[發(fā)明專利]基于功率超聲與壓力耦合的金屬熔體處理方法及裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410306701.8
• 申請(qǐng)日: 2014-06-30
• 公開（公告）號(hào): CN104084567A
• 公開（公告）日: 2014-10-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張衛(wèi)文;張楊;邱誠;羅宗強(qiáng);羅執(zhí)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華南理工大學(xué)
• 主分類號(hào): B22D27/11
• 分類號(hào): B22D27/11;B22D27/20
• 代理公司: 廣州市華學(xué)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 44245
• 代理人: 謝靜娜

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及金屬材料加工技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于功率超聲與壓力耦合的金屬熔體處理方法及裝置。

背景技術(shù)

國內(nèi)外研究表明，在凝固過程中對(duì)待處理金屬熔體施加物理場的處理方法，已逐漸成為提高材料性能的重要工藝手段之一；施加物理場技術(shù)是指在金屬熔體凝固前或凝固過程中對(duì)金屬熔體施加一個(gè)或多個(gè)復(fù)合的物理場，利用金屬和物理場的相互作用，從而改善其凝固過程和組織性能的一種技術(shù)；該技術(shù)操作簡便且不會(huì)對(duì)金屬熔體及環(huán)境產(chǎn)生污染。

目前對(duì)待處理金屬熔體施加物理場的方法主要有以下幾種：(1)在金屬熔體的凝固過程進(jìn)行功率超聲處理；(2)讓金屬熔體在磁場環(huán)境下凝固，即進(jìn)行磁場處理；(3)對(duì)金屬熔體導(dǎo)電，即進(jìn)行電流處理。在上述施加物理場的技術(shù)領(lǐng)域中，大功率超聲波由于其獨(dú)特的聲學(xué)效應(yīng)，對(duì)金屬凝固過程及材料的組織和性能具有較明顯的影響，因此成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)和主要的研究方向。

而研究表明，壓力對(duì)材料的作用機(jī)理、組織和性能也有一定的影響，壓力會(huì)引起合金的熱物性參數(shù)(如凝固溫度、熱導(dǎo)率、密度、比熱容和結(jié)晶潛熱)的變化；同時(shí)，金屬熔體在壓力下的凝固會(huì)導(dǎo)致晶粒細(xì)化，隨著壓力數(shù)值的變化，合金的力學(xué)性能也隨之變化。

然而，在目前的金屬鑄造工藝中，對(duì)金屬熔體的處理方法只能采用上述方法中的其中一種，無法通過多種方法之間產(chǎn)生的作用互補(bǔ)和耦合來實(shí)現(xiàn)更好的改善效果。同時(shí)，在功率超聲處理方法中，常常會(huì)由于功率超聲發(fā)生機(jī)構(gòu)與模具型腔之間的密封不夠合理，影響金屬熔體的處理效果，也容易產(chǎn)生金屬熔體噴濺的現(xiàn)象。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于功率超聲與壓力耦合的金屬熔體處理方法，該方法原理簡單，但可有效改善金屬熔體的組織和性能，解決了單一物理場下處理金屬熔體效率不明顯的問題。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種用于實(shí)現(xiàn)上述方法的基于功率超聲與壓力耦合的金屬熔體處理裝置。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種基于功率超聲與壓力耦合的金屬熔體處理方法，包括以下步驟：

(1)預(yù)熱模具型腔；

(2)將金屬熔體加熱至預(yù)設(shè)溫度后，澆入模具型腔中，同時(shí)開啟保溫加熱器，對(duì)模具型腔進(jìn)行保溫；

(3)液壓機(jī)的沖頭向金屬熔體施加壓力，同時(shí)，功率超聲發(fā)生器對(duì)金屬熔體進(jìn)行功率超聲振動(dòng)；通過壓力和功率超聲的協(xié)同耦合作用，從而在冷卻金屬熔體的過程改變金屬熔體的物理結(jié)構(gòu)。

所述步驟(1)中，模具型腔的預(yù)熱溫度為250℃。

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；保溫加熱器對(duì)模具型腔進(jìn)行保溫時(shí)，模具型腔內(nèi)側(cè)面的溫度保持在500～550℃。

所述步驟(3)中，液壓機(jī)的沖頭由上至下向金屬熔體施加壓力，沖頭直接與金屬熔體相接觸，擠壓比壓為0～75MPa，擠壓速度為0.03～0.06m/s，保壓時(shí)間為30s。

所述步驟(3)中，功率超聲發(fā)生器從模具型腔的側(cè)面插入金屬熔體中，對(duì)金屬熔體進(jìn)行功率超聲振動(dòng)，超聲波頻率為20KHz，超聲波功率為0～2200W。

所述功率超聲發(fā)生器中，通過超聲波導(dǎo)入桿的桿尖插入金屬熔體中，插入的深度為2～5mm；功率超聲發(fā)生器使用前，超聲波導(dǎo)入桿的桿尖處涂抹脫模劑。

本發(fā)明一種用于上述方法的基于功率超聲與壓力耦合的金屬熔體處理裝置，包括模具型腔、保溫加熱器、沖頭和功率超聲發(fā)生器，金屬熔體置于模具型腔中，模具型腔的腔壁內(nèi)設(shè)有保溫加熱器，沖頭設(shè)于模具型腔上方，功率超聲發(fā)生器穿過模具型腔的腔壁后，從模具型腔的側(cè)面插入金屬熔體中。

所述功率超聲發(fā)生器包括依次連接的超聲波換能器、超聲波變幅桿和超聲波導(dǎo)入桿，超聲波導(dǎo)入桿的末端帶有桿尖，桿尖穿過模具型腔的腔壁后，從模具型腔的側(cè)面插入金屬熔體中。

所述超聲波導(dǎo)入桿與模具型腔腔壁的相接處設(shè)有密封機(jī)構(gòu)，通過端蓋固定于模具型腔的腔壁上，密封機(jī)構(gòu)包括模具側(cè)靜環(huán)、模具側(cè)動(dòng)環(huán)組件、大氣側(cè)靜環(huán)、大氣側(cè)動(dòng)環(huán)組件、動(dòng)環(huán)座和密封蓋，模具側(cè)靜環(huán)和大氣側(cè)靜環(huán)分別位于密封裝置的兩端，模具側(cè)靜環(huán)的外端面與端蓋相連接，模具側(cè)靜環(huán)的外圓柱面和大氣側(cè)靜環(huán)的外圓柱面分別與密封蓋相連接，模具側(cè)靜環(huán)、大氣側(cè)靜環(huán)和密封蓋之間形成密封空間，密封空間內(nèi)設(shè)有模具側(cè)動(dòng)環(huán)組件、大氣側(cè)動(dòng)環(huán)組件和動(dòng)環(huán)座，模具側(cè)動(dòng)環(huán)組件和大氣側(cè)動(dòng)環(huán)組件分別設(shè)于動(dòng)環(huán)座兩端。

所述動(dòng)環(huán)座通過銷釘固定于超聲波導(dǎo)入桿上，模具側(cè)靜環(huán)的內(nèi)側(cè)面和大氣側(cè)靜環(huán)的內(nèi)側(cè)面分別通過靜環(huán)O型圈與超聲波導(dǎo)入桿相連接，模具側(cè)靜環(huán)的外端面通過防轉(zhuǎn)銷與端蓋固定連接；