專(zhuān)利名稱(chēng)：一種半固態(tài)合金脈沖電場(chǎng)制備裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及半固態(tài)合金制備技術(shù)，具體為一種半固態(tài)合金脈沖電場(chǎng)制備裝置。
背景技術(shù)：
半固態(tài)成形是七十年代產(chǎn)生一種新型的金屬成形方法。與傳統(tǒng)固態(tài)或液態(tài)金屬成形的不同之處，該方法是用含初生固相為球狀或顆粒狀的半固態(tài)金屬漿料來(lái)成形零件。半固態(tài)合金的制備是整個(gè)過(guò)程的基礎(chǔ)與關(guān)鍵，其目的是獲得適于半固態(tài)成型的初生相為球狀或顆粒狀的非枝晶組織。半固態(tài)合金的制備是半固態(tài)加工技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外研究者在此方面作了大量研究工作，提出了許多制備方法與思想。其中主要包括機(jī)械攪拌法、電磁攪拌法、應(yīng)力激活法(SIMA)、低溫澆注法、噴射沉積法、粉末冶金法、半固態(tài)等溫處理法等，但成功商業(yè)應(yīng)用的半固態(tài)金屬漿料和坯料生產(chǎn)技術(shù)只有電磁攪拌法和應(yīng)變激活法。但是電磁攪拌設(shè)備龐大，投資過(guò)高，而且電磁攪拌功率很大、效率很低、耗能很大，因成本較高，不適用大規(guī)格(Φ＞150mm)坯料的制備；應(yīng)力激活法增加了一道預(yù)變形工序，提高了坯料生產(chǎn)成本，同時(shí)它也僅適用于小規(guī)格坯料。
M.Nakada和M.C.Flemings等人首先使用電脈沖研究Sn-15％Pb合金的凝固過(guò)程，發(fā)現(xiàn)在凝固的起始階段施加電脈沖可使凝固組織中的初生相形態(tài)改變。該研究結(jié)果發(fā)表在《ISIJ International》30卷1期27-33頁(yè)(1990)，李建明等在《ScriptaMetallurgica et Materialia》31卷12期1691-1694頁(yè)(1994)，鄢紅春等在《金屬學(xué)報(bào)》33卷第4期352-358頁(yè)(1997)也報(bào)道了類(lèi)似的結(jié)果。他們的脈沖電場(chǎng)發(fā)生裝置中，所采用的充電壓太高，一般從幾千伏到幾萬(wàn)伏，如此高的電壓給操作者帶來(lái)了極大的不方便，安全性能也比較差；所采用的電容為油浸脈沖電容，體積龐大，價(jià)格高，這樣的脈沖發(fā)生裝置還需要有專(zhuān)用的實(shí)驗(yàn)室，才能保證其安全可靠的工作。并且在脈沖放電實(shí)驗(yàn)中，金屬都是在空氣中自然冷卻或隨爐冷卻，凝固過(guò)程的可控時(shí)間短，不能充分發(fā)揮脈沖電場(chǎng)對(duì)金屬凝固組織的控制作用。這些都嚴(yán)重阻礙了脈沖電場(chǎng)在合金制備中的研究和發(fā)展，更限制了在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用和推廣。
半固態(tài)成形具有很多的優(yōu)點(diǎn)，被稱(chēng)為是二十一世紀(jì)近終形的材料加工方法，脈沖電場(chǎng)凝固技術(shù)具有無(wú)污染、操作方便、效果顯著等優(yōu)點(diǎn)，受到了人們的高度重視。已有的研究已經(jīng)表明該技術(shù)具有十分廣闊的應(yīng)用前景。研制適合于半固態(tài)合金的脈沖電場(chǎng)制備裝置對(duì)推動(dòng)脈沖電場(chǎng)的應(yīng)用和半固態(tài)成形技術(shù)的發(fā)展具有重要的意義。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種體積小、充電電壓低、安全可靠，適合于實(shí)驗(yàn)室科學(xué)研究和工業(yè)實(shí)際應(yīng)用的半固態(tài)合金脈沖電場(chǎng)制備裝置。
本實(shí)用新型的目的是通過(guò)下述方式實(shí)現(xiàn)的一種半固態(tài)合金脈沖電場(chǎng)制備裝置，它由脈沖電場(chǎng)發(fā)生系統(tǒng)、脈沖電場(chǎng)作用系統(tǒng)和加熱保溫系統(tǒng)三個(gè)部分組成，脈沖電場(chǎng)發(fā)生系統(tǒng)產(chǎn)生的脈沖電流通過(guò)脈沖電場(chǎng)作用系統(tǒng)施加到置于加熱保溫系統(tǒng)的合金熔體上。
脈沖電場(chǎng)發(fā)生系統(tǒng)包括充電回路部分、放電回路部分，充電回路部分由交流電源、自耦調(diào)壓器、高壓變壓器，四個(gè)二極管組成的高壓整流硅堆、限流電阻、充電開(kāi)關(guān)和電容器組構(gòu)成，交流電源經(jīng)過(guò)調(diào)壓器，再經(jīng)過(guò)升壓變壓器，該交流電經(jīng)過(guò)高壓整流硅堆整流成為直流電源，直流電源與限流電阻、充電開(kāi)關(guān)、電容器組構(gòu)成串聯(lián)回路；放電回路部分由電容器組、磁飽和開(kāi)關(guān)、脈沖開(kāi)關(guān)、負(fù)載和由觸發(fā)電容、觸發(fā)電阻、觸發(fā)開(kāi)關(guān)組成的脈沖開(kāi)關(guān)的觸發(fā)回路構(gòu)成，電容器組與磁飽和開(kāi)關(guān)、負(fù)載、脈沖開(kāi)關(guān)構(gòu)成串聯(lián)回路，負(fù)載代表合金熔體。
所述脈沖電場(chǎng)作用系統(tǒng)包括合金熔體、放置合金熔體的保溫坩鍋、上電極、下電極，兩個(gè)電極分別從頂部和底部與合金熔體相聯(lián)，合金熔體通過(guò)上、下電極與脈沖電場(chǎng)發(fā)生系統(tǒng)相聯(lián)接。
所述加熱保溫系統(tǒng)由加熱爐、加熱元件和保溫爐蓋以及熱電偶構(gòu)成，熱電偶插入合金熔體內(nèi)，加熱元件分布于加熱爐側(cè)壁內(nèi)。
所述脈沖電場(chǎng)發(fā)生系統(tǒng)還設(shè)有控制部分，控制部分由充電開(kāi)關(guān)、觸發(fā)開(kāi)關(guān)分別與可編程功能模塊相連構(gòu)成。
所述脈沖電場(chǎng)發(fā)生系統(tǒng)的電容器組由二個(gè)以上電容并聯(lián)構(gòu)成，電容為電解電容。
所述脈沖電場(chǎng)發(fā)生系統(tǒng)的脈沖開(kāi)關(guān)為RSD開(kāi)關(guān)。
本實(shí)用新型具有以下特點(diǎn)1、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小，成本低，不需要專(zhuān)用實(shí)驗(yàn)室，適用范圍廣。
2、充電電壓低，操作安全可靠，便于實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)。
3、擴(kuò)展性好，可根據(jù)需要增加或減少電容的數(shù)量。
4、使用方便，自動(dòng)充放電，可設(shè)置放電參數(shù)。
5、可以控制合金熔體的凝固速度。


圖1為本實(shí)用新型的裝置原理框圖。
圖2為本實(shí)用新型的脈沖電場(chǎng)發(fā)生系統(tǒng)電路原理圖。
圖3為本實(shí)用新型的脈沖電場(chǎng)發(fā)生系統(tǒng)的控制部分原理框圖。
圖4為本實(shí)用新型的脈沖電場(chǎng)作用系統(tǒng)和加熱保溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
其中，1為上電極，2為熱電偶，3為爐蓋，4為保溫坩鍋，5加熱爐，6為合金熔體，7為加熱元件，8為耐火材料，9為襯底，10下電極。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型如圖1所示，包括脈沖電場(chǎng)發(fā)生系統(tǒng)、脈沖電場(chǎng)作用系統(tǒng)和加熱保溫系統(tǒng)三個(gè)部分，由脈沖電場(chǎng)發(fā)生系統(tǒng)產(chǎn)生的脈沖電流通過(guò)脈沖電場(chǎng)作用系統(tǒng)施加到合金熔體上并通過(guò)加熱保溫系統(tǒng)控制合金熔體的凝固速度來(lái)實(shí)現(xiàn)半固態(tài)合金的制備，下面就系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行詳細(xì)的介紹。
1.脈沖電場(chǎng)發(fā)生系統(tǒng)如圖2所示，脈沖電場(chǎng)發(fā)生系統(tǒng)可分為三個(gè)部分，即充電回路部分、放電回路部分和控制部分。
①充電回路部分由220V交流電源、自耦調(diào)壓器T1、高壓變壓器T2，四個(gè)二極管D1～D4組成的高壓整流硅堆、限流電阻RC、充電開(kāi)關(guān)K1和電容C1～C4并聯(lián)組成的電容器組構(gòu)成。其中電容為電解電容，并聯(lián)充電，可根據(jù)放電功率的需要并聯(lián)一定數(shù)目的同型號(hào)電容。充電的具體工作過(guò)程為220V交流電，經(jīng)過(guò)調(diào)壓器T1，再經(jīng)過(guò)升壓變壓器T2，得到了電壓滿(mǎn)足要求的交流電，該交流電經(jīng)過(guò)高壓整流硅堆整流成為直流電源，當(dāng)充電開(kāi)關(guān)K1閉合時(shí)，直流電源對(duì)電容器組進(jìn)行充電，當(dāng)充電開(kāi)關(guān)K1斷開(kāi)時(shí)，充電結(jié)束。
②放電回路部分由電容器組、電壓表V、磁飽和開(kāi)關(guān)L、脈沖開(kāi)關(guān)RSD、負(fù)載RL和由觸發(fā)電容CT、觸發(fā)電阻RT、觸發(fā)開(kāi)關(guān)K2組成的脈沖開(kāi)關(guān)RSD的觸發(fā)回路構(gòu)成。其中電容器組用來(lái)儲(chǔ)存能量，電壓表V用來(lái)觀察電容器組兩端的電壓，磁飽和開(kāi)關(guān)L是一個(gè)可飽和電感線(xiàn)圈，當(dāng)電容器組放電時(shí)鐵心未飽和，所以電感線(xiàn)圈的感抗較大，電流上升速度不大。當(dāng)電流達(dá)到一定數(shù)值時(shí)鐵心飽和，電感線(xiàn)圈失去作用，電流迅速上升到峰值。因此該線(xiàn)圈起到了脈沖壓縮和延時(shí)的功能。脈沖開(kāi)關(guān)RSD為反向觸發(fā)脈沖開(kāi)關(guān)，當(dāng)觸發(fā)回路的觸發(fā)開(kāi)關(guān)K2接通時(shí)，觸發(fā)電容CT通過(guò)觸發(fā)電阻RT對(duì)脈沖開(kāi)關(guān)RSD反向放電，脈沖開(kāi)關(guān)RSD才能導(dǎo)通。負(fù)載RL代表液態(tài)金屬。放電的具體工作過(guò)程為觸發(fā)開(kāi)關(guān)K2閉合，經(jīng)過(guò)磁飽和開(kāi)關(guān)L的壓縮和延時(shí)后，脈沖開(kāi)關(guān)RSD導(dǎo)通，放電回路導(dǎo)通，電容器組開(kāi)始對(duì)負(fù)載RL進(jìn)行放電。
脈沖電場(chǎng)發(fā)生系統(tǒng)采用低壓充放電技術(shù)，充電電壓在0～450V范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。
③控制部分如圖3所示，由充電開(kāi)關(guān)K1、觸發(fā)開(kāi)關(guān)K2和一個(gè)可編程功能模塊組成。其中的可編程功能模塊(采用臺(tái)灣亞銳電子有限公司的AF-20MR-A型可編程功能模塊)用來(lái)設(shè)定脈沖發(fā)生系統(tǒng)放電的周期，精確控制充電開(kāi)關(guān)K1和觸發(fā)開(kāi)關(guān)K2的閉合，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖發(fā)生系統(tǒng)充電和放電的控制，保證放電系統(tǒng)正常工作。
2.脈沖電場(chǎng)作用系統(tǒng)從圖4中可以看出它由合金熔體6、保溫坩鍋4、耐火材料8、上電極1、下電極10和襯底9組成。其中襯底9起支撐作用，保溫坩堝為剛玉管，兩個(gè)電極分別從頂部和底部與合金熔體相聯(lián)，為了便于下電極10的安裝，將下電極10與耐火材料8燒結(jié)在一起作為保溫坩鍋4的底，為方便金屬錠的取出，下電極打磨成圓錐形，超過(guò)耐火材料2mm即可，下電極10為固定電極，從加熱爐5底部中心引出；上電極1通過(guò)爐蓋3引入與合金熔體相聯(lián)，上電極插入金屬液不宜超過(guò)5mm，電極材料為與合金熔體不發(fā)生反應(yīng)的高熔點(diǎn)金屬或合金絲，直徑一般為2-5mm。該系統(tǒng)的作用是將合金熔體和脈沖電場(chǎng)發(fā)生系統(tǒng)相聯(lián)接，使合金熔體處于脈沖電場(chǎng)的作用下。
3.加熱保溫系統(tǒng)從圖4中可以看出它由加熱爐5、加熱元件7和保溫爐蓋3以及熱電偶2組成。其中保溫爐蓋3的作用是防止合金熔體從上面散熱，熱電偶2插入合金熔體內(nèi)用來(lái)測(cè)量合金熔體的溫度，加熱元件7采用的是鉬絲，加熱爐5的功率連續(xù)可調(diào)。該系統(tǒng)的主要作用是熔化合金或?qū)辖鹑垠w進(jìn)行保溫，控制合金的凝固速度，保證脈沖放電期間，合金熔體溫度位于液相線(xiàn)和固相線(xiàn)之間。
將熔化、精煉后的合金熔體澆注到保溫坩堝4內(nèi)或在保溫坩堝4內(nèi)直接熔化合金，并將上電極與合金熔體6聯(lián)接好。當(dāng)合金熔體6溫度下降到凝固點(diǎn)時(shí)，設(shè)定脈沖放電參數(shù)，啟動(dòng)脈沖電場(chǎng)發(fā)生系統(tǒng)，開(kāi)始對(duì)合金熔體6進(jìn)行一段時(shí)間的放電并通過(guò)加熱保溫系統(tǒng)控制合金熔體的凝固速度，放電結(jié)束后，取出上電極1，合金熔體6可隨爐冷卻，也可投入水中或直接進(jìn)行后面的成型加工。
權(quán)利要求1.一種半固態(tài)合金脈沖電場(chǎng)制備裝置，其特征在于它由脈沖電場(chǎng)發(fā)生系統(tǒng)、脈沖電場(chǎng)作用系統(tǒng)和加熱保溫系統(tǒng)三個(gè)部分組成，脈沖電場(chǎng)發(fā)生系統(tǒng)產(chǎn)生的脈沖電流通過(guò)脈沖電場(chǎng)作用系統(tǒng)施加到置于加熱保溫系統(tǒng)的合金熔體上。脈沖電場(chǎng)發(fā)生系統(tǒng)包括充電回路部分、放電回路部分，充電回路部分由交流電源、自耦調(diào)壓器(T1)、高壓變壓器(T2)，四個(gè)二極管(D1～D4)組成的高壓整流硅堆、限流電阻(RC)、充電開(kāi)關(guān)(K1)和電容器組構(gòu)成，交流電源經(jīng)過(guò)調(diào)壓器(T1)，再經(jīng)過(guò)升壓變壓器(T2)，該交流電經(jīng)過(guò)高壓整流硅堆整流成為直流電源，直流電源與限流電阻(RC)、充電開(kāi)關(guān)(K1)、電容器組構(gòu)成串聯(lián)回路；放電回路部分由電容器組、磁飽和開(kāi)關(guān)(L)、脈沖開(kāi)關(guān)、負(fù)載(RL)和由觸發(fā)電容(CT)、觸發(fā)電阻(RT)、觸發(fā)開(kāi)關(guān)(K2)組成的脈沖開(kāi)關(guān)的觸發(fā)回路構(gòu)成，電容器組與磁飽和開(kāi)關(guān)(L)、負(fù)載(RL)、脈沖開(kāi)關(guān)構(gòu)成串聯(lián)回路，負(fù)載(RL)代表合金熔體。
2.按照權(quán)利要求1所述半固態(tài)合金脈沖電場(chǎng)制備裝置，其特征在于所述脈沖電場(chǎng)作用系統(tǒng)包括合金熔體(6)、放置合金熔體(6)的保溫坩鍋(4)、上電極(1)、下電極(10)，兩個(gè)電極分別從頂部和底部與合金熔體相聯(lián)，合金熔體(6)通過(guò)上、下電極(1)、(10)與脈沖電場(chǎng)發(fā)生系統(tǒng)相聯(lián)接。
3.按照權(quán)利要求1所述半固態(tài)合金脈沖電場(chǎng)制備裝置，其特征在于所述加熱保溫系統(tǒng)由加熱爐(5)、加熱元件(7)和保溫爐蓋(3)以及熱電偶(2)構(gòu)成，熱電偶(2)插入合金熔體內(nèi)，加熱元件(7)分布于加熱爐(5)側(cè)壁內(nèi)。
4.按照權(quán)利要求1所述半固態(tài)合金脈沖電場(chǎng)制備裝置，其特征在于所述脈沖電場(chǎng)發(fā)生系統(tǒng)還設(shè)有控制部分，控制部分由充電開(kāi)關(guān)(K1)、觸發(fā)開(kāi)關(guān)(K2)分別與可編程功能模塊相連構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述半固態(tài)合金脈沖電場(chǎng)制備裝置，其特征在于所述脈沖電場(chǎng)發(fā)生系統(tǒng)的電容器組由二個(gè)以上電容并聯(lián)構(gòu)成，電容為電解電容。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述半固態(tài)合金脈沖電場(chǎng)制備裝置，其特征在于所述脈沖電場(chǎng)發(fā)生系統(tǒng)的脈沖開(kāi)關(guān)為RSD開(kāi)關(guān)。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型涉及半固態(tài)合金制備技術(shù)，具體為一種半固態(tài)合金脈沖電場(chǎng)制備裝置，由脈沖電場(chǎng)發(fā)生系統(tǒng)、脈沖電場(chǎng)作用系統(tǒng)和加熱保溫系統(tǒng)三個(gè)部分組成，由脈沖電場(chǎng)發(fā)生系統(tǒng)產(chǎn)生的脈沖電流通過(guò)脈沖電場(chǎng)作用系統(tǒng)施加到合金熔體上并通過(guò)加熱保溫系統(tǒng)控制合金熔體的凝固速度來(lái)實(shí)現(xiàn)半固態(tài)合金的制備。本實(shí)用新型充分發(fā)揮了脈沖電場(chǎng)對(duì)金屬凝固組織的控制作用并且體積小、成本低、充電電壓低、安全可靠，適用于實(shí)驗(yàn)室科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用脈沖電場(chǎng)制備半固態(tài)合金。
文檔編號(hào)B22D45/00GK2751275SQ20042005520
公開(kāi)日2006年1月11日 申請(qǐng)日期2004年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月26日
發(fā)明者楊院生, 周全, 程根發(fā), 林剛, 李應(yīng)舉 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院金屬研究所