[发明专利]一种泡沫金属铸锭的铸造设备及方法

说明书

技术领域

本发明涉属于冶金铸造技术领域，尤其涉及一种泡沫金属铸锭的铸造设备及方法。

背景技术

在现代科学技术、现代工程、现代交通、现代航空航天和现代国防领域，密实金属结构材料一直占有绝对的统治地位。在自然界，多孔材料则是分布最广、使用历史最悠久的材料，人类和动物的骨骼，广泛分布的花草树木等，是应用最成功的多孔材料。

与多孔材料相比，密实金属结构材料密度大、比强度低，制备同样体积的工件和结构件，其原料消耗和结构重量往往是多孔材料的几倍、甚至几十倍。仅以我国为例，每年需要生产5-6亿吨钢铁、3500万吨的铝合金作为各类工程结构原材料使用，原料消耗巨大、生产成本极高。

在现代交通运输领域，密实金属结构材料长期是各类交通工具的主体结构材料，带来的问题是，车辆自重大，运行成本高，能量有效利用率极低。一辆自重1000kg的自驾车（家用小轿车），实际运行的载荷重量往往不超过200kg，用于有效载荷的能量消耗不足18%。一节自重60t的铁路货车车皮，有效载货重量仅为60t，用于有效载荷的能量消耗不足50%。一辆自重4t的卡车，有效载货量约为8t，用于有效载荷的能量消耗不足60%。

在现代航空航天领域，现代战机的和航天火箭的有效能量利用率极低。以当前美国F22猛禽战机为例，全备起飞重量超过35t，有效载弹量仅为2.27t，用于有效载荷的能量消耗不足7%。我国长征4号火箭发射总质量达到249t，有效载货量仅为1.49t，用于有效载荷的能量消耗不足0.6%。

在现代工程领域，使用密实材料仍然有许多工程难题无法克服。我国每年生产铜材近1500万t，其中，约有70%用于导电导体材料，而铜材在导电时，受同流效应和集肤效应的影响，电流主要集中在导体的浅表层。一根直径为200mm的导电铜棒，有效载流区域仅为铜棒表层2mm左右的区域，心部材料占棒材全重96%对导电过程没有贡献，材料的有效利用率不足4%。直接采用管体导电材料又存在强度不足的问题。为克服这一不足，工程上常采用钢棒表面包覆铜或者铝的方法提高导体的强度，增加了铜-钢、铝-钢复合成本，也给后续的铜、钢、铝资源的综合回收利用增加了难度。

为克服密实材料的不足，人们陆续开发了近十种泡沫金属制备方法，希望在结构、功能材料领域，以多孔金属代替传统的密实金属。但是，现有的泡沫金属制备方法，在工艺、技术、装备、制品质量和性能方面，无法满足现代工程结构对材料性能的使用要求。发泡法、吹气法和粉末冶金法是最有发展前途的泡沫金属制备方法，目前来看，粉末冶金法生产泡沫铝的制备成本太高，受制备工艺的限制，制品尺寸很难做大。吹气法和发泡法制备泡沫铝，需要采用碳化硅、氧化铝和金属钙作为异质增粘剂，添加量达到6%-15%，使泡沫金属的脆性增加，塑性大大降低，作为结构材料使用，无法满足用户对产品使用性能的要求。

发明内容

本发明就是针对上述不足，提供一种泡沫金属铸锭的铸造设备及方法。

上述目的是通过下述方案实现的：

一种泡沫金属铸锭的铸造设备，其特征在于，所述铸造设备包括搅拌装置，该搅拌装置设置在金属固液两相区的位置。

根据上述的铸造设备，其特征在于，所述铸造设备包括结晶器，在所述结晶器的外侧设置有电磁搅拌装置，或者在所述结晶器的外侧或内部设置超声波搅拌装置。

根据上述的铸造设备，其特征在于，所述铸造设备包括结晶器，在所述结晶器内设置有机械搅拌装置或气流搅拌装置。

根据上述的铸造设备，其特征在于，所述铸造设备还包括增粘装置和发泡装置，所述发泡装置的出口与所述结晶器的入口连接，所述发泡装置的入口与所述增粘装置的出口连接，在所述增粘装置和发泡装置外侧还分别设置有电磁搅拌装置。

根据上述的铸造设备，其特征在于，所述铸造设备包括铸模，在所述铸模的外侧设置有电磁搅拌装置，或者在所述结晶器的外侧或内部设置超声波搅拌装置。

根据上述的铸造设备，其特征在于，所述铸造设备包括铸模，在所述结晶器内设置有机械搅拌装置或气流搅拌装置。

一种泡沫金属铸锭的铸造方法，其特征在于，所述铸造方法是在金属固液两相区进行搅拌，使该固液两相区中的枝晶占液相金属的质量百分比比例为20%-80%。

根据上述的铸造方法，其特征在于，所述铸造方法使用结晶器铸造，搅拌方式为电磁搅拌或超声波搅拌或机械搅拌或气流搅拌。