本發明涉及一種金屬熔體均勻化處理的切割破散裝置與方法，特別涉及一種用于金屬熔體的高度分散、均勻化處理，或金屬半固態漿料制備的特殊裝置與方法，屬于冶金、鑄造等金屬材料熱加工領域。

背景技術：

在冶金、鑄造等金屬材料熱加工領域中，人們已經對金屬熔體施加了各種“攪拌”處理(例如半固態金屬漿料制備、電磁攪拌、機械攪拌等)，為的是熔體能在一定尺度上的溫度和成分均勻化，從而增加凝固過程中的有效形核數量、削減結晶界面前沿的成分過冷現象、使晶體發達的迅速長大受到抑制，結晶成為細小的等軸晶組織。雖然目前關于金屬攪拌凝固的機制有上述“結晶抑制”理論和其它如“枝晶折斷”理論等多種解釋，但多數人認為，通常的“攪拌”力度無法達到折斷枝晶的程度，熔體內的微小固相、氧化皮等物質只能在攪拌時發生“折疊”或“熔斷”。那么，能否發明一種易行的裝置和方法，能有效促進合金各組份溶解或相的均質化，并共同借助“抑制”和“折斷”兩種基體結晶機制來高效、優質地進行鑄造熔體的均勻化處理呢？這就是本發明的“切割破散”裝置和方法所要解決的問題。

技術實現要素：

為了發揮多種機制優勢，實現簡單高效、優質無害地均勻化處理金屬熔體的要求，本發明研制了金屬熔體及其復合材料的“切割破散”裝置與方法。

本發明的金屬熔體均勻化處理的切割破散裝置包括以下三種方式：

一種金屬熔體均勻化處理的切割破散裝置，該裝置包括切割片、旋轉軸、液面保護罩和電機等；所述的切割片安裝在旋轉軸上，所述的旋轉軸與電機連接，通過電機的正、反轉交互變換，使旋轉軸實現上下往復移動，所述的切割片和旋轉軸置于金屬熔體的保溫容腔內，所述的液面保護罩置于保溫容腔內金屬熔體液面附近的上方或下方，所述的切割片似刀型，旋轉前端銳利，側面呈斜面、水平面或曲面。

一種金屬熔體均勻化處理的切割破散裝置，該裝置包括切割片、旋轉軸、液面保護罩、電機和移動軌等；所述的切割片安裝在旋轉軸上，所述的旋轉軸與電機連接，所述的電機安裝在可上、下移動的移動軌上，電機可進行單向(正向或反向)轉動，或者進行正、反向轉交互變換，所述的切割片和旋轉軸置于金屬熔體的保溫 容腔內，所述的液面保護罩置于保溫容腔內金屬熔體液面附近的上方或下方，所述的切割片似刀型，旋轉前端銳利，側面呈斜面、水平面或曲面。

一種金屬熔體均勻化處理的切割破散裝置，該裝置包括切割片、旋轉軸、液面保護罩、電機和升降臺等；所述的切割片安裝在旋轉軸上，所述的旋轉軸與電機連接，所述的切割片和旋轉軸置于金屬熔體的保溫容腔內，金屬熔體的保溫容腔置于升降臺上，電機可進行單向(正向或反向)轉動，或者進行正、反向轉交互變換，所述的液面保護罩置于保溫容腔內金屬熔體液面附近的上方或下方，所述的切割片似刀型，旋轉前端銳利，側面呈斜面、水平面或曲面。

在上述三種形式的切割破散裝置中，還包括聯軸器，所述的聯軸器一端與旋轉軸連接，另一端與電機連接，即旋轉軸與電機之間通過聯軸器相連接。

所述的液面保護罩上設置通孔，通孔可用于聯通保護罩上部和下部熔體。

該裝置還包括熱電偶；所述的熱電偶通過液面保護罩上的通孔或液面保護罩與容腔內壁的間隙置于金屬熔體中。

所述的切割片可為2個以上，所述的切割片布置在一個或數個旋轉面上。優選的，所述的切割片為3個，形狀為刀型，旋轉前端鋒利，下側面是水平面，上側面是斜面，所述的切割片布置在3個旋轉面上，沿旋轉軸周向對稱分布。切割片還可具有雙向的尖銳旋轉前端。

上述三種形式的裝置，通過電機的正反轉交互變換，或者電機沿移動軌上下移動，或者升降臺的升降，實現了旋轉軸相對于金屬熔體保溫容腔的上下往復移動，這樣，電機就能在驅動旋轉軸帶動切割片在保溫容腔內高速旋轉的同時還帶動它們沿軸向相對于保溫容腔上下往復運動。在旋轉軸位于金屬熔體液面上方處，設置一個聯軸器，以快速連接和分開電機部件，轉移容腔內的熔體進行鑄造。

該裝置機構非常簡單，裝置的型號尺寸與熔體容腔的尺寸相匹配，無任何增加技術成本的復雜機械結構或是電磁攪拌線圈。

一種金屬熔體均勻化處理的切割破散方法，用于在澆鑄前均勻化處理金屬熔體，包括如下步驟：

①先將金屬熔體所需的添加劑預熱；

②在處于保溫容腔內即將澆鑄的金屬熔體中，按比例加入預熱的添加劑后，進行切割破散的均勻化處理；或者按流量比例連續加入預熱的添加劑，同時進行連續地切割破散的均勻化處理；

③進行切割破散時，旋轉軸和切割片在保溫容腔內高速旋轉的同時還沿軸向相對于保溫容腔進行上下往復運動，通過切割片的高速旋轉和相對于保溫容腔的上下 移動，在熔體內形成無液面翻騰的可控多向紊流，同時還直接切割、破散(或分散)熔體內的微小固相、第二相、氧化物和夾雜物等，使鑄造前金屬熔體內的溶質高度彌散均勻化；

④在金屬熔體溫度降低達到澆鑄溫度時，停止切割破散的均勻化處理，將切割片和旋轉軸升出液面后轉移保溫容腔，并澆鑄已高度均質化的金屬熔體(T_澆≥T_L)或半固態漿料(T_S＜T_澆＜T_L)，從而獲得均勻細小、優良致密的鑄件凝固組織。

步驟①中，所述的添加劑為細化劑、微合金或復合材料顆粒等元素或中間合金，預熱溫度為50℃～T_RL+50℃，T_RL為添加劑的液相線溫度。

步驟②中，對于連續鑄造，容腔內的金屬熔體是連續流過，添加劑是按流量比例連續供給，切割破散的均勻化處理也是連續運行；對于間歇鑄造(例如模鑄)，容腔內是定量的金屬熔體，添加劑是“實時的”定量加入。

步驟③中，進行切割破散時，旋轉軸可進行單向旋轉，或者可進行正、反向交互變換旋轉，如上升時順時針旋轉，下降時逆時針旋轉，或上升時逆時針旋轉，下降時順時針旋轉。

通過電機的正、反轉交互變換實現旋轉軸的上下移動，或者電機沿移動軌上下移動帶動旋轉軸上下移動，或者通過升降臺的升降帶動保溫容腔上下移動，來實現旋轉軸和切割片沿軸向相對于保溫容腔內熔體的上下往復運動。

在保溫容腔內金屬熔體液面附近的上方或下方安裝液面保護罩，液面保護罩上有通孔，可聯通保護罩上部和下部熔體。

步驟④中，澆鑄溫度T_澆：T_S＜T_澆＜T_L+50℃，T_S、T_L分別為金屬固、液相線溫度。電機和旋轉軸之間可以采用聯軸器連接，以實現電機與旋轉軸的快速連接和分開；在此情況下則需分開聯軸器，迅速轉移保溫容腔機構(包含脫離聯軸器后留下的旋轉軸和切割片等所有部件)進行澆鑄。

對從熔煉保溫爐內流出或定量舀出的、即將澆鑄的金屬熔體“實時”添加細化劑、微合金或復合材料顆粒等元素是本發明的主要創造之一。在金屬連鑄行業中，連續的“喂絲”就是一種實時的細化劑添加方法。但是，對于間歇式的“模鑄”，細化劑等元素的添加一般是提前在熔煉保溫爐內進行的，由于量大、鑄造周期慢長，這就使得批次先后取出的金屬熔體內的元素含量不均勻、偏析，甚至細化劑效果衰退。本發明理念是：首先在大熔煉保溫爐內進行細化劑等元素的初步預混后，對定量取出且即將澆鑄的熔體再次“實時的”進行余量的細化劑等元素添加，不但能充分保證批次的各元素組分含量均等，而且能最大程度地防止元素效力衰退。

對上述即將鑄造的金屬熔體進行實時的、促進各組分溶解擴散或分散的均勻化 處理是本發明的主要創造之二。為了能更好地促進元素溶解和熔體成分以及所有相的分布均勻，充分發揮各元素的特殊作用，在金屬凝固前繼續進行實時的均勻化處理是一種創新的技術理念。

金屬熔體均勻化處理采用“切割破散”的方法與裝置是本發明的主要創造之三。發明所設計的切割片裝置似刀型：其旋轉前端尖銳，產生的高強剪切作用能直接切割、破散熔體內所有微小固相、第二相、氧化物、夾雜甚至分子有序排列；如果切割片前端是漸窄的設計，可以用于分散、混合金屬基復合材料；切割片的側面呈斜面、水平面或曲面，根據調整不同的斜度和曲度來調整“攪拌”效應：斜度和曲度越大，則“攪拌翻騰”作用越劇烈；如果斜度很小接近于水平面，則旋轉周向的流動接近層流。在適當側面斜度和曲度的幾何設計下，“切割破散”裝置和方法使得容腔內金屬熔體經受的擾動是“范圍和強度可控”的，局部有序層流但整體紊流，旋轉軸可以帶動切割片在保溫容腔內高速旋轉的同時還能沿軸向上下往復運動，就能將這種局部有序的可控流動施加到全部熔體中，無液面翻騰。因此，這種切割破散裝置和方法是在制造“可控紊流”的同時兼有“切割破散”效應。相比較其它借助電磁力或機械力對金屬熔體實施單純的“攪拌”處理裝置和方法，本發明簡單高效，在金屬熔體處理和鑄造的原理上實現了重要創新。

本發明還具有以下優點：

1、結構簡單，使用方便，處理效果好。

2、無液面翻騰，消除了諸如其它攪拌引起的卷渣、卷氣污染。

3、可分別進行熔體漿料的批次或連續處理。

附圖說明

圖1為金屬熔體的切割破散裝置與使用方法示意圖。

圖2為容腔內切割片機構的俯視示意圖。

圖3為旋轉軸雙向旋轉時切割片截面的A-A向示意圖。

主要附圖標記說明：

1 切割片 2 旋轉軸

3 液面保護罩 4 聯軸器

5 熱電偶 6 電機

7 移動軌 8 保溫容腔

9 通孔 10 金屬液面

具體實施方式

本發明提供了一種金屬熔體均勻化處理的切割破散裝置與方法，下面結合附圖 和具體實施方式對本發明作進一步說明。

如圖1所示，是本發明裝置的主要構造和使用方法示意圖，該裝置由切割片1、旋轉軸2、液面保護罩3、聯軸器4、熱電偶5、電機6和移動軌7等幾部分組成。切割片1布置安裝在旋轉軸2上，旋轉軸2與電機6之間通過聯軸器4相連接，即聯軸器4一端與旋轉軸2連接，另一端與電機6連接，電機6安裝在可上、下移動的移動軌7上，并可沿移動軌7上下移動，切割片1和旋轉軸2置于金屬熔體的保溫容腔8內，液面保護罩3置于保溫容腔8內的金屬液面10下方，液面保護罩3上設置通孔9，通孔9用于聯通液面保護罩3上部和下部金屬熔體，熱電偶5通過通孔9或液面保護罩3與保溫容腔8內壁的間隙置于金屬熔體中，用于測量金屬熔體的溫度。

切割片1似刀型(見A-A向)：其旋轉前端銳利(或漸窄)，側面呈斜面、水平面或曲面。數個切割片1是在一個或數個旋轉面上布置。

在需要旋轉軸2進行正反向交互變換旋轉的情況下，采用的切割片1具有雙向的尖銳旋轉前端如圖2所示，其截面的A-A向示意圖如圖3所示。

電機6部件可以沿移動軌7上下移動，這樣，電機6就能在驅動旋轉軸2高速旋轉的同時還帶動它上下往復運動，進而旋轉軸2可以帶動切割片1在保溫容腔8內高速旋轉的同時還能沿軸向上下往復運動。在旋轉軸2的金屬液面10上方處，可以增加一個聯軸器4，以快速連接和分開電機6部件，轉移保溫容腔8內的熔體進行鑄造。

如圖1所示的裝置中，還可以直接通過電機6的正反轉交互變換實現旋轉軸2相對于保溫容腔8的上下移動，或者采用一個升降臺，將保溫容腔8置于升降臺上，通過升降臺的升降實現保溫容腔8相對于旋轉軸2的上下往復移動，這樣同樣可以使電機6在驅動旋轉軸2帶動切割片1在保溫容腔8內高速旋轉的同時還帶動它們沿軸向相對于保溫容腔8上下往復運動。

上述裝置可用于在澆鑄前均勻化處理金屬熔體，該金屬熔體均勻化處理的切割破散方法，包括如下步驟：

①.先將金屬熔體所需細化劑、微合金或復合材料顆粒等元素R(或其中間合金R)預熱至50℃～T_RL+50℃(T_RL為R的液相線溫度)。

②.對處于容腔內即將澆鑄的金屬熔體，實時按比例加入預熱的R后，立即進行“切割破散”的均勻化處理。

③.電機6沿移動軌7上下移動帶動旋轉軸2上下移動，或通過電機6的正、反轉實現旋轉軸2的上下移動，或通過升降臺的升降帶動保溫容腔8上下移動，這 樣旋轉軸2和切割片1在保溫容腔8內高速旋轉的同時它們還沿軸向相對于保溫容腔進行上下往復運動；保溫容腔8內金屬熔體液面附近的下方(或上方)裝有液面保護罩3，液面保護罩3上有通孔，可聯通保護罩上部和下部熔體；通過尖銳切割片1的高速旋轉和上下移動，不但在整體熔體內制造無液面翻騰的可控多向紊流，還直接切割、破散(或分散)熔體內所有微小固相、第二相、氧化物、夾雜甚至分子有序排列，使鑄造前金屬熔體內的溶質高度彌散均勻化。

④.對于連續鑄造，容腔內的金屬熔體是連續流過，R的添加是按流量比例連續供給，切割破散的均勻化處理也是連續運行；對于間歇鑄造(例如模鑄)，容腔內是定量的金屬熔體，R是“實時的”定量加入，切割破散處理直至金屬溫度降低達到澆鑄溫度T_澆：T_S＜T_澆＜T_L+50℃時(T_S、T_L分別為金屬固、液相線溫度)，停止切割，分開聯軸器(或將切割片機構升出液面)，迅速轉移保溫容腔并澆鑄已高度均質化的金屬熔體(T_澆≥T_L)或半固態漿料(T_S＜T_澆＜T_L)。從而獲得均勻細小、優良致密的鑄件凝固組織。

在一些情況下，采用尖銳旋轉前端為雙向的切割片1如圖2所示，其截面的A-A向示意圖如圖3所示，旋轉軸2進行正反向交互變換旋轉，例如上升時順時針旋轉，下降時逆時針旋轉，或上升時逆時針旋轉，下降時順時針旋轉。

下面是采用金屬熔體的切割破散裝置與方法對AZ91鎂合金進行實時均勻化處理并流變壓鑄汽車連桿的應用實例。

切割片裝置采用3個切割片1(形狀如圖2所示，切割片似刀型(見A-A向)，旋轉前端鋒利，下側面是水平面，上側面是斜面)、3個旋轉面、周向對稱的結構布置。使用時：①.先將AZ91鎂合金所需的細化劑元素C(1wt.％的Mg-Al-C中間合金)在保護氣氛下預熱至660℃(645℃為Mg-Al-C中間合金的液相線溫度)。②.在SF₆保護氣氛下，用保溫容器舀取定量的金屬熔體950g，實時加入30g預熱的C后，立即使用上述裝置進行“切割破散”的均勻化處理。③.通過尖銳切割片1的高速旋轉和勻速上下移動，不但在整體熔體內制造無液面翻騰的可控多向紊流，還直接切割、破散熔體內所有微小固相、第二相、氧化物、夾雜甚至分子有序排列，使鑄造前金屬熔體內的溶質高度彌散均勻化。④.切割破散處理直至合金溫度降低達到澆鑄溫度605℃時(595℃為AZ91鎂合金的液相線溫度)，停止切割，分開聯軸器4，迅速轉移保溫容腔8將已高度均質化的鎂合金熔體澆入壓射腔中，快速壓鑄獲得均勻細小、優良致密的鑄件凝固組織。

本發明在金屬熔體的高度分散、均勻化處理中，旋轉軸可以帶動切割片在保溫容腔內高速旋轉的同時還能沿軸向上下往復運動。這種幾何設計和工作方式，使得 容腔內金屬熔體經受的擾動是“范圍和強度可控”的，且呈離心徑向、旋轉周向、上下軸向的多向紊流。這種可控紊流更配有液面保護罩，就能在整體均勻化處理金屬熔體的同時，避免諸如其它發明是“攪拌翻騰”所引起的卷氣卷渣弊端。進一步地，銳利切割片的高強剪切作用還直接切割、破散熔體內所有微小固相、第二相、氧化物、夾雜甚至分子有序排列，使鑄造前金屬熔體內的溶質高度彌散均勻化，在快速凝固后獲得均勻細小、優良致密的鑄件組織。因此，這種切割破散方法是在制造“可控紊流”的同時兼有“切割破散”效應。相比較其它借助電磁力或機械力對金屬熔體實施單純的“攪拌”處理方法，本發明簡單高效，還引入獨特的細化劑預熱且在澆鑄前實時添加的方法。這些都在金屬熔體處理和鑄造的原理上實現了重要創新。