一種金屬半固態(tài)坯料的制備裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于金屬材料與冶金技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種金屬半固態(tài)坯料的制備裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]金屬合金材料的半固態(tài)成形技術(shù)是二十世紀(jì)七十年代發(fā)展起來(lái)的一種先進(jìn)的材料成形技術(shù)，它綜合了凝固加工和塑性加工的長(zhǎng)處，即加工溫度比液態(tài)低、變形抗力比固態(tài)小，可一次以大變形量成形形狀復(fù)雜且精度和性能質(zhì)量要求較高的零件，因此被稱(chēng)為21世紀(jì)最有前途的材料成形加工方法。相比于傳統(tǒng)的鑄造成形技術(shù)，通過(guò)該法生產(chǎn)的鑄件具有加工余量少、組織均勻、晶粒細(xì)小、縮孔和縮松等缺陷較少等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)工藝路線的不同，半固態(tài)成形技術(shù)可以分為流變成形(Rheocasting)和觸變成形(Thixocasting)兩大類(lèi)。其中，流變成形是指將坯料在半固態(tài)溫度下直接進(jìn)行成形加工，而觸變成形是指流變漿料冷卻凝固后將其二次加熱至半固態(tài)溫度下再進(jìn)行后續(xù)的成形加工，這兩類(lèi)技術(shù)各有優(yōu)勢(shì)，采取的技術(shù)路線存在較大的區(qū)別，但是它們都有一個(gè)共同環(huán)節(jié)，也就是首先必須制備出具有均勻、細(xì)小的非枝晶組織的半固態(tài)漿料或坯料，也即促使合金在凝固過(guò)程中形成的樹(shù)枝晶轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙罹?，并且能夠比較均勻地分布在整個(gè)熔體的內(nèi)部。半固態(tài)坯料/漿料的制備是半固態(tài)成形技術(shù)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，也是限制該技術(shù)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)之一。
[0003]用于制備金屬半固態(tài)坯料的方法有很多，依據(jù)半固態(tài)組織形成的基本機(jī)制，大致可以把它們分為兩大類(lèi)，一類(lèi)是在凝固/冷卻過(guò)程中，通過(guò)某種手段包括攪拌、振動(dòng)、快速冷卻或異質(zhì)形核劑等來(lái)抑制樹(shù)枝晶的生長(zhǎng)，促進(jìn)球狀晶粒的形成；一類(lèi)是在固態(tài)下，通過(guò)某種手段例如大變形、再結(jié)晶等來(lái)破壞原有的鑄態(tài)組織，促進(jìn)細(xì)小晶粒的形成。其中，目前比較常用的金屬半固態(tài)坯料的制備方法主要包括以下幾種:
[0004](I)機(jī)械攪拌法該方法是最早應(yīng)用于金屬材料的半固態(tài)漿料/坯料的制備技術(shù)，其原理是利用強(qiáng)烈的機(jī)械力打斷冷卻過(guò)程中形成的樹(shù)枝晶，同時(shí)促進(jìn)了熔體內(nèi)部的溫度均勻化，抑制了樹(shù)枝晶的生長(zhǎng)，最終實(shí)現(xiàn)晶粒從樹(shù)枝形貌向球狀發(fā)展，并且促使晶粒在熔體內(nèi)部的均勻分布。上世紀(jì)七十年代Flemings和他的學(xué)生首先提出用機(jī)械攪拌法可以得到Sn-Pb合金的半固態(tài)坯料，由此作為發(fā)端，形成了多種機(jī)械攪拌方法，例如美國(guó)專(zhuān)利US3902544、US3948650和US3954455等提出的具有各自特點(diǎn)的方法，尤其是英國(guó)學(xué)者Z.Fan等人提出了雙螺旋機(jī)械攪拌法(Twin-screw Rheomoulding Process)，取得了較大的突破。該方法所使用的設(shè)備是通過(guò)攪拌裝置對(duì)金屬熔體進(jìn)行強(qiáng)烈攪拌從而使枝晶破碎，獲得半固態(tài)坯料的，該設(shè)備對(duì)攪拌裝置的要求較高，攪拌裝置的力量較大，生產(chǎn)速率較高，但是該設(shè)備的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其攪拌裝置的壽命較短且易污染金屬，在金屬半固態(tài)坯料的制備中應(yīng)用較少。
[0005](2)電磁攪拌法該方法是目前應(yīng)用最廣的技術(shù)，它克服了上述機(jī)械攪拌法需要攪拌裝置與熔體接觸的缺點(diǎn)，其主要原理是利用旋轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)在金屬液中產(chǎn)生感應(yīng)電磁場(chǎng)，金屬液在洛倫茲力的作用下產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，且借助電磁感應(yīng)力的作用將析出的樹(shù)枝晶破碎成球狀經(jīng)，該技術(shù)中所使用的設(shè)備主要是通過(guò)感應(yīng)線圈來(lái)產(chǎn)生感應(yīng)電磁場(chǎng)，充分利用了電磁場(chǎng)作為攪拌的手段，實(shí)現(xiàn)了無(wú)接觸的攪拌，如，中國(guó)專(zhuān)利200420112702.0公開(kāi)了一種復(fù)合電磁攪拌法連續(xù)制備半固態(tài)金屬漿料的裝置，該裝置的主要結(jié)構(gòu)和原理是:在中間包內(nèi)施加電磁攪拌，使中間包過(guò)熱的液體整體均勻降溫到液相線溫度，在導(dǎo)流管外均施加強(qiáng)烈電磁攪拌，金屬液流可獲得充分快速的冷卻，使形核數(shù)量大幅增加，凝固組織明顯細(xì)化，從而在一定程度上可以得到組織相對(duì)細(xì)小的金屬半固態(tài)坯料/漿料。但以上申請(qǐng)案中所使用的設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)電能的消耗量較大，投資較高，且通過(guò)該裝置制備的半固態(tài)坯料的組織相對(duì)不均勻。
[0006](3)應(yīng)變誘導(dǎo)恪化激活方法(Strain-1nduced Melt Activat1n Process)該方法的要點(diǎn)是首先利用傳統(tǒng)的鑄造方法制備晶粒細(xì)小的鑄坯，然后在回復(fù)再結(jié)晶的溫度下進(jìn)行高溫變形，破碎鑄態(tài)組織，再輔以少量的冷變形，最后再將經(jīng)預(yù)變形后的鑄坯加熱至半固態(tài)溫度區(qū)間進(jìn)行二次重熔處理即制得所需的半固態(tài)成形坯料。該技術(shù)中在不同的處理階段需使用不同的設(shè)備進(jìn)行操作，所用設(shè)備較多，且對(duì)設(shè)備的要求較高，操作流程復(fù)雜，生產(chǎn)成本高，生產(chǎn)率低，且只能用于生產(chǎn)小型零件。
[0007]此外，現(xiàn)有技術(shù)中半固態(tài)坯料的制備裝置主要用來(lái)制備低熔點(diǎn)有色金屬的半固態(tài)坯料，而不能用來(lái)制備高熔點(diǎn)鋼鐵材料的半固態(tài)坯料，這主要是由于鋼鐵材料的熔點(diǎn)較高，熔體導(dǎo)電率低，其制備所需的攪拌功率大、攪拌時(shí)間長(zhǎng)、其加熱、保溫和冷卻過(guò)程對(duì)設(shè)備的要求較高等。
[0008]經(jīng)檢索，關(guān)于高熔點(diǎn)鋼鐵材料的半固態(tài)坯料的制備裝置的專(zhuān)利報(bào)道已有相關(guān)公開(kāi)。
[0009]如:中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?201110006232.4，發(fā)明創(chuàng)造名稱(chēng):一種黑色金屬半固態(tài)漿料制備的電磁攪拌與振動(dòng)復(fù)合裝置，該申請(qǐng)案公開(kāi)了一種用于制備高熔點(diǎn)黑色金屬半固態(tài)漿料的電磁攪拌與振動(dòng)復(fù)合裝置，通過(guò)對(duì)金屬熔體進(jìn)行電磁攪拌與振動(dòng)復(fù)合處理，從而使枝晶破碎，制備由細(xì)小近球狀組織組成的半固態(tài)漿料。該申請(qǐng)案在一定程度上可以用于制備高熔點(diǎn)鋼鐵材料的半固態(tài)坯料，但其設(shè)備和操作較復(fù)雜，振動(dòng)彈簧長(zhǎng)期使用后易發(fā)生彈性失效，從而影響裝置的振動(dòng)效果，使半固態(tài)坯料中枝晶組織的球狀化效果大大降低。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0010]1.實(shí)用新型要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0011]本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有半固態(tài)坯料的制備裝置的結(jié)構(gòu)和操作復(fù)雜，只能用于制備低熔點(diǎn)有色合金的半固態(tài)坯料，不能用于制備高熔點(diǎn)鋼鐵材料的半固態(tài)坯料，能量消耗和投資成本較高的不足，提供了一種金屬半固態(tài)坯料的制備裝置。本實(shí)用新型中的金屬半固態(tài)坯料的制備裝置可以用來(lái)制備各種合金材料，尤其是高熔點(diǎn)鋼鐵材料的半固態(tài)坯料，所制備的半固態(tài)坯料純凈無(wú)污染，且裝置的結(jié)構(gòu)和操作簡(jiǎn)單，能量消耗和成本較低。
[0012]2.技術(shù)方案
[0013]為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型提供的技術(shù)方案為:
[0014]本實(shí)用新型的一種金屬半固態(tài)坯料的制備裝置，包括加熱機(jī)構(gòu)、坩禍和升降平臺(tái)，其中，所述的加熱機(jī)構(gòu)包括交流電源和加熱線圈，所述的加熱線圈通過(guò)導(dǎo)線與交流電源相連，且上述加熱線圈包括第一線圈和第二線圈；所述的坩禍固定于升降平臺(tái)上且置于第一線圈和第二線圈內(nèi)部。
[0015]更進(jìn)一步地，在所述的坩禍頂部設(shè)有保護(hù)氣體進(jìn)口。
[0016]更進(jìn)一步地，在所述的坩禍頂部還設(shè)有一安裝孔，通過(guò)該安裝孔安裝固定有一熱電偶，且該熱電偶的感應(yīng)端伸入到所述的坩禍內(nèi)部。
[0017]更進(jìn)一步地，所述的第一線圈和第二線圈采用并聯(lián)連接，且第一線圈位于第二線圈的上方。
[0018]3.有益效果
[0019]采用本實(shí)用新型提供的技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下顯著效果:
[0020](I)本實(shí)用新型的一種金屬半固態(tài)坯料的制備裝置，包括加熱機(jī)構(gòu)、坩禍和升降平臺(tái)，其中，加熱機(jī)構(gòu)包括交流電源和加熱線圈，加熱線圈通過(guò)導(dǎo)線與交流電源相連，且上述加熱線圈包括第一線圈和第二線圈；上述坩禍固定于升降平臺(tái)上且置于第一線圈和第二線圈內(nèi)部；通過(guò)交替關(guān)閉第一線圈和第二線圈，并利用升降平臺(tái)上下循環(huán)地移動(dòng)坩禍，從而可以對(duì)金屬熔體進(jìn)行凝固-重熔-凝固的循環(huán)重熔處理，使金屬熔體中的枝晶組織不斷發(fā)生熔斷，并重新凝固形成細(xì)小的球狀晶，從而得到均勻、致密的金屬半固態(tài)坯料；由于本實(shí)用新型中使用交流電源作為電源，加熱線圈對(duì)金屬熔體存在洛倫茲力，使枝晶由外而內(nèi)能夠全部熔斷，從而可以提高金屬熔體中球狀晶的體積分?jǐn)?shù)，使枝晶組織完全轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙罹?；此夕卜，由于本?shí)用新型中可以通過(guò)調(diào)節(jié)交流電源的功率來(lái)控制重熔處理的加熱溫度，加熱溫度可以達(dá)到較高數(shù)值，