CN102266914A - 一种半固态合金浆料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种半固态铝合金浆料的制备方法，属于材料科学技术领域。将低过热度熔体浇注在两块倾斜方向相反的冷却板上，熔体通过两块具有温度梯度的冷却板的、剪切作用，最终得到组织均匀、细小的半固态浆料。本发明方法简单、流程短、成本低、效率高。

Description

一种半固态合金浆料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种半固态合金浆料制备方法，属于材料科学技术领域。
背景技术
半固态合金浆料是半固态成形必备的原料。半固态合金浆料的基本要求是其中的固相呈细小圆整的非枝晶，且尺寸一致，分布均匀。目前制备半固态浆料的方法有多种，如机械搅拌法、电磁搅拌法、应变激活法、超声波搅动法、化学晶粒细化法等，其中只有机械搅拌法、电磁搅拌法、应变激活法在工业中初步得到应用，而其他方法还处于实验室研究阶段。
机械搅拌法和电磁搅拌法的共同点为：通过强烈的搅拌作用使得从液体合金中结晶出来的固相被打碎，从而得到含有大量固相颗粒的半固态浆料。其一般的工艺过程为：1、熔炼符合成分要求的合金液体；2、将液体放入搅拌容器中；3、进行搅拌并控制温度；4、当液体到达所确定的半固态温度后停止搅拌；5、凝固成形，获得半固态坯料或直接成形为部件。目前机械搅拌法大多用于熔点较低的有色合金（如铝合金、镁合金）的半固态成形，电磁搅拌法多用于一些熔点较高的黑色合金的半固态成形研究，该技术是为了克服机械搅拌带来的不利影响而研发的。应变激活法是预先连续铸造晶粒细小的金属锭，再将其热态挤压到20%左右的变形，在组织中预先储存部分变形能量，最后按需要将变形后的金属锭分切成一定大小，加热到半固态坯料。
目前工业中使用的三种方法都存在着走入规模化生产的不利因素。机械搅拌法虽然搅拌设备简单，但操作困难，搅拌棒污染合金，浆料中容易混入气体、杂质不易排出，直接影响到铸造浆料的质量及生产效率。另外，对熔点较高的金属搅拌来说，由于部分搅拌装置的部件必须与半固态金属浆料直接接触，因而对部件的材料要求苛刻，且要求较长的使用寿命，从而提高了生产成本，对于规模化的生产根本无法适应。电磁搅拌法的优点是不会污染合金浆料，也不容易卷入气体，电磁参数控制方便灵活，缺点是设备投资大，工艺复杂，能耗高，从而导致成本较高，对于熔点较高的黑色合金来说，对设备的冷却系统要求也是相当高，另外由于“集肤效应”现象，生产的铸锭尺寸有制约，实现规模化工业生产的难度较大。应变激活法制备的合金坯料纯净、产量大，但是由于增加一道变形工序，不仅使成本提高而且使坯料尺寸受到限制，从而不利于规模化工业生产。上述三种方法还没能走入规模化工业生产，生产效率和产品质量和欧美国家还有较大差距。
日本UBE公司提出Cooling Slope(倾斜板法)制备铝合金和镁合金半固态坯料的新工艺，并在欧洲申请了专利。倾斜板一般是由合金钢或石墨制成，其内部通水冷却，表面喷涂一层氮化硼，以防止半固态合金粘附在冷却斜板表面上。其原理为：将略高于液相线温度的熔融合金液倒在冷却板上，由于倾斜板的冷却作用，在板壁上有细小的晶粒形核长大，合金流体的冲击和物体的自重作用使晶粒从板壁上脱落并翻转，以达到搅拌效果。在普通平直倾斜板的基础上，管仁国研发了波浪式倾斜板制备半固态浆料技术。在普通直管法的基础上，杨湘杰研发了转动输送管法制备半固态浆料技术。
总的来说，倾斜板（管）制浆工艺具有流程短、成本低、效率高等优点，而且适合于高温合金半固态浆料的制备。但是，现有的倾斜板法多采用单板制浆，虽然采用波浪式结构等改进措施，但采用单一的倾斜板法制浆时，晶粒之间的碰撞、冲刷作用较弱，而采用组合式倾斜板制浆，合金液由上板流至下板时，在重力的作用下，晶粒之间的碰撞、冲刷作用显著提高，同时起到了紊流搅拌的效果，使得枝晶臂破碎，达到晶粒细化、球化的目的。
发明内容
本发明提供一种半固态合金浆料的制备方法，采用两块具有温度梯度的倾斜板，将具有低过热度的合金液浇注在上倾斜板上，合金液从上倾斜板流到下倾斜板，最终流入坩埚中，得到具有高固相率，组织细小均匀的半固态组织。
本制备半固态合金浆料的制备方法，包括以下步骤：
（1）利用常规技术的熔炼方法制备低过热度熔体，熔体温度保持在液相线以上15～50℃，保温时间30～60min。
（2）采用上、下两块倾斜方向相反的倾斜板，将步骤（1）中制备的低过热度熔体按适当的浇注速度浇注入上倾斜板，使熔体顺着上倾斜板流下至下倾斜板，最后再流入坩埚。
所述向上斜板浇注低过热度熔体的速度为1.6～2.2×10-5m3/s，根据合金浆料的成分和倾斜板的情况，在所给范围内具体确定。
所述上、下倾斜板温度保持在所要制备的合金的半固态温度区间，上倾斜板温度始终高于下倾斜板温度50~100℃；上、下倾斜板与水平线的夹角相等，夹角范围为15°~75°；上倾斜板尾端与下倾斜板之间的垂直距离为20~50mm；上、下倾斜板为上表面横向内凹的弧面结构，弧面半径为162~165mm，板长100~300mm、宽70~100mm。
本发明的原理是：由于上下两块倾斜板的冷却速率不同，当合金液流经上倾斜板时，板对合金液的冷却作用很大，使合金液温度很快降低到半固态温度区间，此时流至下倾斜板的半固态浆料固相分数较高，流动性较差。合金液流经下倾斜板后，由于下倾斜板的弱激冷作用，使得合金液的冷却速率降低，合金液的温度继续下降，固相率进一步提高，使得合金液的流动性能继续下降，但是由于下倾斜板（石墨板）与合金液的润湿性差，弥补了合金液的流动性不足，因此可以获得高固相分数的半固态浆料。与传统倾斜板浇注法制备铝合金半固态浆料的固相率为20%左右相比，此方法制备的铝合金半固态浆料的固相率能达到50%。
本发明与现有技术相比，具有的优点是：
1．本方法制备半固态制浆时，合金液由上板流至下板，在重力的作用下，晶粒之间的碰撞、冲刷作用显著提高，同时起到了紊流搅拌的效果，使得枝晶臂破碎，达到晶粒细化、球化的目的。
2．本方法适合于多种不同半固态温度的合金浆料的制备。
附图说明
图1是本发明原理示意图；
图2是本发明横向内凹倾斜板的局部视图；
图中：1-浇杯，2-流量控制阀，3-下倾斜板（下冷却板），4-坩埚，5-半固态合金液，6-上倾斜板（上冷却板），r-弧面半径。
具体实施方法
    以下结合附图和实施例对本发明作进一步阐述，但本发明的内容不限于所述范围。
实施例1：
原料：含锡40%的锡铅合金，液相线温度240℃，固相线温度183℃。
浆料的制备方法（过程）：利用常规技术的熔炼方法制备含锡40%的锡铅合金的低过热度熔体，熔体温度保持在255℃，保温时间30min。采用的上弧面倾斜板和下弧面倾斜板长100mm、宽70mm、弧面半径为162mm，上倾斜板尾端与下倾斜板之间的垂直距离为50mm。上弧面倾斜板的温度控制在110℃，下弧面倾斜板的温度控制在60℃。调整两弧面倾斜板与水平线的夹角均为15°。将制备的锡铅合金熔体按1.6×10-5m3/s的浇注速度浇注入上倾斜板，熔体将顺着上倾斜板流下至下倾斜板，最后流入坩埚。
实施例2：
原料：A356铝合金。液相线温度613℃，固相线温度577℃。
利用常规技术的熔炼方法制备的A356铝合金低过热度熔体，熔体温度保持在630℃，保温时间40min采用的上弧面倾斜板和下弧面倾斜板长200mm、宽90mm、弧面半径为163mm，上倾斜板尾端与下倾斜板之间的垂直距离为35mm。上弧面倾斜板的温度控制在300℃，下弧面倾斜板的温度控制在220℃。调整两弧面倾斜板与水平线的夹角均为50°。将制备的A356铝合金熔体按1.9×10-5m3/s的浇注速度浇注入上倾斜板，熔体将顺着上倾斜板流下至下倾斜板，最后流入坩埚。
实施例3：                                              
原料：过共晶高铬白口铸铁，液相线温度1347℃，固相线温度1288℃。
利用常规技术的熔炼方法制备过共晶白口铸铁低过热度熔体，熔体温度保持在1397℃，保温时间60min采用的上弧面倾斜板和下弧面倾斜板长300mm、宽100mm、弧面半径为165mm，上倾斜板尾端与下倾斜板之间的垂直距离为20mm。上弧面倾斜板的温度控制在650℃，下弧面倾斜板的温度控制在550℃。调整两弧面倾斜板与水平线的夹角均为75°。将制备的A356铝合金熔体按2.2×10-5m3/s的浇注速度浇注入上倾斜板，熔体将顺着上倾斜板流下至下倾斜板，最后流入坩埚。

Claims (7)

1.一种制备半固态合金浆料的制备方法，其特征在于：先在坩埚上方设置两块倾斜方向相反的上、下倾斜板，并利用常规熔炼方法制备低过热度熔体，使熔体温度在液相线以上15～50℃保温30～60min，然后将低过热度熔体按适当的浇注速度浇注入上倾斜板，使熔体将顺着上倾斜板流下至下倾斜板，再流入坩埚中，得到半固态浆料。
2.根据权利要求1所述的制备半固态合金浆料的制备方法，其特征在于：上、下倾斜板温度保持在所要制备的合金的半固态温度区间，上倾斜板温度始终高于下倾斜板温度50~100℃。
3.根据权利要求1所述的制备半固态合金浆料的制备方法，其特征在于：向上斜板浇注低过热度熔体的速度为1.6～2.2×10-5m3/s。
4.根据权利要求1所述的制备半固态合金浆料的制备方法，其特征在于：上、下倾斜板与水平线的夹角相等，夹角范围为15°~75°。
5.根据权利要求1所述的制备半固态合金浆料的制备方法，其特征在于：上倾斜板尾端与下倾斜板顶端之间的垂直距离为20~50mm。
6.根据权利要求1所述的制备半固态合金浆料的制备方法，其特征在于：上、下倾斜板为上表面横向内凹的弧面结构，弧面半径r为162~165mm，板长100~300mm、宽70~100mm。
7.根据权利要求1～6任一项所述的制备半固态合金浆料的制备方法，其特征在于：倾斜板的材质为石墨或者在高温条件下不会污染熔体的其他材料。
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