CN204644438U - 一种金属半固态坯料的制备装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种金属半固态坯料的制备装置，属于金属材料与冶金技术领域。本实用新型的一种金属半固态坯料的制备装置，包括加热机构、坩埚和升降平台，其中，所述的加热机构包括交流电源和加热线圈，加热线圈通过导线与交流电源相连，且上述加热线圈包括第一线圈和第二线圈；坩埚固定于升降平台上且置于第一线圈和第二线圈内部。通过使用本实用新型中的金属半固态坯料的制备装置，使金属的熔炼、精炼和循环重熔处理使用同一装置即可完成，设备结构简单，易操作，且该装置可以用来制备各种金属材料，尤其是高熔点钢铁材料的半固态坯料。

Description

一种金属半固态坯料的制备装置

技术领域

本实用新型属于金属材料与冶金技术领域，更具体地，涉及一种金属半固态坯料的制备装置。

背景技术

金属合金材料的半固态成形技术是二十世纪七十年代发展起来的一种先进的材料成形技术，它综合了凝固加工和塑性加工的长处，即加工温度比液态低、变形抗力比固态小，可一次以大变形量成形形状复杂且精度和性能质量要求较高的零件，因此被称为21世纪最有前途的材料成形加工方法。相比于传统的铸造成形技术，通过该法生产的铸件具有加工余量少、组织均匀、晶粒细小、缩孔和缩松等缺陷较少等优点。根据工艺路线的不同，半固态成形技术可以分为流变成形(Rheocasting)和触变成形(Thixocasting)两大类。其中，流变成形是指将坯料在半固态温度下直接进行成形加工，而触变成形是指流变浆料冷却凝固后将其二次加热至半固态温度下再进行后续的成形加工，这两类技术各有优势，采取的技术路线存在较大的区别，但是它们都有一个共同环节，也就是首先必须制备出具有均匀、细小的非枝晶组织的半固态浆料或坯料，也即促使合金在凝固过程中形成的树枝晶转变为球状晶，并且能够比较均匀地分布在整个熔体的内部。半固态坯料/浆料的制备是半固态成形技术中的关键环节之一，也是限制该技术发展的重要环节之一。

用于制备金属半固态坯料的方法有很多，依据半固态组织形成的基本机制，大致可以把它们分为两大类，一类是在凝固/冷却过程中，通过某种手段包括搅拌、振动、快速冷却或异质形核剂等来抑制树枝晶的生长，促进球状晶粒的形成；一类是在固态下，通过某种手段例如大变形、再结晶等来破坏原有的铸态组织，促进细小晶粒的形成。其中，目前比较常用的金属半固态坯料的制备方法主要包括以下几种：

(1)机械搅拌法该方法是最早应用于金属材料的半固态浆料/坯料的制备技术，其原理是利用强烈的机械力打断冷却过程中形成的树枝晶，同时促进了熔体内部的温度均匀化，抑制了树枝晶的生长，最终实现晶粒从树枝形貌向球状发展，并且促使晶粒在熔体内部的均匀分布。上世纪七十年代Flemings和他的学生首先提出用机械搅拌法可以得到Sn-Pb合金的半固态坯料，由此作为发端，形成了多种机械搅拌方法，例如美国专利US3902544、US3948650和US3954455等提出的具有各自特点的方法，尤其是英国学者Z.Fan等人提出了双螺旋机械搅拌法(Twin-screw Rheomoulding Process)，取得了较大的突破。该方法所使用的设备是通过搅拌装置对金属熔体进行强烈搅拌从而使枝晶破碎，获得半固态坯料的，该设备对搅拌装置的要求较高，搅拌装置的力量较大，生产速率较高，但是该设备的结构复杂，其搅拌装置的寿命较短且易污染金属，在金属半固态坯料的制备中应用较少。

(2)电磁搅拌法该方法是目前应用最广的技术，它克服了上述机械搅拌法需要搅拌装置与熔体接触的缺点，其主要原理是利用旋转电磁场在金属液中产生感应电磁场，金属液在洛伦兹力的作用下产生运动，且借助电磁感应力的作用将析出的树枝晶破碎成球状经，该技术中所使用的设备主要是通过感应线圈来产生感应电磁场，充分利用了电磁场作为搅拌的手段，实现了无接触的搅拌，如，中国专利200420112702.0公开了一种复合电磁搅拌法连续制备半固态金属浆料的装置，该装置的主要结构和原理是：在中间包内施加电磁搅拌，使中间包过热的液体整体均匀降温到液相线温度，在导流管外均施加强烈电磁搅拌，金属液流可获得充分快速的冷却，使形核数量大幅增加，凝固组织明显细化，从而在一定程度上可以得到组织相对细小的金属半固态坯料/浆料。但以上申请案中所使用的设备结构复杂，对电能的消耗量较大，投资较高，且通过该装置制备的半固态坯料的组织相对不均匀。

(3)应变诱导熔化激活方法(Strain-induced Melt Activation Process)该方法的要点是首先利用传统的铸造方法制备晶粒细小的铸坯，然后在回复再结晶的温度下进行高温变形，破碎铸态组织，再辅以少量的冷变形，最后再将经预变形后的铸坯加热至半固态温度区间进行二次重熔处理即制得所需的半固态成形坯料。该技术中在不同的处理阶段需使用不同的设备进行操作，所用设备较多，且对设备的要求较高，操作流程复杂，生产成本高，生产率低，且只能用于生产小型零件。

此外，现有技术中半固态坯料的制备装置主要用来制备低熔点有色金属的半固态坯料，而不能用来制备高熔点钢铁材料的半固态坯料，这主要是由于钢铁材料的熔点较高，熔体导电率低，其制备所需的搅拌功率大、搅拌时间长、其加热、保温和冷却过程对设备的要求较高等。

经检索，关于高熔点钢铁材料的半固态坯料的制备装置的专利报道已有相关公开。

如：中国专利申请号：201110006232.4，发明创造名称：一种黑色金属半固态浆料制备的电磁搅拌与振动复合装置，该申请案公开了一种用于制备高熔点黑色金属半固态浆料的电磁搅拌与振动复合装置，通过对金属熔体进行电磁搅拌与振动复合处理，从而使枝晶破碎，制备由细小近球状组织组成的半固态浆料。该申请案在一定程度上可以用于制备高熔点钢铁材料的半固态坯料，但其设备和操作较复杂，振动弹簧长期使用后易发生弹性失效，从而影响装置的振动效果，使半固态坯料中枝晶组织的球状化效果大大降低。

实用新型内容

1.实用新型要解决的技术问题

本实用新型的目的在于克服现有半固态坯料的制备装置的结构和操作复杂，只能用于制备低熔点有色合金的半固态坯料，不能用于制备高熔点钢铁材料的半固态坯料，能量消耗和投资成本较高的不足，提供了一种金属半固态坯料的制备装置。本实用新型中的金属半固态坯料的制备装置可以用来制备各种合金材料，尤其是高熔点钢铁材料的半固态坯料，所制备的半固态坯料纯净无污染，且装置的结构和操作简单，能量消耗和成本较低。

2.技术方案

为达到上述目的，本实用新型提供的技术方案为：

本实用新型的一种金属半固态坯料的制备装置，包括加热机构、坩埚和升降平台，其中，所述的加热机构包括交流电源和加热线圈，所述的加热线圈通过导线与交流电源相连，且上述加热线圈包括第一线圈和第二线圈；所述的坩埚固定于升降平台上且置于第一线圈和第二线圈内部。

更进一步地，在所述的坩埚顶部设有保护气体进口。

更进一步地，在所述的坩埚顶部还设有一安装孔，通过该安装孔安装固定有一热电偶，且该热电偶的感应端伸入到所述的坩埚内部。

更进一步地，所述的第一线圈和第二线圈采用并联连接，且第一线圈位于第二线圈的上方。

3.有益效果

采用本实用新型提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下显著效果：

(1)本实用新型的一种金属半固态坯料的制备装置，包括加热机构、坩埚和升降平台，其中，加热机构包括交流电源和加热线圈，加热线圈通过导线与交流电源相连，且上述加热线圈包括第一线圈和第二线圈；上述坩埚固定于升降平台上且置于第一线圈和第二线圈内部；通过交替关闭第一线圈和第二线圈，并利用升降平台上下循环地移动坩埚，从而可以对金属熔体进行凝固-重熔-凝固的循环重熔处理，使金属熔体中的枝晶组织不断发生熔断，并重新凝固形成细小的球状晶，从而得到均匀、致密的金属半固态坯料；由于本实用新型中使用交流电源作为电源，加热线圈对金属熔体存在洛伦兹力，使枝晶由外而内能够全部熔断，从而可以提高金属熔体中球状晶的体积分数，使枝晶组织完全转变为球状晶；此外，由于本实用新型中可以通过调节交流电源的功率来控制重熔处理的加热温度，加热温度可以达到较高数值，技术上容易实现，因此，本实用新型可以广泛适用于各种合金材料，尤其是能够用于制备高熔点钢铁材料的半固态坯料，从而克服了高熔点钢铁材料半固态坯料的制备较难的技术难题。

(2)本实用新型的一种金属半固态坯料的制备装置，可以使得金属的熔炼、精炼和循环处理操作在同一装置里进行，装置的结构和操作简单，其能量消耗和成本均较低，便于推广使用。

(3)本实用新型的一种金属半固态坯料的制备装置，通过使用该装置制备的半固态坯料纯净无污染，可以解决现有技术中搅拌装置易污染金属，且使用寿命较短的问题，且其处理效率较高。

附图说明

图1为本实用新型的一种金属半固态坯料的制备装置的结构示意图；

图2(a)为实施例1中不经过半固态处理直接得到的铝合金的组织形貌；

图2(b)为实施例1中经过半固态处理后得到的铝合金的组织形貌；

图3(a)为实施例2中不经过半固态处理直接得到的镁合金的组织形貌；

图3(b)为实施例2中经过半固态处理后得到的镁合金的组织形貌；

图4(a)为实施例3中不经过半固态处理直接得到的铸铁半固态的组织形貌；

图4(b)为实施例3中经过半固态处理后得到的铸铁的组织形貌；

示意图中的标号说明：

1、交流电源；2、保护气体进口；3、热电偶；401、第一线圈；402、第二线圈；5、坩埚；6、升降平台。

具体实施方式

为进一步了解本实用新型的内容，现结合附图和实施例对本实用新型作详细描述。

实施例1

如图1所示，本实施例的一种金属半固态坯料的制备装置，包括加热机构、坩埚5和升降平台6，其中，上述加热机构包括交流电源1和加热线圈，加热线圈通过导线与交流电源1相连，且上述加热线圈包括第一线圈401和第二线圈402，第一线圈401和第二线圈402采用并联连接，且第一线圈401位于第二线圈402的上方；上述坩埚5固定于升降平台6上且置于第一线圈401和第二线圈402内部。在上述坩埚5的顶部设有保护气体进口2和一安装孔，通过该安装孔安装固定有一热电偶3，且该热电偶3的感应端伸入到所述的坩埚5内部。

本实施例的一种金属半固态坯料的制备方法，包括常规的熔炼、精炼处理和循环重熔处理工序，其中熔炼、精炼和循环重熔处理均采用本实施例的一种金属半固态坯料的制备装置。本实施例中选择A356铝合金作为试验材料，其液相线温度为618℃，固相线温度为563℃，使用图1中的装置来制备本实施例中铝合金的半固态坯料时，首先将A356铝合金置于坩埚5内，同时使用第一线圈401和第二线圈402将其加热至熔化状态，并在735℃下对金属熔体进行精炼处理，精炼处理完成后即对铝合金金属熔体进行后续的循环重熔处理工序，且在熔炼、精炼和循环重熔处理的整个过程中由保护气体进口2通入保护性气体Ar，以减少金属熔体的氧化和吸气，同时使用热电偶3对金属熔体的温度进行实时监测。上述循环重熔处理工序的具体步骤为：

步骤一、同时使用第一线圈401和第二线圈402将坩埚5中经过熔炼和精炼后的A356铝合金金属熔体加热到650℃，保温25min；

步骤二、达到步骤一的温度后，交替关闭第一线圈401和第二线圈402，控制金属熔体的中心温度处于A356铝合金的液相和固相温度范围之间，即563-618℃之间，本实施例中控制温度始终维持在590℃左右；利用升降平台6，以0.7m/min的速率上下移动坩埚5，对金属熔体进行凝固-重熔-凝固的循环重熔处理，且当向上移动坩埚5时关闭第一线圈401使用第二线圈402进行加热，当向下移动时则关闭第二线圈402使用第一线圈401进行加热，且坩埚5向上移动的幅度以坩埚5刚好离开第一线圈401的上边界为准，而坩埚5向下移动的幅度则以坩埚5刚好离开第二线圈402的下边界为准，加热熔化后的金属熔体在随后的冷却过程中，可以沿垂直于坩埚壁的方向生长出枝晶，而这些枝晶在随后的加热重熔过程中发生二次枝晶臂的熔断，促进了游离晶粒的增加，如此反复，通过凝固-重熔-凝固的循环重熔过程可以大大增加游离晶粒的数量，这些晶粒可以成为半固态球状晶粒的来源；当大量的游离晶粒形成之后，加热线圈在交流电的作用下可以对金属熔体产生洛仑兹力，在洛伦兹力的作用下，能量由外向内推送，可以驱使游离晶粒向熔体内部迁移而使枝晶逐渐熔断，从而使熔体中的枝晶能够完全破碎，使所得半固态坯料中的枝晶全部转变为球状晶；在循环重熔处理过程中还对金属熔体进行实时取样检测，当金属熔体中的树枝晶组织完全转变为球状晶时，停止处理，即得到铝合金的半固态浆料，针对每一种特定金属，只需试验一次即可确定其重熔处理的次数，本实施例中循环重熔处理的次数为5次；

步骤三、步骤二中对金属熔体循环重熔处理完成后，将所得的A356铝合金半固态浆料风冷至室温，即制得A356铝合金的半固态坯料。

对比例1

本对比例中A356铝合金未进行半固态处理，其制备工艺为：将A356铝合金经过与实施例1中相同的熔炼和精炼处理之后不经过循环重熔处理而直接进行浇注。

分别切取本实施例所得半固态坯料和对比例1未经半固态处理试样的金相试样，将试样打磨、抛光后观察其金相组织，其金相组织分别如图2(a)、图2(b)所示，对比图2(a)、图2(b)中组织可以看出，通过使用本实施的技术方案可以使半固态处理前的铝合金组织中的树枝晶完全破碎，形成了球状晶组织，半固态处理的效果较好，且通过使用本实施的一种金属半固态坯料的制备方法所制备的A356铝合金的半固态坯料纯净、无污染，所用设备的结构和操作简单，成本较低。

实施例2

本实施例的一种金属半固态坯料的制备方法，包括常规的熔炼、精炼处理和循环重熔处理工序，其中熔炼、精炼和循环重熔处理均采用图1中的一种金属半固态坯料的制备装置。本实施例中选择AZ91镁合金作为试验材料，其液相线温度为597℃，固相线温度为473℃。使用图1中的装置来制备本实施例中镁合金的半固态坯料时，首先将AZ91镁合金置于坩埚5内，同时使用第一线圈401和第二线圈402将其加热至熔化状态，并在720℃下对金属熔体进行精炼处理，精炼处理完成后即对镁合金金属熔体进行后续的循环重熔处理工序，且在熔炼、精炼和循环重熔处理的整个过程中由保护气体进口2通入2％SF₆+CO₂混合气体保护，以减少金属熔体的氧化和吸气，同时使用热电偶3对金属熔体的温度进行实时监测。上述循环重熔处理工序的具体步骤为：

步骤一、使用第一线圈401和第二线圈402将坩埚5中经过熔炼和精炼后的镁合金金属熔体加热到640℃，保温15min；

步骤二、达到步骤一的温度后，交替关闭第一线圈401和第二线圈402，控制金属熔体的中心温度处于镁合金的液相和固相温度范围之间，即473-597℃之间，本实施例中控制温度始终维持在520℃左右；利用升降平台6，以0.6m/min的速率上下移动坩埚5，对金属熔体进行凝固-重熔-凝固的循环重熔处理，且当向上移动坩埚5时关闭第一线圈401使用第二线圈402进行加热，当向下移动时则关闭第二线圈402使用第一线圈401进行加热，且坩埚5向上移动的幅度以坩埚5刚好离开第一线圈401的上边界为准，而坩埚5向下移动的幅度则以坩埚5刚好离开第二线圈402的下边界为准，加热熔化后的金属熔体在随后的冷却过程中，可以沿垂直于坩埚壁的方向生长出枝晶，而这些枝晶在随后的加热重熔过程中发生二次枝晶臂的熔断，促进了游离晶粒的增加，如此反复，通过凝固-重熔-凝固的循环重熔过程可以大大增加游离晶粒的数量，这些晶粒可以成为半固态球状晶粒的来源；当大量的游离晶粒形成之后，加热线圈在交流电的作用下可以对金属熔体产生洛仑兹力，在洛伦兹力的作用下，能量由外向内推送，可以驱使游离晶粒向熔体内部迁移而使枝晶逐渐熔断，从而使熔体中的枝晶能够完全破碎，使所得半固态坯料中的枝晶全部转变为球状晶；在循环重熔处理过程中还对金属熔体进行实时取样检测，当金属熔体中的树枝晶组织完全转变为球状晶时，停止处理，即得到镁合金的半固态浆料，本实施例中循环重熔处理的次数为6次；

步骤三、步骤二中对金属熔体循环重熔处理完成后，将所得的铝合金半固态浆料空冷至室温，即制得AZ91镁合金的半固态坯料。

对比例2

本对比例中AZ91镁合金未进行半固态处理，其制备工艺为：将AZ91镁合金经过与本实施例中相同的熔炼和精炼处理之后不经过循环重熔处理而直接进行浇注。

分别切取本实施例所得半固态坯料和对比例2未经半固态处理试样的金相试样，将试样打磨、抛光后观察其金相组织，其金相组织分别如图3(a)、图3(b)所示，对比图3(a)、图2(b)中组织可以看出，通过使用本实施的技术方案可以使半固态处理前的AZ91镁合金组织中的树枝晶完全破碎，形成由均匀、细小的球状晶组成的半固态坯料，半固态处理的效果较好，且通过使用本实施的一种金属半固态坯料的制备方法所制备的AZ91镁合金的半固态坯料纯净、无污染，所用设备的结构和操作简单，成本较低。

实施例3

本实施例的一种金属半固态坯料的制备方法，包括常规的熔炼、精炼处理和循环重熔处理工序，其中熔炼、精炼和循环重熔处理均采用图1中的一种金属半固态坯料的制备装置。本实施例中选择T10工具钢作为试验材料，其液相线温度为1480℃，固相线温度为1350℃。使用图1中的装置来制备本实施例中T10工具钢的半固态坯料时，首先将T10工具钢置于坩埚5内，同时使用第一线圈401和第二线圈402将其加热至熔化状态，并在1600℃下对金属熔体进行精炼处理，精炼处理完成后即对T10工具钢金属熔体进行后续的循环重熔处理工序，且在熔炼、精炼和循环重熔处理的整个过程中由保护气体进口2通入2％SF₆+CO₂混合气体保护，以减少金属熔体的氧化和吸气等，同时使用热电偶3对金属熔体的温度进行实时监测。上述循环重熔处理工序的具体步骤为：

步骤一、同时使用第一线圈401和第二线圈402将坩埚5中经过熔炼和精炼后的T10工具钢金属熔体加热到1550℃，保温20min；

步骤二、达到步骤一的温度后，交替关闭第一线圈401和第二线圈402，控制金属熔体的中心温度处于T10工具钢的液相和固相温度范围之间，即1350-1480℃之间，本实施例中控制温度始终维持在1450℃左右；利用升降平台6，以1m/min的速率上下移动坩埚5，对金属熔体进行凝固-重熔-凝固的循环重熔处理，且当向上移动坩埚5时关闭第一线圈401使用第二线圈402进行加热，当向下移动时则关闭第二线圈402使用第一线圈401进行加热，且坩埚5向上移动的幅度以坩埚5刚好离开第一线圈401的上边界为准，而坩埚5向下移动的幅度则以坩埚5刚好离开第二线圈402的下边界为准，加热熔化后的金属熔体在随后的冷却过程中，可以沿垂直于坩埚壁的方向生长出枝晶，而这些枝晶在随后的加热重熔过程中发生二次枝晶臂的熔断，促进了游离晶粒的增加，如此反复，通过凝固-重熔-凝固的循环重熔过程可以大大增加游离晶粒的数量，这些晶粒可以成为半固态球状晶粒的来源；当大量的游离晶粒形成之后，加热线圈在交流电的作用下可以对金属熔体产生洛仑兹力，在洛伦兹力的作用下，能量由外向内推送，可以驱使游离晶粒向熔体内部迁移而使枝晶逐渐熔断，从而使熔体中的枝晶能够完全破碎，使所得半固态坯料中的枝晶全部转变为球状晶；在循环重熔处理过程中还对金属熔体进行实时取样检测，当金属熔体中的树枝晶组织完全转变为球状晶时，停止处理，即得到T10工具钢的半固态浆料，本实施例中循环重熔处理的次数为8次；

步骤三、步骤二中对金属熔体循环重熔处理完成后，将所得的T10工具钢半固态浆料风冷至室温，即制得T10工具钢的半固态坯料。

对比例3

本对比例中T10工具钢未进行半固态处理，其制备工艺为：将T10工具钢经过与本实施例中相同的熔炼和精炼处理之后不经过循环重熔处理而直接进行浇注。

分别切取本实施例所得半固态坯料和对比例3未经半固态处理试样的金相试样，将试样打磨、抛光后观察其金相组织，其金相组织分别如图4(a)、图4(b)所示，对比图4(a)、图4(b)中组织可以看出，通过采用本实施例的技术方案，可以使原T10工具钢组织中的树枝晶完全破碎，形成细小均匀的球状晶，对高温钢铁材料的半固态处理效果较好，解决了由于钢铁材料熔点较高使其半固态坯料的制备受到大大限制的难题。

通过实施例1-3可以看出，通过使用本实用新型的一种金属半固态坯料的制备装置来制备的金属半固态坯料纯净无污染、组织均匀致密，能够广泛用于制备各种合金材料，尤其能够用来制备高熔点钢铁材料的半固态坯料，且该装置的结构和操作简单，成本较低，便于推广使用。

以上示意性的对本实用新型及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本实用新型的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本实用新型创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本实用新型的保护范围。

Claims (4)

1.一种金属半固态坯料的制备装置，包括加热机构和坩埚(5)，其特征在于：还包括升降平台(6)，其中，所述的加热机构包括交流电源(1)和加热线圈，所述的加热线圈通过导线与交流电源(1)相连，且上述加热线圈包括第一线圈(401)和第二线圈(402)；所述的坩埚(5)固定于升降平台(6)上且置于第一线圈(401)和第二线圈(402)内部。

2.根据权利要求1所述的一种金属半固态坯料的制备装置，其特征在于：在所述的坩埚(5)顶部设有保护气体进口(2)。

3.根据权利要求1或2所述的一种金属半固态坯料的制备装置，其特征在于：在所述的坩埚(5)顶部还设有一安装孔，通过该安装孔安装固定有一热电偶(3)，且该热电偶(3)的感应端伸入到所述的坩埚(5)内部。

4.根据权利要求3所述的一种金属半固态坯料的制备装置，其特征在于：所述的第一线圈(401)和第二线圈(402)采用并联连接，且第一线圈(401)位于第二线圈(402)的上方。