CN100451141C - 一种制备半固态合金的波浪型倾斜板振动装置及制备方法 - Google Patents

一种制备半固态合金的波浪型倾斜板振动装置及制备方法 Download PDF

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Abstract

一种制备半固态合金的波浪型倾斜板振动装置,属于制备半固态合金技术领域。包括支架、波浪型金属板、凸轮振动机构、水冷铜模、电动机和调频装置,支架上固定有中间包,与支架平行固定有支板,支板侧为水冷铜模,在支板和支架间安装有固定板,固定板通过弹簧连接波浪型金属板的托架,在波浪型金属板的托架上固定有凸轮机构,电动机分别与凸轮机构和调压器连接。本发明的优点是制造成本低,工艺流程短,提高了搅拌作用效果,制备的半固态合金组织优良,组织不但细小、圆整而且球化程度高,最细可达10μm。可制备高熔点半固态材料,实现高熔点钢铁材料的半固态成形。

Description

一种制备半固态合金的波浪型倾斜板振动装置及制备方法
技术领域
本发明属于制备半固态合金技术领域,特别是涉及一种制备半固态合金的波浪型倾斜板 振动装置及制备方法。 背景技术
金属半固态成形技术是1971年美国麻省理工学院Flemings教授首先提出的,它是在 合金液固两相区进行成形,节能节材、短流程。具有许多优点:成形力小、能耗小,环保; 容易近终形生产复杂零件;成分偏析少,明显提高工具的寿命;可以生产粒子、纤维复合材 料。被誉为最具前景的21世纪绿色加工技术,引起广泛重视。
目前,国外投入商业化生产的半固态成形技术主要有:螺旋机械搅拌技术、电磁搅拌技 术、喷射沉积技术与应变诱导熔体活化技术等。在成形工艺方面,主要采用触变成形。在半 固态成形中,浆料制备、储运输送、固相率控制要求高,企业员工技术水平有限、企业也不 愿投入较高成本利用尚不十分成熟的技术,成为阻碍该技术在全球大规模推广的重要瓶颈。 如何缩短工艺流程,开发方便快捷、易于实现工业化、低能耗、低成本的新技术是目前半固 态成形技术重点研究内容之一。Molenaar等提出搅拌可以减小液-固界面前沿溶质的富集, 以非枝晶状生长,此后许多学者也都发现了熔体中非枝晶或球状晶的直接生长的现象。Van 等利用丁二腈-水透明模型合金进行搅拌实验,也发现合金非枝晶凝固现象。强烈的对流形 成一个相对均匀温度场与成分场,熔体大量形核。长大过程中,强烈对流极大改善了传热和 传质过程,枝晶生长受强烈抑制。粒状游离晶同时会发生自旋转运动,使晶粒周围环境趋于 均匀,球状生长。低温浇注、搅拌等都可以引起这种条件。Fan Z等认为在高强度的剪切作 用或者高强度紊流使熔体整体形核,提高了形核率,但是,如果在层流条件下,初生晶粒周 围的金属液体渗入二次枝晶臂之间的深度有限,合金熔体仍以树枝晶状生长。但是在高剪切 速率和高强度紊流作用下,初生晶粒周围的金属液体渗入二次枝晶臂之间的深度会增加,减 薄了枝晶周围热扩散边界层和溶质扩散边界层的厚度,减弱了成分过冷,提高了枝晶臂根部 和侧面的生长速度,而枝晶尖端的生长速度不会提高。根据剪切速率或者紊流强度不同,晶 粒生长成玫瑰状或者球状,在剪切速率或者紊流强度超过某一临界值后,初生晶粒直接生长 成球形。 ' 发明内容
针对上述存在的问题,为了改善凝固组织和解决制备浆料过程时斜板表面凝固结壳问
题,深入研究非枝晶组织形成机理,同时开发易于工业化的半固态成形技术,为高熔点的钢 铁材料及易燃镁合金的半固态成形开辟新途径。本发明提供一种制备半固态合金的波浪型倾 斜板振动装置及制备方法,采用波浪型并施加振动的倾斜板,该振动装置制备的半固态合金 组织更细小、圆整,最细可达10ym,很好解决了斜板表面的凝固结壳问题。
本发明的波浪型倾斜板振动装置包括支架、波浪型金属板、凸轮振动机构、水冷铜模、 电动机和调频装置,支架上固定有中间包,与支架平行固定有支板,支板侧为水冷铜模,在 支板和支架间安装有固定板,固定板通过弹簧连接波浪型金属板的托架,在波浪型金属板的 托架上固定有凸轮机构,电动机分别与凸轮机构和调压器连接。
本发明波浪型金属板根据制备不同的半固态材料,材质可采用紫铜、不锈钢等不同的波 浪型板,也可选用带有冷却水箱的波浪型板,其中波峰间距范围为30mra〜60鹏,波峰与波谷 距离范围为10mm〜20mm。凸轮振动机构包括偏心凸轮和轴承座,偏心凸轮通过电动机转轴与 波浪型倾金属板托架上的轴承座连接,根据调节偏心凸轮的偏心距来调节振动的振幅。在与 固定板连接的支板或支架上开有定位孔,固定板一端安装有转轴,通过转轴连接,另一端置 于支板或支架的定位孔中。可调节波浪型金属板的倾斜角度,调节的角度范围在30°〜60 °之间。
波浪型金属板带有加热和冷却系统,将熔融合金浇注到与水平线成-一定倾角的波浪型金 属板表面,同时波浪型金属板在电动机带动下在垂直方向上进行小幅振动,熔融合金在重力 作用下发生流动并与波浪形表面发生作用,并同时受到振动,熔体以高的形核率形核,并在 碰撞剪切与振动条件下生长,通过控制浇注温度、冷却强度、波浪型金属板倾角与振动频率 可获得理想球形晶的半固态材料。采用该技术制备的半固态浆料中包含有细小的球化理想的 固相颗粒组织。可以将制备的半固态金属浆料铸成锭坯,以供半固态触变成形之用,也可以 直接进行流变成形。 ,
本发明的优点是制造成本低,工艺流程短,更容易实现工业化。提高了搅拌作用效果, 制备的半固态合金组织优良,组织不但细小、圆整而且球化程度高,最细可达lOnm。可制 备高熔点半固态材料,实现高熔点钢铁材料的半固态成形。可采用封闭式的矩形斜板,保护 后容易实现镁合金半固态成形。 附图说明
图l是本发明的结构示意图,
图2是图1的左视图,
图3是图1中凸轮机构结构示意图,
图4是图3的剖视图,
图5是A16Si2Mg半固态浆料显微组织图,其中(a) 675°C casting vib-1.4mm, (h) 675°C casting vib=L 5 mm , (c) 675。C casting vib=l. 6 ram;
图6是AZ91D镁合金半固态浆料显微组织图,其中(a) 680°C casting vib=0. 15 mm, (b) 680。C casting vib=l. 4咖,(c) 680'C casting vib=l- 6咖;
图7是1Crl8Ni9Ti不锈钢半固态浆料显微组织图,其中(a) 1600°C casting L=300 ™, (b) 1600°C casting L=450咖,(c) 16(KTC casting L=600 ,;
图中l.基础,2.电动机,3.水冷铜模,4.弹簧,5.波浪型金属板,6.凸轮机构,7.支架, 8.中间包,9.支板,10.固定板,ll.托架,12.偏心凸轮,13.轴承座,14.凸轮轴。 具体实施方式
实施例l:如图i、图2所示,本发明的波浪型倾斜板振动装置包括支架7、波浪型金属 板5、凸轮振动机构6、水冷铜模3、电动机2和调频装置,支架7通过地脚螺栓固定在水泥 地上,在振动时防止共振的发生,其中共振的电压为150V,支架7上固定有中间包8,与支 架7平行固定有支板9,支板9侧为水冷铜模3,在支板9和支架7间安装有用于固定波浪 型金属板5的固定板10,固定板10通过弹簧4连接波浪型金属板5的托架]1,在波浪型金 属板5的托架11上固定有凸轮机构6,凸轮机构6与电机2通过带胶管的钢丝绳软连接,电
机与调压器连接实现波浪型倾斜板的调频。
本例的波浪型金属板5材质为紫铜,其中波峰间距为45,,波峰与波谷距离为15ram。 波浪型金属板5为常温。电动机型号为SU-2的单相串激电动机,通过软接触与凸轮振动机 构6的可调节式偏心凸轮12连接,凸轮振动机构6包括偏心凸轮12和轴承座13,偏心凸轮 12通过电动机转轴与波浪型倾金属板5托架11上的轴承座13连接,偏心凸轮12上开有多 个圆孔,根据调节偏心凸轮12的偏心距来调节振动的振幅。调频寧置釆用型号为12/250的 调压器来实现调频和调振幅,其中频率范围为26HZ〜65HZ,振幅范围为0. 1咖〜2. 5咖。在 与固定板10连接的支板9上开有定位孔,固定板10—端安装有转轴,通过转轴与支架7连 接,另'端置于支板9的定位孔中。用于调节波浪型金属板5的倾斜角度,调节的角度范围 在30°〜60°之间。
采用本发明装置制备A16Si2Mg合金半固态浆料和坯料的制备工艺,包括如下步骤-
(1) 将工业纯铝和工业A1-Si合金放在箱式电阻炉中的坩埚里加热,经熔化后,用控温 柜控制熔液温度;
(2) 当熔液温度达到75(TC时,停止加热,将重量百分比为2W的纯Mg用铝箔包裹并烘干 压入到A1-Si合金熔液中,进行加热熔化;
(3) 全部熔化反应后,停止加热,待熔液温度降至72(TC时,将百分比为0.4%的除渣剂C2Cli,用铝箔包裹并烘干后压入熔液底部,进行合金熔液的除气、除渣精炼处理;
(4)在温度为675'C时,静置10min后,浇注到与水平面成45。,长度为400鹏,并在振
幅分别为1.4mm 、 1.5腿、1. 6mm,相应频率分别为47r/s、 52 r/s、 55 r八s,振动状态下的
波浪型金属板5上,得到的组织如图5所示。
实施例2:本例的装置与实施例l相同,采用该装置制备A16Si2Mg合金半固态浆料和坯
料的制备工艺,包括如下步骤:
(1) 将工业纯铝和工业A1-Si合金放在箱式电阻炉中的坩埚里加热,经熔化后,用控温 柜控制熔液温度;
(2) 当熔液温度达到75(TC时,停止加热,将重量百分比为1.8M的纯Mg用铝箔包裹并烘 干压入到A1-Si合金熔液中,进行加热熔化;
(3) 全部熔化反应后,停止加热,待熔液温度降至72(TC时,将百分比为0.3%的除渣剂 (^1,,用铝箔包裹并烘干后压入熔液底部,本例除渣剂(^16为0.3%,进行合金熔液的除气、 除渣精炼处理;
(4) 在温度为675'C时,静置10min后,浇注到与水平面成45° ,长度为400mm,并在振 幅分别为1.4mm 、 1.5mm、 1.6mm,相应频率分别为47r/s、 52 r/s、 55 r/s,振动状态下的 波浪型金属板5上,得到的组织如图5所示。
实施例3:本例的装置与实施例l相同,采用该装置制备A16Si2Mg合金半固态浆料和坯
料的制备工艺,包括如下步骤:
(1) 将工业纯铝和工业A1-Si合金放在箱式电阻炉中的坩埚里加热,经熔化后,用控温 柜控制熔液温度;
(2) 当熔液温度达到75(TC时,停止加热,将重量百分比为296的纯Mg用铝箔包裹并烘干 压入到A1-Si合金熔液中,进行加热熔化;
(3) 全部熔化反应后,停止加热,待熔液温度降至72(TC时,将百分比为0.5%的除渣剂 C2Clb用铝箔包裹并烘干后压入熔液底部,进行合金熔液的除气、除渣精炼处理;
(4) 在温度为675t:时,静置10min后,浇注到与水平面成45。,长度为400mm,并在振 幅分别为1.4mm 、 1.5mm、 1.6mra,相应频率分别为47r/s、 52 r/s、 55 r/s,振动状态下的 波浪型金属板5上,得到的组织如图5所示。
实施例4:本发明的波浪型倾斜板振动装置,如图l、图2所示,包括支架7、波浪型金 属板5、凸轮振动机构6、水冷铜模3、电动机2和调频装置,支架7上固定有中间包8,与 支架7平行固定有支板9,支板9侧为水冷铜模3,在支板9和支架7间安装有用于固定波 浪型金属板5的固定板10,固定板10通过弹簧4连接波浪型金属板5的托架11,在波浪型
金属板5的托架11上固定有凸轮机构6,凸轮机构6与电机2通过带胶管的钢丝绳软连接, 电机与调压器连接实现波浪型倾斜板的调频。
本例的波浪型金属板5带有加热装置,其材质为紫铜,其中波峰间距为30nun,波峰与波 谷距离为10ram。凸轮振动机构6及调频装置与实施例1相同。在与固定板10连接的支架7 上开有定位孔,固定板IO—端安装有转轴,通过转轴与支板9连接,另一端置于支架7的 定位孔中。用于调节波浪型金属板5的倾斜角度,调节的角度范围在30。〜60°之间。
采用本发明装置制备AZ91D镁合金半固态浆料和坯料的制备工艺,包括如下步骤:
(1) 将不锈钢坩埚预热到50(TC〜53(TC;
(2) 在预热后的不锈钢坩埚内充满氩气,然后将配好纯度为99. 95%的工业纯镁加入到不 锈钢坩埚内,并在流量为5L/ min,压力为14MPa氩气的保护下进行加热;
(3) 用JWK-702精密温度控制柜控制熔液温度,待温度达到650。C,即有镁液产生时, 将重量百分比为W阻燃金属钙加入并升温到72(TC时,并将预热干燥后的重量百分比分别为 工业纯铝9.5%、锌0.9%、锰0.4%元素加入其中,进行熔化反应;
(4) 当合金全部熔化后,搅拌使其混合均匀,静置30min后,将重量百分比为0. 5%的除渣 剂(;CL压入溶液中进行除渣,在68(TC静置10min后,浇注到与水平面成45° ,长度为400腿, 并在振幅分别为0. 15ram 、 1.4咖、1.6咖,相应频率分别为26r/s、 47 r/s、 55 r/s,振动 状态下的波浪型金属板5上,得到的组织如图6所示。
实施例5:本例的装置与实施例4相同,采用该装置制备AZ91D镁合金半固态浆料和坯 料的制备工艺,包括如下步骤-
(1) 将不锈钢钳埚预热到50(TC〜53CTC;
(2) 在预热后的不锈钢坩埚内充满氩气,然后将配好纯度为99.95%的工业纯镁加入到不 锈钢坩埚内,并在流量为5L/ min,压力为14MPa氩气的保护下进行加热;
(3) 用JWK-702精密温度控制柜控制熔液温度,待温度达到65(TC,即有镁液产生时, 将重量百分比为0. 8%阻燃金属钙加入并升温到720'C时,并将预热干燥后的重量百分比分别 为工业纯铝9%、锌0.7%、锰0.2%元素加入其中,进行熔化反应;
(4) 当合金全部熔化后,搅拌使其混合均匀,静置30min后,将重量百分比为0.4%的除 渣剂C2Cii,压入溶液中进行除渣,在68(TC静置10min后,浇注到与水平面成45° ,长度为 400咖,并在振幅分别为0. 15mm 、 1.4mm、 1.6,,相应频率分别为26r/s、 47 r/s、 55r/s, 振动状态下的波浪型金属板5上,得到的组织如图6所示。
实施例6:本例的装置与实施例4相同,采用该装置制备AZ91D镁合金半固态浆料和坯 料的制备工艺,包括如下步骤-
(1) 将不锈钢坩埚预热到50(TC〜530。C;
(2) 在预热后的不锈钢坩埚内充满氩气,然后将配好纯度为99.95%的工业纯镁加入到不 锈钢坩埚内,并在流量为5L/ min,压力为14MPa氩气的保护下进行加热;
(3) 用JWK-702精密温度控制柜控制熔液温度,待温度达到65(TC,即有镁液产生时, 将重量百分比为0. 5%阻燃金属钙加入并升温到72(TC时,并将预热千燥后的重量百分比分别 为工业纯铝8.5%、锌0.45%、锰O. 17%元素加入其中,进行熔化反应;
(4)当合金全部熔化后,搅拌使其混合均匀,静置30min后,将重量百分比为0. 3%的除 渣剂C,CL压入溶液中进行除渣,本例除渣剂C2CL为0. 3%,在68(TC静置10min后,浇注到 与水平面成45。,长度为400mm,并在振幅分别为0. 15鹏、1.4mm、 1. 6麵,相应频率分别 为26r/s、 47 r/s、 55 r八s,振动状态下的波浪型金属板5上,得到的组织如图6所示。
实施例7:本发明的波浪型倾斜板振动装置,如图l、图2所示,包括支架7、波浪型金 属板5、凸轮振动机构6、水冷铜模3、电动机2和调频装置,支架7上固定有中间包8,与 支架7平行固定有支板9,支板9侧为水冷铜模3,在支板9和支架7间安装有用于固定波 浪型金属板5的固定板10,固定板10通过弹簧4连接波浪型金属板5的托架U,在波浪型 金属板5的托架11上固定有凸轮机构6,凸轮机构6与电机2通过带胶管的钢丝绳软连接, 电机与调压器连接实现波浪型倾斜板的调频。
本例的波浪型金属板5材质为不锈钢,其中波峰间距为60mm,波峰与波谷距离为20ran。 波浪型金属板带有冷却水箱。凸轮振动机构6及调频装置与实施例1相同。在与固定板10 连接的支板9上开有定位孔,固定板10 —端安装有转轴,通过转轴与支架7连接,另一端 置f支板9的定位孔中。用于调节波浪型金属板5的倾斜角度,调节的角度范围在30。〜60 °之间。
采用本发明装置制备1Crl8Ni9Ti不锈钢半固态浆料和坯料的制备工艺,包括如下步骤:
(1) 将1Crl8Ni9Ti不锈钢在中频熔炉1600。C熔化。
(2) 熔融的合金在160(TC静置30min后,浇注到与水平面成45。,长度分别为300mm, 450mm, 600mm波浪型金属板5上,合金在重力作用下发生流动,并在流动过程中不断散失热 量,同时不断形核与凝固,控制在40%〜60%的固相率下进入水冷铜模3,得到的组织如图7所示。

Claims (8)

1、 一种制备半固态合金的波浪型倾斜板振动装置,包括支架、水冷铜模、电动机和调 频装置,支架上固定有中间包,与支架平行固定有支板,支板侧为水冷铜模,其特征在于还 包括有波浪型金属板、凸轮振动机构、固定板和弹簧,在支板和支架间安装有固定板,固定 板通过弹簧连接波浪型金属板的托架,在波浪型金属板的托架上固定有凸轮机构,电动机分 别与凸轮机构和调压器连接。
2、 根据权利要求1所述的一种制备半固态合金的波浪型倾斜板振动装置,其特征在于 所述的波浪型金属板波峰间距范围为30mm〜60mm,波峰与波谷的距离范围为10mm〜20mm。
3、 根据权利要求1或2所述的一种制备半固态合金的波浪型倾斜板振动装置,其特征 在于所述的波浪型金属板材质为紫铜或不锈钢,带有冷却水箱或带有加热装置。
4、 根据权利要求1所述的一种制备半固态合金的波浪型倾斜板振动装置,其特征在于所述的凸轮振动机构包括偏心凸轮和轴承座,偏心凸轮通过电动机转轴与波浪型倾金属板托 架上的轴承座连接,偏心凸轮上开有多个圆孔。
5、 根据权利要求1所述的一种制备半固态合金的波浪型倾斜板振动装置,其特征在于 所述的与固定板连接的支板或支架上开有定位孔,固定板一端安装有转轴,通过转轴连接, 另一端置于支板或支架的定位孔中,调节波浪型金属板的角度范围在30°〜60°之间。
6、 采用如权利要求l所述的一种制备半固态合金的波浪型倾斜板振动装置制备A16Si2Mg合金半固态桨料和坯料的方法,其特征在于包括如下步骤:第一步:将工业纯铝和工业A1-Si合金放在箱式电阻炉中的坩埚里加热,经熔化后,用控温柜控制熔液温度;第二步:当熔液温度达到75(TC时,停止加热,将重量百分比为1.8%〜2%的纯Mg用铝 箔包裹并烘干压入到A1-Si合金熔液中,进行加热熔化;第三步:全部熔化反应后,停止加热,待熔液温度降至720'C时,将百分比为0. 3%〜0. 5%的除渣剂C2Cle用铝箔包裹并烘干后压入熔液底部,进行合金熔液的除气、除渣精炼处理;第四步:在温度为675'C时,静置10min后,浇注到振动状态下的波浪型金属板上,即 得到A16Si2Mg合金半固态浆料和坯料组织。 '
7、 采用如权利要求1所述的--种制备半固态合金的波浪型倾斜板振动装置制备AZ91D 镁合金半固态浆料和坯料的方法,其特征在于包括如下步骤- 第一步:将不锈钢坩埚预热到50(TC〜53(rC;第二步:在预热后的不锈钢坩埚内充满氩气,然后将纯度为99. 95%的工业纯镁加入到不 锈钢坩埚内,并在流量为5L/ min,压力为14MPa氩气的保护下进行加热;第三步:用温控柜控制熔液温度,待温度达到65(TC,即有镁液产生时,将阻燃金属钙 加入并升温到720'C时,并将预热干燥后重量为8. 5%~9. 5%的工业纯铝、0.45%〜0.9%锌、 0.17%〜0. 4%锰元素加入其中,进行熔化反应;第四步:当合金全部熔化后,搅拌使其混合均匀,静置30min后,将重量百分比为0. 3%〜 0.5%的除渣剂(;2(:16压入溶液中进行除渣,在680'C静置10min后,浇注到振动状态下的波浪 型金属板上,即得到AZ91D镁合金半固态浆料和坯料组织。
8、采用如权利要求1所述的一种制备半固态合金的波浪型倾斜板振动装置制备1Crl8Ni9Ti不锈钢半固态浆料和坯料的方法,其特征在于包括如下步骤-第一步:将1Crl8Ni9Ti不锈钢在中频熔炉1600'C熔化;第二步:熔融的合金在1600'C静置30min后,浇注到波浪型金属板上,合金在重力作用 下发生流动,同时不断形成核与凝固,40%〜60%的固相率下进入水冷铜模,即得到1Crl8Ni9Ti 不锈钢半固态浆料和坯料组织。
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倾斜式冷却剪切技术制备Al-3%Mg半固态合金坯料. 管仁国,康立文,杜海军等.中国有色金属学报,第16卷第5期. 2006
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振动冷却通道对Sn-15Pd合金凝固组织的影响. 刘文锋,王猛,林鑫等.铸造技术,第28卷第3期. 2007
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