一種鐵合金半固態漿料的製備方法
2023-09-21 00:24:50
專利名稱：一種鐵合金半固態漿料的製備方法
技術領域：
本發明屬於材料加工及製備技術領域，具體涉及在材料加工過程中獲得的一種鐵合金半固態金屬漿料的製備方法。
金屬半固態成形技術的關鍵之一是半固態漿料的製備。目前製備半固態漿料的方法有多種，如(機械、電磁)攪拌法，應變激活法，超聲波攪動法、化學晶粒細化法、形變熱處理法等，其中只有機械攪拌法(示意圖見
圖1)、電磁攪拌法(示意圖見圖2)、應變激活法在工業中初步得到應用，而其它方法還處於實驗室研究階段。
機械攪拌法和電磁攪拌法的共同點為通過強烈的攪拌作用使得從液體金屬中結晶出來的固相被打碎，從而得到含有大量固相顆粒的半固態漿料。其一般的工藝過程為1.熔煉符合成分要求的金屬液體；2.將液體放入攪拌容器中；3.進行攪拌並控制溫度；4.當液體到達所確定的半固態溫度後停止攪拌；5.凝固成形，獲得半固態坯料或直接成形為部件。目前機械攪拌法大多用於熔點較低的有色金屬(如鋁合金、鎂合金等)的半固態成形，電磁攪拌法多用於一些熔點較高的黑色金屬的半固態成形研究，該技術是為克服機械攪拌帶來的不利影響而研發的。應變激活法是預先連續鑄造晶粒細小的金屬錠，再將其熱態擠壓到20％左右的變形，在組織中預先儲存部分變形能量，最後按需要將變形後的金屬錠分切成一定大小，加熱到半固態坯料。這三種方法還是不能走入規模化工業生產，生產效率和產品質量與歐美國家還有較大差距。到目前為止，我國還沒有生產半固態鑄錠坯料的廠家。
目前工業中使用的三種方法都存在著走入規模化生產的不利因素，就攪拌技術而言，獲得半固態漿料的主要原理為機械破碎，通過強烈的攪拌使得結晶出的固相被打碎得到細化的晶粒，因而需要一套較複雜的攪拌系統。機械攪拌法雖然攪拌設備簡單，但操作困難，攪拌棒汙染合金，帶入漿料中的氣體、雜質不易排出，直接影響到鑄造漿料的質量及生產效率。另外對熔點較高的金屬(如黑色金屬)攪拌來說，由於部分攪拌裝置的部件(如攪拌葉片等)必須與半固態金屬漿料直接接觸，因而部件的材料要求苛刻，且使用壽命較低，從而提高了生產成本，對於規模化的生產根本無法適應。電磁攪拌技術雖可達到部件與金屬液體的無接觸，但由於電磁線圈的隔熱、電磁力以及控制等方面的問題，目前僅在實驗中使用，而無法實現大規模的工業應用。這也就是目前國內外半固態生產技術只局限於熔點較低的有色合金的原因。電磁攪拌法的優點是不會汙染金屬漿料，也不會捲入氣體，電磁參數控制方便靈活，缺點是設備投資大，工藝複雜，能耗高從而導致成本較高，對於熔點較高的黑色金屬來說，對設備的冷卻系統要求也是相當高的，另外由於「集膚效應」現象，生產的鑄錠坯料尺寸受到制約，實現規模化工業生產的難度較大。應變激活法製備的金屬坯料純淨、產量大，但是由於增加一道預變形工序，不僅使成本提高而且使坯料尺寸受到限制，從而也不利於規模化工業生產。
為了實現上述目的，本發明採取的技術方案是，一種鐵合金半固態漿料的製備方法，包括以下步驟1)製備一塊具有一定結晶形核能力的滑板，該滑板具有高的導熱係數、足夠的蓄熱能力，亦可在滑板低部增設水冷系統以加強滑板對金屬液的激冷作用)、並具有高溫穩定性。
2)將滑板傾斜設置在金屬液槽的上方，將接近液相線溫度的金屬液澆在該滑板上，由於滑板的冷卻作用使和滑板接觸的液體金屬產生大量的初生晶，這些尚未長大的初生晶在隨後的金屬液衝擊下迅速脫離滑板進入金屬液槽，獲得半固態金屬漿料。
3)調整滑板傾斜角度，改變滑板的形狀，以達到控制金屬漿料流速，進而達到控制金屬液的形核數目、細化晶粒的效果；滑板角度及滑板形狀的設計應主要根據金屬液的粘度和流動性而定。
所述滑板傾斜角角度可在15°～75°之間調整。
所述滑板滑板形狀可為直板、小S形彎曲板、大S形彎曲板、或其它的彎曲形式；滑板具有耐高溫、導熱係數高、蓄熱能力強的性能特點，表面粗糙度介於 之間。
本發明根據結晶游離理論，由於原理上的不同，使得本發明與現有技術相比具有以下特點1.裝置簡單，極易實現產業化；2.不受金屬熔點的限制，可適用於任何金屬特別是工業上量大面廣的黑色金屬；3.可連續獲得半固態的金屬漿料，特別適用於連續生產。
本發明的鐵合金半固態漿料的製備方法製備的半固態金屬，晶粒比傳統的鑄造方法得到明顯的細化，晶粒呈等軸狀晶分布，使金屬的抗拉強度、延伸率等性能得到明顯提高，生產效率遠超過攪拌法和應變激活法等其它方法，達到了預期的效果。
圖2是電磁攪拌法示意圖；圖中的符號分別表示的是，1閥門；2冷卻水；3噴水機；4保護氣管；5熱電偶；6電阻絲；7坩堝；8攪拌線圈；9外殼；10鐵芯；11支架；12底板；13蓋板。
圖3是本發明的鐵合金半固態漿料的製備方法示意圖。
圖4是採用本發明所得到的金相組織圖片。
圖5是普通鑄造所得到的金相組織圖片。
參見圖3.依照本發明的技術方案，1)製備一塊具有一定結晶形核能力的滑板，該滑板應具有高的導熱係數、足夠的蓄熱能力(亦可在滑板低部增設水冷系統以加強滑板對金屬液的激冷作用)、一定的高溫穩定性、一定的表面粗糙度 等性能特點。
2)將滑板傾斜設置在金屬液槽的上方，將接近液相線溫度的金屬液澆在該滑板上，由於滑板的冷卻作用使和滑板接觸的液體金屬產生大量的初生晶，這些尚未長大的初生晶在隨後的金屬液衝擊下迅速脫離滑板進入金屬液槽，獲得半固態金屬漿料。
3)調整滑板傾斜角度，或改變滑板的形狀(直板或彎曲板、S形板等)，以達到控制金屬漿料流速和衝刷效果，進而達到控制金屬液的形核數目、細化晶粒的效果。滑板角度及滑板形狀的設計應主要根據金屬液的粘度和流動性(主要受鐵合金的含碳量和合金元素含量的影響)而定。
滑板的傾斜角角度可在15°～75°之間調整，形狀可為直板、小S形彎曲板以及大S形彎曲板等。
根據結晶游離理論，通過將接近液相線溫度的金屬液澆在一個具有一定結晶形核能力的滑板上，由於滑板的冷卻作用使和滑板接觸的液體金屬產生大量的初生晶，這些尚未長大的初生晶在隨後的金屬液衝擊下迅速脫離滑板進入金屬液，最終獲得半固態金屬漿料。另外通過調整該滑板的傾斜角，控制金屬漿料的流速，進而可以控制金屬液的形核數目，最終會影響晶粒的細化和等軸效果。
所謂半固態金屬漿料，就是指進入金屬液槽中的、含有一定數量(約50％)細小固相晶粒的液固混合物，此時的溫度處在該金屬的液固兩相區之間。在此溫度下的漿料可直接通過壓鑄或連續鑄造獲得金屬零件或型材，也可將此漿料冷卻至室溫作為製備金屬零件的原材料。圖4就是高鉻鑄鐵半固態漿料冷卻至室溫的金相圖片。
試驗表明，若滑板的傾斜角角度小於15°金屬漿料的流速就不暢，獲得半固態金屬漿料晶粒無法達到設計的目的，而傾斜角角度大於75°由於金屬漿料的流速太快，無法使滑板的冷卻作用得以發揮作用。在本發明所要求的角度之間，才能夠實現本發明的目的。
採用含Cr25％，C4％的高鉻鑄鐵，液相線溫度1380℃，固相線溫度為1240℃進行了對比試驗研究，得到了如圖4所示的金相組織圖片，結果發現，初生相晶粒(碳化物)比傳統的普通鑄造方法所得到的金相組織圖片(見圖5)得到了明顯的細化，從圖中可以明顯看出，晶粒形態明顯呈等軸狀，趨向於球狀，其結果完全有理由相信採用本發明得到的鐵合金半固態漿料，其機械性將得到提高。
權利要求
1.一種鐵合金半固態漿料的製備方法，其特徵在於，包括以下步驟1)製備一塊具有一定結晶形核能力的滑板，該滑板具有高的導熱係數、足夠的蓄熱能力，亦可在滑板低部增設水冷系統以加強滑板對金屬液的激冷作用、並具有高溫穩定性；2)將滑板傾斜設置在金屬液槽的上方，將接近液相線溫度的金屬液澆在該滑板上，由於滑板的冷卻作用使和滑板接觸的液體金屬產生大量的初生晶，這些尚未長大的初生晶在隨後的金屬液衝擊下迅速脫離滑板進入金屬液槽，獲得半固態金屬漿料；3)調整滑板傾斜角度，改變滑板的形狀，以達到控制金屬漿料流速，進而達到控制金屬液的形核數目、細化晶粒的效果；滑板角度及滑板形狀的設計應主要根據金屬液的粘度和流動性而定。
2.如權利要求1所述的鐵合金半固態漿料的製備方法，其特徵在於，所述滑板傾斜角角度可在15°～75°之間調整。
3.如權利要求1所述的鐵合金半固態漿料的製備方法，其特徵在於，所述滑板滑板形狀可為直板、小S形彎曲板、大S形彎曲板；滑板具有耐高溫、導熱係數高、蓄熱能力強的性能特點，表面粗糙度介於 之間。
全文摘要
本發明公開了一種鐵合金半固態漿料的製備方法，根據結晶游離理論，通過將接近液相線溫度的金屬液澆在一個具有一定結晶形核能力的滑板上，由於滑板的冷卻作用使和滑板接觸的液體金屬產生大量的初生晶，這些尚未長大的初生晶在隨後的金屬液衝擊下迅速脫離滑板進入金屬液，最終獲得半固態金屬漿料。另外通過調整該滑板的傾斜角，控制金屬漿料的流速，進而可以控制金屬液的形核數目，最終會影響晶粒的細化和等軸效果。本發明的鐵合金半固態漿料的製備方法製備的半固態金屬，晶粒比傳統的鑄造方法得到明顯的細化，晶粒呈等軸狀晶分布，使金屬的抗拉強度、延伸率等性能得到明顯提高，生產效率遠超過攪拌法和應變激活法等其它方法。
文檔編號C22C33/00GK1424420SQ0214556
公開日2003年6月18日 申請日期2002年12月30日 優先權日2002年12月30日
發明者邢建東, 高義民, 皇志富 申請人:西安交通大學