CN101508010B - 一种过热电磁搅拌定量制备半固态金属浆料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种过热电磁搅拌定量制备半固态金属浆料的方法，其以过热金属熔体为原料，经过如下加工工艺过程制备而成：1)将精炼合格的过热金属熔体以高于其液相线温度10～80℃浇入已预热的定量坩埚中；然后将装有金属熔体的坩埚移入保温炉中进行均匀化保温；2)将保温后的装有金属熔体坩埚移入电磁搅拌器中，对坩埚内的金属熔体进行电磁搅拌，搅拌过程中的金属熔体为液相状态，同时采用一温度控制器实时控制坩埚外壁的冷却速度；3)将电磁搅拌后的金属熔体定量浇入已预热的模具或铸型中，通过调整模具或铸型的预热温度获得不同固相率的非枝晶半固态浆料，直接流变成形或转移至保温炉内进行保温和球化处理后触变成形。本发明方法操作简单，能高效可控地制备出各种合金材料的优质半固态金属浆料。

Description

一种过热电磁搅拌定量制备半固态金属浆料的方法

技术领域

本发明涉及半固态加工技术领域，特别是关于一种过热电磁搅拌定量制备半固态金属浆料的方法。

背景技术

自上个世纪70年代以来，半固态成形技术在理论和工业应用方面发展迅速。介于液态、固态之间的半固态金属，既可以在压力加工的过程中，压力较小的情况下成形出形状复杂的制件，也可以减少铸造加工造成的常见缺陷，使制件的性能达到了一个较高的水平；同时还保留了压力加工和铸造加工二者所具有的节能、近净成形、环保等优点，满足新世纪的先进制造技术的要求。目前，半固态成形工艺在充型性能以及制件质量方面的优势已经得到了充分的体现，其在欧美等发达国家已经实现了工业化，现广泛应用于提高铝镁等轻金属制件的力学性能。

半固态成形工艺按工艺流程的不同可分为触变成形和流变成形，然而，无论是哪一种工艺，高质量的制件的获得关键在于工艺前期能否获得细小、圆整的非枝晶浆料组织。为此，各种制浆工艺应运而生，其主要包括机械搅拌法、超声振动法、电磁搅拌法、近液相线浇注法、双螺杆剪切法、阻尼管冷却法等。其中，机械搅拌法是最早出现的一种制浆工艺，其存在制备效率低，污染铝合金熔体等缺点。超声振动法的作用范围具有局限性，不适合工业化的大规模生产。近液相线浇注法虽然可以获得细小的球形晶粒，但该工艺对铝合金熔体的温度控制要求相当严格，操作复杂，而且该方法还会使铝合金熔体的流动性变差。双螺杆剪切工艺可实现连续制备，但由于螺杆和金属接触，致使螺杆工况差，寿命短，设备成本高。而阻尼管冷却法和斜坡冷却法等工艺获得的浆料质量较差，不能直接用于流变成形，还必须对最初得到的浆料进行第二次加热，使浆料中的固相初晶进一步球化才可使用。与上述各种工艺相比，电磁搅拌法具有非接触性、能量密度高、可控性强等优点，因此其在工业上的应用最为广泛。目前，采用电磁搅拌与其它工艺相结合制备半固态浆料的技术在国内外已有不少专利，它们均有一个共同的特征在于：电磁搅拌主要作用于合金熔体的凝固过程(即过冷电磁搅拌)，直接影响了铝合金熔体中固相初晶的形核、长大，其只能制备出一定固相率的非枝晶半固态浆料，而且制备出的浆料组织在随后的保持或转移过程中受外界环境的影响较大，该影响在微观上的表现为固相率及固相初晶的尺寸及均匀化程度发生较大的波动，在宏观上的表现为浆料的粘度存在一定的差异，同时存在凝固收缩的问题，使浆料的输送量以及流变成形过程的精确控制难度加大。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种操作简单、高效可控地制备优质半固态金属浆料的过热电磁搅拌定量制备半固态金属浆料的方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种过热电磁搅拌定量制备半固态金属浆料的方法，其特征在于：以过热金属熔体为原料，经过如下加工工艺过程制备而成：1)将精炼合格的过热金属熔体以高于其液相线温度10～80℃浇入已预热的定量坩埚中，盖上封盖；然后将装有金属熔体的坩埚移入保温炉中进行均匀化保温；上述坩埚的预热温度为高于所浇注的金属熔体液相线温度0～40℃，保温炉内的温度控制在所浇注的金属熔体液相线温度以上0～40℃，保温时间为5～20min；2)将保温后的装有金属熔体坩埚移入电磁搅拌器中，对坩埚内的金属熔体进行电磁搅拌，同时采用一温度控制器实时控制坩埚外壁的冷却速度，使金属熔体的冷却速度控制在0.1～0.8℃/s的范围内，并将经过搅拌后的金属熔体的温度缓冷到其液相线温度以上0～20℃，搅拌过程中的金属熔体为液相状态；3)将电磁搅拌后的金属熔体定量浇入已预热的模具中，通过调整模具的预热温度获得不同固相率的非枝晶半固态浆料，然后直接流变成形；或者电磁搅拌后的金属熔体定量浇入已预热的铸型中，通过调整铸型的预热温度获得不同固相率的非枝晶半固态浆料，然后转移至保温炉内进行保温和球化处理，最后直接触变成形；其中，模具和铸型的预热温度控制在所浇注的金属熔体液相线温度以下20～100℃的范围内。

所述步骤2)中的电磁搅拌器与一低频电源相连，该电磁搅拌器的功率为1～15kW，频率为1～50Hz，励磁电流为1～50A。

所述步骤2)中的温度控制器与一置于所述金属熔体内的温度传感器电连接，所述温度控制器接收所述传感器采集的温度，将反馈指令输送给贴设于坩埚外壁的加热/冷却元件，实时调控所述金属熔体的冷却速度。

所述保温炉采用电阻炉或者工频、中频或高频电磁感应炉，所述保温炉内的温度波动小于2℃。

所述步骤3)中的模具的预热方式为电阻加热式，铸型的预热方式为直接放入保温炉中预热保温。

所述金属熔体采用的材料为A356合金，所述步骤2)中的冷却速度为0.5℃/s。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、由于本发明的金属熔体在电磁搅拌过程中及电磁搅拌结束后直至浇入模具或铸型时，其始终为液相状态，这样就将浆料中非枝晶固相初晶的形核及长大阶段延迟至模具或铸型中进行，因此采用本发明获得的金属浆料的粘度及其受环境影响的波动比半固态浆料小，不存在凝固收缩问题，易于精确控制转移输运量。2、由于本发明可以通过精确控制模具和铸型的预热温度，而细小、圆整的非枝晶浆料组织是在模具或铸型中大量形成的，因此可以根据需要改变模具和铸型的预热温度，控制半固态金属浆料成形的固相率。3、由于本发明在制备触变坯料时，其是通过调节铸型的预热温度获得一定固相率的预制浆料，然后直接进行保温球化处理，省去了普通触变成形前对坯料进行二次加热的升温过程，因此能耗低，能源利用率高。3、由于本发明采用的电磁搅拌器的结构简单，且其对金属熔体的搅拌是在金属的液相状态进行的，因此搅拌效率高，能耗低，工艺操作简单易行，实用性强。本发明方法制备的浆料组织既可直接用于流变成形，也可直接制备出触变成形所需的半固态坯料，适用于制备各种合金的非枝晶半固态金属浆料。

附图说明

图1是为本发明方法的工作流程示意图

图2是经过热电磁搅拌获得的A356合金半固态浆料的微观组织，浅色区域为α-Al初晶，深色区域为凝固的Al-Si共晶组织

图3是未经过热电磁搅拌获得的A356合金半固态浆料的微观组织，浅色区域为α-Al初晶，深色区域为凝固的Al-Si共晶组织

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的进行详细的描述。

如图1所示，本发明方法是采用过热金属熔体1为原料，经过如下加工工艺过程制备而成：

1)将精炼合格的过热金属熔体1从精炼炉2浇入已预热的定量坩埚3中，过热金属熔体1的温度高于其液相线温度10～80℃。坩埚3上设置有一封盖4，封盖4可以防止坩埚3内的金属熔体1氧化、卷气或外溢。然后将装有金属熔体1的坩埚3移入保温炉5中进行保温，这样可以使金属熔体1的加热均匀化。坩埚3的预热温度为高于金属熔体1液相线温度的0～40℃，保温炉2内的温度控制在金属熔体1液相线温度以上0～40℃，保温时间为5～20min。

2)金属熔体1保温结束后，将装有金属熔体1的坩埚3移入电磁搅拌器6中，由于电磁搅拌器6设置在坩埚3外部的四周，因此电磁搅拌器6可以对金属熔体1进行充分搅拌。开启电磁搅拌器6，电磁搅拌器6与一个低频电源相连，功率为1～15kW，频率为1～50Hz，励磁电流为1～50A。电磁搅拌器6对坩埚3内的金属熔体1施加一个水平旋转磁场，使金属熔体1的温度整体均匀地缓冷到金属熔体1的液相线温度以上0～20℃，因此搅拌过程中的金属熔体1始终为液相状态。在电磁搅拌器6对金属熔体1进行搅拌的过程中，插设一温度传感器7在金属熔体1中，并将温度传感器7与外界的一温度控制器8电连接，因此温度传感器7可以采集金属熔体1的温度，并将采集的温度值输送给温度控制器8，温度控制器8对该温度进行判断，反馈一指令给贴设于坩埚3外壁的加热/冷却元件9，实时调控金属熔体1的冷却速度，使冷却速度控制在0.1～0.8℃/s范围内。本实施例中的温度传感器7为本领域常用设备，在此不限。温度控制器8可以采用可控硅或者PLC(Programmable Controller，可编程控制器)。

3)将电磁搅拌后的金属熔体1定量浇入已预热的模具10中，通过调整模具10的预热温度获得不同固相率的非枝晶半固态浆料，然后直接流变成形；或者将电磁搅拌后的金属熔体1定量浇入已预热的铸型11中，通过调整铸型11的预热温度获得不同固相率的非枝晶半固态浆料，然后转移至保温炉5内进行保温和球化处理，最后直接触变成形。其中，模具10和铸型11的预热温度控制在所浇注的金属熔体1液相线温度以下20～100℃的范围内。

上述实施例中，保温炉5可以采用电阻炉或者工频、中频或高频电磁感应炉，且保温炉5内的温度波动小于2℃。

上述实施例中，模具10的预热方式为电阻加热式，而铸型11是直接放入保温炉5中预热保温，这样会使模具10和铸型11受热均匀。

上述实施例中，金属熔体1所采用的材料可以为铝硅铸造合金，也可以为其它的各种合金。

以下结合附图详细说明本发明的实施例：

如图1所示，首先，将精炼合格的A356合金液(A356合金的液相线温度约615℃)浇入预热至650℃的定量坩埚3内，盖上封盖4，将坩埚3移入保温炉5中进行保温，保温温度设置为650℃，保温时间设置为15min，保温期间保温炉5内的温度上下波动控制在2℃以内。然后，将坩埚3移入电磁搅拌器6中，电磁搅拌器6与一个低频电源相连，低频电源的功率为6.6kW，低频电源的频率为25Hz，低频电源的励磁电流为30A。之后开启电磁搅拌器6，采用K型热电偶作为温度传感器7采集搅拌过程中A356合金液的温度，采用温度控制器8控制加热/冷却元件9对A356合金液的冷却速度，使冷却速度为0.5℃/s。当坩埚3中A356合金液温度降至630℃时，电磁搅拌器6停止搅拌。最后，将温度为630℃的A356合金液直接浇入预热至550℃的铸型11中，此时A356合金液迅速过冷并开始形核，非枝晶初晶浆料组织大量形成。

如图2所示，上述工艺过程获得的A356合金非枝晶初晶浆料组织中，圆整度在1～1.6内的非枝晶在整个固相初晶中约占60％，适合流变成形。

如图3所示，A356合金液经630℃保温后，未进行过热电磁搅拌，而直接浇入预热至550℃的铸型11中获得的浆料微观组织，其中含有大量的蔷薇状晶，且晶粒尺寸较大，不适合流变成形。

Claims (10)

1.一种过热电磁搅拌定量制备半固态金属浆料的方法，其特征在于：以过热金属熔体为原料，经过如下加工工艺过程制备而成：

1)将精炼合格的过热金属熔体以高于其液相线温度10～80℃浇入已预热的定量坩埚中，盖上封盖；然后将装有金属熔体的坩埚移入保温炉中进行均匀化保温；上述坩埚的预热温度为高于所浇注的金属熔体液相线温度0～40℃，保温炉内的温度控制在所浇注的金属熔体液相线温度以上0～40℃，保温时间为5～20min；

2)将保温后的装有金属熔体坩埚移入电磁搅拌器中，对坩埚内的金属熔体进行电磁搅拌，同时采用一温度控制器实时控制坩埚外壁的冷却速度，使金属熔体的冷却速度控制在0.1～0.8℃/s的范围内，并将经过搅拌后的金属熔体的温度缓冷到其液相线温度以上0～20℃，搅拌过程中的金属熔体为液相状态；

3)将电磁搅拌后的金属熔体定量浇入已预热的模具中，通过调整模具的预热温度获得不同固相率的非枝晶半固态浆料，然后直接流变成形；或者电磁搅拌后的金属熔体定量浇入已预热的铸型中，通过调整铸型的预热温度获得不同固相率的非枝晶半固态浆料，然后转移至保温炉内进行保温和球化处理，最后直接触变成形；其中，模具和铸型的预热温度控制在所浇注的金属熔体液相线温度以下20～100℃的范围内。

2.如权利要求1所述的一种过热电磁搅拌定量制备半固态金属浆料的方法，其特征在于：所述步骤2)中的电磁搅拌器与一低频电源相连，该电磁搅拌器的功率为1～15kW，频率为1～50Hz，励磁电流为1～50A。

3.如权利要求1所述的一种过热电磁搅拌定量制备半固态金属浆料的方法，其特征在于：所述步骤2)中的温度控制器与一置于所述金属熔体内的温度传感器电连接，所述温度控制器接收所述传感器采集的温度，将反馈指令输送给贴设于坩埚外壁的加热和冷却元件，实时调控所述金属熔体的冷却速度。

4.如权利要求2所述的一种过热电磁搅拌定量制备半固态金属浆料的方法，其特征在于：所述步骤2)中的温度控制器与一置于所述金属熔体内的温度传感器电连接，所述温度控制器接收所述传感器采集的温度，将反馈指令输送给贴设于坩埚外壁的加热和冷却元件，实时调控所述金属熔体的冷却速度。

5.如权利要求1或2或3或4所述的一种过热电磁搅拌定量制备半固态金属浆料的方法，其特征在于：所述保温炉采用电阻炉或者工频、中频或高频电磁感应炉，所述保温炉内的温度波动小于2℃。

6.如权利要求1或2或3或4所述的一种过热电磁搅拌定量制备半固态金属浆料的方法，其特征在于：所述步骤3)中的模具的预热方式为电阻加热式，铸型的预热方式为直接放入保温炉中预热保温。

7.如权利要求5所述的一种过热电磁搅拌定量制备半固态金属浆料的方法，其特征在于：所述步骤3)中的模具的预热方式为电阻加热式，铸型的预热方式为直接放入保温炉中预热保温。

8.如权利要求1或2或3或4或7所述的一种过热电磁搅拌定量制备半固态金属浆料的方法，其特征在于：所述金属熔体采用的材料为A356合金，所述步骤2)中的冷却速度为0.5℃/s。

9.如权利要求5所述的一种过热电磁搅拌定量制备半固态金属浆料的方法，其特征在于：所述金属熔体采用的材料为A356合金，所述步骤2)中的冷却速度为0.5℃/s。

10.如权利要求6所述的一种过热电磁搅拌定量制备半固态金属浆料的方法，其特征在于：所述金属熔体采用的材料为A356合金，所述步骤2)中的冷却速度为0.5℃/s。

Images