一種泡沫金屬鑄錠的鑄造設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉屬于冶金鑄造技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種泡沫金屬鑄錠的鑄造設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)、現(xiàn)代工程、現(xiàn)代交通、現(xiàn)代航空航天和現(xiàn)代國防領(lǐng)域，密實(shí)金屬結(jié)構(gòu)材料一直占有絕對(duì)的統(tǒng)治地位。在自然界，多孔材料則是分布最廣、使用歷史最悠久的材料，人類和動(dòng)物的骨骼，廣泛分布的花草樹木等，是應(yīng)用最成功的多孔材料。
[0003]與多孔材料相比，密實(shí)金屬結(jié)構(gòu)材料密度大、比強(qiáng)度低，制備同樣體積的工件和結(jié)構(gòu)件，其原料消耗和結(jié)構(gòu)重量往往是多孔材料的幾倍、甚至幾十倍。僅以我國為例，每年需要生產(chǎn)5-6億噸鋼鐵、3500萬噸的鋁合金作為各類工程結(jié)構(gòu)原材料使用，原料消耗巨大、生產(chǎn)成本極高。
[0004]在現(xiàn)代交通運(yùn)輸領(lǐng)域，密實(shí)金屬結(jié)構(gòu)材料長期是各類交通工具的主體結(jié)構(gòu)材料，帶來的問題是，車輛自重大，運(yùn)行成本高，能量有效利用率極低。一輛自重100kg的自駕車(家用小轎車)，實(shí)際運(yùn)行的載荷重量往往不超過200kg，用于有效載荷的能量消耗不足18%。一節(jié)自重60t的鐵路貨車車皮，有效載貨重量僅為60t，用于有效載荷的能量消耗不足50%。一輛自重4t的卡車，有效載貨量約為8t，用于有效載荷的能量消耗不足60%。
[0005]在現(xiàn)代航空航天領(lǐng)域，現(xiàn)代戰(zhàn)機(jī)的和航天火箭的有效能量利用率極低。以當(dāng)前美國F22猛禽戰(zhàn)機(jī)為例，全備起飛重量超過35t，有效載彈量僅為2.27t，用于有效載荷的能量消耗不足7%。我國長征4號(hào)火箭發(fā)射總質(zhì)量達(dá)到249t，有效載貨量僅為1.49t，用于有效載荷的能量消耗不足0.6%。
[0006]在現(xiàn)代工程領(lǐng)域，使用密實(shí)材料仍然有許多工程難題無法克服。我國每年生產(chǎn)銅材近1500萬t，其中，約有70%用于導(dǎo)電導(dǎo)體材料，而銅材在導(dǎo)電時(shí)，受同流效應(yīng)和集膚效應(yīng)的影響，電流主要集中在導(dǎo)體的淺表層。一根直徑為200_的導(dǎo)電銅棒，有效載流區(qū)域僅為銅棒表層2_左右的區(qū)域，心部材料占棒材全重96%對(duì)導(dǎo)電過程沒有貢獻(xiàn)，材料的有效利用率不足4%。直接采用管體導(dǎo)電材料又存在強(qiáng)度不足的問題。為克服這一不足，工程上常采用鋼棒表面包覆銅或者鋁的方法提高導(dǎo)體的強(qiáng)度，增加了銅-鋼、鋁-鋼復(fù)合成本，也給后續(xù)的銅、鋼、鋁資源的綜合回收利用增加了難度。
[0007]為克服密實(shí)材料的不足，人們陸續(xù)開發(fā)了近十種泡沫金屬制備方法，希望在結(jié)構(gòu)、功能材料領(lǐng)域，以多孔金屬代替?zhèn)鹘y(tǒng)的密實(shí)金屬。但是，現(xiàn)有的泡沫金屬制備方法，在工藝、技術(shù)、裝備、制品質(zhì)量和性能方面，無法滿足現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)對(duì)材料性能的使用要求。發(fā)泡法、吹氣法和粉末冶金法是最有發(fā)展前途的泡沫金屬制備方法，目前來看，粉末冶金法生產(chǎn)泡沫鋁的制備成本太高，受制備工藝的限制，制品尺寸很難做大。吹氣法和發(fā)泡法制備泡沫鋁，需要采用碳化硅、氧化鋁和金屬鈣作為異質(zhì)增粘劑，添加量達(dá)到6%-15%，使泡沫金屬的脆性增加，塑性大大降低，作為結(jié)構(gòu)材料使用，無法滿足用戶對(duì)產(chǎn)品使用性能的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本實(shí)用新型就是針對(duì)上述不足，提供一種泡沫金屬鑄錠的鑄造設(shè)備。
[0009]上述目的是通過下述方案實(shí)現(xiàn)的:
[0010]一種泡沫金屬鑄錠的鑄造設(shè)備，其特征在于，所述鑄造設(shè)備包括攪拌裝置，該攪拌裝置設(shè)置在金屬固液兩相區(qū)的位置。
[0011]根據(jù)上述的鑄造設(shè)備，其特征在于，所述鑄造設(shè)備包括結(jié)晶器，在所述結(jié)晶器的外側(cè)設(shè)置有電磁攪拌裝置，或者在所述結(jié)晶器的外側(cè)或內(nèi)部設(shè)置超聲波攪拌裝置。
[0012]根據(jù)上述的鑄造設(shè)備，其特征在于，所述鑄造設(shè)備包括結(jié)晶器，在所述結(jié)晶器內(nèi)設(shè)置有機(jī)械攪拌裝置或氣流攪拌裝置。
[0013]根據(jù)上述的鑄造設(shè)備，其特征在于，所述鑄造設(shè)備還包括增粘裝置和發(fā)泡裝置，所述發(fā)泡裝置的出口與所述結(jié)晶器的入口連接，所述發(fā)泡裝置的入口與所述增粘裝置的出口連接，在所述增粘裝置和發(fā)泡裝置外側(cè)還分別設(shè)置有電磁攪拌裝置。
[0014]根據(jù)上述的鑄造設(shè)備，其特征在于，所述鑄造設(shè)備包括鑄模，在所述鑄模的外側(cè)設(shè)置有電磁攪拌裝置，或者在所述結(jié)晶器的外側(cè)或內(nèi)部設(shè)置超聲波攪拌裝置。
[0015]根據(jù)上述的鑄造設(shè)備，其特征在于，所述鑄造設(shè)備包括鑄模，在所述結(jié)晶器內(nèi)設(shè)置有機(jī)械攪拌裝置或氣流攪拌裝置。
[0016]一種泡沫金屬鑄錠的鑄造方法，其特征在于，所述鑄造方法是在金屬固液兩相區(qū)進(jìn)行攪拌，使該固液兩相區(qū)中的枝晶占液相金屬的質(zhì)量百分比比例為20%-80%。
[0017]根據(jù)上述的鑄造方法，其特征在于，所述鑄造方法使用結(jié)晶器鑄造，攪拌方式為電磁攪拌或超聲波攪拌或機(jī)械攪拌或氣流攪拌。
[0018]根據(jù)上述的鑄造方法，其特征在于，所述鑄造方法還包括增粘步驟和發(fā)泡步驟，經(jīng)過增粘和發(fā)泡后的金屬熔體再進(jìn)入結(jié)晶器，并且在所述增粘步驟和發(fā)泡步驟均對(duì)金屬熔體進(jìn)行攪拌。
[0019]根據(jù)上述的鑄造方法，其特征在于，所述鑄造方法使用鑄模鑄造，攪拌方式為電磁攪拌或超聲波攪拌或機(jī)械攪拌或氣流攪拌。
[0020]本實(shí)用新型的泡沫金屬鑄錠鑄造方法，利用氣泡對(duì)枝晶的吸附作用，或者利用相互勾聯(lián)、鉸接的枝晶鏈和枝晶團(tuán)簇對(duì)氣泡的鎖氣作用，可以制備性能優(yōu)越的泡沫金屬材料，可以用常規(guī)的擠壓、乳制、鍛造、拉伸等冷熱加工方法對(duì)泡沫金屬鑄錠進(jìn)行二次加工，制備出尺寸精度很高的泡沫金屬管材、棒材、型材、線材、板材、帶材、箔材、鍛件或者模鍛件、鑄件。還可以通過熱處理或者二次發(fā)泡處理，對(duì)制備的泡沫金屬管材、棒材、型材、線材、板材、帶材、箔材、鍛件或者模鍛件、鑄件進(jìn)行進(jìn)一步的發(fā)泡處理，調(diào)控制品的孔隙率、密度和機(jī)械性能?？梢圆捎闷胀―C鑄造技術(shù)、熱頂鑄造技術(shù)、氣滑膜鑄造技術(shù)、模鑄技術(shù)等，連鑄或者半連鑄或者間歇鑄造各種泡沫金屬鑄錠，泡沫鑄錠生產(chǎn)的效率和成材率大大提高。避免了傳統(tǒng)泡沫金屬制備方法所存在的泡沫錠底板無泡層厚大，泡沫錠內(nèi)部均勻性和質(zhì)量穩(wěn)定性差，所制備的泡沫金屬的脆性大、塑性差、可加工性能差，不適于作為結(jié)構(gòu)材料使用等不足。
【附圖說明】
[0021]圖1是現(xiàn)有技術(shù)中的DC鑄造法所使用設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖2是本實(shí)用新型通過電磁攪拌或者機(jī)械混合或者氣流攪拌或者紊流混合作用使固-液兩相區(qū)擴(kuò)大示意圖；
[0023]圖3是設(shè)置增粘和發(fā)泡裝置的泡沫金屬錠連續(xù)制備裝置示意圖；
[0024]圖4是集增粘-發(fā)泡與凝固于一體的泡沫金屬錠連續(xù)制備裝置示意圖；
[0025]圖5是模鑄泡沫金屬裝置示意圖；
[0026]圖6是含有發(fā)泡劑的泡沫金屬鑄錠連續(xù)鑄造過程示意圖；
[0027]圖7-9是泡沫金屬形成原理示意圖；
[0028]圖10是含有發(fā)泡劑的泡沫金屬微觀結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]現(xiàn)有的采用DC鑄造法或者熱頂鑄造法或者氣滑膜鑄造法鑄造金屬及其合金鑄錠時(shí)，結(jié)晶器中的金屬液在水冷作用下，產(chǎn)生過冷并開始結(jié)晶，見圖1。在圖1中，金屬液I通過熱頂2流入結(jié)晶器3中，結(jié)晶器3中的金屬液在結(jié)晶器3的水冷作用下，產(chǎn)生過冷并開始結(jié)晶。在鑄錠的已凝固區(qū)5和未凝固區(qū)I之間，存在一個(gè)很窄的固液兩相區(qū)4。由圖1可知，固液兩相區(qū)4是由金屬液和枝晶組成的，在金屬液與固液兩相區(qū)的交界處(固液兩相區(qū)的上部)，枝晶比例(固相的比例)為零，沿金屬的結(jié)晶方向，枝晶的比例(固相的比例)逐漸增多，在固液兩相區(qū)4與固相區(qū)5的交界處，固相枝晶的比例為100%(所有的液相金屬全部凝固)，液相的比例為零。
[0030]參見圖2，本實(shí)用新型則是通過設(shè)置在固液兩相區(qū)7位置處的攪拌裝置6 (圖中僅僅是示意，并不一定是設(shè)置在結(jié)晶器的外部)向固液兩相區(qū)7中加入擾動(dòng)氣流，或者通過紊流混合作用對(duì)固液兩相區(qū)7進(jìn)行攪拌，或者施加電磁場，或者引入超聲波，或者進(jìn)行機(jī)械攪拌，固液兩相區(qū)7中的枝晶8就會(huì)向液相區(qū)I中擴(kuò)散，受攪拌作用的影響，在鑄錠的固相區(qū)5和液相區(qū)I之間，形成一個(gè)尺寸更大、范圍更寬的固液兩相區(qū)7。攪拌初期，在固液兩相區(qū)7中的枝晶數(shù)量較少，枝晶之間相互分離，少量的枝晶浮游于固液兩相區(qū)7中，隨著攪拌強(qiáng)度的增大，固液兩相區(qū)的尺寸寬度增大，隨著攪拌時(shí)間的延長，固液兩相區(qū)7中的固相枝晶8的比例增大，枝晶之間出現(xiàn)相互勾聯(lián)、鉸接，甚至出現(xiàn)枝晶團(tuán)簇，兩相區(qū)內(nèi)金屬液的粘度也隨之增大?？刂茢嚢鑿?qiáng)度和攪拌時(shí)間，就可以控制固液兩相區(qū)7的寬度、固液兩相區(qū)中固相枝晶的比例和金屬液的粘度。
[0031]在圖2所示的設(shè)備及對(duì)應(yīng)的工藝中，不需要添加增粘劑，而主要利用結(jié)晶前沿的固液兩相區(qū)內(nèi)的枝晶增粘，通過控制固-液兩相區(qū)中枝晶的比例，達(dá)到控制金屬液粘度的效果。此種控制金屬液粘度的方法，可以鑄造通用的純金屬或者合金，在不添加異質(zhì)增粘劑的條件下，鑄造通用的純金屬泡沫錠、通用的變形合金泡沫錠、通用的鑄造合金泡沫錠。由于所制備的泡沫金屬物異質(zhì)添加劑，合金基體為純金屬基體，保留了純金屬