CN100482383C - 一种强制均匀凝固连续制备金属浆料的方法 - Google Patents
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Abstract
一种强制均匀凝固连续制备金属浆料的方法，该方法包括：(1)将熔炼过热金属以高于其液相线温度0～100℃的温度，浇入上导流管；(2)金属液体经上导流管流入到熔体分散器，将金属液体喷甩到熔体分散器四周的制浆室的内壁上，制浆室外的控温系统使制浆室的壁温控制在其液相线温度之下0～100℃，金属液体在制浆室锥形底部汇聚，得到固相分数小于30%的金属浆料，金属浆料经下导流管流出，温度控制在其液相线温度的-10～10℃；(3)金属浆料流入收集器中；或者直接输送到压铸、轧制、模锻等常规设备上进行流变成形；或者连续不断的浇注到结晶器内，制成半固态连铸坯。其优点在于，能够实现金属浆料的均匀、大量、连续化制备，易于满足大工业生产的要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种强制均匀凝固连续制备金属浆料的方法，属于材料成形与加工领域。
背景技术
通过强制手段制备含有大量细小、均匀悬浮于液相中晶核的金属浆料，这种浆料具有很好流动性，采用这样的金属浆料进行铸造成形，铸件内部组织细小、均匀、致密，收缩、气孔、偏析、裂纹等缺陷大幅度降低，可以显著提高铸件机械性能；采用这种金属浆料制备的铸坯进行后续加工，能够明显减少开裂、组织不均匀、偏析等问题的发生，提高成材率、加工性和产品力学性能，更为重要的是，可以用较少的压力加工量，就可以达到要求的组织与性能。因此，金属浆料制备方法的研究已经成为提高金属材料性能的重要方向之一。要想获得这样的金属浆料，要对凝固过程实现有效控制。首先创造在液态金属内大量形核的条件，并且保证晶核在液相内均匀分布，同时控制晶核的生长速度。通常利用强迫对流使激冷型壁处形成的大量晶核不断被卷入液体内，并且在对流的作用下金属液体内部晶核和温度分布均匀，避免低温处晶核快速长大和高温处晶核的重熔。这种含有大量有效晶核的浆料在后续的凝固中，晶粒在生长到一定程度就彼此限制，难以长成很大的晶粒，可以获得细小、均匀的微观组织。因此，如何实现金属液体均匀形核是开发简单、连续、稳定制备含一定固相分数的合金浆料的方法的关键。
基于上述的认识，国外已提出的具有代表性的专利有：电磁搅拌法(US4434837)，斜坡冷却法(US 6595266 B2)，CRP法(US 6880613 B2)。电磁搅拌法具有非接触搅拌的优点，但缺点是设备复杂、成本高，特别是对于大尺寸的铸件或铸锭，由于电磁集肤效应，组织不均匀是难免的。斜坡冷却法的优点是设备简单，但是可控性差，流层薄时，容易凝壳；流层厚时，形核及温度不均匀，制备浆料的稳定性差。CRP法可以连续制备浆料，设备简单，两流的对流作用强，可以获得稳定的金属浆料，但是由于液体金属在反应器内的流动属于管内流动，热量的散失完全依靠液体与管壁的热交换，这将造成心部液流与靠近壁面液流的温度存在差异，温度不易均匀；其次该法是在反应器内进行两液流的物质与热量交换，两液流的管径不能太大，因此不适于处理大流量的金属液流，故生产效率低。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提出一种强制均匀凝固连续制备金属浆料的方法，解决连续、稳定制备均匀金属浆料的问题。它的核心是通过制浆室内的旋转的熔体分散器将大体积或大量的金属液体，分成多流小体积或小量的液体进行处理，并且通过控制冷却和强制对流，使其内部同时形成数目众多的微小晶核，且使熔体的温度分布、浓度分布、晶核分布尽可能均匀。这样的熔体浆料在后续的凝固中，晶粒在生长到一定程度就彼此限制，难以长成很大的晶粒，可以获得细小、均匀的微观组织。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案，一种强制均匀凝固连续制备金属浆料的方法包括4个步骤：
(1)、将熔炼合格的过热金属，以高于其液相线温度0～100℃的温度，连续不断的浇入浆料制备装置的上导流管；
(2)、金属液体经上导流管流入到熔体分散器上，通过伸入到制浆室内的旋转的熔体分散器，在氮气或氩气的气氛中，将金属液体喷甩到熔体分散器四周的制浆室的内壁上；
(3)分散后的金属液体沿内壁面流下并混合，同时，制浆室外的控温系统使制浆室的壁温控制在其液相线温度之下0～100℃，金属液体沿制浆室内壁下流时被冷却、形核，金属液体在制浆室锥形底部汇聚，得到固相分数小于30％的金属浆料，金属浆料流入到下导流管，金属浆料在下导流管出口处的温度控制在其液相线温度的-10～10℃；
(4)、金属浆料经下导流管流入一个温度可控的收集器中，收集器内金属浆料的可直接输送到压铸、轧制、模锻等常规设备上进行流变成形；或者连续不断的浇注到结晶器内，制成半固态连铸坯。
在本发明的方法中，通过制浆室内的旋转的熔体分散器将大体积或大量的金属液体，分散成多流小体积或小量的液体进行处理，金属液体沿制浆室内壁面流下的过程中形核，并且混合均匀，得到均匀的、固相分数小于30％的金属浆料。
在所述的步骤(2)中，将金属液体喷甩到熔体分散器四周的制浆室的内壁上的过程是在氮气或氩气的气氛中进行的，其中，氮气或氩气为1～1.5个大气压。
在本发明的强制均匀凝固连续制备金属浆料的方法中，熔体分散器可以有以下的两种形式：喷嘴式或分流盘式。
在所述的步骤(2)中，所述的熔体分散器为喷嘴式的熔体分散器，是采用旋转的喷嘴，使金属液体从喷嘴中喷出；喷头的转速为0～300转/分，且≠0。
在所述的步骤(2)中，所述的熔体分散器为分流盘式的熔体分散器，是由中心设有旋转轴的圆盘体所组成，使金属液体沿圆盘体上表面流动，在圆盘体的边缘沿切线方向甩出，所述的圆盘体由旋转轴向其四周倾斜，圆盘体与旋转轴的夹角90～150度；分流盘的转速0～1400转/分，且≠0。
在本发明的强制均匀凝固连续制备金属浆料的方法中，所述的步骤(2)多次反复进行，即采用多组的上导流管、熔体分散器、制浆室、下导流管，将从前一个制浆室的下导流管流出的金属浆料送入到下一个的上导流管，经下一个熔体分散器将金属液体喷甩到下一个的制浆室的内壁上，金属液体沿内壁面流下并混合，再流入到下一个的下导流管中，达到规定的重复的次数后，再进行下一个步骤。
本发明的优点是：
(1)、本发明方法采用旋转分散器连续将大体积或大量的金属液体，分成多流小体积或小量的液体进行处理，能够有效控制凝固过程，实现金属浆料的均匀、大量、高效、连续化制备，易于满足大工业生产的要求。
(2)、从分散器分散后的熔体沿切线被甩到制浆室内壁，流层厚度小，温度易于控制；在金属液体沿螺旋线路径冲刷制浆室内壁时存在强烈的对流，制浆室内壁形成的大量晶核不断被卷入金属液体，同时在液流汇聚到制浆室底部时，对流依然没有停止，可以使浆料内的晶核、温度分布更加均匀。因此，对金属浆料质量实现稳定、有效地控制。
(3)、通常大尺寸铸件或铸锭晶粒粗大、组织不均匀性不可避免。而经分散处理后流入温度可控的收集器中的金属浆料，由于金属浆料内大量晶核在整个收集器内均匀分布，在后续的凝固成形过程中，可以在相同的冷却速度下，获得更为细小均匀的组织，因而更适于制备大尺寸铸件或铸锭。
(4)、制浆设备简单、应用范围广、实用性强。制浆室结构简单、混合均匀、热交换效率高、生产效率高。连续制备的金属浆料不但可以被直接输送到常规成形设备，利用轧制、压铸、挤压、模锻等常规工艺进行流变成形，也可以制备成坯料，用于各种压力加工。该方法既适合于铝合金浆料的制备，也适合于铜基合金、镁基合金、锌基合金等有色金属浆料的制备。
附图说明
图1是喷嘴式浆料连续制备示意图。图中：1 喷头，2 喷头旋转机构，3 托架，4 制浆室，5 温控系统，6 上导流管，7 喷嘴，8 下导流管。
图2是分流盘式浆料连续制备示意图。图中：1’分流盘，2’分流盘旋转机构，3 托架，4 制浆室，5 温控系统，6 上导流管，7’圆盘体，8 下导流管。
具体的实施方式
喷嘴式浆料连续制备装置主要有喷头1、制浆室4、温控系统5、喷头旋转机构2四个部分，如图1图所示，喷头1、制浆室4、温控系统5由内到外同轴安装在托架3上。喷头1由上导流管6及安装在其底部的喷嘴7构成，喷头旋转机构2动力连接上导流管6的上部，以带动喷嘴7旋转，喷嘴7伸入制浆室4内部。控温系统5是由冷却器与加热器构成。制浆室4为一个带有锥形底部的圆筒，上部装有带孔的盖子，其中的孔可供上导流管6从中穿过，盖子上装有进气管，底部装有下导流管8，下导流管8与制浆室4的锥形底部的中心口对接，金属熔体由上导流管6经喷嘴7喷入到制浆室4的内壁上，经冷却形成的浆料由下导流管8流出。
将熔炼合格的过热金属，以高于其液相线温度0～100℃的温度，连续不断的浇入上导流管6。液体金属经上导流管6底部的喷嘴7喷射到制浆室4的内壁上；上导流管6的转速为0～300转/分，且≠0，金属液体沿内壁面流下并混合，在制浆室4的锥形底部汇聚，得到固相分数小于30％的金属浆料，经制浆室4下部的下导流管8流入一个收集器中。制浆室4外的控温机构5可使制浆室4的壁温控制在液相线温度之下0～100℃。金属液沿制浆室4内壁下流时被冷却，流出下导流管8的温度控制在液相线附近—10～10℃。述经处理的浆料可经下导流管8流入收集器，或者直接输送到压铸、轧制、模锻等常规设备上进行流变成形，或者连续不断的浇注到结晶器内，制成连铸坯。
如图2所示，分流盘式浆料连续制备装置主要有分流盘1’、制浆室4、温控系统5、分流盘旋转机构2’四个部分，如图2所示，分流盘式浆料连续制备装置与喷嘴式浆料连续制备装置的结构除分别采用分流盘1’和喷头1，在这点上不同之外，其余都相同。至于传动系统虽然名称不一样，其结构都一样。分流盘1’是由中心设有旋转轴的圆盘体7’所组成，且圆盘体7’由旋转轴向其四周倾斜，上导流管6可为多个，上导流管6的出口朝向圆盘体7’，金属熔体可由多个上导流管6流入，流到圆盘体7’上。分流盘旋转机构2’动力连接分流盘1’的旋转轴上，以带动圆盘体7’旋转。圆盘体7’与旋转轴的夹角90～150度；分流盘的转速0～1400转/分，且≠0。制浆室4、温控系统5、分流盘旋转机构2’都和喷嘴式浆料连续制备装置中所对应的结构相同，就不再说明了。
将熔炼合格的过热金属，以高于其液相线温度0～100℃的温度，连续不断的浇入上导流管6。液体金属经上导流管6流到以一定速度转动的圆盘体7’上，圆盘体7’将液体金属沿切向甩到制浆室4的内壁上，制浆室4外的控温机构5可使制浆室4的壁温控制在液相线温度之下0～100℃，金属液沿制浆室4内壁下流时被冷却，金属液体沿内壁面下流，在制浆室4锥形底部汇聚、混合，得到固相分数小于30％的金属浆料，金属浆料流出下导流管15的温度控制在液相线附近—10～10℃。金属浆料经制浆室4下部的下导流管8流入一个收集器中。或者直接输送到压铸、轧制、模锻等常规设备上进行流变成形；或者连续不断的浇注到结晶器内，制成半固态连铸坯。
实施例1
采用喷嘴式浆料连续制备装置制备断面尺寸为3.5时的半固态圆坯，材料为A357合金，液相线温度为613℃，要求铸坯表面粗糙度<0.25，后续加工不需去皮处理，铸坯内非枝晶比率大于80％，平均晶粒直径小于100μm，用作半固态触变成形。生产过程中，用中频感应电炉熔炼A357合金，除气精炼处理后，静止20分钟，浇注温度控制在680℃。本发明采用的技术参数为：制浆室预热至600℃后，关闭下导流管，向制浆室内喷入保护气体(氮气或氩气，大于一个大气压)。把上述熔炼合格的合金，以680℃的温度，连续不断的浇入上导流管中，并由其下端的喷嘴喷射到制浆室的内壁上，制浆室的壁温控制在600℃，波动范围±2℃。打开下导流管，出口处浆料温度为610～616℃，浆料进入结晶器进行半连续铸造，水冷结晶器冷却强度为0.5×103kcal/m2.s，拉坯速度为300mm/min，连铸过程中没有拉漏和拉断现象发生，坯料表面光滑，组织得到明显改善，非枝晶相均为颗粒状，铸坯内非枝晶比率95％，平均晶粒直径小于40μm。宏观组织中没有柱状晶区和宏观偏析，其组织和性能完全满足半固态加工要求。
实施例2
采用分流盘式浆料连续制备装置制备商用载重车的关键部件-空压机连杆的压铸，原材料为ZL108铝合金，液相线温度约为605℃。由于铝合金空压机连杆的力学性能要求高、使用条件特殊，铸件容易发生气孔、疏松等铸造缺陷，合格率不足80％。本发明采用技术方案是：用中频感应电炉熔炼ZL108合金，除气精炼处理后，静止20分钟，浇注温度控制在660℃。采用的技术参数为：制浆室预热至600℃后，关闭下导流管，向制浆室内喷入保护气体(氮气或氩气，大于一个大气压)。把上述熔炼合格的合金，以660℃的温度，连续不断的浇入上导流管中，流到转动着的分流盘的圆盘体上，沿圆盘体上表面流动，在圆盘体的边缘，沿切线脱离圆盘体，被甩到制浆室的内筒壁上，金属液体沿内壁面下流，制浆室的壁温控制在600℃，波动范围±2℃。打开下导流管，出口处浆料温度为595～607℃，浆料定量进入压铸机熔杯内进行压铸成形。通过对铸件进行X射线探伤发现，气孔、疏松等缺陷明显减少，合格率高达95％以上。
Claims (4)
1、一种强制均匀凝固连续制备金属浆料的方法，其特征在于：该方法包括下述步骤：
(1)、将熔炼合格的过热金属，以高于其液相线温度0～100℃的温度，连续不断的浇入浆料制备装置的上导流管；
(2)、金属液体经上导流管流入到熔体分散器上，通过伸入到制浆室内的旋转的熔体分散器，在氮气或氩气的气氛中，将金属液体喷甩到熔体分散器四周的制浆室的内壁上；
(3)分散后的金属液体沿内壁面流下并混合，同时，制浆室外的控温系统使制浆室的壁温控制在过热金属的液相线温度之下0～100℃，金属液体沿制浆室内壁下流时被冷却、形核，金属液体在制浆室锥形底部汇聚，得到固相分数小于30％的金属浆料，金属浆料流入到下导流管，金属浆料在下导流管出口处的温度控制在其液相线温度的—10～10℃；
(4)、金属浆料经下导流管流入一个温度可控的收集器中，收集器的内金属浆料直接输送到常规设备上进行流变成形，所述的常规设备包括压铸、轧制、模锻设备；或者连续不断的浇注到结晶器内，制成半固态连铸坯。
2、根据权利要求1所述的强制均匀凝固连续制备金属浆料的方法，其特征在于：在所述的步骤(2)中，所述的熔体分散器为喷嘴式的熔体分散器，是采用旋转的喷嘴，使金属液体从喷嘴中喷出，喷头的转速为0～300转/分，且≠0。
3、根据权利要求1所述的强制均匀凝固连续制备金属浆料的方法，其特征在于：在所述的步骤(2)中，所述的熔体分散器为分流盘式的熔体分散器，是由中心设有旋转轴的圆盘体所组成，使金属液体沿圆盘体上表面流动，在圆盘体的边缘沿切线方向甩出，所述的圆盘体是以旋转轴为中心向圆盘体的四周倾斜，圆盘体与旋转轴的夹角90～150度；圆盘体的转速0～1400转/分，且≠0。
4、根据权利要求1所述的强制均匀凝固连续制备金属浆料的方法，其特征在于：所述的步骤(2)和步骤(3)反复进行，即采用多组的上导流管、熔体分散器、制浆室、下导流管，将从前一个制浆室的下导流管流出的金属浆料送入到下一个的上导流管，经下一个熔体分散器将金属液体喷甩到下一个的制浆室的内壁上，金属液体沿内壁面流下并混合，再流入到下一个的下导流管中，达到规定的重复的次数后，再进行下一个步骤。
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