[01502480]一种金属半固态坯料的制备装置及其制备方法

一、课题来源 该发明专利及其相关的实用新型技术的开发由两个相关的课题支持。课题之一来自安徽省高等学校自然科学重点基金研发项目,课题名称为“电流与细化剂耦合作用下金属的凝固过程及凝固组织的基础研究”,课题之二来自上海大学省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室开放课题,课题名称为“脉冲电流作用下金属凝固过程中游离晶的增殖机制”。 二、技术背景与原理 金属合金材料的半固态成形技术综合了凝固加工和塑性加工的长处,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和触变成形两大类。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半固态浆料或坯料。半固态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。 用于制备半固态浆料/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,目前比较常用的方法主要包括以下几种：（1）机械搅拌法;（2）电磁搅拌法;（3）应变诱导熔化激活方法。这些方法都有一个缺陷,就是需要对熔体进行搅拌或者变形,导致熔体容易受到污染,从而降低材料的品质。 本发明的目的在于克服以上现有半固态坯料制备技术存在的浆料/坯料易受搅拌装置的污染,或所用设备结构昂贵、投资大、操作复杂、能量消耗较大,或能制备的金属合金材料的适用范围较小等不足之处,提供了一种的金属合金材料的半固态浆料/坯料的制备方法。通过使用本发明中的半固态浆料/坯料的制备方法制备的浆料/坯料较纯净,不会引入杂质,且可以用来制备多种金属合金材料的半固态浆料/坯料,尤其是可以适用于钢铁等熔点较高的金属合金材料,能量消耗少,设备紧凑,工艺和操作简单,生产成本较低。 本发明的技术原理是利用感应的方式,对金属原始坯料局部多次循环熔化和凝固,在这个过程中树枝晶被熔断,形成了游离晶,随流迁移到坯料的中心部位,在这个过程实现金属坯料凝固组织从树枝晶转变为球状晶,组织形态发生根本性的转变,实现制备半固态坯料。利用该技术制备半固态坯料的过程,没有熔体的剧烈搅拌,液面平稳,只是局部熔化和凝固,因此,比较安全,也可以减少氧化和夹渣,大大提高金属坯料制备的品质。所制备的坯料性能比较优异,组织比较均匀,能够适应半固态铸造的需求。所制备的半固态坯料,夹杂物相比电磁搅拌的能够降低45%以上,这一点是该技术的突出优点,球化率可以达到93%,制备过程能量消耗较电磁搅拌的变化不大,可能会略高一点。 三、技术创造性和先进性 该技术是原创技术,相比于现有的类似技术具有先进性。由于该技术采用的感应重熔的方法,在多次熔化与凝固的过程中实现金属材料的组织球化,无需与所制备的材料直接接触,无需对熔体施加强烈的搅拌,因此该技术避免了常规的机械搅拌或电磁搅拌制备半固态坯料技术中面临的熔体污染的问题;同时该技术具有广泛的适应性,只要金属材料可以实现感应加热都可以使用,因此,从低熔点的到高熔点的金属材料都可以实现半固态坯料的制备,这是上面提及的三种方法所不具备的。概括来讲,该技术具有环境无污染,材料无污染,适应广等先进性,尤其是适合制备小批量的坯料。 四、技术成熟度 目前技术比较成熟,所需设备比较简单,安全可靠,可以适用于金属材料,尤其是在铝合金的半固态坯料的制备方面具有很强的优势,已经成功地制备出了A356、A380等常用铝合金的半固态坯料,在后续的半固态铸造过程中使用情况良好。该技术在应用过程也存在一些局限性,由于熔体搅拌和游离晶迁移的限制,不能制备较大直径的坯料,否则坯料的中心部位的组织可能无法实现转变;由于感应线圈一般都是圆柱形,很难制成其它的形状,故此也只能是制备形状为圆柱体的坯料,如果是方形或其它形状等产品,利用该方法目前还无法生产或者很难生产。另外一个问题,就是尚不能实现连续生产,只能是间断式生产。今后将考虑进一步开发可以连续生产的装置,同时,还可以考虑加入细化剂,进一步加速树枝晶向球状晶的转变效率,节约成本。 五、应用情况等 目前正与两家有意向的企业商谈合作事宜,预期在将来的两年内可能会在实际生产的过程中得到应用。