本發明涉及金屬材料加工技術領域，尤其涉及高壓快冷制備金屬材料的方法及裝置。
背景技術：
金屬制品(如鑄錠、鑄件等產品)的質量直接取決于金屬熔體的質量，因此在金屬材料的加工過程中，金屬熔體的成形工藝以及處理方法就顯得尤為重要。擠壓鑄造成形工藝與其他鑄造成形方法相比，所得到的鑄件組織具有均勻致密、力學性能優良、表面光潔度和尺寸精度高等優點，因此被廣泛應用于機械、汽車、家電、航空、航天、國防等領域。
快速冷卻的方法可以使金屬材料以較快的速度發生凝固，研究表明，提高冷卻速度，加快合金的凝固速率可以使合金在非平衡條件下凝固，從而引起合金的組織和結構發生以下幾點變化：(1)擴大合金的固溶極限；(2)獲得更細的晶粒度；(3)減少合金中的偏析；(4)形成亞穩相；(5)減小枝晶間距。與在平衡條件下凝固的合金相比，它們具有更好的力學性能等其他優異的性能。
傳統擠壓鑄造集中于在不超過0.2gpa比壓和金屬熔體冷卻條件(1～5k/s)下對金屬材料進行成形，而在0.2～1.0gpa比壓范圍內擠壓并同時以10k/s以上的冷卻速度進行快速冷卻，則處于極少被涉及的領域，開展該類研究工作對提升金屬材料質量具有廣闊的空間。
技術實現要素：
針對現有技術中存在的技術問題，本發明的目的是：提供一種高壓快冷制備金屬材料的方法，能達到對金屬熔體的擠壓比壓為0.2～1.0gpa，冷卻速度≥10k/s，實現高壓和快冷二者耦合條件下的鑄件成型，獲得高性能鑄件；
本發明的第二目的在于提供另一種高壓快冷制備金屬材料的方法，能達到對金屬熔體的擠壓比壓為0.2～1.0gpa，并在金屬熔體凝固成形后對高溫金屬固體進行淬火，冷卻速度≥1000k/s，獲得高性能鑄件；
本發明的第三目的在于一種高壓快冷制備金屬材料的設備，該設備不僅能實現高壓和快冷二者耦合條件下的鑄件成形，還可以實現高壓擠壓后立即進行淬火條件下的鑄件成形，最終獲得高性能鑄件，并為開發高性能鑄造金屬材料提供試驗平臺。
為了達到上述目的，本發明采用如下技術方案：
一種高壓快冷制備金屬材料的方法，包括以下步驟：
(1)開啟保溫加熱器，預熱模具型腔，使模具型腔的溫度達到設定值；
(2)將金屬熔體加熱至預設溫度后，澆入模具型腔中；
(3)液壓機的沖頭以設定的擠壓速度向金屬熔體施加壓力，同時，開啟位于模具型腔下方的水冷系統，對金屬熔體冷卻。
該金屬材料的制備方法能達到對金屬熔體的擠壓比壓為0.2～1.0gpa，冷卻速度≥10k/s。
進一步的是：一種高壓快冷制備金屬材料的方法還包括以下步驟：
(4)在對金屬熔體實施擠壓與冷卻的同時開啟數據采集器，采集金屬熔體實時的壓力參數與溫度參數，并將所得參數傳輸至信號處理器，得到壓力與時間的關系曲線和溫度與時間的關系曲線。實驗全程通過數據采集器采集器溫度參數、壓力參數并進行數據處理，為后續的實驗搭建了平臺，奠定了基礎。
進一步的是：所述步驟(2)中，金屬熔體的預設溫度為液相線以上10～100℃的溫度范圍；所述步驟(3)中，沖頭擠壓金屬熔體的擠壓比壓為0.2～1.0gpa；金屬熔體的冷卻速度≥10k/s。
一種高壓快冷制備金屬材料的方法，包括以下步驟：
(1)開啟保溫加熱器，預熱模具型腔，使模具型腔的溫度達到設定值；
(2)將金屬熔體加熱至預設溫度后，澆入模具型腔中；
(3)液壓機的沖頭以設定的擠壓速度向金屬熔體施加壓力；同時，開啟數據采集器，采集金屬熔體實時的壓力參數與溫度參數，并將所得參數傳輸至信號處理器，得到壓力與時間的關系曲線和溫度與時間的關系曲線；
(4)從信號處理器中可知金屬熔體的實時溫度，當溫度下降到預設的淬火溫度時(該溫度下金屬熔體已經全部凝固為金屬固體)，抽出位于模具型腔下端的活動擋塊，并啟動液壓機的沖頭，沖頭將模具型腔中的高溫金屬固體擠出模具型腔，金屬固體落入位于模具型腔正下方的淬火池中，實現金屬冷卻。該制備方法能達到對金屬熔體的擠壓比壓為0.2～1.0gpa，冷卻速度≥1000k/s。
一種高壓快冷制備金屬材料的設備，包括模具架、模具型腔、保溫加熱器、液壓機的沖頭、活動擋塊、水冷系統、淬火系統、滾珠支撐機構和數據采集器，模具型腔安裝在模具架上，保溫加熱器設置在模具型腔的腔壁內部，金屬熔體置于模具型腔中，沖頭設于模具型腔上方，水冷系統設于活動擋塊內部，活動擋塊設于模具型腔的下端，活動擋塊下端的兩側設有滾珠支撐機構，滾珠支撐機構安裝在模具架上，淬火系統設于活動擋塊下方，數據采集器與模具型腔的內側面相接。該裝置能實現上述兩種金屬材料的制備方法。
進一步的是：活動擋塊由導熱上板和承載下板拼合而成，導熱上板為銅合金板，承載下板為h13鋼板，導熱上板和承載下板的相接觸部分設有溝槽，水冷系統置于溝槽內?；顒訐鯄K可以支撐金屬熔體，同時置于活動擋塊內的水冷系統通過導熱上板可以冷卻金屬熔體。
進一步的是：水冷系統包括冷卻水循環通道和板式水冷換熱器，冷卻水循環通道的進水口和出水口分別與板式水冷換熱器連接，冷卻水循環通道和板式水冷換熱器嵌于導熱上板和承載下板之間。
進一步的是：淬火系統包括淬火池和淬火池內部盛放的冷卻介質，淬火池設于模具型腔的正下方。抽出活動擋塊，高溫金屬固體直接快速落入淬火池中。該淬火系統可實現在比傳統擠壓鑄造更高的壓力下直接淬火，縮短了鑄件后續固溶處理的重新加熱，是一種短流程成形工藝，有利于節能。
進一步的是：滾珠支撐機構包括帶溝槽的鋼板和若干鋼珠，鋼珠置于鋼板的溝槽內，活動擋塊下端的兩側均設有滾珠支撐機構。
進一步的是：數據采集器包括壓力傳感器、溫度傳感器和信號處理器，模具型腔的腔壁開有壓力數據采集通道和溫度數據采集通道，壓力傳感器和溫度傳感器分別設于對應的數據采集通道內，壓力傳感器和溫度傳感器均與信號處理器信號連接。
總的說來，本發明具有如下優點：
本發明制備金屬材料的方法工藝簡單，可根據實際需要對金屬熔體實施0.2gpa～1.0gpa比壓的擠壓，實現高壓和快冷二者耦合條件下的鑄件成型，獲得不同于傳統鑄造條件下的高性能鑄件。
本發明制備金屬材料的設備，可為開發高性能鑄造金屬材料提供試驗平臺。
本發明通過金屬熔體實施0.2～1.0gpa比壓擠壓的同時實現快速冷卻，利用二者對金屬熔體凝固組織的作用是互補和耦合增強的關系，改善金屬材料的組織形態和性能，獲得不同于傳統鑄造條件下的高性能鑄件。同時在實驗全程通過數據采集器采集溫度參數、壓力參數并進行數據處理，為后續的實驗搭建了平臺，奠定了基礎。
本發明的水冷系統可以在金屬熔體受到高壓擠壓的同時對其進行快速冷卻。
本發明的淬火系統可實現在比傳統擠壓鑄造更高的壓力下直接淬火，縮短了鑄件后續固溶處理的重新加熱，是一種短流程成形工藝，有利于節能。
數據采集器不僅可以全程采集溫度參數與壓力參數，同時也可以配合淬火系統，在金屬材料下降到某一溫度時，立即抽出活動擋塊，用液壓機沖頭擠出高溫金屬固體進行淬火，保留金屬材料在特定溫度下的相與組織，為后續的實驗分析提供豐富的數據。
本的設備結構簡單，容易在傳統立式擠壓鑄造裝備上進行改造，易于推廣，應用前景廣闊。
附圖說明
圖1是本發明設備的結構示意圖。
其中，1為模具型腔，2為保溫加熱器，3為液壓機的沖頭，4為金屬熔體，5為活動擋塊的導熱上板，6為活動擋塊的承載下板，7為水冷系統，8為淬火系統，9為滾珠支撐機構，10為模具架，11為數據采集器。
具體實施方式
下面將結合附圖和具體實施方式來對本發明做進一步詳細的說明。
實施例1
本實施例一種高壓快冷制備金屬材料的方法，包括以下步驟：
(1)開啟保溫加熱器，預熱擠壓鑄造設備的模具型腔，使模具型腔的溫度達到設定值，模具型腔的內側采用涂料潤滑；
(2)將金屬熔體加熱至預設溫度后，快速澆入模具型腔中；
其中，金屬熔體的預設溫度為液相線以上10～100℃的溫度范圍；
(3)液壓機的沖頭以設定的擠壓速度向金屬熔體快速施加壓力，同時，開啟位于模具型腔下方的水冷系統，對金屬熔體快速冷卻，冷卻速度≥10k/s；
水冷系統包括冷卻水循環通道和板式水冷換熱器，冷卻水循環通道的進水口和出水口分別與板式水冷換熱器連接，冷卻水循環通道和板式水冷換熱器嵌于活動擋塊內，活動擋塊包括拼合而成的導熱上板和承載下板，即水冷系統的所有部分均嵌于活動擋塊的導熱上板和承載下板之間。水冷系統的冷卻方式為將進水口接上輸水管，出水口接上排水管，使冷卻水持續通過冷卻水循環通道，即可實現對金屬熔體的快速冷卻。
其中，液壓機的沖頭由上至下向金屬熔體施加壓力，沖頭的壓力由3150kn四柱液壓機提供，沖頭直接與金屬熔體相接觸，擠壓比壓為0.2～1.0gpa，大于傳統的擠壓鑄造的擠壓比壓(傳統的擠壓鑄造的擠壓比壓大多不超過0.2gpa)，本發明所說的高壓是相對傳統擠壓鑄造的擠壓比壓而言的，傳統擠壓鑄造的擠壓比壓大多不超過0.2gpa；
(4)在對金屬熔體實施擠壓與快速冷卻的同時開啟數據采集器，采集金屬熔體實時的壓力參數與溫度參數，并將所得參數傳輸至信號處理器，得到壓力與時間的關系曲線和溫度與時間的關系曲線。
實施例2
本實施例一種高壓快冷制備金屬材料的方法，包括以下步驟：
(1)開啟保溫加熱器，預熱擠壓鑄造設備的模具型腔，使模具型腔的溫度達到設定值，模具型腔的內側采用涂料潤滑；
(2)將金屬熔體加熱至預設溫度后，快速澆入模具型腔中；
其中，金屬熔體的預設溫度為液相線以上10～100℃的溫度范圍；
(3)液壓機的沖頭以設定的擠壓速度向金屬熔體快速施加壓力；同時，開啟數據采集器，采集金屬熔體實時的壓力參數與溫度參數，并將所得參數傳輸至信號處理器，得到壓力與時間的關系曲線和溫度與時間的關系曲線；
其中，液壓機的沖頭由上至下向金屬熔體施加壓力，沖頭的壓力由3150kn四柱液壓機提供，沖頭直接與金屬熔體相接觸，擠壓比壓為0.2～1.0gpa；
(4)從信號處理器中可知金屬熔體的實時溫度，當溫度下降到預設的淬火溫度時(該溫度下金屬熔體已經全部凝固為金屬固體)，立即抽出位于模具型腔下端的活動擋塊，并快速啟動液壓機的沖頭，沖頭將模具型腔中的高溫金屬固體擠出模具型腔，金屬固體落入位于模具型腔正下方的淬火池中，實現快速冷卻金屬固體，冷卻速度≥1000k/s。
實施例3
本實施例的高壓快冷制備金屬材料的設備用于實現實施例1和實施例2的金屬材料的高壓快冷制備方法，如圖1所示，本實施例的設備包括模具架、模具型腔、保溫加熱器、液壓機的沖頭、活動擋塊、水冷系統、淬火系統、滾珠支撐機構和數據采集器，模具型腔安裝在模具架上，保溫加熱器設置在模具型腔的腔壁內部，金屬熔體置于模具型腔中，沖頭設于模具型腔上方，水冷系統設于活動擋塊內部，活動擋塊設于模具型腔的下端，活動擋塊的上端與模具型腔的下端緊密結合，滾珠支撐機構安裝在模具架上，滾珠支撐機構有兩個，分別位于活動擋塊下端的兩側(即圖1中活動擋塊下端的左右兩側)，活動擋塊可以相對滾珠支撐機構滑動，淬火系統設于活動擋塊下方，數據采集器與模具型腔的內側面相接。
活動擋塊由導熱上板和承載下板拼合而成，導熱上板為高強高導熱的銅合金板，承載下板為h13鋼板，強硬度很高，可承載高壓，導熱上板和承載下板的相接觸部分通過數控機床(cnc)加工出溝槽，水冷系統置于溝槽內。
水冷系統包括冷卻水循環通道和板式水冷換熱器，冷卻水循環通道的進水口和出水口分別與板式水冷換熱器連接，冷卻水循環通道和板式水冷換熱器嵌于活動擋塊內，即水冷系統的所有部分均嵌于活動擋塊的導熱上板和承載下板之間。水冷系統的冷卻方式為將進水口接上輸水管，出水口接上排水管，在沖頭擠壓金屬熔體時，活動擋塊承載著金屬熔體，此時使冷卻水持續通過冷卻水循環通道，通過導熱上板即可實現對金屬熔體的快速冷卻，實現金屬熔體的冷卻速度≥10k/s，該冷卻方式的冷卻速度大于傳統的冷卻速度(1～5k/s)，本發明所說的快冷是相對傳統金屬模鑄造模冷的冷卻速度而言的，傳統金屬模鑄造模冷的冷卻速度為1～5k/s。
淬火系統包括淬火池和淬火池內部盛放的冷卻介質，淬火池設于模具型腔的正下方。
滾珠支撐機構包括帶溝槽的鋼板和若干gcr15鋼珠，鋼珠置于鋼板的溝槽內，溝槽內凡是與鋼珠接觸的面均已被拋光，承載下板下端的兩側均設有滾珠支撐機構，滾珠支撐機構與承載下板緊密接觸，活動擋塊可相對滾珠支撐機構滑動，鋼珠可使得抽出活動擋塊更為容易。當需要使用淬火系統時，抽出活動擋塊，沖頭向下擠壓金屬固體，金屬固體被擠出模具型腔后，落入淬火池中，從而對金屬固體快速冷卻，冷卻速度≥1000k/s。
數據采集器包括壓力傳感器、溫度傳感器和信號處理器，模具型腔的腔壁開有壓力數據采集通道和溫度數據采集通道，壓力傳感器和溫度傳感器分別設于對應的數據采集通道內，壓力傳感器和溫度傳感器可采集模具型腔內側面的壓力參數和溫度參數，壓力傳感器和溫度傳感器均通與信號處理器信號連接，壓力傳感器和溫度傳感器采集的相關參數傳輸給信號處理器，然后由信號處理器處理，得到壓力與時間的關系曲線和溫度與時間的關系曲線。
水冷系統和淬火系統可以滿足不同冷卻速度的需要：當需要以≥10k/s的冷卻速度對金屬熔體冷卻時，則采用水冷系統進行快速冷卻，同時數據采集器在模具型腔內側面上采集相應的實驗數據；當需要以≥1000k/s以上的冷卻速度對高溫金屬固體冷卻時，由信號處理器可知金屬熔體的實時溫度，當溫度下降到預設的淬火溫度時(該溫度下金屬熔體已經全部凝固為金屬固體)，則立即抽出位于模具型腔下端的活動擋塊，啟動液壓機的沖頭將模具型腔中的高溫金屬固體擠入淬火池，采用淬火系統進行冷卻。
本發明的設備，通過對金屬熔體施加較高的壓力，可以在擠壓的同時采用水冷系統進行冷卻，也可以在金屬熔體完全凝固成固體后通過液壓機沖頭將高溫金屬固體擠入淬火系統中對高溫金屬固體進行冷卻，改善金屬材料的組織形態和性能，獲得不同于傳統鑄造條件下的高性能鑄件；同時，在實驗的整個過程中，通過數據采集器采集其溫度參數、壓力參數，為后續的實驗搭建了平臺，奠定了基礎。
上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。