本發(fā)明涉及金屬材料加工技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及高壓快冷制備金屬材料的方法及裝置。
背景技術(shù)：
金屬制品(如鑄錠、鑄件等產(chǎn)品)的質(zhì)量直接取決于金屬熔體的質(zhì)量，因此在金屬材料的加工過程中，金屬熔體的成形工藝以及處理方法就顯得尤為重要。擠壓鑄造成形工藝與其他鑄造成形方法相比，所得到的鑄件組織具有均勻致密、力學(xué)性能優(yōu)良、表面光潔度和尺寸精度高等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、汽車、家電、航空、航天、國防等領(lǐng)域。
快速冷卻的方法可以使金屬材料以較快的速度發(fā)生凝固，研究表明，提高冷卻速度，加快合金的凝固速率可以使合金在非平衡條件下凝固，從而引起合金的組織和結(jié)構(gòu)發(fā)生以下幾點(diǎn)變化：(1)擴(kuò)大合金的固溶極限；(2)獲得更細(xì)的晶粒度；(3)減少合金中的偏析；(4)形成亞穩(wěn)相；(5)減小枝晶間距。與在平衡條件下凝固的合金相比，它們具有更好的力學(xué)性能等其他優(yōu)異的性能。
傳統(tǒng)擠壓鑄造集中于在不超過0.2gpa比壓和金屬熔體冷卻條件(1～5k/s)下對金屬材料進(jìn)行成形，而在0.2～1.0gpa比壓范圍內(nèi)擠壓并同時(shí)以10k/s以上的冷卻速度進(jìn)行快速冷卻，則處于極少被涉及的領(lǐng)域，開展該類研究工作對提升金屬材料質(zhì)量具有廣闊的空間。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是：提供一種高壓快冷制備金屬材料的方法，能達(dá)到對金屬熔體的擠壓比壓為0.2～1.0gpa，冷卻速度≥10k/s，實(shí)現(xiàn)高壓和快冷二者耦合條件下的鑄件成型，獲得高性能鑄件；
本發(fā)明的第二目的在于提供另一種高壓快冷制備金屬材料的方法，能達(dá)到對金屬熔體的擠壓比壓為0.2～1.0gpa，并在金屬熔體凝固成形后對高溫金屬固體進(jìn)行淬火，冷卻速度≥1000k/s，獲得高性能鑄件；
本發(fā)明的第三目的在于一種高壓快冷制備金屬材料的設(shè)備，該設(shè)備不僅能實(shí)現(xiàn)高壓和快冷二者耦合條件下的鑄件成形，還可以實(shí)現(xiàn)高壓擠壓后立即進(jìn)行淬火條件下的鑄件成形，最終獲得高性能鑄件，并為開發(fā)高性能鑄造金屬材料提供試驗(yàn)平臺(tái)。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
一種高壓快冷制備金屬材料的方法，包括以下步驟：
(1)開啟保溫加熱器，預(yù)熱模具型腔，使模具型腔的溫度達(dá)到設(shè)定值；
(2)將金屬熔體加熱至預(yù)設(shè)溫度后，澆入模具型腔中；
(3)液壓機(jī)的沖頭以設(shè)定的擠壓速度向金屬熔體施加壓力，同時(shí)，開啟位于模具型腔下方的水冷系統(tǒng)，對金屬熔體冷卻。
該金屬材料的制備方法能達(dá)到對金屬熔體的擠壓比壓為0.2～1.0gpa，冷卻速度≥10k/s。
進(jìn)一步的是：一種高壓快冷制備金屬材料的方法還包括以下步驟：
(4)在對金屬熔體實(shí)施擠壓與冷卻的同時(shí)開啟數(shù)據(jù)采集器，采集金屬熔體實(shí)時(shí)的壓力參數(shù)與溫度參數(shù)，并將所得參數(shù)傳輸至信號(hào)處理器，得到壓力與時(shí)間的關(guān)系曲線和溫度與時(shí)間的關(guān)系曲線。實(shí)驗(yàn)全程通過數(shù)據(jù)采集器采集器溫度參數(shù)、壓力參數(shù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)搭建了平臺(tái)，奠定了基礎(chǔ)。
進(jìn)一步的是：所述步驟(2)中，金屬熔體的預(yù)設(shè)溫度為液相線以上10～100℃的溫度范圍；所述步驟(3)中，沖頭擠壓金屬熔體的擠壓比壓為0.2～1.0gpa；金屬熔體的冷卻速度≥10k/s。
一種高壓快冷制備金屬材料的方法，包括以下步驟：
(1)開啟保溫加熱器，預(yù)熱模具型腔，使模具型腔的溫度達(dá)到設(shè)定值；
(2)將金屬熔體加熱至預(yù)設(shè)溫度后，澆入模具型腔中；
(3)液壓機(jī)的沖頭以設(shè)定的擠壓速度向金屬熔體施加壓力；同時(shí)，開啟數(shù)據(jù)采集器，采集金屬熔體實(shí)時(shí)的壓力參數(shù)與溫度參數(shù)，并將所得參數(shù)傳輸至信號(hào)處理器，得到壓力與時(shí)間的關(guān)系曲線和溫度與時(shí)間的關(guān)系曲線；
(4)從信號(hào)處理器中可知金屬熔體的實(shí)時(shí)溫度，當(dāng)溫度下降到預(yù)設(shè)的淬火溫度時(shí)(該溫度下金屬熔體已經(jīng)全部凝固為金屬固體)，抽出位于模具型腔下端的活動(dòng)擋塊，并啟動(dòng)液壓機(jī)的沖頭，沖頭將模具型腔中的高溫金屬固體擠出模具型腔，金屬固體落入位于模具型腔正下方的淬火池中，實(shí)現(xiàn)金屬冷卻。該制備方法能達(dá)到對金屬熔體的擠壓比壓為0.2～1.0gpa，冷卻速度≥1000k/s。
一種高壓快冷制備金屬材料的設(shè)備，包括模具架、模具型腔、保溫加熱器、液壓機(jī)的沖頭、活動(dòng)擋塊、水冷系統(tǒng)、淬火系統(tǒng)、滾珠支撐機(jī)構(gòu)和數(shù)據(jù)采集器，模具型腔安裝在模具架上，保溫加熱器設(shè)置在模具型腔的腔壁內(nèi)部，金屬熔體置于模具型腔中，沖頭設(shè)于模具型腔上方，水冷系統(tǒng)設(shè)于活動(dòng)擋塊內(nèi)部，活動(dòng)擋塊設(shè)于模具型腔的下端，活動(dòng)擋塊下端的兩側(cè)設(shè)有滾珠支撐機(jī)構(gòu)，滾珠支撐機(jī)構(gòu)安裝在模具架上，淬火系統(tǒng)設(shè)于活動(dòng)擋塊下方，數(shù)據(jù)采集器與模具型腔的內(nèi)側(cè)面相接。該裝置能實(shí)現(xiàn)上述兩種金屬材料的制備方法。
進(jìn)一步的是：活動(dòng)擋塊由導(dǎo)熱上板和承載下板拼合而成，導(dǎo)熱上板為銅合金板，承載下板為h13鋼板，導(dǎo)熱上板和承載下板的相接觸部分設(shè)有溝槽，水冷系統(tǒng)置于溝槽內(nèi)?；顒?dòng)擋塊可以支撐金屬熔體，同時(shí)置于活動(dòng)擋塊內(nèi)的水冷系統(tǒng)通過導(dǎo)熱上板可以冷卻金屬熔體。
進(jìn)一步的是：水冷系統(tǒng)包括冷卻水循環(huán)通道和板式水冷換熱器，冷卻水循環(huán)通道的進(jìn)水口和出水口分別與板式水冷換熱器連接，冷卻水循環(huán)通道和板式水冷換熱器嵌于導(dǎo)熱上板和承載下板之間。
進(jìn)一步的是：淬火系統(tǒng)包括淬火池和淬火池內(nèi)部盛放的冷卻介質(zhì)，淬火池設(shè)于模具型腔的正下方。抽出活動(dòng)擋塊，高溫金屬固體直接快速落入淬火池中。該淬火系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)在比傳統(tǒng)擠壓鑄造更高的壓力下直接淬火，縮短了鑄件后續(xù)固溶處理的重新加熱，是一種短流程成形工藝，有利于節(jié)能。
進(jìn)一步的是：滾珠支撐機(jī)構(gòu)包括帶溝槽的鋼板和若干鋼珠，鋼珠置于鋼板的溝槽內(nèi)，活動(dòng)擋塊下端的兩側(cè)均設(shè)有滾珠支撐機(jī)構(gòu)。
進(jìn)一步的是：數(shù)據(jù)采集器包括壓力傳感器、溫度傳感器和信號(hào)處理器，模具型腔的腔壁開有壓力數(shù)據(jù)采集通道和溫度數(shù)據(jù)采集通道，壓力傳感器和溫度傳感器分別設(shè)于對應(yīng)的數(shù)據(jù)采集通道內(nèi)，壓力傳感器和溫度傳感器均與信號(hào)處理器信號(hào)連接。
總的說來，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：
本發(fā)明制備金屬材料的方法工藝簡單，可根據(jù)實(shí)際需要對金屬熔體實(shí)施0.2gpa～1.0gpa比壓的擠壓，實(shí)現(xiàn)高壓和快冷二者耦合條件下的鑄件成型，獲得不同于傳統(tǒng)鑄造條件下的高性能鑄件。
本發(fā)明制備金屬材料的設(shè)備，可為開發(fā)高性能鑄造金屬材料提供試驗(yàn)平臺(tái)。
本發(fā)明通過金屬熔體實(shí)施0.2～1.0gpa比壓擠壓的同時(shí)實(shí)現(xiàn)快速冷卻，利用二者對金屬熔體凝固組織的作用是互補(bǔ)和耦合增強(qiáng)的關(guān)系，改善金屬材料的組織形態(tài)和性能，獲得不同于傳統(tǒng)鑄造條件下的高性能鑄件。同時(shí)在實(shí)驗(yàn)全程通過數(shù)據(jù)采集器采集溫度參數(shù)、壓力參數(shù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)搭建了平臺(tái)，奠定了基礎(chǔ)。
本發(fā)明的水冷系統(tǒng)可以在金屬熔體受到高壓擠壓的同時(shí)對其進(jìn)行快速冷卻。
本發(fā)明的淬火系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)在比傳統(tǒng)擠壓鑄造更高的壓力下直接淬火，縮短了鑄件后續(xù)固溶處理的重新加熱，是一種短流程成形工藝，有利于節(jié)能。
數(shù)據(jù)采集器不僅可以全程采集溫度參數(shù)與壓力參數(shù)，同時(shí)也可以配合淬火系統(tǒng)，在金屬材料下降到某一溫度時(shí)，立即抽出活動(dòng)擋塊，用液壓機(jī)沖頭擠出高溫金屬固體進(jìn)行淬火，保留金屬材料在特定溫度下的相與組織，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)分析提供豐富的數(shù)據(jù)。
本的設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，容易在傳統(tǒng)立式擠壓鑄造裝備上進(jìn)行改造，易于推廣，應(yīng)用前景廣闊。
附圖說明
圖1是本發(fā)明設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖。
其中，1為模具型腔，2為保溫加熱器，3為液壓機(jī)的沖頭，4為金屬熔體，5為活動(dòng)擋塊的導(dǎo)熱上板，6為活動(dòng)擋塊的承載下板，7為水冷系統(tǒng)，8為淬火系統(tǒng)，9為滾珠支撐機(jī)構(gòu)，10為模具架，11為數(shù)據(jù)采集器。
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式來對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
實(shí)施例1
本實(shí)施例一種高壓快冷制備金屬材料的方法，包括以下步驟：
(1)開啟保溫加熱器，預(yù)熱擠壓鑄造設(shè)備的模具型腔，使模具型腔的溫度達(dá)到設(shè)定值，模具型腔的內(nèi)側(cè)采用涂料潤滑；
(2)將金屬熔體加熱至預(yù)設(shè)溫度后，快速澆入模具型腔中；
其中，金屬熔體的預(yù)設(shè)溫度為液相線以上10～100℃的溫度范圍；
(3)液壓機(jī)的沖頭以設(shè)定的擠壓速度向金屬熔體快速施加壓力，同時(shí)，開啟位于模具型腔下方的水冷系統(tǒng)，對金屬熔體快速冷卻，冷卻速度≥10k/s；
水冷系統(tǒng)包括冷卻水循環(huán)通道和板式水冷換熱器，冷卻水循環(huán)通道的進(jìn)水口和出水口分別與板式水冷換熱器連接，冷卻水循環(huán)通道和板式水冷換熱器嵌于活動(dòng)擋塊內(nèi)，活動(dòng)擋塊包括拼合而成的導(dǎo)熱上板和承載下板，即水冷系統(tǒng)的所有部分均嵌于活動(dòng)擋塊的導(dǎo)熱上板和承載下板之間。水冷系統(tǒng)的冷卻方式為將進(jìn)水口接上輸水管，出水口接上排水管，使冷卻水持續(xù)通過冷卻水循環(huán)通道，即可實(shí)現(xiàn)對金屬熔體的快速冷卻。
其中，液壓機(jī)的沖頭由上至下向金屬熔體施加壓力，沖頭的壓力由3150kn四柱液壓機(jī)提供，沖頭直接與金屬熔體相接觸，擠壓比壓為0.2～1.0gpa，大于傳統(tǒng)的擠壓鑄造的擠壓比壓(傳統(tǒng)的擠壓鑄造的擠壓比壓大多不超過0.2gpa)，本發(fā)明所說的高壓是相對傳統(tǒng)擠壓鑄造的擠壓比壓而言的，傳統(tǒng)擠壓鑄造的擠壓比壓大多不超過0.2gpa；
(4)在對金屬熔體實(shí)施擠壓與快速冷卻的同時(shí)開啟數(shù)據(jù)采集器，采集金屬熔體實(shí)時(shí)的壓力參數(shù)與溫度參數(shù)，并將所得參數(shù)傳輸至信號(hào)處理器，得到壓力與時(shí)間的關(guān)系曲線和溫度與時(shí)間的關(guān)系曲線。
實(shí)施例2
本實(shí)施例一種高壓快冷制備金屬材料的方法，包括以下步驟：
(1)開啟保溫加熱器，預(yù)熱擠壓鑄造設(shè)備的模具型腔，使模具型腔的溫度達(dá)到設(shè)定值，模具型腔的內(nèi)側(cè)采用涂料潤滑；
(2)將金屬熔體加熱至預(yù)設(shè)溫度后，快速澆入模具型腔中；
其中，金屬熔體的預(yù)設(shè)溫度為液相線以上10～100℃的溫度范圍；
(3)液壓機(jī)的沖頭以設(shè)定的擠壓速度向金屬熔體快速施加壓力；同時(shí)，開啟數(shù)據(jù)采集器，采集金屬熔體實(shí)時(shí)的壓力參數(shù)與溫度參數(shù)，并將所得參數(shù)傳輸至信號(hào)處理器，得到壓力與時(shí)間的關(guān)系曲線和溫度與時(shí)間的關(guān)系曲線；
其中，液壓機(jī)的沖頭由上至下向金屬熔體施加壓力，沖頭的壓力由3150kn四柱液壓機(jī)提供，沖頭直接與金屬熔體相接觸，擠壓比壓為0.2～1.0gpa；
(4)從信號(hào)處理器中可知金屬熔體的實(shí)時(shí)溫度，當(dāng)溫度下降到預(yù)設(shè)的淬火溫度時(shí)(該溫度下金屬熔體已經(jīng)全部凝固為金屬固體)，立即抽出位于模具型腔下端的活動(dòng)擋塊，并快速啟動(dòng)液壓機(jī)的沖頭，沖頭將模具型腔中的高溫金屬固體擠出模具型腔，金屬固體落入位于模具型腔正下方的淬火池中，實(shí)現(xiàn)快速冷卻金屬固體，冷卻速度≥1000k/s。
實(shí)施例3
本實(shí)施例的高壓快冷制備金屬材料的設(shè)備用于實(shí)現(xiàn)實(shí)施例1和實(shí)施例2的金屬材料的高壓快冷制備方法，如圖1所示，本實(shí)施例的設(shè)備包括模具架、模具型腔、保溫加熱器、液壓機(jī)的沖頭、活動(dòng)擋塊、水冷系統(tǒng)、淬火系統(tǒng)、滾珠支撐機(jī)構(gòu)和數(shù)據(jù)采集器，模具型腔安裝在模具架上，保溫加熱器設(shè)置在模具型腔的腔壁內(nèi)部，金屬熔體置于模具型腔中，沖頭設(shè)于模具型腔上方，水冷系統(tǒng)設(shè)于活動(dòng)擋塊內(nèi)部，活動(dòng)擋塊設(shè)于模具型腔的下端，活動(dòng)擋塊的上端與模具型腔的下端緊密結(jié)合，滾珠支撐機(jī)構(gòu)安裝在模具架上，滾珠支撐機(jī)構(gòu)有兩個(gè)，分別位于活動(dòng)擋塊下端的兩側(cè)(即圖1中活動(dòng)擋塊下端的左右兩側(cè))，活動(dòng)擋塊可以相對滾珠支撐機(jī)構(gòu)滑動(dòng)，淬火系統(tǒng)設(shè)于活動(dòng)擋塊下方，數(shù)據(jù)采集器與模具型腔的內(nèi)側(cè)面相接。
活動(dòng)擋塊由導(dǎo)熱上板和承載下板拼合而成，導(dǎo)熱上板為高強(qiáng)高導(dǎo)熱的銅合金板，承載下板為h13鋼板，強(qiáng)硬度很高，可承載高壓，導(dǎo)熱上板和承載下板的相接觸部分通過數(shù)控機(jī)床(cnc)加工出溝槽，水冷系統(tǒng)置于溝槽內(nèi)。
水冷系統(tǒng)包括冷卻水循環(huán)通道和板式水冷換熱器，冷卻水循環(huán)通道的進(jìn)水口和出水口分別與板式水冷換熱器連接，冷卻水循環(huán)通道和板式水冷換熱器嵌于活動(dòng)擋塊內(nèi)，即水冷系統(tǒng)的所有部分均嵌于活動(dòng)擋塊的導(dǎo)熱上板和承載下板之間。水冷系統(tǒng)的冷卻方式為將進(jìn)水口接上輸水管，出水口接上排水管，在沖頭擠壓金屬熔體時(shí)，活動(dòng)擋塊承載著金屬熔體，此時(shí)使冷卻水持續(xù)通過冷卻水循環(huán)通道，通過導(dǎo)熱上板即可實(shí)現(xiàn)對金屬熔體的快速冷卻，實(shí)現(xiàn)金屬熔體的冷卻速度≥10k/s，該冷卻方式的冷卻速度大于傳統(tǒng)的冷卻速度(1～5k/s)，本發(fā)明所說的快冷是相對傳統(tǒng)金屬模鑄造模冷的冷卻速度而言的，傳統(tǒng)金屬模鑄造模冷的冷卻速度為1～5k/s。
淬火系統(tǒng)包括淬火池和淬火池內(nèi)部盛放的冷卻介質(zhì)，淬火池設(shè)于模具型腔的正下方。
滾珠支撐機(jī)構(gòu)包括帶溝槽的鋼板和若干gcr15鋼珠，鋼珠置于鋼板的溝槽內(nèi)，溝槽內(nèi)凡是與鋼珠接觸的面均已被拋光，承載下板下端的兩側(cè)均設(shè)有滾珠支撐機(jī)構(gòu)，滾珠支撐機(jī)構(gòu)與承載下板緊密接觸，活動(dòng)擋塊可相對滾珠支撐機(jī)構(gòu)滑動(dòng)，鋼珠可使得抽出活動(dòng)擋塊更為容易。當(dāng)需要使用淬火系統(tǒng)時(shí)，抽出活動(dòng)擋塊，沖頭向下擠壓金屬固體，金屬固體被擠出模具型腔后，落入淬火池中，從而對金屬固體快速冷卻，冷卻速度≥1000k/s。
數(shù)據(jù)采集器包括壓力傳感器、溫度傳感器和信號(hào)處理器，模具型腔的腔壁開有壓力數(shù)據(jù)采集通道和溫度數(shù)據(jù)采集通道，壓力傳感器和溫度傳感器分別設(shè)于對應(yīng)的數(shù)據(jù)采集通道內(nèi)，壓力傳感器和溫度傳感器可采集模具型腔內(nèi)側(cè)面的壓力參數(shù)和溫度參數(shù)，壓力傳感器和溫度傳感器均通與信號(hào)處理器信號(hào)連接，壓力傳感器和溫度傳感器采集的相關(guān)參數(shù)傳輸給信號(hào)處理器，然后由信號(hào)處理器處理，得到壓力與時(shí)間的關(guān)系曲線和溫度與時(shí)間的關(guān)系曲線。
水冷系統(tǒng)和淬火系統(tǒng)可以滿足不同冷卻速度的需要：當(dāng)需要以≥10k/s的冷卻速度對金屬熔體冷卻時(shí)，則采用水冷系統(tǒng)進(jìn)行快速冷卻，同時(shí)數(shù)據(jù)采集器在模具型腔內(nèi)側(cè)面上采集相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；當(dāng)需要以≥1000k/s以上的冷卻速度對高溫金屬固體冷卻時(shí)，由信號(hào)處理器可知金屬熔體的實(shí)時(shí)溫度，當(dāng)溫度下降到預(yù)設(shè)的淬火溫度時(shí)(該溫度下金屬熔體已經(jīng)全部凝固為金屬固體)，則立即抽出位于模具型腔下端的活動(dòng)擋塊，啟動(dòng)液壓機(jī)的沖頭將模具型腔中的高溫金屬固體擠入淬火池，采用淬火系統(tǒng)進(jìn)行冷卻。
本發(fā)明的設(shè)備，通過對金屬熔體施加較高的壓力，可以在擠壓的同時(shí)采用水冷系統(tǒng)進(jìn)行冷卻，也可以在金屬熔體完全凝固成固體后通過液壓機(jī)沖頭將高溫金屬固體擠入淬火系統(tǒng)中對高溫金屬固體進(jìn)行冷卻，改善金屬材料的組織形態(tài)和性能，獲得不同于傳統(tǒng)鑄造條件下的高性能鑄件；同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)的整個(gè)過程中，通過數(shù)據(jù)采集器采集其溫度參數(shù)、壓力參數(shù)，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)搭建了平臺(tái)，奠定了基礎(chǔ)。
上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。