[实用新型]一种金属半固态坯料的制备装置

说明书

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。