[发明专利]基于功率超声与压力耦合的金属熔体处理方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及金属材料加工技术领域，特别涉及一种基于功率超声与压力耦合的金属熔体处理方法及装置。

背景技术

国内外研究表明，在凝固过程中对待处理金属熔体施加物理场的处理方法，已逐渐成为提高材料性能的重要工艺手段之一；施加物理场技术是指在金属熔体凝固前或凝固过程中对金属熔体施加一个或多个复合的物理场，利用金属和物理场的相互作用，从而改善其凝固过程和组织性能的一种技术；该技术操作简便且不会对金属熔体及环境产生污染。

目前对待处理金属熔体施加物理场的方法主要有以下几种：(1)在金属熔体的凝固过程进行功率超声处理；(2)让金属熔体在磁场环境下凝固，即进行磁场处理；(3)对金属熔体导电，即进行电流处理。在上述施加物理场的技术领域中，大功率超声波由于其独特的声学效应，对金属凝固过程及材料的组织和性能具有较明显的影响，因此成为当前的研究热点和主要的研究方向。

而研究表明，压力对材料的作用机理、组织和性能也有一定的影响，压力会引起合金的热物性参数(如凝固温度、热导率、密度、比热容和结晶潜热)的变化；同时，金属熔体在压力下的凝固会导致晶粒细化，随着压力数值的变化，合金的力学性能也随之变化。

然而，在目前的金属铸造工艺中，对金属熔体的处理方法只能采用上述方法中的其中一种，无法通过多种方法之间产生的作用互补和耦合来实现更好的改善效果。同时，在功率超声处理方法中，常常会由于功率超声发生机构与模具型腔之间的密封不够合理，影响金属熔体的处理效果，也容易产生金属熔体喷溅的现象。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于功率超声与压力耦合的金属熔体处理方法，该方法原理简单，但可有效改善金属熔体的组织和性能，解决了单一物理场下处理金属熔体效率不明显的问题。

本发明的另一目的在于提供一种用于实现上述方法的基于功率超声与压力耦合的金属熔体处理装置。

本发明的技术方案为：一种基于功率超声与压力耦合的金属熔体处理方法，包括以下步骤：

(1)预热模具型腔；

(2)将金属熔体加热至预设温度后，浇入模具型腔中，同时开启保温加热器，对模具型腔进行保温；

(3)液压机的冲头向金属熔体施加压力，同时，功率超声发生器对金属熔体进行功率超声振动；通过压力和功率超声的协同耦合作用，从而在冷却金属熔体的过程改变金属熔体的物理结构。

所述步骤(1)中，模具型腔的预热温度为250℃。

所述步骤(2)中，金属熔体的预设温度为液相线以上10～100℃的温度范围；保温加热器对模具型腔进行保温时，模具型腔内侧面的温度保持在500～550℃。

所述步骤(3)中，液压机的冲头由上至下向金属熔体施加压力，冲头直接与金属熔体相接触，挤压比压为0～75MPa，挤压速度为0.03～0.06m/s，保压时间为30s。

所述步骤(3)中，功率超声发生器从模具型腔的侧面插入金属熔体中，对金属熔体进行功率超声振动，超声波频率为20KHz，超声波功率为0～2200W。

所述功率超声发生器中，通过超声波导入杆的杆尖插入金属熔体中，插入的深度为2～5mm；功率超声发生器使用前，超声波导入杆的杆尖处涂抹脱模剂。

本发明一种用于上述方法的基于功率超声与压力耦合的金属熔体处理装置，包括模具型腔、保温加热器、冲头和功率超声发生器，金属熔体置于模具型腔中，模具型腔的腔壁内设有保温加热器，冲头设于模具型腔上方，功率超声发生器穿过模具型腔的腔壁后，从模具型腔的侧面插入金属熔体中。

所述功率超声发生器包括依次连接的超声波换能器、超声波变幅杆和超声波导入杆，超声波导入杆的末端带有杆尖，杆尖穿过模具型腔的腔壁后，从模具型腔的侧面插入金属熔体中。

所述超声波导入杆与模具型腔腔壁的相接处设有密封机构，通过端盖固定于模具型腔的腔壁上，密封机构包括模具侧静环、模具侧动环组件、大气侧静环、大气侧动环组件、动环座和密封盖，模具侧静环和大气侧静环分别位于密封装置的两端，模具侧静环的外端面与端盖相连接，模具侧静环的外圆柱面和大气侧静环的外圆柱面分别与密封盖相连接，模具侧静环、大气侧静环和密封盖之间形成密封空间，密封空间内设有模具侧动环组件、大气侧动环组件和动环座，模具侧动环组件和大气侧动环组件分别设于动环座两端。

所述动环座通过销钉固定于超声波导入杆上，模具侧静环的内侧面和大气侧静环的内侧面分别通过静环O型圈与超声波导入杆相连接，模具侧静环的外端面通过防转销与端盖固定连接；