CN101804446A - 一种交变磁场强化过流冷却制备金属半固态浆料的方法及其装置 - Google Patents

一种交变磁场强化过流冷却制备金属半固态浆料的方法及其装置 Download PDF

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张玲
蒋业华
周荣
王铁旦
吉建立
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本发明涉及一种交变磁场强化过流冷却制备金属半固态浆料的方法及其装置。在倾斜管周围布置交变磁场，而交变磁场由通过一定匝数线圈的交变电场提供，当金属熔体流过处于交变磁场的倾斜管时，在交变磁场的电磁力作用下沿垂直于熔体流动方向左右摆动，同时熔体中由于交变磁场产生的涡流使得其内部充分搅拌，溶质浓度场和温度场分布均匀性提高，初生相的选择性长大程度降低。通过控制浇注温度、倾斜管的倾斜角度、倾斜管保温温度、电磁搅拌强度、结晶器(或收集坩埚)保温温度，能够实现固相分数在0.1～0.9之间变化的铝、镁、锌等有色合金和铁合金的半固态浆料制备和成形。

Description

一种交变磁场强化过流冷却制备金属半固态浆料的方法及其装置
技术领域
本发明涉及金属材料半固态(近净)成形技术领域，具体地说是一种交变磁场强化过流冷却制备金属半固态浆料的方法及其装置。
背景技术
半固态金属加工技术(Semi-Solid Metal forming，简称SSM)是一种新型凝固组织控制技术，能够获得细小均匀分布的球形/近球形晶粒的半固态组织。自该技术诞生之日起，国内外学者提出了许多半固态浆料的制备方法。
斜坡/斜管法是近期从日本兴起的一种新型制浆工艺，该工艺是使合金熔体流经一个冷却斜坡时由于冷却斜坡的激冷和形核基底作用而促进形核长大，熔体在斜坡的流动而产生的滚动和翻转过程中产生强烈的搅拌作用，使得晶核游离、粗大树枝晶或杆状晶破碎，从而达到细化晶粒，获得较为理想的纤维组织。斜坡法具有流程短、工序少和成本低的优势，具有广泛推广应用的潜力。
与斜坡法类似的有斜管法、倾斜板法和波浪形法等。为了促进晶核的形成，强化晶核的游离，获得均匀分布的等轴初生相，研究者们常在倾斜板的基础上加上振动装置或者使用旋转倾斜管等。但是由于机械振动和机械旋转等需要增加一套机械装置，设备设计程度复杂，操作复杂性提高，稳定性降低。
发明内容
本发明旨在提供一种新的既能促进初生相的形核，同时又能促进晶核游离的交变磁场强化过流冷却制备金属半固态浆料的方法及其装置。
本发明提出了一种电磁搅拌强化倾斜管过流冷却来制备金属半固态浆料，即在倾斜管周围布置交变磁场，而交变磁场由通过一定匝数线圈的交变电场提供，当金属熔体流过处于交变磁场的倾斜管时，在交变磁场的电磁力作用下沿垂直于熔体流动方向左右摆动，同时熔体中由于交变磁场产生的涡流使得其内部充分搅拌，溶质浓度场和温度场分布均匀性提高，初生相的选择性长大程度降低。
本发明方法中，电磁参数控制方便灵活，磁场可以在斜管中有效搅拌金属液，强化金属液内部的对流，使得斜管内热流传递充分，金属液温度均匀，保证各部分浆料组织均匀，抑制斜管内壁处因激冷而出现枝晶。由于电磁场对浆料的强烈搅拌作用，使晶粒更细小，更圆整。而相对于普通的电磁搅拌法来讲，此方法可以有效缩短制浆时间，提高生产效率，而且过流技术对浆料体积没有限制，因此可以生产大直径坯料。
附图说明
图1是本发明的制备半固态浆料的电磁搅拌倾斜管装置示意图。
图中，1-保温炉，2-倾斜管，3-加热装置，4-冷却装置，5-电磁感应线圈，6-结晶器(或收集坩埚)，7-热电偶。
图2是倾斜管过流冷却获得的A356铝合金半固态组织，(a)无电磁搅拌电流，(b)电磁搅拌电流20A。
具体实施方式
将保温炉1中具有5～20℃较低过热度的合金熔体浇注到倾斜管2内，倾斜管的预热温度为80～450℃，其温度通过加热装置3和冷却装置4来调节，通过热电偶7来测量。倾斜管外布置有电磁感应线圈5，对过流熔体进行电磁搅拌(熔体内部产生感应电流形成感生磁场，两者磁场的相互作用使得熔体内部产生强烈搅拌)。合金熔体在自身重力和电磁力共同作用下流经倾斜管，产生强烈的剪切、激冷，促使先共晶相快速形核长大并被破碎细化，获得高质量的金属半固态浆料。浆料进人结晶器6中保温、冷却凝固成具有半固态组织的坯料，以便后续进行触变成形。或者把结晶器6换成收集坩埚，对收集坩埚中的合金浆料进行温度调整至固液区间温度，以获得尽可能均匀的温度场或固相分数，然后就可以将收集坩埚中的半固态合金浆料送人压铸机的射室、挤压铸造机的射室或锻造机的锻模中，进行流变铸造。通过控制浇注温度(液相线温度以上5～20℃)、倾斜管的倾斜角度3～65°、倾斜管保温温度80～450℃、电磁搅拌电流强度5-30安培、结晶器(或收集坩埚)保温温度50～200℃等参数，制备出固相分数在10～90％之间可调节铝、镁、锌等有色金属半固态浆料。图2为施加磁场前后倾斜管过流冷却获得的A356铝合金的组织，可见施加磁场后先共晶相变得更加细小，等轴状初生相的比例增加。
在不改变压铸机、连铸机或挤压铸造机等成形系统结构的前提下，发明的装置能够安装在其进料端或结晶器端口，实现短流程半固态流变成形。

Claims (6)

1.一种交变磁场强化过流冷却制备金属半固态浆料的方法，其特征在于：在过流冷却倾斜管周围布置交变磁场，交变磁场是由通过一定匝数线圈的交变电场提供，当金属熔体流过处于交变磁场的倾斜管时，在交变磁场的电磁力作用下沿垂直于熔体流动方向左右摆动，交变磁场产生的涡流使得熔体内部充分搅拌，溶质浓度场和温度场分布均匀性提高，初生相的选择性长大程度降低。
2.一种交变磁场强化过流冷却制备金属半固态浆料的装置，包括保温炉、倾斜管、加热装置、冷却装置、结晶器或收集坩埚、热电偶，其特征在于在倾斜管周围布置电磁感应线圈形成交变磁场。
3.根据权利要求2所述的交变磁场强化过流冷却制备金属半固态浆料的装置，其特征在于倾斜管的倾斜角度为3～65°。
4.根据权利要求2所述的交变磁场强化过流冷却制备金属半固态浆料的装置，其特征在于倾斜管保温温度为80～450℃。
5.根据权利要求1所述的交变磁场强化过流冷却制备金属半固态浆料的装置，其特征在于电磁搅拌电流强度5-30安培。
6.根据权利要求2所述的交变磁场强化过流冷却制备金属半固态浆料的装置，其特征在于结晶器或收集坩埚保温温度为50～200℃。
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