔体的制备方法使用。

控制冷却速度的方法是通过减缓冷却速度促进枝晶退化实现树枝晶向粒状晶的转变，进而获得半固态熔体。这种方法在有色合金和钢铁材料半固态熔体制备中都可以应用，但是，生产效率低，所得组织尺寸较大，熔体的半固态成形性能难以满足流变成形需要。

重新加热保温法是靠保温过程中的组织演化来获得钢铁材料半固态熔体的一类方法。它包括制坯、重新加热和成形三个步骤。首先利用连铸或模铸方法获得晶粒细小的坯料，然后将坯料重新加热到固液共存温度进行适当保温，使其中的固相在保温过程中向球形演变，得到具有较好流变性的半固态熔体或坯料，然后再在外力作用下成形。这种方法的制造成本较高，不便推广应用。

发明内容

为解决现有技术存在的技术问题，本发明根据晶体游离理论，同时利用外力场和含有形核促进剂的特种容器制备钢铁材料半固态熔体，提供一种钢铁材料半固态熔体的制备方法及装置。

本发明的技术方案是，一种钢铁材料半固态熔体的制备方法：将熔炼合格的钢铁材料熔体以高于液相线温度5-10℃的温度，浇入经过预热的特种容器内，在小于5秒的时间内施加一个或多于一个的外力场，使钢铁材料熔体发生剧烈运动1-10分钟，并使其以2-10℃/min的速度被连续冷却，得到制备的半固态熔体；所说的特种容器是指，容器的内层含有形核促进剂。

钢铁材料半固态熔体的制备装置，该装置包括：盛放钢铁材料熔体的特种容器、安装在特种容器外侧的温度调节装置及搅拌器和底部振动器。

本发明的装置中，盛放钢铁材料熔体的特种容器，是由含有形核促进剂的内层和由通常耐火材料制成的外层组成。

本发明提出的一种钢铁材料半固态熔体的制备方法，包括如下步骤：

第一步，将熔炼合格的钢铁材料熔体以高于液相线温度5-10℃的温度浇入经过预热的盛放钢铁材料熔体的特种容器内。所说的预热，其预热温度范围从合金固相线以下100℃至合金固相线温度，其目的在于防止钢铁材料熔体浇入容器后温度过低，在容器内壁形成完整的凝固壳破坏或减弱特种容器促进钢铁材料熔体形核和晶体游离的作用；其目的或者在于防止温度过高，合金熔体不能发生凝固，其特种容器促进钢铁材料熔体形核的作用无法发挥。所说的特种容器由含有形核促进剂的内层和外层组成。它既具有促进钢铁材料熔体形核功能，又有较强的抵抗高温钢铁材料熔体冲刷和侵蚀的能力。所说特种容器的内层由70-90％的耐火材料粉末、3-6％的粘结剂和7-25％的形核促进剂混合均匀后烧结成型衬在外层内或制成糊状涂刷在外层内壁上，内层的厚度0.2-50mm。所说的内层中含有的形核促进剂是稀土氧化物、钛氧化物、钒氧化物和锶盐等一种或两种以上的混合物。厚度小于5mm时，采取涂刷的方法将内层涂在外层的内壁上。厚度大于5mm时，采用不定形耐火材料的通常成形方法烧结成形后，衬在特种容器的外层内。特种容器的外层由不定形耐火材料经混合、压制和烧结而成，主要起提高容器整体强度和保护内层的作用。内外两层之间紧密接触。

所说的将熔炼合格的钢铁材料熔体以高于液相线温度5-10℃的温度浇入经过预热的内层含有形核促进剂的容器，目的在于保证特种容器内层的内壁上能够形成细小晶核，而且保证特种容器内的合金熔体温度在合金液相线温度和固相线温度之间。

第二步，钢铁材料熔体浇入特种容器后，在小于5秒的时间内对钢铁合金熔体施加一个或一个以上的外力场1-10分钟，使熔体发生强烈的对流运动。所说的外力场主要包括搅拌力场和振动力场中的一种或一种以上。搅拌力场可以是现有技术中的机械搅拌力场，也可以是现有技术中的电磁搅拌力场。作用在熔体上的搅拌力不小于4×10⁵N/m³，搅拌频率200-3000次/分。这种搅拌作用，使特种容器内壁上形成的微小晶体不断被剥落进入熔体内部，充当熔体内部的结晶核心，固相分数的增加主要靠结晶核心的增多，而不是靠晶体的长大，从而促进特种容器内的熔体按非枝晶方式凝固成细小粒状晶。所说的振动力场可以是现有技术中的机械振动力或其他振动源产生的振动力场，作用在熔体上的振动力不小于1×10⁴N/m³，振动频率50-1000次/分，振动幅度1-5mm。这种振动力场在熔体内形成了温度、成分和流动的周期性扰动，促进特种容器内壁上的晶体游离和进入熔体内部的游离晶的球形化。

第三步，在第二步所说的搅拌或振动的同时，钢铁材料熔体的热量通过特种容器连续不断地传出而使钢铁材料熔体得到连续冷却，熔体中的固相不断增多。所说的连续冷却，其速度通过安装在特种容器外壁上的温度调节装置在2-10℃/min范围内调节。所说的温度调节装置同时具有冷却和加热的两种功能。熔体冷速过大时，启动加热功能进行加热；熔体冷速过小时，启动冷却功能进行冷却。这一温度调节装置可以保证熔体内部横向温度梯度小于1℃/cm，纵向温度梯度小于1.5℃/cm。这种低的温度梯度可以避免逐层凝固，防止枝晶生长，促进粒状晶形成。

第四步，制备合格的半固态熔体通过特种容器的浇注口浇入模具型腔，直接进行半固态流变成形或浇入锭模铸造成锭后供半固态触变成形使用。所说的制备合格的半固态熔体，其中的固相分数在20-60％范围，固相颗粒平均尺寸小于80μm，金相显微镜下看到的形状主要是颗粒状和短条状的粒状晶，也有不超过30％的蔷薇花瓣状的退化枝晶。

本发明的有益效果是：

(1)制备速度快

由于同时采用了含有形核促进剂的特种容器与外力场作用，特种容器内壁成了结晶核心源，不断地形成微小晶体，并在外力场作用下不断被剥离，进入熔体内部，导致形核率大幅度提高，半固态熔体的制备速度也相应地得到明显提高。制备时间比现有技术中电磁搅拌法缩短一倍以上。

(2)半固态熔体质量好

由于熔体内部温度梯度最大只有1.5℃/cm，从特种容器的内壁上剥离形成的游离晶在熔体内部的生长速度缓慢，加之外力场造成的对流作用使固相颗粒产生自旋运动，使游离晶的枝晶生长特性得到有效遏止。所以，所得半固态熔体内初生固相以近球形的粒状晶为主，尺寸细小，分布均匀，不经过重新加热和保温处理就可以直接进行半固态成形。

(3)适用范围广

本方法通过调整工艺参数和更换特种容器的材料，可以用来进行液相线温度低于1530℃的多种材料的半固态熔体制备。通过更换特种容器内层的形核促进剂材料，可以适应各种材质的钢铁材料半固态熔体制备的需要。通过更换特种容器的尺寸和调整外力场大小，可以适应各种体积的半固态熔体制备需要。所以，本发明具有广泛的适用性。

(4)控制方便

通过控制安装在特种容器外的电磁搅拌器或振动器以及温度调节装置可以方便地调节熔体的搅拌力场或振动力场的大小、方向以及熔体的冷却速度，达到控制半固态熔体质量的目的。因此，本发明便于实现自动控制，可以适应规模生产。

附图说明图1钢铁材料半固态熔体的装置主视图图中：钢铁材料熔体1、内层2、外层3、搅拌器4、温度调节装置5、浇口塞6、振动器7

具体实施方式

结合附图对本发明作进一步说明。

钢铁材料半固态熔体的制备装置如图1。该装置包括：盛放钢铁材料熔体1的特种容器、安装在特种容器外侧的温度调节装置5及搅拌器4和底部振动器7。

钢铁材料熔体1被盛放在特种容器内，搅拌器4和振动器7分别或同时产生使熔体1运动的搅拌力场和振动力场，促进特种容器内壁上形成的晶体的游离和游离晶的球形化。安装在特种容器外侧的温度调节装置5调节熔体1的冷却速度和熔体内部的温度梯度，抑制枝晶生长。打开浇口塞6，将制备合格的半固态熔体浇入锭模铸锭后供触变成形用或浇入成形模具内进行流变成形。

盛放钢铁材料熔体1的特种容器由含有形核促进剂的内层2和由通常耐火材料制成的外层3组成。

制备方法一

用中频感应电炉熔炼ZG40Mn。特种容器的内层2包括：80％的耐火材料粉末、6％的粘结剂和14％的形核促进剂混合均匀后，制成糊状涂刷在外层3的内壁上，厚度3mm。其中所含的形核促进剂是稀土氧化物。在熔炼合金的同时，将特种容器预热至1400℃，并保温40分钟。合金熔炼合格后，以1505℃的温度浇入特种容器后3秒内，以2500次/分的速度对熔体进行水平电磁搅拌。搅拌力场为6×10⁵N/m³。搅拌过程中，熔体的冷却速度控制在8-9℃/min的范围，横向温度梯度0.8℃/cm，纵向温度梯度0.5℃/cm。搅拌3分钟后打开特种容器底部的浇注口，将半固态熔体直接浇入挤压铸造型腔，进行半固态挤压铸造。所得铸件的组织中初生相以近球形的粒状为主，体积分数约50％，平均直径30μm，可以进行流变成形。

制备方法二

用中频感应电炉熔炼ZG45。在熔炼合金的同时，特种容器的内层2包括：90％的耐火材料粉末、5％的粘结剂和5％的形核促进剂混合均匀后，烧结成型，衬在外层3的内壁上，厚度15mm。其中的形核促进剂是钒、钛氧化物粉末。特种容器预热至1390℃，保温20分钟。合金熔炼合格后，以1500℃的温度浇入特种容器内，并以300次/分的频率、2mm的振幅对熔体施加一个振动力场，力场为4×10⁴N/m³。振动过程中，熔体的冷却速度控制在3-5℃/min的范围，横向温度梯度0.6℃/cm，纵向温度梯度1.0℃/cm。振动5分钟后打开特种容器底部的浇口塞6，将半固态熔体直接浇入压铸模具型腔，进行压力铸造成形。铸件组织中非枝晶相以近球形的粒状为主，体积分数约45％，平均直径35μm，可以进行流变成形。

Claims (5)

1.一种钢铁材料半固态熔体的制备方法，其特征在于，该方法是将熔炼合格的钢铁材料熔体以高于液相线温度5-10℃的温度，浇入经过预热的特种容器内，在小于5秒的时间内施加一个或多于一个的外力场，使钢铁材料熔体发生剧烈运动1-10分钟，并使其以2-10℃/min的速度被连续冷却，得到制备的半固态熔体；所说的特种容器是指容器的内层含有形核促进剂。

2.根据权利要求1所述的一种钢铁材料半固态熔体的制备方法，其特征在于施加的外力场是搅拌力场和振动力场中的一种或一种以上，搅拌力场强度不小于4×10⁵N/m³，搅拌频率不低于200次/分；振动力场强度不小于1×10⁴N/m³，振动频率不低于50次/分，振动幅度1-5mm。

3.根据权利要求1所述的一种钢铁材料半固态熔体的制备方法，其特征在于，盛放材料熔体(1)的特种容器被预热的温度范围为合金固相线温度以下100℃至合金固相线温度。

4.一种钢铁材料半固态熔体的制备装置，其装置包括盛放钢铁材料熔体(1)的特种容器、安装在特种容器外侧的温度调节装置(5)及搅拌器(4)和底部振动器(7)，其特征是盛放钢铁材料熔体(1)的特种容器的内层(2)含有稀土氧化物、钛氧化物、钒氧化物、锶盐一种或两种以上混合物的形核促进剂。

5.根据权利要求4所述的一种钢铁材料半固态熔体的制备装置，其特征在于含有形核促进剂的内层(2)由70-90％的耐火材料粉末、3-6％的粘结剂和7-25％的形核促进剂混合均匀后烧结成型衬在外层内或制成糊状涂刷在外层内壁上，内层(2)的厚度0.2-50mm。

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