一种抑制ZCuSn10P1合金锡元素偏析的连续制备半固态浆料的装置和方法与流程

本发明涉及一种抑制zcusn10p1合金锡元素偏析的连续制备半固态浆料的装置和方法，属于材料科学技术领域。

背景技术：

半固态金属加工技术(semi-solidmetalformingprocesses，简称ssm)的研究起始于20世纪70年代初，其原理是在金属凝固温度区间通过改变初生相的形核长大过程，包括剧烈搅拌、加入晶粒细化剂、快速凝固等，从而获得一定近球状初生相颗粒的液-固混合浆料，这种半固态浆料温度比液态金属低，但又具有良好的流动性，有利于进行进一步的加工成形。

半固态金属成形方法包括流变成形和触变成形两种。流变成形的制浆过程是:在冷却过程中，对金属熔体进行强烈的搅拌或其他处理，获得具有部分凝固的半固态浆料，并使浆料中的初生固相呈近球形颗粒；然后直接将所得的半固态金属浆液进行成形，如压铸、挤压或轧制，通常称之为流变成形工艺。触变成形是将金属液从液相冷却到固相，在冷却过程中进行强烈的搅拌或其他处理，获得具有部分凝固的半固态浆料，浆料中的初生相呈近球形，进一步冷却获得具有非枝晶组织结构的锭料。然后，将得到的坯料按需要成形零件的质量进行分割，再重新将每块锭料加热至需要的部分重熔程度，进行铸造、锻造、轧制或挤压成形，从而生产出具有非枝晶组织结构的零件。

半固态金属加工与液态金属成形工艺相比，具有：充型平稳，无湍流和喷溅，因而铸件内部组织致密，内部气孔、偏析等缺陷少；制品组织具有非枝晶结构，同时组织致密，制品的力学性能高，能接近或达到锻压件的性能；由于金属坯料已部分凝固，因而凝固收缩小，成形零件尺寸精度高，表面平整光洁，能实现近终成形，因此半固态成形的零件机械加工量小，可做到少或无切削加工；成形温度低，半固态合金成形时，已经释放了部分结晶潜热，因而减轻了对模具的热冲击，使模具寿命大幅度提高；凝固时间缩短，能缩短产品的生产周期，有利于提高生产效率。

由于具有上述优点，近年来各学者对半固态金属加工技术进行了广泛研究，目前制备半固态浆料的方法主要包括机械搅拌法、电磁搅拌法、近液相线温度法、应变诱发熔化激活法、喷射沉积法、倾斜板冷却法等。但半固态金属加工技术仍存在一些缺点，例如触变成形存在生产成本高、生产周期长、组织不均匀、加工过程易氧化等缺点；流变成形虽然生产成本较低，但浆液的保存输送难度大，温度难以控制。

倾斜板冷却法原理是当处于液相线以上一定温度的液态金属接触倾斜板时，由于过冷而快速并大量形核，又由于流淌过程中的冲击作用使晶粒间相互碰撞、摩擦，最终形成细小、均匀的球状先共晶组织。该方法设备简单、操作简便、占地面积小、节约成本且可用于高熔点金属半固态浆料的制备。

锡青铜因强度高、弹性模量大、摩擦系数低、耐磨耐蚀性好等优点，成为继铜银合金后高铁接触线的首选材料。高锡含量铸造铜锡合金高硬度特性能满足重载、高速和高温并受强烈摩擦工况要求，广泛用于高铁、船舶、航空等行业的衬套、轴套、轴承座、齿轮、蜗轮等。以我国铁路为例，到2020年运营里程要达到12万公里，电气化率要达到60%，铜锡合金市场需求量巨大。

但是，铜锡合金被称为最为典型的凝固偏析合金之一，其偏析广泛出现于含4.7-15%锡的系列合金连铸坯、铸锭的凝固组织中。合金锡含量越高，偏析倾向越大。偏析还会向铸坯表面迁移（逆偏析）形成“锡汗”。文献资料表明，随着石膏型、壳型、砂型、金属型的冷却速度依次增大，其铸造试样的逆偏析程度依次变得严重，可见锡偏析的控制是制约铜锡合金应用的重要因素。

由于半固态铸造所得组织中初生相为等轴晶，其三叉晶界的存在阻隔了锡元素的扩散通道，对锡元素偏析有一定的抑制作用，因此采用半固态加工的方法可以在一定程度上抑制锡元素偏析，使初生相中锡元素含量达到5~7%，为了对锡元素偏析进行进一步控制，本发明针对铸造生产中的制浆阶段进行抑制锡偏析处理，对主要凝固过程进行阶段控制冷却。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供一种抑制zcusn10p1合金锡元素偏析的连续制备半固态浆料的装置和方法。本发明通过第一阶段控制冷却：液态zcusn10p1合金通过倾斜板冷却通道，利用倾斜板的激冷作用促使金属液瞬间产生均匀的大过冷，整体温度快速进入固液温度区间，促使熔体快速形核的同时，锡原子保留在初生相内部，获得包含一定体积分数的球状初生相的合金浆料；第二阶类等温过程，利用初生相快速形核长大形成的等轴晶周围的高富锡区、锡原子的快速扩散等铜锡合金包晶反应的热力学特性，结合初生相形核长大产生的结晶潜热，创造包晶转变动力学条件，进一步促使锡原子向初生相内部扩散，以尽量降低液相内的锡含量，获得少晶间偏析且温度处于固液区间的金属熔体；类等温过程中获得相互连接的等轴状固相，大部分剩余液相位于等轴晶的三叉界，使得低熔点液相的晶间迁移通道被截断或变得复杂，有效遏制逆偏析过程的发生，为后续成形过程有效阻止逆偏析（锡汗）的形成创造条件。本发明通过以下技术方案实现。

一种抑制zcusn10p1合金锡元素偏析的连续制备半固态浆料的装置，包括控制冷却装置、类等温装置和浇注转盘装置；

所述控制冷却装置包括浇口杯1、操作台2和倾斜板6，类等温装置包括反应釜10、浮块11、感应加热器12、感应加热器控制装置13和浮块11，浇注转盘装置包括石墨坩埚3、旋转台4、旋转控制装置5和旋转动力机构；

所述操作台2上插入浇口杯1，浇口杯1底部连通倾斜板6，倾斜板6底部出口与反应釜10顶部上端相通，反应釜10上均匀设有感应加热器12，感应加热器12连接感应加热器控制装置13，反应釜10底部设有浇注口，浮块11包括上浮块、口塞和将上浮块及口塞连接的连接杆，口塞能堵住浇注口出口，上浮块密度比zcusn10p1合金熔体密度小；

所述浇注口底部设有石墨坩埚3，若干石墨坩埚3均匀设在旋转台4表面，旋转台4设有带动旋转台4转动的旋转动力机构，旋转动力机构与旋转控制装置5连接。

所述倾斜板6分为上倾斜板7和下倾斜板9组装而成，倾斜板6内部为中空结构，上倾斜板7表面设有通水口8和出水口，通水口8连接水管，出水口连接空管进行排水。

所述倾斜板6厚度为3~6mm、宽度为100mm、长度为300mm，倾斜角度为45°。

一种抑制zcusn10p1合金锡元素偏析的连续制备半固态浆料的方法，其具体步骤如下：

步骤1、将1100℃zcusn10p1合金熔液浇入到浇口杯1中，zcusn10p1合金熔液以薄层形式快速流经倾斜板6，熔体温度快速冷却至950℃；

步骤2、经步骤1流经倾斜板6后的熔体进入到反应釜10中，通过感应加热器12通电对反应釜10加热对熔体形成一个850~900℃类等温的保温过程，在此过程中初生相晶粒向周围排出多余的锡原子，在初生相周围的液相内形成了锡原子的高富集区（约20~25%sn），使熔体达到产生包晶反应的热力学和动力学条件，发生包晶反应，体现为锡原子自液相反向扩散至初生固相内部，将固相内锡元素的含量提高至11~15%；直至反应釜10中熔体容量增至将浮块11中上浮块升起来且口塞与浇注口分离（时间约30s）；

步骤3、步骤2浇注口出来的熔体浇注到石墨坩埚3中，石墨坩埚3在旋转台4带动下依次位于浇注口下端接收熔体。

本发明的有益效果是：本发明在凝固过程中对合金浆料进行抑制偏析处理，通过倾斜板熔体冷却通道对熔体进行阶段控制冷却，然后对浆料进行类等温处理，以促进锡元素固溶在初生固相内，减少液相内锡元素的浓度，最终获得晶间偏析少的均匀半固态熔体组织。

附图说明

图1是本发明装置结构示意图；

图2是本发明倾斜板结构示意图；

图3是本发明反应釜剖面图；

图4是现有技术中zcusn10p1合金液态水淬组织图；

图5是半固态zcusn10p1合金水淬组织图。

图中：1-浇口杯，2-操作台，3-石墨坩埚，4-旋转台，5-旋转控制装置，6-倾斜板，7-上倾斜板，8-通水口，9-下倾斜板，10-反应釜，11-浮块，12-感应加热器，13-感应加热器控制装置。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。

实施例1

如图1至5所示，该抑制zcusn10p1合金锡元素偏析的连续制备半固态浆料的装置，包括控制冷却装置、类等温装置和浇注转盘装置；

所述控制冷却装置包括浇口杯1、操作台2和倾斜板6，类等温装置包括反应釜10、浮块11、感应加热器12、感应加热器控制装置13和浮块11，浇注转盘装置包括石墨坩埚3、旋转台4、旋转控制装置5和旋转动力机构；

所述操作台2上插入浇口杯1，浇口杯1底部连通倾斜板6，倾斜板6底部出口与反应釜10顶部上端相通，反应釜10上均匀设有感应加热器12，感应加热器12连接感应加热器控制装置13，反应釜10底部设有浇注口，浮块11包括上浮块、口塞和将上浮块及口塞连接的连接杆，口塞能堵住浇注口出口，上浮块密度比zcusn10p1合金熔体密度小；

所述浇注口底部设有石墨坩埚3，若干石墨坩埚3均匀设在旋转台4表面，旋转台4设有带动旋转台4转动的旋转动力机构，旋转动力机构与旋转控制装置5连接。

其中倾斜板6分为上倾斜板7和下倾斜板9组装而成，倾斜板6内部为中空结构，上倾斜板7表面设有通水口8和出水口，通水口8连接水管，出水口连接空管进行排水；倾斜板6厚度为3mm、宽度为100mm、长度为300mm，倾斜角度为45°。

该抑制zcusn10p1合金锡元素偏析的连续制备半固态浆料的方法，其具体步骤如下：

步骤1、将1100℃zcusn10p1合金熔液浇入到浇口杯1中，zcusn10p1合金熔液以薄层形式快速流经倾斜板6，熔体温度快速冷却至950℃；

步骤2、经步骤1流经倾斜板6后的熔体进入到反应釜10中，通过感应加热器12通电对反应釜10加热对熔体形成一个850~900℃类等温的保温过程，在此过程中初生相晶粒向周围排出多余的锡原子，在初生相周围的液相内形成了锡原子的高富集区（约20~25%sn），使熔体达到产生包晶反应的热力学和动力学条件，发生包晶反应，体现为锡原子自液相反向扩散至初生固相内部，将固相内锡元素的含量提高至11~15%；直至反应釜10中熔体容量增至将浮块11（上浮块部位为石墨材质，口塞为40cr材质，上浮块和连接杆同为石墨材质）中上浮块升起来且口塞与浇注口分离（时间约30s）；

步骤3、步骤2浇注口出来的熔体浇注到石墨坩埚3中，石墨坩埚3在旋转台4带动下依次位于浇注口下端接收熔体。

本实施例制备得到的半固态zcusn10p1合金水淬组织图如图5所示，现有技术制备得到zcusn10p1合金液态水淬组织图如图4所示，从图4和图5的比较可以看出半固态zcusn10p1合金与液态组织相比，晶粒明显细小均匀，且晶间偏析较少。

实施例2

如图1至5所示，该抑制zcusn10p1合金锡元素偏析的连续制备半固态浆料的装置，包括控制冷却装置、类等温装置和浇注转盘装置；

所述控制冷却装置包括浇口杯1、操作台2和倾斜板6，类等温装置包括反应釜10、浮块11、感应加热器12、感应加热器控制装置13和浮块11，浇注转盘装置包括石墨坩埚3、旋转台4、旋转控制装置5和旋转动力机构；

所述操作台2上插入浇口杯1，浇口杯1底部连通倾斜板6，倾斜板6底部出口与反应釜10顶部上端相通，反应釜10上均匀设有感应加热器12，感应加热器12连接感应加热器控制装置13，反应釜10底部设有浇注口，浮块11包括上浮块、口塞和将上浮块及口塞连接的连接杆，口塞能堵住浇注口出口，上浮块密度比zcusn10p1合金熔体密度小；

所述浇注口底部设有石墨坩埚3，若干石墨坩埚3均匀设在旋转台4表面，旋转台4设有带动旋转台4转动的旋转动力机构，旋转动力机构与旋转控制装置5连接。

其中倾斜板6分为上倾斜板7和下倾斜板9组装而成，倾斜板6内部为中空结构，上倾斜板7表面设有通水口8和出水口，通水口8连接水管，出水口连接空管进行排水；倾斜板6厚度为6mm、宽度为100mm、长度为300mm，倾斜角度为45°。

实施例3

如图1至5所示，该抑制zcusn10p1合金锡元素偏析的连续制备半固态浆料的装置，包括控制冷却装置、类等温装置和浇注转盘装置；

所述控制冷却装置包括浇口杯1、操作台2和倾斜板6，类等温装置包括反应釜10、浮块11、感应加热器12、感应加热器控制装置13和浮块11，浇注转盘装置包括石墨坩埚3、旋转台4、旋转控制装置5和旋转动力机构；

所述操作台2上插入浇口杯1，浇口杯1底部连通倾斜板6，倾斜板6底部出口与反应釜10顶部上端相通，反应釜10上均匀设有感应加热器12，感应加热器12连接感应加热器控制装置13，反应釜10底部设有浇注口，浮块11包括上浮块、口塞和将上浮块及口塞连接的连接杆，口塞能堵住浇注口出口，上浮块密度比zcusn10p1合金熔体密度小；

所述浇注口底部设有石墨坩埚3，若干石墨坩埚3均匀设在旋转台4表面，旋转台4设有带动旋转台4转动的旋转动力机构，旋转动力机构与旋转控制装置5连接。

其中倾斜板6分为上倾斜板7和下倾斜板9组装而成，倾斜板6内部为中空结构，上倾斜板7表面设有通水口8和出水口，通水口8连接水管，出水口连接空管进行排水；倾斜板6厚度为5mm、宽度为100mm、长度为300mm，倾斜角度为45°。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。