CN101708543B - 一种混合振动制备半固态金属浆料的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于金属半固态加工技术领域，涉及到一种混合振动制备半固态金属浆料的方法及装置。通过将盛浆容器紧固于机械振动台上，将高于液相线0～40℃的过热金属液浇入到低于金属液温度的盛浆容器内。将超声振动头降至金属液面以下1～25mm，同时启动低频机械振动和超声振动，混合振动一定时间内控制金属熔体处于液相线温度以下5～30℃，获得固相率为5～40％的半固态金属浆料。该方法制备的半固态浆料初生晶粒细小、圆整，且均匀分布。本发明的装置包括有盛浆容器、调温单元、超声发生及控制单元、低频机械振动发生及控制单元以及升降单元。本发明可用于铝、镁、锡、铜、锌等各种合金零件的半固态浆料制备及零件成形。

Description

一种混合振动制备半固态金属浆料的方法及装置

技术领域

本发明属于金属的半固态加工及铸造成形技术领域，涉及到一种施加混合振动制备半固态金属浆料的方法及装置。本发明可用于铝、镁、锡、铜、锌等各种合金零件的半固态浆料制备及零件成形。

技术背景

半固态成形技术是在合金处于液相线与固相线温度之间进行成形的一种特殊工艺技术，它的基本原理是：在液态金属凝固过程中施加剧烈搅拌或扰动、或改变金属的热状态、或加入晶粒细化剂、或进行快速凝固，改变初生固相的形核和长大过程，获得均匀、细小、等轴的非枝晶组织特征的合金浆料。所得合金浆料在外力的作用下即使固相率较大时仍具有很好的流动性，可以被直接输送到成形设备，利用轧制、压铸、挤压、模锻等常规工艺进行加工成形，也可先凝固成为半固态坯料，经过二次加热，再成形得到工件。由于半固态成形技术具有高效、节能、环保及近终成形等优点，近年来，引起各国的广泛关注和研究。

半固态成形技术主要包括触变成形和流变成形。触变成形工艺是将制备的半固态浆料先铸造成坯料，经二次加热后，再进行成形加工，其工艺的可控性强、过程稳定且易操作，但工艺流程长，能耗大，成本较高。流变成形工艺由制备的半固态浆料直接进行流变成形加工，具有生产流程短、相对成本低、设备简单等特点，近年来受到国内外普遍重视，发展迅速。不论是触变成形还是流变成形，都包含有半固态制浆及半固态成形两部分，其中，制浆是整个过程的基础和关键，如何稳定、有效地制备出具有圆整、细小、均匀的非枝晶组织的半固态浆料成为半固态加工技术领域的研究热点。

围绕上述技术关键，人们进行了大量研究，目前制备半固态浆料的方法主要有：机械搅拌法、电磁搅拌法、高能超声振动法、应变诱发熔化激活法(SIMA)、液相线铸造法、倾斜板浇注式流变成形技术、等通道挤压结合SIMA法、低过热度浇注和弱机械搅拌式流变铸造法等。各类制浆方法各有特点，但目前在工业中获得应用的很少。

机械搅拌法是最早采用的浆料制备方法，具有设备简单、投资少等优点，但搅拌棒损耗严重且污染合金熔体、搅拌不均匀、难用于黑色金属。美国专利3902544、3948650、3954455等都提到，采用强烈的机械搅拌可获得质量较优的半固态金属浆料。Martinez和Flemings等人(美国专利第20020096231号)提出的弱机械搅拌法是：将低过热度的金属液浇入制备坩埚中，利用镀膜的铜棒对坩埚中的金属液进行短时弱机械搅拌，使金属熔体冷却到液相线温度以下，保温到预定温度可得到所需半固态金属浆料。该工艺同样存在温度控制困难，整体设备构成复杂的问题。

非接触式电磁搅拌法具有不污染合金、可精确设计与控制等优点，使得电磁搅拌制备半固态金属坯料在实际半固态金属成形应用中占主导地位。电磁搅拌制备半固态浆料在国内外已有多个专利(美国4229210号、4434837号)，中国专利CN1772414A提出了一种施加复合电磁搅拌连续制备半固态浆料的方法。但电磁搅拌也存在缺点：效率低下，电能消耗大，半固态浆料和坯料的成本较高，且难以制备固相率高的浆料。

吴树森等(Shusen Wu，Lizhi Xie，Junwen Zhao，H.Nakae.Formation ofnon-dendritic microstructure of semi-solid aluminum alloy under vibration.Scripta Materialia，2008(4)，58(7)：556～559)对低频机械振动制备ZL101铝合金半固态浆料的制备进行了研究，发现振动频率在20Hz左右时，所得半固态浆料质量较好，初生α-Al晶粒的平均直径在100μm以下，平均形状系数在0.5以上。

20世纪90年代，有学者将超声振动引入半固态金属成形研究领域，将其应用于金属半固态连铸等方面的研究之中，此后，高能超声波制备半固态浆料引起了众多学者的重视。高能超声波制备半固态浆料的原理是：超声作用产生的声空化和声流效应作用于金属熔体，影响其温度场和浓度场，促进形核并控制晶核生长。赵君文(赵君文，吴树森，万里等.超声场中金属半固态浆料组织的演化.金属学报，2009(3)，45(3)：314～319)、朱宏霞(朱宏霞，王家宣，李春等.功率超声对A356半固态初生相尺寸和形貌的影响.特种铸造及有色合金，2008，28(7)：522～525)等研究表明，近液相线时导入超声波制得铝合金半固态浆料的质量最佳。专利文献CN1618549A公开了一种超声波直接作用于液态金属制备半固态金属浆料/坯料的方法及设备，可用于多种有色合金，尤其适合于镁合金半固态浆料的制备。专利文献CN101181736公开了一种金属零件的半固态流变成形方法及装置，该方法中，超声辐射头距金属液面0～30mm，采用超声辐射的方式非接触作用于金属熔体，可制得质量较好的半固态金属浆料。超声波的直接作用大多集中在变幅杆端面附近的熔体，对容器壁附近的熔体作用微弱，需要配置大功率设备才能达到理想效果，不宜制备较大工件所需半固态金属浆料。

以上各种制备半固态金属浆料的方法都有各自的优缺点，大多还只是停留在实验室研究阶段，仍需提出新的半固态金属浆料的制备与成形技术，以便简化工艺、降低生产成本、实现规模化工业生产。

发明内容

本发明的目的在于提供一种混合振动制备半固态金属浆料的方法，该方法工艺控制较容易，采用该方法可以获得经济、快捷、高效、优质的半固态金属浆料；本发明还提供实现该方法的装置。

本发明提供的混合振动制备半固态金属浆料的方法，包括下述步骤：

第1步将熔炼后的金属液体以高于其液相线温度0～40℃倒入盛浆容器中；或者将过热的金属液体倒入预热后的容器中，再降温至液相线温度以上0～40℃；

第2步在盛浆容器底部外围对上述金属液施加机械振动，同时在盛浆容器顶部采用直接接触金属液的方式，对上述金属液施加高能超声波振动；机械振动频率为10～50Hz，振幅为0.5～2.5mm；超声波振动头降至金属液面以下1～25mm处，超声频率为12kHz～80kHz，超声振动体积功率为5W/cm³～100W/cm³，所述体积功率为超声振动功率与所振动的熔体体积之比；混合振动过程中熔体冷却速度为0.1～3℃/s；混合振动温度范围为液相线温度以上0～40℃开始，至液相线温度以下5～30℃混合振动结束；半固态金属浆料中固相率控制范围为5～40％；

第3步在混合振动0.2～8分钟后停止振动，得到半固态金属浆料。

上述技术方案可以采用下述一种或几种方式进行改进：在第2步中，低频机械振动频率为15～35Hz，振幅为1.0～2.0mm；利用振动电机作为振动源，振动电机的功率为200～1000W；通过变频器调节振动频率，变频调节范围为0～60Hz。超声振动采用脉冲振动，脉冲振动中的脉冲时间与非脉冲时间之比为0.2～20，进一步优选的时间之比为0.5～6；第3步中，混合振动时间为0.5～4分钟。

本发明提供的混合振动制备半固态金属浆料的装置，  其特征在于：

盛浆容器固定在机械振动台上，加热炉套在盛浆容器外，振动电机与机械振动台固定连接，振动控制器与机械振动台电气连接；加热炉和热电偶与温度控制仪电气连接；超声振动头安装在变幅杆上，变幅杆通过换能器与超声波发生控制器电气连接。

作为本发明装置的改进，该装置还包括升降单元，该升降单元包括导杆、加热炉升降控制器和超声振动头升降控制器，导杆位于机械振动台旁，超声振动头升降控制器和加热炉升降控制器自上而下安装在导杆上，换能器与超声振动头升降控制器固定连接；加热炉体与加热炉升降控制器固定连接。

本发明方法通过对金属液进行直接接触的高能超声波振动和低频机械振动作用于盛浆容器及金属液，并施加一定速度的冷却，在较短时间内就能制备出初生晶粒细小、圆整且均匀分布的半固态金属浆料。由于本发明方法中将高能超声波振动和低频机械振动相结合，具有使振动作用于容器中各个部位熔体的特点，即超声波振动通过振动头主要作用于中间部位的熔体，而机械振动主要作用于容器壁附近及表面的熔体，使在容器壁结晶的晶粒及表面的晶粒容易脱落、漂移。本方法制备浆料所需时间短，设备简单，因此大大提高了浆料的质量和浆料的制备效率，降低了浆料制备成本。具体而言，本发明具有以下技术效果：

(1)利用以上浆料制备方法可以高效制备出高质量的半固态金属浆料，即初生晶粒细小圆整、且分布均匀的半固态浆料，适用于有色合金，尤其是铝合金、锌合金等。

(2)超声波振动头直接与金属液接触振动，声空化及声流作用更强烈，引起液体对流剧烈，利于生成细小的初生晶粒。

(3)超声波振动通过振动头主要作用于中间部位的熔体，而机械振动主要作用于容器壁附近及表面的熔体，使在容器壁结晶的晶粒及表面的晶粒容易脱落、漂移，因此将高能超声波振动和低频机械振动相结合，可以使振动效果传达到全部熔体，制浆质量高。

(4)本发明将超声波振动、机械振动及温度控制工艺结合起来，浆料制备效率高。

附图说明

图1为本发明混合振动制备半固态金属浆料的装置具体实施方式的结构示意图；

图2为本发明混合振动制备半固态金属浆料的工艺流程图；

图3为用混合振动法制备的ZL101铝合金半固态组织图；

图4为用混合振动法制备的Al-20Si高硅铝合金半固态组织图。

具体实施方式

本发明混合振动制备半固态金属浆料的装置包括盛浆容器5、调温单元、超声发生及控制单元、低频机械振动发生及控制单元。

如图1所示，调温单元包括：温度控制仪3、加热炉4和热电偶6。加热炉4、热电偶6分别与温度控制仪3电气连接，热电偶6从炉体侧面插入炉膛，从而温度控制仪3可准确控制炉膛温度。加热炉4可以采用电阻式加热炉。

超声发生及控制单元的结构为：超声发生控制器7与换能器8电气连接，换能器8、变幅杆9和超声振动头10依次牢固连成一体，超声振动头10插入盛浆容器中金属液面以下。

低频机械振动发生及控制单元的结构为：振动控制器2与振动台1电气连接，振动电机15与振动台1紧固连接，通过振动控制器2可以调节低频机械振动的振幅、频率以及振动时间。

为了提高制浆效率，提升自动化程度，本发明装置还增设升降单元，它包括导杆11、加热炉升降控制器12、超声振动头升降控制器13。两个升降控制器可采用常规的升降装置，通常由齿轮、齿条、减速器及电机组成，通过电机转动带动齿条上下运动，实现加热炉4和超声振动头10的升降。

利用上述装置实现本发明方法的具体步骤为：

(1)用螺栓14将盛浆容器5紧固于机械振动台1之上，通过加热炉升降控制器12降下加热炉4，使盛浆容器5位于炉膛中，将盛浆容器5加热到预设温度。将精炼处理好的一定量金属熔液导入已经预热的盛浆容器5中(图2a)。其中机械振动台1和振动控制器2电气连接，通过振动控制器2控制机械振动的频率；加热炉4、热电偶6和温度控制仪3电气连接，通过温度控制仪3控制炉膛温度及冷却速度。

(2)降下超声振动头10，插入液面以下1～25mm，立即同时开启超声振动和低频机械振动(图2b)。

低频机械振动频率为10～50Hz，以15～35Hz为佳，振幅为0.5～2.5mm，以1.0～2.0mm为佳。

(3)通过超声波发生控制器7进行超声波振动功率、超声振动时间、超声间隔时间的调节。超声波振动的体积功率为5～100W/cm³。若用脉冲振动，时间长度一般为0.1～100s，振动时间与非振动时间之比为0.2～20。制备超声波振动头10的材料可以是钢，也可以是钛合金或其它材料。

(4)振动温度范围为液相线温度以上0～40℃开始，至液相线温度以下5～30℃(5～40％固相率所对应的温度)结束，具体振动时间及停止振动温度根据产品对固相率的需要而定。

(5)超声换能器8可为压电式或磁致伸缩式；所用频率为12KHz～80KHz。

(6)温度控制仪3通过加热炉4控制盛浆容器5中的熔体冷却速度为0.1～3℃/s。

(7)金属熔体可以是铝合金，镁合金，锡合金，铜合金及锌合金等，本方法可用于这些合金的半固态浆料的制备。用于镁合金时，需要通保护气体以阻止镁合金氧化。

(8)对金属熔体混合振动0.2～8分钟后停止振动，得到半固态金属浆料。制备好浆料后，通过升降控制器13和12分别将超声振动头10和加热炉4顺次移开(图2c)，解除盛浆容器5的紧固螺栓14，将半固态金属浆料浇入成形设备(图2d)，如挤压机或压铸机中，将浆料压射入成形模具中(图2e)，成形为金属零件(图2f)。

下面通过实施例更加详细地说明本发明，但以下实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。

实例1

利用ZL101铝合金进行混合振动制备半固态零件。ZL101铝合金的液相线温度为616℃，固相线温度567℃。将合金在加热炉内熔化并升温至740℃，精炼、除气后备用。利用温度控制装置将合金液温度保持在660℃左右。取适量合金液，导入盛浆容器中，利用温控系统(加热炉4、热电偶6和控温仪3)将熔体的温度控制在610℃，熔体冷却速度为0.1～3℃/s。

将超声振动头10插入盛浆容器内铝合金液面以下15mm处(图1)，同时开启超声振动和低频机械振动，对金属液进行混合振动。超声振动频率为20kHz，振动体积功率为30W/cm³，低频机械振动频率为25Hz，振幅为1.2mm，混合振动时间为2.5mins。混合振动停止后，通过调温单元将半固态熔体的温度降到600℃～605℃。通过超声振动头升降控制器13和加热炉升降控制器12分别将超声振动头10和加热炉4从盛浆容器5上方移开，解除将盛浆容器5的紧固螺栓14，提起盛浆容器5，将半固态浆料浇入压铸机压射室内，启动压射充型过程，通过压射杆将浆料压射入型腔内，成形为零件。零件的铸态组织如图3，具有细小的半固态组织结构。

实例2

利用Al-20Si-2.0Cu-0.4Mg-1.0Ni高硅铝合金进行混合振动制备半固态浆料。Al-20Si-2.0Cu-0.4Mg-1.0Ni高硅铝合金的液相线温度为700℃，固相线温度535℃。将合金在加热炉内熔化并升温至850℃，精炼、除气后备用。利用温度控制装置将合金液温度保持在740℃左右。取适量合金液，倒入盛浆坩埚中(图1)，利用温度控制装置将合金液温度控制在720℃，熔体冷却速度为0.1～3℃/s。

将超声振动头10降至盛浆容器5内高硅铝合金液面以下15mm处，同时开启超声振动和低频机械振动，对金属液进行混合振动。超声振动频率为25kHz，振动体积功率为50W/cm³，低频机械振动频率为35Hz，振幅为2.0mm，混合振动时间为1min。混合振动停止后，通过调温单元将半固态熔体的温度降到680℃～685℃。通过超声振动头升降控制器13和加热炉升降控制器12分别将超声振动头10和加热炉4从盛浆容器5上方移开，解除盛浆容器5的紧固螺栓14，提起盛浆容器5，将半固态浆料浇入挤压机料室内，挤压成形为零件。零件的铸态组织如图4，初晶Si组织细小、圆整。

实例3

利用ZL104铝合金进行混合振动制备半固态零件。ZL104铝合金的液相线温度为610℃，固相线温度565℃。将合金在加热炉内熔化并升温至740℃，精炼、除气后备用。利用温度控制装置将合金液温度保持在660℃左右。取适量合金液，导入盛浆容器中，利用温控系统(加热炉4、热电偶6和控温仪3)将熔体的温度控制在600℃，熔体冷却速度为0.1～3℃/s。

将超声振动头10插入盛浆容器内铝合金液面以下10mm处(图1)，同时开启超声振动和低频机械振动，对金属液进行混合振动。超声振动频率为15kHz，振动体积功率为30W/cm³，低频机械振动频率为15Hz，振幅为2.5mm，混合振动时间为4mins。混合振动停止后，通过调温单元将半固态熔体的温度降到585℃～590℃。通过超声振动头升降控制器13和加热炉升降控制器12分别将超声振动头10和加热炉4从盛浆容器5上方移开，解除将盛浆容器5的紧固螺栓14，提起盛浆容器5，将半固态浆料浇入挤压机料室内，挤压成形为零件。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以，凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (7)

1. 一种混合振动制备半固态金属浆料的方法，包括下述步骤：

第1步　将熔炼后的金属液体以高于其液相线温度0～40℃倒入盛浆容器中；或者将过热的金属液体倒入预热后的容器中，再降温至液相线温度以上0～40℃；

第2步 在盛浆容器底部外围对上述金属液施加机械振动，同时在盛浆容器顶部采用直接接触金属液的方式，对上述金属液施加高能超声波振动；机械振动频率为10～50Hz，振幅为0.5～2.5mm；超声波振动头降至金属液面以下1～25mm处，超声频率为12kHz～80 kHz，超声振动体积功率为5 W/cm³～100W/cm³，所述体积功率为超声振动功率与所振动的熔体体积之比；混合振动过程中熔体冷却速度为0.1～3℃/s；混合振动温度范围为液相线温度以上0～40℃开始，至液相线温度以下5～30℃结束混合振动；半固态金属浆料中固相率控制范围为5～40％；

第3步　在混合振动0.2～8分钟后停止振动，得到半固态金属浆料。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：第2步中，超声波振动头降至金属液面以下1～15mm处。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：第2步中，超声振动体积功率为5W/cm³～50W/cm³。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：第3步中，混合振动时间为0.5～4分钟。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：第3步中，经过混合振动处理的半固态金属浆料在盛浆容器中保温0～5分钟。

6.一种混合振动制备半固态金属浆的装置， 其特征在于： 

盛浆容器(5)固定在机械振动台(1)上，加热炉(4)套在盛浆容器(5)外，振动电机(15)与机械振动台(1)固定连接，振动控制器(2)与机械振动台(1)电气连接；加热炉(4)和热电偶(6)与温度控制仪(3)电气连接；超声振动头(10)安装在变幅杆(9)上，变幅杆(9)通过换能器(8)与超声波发生控制器(7)电气连接。

7.根据权利要求6所述的装置， 其特征在于：该装置还包括升降单元，该升降单元包括导杆(11)、加热炉升降控制器(12)和超声振动头升降控制器(13)，导杆(11)位于机械振动台(1)旁，超声振动头升降控制器(13)和加热炉升降控制器(12)自上而下安装在导杆(11)上，换能器(8)与超声振动头升降控制器(13)固定连接；加热炉（4）与加热炉升降控制器(12)固定连接。

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