一種金屬半固態(tài)坯料的制備裝置及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于金屬材料與冶金技術領域，更具體地，涉及一種金屬半固態(tài)坯料的制備裝置及其制備方法。
【背景技術】
[0002]金屬合金材料的半固態(tài)成形技術是二十世紀七十年代發(fā)展起來的一種先進的材料成形技術，它綜合了凝固加工和塑性加工的長處，即加工溫度比液態(tài)低、變形抗力比固態(tài)小，可一次以大變形量成形形狀復雜且精度和性能質(zhì)量要求較高的零件，因此被稱為21世紀最有前途的材料成形加工方法。相比于傳統(tǒng)的鑄造成形技術，通過該法生產(chǎn)的鑄件具有加工余量少、組織均勻、晶粒細小、縮孔和縮松等缺陷較少等優(yōu)點。根據(jù)工藝路線的不同，半固態(tài)成形技術可以分為流變成形(Rheocasting)和觸變成形(Thixocasting)兩大類。其中，流變成形是指將坯料在半固態(tài)溫度下直接進行成形加工，而觸變成形是指流變漿料冷卻凝固后將其二次加熱至半固態(tài)溫度下再進行后續(xù)的成形加工，這兩類技術各有優(yōu)勢，采取的技術路線存在較大的區(qū)別，但是它們都有一個共同環(huán)節(jié)，也就是首先必須制備出具有均勻、細小的非枝晶組織的半固態(tài)漿料或坯料，也即促使合金在凝固過程中形成的樹枝晶轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙罹?，并且能夠比較均勻地分布在整個熔體的內(nèi)部。半固態(tài)坯料/漿料的制備是半固態(tài)成形技術中的關鍵環(huán)節(jié)之一，也是限制該技術發(fā)展的重要環(huán)節(jié)之一。
[0003]用于制備金屬半固態(tài)坯料的方法有很多，依據(jù)半固態(tài)組織形成的基本機制，大致可以把它們分為兩大類，一類是在凝固/冷卻過程中，通過某種手段包括攪拌、振動、快速冷卻或異質(zhì)形核劑等來抑制樹枝晶的生長，促進球狀晶粒的形成；一類是在固態(tài)下，通過某種手段例如大變形、再結晶等來破壞原有的鑄態(tài)組織，促進細小晶粒的形成。其中，目前比較常用的金屬半固態(tài)坯料的制備方法主要包括以下幾種:
[0004](I)機械攪拌法該方法是最早應用于金屬材料的半固態(tài)漿料/坯料的制備技術，其原理就是利用強烈的機械力打斷冷卻過程中形成的樹枝晶，同時促進了熔體內(nèi)部的溫度均勻化，抑制了樹枝晶的生長，最終實現(xiàn)晶粒從樹枝形貌向球狀發(fā)展，并且促使晶粒在熔體內(nèi)部的均勻分布。上世紀七十年代Flemings和他的學生首先提出用機械攪拌法可以得到Sn-Pb合金的半固態(tài)坯料，由此作為發(fā)端，形成了多種機械攪拌方法，例如美國專利US3902544、US3948650和US3954455等提出的具有各自特點的方法，尤其是英國學者Z.Fan等人提出了雙螺旋機械攪拌法(Twin-screw Rheomoulding Process)，取得了較大的突破。使用機械攪拌方法來制備半固態(tài)漿料/坯料時攪拌的力量較大，生產(chǎn)速率較高，但是使用該方法時攪拌裝置的壽命較短且易污染金屬，在金屬半固態(tài)坯料的制備中應用較少。
[0005](2)電磁攪拌法該方法是目前應用最廣的技術，它克服了上述機械攪拌法需要攪拌裝置與熔體接觸的缺點，其主要原理是利用旋轉(zhuǎn)電磁場在金屬液中產(chǎn)生感應電磁場，金屬液在洛倫茲力的作用下產(chǎn)生運動，且借助電磁感應力的作用將析出的樹枝晶破碎成球狀經(jīng)，該技術充分利用了電磁場作為攪拌的手段，實現(xiàn)了無接觸的攪拌。如，美國專利US4434837和US4229210均公開了一種制備半固態(tài)金屬及合金漿料和坯料的電磁攪拌方法，通過使用上述申請案中的方法在一定程度上可以制備出細小、均勻的半固態(tài)金屬及合金漿料；又如，中國專利200420112702.0也公開了一種復合電磁攪拌法連續(xù)制備半固態(tài)金屬漿料的裝置，該裝置的主要結構和原理是:在中間包內(nèi)施加電磁攪拌，使中間包過熱的液體整體均勻降溫到液相線溫度，在導流管外均施加強烈電磁攪拌，金屬液流可獲得充分快速的冷卻，使形核數(shù)量大幅增加，凝固組織明顯細化，從而在一定程度上可以得到組織相對細小的金屬半固態(tài)坯料/漿料。但以上申請案中采用電磁攪拌法制備金屬半固態(tài)坯料時，對電能的消耗量較大，且所需的設備結構復雜，投資較高，所得半固態(tài)坯料的組織相對不均勻，從而限制了該技術的發(fā)展。
[0006](3)應變誘導恪化激活方法(Strain-1nduced Melt Activat1n Process)該方法的要點是首先利用傳統(tǒng)的鑄造方法制備晶粒細小的鑄坯，然后在回復再結晶的溫度下進行高溫變形，破碎鑄態(tài)組織，再輔以少量的冷變形，最后再將經(jīng)預變形后的鑄坯加熱至半固態(tài)溫度區(qū)間進行二次重熔處理即制得所需的半固態(tài)成形坯料。如，中國專利201210054148.4公開了一種SIMA法制備半固態(tài)漿料的方法，通過使用該申請案中的方法在一定程度上可以制備出純凈、無污染的半固態(tài)漿料，但使用該技術操作較復雜，需要增加一道預變形工序，對變形工序的要求較高、加工繁瑣、生產(chǎn)成本高、生產(chǎn)率低，只能生產(chǎn)小型零件。
[0007]此外，金屬半固態(tài)坯料的制備方法還有熱處理法、添加粉末變質(zhì)劑法、超聲波振動法和噴射沉積法等方法，但目前可以在工業(yè)上進行推廣使用的技術只有電磁攪拌法和應變誘導熔化激活方法，且以上現(xiàn)有半固態(tài)坯料的制備技術主要在低熔點有色金屬領域中獲得了廣泛地應用，特別在汽車、航空航天、電器等工業(yè)。而對高熔點鋼鐵材料，由于其熔點較高，熔體導電率低，從而給半固態(tài)坯料的制備帶來了很大的困難，如所需的攪拌功率大、攪拌時間長、其加熱、保溫、冷卻過程中需要良好的措施等。
[0008]經(jīng)檢索，關于高熔點鋼鐵材料的半固態(tài)坯料的制備方法的專利報道已有相關公開。
[0009]如:中國專利申請?zhí)?201110006232.4，發(fā)明創(chuàng)造名稱:一種黑色金屬半固態(tài)漿料制備的電磁攪拌與振動復合裝置，該申請案公開了一種用于制備高熔點黑色金屬半固態(tài)漿料的電磁攪拌與振動復合裝置，通過對金屬熔體進行電磁攪拌與振動復合處理，從而使枝晶破碎，制備由細小近球狀組織組成的半固態(tài)漿料。該申請案在一定程度上可以用于制備高熔點鋼鐵材料的半固態(tài)坯料，但其設備和操作較復雜，振動彈簧長期使用后易發(fā)生彈性失效，從而影響裝置的振動效果，使半固態(tài)坯料中枝晶組織的球狀化效果大大降低。
[0010]因此，迫切需要研宄出一種能夠適用于高熔點鋼鐵材料，且成本較低的半固態(tài)坯料的制備方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]1.發(fā)明要解決的技術問題
[0012]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有半固態(tài)坯料的制備技術多用于制備低熔點有色合金的半固態(tài)坯料，不能用于制備高熔點鋼鐵材料的半固態(tài)坯料或制備效果較差，且設備結構和操作復雜，投資成本高的不足，提供了一種金屬半固態(tài)坯料的制備裝置及其制備方法。通過使用本發(fā)明中金屬半固態(tài)坯料的制備裝置和制備方法可以制備各種合金材料，尤其是高熔點鋼鐵材料的半固態(tài)坯料，且所制備的半固態(tài)坯料純凈無污染，設備和操作簡單，成本較低。
[0013]2.技術方案
[0014]為達到上述目的，本發(fā)明提供的技術方案為:
[0015]其一，本發(fā)明的一種金屬半固態(tài)坯料的制備裝置，包括加熱機構、坩禍和升降平臺，其中，所述的加熱機構包括交流電源和加熱線圈，所述的加熱線圈通過導線與交流電源相