[发明专利]具有完全等轴晶粒组织的高纯金属及合金铸锭制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及铸造领域中一种具有均匀成分和组织的金属铸锭制造方法，具体地，涉及一种具有完全等轴晶粒组织的高纯金属及合金铸锭制造方法。 

背景技术

铸锭获得完全且均匀的等轴晶粒组织可以提高其力学性能和工艺性能。当前采用的技术路径主要有两种： 

其一是在熔体中投入细化剂，通过促进形核的方法细化组织，例如中国专利200410067790.1提供了一种混合盐细化剂。该方法成本低廉，操作简单，在工业上有较为广泛应用。但是细化剂的使用同时改变了材料的成分，使该方法不适用于生产纯度较高的金属铸锭。 

其二是半固态铸造方法。其原理由美国麻省理工学院David Spener于20世纪70年代发现，通过在金属液凝固过程中进行强烈搅拌，使易于形成的树枝晶网络骨架被打碎而保留分散的颗粒状组织形态，悬浮于剩余液相中。这种半固态浆料在固相率达0.5-0.6时仍具有一定的流动性，进而可利用常规的成形工艺实现金属成形。该工艺可以消除常规铸件中的柱状晶和粗大树枝晶，铸件组织细小、致密、分布均匀，不存在宏观偏析，进而使铸件的力学性能得到改善。美国专利3902544提供了一种半固态铸造的工艺。但是，由于半固态铸造的方法仅适用于有较宽液固共存区的合金成分，因此不能用于纯金属及微量合金化的金属铸锭的生产。 

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种具有完全等轴晶粒组织的高纯金属及合金铸锭制造方法，解决高纯金属及其合金的晶粒组织细化问题，用于纯金属及微量合金化的金属铸锭的生产。 

为实现上述的目的，本发明提供一种具有完全等轴晶粒组织的高纯金属及合金铸锭制造方法，包括如下步骤： 

第一步，在真空条件下，加热坩埚中的金属并使其完全熔化；开启电磁搅拌装置，通过对流作用使熔体温度保持均匀； 

第二步，精确控制熔体的温度，使坩埚内金属熔体的温度缓慢下降，持续开启电磁搅拌装置，使熔体温度在下降的过程中整体保持均匀； 

第三步，当熔体温度降至其凝固点Tm或液相线温度以下某一温度Tx时，熔体中开始有少量金属晶体形成，将熔体温度降至Tx后保持熔体温度不变； 

第四步，将剪切棒插入熔体中并保持固定，悬浮于熔体中的枝晶在液流的带动下，与剪切棒发生碰撞、剪切等作用并被打碎，进而形成大量细小的形核核心。 

第五步，将剪切棒提起，将压头迅速旋转至坩埚上方并轻轻压下，压头与金属液面接触后，同时通过冷却气管吹送氮气或者氩气使坩埚内的金属迅速冷却，最终得到成分均匀、晶粒细小的全等轴晶金属铸锭。 

所述金属熔体最大升温温度：高于熔点或液相线温度0-200℃。 

所述第三步中：温度Tx：Tx≤Tm，是指熔点或低于液相线温度0-50℃。 

所述第四步中：剪切棒作用时间为0-6h。 

所述第五步中：所述金属迅速冷却，其冷却速度为0-100℃/s。 

所述第五步中：所述压头压力为0-30Mpa。 

所述第五步中：所述冷却气体氮气或者氩气流量为0-10m³/min。 

本发明适用于纯金属或者仅仅含少量合金元素的高纯度合金，这类合金的糊状区较窄，不适宜适用半固态铸造的方法。半固态方法通常要求被处理的合金具有较宽的糊状区。本发明中提及的合金，主要指高纯度合金，即组成合金的若干种组元具有高纯度，其他杂质元素含量极少，如具有适宜成分的铝合金、镍基合金、钛合金、镁合金、钢材等。本发明所指的高纯度合金指组成合金的各名义成分总和达到合金实际成分的99.9wt.%及以上，即杂质含量低于0.1wt.%；少量合金元素的含量根据各合金体系的凝固特点确定，一般来说，适用于本方法的合金，每种合金元素组元的含量应在5.0wt.%以下。 

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果： 

本发明在真空下进行加热，使用保护气体进行冷却，可以避免金属熔体的氧化；采用物理方法打碎枝晶，进而实现金属铸锭的均匀细化，避免了化学细化剂的使用，从而可适用于高纯金属或者合金的细化。 

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显： 

图1为本发明方法一实施例中的加热及搅拌过程示意图； 

图2为本发明方法一实施例中的凝固过程示意图； 

图3为本发明方法一实施例所得合金铸锭的金相组织；