專利名稱：一種鐵合金半固態(tài)漿料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料加工及制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及在材料加工過(guò)程中獲得的一種鐵合金半固態(tài)金屬漿料的制備方法。
金屬半固態(tài)成形技術(shù)的關(guān)鍵之一是半固態(tài)漿料的制備。目前制備半固態(tài)漿料的方法有多種，如(機(jī)械、電磁)攪拌法，應(yīng)變激活法，超聲波攪動(dòng)法、化學(xué)晶粒細(xì)化法、形變熱處理法等，其中只有機(jī)械攪拌法(示意圖見(jiàn)

圖1)、電磁攪拌法(示意圖見(jiàn)圖2)、應(yīng)變激活法在工業(yè)中初步得到應(yīng)用，而其它方法還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。
機(jī)械攪拌法和電磁攪拌法的共同點(diǎn)為通過(guò)強(qiáng)烈的攪拌作用使得從液體金屬中結(jié)晶出來(lái)的固相被打碎，從而得到含有大量固相顆粒的半固態(tài)漿料。其一般的工藝過(guò)程為1.熔煉符合成分要求的金屬液體；2.將液體放入攪拌容器中；3.進(jìn)行攪拌并控制溫度；4.當(dāng)液體到達(dá)所確定的半固態(tài)溫度后停止攪拌；5.凝固成形，獲得半固態(tài)坯料或直接成形為部件。目前機(jī)械攪拌法大多用于熔點(diǎn)較低的有色金屬(如鋁合金、鎂合金等)的半固態(tài)成形，電磁攪拌法多用于一些熔點(diǎn)較高的黑色金屬的半固態(tài)成形研究，該技術(shù)是為克服機(jī)械攪拌帶來(lái)的不利影響而研發(fā)的。應(yīng)變激活法是預(yù)先連續(xù)鑄造晶粒細(xì)小的金屬錠，再將其熱態(tài)擠壓到20％左右的變形，在組織中預(yù)先儲(chǔ)存部分變形能量，最后按需要將變形后的金屬錠分切成一定大小，加熱到半固態(tài)坯料。這三種方法還是不能走入規(guī)模化工業(yè)生產(chǎn)，生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量與歐美國(guó)家還有較大差距。到目前為止，我國(guó)還沒(méi)有生產(chǎn)半固態(tài)鑄錠坯料的廠家。
目前工業(yè)中使用的三種方法都存在著走入規(guī)?；a(chǎn)的不利因素，就攪拌技術(shù)而言，獲得半固態(tài)漿料的主要原理為機(jī)械破碎，通過(guò)強(qiáng)烈的攪拌使得結(jié)晶出的固相被打碎得到細(xì)化的晶粒，因而需要一套較復(fù)雜的攪拌系統(tǒng)。機(jī)械攪拌法雖然攪拌設(shè)備簡(jiǎn)單，但操作困難，攪拌棒污染合金，帶入漿料中的氣體、雜質(zhì)不易排出，直接影響到鑄造漿料的質(zhì)量及生產(chǎn)效率。另外對(duì)熔點(diǎn)較高的金屬(如黑色金屬)攪拌來(lái)說(shuō)，由于部分?jǐn)嚢柩b置的部件(如攪拌葉片等)必須與半固態(tài)金屬漿料直接接觸，因而部件的材料要求苛刻，且使用壽命較低，從而提高了生產(chǎn)成本，對(duì)于規(guī)模化的生產(chǎn)根本無(wú)法適應(yīng)。電磁攪拌技術(shù)雖可達(dá)到部件與金屬液體的無(wú)接觸，但由于電磁線圈的隔熱、電磁力以及控制等方面的問(wèn)題，目前僅在實(shí)驗(yàn)中使用，而無(wú)法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用。這也就是目前國(guó)內(nèi)外半固態(tài)生產(chǎn)技術(shù)只局限于熔點(diǎn)較低的有色合金的原因。電磁攪拌法的優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)污染金屬漿料，也不會(huì)卷入氣體，電磁參數(shù)控制方便靈活，缺點(diǎn)是設(shè)備投資大，工藝復(fù)雜，能耗高從而導(dǎo)致成本較高，對(duì)于熔點(diǎn)較高的黑色金屬來(lái)說(shuō)，對(duì)設(shè)備的冷卻系統(tǒng)要求也是相當(dāng)高的，另外由于“集膚效應(yīng)”現(xiàn)象，生產(chǎn)的鑄錠坯料尺寸受到制約，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)的難度較大。應(yīng)變激活法制備的金屬坯料純凈、產(chǎn)量大，但是由于增加一道預(yù)變形工序，不僅使成本提高而且使坯料尺寸受到限制，從而也不利于規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，一種鐵合金半固態(tài)漿料的制備方法，包括以下步驟1)制備一塊具有一定結(jié)晶形核能力的滑板，該滑板具有高的導(dǎo)熱系數(shù)、足夠的蓄熱能力，亦可在滑板低部增設(shè)水冷系統(tǒng)以加強(qiáng)滑板對(duì)金屬液的激冷作用)、并具有高溫穩(wěn)定性。
2)將滑板傾斜設(shè)置在金屬液槽的上方，將接近液相線溫度的金屬液澆在該滑板上，由于滑板的冷卻作用使和滑板接觸的液體金屬產(chǎn)生大量的初生晶，這些尚未長(zhǎng)大的初生晶在隨后的金屬液沖擊下迅速脫離滑板進(jìn)入金屬液槽，獲得半固態(tài)金屬漿料。
3)調(diào)整滑板傾斜角度，改變滑板的形狀，以達(dá)到控制金屬漿料流速，進(jìn)而達(dá)到控制金屬液的形核數(shù)目、細(xì)化晶粒的效果；滑板角度及滑板形狀的設(shè)計(jì)應(yīng)主要根據(jù)金屬液的粘度和流動(dòng)性而定。
所述滑板傾斜角角度可在15°～75°之間調(diào)整。
所述滑板滑板形狀可為直板、小S形彎曲板、大S形彎曲板、或其它的彎曲形式；滑板具有耐高溫、導(dǎo)熱系數(shù)高、蓄熱能力強(qiáng)的性能特點(diǎn)，表面粗糙度介于 之間。
本發(fā)明根據(jù)結(jié)晶游離理論，由于原理上的不同，使得本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下特點(diǎn)1.裝置簡(jiǎn)單，極易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化；2.不受金屬熔點(diǎn)的限制，可適用于任何金屬特別是工業(yè)上量大面廣的黑色金屬；3.可連續(xù)獲得半固態(tài)的金屬漿料，特別適用于連續(xù)生產(chǎn)。
本發(fā)明的鐵合金半固態(tài)漿料的制備方法制備的半固態(tài)金屬，晶粒比傳統(tǒng)的鑄造方法得到明顯的細(xì)化，晶粒呈等軸狀晶分布，使金屬的抗拉強(qiáng)度、延伸率等性能得到明顯提高，生產(chǎn)效率遠(yuǎn)超過(guò)攪拌法和應(yīng)變激活法等其它方法，達(dá)到了預(yù)期的效果。
圖2是電磁攪拌法示意圖；圖中的符號(hào)分別表示的是，1閥門；2冷卻水；3噴水機(jī)；4保護(hù)氣管；5熱電偶；6電阻絲；7坩堝；8攪拌線圈；9外殼；10鐵芯；11支架；12底板；13蓋板。
圖3是本發(fā)明的鐵合金半固態(tài)漿料的制備方法示意圖。
圖4是采用本發(fā)明所得到的金相組織圖片。
圖5是普通鑄造所得到的金相組織圖片。
參見(jiàn)圖3.依照本發(fā)明的技術(shù)方案，1)制備一塊具有一定結(jié)晶形核能力的滑板，該滑板應(yīng)具有高的導(dǎo)熱系數(shù)、足夠的蓄熱能力(亦可在滑板低部增設(shè)水冷系統(tǒng)以加強(qiáng)滑板對(duì)金屬液的激冷作用)、一定的高溫穩(wěn)定性、一定的表面粗糙度 等性能特點(diǎn)。
2)將滑板傾斜設(shè)置在金屬液槽的上方，將接近液相線溫度的金屬液澆在該滑板上，由于滑板的冷卻作用使和滑板接觸的液體金屬產(chǎn)生大量的初生晶，這些尚未長(zhǎng)大的初生晶在隨后的金屬液沖擊下迅速脫離滑板進(jìn)入金屬液槽，獲得半固態(tài)金屬漿料。
3)調(diào)整滑板傾斜角度，或改變滑板的形狀(直板或彎曲板、S形板等)，以達(dá)到控制金屬漿料流速和沖刷效果，進(jìn)而達(dá)到控制金屬液的形核數(shù)目、細(xì)化晶粒的效果。滑板角度及滑板形狀的設(shè)計(jì)應(yīng)主要根據(jù)金屬液的粘度和流動(dòng)性(主要受鐵合金的含碳量和合金元素含量的影響)而定。
滑板的傾斜角角度可在15°～75°之間調(diào)整，形狀可為直板、小S形彎曲板以及大S形彎曲板等。
根據(jù)結(jié)晶游離理論，通過(guò)將接近液相線溫度的金屬液澆在一個(gè)具有一定結(jié)晶形核能力的滑板上，由于滑板的冷卻作用使和滑板接觸的液體金屬產(chǎn)生大量的初生晶，這些尚未長(zhǎng)大的初生晶在隨后的金屬液沖擊下迅速脫離滑板進(jìn)入金屬液，最終獲得半固態(tài)金屬漿料。另外通過(guò)調(diào)整該滑板的傾斜角，控制金屬漿料的流速，進(jìn)而可以控制金屬液的形核數(shù)目，最終會(huì)影響晶粒的細(xì)化和等軸效果。
所謂半固態(tài)金屬漿料，就是指進(jìn)入金屬液槽中的、含有一定數(shù)量(約50％)細(xì)小固相晶粒的液固混合物，此時(shí)的溫度處在該金屬的液固兩相區(qū)之間。在此溫度下的漿料可直接通過(guò)壓鑄或連續(xù)鑄造獲得金屬零件或型材，也可將此漿料冷卻至室溫作為制備金屬零件的原材料。圖4就是高鉻鑄鐵半固態(tài)漿料冷卻至室溫的金相圖片。
試驗(yàn)表明，若滑板的傾斜角角度小于15°金屬漿料的流速就不暢，獲得半固態(tài)金屬漿料晶粒無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)的目的，而傾斜角角度大于75°由于金屬漿料的流速太快，無(wú)法使滑板的冷卻作用得以發(fā)揮作用。在本發(fā)明所要求的角度之間，才能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明的目的。
采用含Cr25％，C4％的高鉻鑄鐵，液相線溫度1380℃，固相線溫度為1240℃進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)研究，得到了如圖4所示的金相組織圖片，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，初生相晶粒(碳化物)比傳統(tǒng)的普通鑄造方法所得到的金相組織圖片(見(jiàn)圖5)得到了明顯的細(xì)化，從圖中可以明顯看出，晶粒形態(tài)明顯呈等軸狀，趨向于球狀，其結(jié)果完全有理由相信采用本發(fā)明得到的鐵合金半固態(tài)漿料，其機(jī)械性將得到提高。
權(quán)利要求
1.一種鐵合金半固態(tài)漿料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟1)制備一塊具有一定結(jié)晶形核能力的滑板，該滑板具有高的導(dǎo)熱系數(shù)、足夠的蓄熱能力，亦可在滑板低部增設(shè)水冷系統(tǒng)以加強(qiáng)滑板對(duì)金屬液的激冷作用、并具有高溫穩(wěn)定性；2)將滑板傾斜設(shè)置在金屬液槽的上方，將接近液相線溫度的金屬液澆在該滑板上，由于滑板的冷卻作用使和滑板接觸的液體金屬產(chǎn)生大量的初生晶，這些尚未長(zhǎng)大的初生晶在隨后的金屬液沖擊下迅速脫離滑板進(jìn)入金屬液槽，獲得半固態(tài)金屬漿料；3)調(diào)整滑板傾斜角度，改變滑板的形狀，以達(dá)到控制金屬漿料流速，進(jìn)而達(dá)到控制金屬液的形核數(shù)目、細(xì)化晶粒的效果；滑板角度及滑板形狀的設(shè)計(jì)應(yīng)主要根據(jù)金屬液的粘度和流動(dòng)性而定。
2.如權(quán)利要求1所述的鐵合金半固態(tài)漿料的制備方法，其特征在于，所述滑板傾斜角角度可在15°～75°之間調(diào)整。
3.如權(quán)利要求1所述的鐵合金半固態(tài)漿料的制備方法，其特征在于，所述滑板滑板形狀可為直板、小S形彎曲板、大S形彎曲板；滑板具有耐高溫、導(dǎo)熱系數(shù)高、蓄熱能力強(qiáng)的性能特點(diǎn)，表面粗糙度介于 之間。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種鐵合金半固態(tài)漿料的制備方法，根據(jù)結(jié)晶游離理論，通過(guò)將接近液相線溫度的金屬液澆在一個(gè)具有一定結(jié)晶形核能力的滑板上，由于滑板的冷卻作用使和滑板接觸的液體金屬產(chǎn)生大量的初生晶，這些尚未長(zhǎng)大的初生晶在隨后的金屬液沖擊下迅速脫離滑板進(jìn)入金屬液，最終獲得半固態(tài)金屬漿料。另外通過(guò)調(diào)整該滑板的傾斜角，控制金屬漿料的流速，進(jìn)而可以控制金屬液的形核數(shù)目，最終會(huì)影響晶粒的細(xì)化和等軸效果。本發(fā)明的鐵合金半固態(tài)漿料的制備方法制備的半固態(tài)金屬，晶粒比傳統(tǒng)的鑄造方法得到明顯的細(xì)化，晶粒呈等軸狀晶分布，使金屬的抗拉強(qiáng)度、延伸率等性能得到明顯提高，生產(chǎn)效率遠(yuǎn)超過(guò)攪拌法和應(yīng)變激活法等其它方法。
文檔編號(hào)C22C33/00GK1424420SQ0214556
公開(kāi)日2003年6月18日 申請(qǐng)日期2002年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月30日
發(fā)明者邢建東, 高義民, 皇志富 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)