[00819453]一种钢铁材料半固态熔体的制备方法及装置

该发明涉及一种钢铁材料半固态熔体的制备方法及装置，适用于各种钢铁材料和多种有色金属半固态熔体的制备。半固态熔体是半固态成形必不可少的原料，可以用于压铸、挤压、轧制或锻造等成形方法。半固态熔体的基本要求是其中的固相为细小圆整的非枝晶，且均匀分布。由于钢铁材料具有枝晶生长特性，在通常条件下凝固所得固相组织主要为树枝晶，所以，如何制备符合要求的钢铁材料半固态熔体是一个普遍关心的问题。现有技术中制备半固态熔体的技术途径主要是利用外力场或物理场、添加粉末变质剂、控制冷却速度与加热保温等四种。利用外力场的方法主要是采用各种搅拌和震动技术对金属熔体施加一个外力场，金属熔体在外力场作用下发生强烈的对流，达到细化晶粒、抑制枝晶生长、获得非枝晶组织的目的。这类方法在有色合金中应用较多，但对于钢铁材料来说，由于熔体温度很高，凝固阶段冷却速度快，现有的利用外力场方法难以在短时间内得到合格的半固态熔体。添加变质剂的方法是通过向合金熔体内部添加粉末变质剂，改变熔体的晶体形核条件或控制晶体生长条件达到细化晶粒的目的。这种方法的主要问题是难以得到近球形的初生固相，无法单独作为半固态熔体的制备方法使用。控制冷却速度的方法是通过减缓冷却速度促进枝晶退化实现树枝晶向粒状晶的转变，进而获得半固态熔体。这种方法在有色合金和钢铁材料半固态熔体制备中都可以应用，但是，生产效率低，所得组织尺寸较大，熔体的半固态成形性能难以满足流变成形需要。重新加热保温法是靠保温过程中的组织演化来获得钢铁材料半固态熔体的一类方法。它包括制坯、重新加热和成形三个步骤。首先利用连铸或模铸方法获得晶粒细小的坯料，然后将坯料重新加热到固液共存温度进行适当保温，使其中的固相在保温过程中向球形演变，得到具有较好流变性的半固态熔体或坯料，然后再在外力作用下成形。这种方法的制造成本较高，不便推广应用。为解决现有技术存在的技术问题，该发明根据晶体游离理论，同时利用外力场和含有形核促进剂的特种容器制备钢铁材料半固态熔体，提供一种钢铁材料半固态熔体的制备方法及装置。钢铁材料半固态熔体的制备装置，该装置包括：盛放钢铁材料熔体的特种容器、安装在特种容器外侧的温度调节装置及搅拌器和底部振动器。该发明的装置中，盛放钢铁材料熔体的特种容器，是由含有形核促进剂的内层和由通常耐火材料制成的外层组成。该发明的有益效果是：(1)制备速度快：由于同时采用了含有形核促进剂的特种容器与外力场作用，特种容器内壁成了结晶核心源，不断地形成微小晶体，并在外力场作用下不断被剥离，进入熔体内部，导致形核率大幅度提高，半固态熔体的制备速度也相应地得到明显提高。制备时间比现有技术中电磁搅拌法缩短一倍以上。(2)半固态熔体质量好：由于熔体内部温度梯度最大只有1.5℃/cm，从特种容器的内壁上剥离形成的游离晶在熔体内部的生长速度缓慢，加之外力场造成的对流作用使固相颗粒产生自旋运动，使游离晶的枝晶生长特性得到有效遏止。所以，所得半固态熔体内初生固相以近球形的粒状晶为主，尺寸细小，分布均匀，不经过重新加热和保温处理就可以直接进行半固态成形。(3)适用范围广：该方法通过调整工艺参数和更换特种容器的材料，可以用来进行液相线温度低于1530℃的多种材料的半固态熔体制备。通过更换特种容器内层的形核促进剂材料，可以适应各种材质的钢铁材料半固态熔体制备的需要。通过更换特种容器的尺寸和调整外力场大小，可以适应各种体积的半固态熔体制备需要。所以，该发明具有广泛的适用性。(4)控制方便：通过控制安装在特种容器外的电磁搅拌器或振动器以及温度调节装置可以方便地调节熔体的搅拌力场或振动力场的大小、方向以及熔体的冷却速度，达到控制半固态熔体质量的目的。因此，该发明便于实现自动控制，可以适应规模生产。