專利名稱：一種鋼鐵材料半固態熔體的制備方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種鋼鐵材料半固態熔體的制備方法及裝置，適用于各種鋼鐵材料和多種有色金屬半固態熔體的制備。
背景技術：
半固態熔體是半固態成形必不可少的原料，可以用于壓鑄、擠壓、軋制或鍛造等成形方法。半固態熔體的基本要求是其中的固相為細小圓整的非枝晶，且均勻分布。由于鋼鐵材料具有枝晶生長特性，在通常條件下凝固所得固相組織主要為樹枝晶，所以，如何制備符合要求的鋼鐵材料半固態熔體是一個普遍關心的問題。
現有技術中制備半固態熔體的技術途徑主要是利用外力場或物理場、添加粉末變質劑、控制冷卻速度與加熱保溫等四種。利用外力場的方法主要是采用各種攪拌和震動技術對金屬熔體施加一個外力場，金屬熔體在外力場作用下發生強烈的對流，達到細化晶粒、抑制枝晶生長、獲得非枝晶組織的目的。這類方法在有色合金中應用較多，但對于鋼鐵材料來說，由于熔體溫度很高，凝固階段冷卻速度快，現有的利用外力場方法難以在短時間內得到合格的半固態熔體。
添加變質劑的方法是通過向合金熔體內部添加粉末變質劑，改變熔體的晶體形核條件或控制晶體生長條件達到細化晶粒的目的。這種方法的主要問題是難以得到近球形的初生固相，無法單獨作為半固態熔體的制備方法使用。
控制冷卻速度的方法是通過減緩冷卻速度促進枝晶退化實現樹枝晶向粒狀晶的轉變，進而獲得半固態熔體。這種方法在有色合金和鋼鐵材料半固態熔體制備中都可以應用，但是，生產效率低，所得組織尺寸較大，熔體的半固態成形性能難以滿足流變成形需要。
重新加熱保溫法是靠保溫過程中的組織演化來獲得鋼鐵材料半固態熔體的一類方法。它包括制坯、重新加熱和成形三個步驟。首先利用連鑄或模鑄方法獲得晶粒細小的坯料，然后將坯料重新加熱到固液共存溫度進行適當保溫，使其中的固相在保溫過程中向球形演變，得到具有較好流變性的半固態熔體或坯料，然后再在外力作用下成形。這種方法的制造成本較高，不便推廣應用。
發明內容
為解決現有技術存在的技術問題，本發明根據晶體游離理論，同時利用外力場和含有形核促進劑的特種容器制備鋼鐵材料半固態熔體，提供一種鋼鐵材料半固態熔體的制備方法及裝置。
本發明的技術方案是，一種鋼鐵材料半固態熔體的制備方法將熔煉合格的鋼鐵材料熔體以高于液相線溫度5-10℃的溫度，澆入經過預熱的特種容器內，在小于5秒的時間內施加一個或多于一個的外力場，使鋼鐵材料熔體發生劇烈運動1-10分鐘，并使其以2-10℃/min的速度被連續冷卻，得到制備的半固態熔體；所說的特種容器是指，容器的內層含有形核促進劑。
鋼鐵材料半固態熔體的制備裝置，該裝置包括盛放鋼鐵材料熔體的特種容器、安裝在特種容器外側的溫度調節裝置及攪拌器和底部振動器。
本發明的裝置中，盛放鋼鐵材料熔體的特種容器，是由含有形核促進劑的內層和由通常耐火材料制成的外層組成。
本發明提出的一種鋼鐵材料半固態熔體的制備方法，包括如下步驟第一步，將熔煉合格的鋼鐵材料熔體以高于液相線溫度5-10℃的溫度澆入經過預熱的盛放鋼鐵材料熔體的特種容器內。所說的預熱，其預熱溫度范圍從合金固相線以下100℃至合金固相線溫度，其目的在于防止鋼鐵材料熔體澆入容器后溫度過低，在容器內壁形成完整的凝固殼破壞或減弱特種容器促進鋼鐵材料熔體形核和晶體游離的作用；其目的或者在于防止溫度過高，合金熔體不能發生凝固，其特種容器促進鋼鐵材料熔體形核的作用無法發揮。所說的特種容器由含有形核促進劑的內層和外層組成。它既具有促進鋼鐵材料熔體形核功能，又有較強的抵抗高溫鋼鐵材料熔體沖刷和侵蝕的能力。所說特種容器的內層由70-90％的耐火材料粉末、3-6％的粘結劑和7-25％的形核促進劑混合均勻后燒結成型襯在外層內或制成糊狀涂刷在外層內壁上，內層的厚度0.2-50mm。所說的內層中含有的形核促進劑是稀土氧化物、鈦氧化物、釩氧化物和鍶鹽等一種或兩種以上的混合物。厚度小于5mm時，采取涂刷的方法將內層涂在外層的內壁上。厚度大于5mm時，采用不定形耐火材料的通常成形方法燒結成形后，襯在特種容器的外層內。特種容器的外層由不定形耐火材料經混合、壓制和燒結而成，主要起提高容器整體強度和保護內層的作用。內外兩層之間緊密接觸。
所說的將熔煉合格的鋼鐵材料熔體以高于液相線溫度5-10℃的溫度澆入經過預熱的內層含有形核促進劑的容器，目的在于保證特種容器內層的內壁上能夠形成細小晶核，而且保證特種容器內的合金熔體溫度在合金液相線溫度和固相線溫度之間。
第二步，鋼鐵材料熔體澆入特種容器后，在小于5秒的時間內對鋼鐵合金熔體施加一個或一個以上的外力場1-10分鐘，使熔體發生強烈的對流運動。所說的外力場主要包括攪拌力場和振動力場中的一種或一種以上。攪拌力場可以是現有技術中的機械攪拌力場，也可以是現有技術中的電磁攪拌力場。作用在熔體上的攪拌力不小于4×105N/m3，攪拌頻率200-3000次/分。這種攪拌作用，使特種容器內壁上形成的微小晶體不斷被剝落進入熔體內部，充當熔體內部的結晶核心，固相分數的增加主要靠結晶核心的增多，而不是靠晶體的長大，從而促進特種容器內的熔體按非枝晶方式凝固成細小粒狀晶。所說的振動力場可以是現有技術中的機械振動力或其他振動源產生的振動力場，作用在熔體上的振動力不小于1×104N/m3，振動頻率50-1000次/分，振動幅度1-5mm。這種振動力場在熔體內形成了溫度、成分和流動的周期性擾動，促進特種容器內壁上的晶體游離和進入熔體內部的游離晶的球形化。
第三步，在第二步所說的攪拌或振動的同時，鋼鐵材料熔體的熱量通過特種容器連續不斷地傳出而使鋼鐵材料熔體得到連續冷卻，熔體中的固相不斷增多。所說的連續冷卻，其速度通過安裝在特種容器外壁上的溫度調節裝置在2-10℃/min范圍內調節。所說的溫度調節裝置同時具有冷卻和加熱的兩種功能。熔體冷速過大時，啟動加熱功能進行加熱；熔體冷速過小時，啟動冷卻功能進行冷卻。這一溫度調節裝置可以保證熔體內部橫向溫度梯度小于1℃/cm，縱向溫度梯度小于1.5℃/cm。這種低的溫度梯度可以避免逐層凝固，防止枝晶生長，促進粒狀晶形成。
第四步，制備合格的半固態熔體通過特種容器的澆注口澆入模具型腔，直接進行半固態流變成形或澆入錠模鑄造成錠后供半固態觸變成形使用。所說的制備合格的半固態熔體，其中的固相分數在20-60％范圍，固相顆粒平均尺寸小于80μm，金相顯微鏡下看到的形狀主要是顆粒狀和短條狀的粒狀晶，也有不超過30％的薔薇花瓣狀的退化枝晶。
本發明的有益效果是(1)制備速度快由于同時采用了含有形核促進劑的特種容器與外力場作用，特種容器內壁成了結晶核心源，不斷地形成微小晶體，并在外力場作用下不斷被剝離，進入熔體內部，導致形核率大幅度提高，半固態熔體的制備速度也相應地得到明顯提高。制備時間比現有技術中電磁攪拌法縮短一倍以上。
(2)半固態熔體質量好由于熔體內部溫度梯度最大只有1.5℃/cm，從特種容器的內壁上剝離形成的游離晶在熔體內部的生長速度緩慢，加之外力場造成的對流作用使固相顆粒產生自旋運動，使游離晶的枝晶生長特性得到有效遏止。所以，所得半固態熔體內初生固相以近球形的粒狀晶為主，尺寸細小，分布均勻，不經過重新加熱和保溫處理就可以直接進行半固態成形。
(3)適用范圍廣本方法通過調整工藝參數和更換特種容器的材料，可以用來進行液相線溫度低于1530℃的多種材料的半固態熔體制備。通過更換特種容器內層的形核促進劑材料，可以適應各種材質的鋼鐵材料半固態熔體制備的需要。通過更換特種容器的尺寸和調整外力場大小，可以適應各種體積的半固態熔體制備需要。所以，本發明具有廣泛的適用性。
(4)控制方便通過控制安裝在特種容器外的電磁攪拌器或振動器以及溫度調節裝置可以方便地調節熔體的攪拌力場或振動力場的大小、方向以及熔體的冷卻速度，達到控制半固態熔體質量的目的。因此，本發明便于實現自動控制，可以適應規模生產。
圖1鋼鐵材料半固態熔體的裝置主視中鋼鐵材料熔體1、內層2、外層3、攪拌器4、溫度調節裝置5、澆口塞6、振動器具體實施方式
結合附圖對本發明作進一步說明。
鋼鐵材料半固態熔體的制備裝置如圖1。該裝置包括盛放鋼鐵材料熔體1的特種容器、安裝在特種容器外側的溫度調節裝置5及攪拌器4和底部振動器7。
鋼鐵材料熔體1被盛放在特種容器內，攪拌器4和振動器7分別或同時產生使熔體1運動的攪拌力場和振動力場，促進特種容器內壁上形成的晶體的游離和游離晶的球形化。安裝在特種容器外側的溫度調節裝置5調節熔體1的冷卻速度和熔體內部的溫度梯度，抑制枝晶生長。打開澆口塞6，將制備合格的半固態熔體澆入錠模鑄錠后供觸變成形用或澆入成形模具內進行流變成形。
盛放鋼鐵材料熔體1的特種容器由含有形核促進劑的內層2和由通常耐火材料制成的外層3組成。
制備方法一用中頻感應電爐熔煉ZG40Mn。特種容器的內層2包括80％的耐火材料粉末、6％的粘結劑和14％的形核促進劑混合均勻后，制成糊狀涂刷在外層3的內壁上，厚度3mm。其中所含的形核促進劑是稀土氧化物。在熔煉合金的同時，將特種容器預熱至1400℃，并保溫40分鐘。合金熔煉合格后，以1505℃的溫度澆入特種容器后3秒內，以2500次/分的速度對熔體進行水平電磁攪拌。攪拌力場為6×105N/m3。攪拌過程中，熔體的冷卻速度控制在8-9℃/min的范圍，橫向溫度梯度0.8℃/cm，縱向溫度梯度0.5℃/cm。攪拌3分鐘后打開特種容器底部的澆注口，將半固態熔體直接澆入擠壓鑄造型腔，進行半固態擠壓鑄造。所得鑄件的組織中初生相以近球形的粒狀為主，體積分數約50％，平均直徑30μm，可以進行流變成形。
制備方法二用中頻感應電爐熔煉ZG45。在熔煉合金的同時，特種容器的內層2包括90％的耐火材料粉末、5％的粘結劑和5％的形核促進劑混合均勻后，燒結成型，襯在外層3的內壁上，厚度15mm。其中的形核促進劑是釩、鈦氧化物粉末。特種容器預熱至1390℃，保溫20分鐘。合金熔煉合格后，以1500℃的溫度澆入特種容器內，并以300次/分的頻率、2mm的振幅對熔體施加一個振動力場，力場為4×104N/m3。振動過程中，熔體的冷卻速度控制在3-5℃/min的范圍，橫向溫度梯度0.6℃/cm，縱向溫度梯度1.0℃/cm。振動5分鐘后打開特種容器底部的澆口塞6，將半固態熔體直接澆入壓鑄模具型腔，進行壓力鑄造成形。鑄件組織中非枝晶相以近球形的粒狀為主，體積分數約45％，平均直徑35μm，可以進行流變成形。
權利要求
1.一種鋼鐵材料半固態熔體的制備方法，其特征在于，該方法是將熔煉合格的鋼鐵材料熔體以高于液相線溫度5-10℃的溫度，澆入經過預熱的特種容器內，在小于5秒的時間內施加一個或多于一個的外力場，使鋼鐵材料熔體發生劇烈運動1-10分鐘，并使其以2-10℃/min的速度被連續冷卻，得到制備的半固態熔體；所說的特種容器是指容器的內層含有形核促進劑。
2.根據權利要求1所述的一種鋼鐵材料半固態熔體的制備方法，其特征在于施加的外力場是攪拌力場和振動力場中的一種或一種以上，攪拌力場強度不小于4×105N/m3，攪拌頻率不低于200次/分；振動力場強度不小于1×104N/m3，振動頻率不低于50次/分，振動幅度1-5mm。
3.根據權利要求1所述的一種鋼鐵材料半固態熔體的制備方法，其特征在于，盛放材料熔體(1)的特種容器被預熱的溫度范圍為合金固相線溫度以下100℃至合金固相線溫度。
4.一種鋼鐵材料半固態熔體的制備裝置，其裝置包括盛放鋼鐵材料熔體(1)的特種容器、安裝在特種容器外側的溫度調節裝置(5)及攪拌器(4)和底部振動器(7)，其特征是盛放鋼鐵材料熔體(1)的特種容器的內層(2)含有稀土氧化物、鈦氧化物、釩氧化物、鍶鹽一種或兩種以上混合物的形核促進劑。
5.根據權利要求4所述的一種鋼鐵材料半固態熔體的制備裝置，其特征在于含有形核促進劑的內層(2)由70-90％的耐火材料粉末、3-6％的粘結劑和7-25％的形核促進劑混合均勻后燒結成型襯在外層內或制成糊狀涂刷在外層內壁上，內層(2)的厚度0.2-50mm。
全文摘要
一種鋼鐵材料半固態熔體的制備方法及裝置，其裝置包括盛放鋼鐵材料熔體(1)的特種容器、安裝在其外側的溫度調節裝置(5)及攪拌器(4)和底部振動器(7)。盛放鋼鐵材料熔體(1)的特種容器的內層(2)含有形核促進劑。其方法的步驟將熔煉合格的鋼鐵材料熔體(1)以高于液相線溫度5－10℃澆入經預熱的特種容器內，然后對鋼鐵材料熔體施加一個攪拌力或振動力，進行強烈攪拌或振動1－10分鐘后，得到合格的半固態熔體，供半固態流變成形或鑄錠后半固態觸變成形使用。該方法稱為晶體游離法，適用于各種鋼鐵材料和有色合金，其突出優點是制備速度快、半固態熔體質量好、控制方便、可以用于大體積半固態熔體的制備。
文檔編號B22D17/30GK1480275SQ03153400
公開日2004年3月10日 申請日期2003年8月8日 優先權日2003年8月8日
發明者邢書明, 張勵忠, 張鵬, 劉漢武, 杜云慧 申請人:北京交通大學