[发明专利]一种用于半固态触变成形的钢铁坯料的制备方法及装置

说明书

本发明公开了一种用于半固态触变成形的钢铁坯料的制备方法及装置。所述方法通过控制熔融钢铁材料从液相线温度以上，经过温控结晶器冷却至半固态温度区间过程中的微观组织演变，获得具有均匀、且具有球化微观组织特征的半固态触变成形钢铁坯料。所述装置包括结晶器和成型模具；所述结晶器本体为柱状结构，其内竖向设有均匀分布呈蜂窝状的通孔，在所述通孔的周围均匀设置冷却水道，所述结晶器的上部向外延伸形成锥面入料端；所述成型模具设于结晶器的底部，其开口端与结晶器底部的出料端吻合；所述结晶器的温度通过调节冷却水管的冷却水流速进行控制。本发明能够满足复杂构件的尺寸和微观组织的要求，并且装置和操作方法均简单易行。

技术领域

本发明涉及金属材料成形技术领域，具体涉及一种用于半固态触变成形的钢铁坯料的制备方法及装置。

背景技术

相对于半固态加工，3D打印等新材料加工工艺，更多合金工具钢产品的制造依赖于传统的铸造和锻造工艺。然而，在全球倡导“节能减排”和“绿色制造”的今天，传统的铸造和锻造工艺在材料质量利用率和材料性能利用率的双重考量标准下，都显示出一定的局限性，例如汽车转向节等形状复杂构件的锻造成形存在着材料质量利用率低，成形载荷大等缺点；同时，较低的材料质量利用率又造成合金元素资源的浪费。

半固态锻造成形技术是充分利用金属合金材料，在其半固态温度区间内呈现等轴球状组织以及良好且可控的流动性和较小的变形抗力等特点，而建立的是一种先进的近净成形技术。为了制备适用于半固态触变锻造的具有均匀、细小的球状晶半固态坯浆料，国内外研究者们先后尝试使用机械搅拌法、电磁搅拌法、超声波处理法、冷却斜槽法、喷射沉积法，粉末冶金法、应变诱导熔化激活法等方法来制备钢铁半固态坯料。

然而，由于钢铁较高的固/液相线温度，对机械搅拌法、电磁搅拌法中使用的搅拌棒的熔点要求较高，以及形状复杂构件的特殊性和复杂性，和对制备的钢铁半固态坯料宏观形状、尺寸和微观组织的限制，现有技术明显不能适应半固态成形技术的工业应用，为钢铁半固态成形的研究带来更大的挑战。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种用于半固态触变成形的钢铁坯料的制备方法，解决现有技术对搅拌棒的熔点要求较高，以及不能满足复杂构件的触变锻造成形等问题。

本发明还提供一种用于半固态触变成形的钢铁坯料的制备设备，解决现有技术搅拌棒材料要求高，并且现有设备结构复杂，不便控制等问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种用于半固态触变成形的钢铁坯料的制备方法，通过控制熔融钢铁材料从液相线温度以上，经过温控结晶器冷却至半固态温度区间过程中的微观组织演变，并在模具内获得具有均匀、且具有球化微观组织特征的半固态触变成形钢铁坯料；具体包括以下步骤：

S1：初始钢铁材料的熔融；

S2：熔融钢铁材料的浇铸和冷却：将熔融的钢铁材料经由蜂窝状结晶器浇铸到成型模具之中冷却至半固态温度区；

S3：坯料冷却：将经温控冷却形成的半固态钢铁材料，引入到模具中并强制冷却至室温，即得用于半固态触变成形的钢铁坯料。

其中，所述步骤S1采用氮气作为保护气体，以10-20℃/s的升温速率加热钢铁材料至完全熔融后，保温2-5分钟；步骤S2控制冷却速度为1000-2000mm/s，使结晶器的温度维持在1250-1350℃；最后步骤S3将钢铁材料引入到模具中，对模具进行10-20℃的强制降温，使钢铁材料冷却至室温得到用于半固态触变成形的钢铁坯料。

进一步，所述钢铁材料为SKD11钢、38MnVS6钢或304不锈钢。