CN102240796B - 半固态合金成型工艺及其所用成型装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种半固态合金成型工艺及其所用成型装置。所述成型装置在普通的冷却斜槽上施加电磁搅拌。过热合金液在流进斜槽时，受到斜槽激冷和电磁搅拌的双重作用，在斜槽壁上大量形核。这些初生的晶核在自重的作用下脱离斜槽壁进入合金液中，最后形成富含大量球晶的半固态浆料。通过调节电磁搅拌器的位置、输入电压、斜槽倾角、浇注温度和合金液进入斜槽的初始速度来控制初生相的生长，进而得到不同的组织。本发明工艺流程短，设备简单，克服了单一电磁搅拌法和斜槽冷却法的缺点，具有广阔的应用前景。

Description

半固态合金成型工艺及其所用成型装置

技术领域

本发明属于半固态合金加工领域，尤其涉及一种半固态合金成型工艺及其所用成型装置。

背景技术

20世纪70年代初，美国麻省理工学院D.B.Spencer等人在自制的高温粘度计中测量Sn-15Pb合金高温粘度时，发现了金属在凝固过程中的特殊力学行为，即金属在凝固过程中进行强力搅拌，使枝晶破碎，得到一种液态金属母液中均匀地悬浮着一定固相组分的固液混合浆料(固相率甚至可高达60％)，具有很好的流动性，易于通过普通加工方法制成产品，并被冠以半固态加工技术。该技术可以近终形生产致密性好，组织均匀，宏观偏析少铸件；且材料利用率高；能耗低。

半固态加工技术的关键步骤在于如何制备液态金属母液中均匀地悬浮着一定固相组分的固液混合的浆料。已公开资料的研究表明，制备半固态浆料的方法有机械搅拌法、电磁搅拌法、冷却斜槽法、应变诱发熔化激活技术、晶粒细化和重熔法、紊流效应法等。机械搅拌法原理是利用机械搅拌力将凝固中的初生相枝晶打碎，获得半固态的组织。该方法可获得很高的剪切速率，但是存在搅拌死角，容易污染合金，卷入气体；电磁搅拌法原理是利用电磁力将凝固中的枝晶打碎，从而获得半固态浆料，该方法可获得纯净的合金浆料，但是由于受“集肤效应”的影响，难以生产大尺寸的铸锭坯料，而且单纯的电磁搅拌法制备半固态浆料，设备复杂，成本较高；冷却斜槽法冷是在1998年由日本UBE株式会社发明用于制备铝合金和镁合金的半固态坯料的新工艺，已在欧洲申请了专利。该法原理是：将略高于液相线温度的熔融金属倒在刷有涂料的冷却板上，由于倾斜板的冷却作用，在板壁上有细小的晶粒形核并长大，金属流体的冲刷和物体的自重作用使晶粒从板壁上滚落，以达到搅拌效果，从而达到细化晶粒，获得理想的微观组织的目的。该方法可以快捷地生产半固态浆料，但是由于刷有涂料的斜槽表面减弱了斜槽的激冷作用，而不能获得较理想的半固态组织；应变诱发熔化激活技术、晶粒细化和重熔法、紊流效应法等仅仅适用某些特殊的合金，难以工业化。

发明内容

鉴于现有技术所存在的上述问题，本发明旨在公开一种半固态合金成型工艺及其所用成型装置，以解决冷却斜槽法难以制备理想的半固态浆料的问题。

本发明的技术解决方案是这样实现的：

一种半固态合金成型工艺，包括如下步骤：

(1)熔炼浇注用过热合金液，经除气和扒渣后，控制合金液的温度在其液相线以上0～150℃；

(2)将合金液倒入激冷斜槽上方的中间包中，调节合金液温度至浇注温度，并调节中间包底部浇口距离激冷斜槽工作表面上端浇注位置的高度在50-200mm，以控制合金液在激冷斜槽工作表面上的初速度；

(3)所述合金液自中间包落入激冷斜槽，并在流过所述激冷斜槽工作表面的同时受到电磁搅拌作用，产生大量初生相晶核，初生相晶核在自身重力作用下迅速脱离所述激冷斜槽进入金属流，最终在激冷斜槽下端得到富含大量球晶的半固态浆料。

进一步的，步骤(3)中，所述激冷斜槽的工作表面与水平面的角度在0-60°范围内可调。

进一步的，步骤(3)中，所述电磁搅拌的输入电压大于0，而小于等于380V。

本发明同时公开了上述半固态合金成型工艺所用的成型装置，包括中间包、激冷斜槽及用于支撑所述激冷斜槽的固定底座I，所述中间包底部浇口距离激冷斜槽工作表面上端浇注位置的高度在50-200mm可调，通过连接于所述固定底座I上的高度可调的升降支架I调节所述激冷斜槽的角度，其特征在于：

还包括电磁搅拌器和用于支撑所述电磁搅拌器的固定底座II，所述电磁搅拌器套于所述激冷斜槽的侧壁上并可沿所述激冷斜槽的工作表面移动，通过连接于所述固定底座II上的高度可调的升降支架II调节所述电磁搅拌器的角度与所述激冷斜槽的角度一致。

进一步的，所述激冷斜槽是内部通冷却循环水的U型或半圆筒型不锈钢结构，表面刷有涂料。

所述激冷斜槽的工作表面与水平面的角度在0-60°范围内可调。

所述的电磁搅拌器的输入电压大于0，小于等于380V。

本发明新型装置包括中间包、激冷斜槽及其固定底座、电磁搅拌器及其固定底座。电磁搅拌器套于激冷斜槽上并且可以自由移动。当过热的合金液倒入斜槽后，合金液流经斜槽时在斜槽壁发生激冷，同时受电磁力的作用，大量形核。随后初生相晶核受合金液的冲刷和自重的作用，从斜槽壁脱离进入合金液。最终得到初生相又细又圆的半固态浆料。

与现有技术相比，本发明将电磁搅拌法与冷却斜槽法有机的结合，也即在激冷形核的同时适时伴随电磁搅拌的效果，并通过调节电磁搅拌器的位置、输入电压、斜槽倾角、浇注温度和合金液进入斜槽的初始速度来控制初生相的生长，进而得到不同的组织；有效避免了单一的电磁搅拌法或冷却斜槽法半固态合金成型工艺所存在的难以克服的弊端，工艺流程短，设备简单，生产成本控制合理，尤其是细化和球化效果好，形成了更为理想的半固态合金浆料。

附图说明

图1是实施例所述成型装置的示意图；图中

1.中间包，2.石墨塞棒，3.热电偶，4.激冷斜槽，5.电磁搅拌器，6.固定底座I，7.升降支架I，8.冷却水出口，9.冷却水入口，10.合金液流，11.冷却水箱加铸模，12.固定底座II，13升降支架II。

图2是A向视图。

图3是现有的冷却斜槽法所得的半固态组织的显微照片。

图4是实施例所得半固态组织的显微照片。

具体实施方式

现以A356合金为例对本发明做进一步详细的描述。

一种半固态合金成型工艺所用的成型装置，包括中间包1、激冷斜槽4及用于支撑所述激冷斜槽4的固定底座I6，所述中间包1底部浇口距离激冷斜槽4工作表面上端浇注位置的高度在50-200mm可调，通过连接于所述固定底座I6上的高度可调的升降支架I7调节所述激冷斜槽4的角度；还包括电磁搅拌器5和用于支撑所述电磁搅拌器5的固定底座II12，所述电磁搅拌器5套于所述激冷斜槽4的侧壁上并可沿所述激冷斜槽4的工作表面移动，通过连接于所述固定底座II12上的高度可调的升降支架II13调节所述电磁搅拌器5的角度与所述激冷斜槽4的角度一致。

进一步的，所述激冷斜槽4是内部通冷却循环水的U型或半圆筒型不锈钢结构，长度1000mm，表面刷有涂料。

所述激冷斜槽4的工作表面与水平面的角度在0-60°范围内可调。改变角度可以改变电磁搅拌的作用时间和斜槽的剪切作用。斜槽下方放置铸模或者链接成型设备。

所述的电磁搅拌器5为两相两对极的，或三相三对极的，长度400mm，输入电压大于0，小于等于380V。

其半固态合金成型工艺如下：

(1)将工业用A356合金在电阻炉中加热到750℃熔化，并除气精炼；将合金液倒入中间包中，调整合金液温度至浇注温度690℃，并保温10～20分钟，使合金液温度均匀；

(2)调整保温炉底部浇口距离斜槽顶部高度为50mm，调整电磁搅拌器上端距离斜槽上端的距离为400mm，输入电压200V；

(3)打开电磁搅拌器，拔掉石墨塞棒，使合金流入斜槽角度为45°、表面刷有氮化硼(六方型)的斜槽；

(4)在合金液流经斜槽过程中，由于斜槽的激冷作用和电磁力的搅拌作用，在斜槽表面产生大量的初生相晶核，初生相晶核在不断地向下流动中受到冲刷和电磁力的搅拌，不断长大成球状晶，最终激冷斜槽下端获得富含大量球状晶的半固态浆料。

(5)在激冷斜槽下端安放一个铜铸模，半固态浆料从斜槽下端流入铸模后，快速淬火，然后取样观察其金相组织，如图4所示。

将其与现有技术中未加电磁搅拌的冷却斜槽法获得的半固态组织，如图3所述，加以比较，可以看出，施加电磁搅拌后的半固态组织初生相更加细小，呈球状。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种半固态合金成型工艺所用的成型装置，所述半固态合金成型工艺，包括如下步骤：

（1）熔炼浇注用过热合金液，经除气和扒渣后，控制合金浆料的温度在其液相线以上0～150℃；

（2）将合金液倒入激冷斜槽上方的中间包中，调节合金液温度至浇注温度，并调节中间包底部浇口距离激冷斜槽工作表面上端浇注位置的高度在50-200mm，以控制合金液在激冷斜槽工作表面上的初速度；

（3）所述合金液自中间包落入激冷斜槽，并在流过所述激冷斜槽工作表面的同时受到电磁搅拌作用，产生大量初生相晶核，初生相晶核在自身重力作用下迅速脱离容器壁进入金属流，最终在在激冷斜槽下端得到富含大量球晶的半固态浆料；所述激冷斜槽的工作表面与水平面的角度在0-60°范围内可调；所述电磁搅拌的输入电压大于0，而小于等于380Ｖ；

所述成型装置包括中间包、激冷斜槽及用于支撑所述激冷斜槽固定底座I，所述中间包底部浇口距离激冷斜槽工作表面上端浇注位置的高度在50-200mm可调，通过连接于所述固定底座I上的高度可调的升降支架I调节所述激冷斜槽的角度，其特征在于：

还包括电磁搅拌器和用于支撑所述电磁搅拌器的固定底座II，所述电磁搅拌器套于所述激冷斜槽的侧壁上并可沿所述激冷斜槽的工作表面移动，并通过连接于所述固定底座II上的高度可调的升降支架II调节所述电磁搅拌器的角度与所述激冷斜槽的角度一致。

2.根据权利要求1所述的成型装置，其特征在于：

所述激冷斜槽是内部通冷却循环水的Ｕ型或半圆筒型不锈钢结构，表面刷有涂料。

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