本发明涉及金属材料加工技术领域，尤其涉及高压快冷制备金属材料的方法及装置。
背景技术：
金属制品(如铸锭、铸件等产品)的质量直接取决于金属熔体的质量，因此在金属材料的加工过程中，金属熔体的成形工艺以及处理方法就显得尤为重要。挤压铸造成形工艺与其他铸造成形方法相比，所得到的铸件组织具有均匀致密、力学性能优良、表面光洁度和尺寸精度高等优点，因此被广泛应用于机械、汽车、家电、航空、航天、国防等领域。
快速冷却的方法可以使金属材料以较快的速度发生凝固，研究表明，提高冷却速度，加快合金的凝固速率可以使合金在非平衡条件下凝固，从而引起合金的组织和结构发生以下几点变化：(1)扩大合金的固溶极限；(2)获得更细的晶粒度；(3)减少合金中的偏析；(4)形成亚稳相；(5)减小枝晶间距。与在平衡条件下凝固的合金相比，它们具有更好的力学性能等其他优异的性能。
传统挤压铸造集中于在不超过0.2gpa比压和金属熔体冷却条件(1～5k/s)下对金属材料进行成形，而在0.2～1.0gpa比压范围内挤压并同时以10k/s以上的冷却速度进行快速冷却，则处于极少被涉及的领域，开展该类研究工作对提升金属材料质量具有广阔的空间。
技术实现要素：
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种高压快冷制备金属材料的方法，能达到对金属熔体的挤压比压为0.2～1.0gpa，冷却速度≥10k/s，实现高压和快冷二者耦合条件下的铸件成型，获得高性能铸件；
本发明的第二目的在于提供另一种高压快冷制备金属材料的方法，能达到对金属熔体的挤压比压为0.2～1.0gpa，并在金属熔体凝固成形后对高温金属固体进行淬火，冷却速度≥1000k/s，获得高性能铸件；
本发明的第三目的在于一种高压快冷制备金属材料的设备，该设备不仅能实现高压和快冷二者耦合条件下的铸件成形，还可以实现高压挤压后立即进行淬火条件下的铸件成形，最终获得高性能铸件，并为开发高性能铸造金属材料提供试验平台。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高压快冷制备金属材料的方法，包括以下步骤：
(1)开启保温加热器，预热模具型腔，使模具型腔的温度达到设定值；
(2)将金属熔体加热至预设温度后，浇入模具型腔中；
(3)液压机的冲头以设定的挤压速度向金属熔体施加压力，同时，开启位于模具型腔下方的水冷系统，对金属熔体冷却。
该金属材料的制备方法能达到对金属熔体的挤压比压为0.2～1.0gpa，冷却速度≥10k/s。
进一步的是：一种高压快冷制备金属材料的方法还包括以下步骤：
(4)在对金属熔体实施挤压与冷却的同时开启数据采集器，采集金属熔体实时的压力参数与温度参数，并将所得参数传输至信号处理器，得到压力与时间的关系曲线和温度与时间的关系曲线。实验全程通过数据采集器采集器温度参数、压力参数并进行数据处理，为后续的实验搭建了平台，奠定了基础。
进一步的是：所述步骤(2)中，金属熔体的预设温度为液相线以上10～100℃的温度范围；所述步骤(3)中，冲头挤压金属熔体的挤压比压为0.2～1.0gpa；金属熔体的冷却速度≥10k/s。
一种高压快冷制备金属材料的方法，包括以下步骤：
(1)开启保温加热器，预热模具型腔，使模具型腔的温度达到设定值；
(2)将金属熔体加热至预设温度后，浇入模具型腔中；
(3)液压机的冲头以设定的挤压速度向金属熔体施加压力；同时，开启数据采集器，采集金属熔体实时的压力参数与温度参数，并将所得参数传输至信号处理器，得到压力与时间的关系曲线和温度与时间的关系曲线；
(4)从信号处理器中可知金属熔体的实时温度，当温度下降到预设的淬火温度时(该温度下金属熔体已经全部凝固为金属固体)，抽出位于模具型腔下端的活动挡块，并启动液压机的冲头，冲头将模具型腔中的高温金属固体挤出模具型腔，金属固体落入位于模具型腔正下方的淬火池中，实现金属冷却。该制备方法能达到对金属熔体的挤压比压为0.2～1.0gpa，冷却速度≥1000k/s。
一种高压快冷制备金属材料的设备，包括模具架、模具型腔、保温加热器、液压机的冲头、活动挡块、水冷系统、淬火系统、滚珠支撑机构和数据采集器，模具型腔安装在模具架上，保温加热器设置在模具型腔的腔壁内部，金属熔体置于模具型腔中，冲头设于模具型腔上方，水冷系统设于活动挡块内部，活动挡块设于模具型腔的下端，活动挡块下端的两侧设有滚珠支撑机构，滚珠支撑机构安装在模具架上，淬火系统设于活动挡块下方，数据采集器与模具型腔的内侧面相接。该装置能实现上述两种金属材料的制备方法。
进一步的是：活动挡块由导热上板和承载下板拼合而成，导热上板为铜合金板，承载下板为h13钢板，导热上板和承载下板的相接触部分设有沟槽，水冷系统置于沟槽内。活动挡块可以支撑金属熔体，同时置于活动挡块内的水冷系统通过导热上板可以冷却金属熔体。
进一步的是：水冷系统包括冷却水循环通道和板式水冷换热器，冷却水循环通道的进水口和出水口分别与板式水冷换热器连接，冷却水循环通道和板式水冷换热器嵌于导热上板和承载下板之间。
进一步的是：淬火系统包括淬火池和淬火池内部盛放的冷却介质，淬火池设于模具型腔的正下方。抽出活动挡块，高温金属固体直接快速落入淬火池中。该淬火系统可实现在比传统挤压铸造更高的压力下直接淬火，缩短了铸件后续固溶处理的重新加热，是一种短流程成形工艺，有利于节能。
进一步的是：滚珠支撑机构包括带沟槽的钢板和若干钢珠，钢珠置于钢板的沟槽内，活动挡块下端的两侧均设有滚珠支撑机构。
进一步的是：数据采集器包括压力传感器、温度传感器和信号处理器，模具型腔的腔壁开有压力数据采集通道和温度数据采集通道，压力传感器和温度传感器分别设于对应的数据采集通道内，压力传感器和温度传感器均与信号处理器信号连接。
总的说来，本发明具有如下优点：
本发明制备金属材料的方法工艺简单，可根据实际需要对金属熔体实施0.2gpa～1.0gpa比压的挤压，实现高压和快冷二者耦合条件下的铸件成型，获得不同于传统铸造条件下的高性能铸件。
本发明制备金属材料的设备，可为开发高性能铸造金属材料提供试验平台。
本发明通过金属熔体实施0.2～1.0gpa比压挤压的同时实现快速冷却，利用二者对金属熔体凝固组织的作用是互补和耦合增强的关系，改善金属材料的组织形态和性能，获得不同于传统铸造条件下的高性能铸件。同时在实验全程通过数据采集器采集温度参数、压力参数并进行数据处理，为后续的实验搭建了平台，奠定了基础。
本发明的水冷系统可以在金属熔体受到高压挤压的同时对其进行快速冷却。
本发明的淬火系统可实现在比传统挤压铸造更高的压力下直接淬火，缩短了铸件后续固溶处理的重新加热，是一种短流程成形工艺，有利于节能。
数据采集器不仅可以全程采集温度参数与压力参数，同时也可以配合淬火系统，在金属材料下降到某一温度时，立即抽出活动挡块，用液压机冲头挤出高温金属固体进行淬火，保留金属材料在特定温度下的相与组织，为后续的实验分析提供丰富的数据。
本的设备结构简单，容易在传统立式挤压铸造装备上进行改造，易于推广，应用前景广阔。
附图说明
图1是本发明设备的结构示意图。
其中，1为模具型腔，2为保温加热器，3为液压机的冲头，4为金属熔体，5为活动挡块的导热上板，6为活动挡块的承载下板，7为水冷系统，8为淬火系统，9为滚珠支撑机构，10为模具架，11为数据采集器。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。
实施例1
本实施例一种高压快冷制备金属材料的方法，包括以下步骤：
(1)开启保温加热器，预热挤压铸造设备的模具型腔，使模具型腔的温度达到设定值，模具型腔的内侧采用涂料润滑；
(2)将金属熔体加热至预设温度后，快速浇入模具型腔中；
其中，金属熔体的预设温度为液相线以上10～100℃的温度范围；
(3)液压机的冲头以设定的挤压速度向金属熔体快速施加压力，同时，开启位于模具型腔下方的水冷系统，对金属熔体快速冷却，冷却速度≥10k/s；
水冷系统包括冷却水循环通道和板式水冷换热器，冷却水循环通道的进水口和出水口分别与板式水冷换热器连接，冷却水循环通道和板式水冷换热器嵌于活动挡块内，活动挡块包括拼合而成的导热上板和承载下板，即水冷系统的所有部分均嵌于活动挡块的导热上板和承载下板之间。水冷系统的冷却方式为将进水口接上输水管，出水口接上排水管，使冷却水持续通过冷却水循环通道，即可实现对金属熔体的快速冷却。
其中，液压机的冲头由上至下向金属熔体施加压力，冲头的压力由3150kn四柱液压机提供，冲头直接与金属熔体相接触，挤压比压为0.2～1.0gpa，大于传统的挤压铸造的挤压比压(传统的挤压铸造的挤压比压大多不超过0.2gpa)，本发明所说的高压是相对传统挤压铸造的挤压比压而言的，传统挤压铸造的挤压比压大多不超过0.2gpa；
(4)在对金属熔体实施挤压与快速冷却的同时开启数据采集器，采集金属熔体实时的压力参数与温度参数，并将所得参数传输至信号处理器，得到压力与时间的关系曲线和温度与时间的关系曲线。
实施例2
本实施例一种高压快冷制备金属材料的方法，包括以下步骤：
(1)开启保温加热器，预热挤压铸造设备的模具型腔，使模具型腔的温度达到设定值，模具型腔的内侧采用涂料润滑；
(2)将金属熔体加热至预设温度后，快速浇入模具型腔中；
其中，金属熔体的预设温度为液相线以上10～100℃的温度范围；
(3)液压机的冲头以设定的挤压速度向金属熔体快速施加压力；同时，开启数据采集器，采集金属熔体实时的压力参数与温度参数，并将所得参数传输至信号处理器，得到压力与时间的关系曲线和温度与时间的关系曲线；
其中，液压机的冲头由上至下向金属熔体施加压力，冲头的压力由3150kn四柱液压机提供，冲头直接与金属熔体相接触，挤压比压为0.2～1.0gpa；
(4)从信号处理器中可知金属熔体的实时温度，当温度下降到预设的淬火温度时(该温度下金属熔体已经全部凝固为金属固体)，立即抽出位于模具型腔下端的活动挡块，并快速启动液压机的冲头，冲头将模具型腔中的高温金属固体挤出模具型腔，金属固体落入位于模具型腔正下方的淬火池中，实现快速冷却金属固体，冷却速度≥1000k/s。
实施例3
本实施例的高压快冷制备金属材料的设备用于实现实施例1和实施例2的金属材料的高压快冷制备方法，如图1所示，本实施例的设备包括模具架、模具型腔、保温加热器、液压机的冲头、活动挡块、水冷系统、淬火系统、滚珠支撑机构和数据采集器，模具型腔安装在模具架上，保温加热器设置在模具型腔的腔壁内部，金属熔体置于模具型腔中，冲头设于模具型腔上方，水冷系统设于活动挡块内部，活动挡块设于模具型腔的下端，活动挡块的上端与模具型腔的下端紧密结合，滚珠支撑机构安装在模具架上，滚珠支撑机构有两个，分别位于活动挡块下端的两侧(即图1中活动挡块下端的左右两侧)，活动挡块可以相对滚珠支撑机构滑动，淬火系统设于活动挡块下方，数据采集器与模具型腔的内侧面相接。
活动挡块由导热上板和承载下板拼合而成，导热上板为高强高导热的铜合金板，承载下板为h13钢板，强硬度很高，可承载高压，导热上板和承载下板的相接触部分通过数控机床(cnc)加工出沟槽，水冷系统置于沟槽内。
水冷系统包括冷却水循环通道和板式水冷换热器，冷却水循环通道的进水口和出水口分别与板式水冷换热器连接，冷却水循环通道和板式水冷换热器嵌于活动挡块内，即水冷系统的所有部分均嵌于活动挡块的导热上板和承载下板之间。水冷系统的冷却方式为将进水口接上输水管，出水口接上排水管，在冲头挤压金属熔体时，活动挡块承载着金属熔体，此时使冷却水持续通过冷却水循环通道，通过导热上板即可实现对金属熔体的快速冷却，实现金属熔体的冷却速度≥10k/s，该冷却方式的冷却速度大于传统的冷却速度(1～5k/s)，本发明所说的快冷是相对传统金属模铸造模冷的冷却速度而言的，传统金属模铸造模冷的冷却速度为1～5k/s。
淬火系统包括淬火池和淬火池内部盛放的冷却介质，淬火池设于模具型腔的正下方。
滚珠支撑机构包括带沟槽的钢板和若干gcr15钢珠，钢珠置于钢板的沟槽内，沟槽内凡是与钢珠接触的面均已被抛光，承载下板下端的两侧均设有滚珠支撑机构，滚珠支撑机构与承载下板紧密接触，活动挡块可相对滚珠支撑机构滑动，钢珠可使得抽出活动挡块更为容易。当需要使用淬火系统时，抽出活动挡块，冲头向下挤压金属固体，金属固体被挤出模具型腔后，落入淬火池中，从而对金属固体快速冷却，冷却速度≥1000k/s。
数据采集器包括压力传感器、温度传感器和信号处理器，模具型腔的腔壁开有压力数据采集通道和温度数据采集通道，压力传感器和温度传感器分别设于对应的数据采集通道内，压力传感器和温度传感器可采集模具型腔内侧面的压力参数和温度参数，压力传感器和温度传感器均通与信号处理器信号连接，压力传感器和温度传感器采集的相关参数传输给信号处理器，然后由信号处理器处理，得到压力与时间的关系曲线和温度与时间的关系曲线。
水冷系统和淬火系统可以满足不同冷却速度的需要：当需要以≥10k/s的冷却速度对金属熔体冷却时，则采用水冷系统进行快速冷却，同时数据采集器在模具型腔内侧面上采集相应的实验数据；当需要以≥1000k/s以上的冷却速度对高温金属固体冷却时，由信号处理器可知金属熔体的实时温度，当温度下降到预设的淬火温度时(该温度下金属熔体已经全部凝固为金属固体)，则立即抽出位于模具型腔下端的活动挡块，启动液压机的冲头将模具型腔中的高温金属固体挤入淬火池，采用淬火系统进行冷却。
本发明的设备，通过对金属熔体施加较高的压力，可以在挤压的同时采用水冷系统进行冷却，也可以在金属熔体完全凝固成固体后通过液压机冲头将高温金属固体挤入淬火系统中对高温金属固体进行冷却，改善金属材料的组织形态和性能，获得不同于传统铸造条件下的高性能铸件；同时，在实验的整个过程中，通过数据采集器采集其温度参数、压力参数，为后续的实验搭建了平台，奠定了基础。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。