專利名稱：高熔點觸變金屬坯料及復(fù)合材料間歇制備工藝及設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于冶金材料領(lǐng)域，特別涉及一種高熔點半固態(tài)觸變金屬坯料及復(fù)合材料制備工藝與設(shè)備。
半固態(tài)坯料制備作為半固態(tài)觸變成形工藝的基礎(chǔ)，倍受國內(nèi)外的關(guān)注。目前已經(jīng)發(fā)展有機械攪拌法、磁場攪拌法、應(yīng)變誘變激活法、噴射沉積法、晶粒細(xì)化熱處理法、控制冷卻法、近液相澆注法、斜坡冷卻法、液體混合法等坯料制備方法。機械攪拌法出現(xiàn)最早的一種坯料制備方法，由于存在效率低、攪拌裝置材質(zhì)壽命低、污染金屬熔體等缺點，主要用于實驗研究及低熔點合金的實際生產(chǎn)；應(yīng)變誘變激活法由于工藝要求合金原料獲得較大的變形量，因此只適應(yīng)小型零件的生產(chǎn)；噴射沉積由于過程復(fù)雜，導(dǎo)致成本增加，只適應(yīng)質(zhì)量要求較高的半固態(tài)坯料制備；日本等國最近發(fā)展的控制冷卻法、近液相澆注法、斜坡冷卻法、液體混合法等具有操作簡單、成本較低等特點，但由于上述工藝均需要精確控制合金凝固過程，目前，只適應(yīng)低熔點半固態(tài)合金坯料制備。
電磁攪拌是利用導(dǎo)電的熔融金屬與變化磁場間產(chǎn)生的感應(yīng)力驅(qū)動金屬熔體進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運動，電磁攪拌在金屬熔體中形成水平旋轉(zhuǎn)，從而改變金屬熔體的溫度場與濃度場，進(jìn)而抑制枝晶生長而形成球狀晶，實現(xiàn)半固態(tài)組織演變。電磁攪拌技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于鋼鐵材料的連鑄工藝上，對組織細(xì)化具有明顯作用。由于電磁攪拌無接觸，所以不受攪拌器材料高溫耐熱性的限制，相比其他半固態(tài)坯料制備工藝，電磁攪拌更適應(yīng)高熔點材料半固態(tài)漿料的制備。
中國專利申請(專利號02104349.3)提出一種球狀初晶的半固態(tài)金屬或合金漿料直接成形方法及裝置，其中漿料制備為將低過熱度的金屬或合金液澆入鑄模中，同時對澆入該鑄摸即承接容器中的過熱金屬或合金液體施加短時低功率攪拌，并對該凝固過程進(jìn)行冷卻控制和球狀初晶的保溫圓整球化，得到預(yù)定固相分?jǐn)?shù)的球狀初晶的半固態(tài)金屬或合金漿料。該方法具有流程短、成本低等特點。但該方法及裝置首先通過澆入低過熱度合金進(jìn)行攪拌制備，隨后進(jìn)入冷卻、保溫器進(jìn)行冷卻控制和圓整球化，最后進(jìn)入壓鑄設(shè)備進(jìn)行成型，對于高熔點材料很難避免過程氧化；采用低功率攪拌，對于熔點、密度較高，電導(dǎo)率較低的材料，很難保證其攪拌效果。此外，高熔點材料對制備、冷卻、保溫裝置具有較高的耐熱要求，導(dǎo)致較高的制作成本。
一種制備高熔點半固態(tài)觸變金屬坯料及復(fù)合材料的設(shè)備，包括坯料制備室和升降器，坯料制備室與升降器同軸安裝，由緊固螺栓通過筒體17、上蓋板15和下托板4固定成一體，整個設(shè)備通過轉(zhuǎn)軸19、并由底板1、支架20固定在地面上，其特征在于坯料制備室由坩堝18、密封法蘭蓋2、電磁攪拌器5、循環(huán)水套6、復(fù)合保溫管7、鋁絲8、耐熱管9、阻尼孔10、頂部鉑銠-鉑熱電偶11、氬氣入孔12、堵頭13、密封蓋14、出水口16、進(jìn)水口21、入孔22、底部熱電偶26組成；升降器置于坯料制備室下方，包括驅(qū)動機構(gòu)25、耐熱觸頭3、導(dǎo)柱24、前端板23、后端板27。驅(qū)動機構(gòu)25置于導(dǎo)柱24之間，并置于坯料制備室下端，耐熱觸頭3與坩堝相接，導(dǎo)柱24垂直安裝在升降器兩側(cè)，通過前端板23、后端板27與導(dǎo)柱24連接將驅(qū)動機構(gòu)25固定在坯料制備室下托板4上，驅(qū)動機構(gòu)25端部與耐熱觸頭3相接，并推入坯料制備室內(nèi)腔，耐熱觸頭3的直徑小于坯料制備室耐火管9內(nèi)徑，兩者直徑比為0.8-0.95，最佳直徑比為0.9。
高熔點觸變金屬坯料及復(fù)合材料間歇制備工藝包括合金熔化、保溫、處理，攪拌(加入增強劑)、冷卻等五個坯料制備步驟。
合金熔化首先將原材料放入剛玉坩堝，通過升降器將裝料坩堝放置坯料制備室中，線圈電阻加熱，加熱溫度達(dá)到合金液相線上30-80℃；合金保溫熔化后進(jìn)行保溫，使熔體溫度充分均勻，保溫時間5-20min；合金處理合金熔煉后進(jìn)行處理，處理包括脫氧除氣、合金化，脫氧除氣使用鋁、稀土等脫氧劑，脫氧及合金化均通過堵頭13直接加入金屬熔體；電磁攪拌在坯料制備室內(nèi)控制坯料降溫至某一溫度，在坯料制備室內(nèi)進(jìn)行電磁攪拌，即施加一個使金屬熔體產(chǎn)生以水平旋轉(zhuǎn)為主、輔之于上下環(huán)流的攪拌力，攪拌采用直接冷卻降溫攪拌和等溫攪拌兩種方式，若制備復(fù)合材料此時則需加入顆?；蚨汤w維增強劑，攪拌室磁感應(yīng)強度范圍為0.02-0.1T；冷卻電磁攪拌完成后，進(jìn)行冷卻即通過循環(huán)水套6進(jìn)行強制冷卻，本裝置提供冷卻速度為5℃-90℃/min，最佳冷卻速度為10℃-60℃/min；待觸變金屬坯料冷卻到一定溫度后，通過升降器將坯料運出坯料制備室外，完成高熔點觸變金屬及復(fù)合材料坯料的制備。
本發(fā)明加熱、熔化、保溫、攪拌、冷卻過程均在同一個坯料制備室中進(jìn)行，避免制備過程轉(zhuǎn)換而引起金屬熔體的氧化，同時降低設(shè)備成本，電磁攪拌效果好，空氣磁阻小。攪拌室中心磁感應(yīng)強度達(dá)到0.02-0.1T，30-60min加熱時間內(nèi)攪拌室溫度達(dá)到1600℃。為使金屬熔體表面避免氧化，制備室相對封閉，在制備過程中采用氬氣保護坩堝中金屬熔體。為使半固態(tài)觸變坯料上下溫度均勻，充分發(fā)揮加熱線圈的電磁攪拌作用，本發(fā)明設(shè)計的坯料高度僅為加熱線圈高度的二分之一至十分之九，最佳坯料高度僅為加熱線圈高度的三分之一。坯料制備室中的鉬絲作為容易損壞零件，鋁絲表面刷有涂料，在加熱過程，采用氫氣和氮氣進(jìn)行保護，延長使用時間，降低了成本；制備室溫度范圍約30-1600℃，可以制備熔點范圍為1300-1600℃的合金觸變材料或復(fù)合材料。設(shè)備徑向磁場分布基本均勻，軸向存在有約120mm左右的均勻旋轉(zhuǎn)磁場，能夠滿足φ(40-80)×100mm規(guī)格的觸變金屬及復(fù)合材料圓坯料的制備要求。
本發(fā)明所涉及的高熔點半固態(tài)金屬坯料間歇制備工藝及設(shè)備具有工藝先進(jìn)；設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、維修方便；生產(chǎn)效率高；坯料質(zhì)量好；可以穩(wěn)定生產(chǎn)半固態(tài)坯料；所制備的合金范圍廣，特別適應(yīng)1300-1600℃熔點范圍內(nèi)的觸變金屬材料或復(fù)合材料坯料制備。
權(quán)利要求
1.一種制備高熔點半固態(tài)觸變金屬坯料及復(fù)合材料的設(shè)備，包括坯料制備室和升降器，坯料制備室與升降器同軸安裝，由緊固螺栓通過筒體(17)、上蓋板(15)和下托板(4)固定成一體，整個設(shè)備通過轉(zhuǎn)軸(19)、并由底板(1)、支架(20)固定在地面上，其特征在于坯料制備室由坩堝(18)、密封法蘭蓋(2)、電磁攪拌器(5)、循環(huán)水套(6)、復(fù)合保溫管(7)、鉬絲(8)、耐熱管(9)、阻尼孔(10)、頂部鉑銠-鉑熱電偶(11)、氬氣入孔(12)、堵頭(13)、密封蓋(14)、出水口(16)、進(jìn)水口(21)、入孔(22)、底部熱電偶(26)組成；升降器置于坯料制備室下方，包括驅(qū)動機構(gòu)(25)、耐熱觸頭(3)、導(dǎo)柱(24)、前端板(23)、后端板(27)，驅(qū)動機構(gòu)(25)置于導(dǎo)柱(24)之間，并置于坯料制備室下端，耐熱觸頭(3)與坩堝相接，導(dǎo)柱(24)垂直安裝在升降器兩側(cè)，通過前端板(23)、后端板(27)與導(dǎo)柱(24)連接將驅(qū)動機構(gòu)(25)固定在坯料制備室下托板(4)上，驅(qū)動機構(gòu)(25)端部與耐熱觸頭(3)相接，并推入坯料制備室內(nèi)腔。
2.如權(quán)利要求1所述制備高熔點半固態(tài)觸變金屬坯料及復(fù)合材料的設(shè)備，其特征在于耐熱觸頭(3)的直徑小于坯料制備室耐火管(9)內(nèi)徑，兩者直徑比為0.8-0.95，最佳直徑比為0.9。
3.一種高熔點觸變金屬坯料及復(fù)合材料間歇制備工藝，其特征在于加熱、熔化、保溫、攪拌、冷卻過程均在同一個坯料制備室中進(jìn)行；合金熔化首先將原材料放入剛玉坩堝，通過升降器將裝料坩堝放置坯料制備室中，線圈電阻加熱，加熱溫度達(dá)到合金液相線上30-80℃；合金保溫熔化后進(jìn)行保溫，使熔體溫度充分均勻，保溫時間5-20min；合金處理合金熔煉后進(jìn)行處理，處理包括脫氧除氣、合金化，脫氧除氣使用鋁、稀土等脫氧劑，脫氧及合金化均通過堵頭(13)直接加入金屬熔體；電磁攪拌在坯料制備室內(nèi)控制坯料降溫至某一溫度，在坯料制備室內(nèi)進(jìn)行電磁攪拌，即施加一個使金屬熔體產(chǎn)生以水平旋轉(zhuǎn)為主、輔之于上下環(huán)流的攪拌力，攪拌采用直接冷卻降溫攪拌和等溫攪拌兩種方式，若制備復(fù)合材料此時則需加入顆粒或短纖維增強劑，攪拌室磁感應(yīng)強度范圍為0.02-0.1T；冷卻電磁攪拌完成后，進(jìn)行冷卻即通過循環(huán)水套(6)進(jìn)行強制冷卻，本裝置提供冷卻速度為5℃-90℃/min，最佳冷卻速度為10℃-60℃/min；待觸變金屬坯料冷卻到一定溫度后，通過升降器將坯料運出坯料制備室外，完成高熔點觸變金屬及復(fù)合材料坯料的制備。
4.如權(quán)利要求3所述的一種高熔點觸變金屬坯料及復(fù)合材料間歇制備工藝，其特征在于制備室相對封閉，在制備過程中采用氬氣保護坩堝中金屬熔體。
5.如權(quán)利要求3或4所述的一種高熔點觸變金屬坯料及復(fù)合材料間歇制備工藝，其特征在于為使半固態(tài)觸變坯料上下溫度均勻，充分發(fā)揮加熱線圈的電磁攪拌作用，本發(fā)明設(shè)計的坯料高度僅為加熱線圈高度的二分之一至十分之九，最佳坯料高度僅為加熱線圈高度的三分之一。
6.如權(quán)利要求3或4或5所述的一種高熔點觸變金屬坯料及復(fù)合材料間歇制備工藝，其特征在于坯料制備室中的鉬絲作為容易損壞零件，鉬絲表面刷有涂料，在加熱過程，采用氫氣和氮氣進(jìn)行保護。
全文摘要
本發(fā)明屬于冶金材料領(lǐng)域，特別涉及一種高熔點半固態(tài)觸變金屬坯料及復(fù)合材料制備工藝與設(shè)備。坯料制備室由坩堝18、密封法蘭蓋2、電磁攪拌器5、循環(huán)水套6、復(fù)合保溫管7、鉬絲8、耐熱管9、阻尼孔10、頂部鉑銠－鉑熱電偶11、氬氣入孔12、堵頭13、密封蓋14、出水口16、進(jìn)水口21、入孔22、底部熱電偶26組成；升降器包括驅(qū)動機構(gòu)25、耐熱觸頭3、導(dǎo)柱24、前端板23、后端板27。本發(fā)明加熱、熔化、保溫、攪拌、冷卻過程均在同一個坯料制備室中進(jìn)行，制備室相對封閉，在制備過程中采用氬氣保護坩堝中金屬熔體。坯料制備室中的鉬絲作為容易損壞零件，鉬絲表面刷有涂料，在加熱過程，采用氫氣和氮氣進(jìn)行保護。本發(fā)明工藝先進(jìn)，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，避免制備過程轉(zhuǎn)換而引起金屬熔體的氧化，同時降低設(shè)備成本；電磁攪拌效果好，空氣磁阻小，生產(chǎn)效率高；坯料質(zhì)量好；可以穩(wěn)定生產(chǎn)半固態(tài)坯料。
文檔編號B22D23/06GK1470343SQ0314626
公開日2004年1月28日 申請日期2003年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月7日
發(fā)明者楊卯生, 李士琦, 毛衛(wèi)民, 鐘雪友 申請人:北京科技大學(xué)