一种泡沫金属铸锭的铸造设备及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉属于冶金铸造技术领域，尤其涉及一种泡沫金属铸锭的铸造设备及方法。
【背景技术】
[0002]在现代科学技术、现代工程、现代交通、现代航空航天和现代国防领域，密实金属结构材料一直占有绝对的统治地位。在自然界，多孔材料则是分布最广、使用历史最悠久的材料，人类和动物的骨骼，广泛分布的花草树木等，是应用最成功的多孔材料。
[0003]与多孔材料相比，密实金属结构材料密度大、比强度低，制备同样体积的工件和结构件，其原料消耗和结构重量往往是多孔材料的几倍、甚至几十倍。仅以我国为例，每年需要生产5-6亿吨钢铁、3500万吨的铝合金作为各类工程结构原材料使用，原料消耗巨大、生产成本极高。
[0004]在现代交通运输领域，密实金属结构材料长期是各类交通工具的主体结构材料，带来的问题是，车辆自重大，运行成本高，能量有效利用率极低。一辆自重100kg的自驾车(家用小轿车)，实际运行的载荷重量往往不超过200kg，用于有效载荷的能量消耗不足18%。一节自重60t的铁路货车车皮，有效载货重量仅为60t，用于有效载荷的能量消耗不足50%。一辆自重4t的卡车，有效载货量约为8t，用于有效载荷的能量消耗不足60%。
[0005]在现代航空航天领域，现代战机的和航天火箭的有效能量利用率极低。以当前美国F22猛禽战机为例，全备起飞重量超过35t，有效载弹量仅为2.27t，用于有效载荷的能量消耗不足7%。我国长征4号火箭发射总质量达到249t，有效载货量仅为1.49t，用于有效载荷的能量消耗不足0.6%。
[0006]在现代工程领域，使用密实材料仍然有许多工程难题无法克服。我国每年生产铜材近1500万t，其中，约有70%用于导电导体材料，而铜材在导电时，受同流效应和集肤效应的影响，电流主要集中在导体的浅表层。一根直径为200_的导电铜棒，有效载流区域仅为铜棒表层2_左右的区域，心部材料占棒材全重96%对导电过程没有贡献，材料的有效利用率不足4%。直接采用管体导电材料又存在强度不足的问题。为克服这一不足，工程上常采用钢棒表面包覆铜或者铝的方法提高导体的强度，增加了铜-钢、铝-钢复合成本，也给后续的铜、钢、铝资源的综合回收利用增加了难度。
[0007]为克服密实材料的不足，人们陆续开发了近十种泡沫金属制备方法，希望在结构、功能材料领域，以多孔金属代替传统的密实金属。但是，现有的泡沫金属制备方法，在工艺、技术、装备、制品质量和性能方面，无法满足现代工程结构对材料性能的使用要求。发泡法、吹气法和粉末冶金法是最有发展前途的泡沫金属制备方法，目前来看，粉末冶金法生产泡沫铝的制备成本太高，受制备工艺的限制，制品尺寸很难做大。吹气法和发泡法制备泡沫铝，需要采用碳化硅、氧化铝和金属钙作为异质增粘剂，添加量达到6%-15%，使泡沫金属的脆性增加，塑性大大降低，作为结构材料使用，无法满足用户对产品使用性能的要求。
【发明内容】
[0008]本发明就是针对上述不足，提供一种泡沫金属铸锭的铸造设备及方法。
[0009]上述目的是通过下述方案实现的:
一种泡沫金属铸锭的铸造设备，其特征在于，所述铸造设备包括搅拌装置，该搅拌装置设置在金属固液两相区的位置。
[0010]根据上述的铸造设备，其特征在于，所述铸造设备包括结晶器，在所述结晶器的外侧设置有电磁搅拌装置，或者在所述结晶器的外侧或内部设置超声波搅拌装置。
[0011]根据上述的铸造设备，其特征在于，所述铸造设备包括结晶器，在所述结晶器内设置有机械搅拌装置或气流搅拌装置。
[0012]根据上述的铸造设备，其特征在于，所述铸造设备还包括增粘装置和发泡装置，所述发泡装置的出口与所述结晶器的入口连接，所述发泡装置的入口与所述增粘装置的出口连接，在所述增粘装置和发泡装置外侧还分别设置有电磁搅拌装置。
[0013]根据上述的铸造设备，其特征在于，所述铸造设备包括铸模，在所述铸模的外侧设置有电磁搅拌装置，或者在所述结晶器的外侧或内部设置超声波搅拌装置。
[0014]根据上述的铸造设备，其特征在于，所述铸造设备包括铸模，在所述结晶器内设置有机械搅拌装置或气流搅拌装置。
[0015]一种泡沫金属铸锭的铸造方法，其特征在于，所述铸造方法是在金属固液两相区进行搅拌，使该固液两相区中的枝晶占液相金属的质量百分比比例为20%-80%。
[0016]根据上述的铸造方法，其特征在于，所述铸造方法使用结晶器铸造，搅拌方式为电磁搅拌或超声波搅拌或机械搅拌或气流搅拌。
[0017]根据上述的铸造方法，其特征在于，所述铸造方法还包括增粘步骤和发泡步骤，经过增粘和发泡后的金属熔体再进入结晶器，并且在所述增粘步骤和发泡步骤均对金属熔体进行搅拌。
[0018]根据上述的铸造方法，其特征在于，所述铸造方法使用铸模铸造，搅拌方式为电磁搅拌或超声波搅拌或机械搅拌或气流搅拌。
[0019]本发明的泡沫金属铸锭铸造方法，利用气泡对枝晶的吸附作用，或者利用相互勾联、铰接的枝晶链和枝晶团簇对气泡的锁气作用，可以制备性能优越的泡沫金属材料，可以用常规的挤压、乳制、锻造、拉伸等冷热加工方法对泡沫金属铸锭进行二次加工，制备出尺寸精度很高的泡沫金属管材、棒材、型材、线材、板材、带材、箔材、锻件或者模锻件、铸件。还可以通过热处理或者二次发泡处理，对制备的泡沫金属管材、棒材、型材、线材、板材、带材、箔材、锻件或者模锻件、铸件进行进一步的发泡处理，调控制品的孔隙率、密度和机械性能。可以采用普通DC铸造技术、热顶铸造技术、气滑膜铸造技术、模铸技术等，连铸或者半连铸或者间歇铸造各种泡沫金属铸锭，泡沫铸锭生产的效率和成材率大大提高。避免了传统泡沫金属制备方法所存在的泡沫锭底板无泡层厚大，泡沫锭内部均匀性和质量稳定性差，所制备的泡沫金属的脆性大、塑性差、可加工性能差，不适于作为结构材料使用等不足。
【附图说明】
[0020]图1是现有技术中的DC铸造法所使用设备的结构示意图；
图2是本发明通过电磁搅拌或者机械混合或者气流搅拌或者紊流混合作用使固-液两相区扩大不意图；
图3是设置增粘和发泡装置的泡沫金属锭连续制备装置示意图；
图4是集增粘-发泡与凝固于一体的泡沫金属锭连续制备装置示意图；
图5是模铸泡沫金属装置示意图；
图6是含有发泡剂的泡沫金属铸锭连续铸造过程示意图；
图7-9是泡沫金属形成原理示意图；
图10是含有发泡剂的泡沫金属微观结构示意图。
【具体实施方式】
[0021]现有的采用DC铸造法或者热顶铸造法或者气滑膜铸造法铸造金属及其合金铸锭时，结晶器中的金属液在水冷作用下，产生过冷并开始结晶，见图1。在图1中，金属液I通过热顶2流入结晶器3中，结晶器3中的金属液在结晶器3的水冷作用下，产生过冷并开始结晶。在铸锭的已凝固区5和未凝固区I之间，存在一个很窄的固液两相区4。由图1可知，固液两相区4是由金属液和枝晶组成的，在金属液与固液两相区的交界处(固液两相区的上部)，枝晶比例(固相的比例)为零，沿金属的结晶方向，枝晶的比例(固相的比例)逐渐增多，在固液两相区4与固相区5的交界处，固相枝晶的比例为100%(所有的液相金属全部凝固)，液相的比例为零。
[0022]参见图2，本发明则是通过设置在固液两相区7位置处的搅拌装置6 (图中仅仅是示意，并不一定是设置在结晶器的外部)向固液两相区7中加入扰动气流，或者通过紊流混合作用对固液两相区7进行搅拌，或者施加电磁场，或者引入超声波，或者进行机械搅拌，固液两相区7中的枝晶8就会向液相区I中扩散，受搅拌作用的影响，在铸锭的固相区5和液相区I之间，形成一个尺寸更大、范围更宽的固液两相区7。搅拌初期，在固液两相区7中的枝晶数量较少，枝晶之间相互分离，少量的枝晶浮游于固液两相区7中，随着搅拌强度的增大，固液两相区的尺寸宽度增大，随着搅拌时间的延长，固液两相区7中的固相枝晶8的比例增大，枝晶之间出现相互勾联、铰接，甚至出现枝晶团簇，两相区内金属液的粘度也随之增大。控制搅拌强度和搅拌时间，就可以控制固液两相区7的宽度、固液两相区中固相枝晶的比例和金属液的粘度。
[0023]在图2所示的设备及对应的工艺中，不需要添加增粘剂，而主要利用结晶前沿的固液两相区内的枝晶增粘，通过控制固-液两相区中枝晶的比例，达到控制金属液粘度的效果。此种控制金属液粘度的方法，可以铸造通用的纯金属或者合金，在不添加异质增粘剂的条件下，铸造通用的纯金属泡沫锭、通用的变形合金泡沫锭、通用的铸造合金泡沫锭。由于所制备的泡沫金属物异质添加剂，合金基体为纯金属基体，保留了纯金属及其合金固有的强度、塑性、导电性、导热性、耐蚀性和可加工性。
[0024]图3给出的是本发明的一个变形方案，该方案为设置增粘和发泡装置的泡沫金属锭连续制备装置示意图。根据图3，该装置是在结晶器上增加了增粘装置9