[发明专利]基于功率超声与压力耦合的挤压铸造方法及设备

说明书

技术领域

本发明涉及金属材料加工技术领域，特别涉及一种基于功率超声与压力耦合的挤压铸造方法及设备。

背景技术

金属制品(如铸锭、铸件等产品)的质量直接取决于金属熔体的质量，因此在金属材料的加工过程中，金属熔体的成形工艺以及处理方法就显得尤为重要。挤压铸造成形工艺与其他铸造成形方法相比，所得到的铸件组织具有均匀致密、力学性能优良、表面光洁度和尺寸精度高等优点，因此被广泛应用于机械、汽车、家电、航空、航天、国防等领域。

超声波通常是指频率高于2×10⁴Hz的声波，按其用途可分为检测超声、功率超声和医学超声。超声波在媒质中的传播效应主要可以归结为：空化效应、声流效应、热效应和衰减效应，其中空化效应和声流效应占据主导作用。研究表明，使用功率超声处理金属熔体，可以细化晶粒，促进金属熔体中的气体形成气泡并长大上浮，可以促进夹杂物的团聚从而上浮，也有研究认为可以将夹杂物进行破碎实现弥散分布，以上原理都有助于提高金属熔体的质量。

目前已有的研究方法都集中于将超声波工具杆浸入待处理的金属熔体进行超声处理，采用该方法可以从一定程度上改善金属熔体的质量，但这种方法仅仅是对金属熔体进行单一物理场作用，并没有结合挤压铸造的加工工艺展开研究，因此金属熔体的质量尚有提升的空间。

功率超声导入金属熔体的方式也分为直接导入和间接导入两种，直接导入的方式受制于空间尺寸、可能会带来污染等因素制约；间接导入超声是将功率超声施加于固定介质，再通过介质作用于金属熔体，这样导入，可能会引起超声能量的损耗。目前有研究是将电流通过线圈产生电磁力，通过电磁力使得超声波工具杆吸附在盛有金属熔体的坩埚表面，采用该方法可以将功率超声间接导入金属熔体，但超声的衰减规律比较复杂，无法进行定量分析。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于功率超声与压力耦合的挤压铸造方法，该方法原理简单，可有效改善金属熔体的组织和性能。

本发明的另一目的在于提供一种用于实现上述方法的基于功率超声与压力耦合的挤压铸造设备，该设备为后续的实验搭建了平台，实时测量的数据可以帮助深入实验分析，得到更为准确的结论。

本发明的技术方案为：一种基于功率超声与压力耦合的挤压铸造方法，包括以下步骤：

(1)预热挤压铸造设备的模具型腔；

(2)将金属熔体加热至预设温度后，浇入模具型腔中，同时开启保温加热器，对模具型腔进行保温；

(3)开启功率超声发生器，产生的超声波对金属熔体进行功率超声振动，同时，液压机的冲头向金属熔体施加压力，功率超声和压力协同耦合作用，直至金属熔体完全凝固，形成金属固体；

(4)开启模具冷却系统和数据采集器，通过模具冷却系统对模具型腔进行冷却，同时，数据采集器在模具型腔腔壁的外侧面上采集相应的实验数据并处理。

所述步骤(1)中，模具型腔的预热温度为250℃；

所述步骤(2)中，金属熔体的预设温度为液相线以上10～100℃的温度范围；保温加热器对模具型腔进行保温时，模具型腔内侧面的温度保持在500～550℃。

所述步骤(3)中，功率超声发生器从模具型腔的侧面插入金属熔体中，对金属熔体进行功率超声振动，超声波频率为20KHz，超声波功率为0～2200W；

液压机的冲头由上至下向金属熔体施加压力，冲头直接与金属熔体相接触，挤压比压为0～75MPa，挤压速度为0.03～0.06m/s，保压时间为30s。

所述功率超声发生器中，通过超声波导入杆的杆尖插入金属熔体中，插入的深度为2～5mm；功率超声发生器使用前，超声波导入杆的杆尖处涂抹脱模剂。

所述数据采集器中采集并处理实验数据时，先通过压力传感器和温度传感器采集相应的压力值和温度值，然后通过数据采集卡将各压力值和温度值送至主控单元进行数据处理，得到压力与时间的关系曲线和温度与时间的关系曲线。

本发明一种用于上述方法的基于功率超声与压力耦合的挤压铸造设备，包括模具型腔、保温加热器、冲头、功率超声发生器、模具冷却系统和数据采集器，金属熔体置于模具型腔中，模具型腔的腔壁中设有保温加热器，冲头设于模具型腔上方，功率超声发生器穿过模具型腔的腔壁后，从模具型腔的侧面插入金属熔体中，模具型腔外周设有模具冷却系统，数据采集器与模具型腔的腔壁外侧连接。