本发明专利技术涉及一种半固态金属浆料或坯料的低电压脉冲电场制备方法及专用设备。制备方法：先将合金熔化并在保温坩埚内保温，合金熔体的上下两端分别与脉冲电源输出端的正负极相联，当凝固开始前，启动脉冲电源，对合金熔体进行脉冲放电，施加脉冲电场。专用设备：由脉冲电场发生装置、脉冲电场作用装置和加热保温装置三个部分组成，脉冲电场发生装置产生的脉冲电流通过脉冲电场作用装置施加到置于加热保温装置的合金熔体上。根据合金种类和成分的不同，调整脉冲放电电压、放电时间和脉冲频率，并控制合金在脉冲放电期间的凝固速度，最后得到初生相为球状或颗粒状的非枝晶半固态合金坯料或浆料，可用在金属半固态合金制备和成形的生产中。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于半固态金属加工
，特别涉及一种半固态金属浆料或坯料的低电压脉冲电场制备方法及专用设备。
技术介绍
自上个世纪七十年代，美国科学家首次提出金属半固态成型概念以来，半固态金属加工技术受到国际材料界的广泛关注，已成为当今最活跃的研究领域之一。这种方法不仅可以降低成本，提高铸件质量与成品率，同时具有高效、节能、利于环保的优点。目前一些发达国家已开始应用于汽车制造业、通讯、电器、计算机及其辅助设备领域、航空航天等领域，并具有广阔的发展前景。金属及合金半固态成形技术一般分两类，一类是半固态金属或合金触变成形，即先让球状初晶的金属或合金半固态浆料完全凝固成坯料，再对适当长度的坯料进行半固态重熔加热，将处于固液两相区的半固态坯料送至压铸机或锻造机进行成形；另一类是将球状初晶的金属或合金半固态浆料直接送至压铸机或锻造机进行直接成形，即流变成形。无论是流变成形还是触变成形，其中半固态(或称非枝晶组织)合金的制备是整个过程的基础与关键，其目的是获得适于半固态成型的初生相为球状或颗粒状的非枝晶组织。半固态合金的制备是半固态加工
的研究热点，要实现半固态金属成形，必须首先制备出初生相为非枝晶结构的半固态金属浆料或坯料，保证半固态金属材料的供给。国内外研究者在此方面作了大量研究工作，提出了许多制备方法与思想。其中主要包括①机械搅拌法。此法是最早采用的方法，主要用于研究金属的流变学性质与流变铸造。美国专利第3902544、3948650和3954455号公开了几种制备金属半固态浆料的机械搅拌方法，该方法利用旋转叶片或搅拌棒将凝固中的初生固相枝晶打碎，获得球状或粒状初晶的金属半固态浆料。机械搅拌法存在下列缺点(1)搅拌室和搅拌棒的寿命不长，金属更易于氧化和污染，金属内部质量很低；(2)存在搅拌死角，影响浆料均匀性；(3)设备笨重、操作困难、生产效率低，固相分数只能限定在30％～60％范围内。②电磁搅拌法。为了克服机械搅拌法的诸多缺点，发展了电磁搅拌法。美国专利第4229210、4434837号公开了几种制备金属半固态浆料或连铸坯料的电磁搅拌方法，利用强烈的电磁感应力抑制初生枝晶的析出，制备球状或粒状初晶半固态金属浆料，然后利用连铸技术生产出球状晶半固态金属的连铸坯料。电磁搅拌技术相对比较成熟，已在工业化生产得到了应用。但该制备方法中金属液的过热度一般都在50℃以上，要求必须进行强烈的电磁搅拌，即电磁搅拌所产生的剪切速率一般在500～1500S-1，在这样的剪切速率下，被搅拌金属液的旋转速度很高，一般都超过500转/分钟，这时才能获得细小和球状初晶的半固态金属浆料。如果剪切速率小于500S-1，初晶的形态变差，多为蔷薇状初晶，而且连铸坯料表面的枝晶层较厚，这种坯料的触变性不良，不适于半固态成形。为了进行强烈的电磁搅拌，电磁搅拌设备庞大，投资过高，而且电磁搅拌功率很大、效率很低、耗能很大，因此球状或粒状初晶半固态金属连铸坯料的成本较高，不适用大规格(Φ＞150mm)坯料的制备，亦不能直接制成零件。③应变诱导熔体活化技术(Strain-induced melt Activation Process)，简称SIMA(美国专利第4415374号)，是除电磁搅拌法外，目前工业上用于生产半固态浆料的另一种方法。该技术是将常规铸造枝晶组织在高温下进行挤压变形，破碎枝晶组织，再施加足够的冷变形量后，加热到两相区。在加热过程，合金首先发生再结晶形成亚晶粒和亚晶界，随后晶界处低熔点溶质元素和低熔点相熔化，导致近球形固相被低熔点液相包围，形成半固态浆料。该技术对制备较高熔点的非枝晶组织合金具有独特的优越性，已成功地应用于不锈钢、工具钢、铜合金等系列。但该法增加了一道预变形工序，提高了坯料生产成本，同时它仅适用于小规格坯料，亦不能直接成形零件。④液相线铸造法(刘丹，崔建忠，夏可农.东北大学学报.1999，20(2)173-176)。在非搅拌条件下，仅利用控制浇注温度，也可以制备球状晶半固态金属浆料，这种方法被称为液相线铸造法，但该方法要求金属液的浇注温度非常接近该金属液的液相线温度，即比该液相线温度高1-5℃，才能获得球状晶半固态金属浆料，这使得金属熔体温度的控制变得十分困难，金属液的流动性变差，尤其在低导热性金属液或大量金属液及连铸中难以实现和操作。如果提高金属液的浇注温度，初生固相的球状形态立即恶化，由液相线浇注时的球状转变为蔷薇状或枝晶状，这种半固态金属浆料的触变性很差，半固态成形时的变形不均匀，易出现液固相偏析，非常不利于金属的半固态成形。⑤喷射沉积法(英国专利GB2172900A号)。通过气体喷射器将液体金属雾化为液滴，在喷射气体作用下，部分凝固的金属微粒以半固态沉积到冷却靶上。靠半固态微粒的冲击产生足够的剪切力打碎其内部枝晶，形成非枝晶组织。经再加热后，获得具有球形颗粒固相的半固态金属浆料。目前该方法已应用到工业生产，晶粒尺寸可小至20μm。但该方法生产成本较高，只适用于某些特殊产品。⑥半固态等温处理法(朱鸣芳，苏华钦.半固态等温处理制备颗粒组织ZA12合金的研究，铸造，1996(4)1-5)。预先向合金液体加入变质剂，得到细枝晶状组织后，再加热到两相区即形成非枝晶状半固态成形用浆料。该法比应变诱发熔化激活法省去了预变形工艺，比金属熔体内枝晶破碎法省去了专门制备半固态组织的步骤。但是半固态等温处理法还处于实验室阶段，且该法需预先在熔炼铸锭加入变质剂，变质剂在熔体的均匀分布将影响半固态组织的均匀性并且造成金属液的污染。⑦其它方法。除上述方法外，还有许多制浆技术处于研究或开发之中。如粉末冶金法，即通过粉末冶金技术制成锭坯后，经再加热使低熔点成分熔化后获得半固态浆料，这种方法特别适用于难熔合金(Ti-Co)。此外，还有紊流效应法、晶粒细化法、超声波处理法、剪切-冷却-轧制法(Shearing-Cooling-Rolling)、被动搅拌法等。这些方法目前均处于实验室研究阶段，尚未投入工业生产。脉冲电场处理技术具有无污染、操作方便、效果显著等优点，受到了人们的高度重视。已有的研究已经表明该技术具有十分广阔的应用前景。以前的研究发现脉冲电场对能够细化普通凝固时的组织，改变初生相形态。在上世纪90年代初，美国的M.Nakada和M.C.Flemings等人首先使用高电压电脉冲研究Sn-15％Pb合金的凝固过程，发现在凝固的起始阶段施加电脉冲可改变凝固组织中的初生相形态。该研究结果发表在《ISIJ International》30卷1期27-33页(1990)，鄢红春等在《金属学报》33卷第4期352-358页(1997)也报道了类似的结果。李建明等使用超高电压电脉冲的研究发表在《Scripta Metallurgica et Materialia》31卷12期1691-1694页(1994)。但是他们所采用的电脉冲是高或超高电压，一般从几千伏到几万伏，如此高的电压给操作者带来了极大的不方便，安全性能也比较差；并且在脉冲放电实验中，金属或合金都是在空气中自然冷却或随炉冷却，凝固过程的可控时间短，不能充分发挥脉冲电场对凝固组织的控制作用。更重要的是，他们都没有利用电脉冲来制备非枝晶的球状半固态合金。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种非枝晶半固态合金的低电压脉冲电场制备方法，其特征在于具体步骤如下：第一步：在熔化炉内，进行合金配料，熔化与精炼；第二步：预热保温坩埚，生产半固态坯料，坩埚预热４００～６００℃；或者，生产半固态金属浆料，坩埚预热至低于合金 熔点１００～２００℃；第三步：浇注，合金熔体的过热度范围为３０～６０℃；第四步：加脉冲电场，先将保温坩埚内合金熔体的上下两端分别与脉冲电源输出端的正负极相联，在凝固开始前或在凝固过程中，启动脉冲电源，对合金熔体进行脉冲放电， 施加脉冲电场，脉冲放电电压在５０－４００Ｖ范围内，放电时间为３－２５分钟，脉冲频率为０．１－１０Ｈｚ，在脉冲放电过程中合金的平均冷却速度控制在０．５－３０℃／ｍｉｎ，脉冲放电期间合金温度处于液相线和固相线之间；第五步：将合金熔体降温 冷却成半固态坯料或制成半固态浆料。
【技术特征摘要】
1.一种非枝晶半固态合金的低电压脉冲电场制备方法，其特征在于具体步骤如下第一步在熔化炉内，进行合金配料，熔化与精炼；第二步预热保温坩埚，生产半固态坯料，坩埚预热400～600℃；或者，生产半固态金属浆料，坩埚预热至低于合金熔点100～200℃；第三步浇注，合金熔体的过热度范围为30～60℃；第四步加脉冲电场，先将保温坩埚内合金熔体的上下两端分别与脉冲电源输出端的正负极相联，在凝固开始前或在凝固过程中，启动脉冲电源，对合金熔体进行脉冲放电，施加脉冲电场，脉冲放电电压在50-400V范围内，放电时间为3-25分钟，脉冲频率为0.1-10Hz，在脉冲放电过程中合金的平均冷却速度控制在0.5-30℃/min，脉冲放电期间合金温度处于液相线和固相线之间；第五步将合金熔体降温冷却成半固态坯料或制成半固态浆料。2.按照权利要求1所述非枝晶半固态合金的低电压脉冲电场制备方法，其特征在于将合金直接或浇注在保温坩埚内熔化并精炼。3.按照权利要求1所述非枝晶半固态合金的低电压脉冲电场制备方法，其特征在于脉冲放电电压在100-400V范围内，放电时间为5-15分钟，脉冲频率为0.125-1Hz，在脉冲放电过程中合金的平均冷却速度控制在0.5-3℃/min范围内。4.一种非枝晶半固态合金的低电压脉冲电场制备方法的专用设备，其特征在于它由脉冲电场发生装置、脉冲电场作用装置和加热保温装置三个部分组成，脉冲电场发生装置产生的脉冲电流通过脉冲电场作用装置施加到置于加热保温装置的合金熔体上；脉冲电场发生装置包括交流电源、调压器、升压变压器、全桥整流器，交流电源经过调压器，再经过升压变压器，该交流电经过全桥整流器整流成为对电容组进行充电的直流电源，电容组为合金熔体的脉冲放电电源。5.按照权利要求4所述非枝晶半固态合金的低电压脉冲电场制备方法的专用设备，其特征在于所述脉冲电场发生装置包括充电回路部...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨院生，周全，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：89[中国|沈阳]
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