专利名称：一种铁合金半固态浆料的制备方法
技术领域：
本发明属于材料加工及制备技术领域，具体涉及在材料加工过程中获得的一种铁合金半固态金属浆料的制备方法。
金属半固态成形技术的关键之一是半固态浆料的制备。目前制备半固态浆料的方法有多种，如(机械、电磁)搅拌法，应变激活法，超声波搅动法、化学晶粒细化法、形变热处理法等，其中只有机械搅拌法(示意图见
图1)、电磁搅拌法(示意图见图2)、应变激活法在工业中初步得到应用，而其它方法还处于实验室研究阶段。
机械搅拌法和电磁搅拌法的共同点为通过强烈的搅拌作用使得从液体金属中结晶出来的固相被打碎，从而得到含有大量固相颗粒的半固态浆料。其一般的工艺过程为1.熔炼符合成分要求的金属液体；2.将液体放入搅拌容器中；3.进行搅拌并控制温度；4.当液体到达所确定的半固态温度后停止搅拌；5.凝固成形，获得半固态坯料或直接成形为部件。目前机械搅拌法大多用于熔点较低的有色金属(如铝合金、镁合金等)的半固态成形，电磁搅拌法多用于一些熔点较高的黑色金属的半固态成形研究，该技术是为克服机械搅拌带来的不利影响而研发的。应变激活法是预先连续铸造晶粒细小的金属锭，再将其热态挤压到20％左右的变形，在组织中预先储存部分变形能量，最后按需要将变形后的金属锭分切成一定大小，加热到半固态坯料。这三种方法还是不能走入规模化工业生产，生产效率和产品质量与欧美国家还有较大差距。到目前为止，我国还没有生产半固态铸锭坯料的厂家。
目前工业中使用的三种方法都存在着走入规模化生产的不利因素，就搅拌技术而言，获得半固态浆料的主要原理为机械破碎，通过强烈的搅拌使得结晶出的固相被打碎得到细化的晶粒，因而需要一套较复杂的搅拌系统。机械搅拌法虽然搅拌设备简单，但操作困难，搅拌棒污染合金，带入浆料中的气体、杂质不易排出，直接影响到铸造浆料的质量及生产效率。另外对熔点较高的金属(如黑色金属)搅拌来说，由于部分搅拌装置的部件(如搅拌叶片等)必须与半固态金属浆料直接接触，因而部件的材料要求苛刻，且使用寿命较低，从而提高了生产成本，对于规模化的生产根本无法适应。电磁搅拌技术虽可达到部件与金属液体的无接触，但由于电磁线圈的隔热、电磁力以及控制等方面的问题，目前仅在实验中使用，而无法实现大规模的工业应用。这也就是目前国内外半固态生产技术只局限于熔点较低的有色合金的原因。电磁搅拌法的优点是不会污染金属浆料，也不会卷入气体，电磁参数控制方便灵活，缺点是设备投资大，工艺复杂，能耗高从而导致成本较高，对于熔点较高的黑色金属来说，对设备的冷却系统要求也是相当高的，另外由于“集肤效应”现象，生产的铸锭坯料尺寸受到制约，实现规模化工业生产的难度较大。应变激活法制备的金属坯料纯净、产量大，但是由于增加一道预变形工序，不仅使成本提高而且使坯料尺寸受到限制，从而也不利于规模化工业生产。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是，一种铁合金半固态浆料的制备方法，包括以下步骤1)制备一块具有一定结晶形核能力的滑板，该滑板具有高的导热系数、足够的蓄热能力，亦可在滑板低部增设水冷系统以加强滑板对金属液的激冷作用)、并具有高温稳定性。
2)将滑板倾斜设置在金属液槽的上方，将接近液相线温度的金属液浇在该滑板上，由于滑板的冷却作用使和滑板接触的液体金属产生大量的初生晶，这些尚未长大的初生晶在随后的金属液冲击下迅速脱离滑板进入金属液槽，获得半固态金属浆料。
3)调整滑板倾斜角度，改变滑板的形状，以达到控制金属浆料流速，进而达到控制金属液的形核数目、细化晶粒的效果；滑板角度及滑板形状的设计应主要根据金属液的粘度和流动性而定。
所述滑板倾斜角角度可在15°～75°之间调整。
所述滑板滑板形状可为直板、小S形弯曲板、大S形弯曲板、或其它的弯曲形式；滑板具有耐高温、导热系数高、蓄热能力强的性能特点，表面粗糙度介于 之间。
本发明根据结晶游离理论，由于原理上的不同，使得本发明与现有技术相比具有以下特点1.装置简单，极易实现产业化；2.不受金属熔点的限制，可适用于任何金属特别是工业上量大面广的黑色金属；3.可连续获得半固态的金属浆料，特别适用于连续生产。
本发明的铁合金半固态浆料的制备方法制备的半固态金属，晶粒比传统的铸造方法得到明显的细化，晶粒呈等轴状晶分布，使金属的抗拉强度、延伸率等性能得到明显提高，生产效率远超过搅拌法和应变激活法等其它方法，达到了预期的效果。
图2是电磁搅拌法示意图；图中的符号分别表示的是，1阀门；2冷却水；3喷水机；4保护气管；5热电偶；6电阻丝；7坩埚；8搅拌线圈；9外壳；10铁芯；11支架；12底板；13盖板。
图3是本发明的铁合金半固态浆料的制备方法示意图。
图4是采用本发明所得到的金相组织图片。
图5是普通铸造所得到的金相组织图片。
参见图3.依照本发明的技术方案，1)制备一块具有一定结晶形核能力的滑板，该滑板应具有高的导热系数、足够的蓄热能力(亦可在滑板低部增设水冷系统以加强滑板对金属液的激冷作用)、一定的高温稳定性、一定的表面粗糙度 等性能特点。
2)将滑板倾斜设置在金属液槽的上方，将接近液相线温度的金属液浇在该滑板上，由于滑板的冷却作用使和滑板接触的液体金属产生大量的初生晶，这些尚未长大的初生晶在随后的金属液冲击下迅速脱离滑板进入金属液槽，获得半固态金属浆料。
3)调整滑板倾斜角度，或改变滑板的形状(直板或弯曲板、S形板等)，以达到控制金属浆料流速和冲刷效果，进而达到控制金属液的形核数目、细化晶粒的效果。滑板角度及滑板形状的设计应主要根据金属液的粘度和流动性(主要受铁合金的含碳量和合金元素含量的影响)而定。
滑板的倾斜角角度可在15°～75°之间调整，形状可为直板、小S形弯曲板以及大S形弯曲板等。
根据结晶游离理论，通过将接近液相线温度的金属液浇在一个具有一定结晶形核能力的滑板上，由于滑板的冷却作用使和滑板接触的液体金属产生大量的初生晶，这些尚未长大的初生晶在随后的金属液冲击下迅速脱离滑板进入金属液，最终获得半固态金属浆料。另外通过调整该滑板的倾斜角，控制金属浆料的流速，进而可以控制金属液的形核数目，最终会影响晶粒的细化和等轴效果。
所谓半固态金属浆料，就是指进入金属液槽中的、含有一定数量(约50％)细小固相晶粒的液固混合物，此时的温度处在该金属的液固两相区之间。在此温度下的浆料可直接通过压铸或连续铸造获得金属零件或型材，也可将此浆料冷却至室温作为制备金属零件的原材料。图4就是高铬铸铁半固态浆料冷却至室温的金相图片。
试验表明，若滑板的倾斜角角度小于15°金属浆料的流速就不畅，获得半固态金属浆料晶粒无法达到设计的目的，而倾斜角角度大于75°由于金属浆料的流速太快，无法使滑板的冷却作用得以发挥作用。在本发明所要求的角度之间，才能够实现本发明的目的。
采用含Cr25％，C4％的高铬铸铁，液相线温度1380℃，固相线温度为1240℃进行了对比试验研究，得到了如图4所示的金相组织图片，结果发现，初生相晶粒(碳化物)比传统的普通铸造方法所得到的金相组织图片(见图5)得到了明显的细化，从图中可以明显看出，晶粒形态明显呈等轴状，趋向于球状，其结果完全有理由相信采用本发明得到的铁合金半固态浆料，其机械性将得到提高。
权利要求
1.一种铁合金半固态浆料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤1)制备一块具有一定结晶形核能力的滑板，该滑板具有高的导热系数、足够的蓄热能力，亦可在滑板低部增设水冷系统以加强滑板对金属液的激冷作用、并具有高温稳定性；2)将滑板倾斜设置在金属液槽的上方，将接近液相线温度的金属液浇在该滑板上，由于滑板的冷却作用使和滑板接触的液体金属产生大量的初生晶，这些尚未长大的初生晶在随后的金属液冲击下迅速脱离滑板进入金属液槽，获得半固态金属浆料；3)调整滑板倾斜角度，改变滑板的形状，以达到控制金属浆料流速，进而达到控制金属液的形核数目、细化晶粒的效果；滑板角度及滑板形状的设计应主要根据金属液的粘度和流动性而定。
2.如权利要求1所述的铁合金半固态浆料的制备方法，其特征在于，所述滑板倾斜角角度可在15°～75°之间调整。
3.如权利要求1所述的铁合金半固态浆料的制备方法，其特征在于，所述滑板滑板形状可为直板、小S形弯曲板、大S形弯曲板；滑板具有耐高温、导热系数高、蓄热能力强的性能特点，表面粗糙度介于 之间。
全文摘要
本发明公开了一种铁合金半固态浆料的制备方法，根据结晶游离理论，通过将接近液相线温度的金属液浇在一个具有一定结晶形核能力的滑板上，由于滑板的冷却作用使和滑板接触的液体金属产生大量的初生晶，这些尚未长大的初生晶在随后的金属液冲击下迅速脱离滑板进入金属液，最终获得半固态金属浆料。另外通过调整该滑板的倾斜角，控制金属浆料的流速，进而可以控制金属液的形核数目，最终会影响晶粒的细化和等轴效果。本发明的铁合金半固态浆料的制备方法制备的半固态金属，晶粒比传统的铸造方法得到明显的细化，晶粒呈等轴状晶分布，使金属的抗拉强度、延伸率等性能得到明显提高，生产效率远超过搅拌法和应变激活法等其它方法。
文档编号C22C33/00GK1424420SQ0214556
公开日2003年6月18日 申请日期2002年12月30日 优先权日2002年12月30日
发明者邢建东, 高义民, 皇志富 申请人:西安交通大学