CN103639374A

CN103639374A - 一种制备半固态金属的振动倒锥形通道方法及装置

Info

Publication number: CN103639374A
Application number: CN201310701496.0A
Authority: CN
Inventors: 毛卫民; 郑志凯; 刘志勇; 张兴孟; 岳锐
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2013-12-18
Filing date: 2013-12-18
Publication date: 2014-03-19
Anticipated expiration: 2033-12-18
Also published as: CN103639374B

Abstract

本发明提供了一种制备半固态金属的振动倒锥形通道方法及装置，属于半固态金属成形技术领域。将过热金属液直接浇入一带有振动特性的倒锥形通道的上口内，在机械振动的不断作用下，该过热金属液沿着倒锥形通道的内壁向下流动，直至倒锥形通道的下出口，获得半固态金属。装置包括：浇包、过热金属液、浇口杯、倒锥形通道、电激机械振动器、电激振动控制器、半固态金属、收集容器、压室、冲头、定型和动型。本发明的优点在于：利用电激机械振动装置促进倒锥形通道内金属液的冷却、形核和晶粒游离，倒锥形通道内壁的挂料数量明显下降，清理工作难度大幅降低，金属回炉的数量和熔化能耗减少，设备构造简单，生产成本低，适合半固态金属的制备。

Description

一种制备半固态金属的振动倒锥形通道方法及装置

技术领域

本发明属于半固态金属成形技术领域，特别提供了一种制备半固态金属的振动倒锥形通道方法及装置。

背景技术

20世纪70年代初，美国麻省理工学院（MIT）的Flemings等人发明了半固态金属成形技术，引起各国学者和工业界的广泛关注，随后各国学者对此进行了深入和广泛的基础理论和技术研究。由研究和实际应用可知，在半固态金属成形技术中，半固态金属的制备始终处于关键位置。据文献“Behavior of metal alloys in the semisolid state”（M C Flemings, Metall Trans，1991，22A:957-981）、“半固态金属浆料先进制备技术的研究进展”（毛卫民，铸造，2012，61(8): 1-13）和《半固态金属成形技术》（毛卫民，北京：机械工业出版社，2004.6）报道，获得半固态金属的方法很多，如机械搅拌法、电磁搅拌法、应变引起的熔体激活法（strain induced melt activation，简称为SIMA）、紊流效应法、单螺旋搅拌法、双螺旋搅拌法、低过热度倾斜板浇注法、低过热度浇注和弱电磁搅拌法、压室电磁搅拌法、低过热度浇注和弱机械搅拌法、连续流变转换法（Continuous rheoconversion process，简称CRP）、偏旋热焓平衡法（Swirled enthalpy equilibration device，简称为SEED）、旋转倾斜圆管法、波浪板形浇注法、超声振动法、控制浇注高度法、自孕育法、气泡搅拌法、倒锥形通道浇注法、蛇形通道浇注法、转桶机械剪切法、环状电磁搅拌法等。但是，为了降低半固态金属的制备成本或者为了改善半固态金属的制备工艺过程，世界各国的学者和专家仍然不断探索新的半固态金属的制备方法和制备装置。

中国专利ZL200710062976.1、ZL200710063093.2和文献“半固态7075铝合金浆料的倒锥形通道浇注制备（杨斌，毛卫民，曾建南.特种铸造及有色合金，2011，31(12):1083-1086）”提出了半固态金属的倒锥形通道浇注制备技术。在倒锥形通道浇注制备技术中，首先将金属液的过热度控制到预定的浇注过热度，然后将该金属液浇注到一个倒锥形通道上口中，该金属液顺序向下流过该倒锥形通道内壁；在该金属液流经该倒锥形通道时，该金属液会向该倒锥形通道不断传热，引起接触通道内壁的金属液层的过冷，因而该过冷金属液会沿着该倒锥形通道内壁发生初生晶粒的形核和长大；在这些初生晶粒形核和长大的过程中，该初生晶粒根部产生溶质富集，同时该初生晶粒又承受该金属液的连续冲刷，部分初生晶粒会不断发生游离而离开通道内壁并进入金属熔体中；由于该金属熔体不断向该倒锥形通道内壁散热和流动熔体的混合作用，最初浇入的该过热金属熔体会逐渐进入整体过冷状态，从该倒锥形通道内壁游离并进入该金属熔体中的大量初生晶粒会存活下来；该金属熔体中的这些大密度的存活下来的初生晶粒会发生溶质场和温度场的相互干涉，从而抑制枝晶生长，这些初生晶粒逐渐长大为球状；当该金属熔体到达该倒锥形通道出口处时，该金属熔体已经处于固液两相区，内部包含有大量游离的球状初生晶粒，这就是半固态金属。这种半固态金属可以直接进行流变压铸成形、或流变挤压成形、或流变锻造成形，也可以将这些半固态金属收集到一个坩埚中，再经过适当的冷却凝固，可进一步提高半固态金属中的固相分数，用于流变成形高致密性的零件。总之，从上述制备技术的总体上看，该倒锥形通道浇注制备技术的过程比较简单，是一种低成本的半固态金属的制备方法。但在半固态金属制备过程中，由于沿着该倒锥形通道内壁形核的初生晶粒不能发生全部游离，剩余晶粒会不断长大，常常会堵塞该倒锥形通道，被迫终止半固态金属的制备过程，降低了该倒锥形通道的每次制备的半固态金属容量，不利于流变成形较大的零件。在半固态金属制备过程中，即使不会完全堵塞该倒锥形通道，也会在该倒锥形通道内产生大量挂料，挂料数量可占浇注金属重量的10%～30%，这大大增加了清理挂料的难度，也大大增加了金属回炉的数量和熔化能耗。因此，需要采取新的措施或方法来提高该倒锥形通道内壁上的初生晶粒的游离数量，大幅度减慢该倒锥形通道挂料的速度，大幅度减少该倒锥形通道内壁的挂料数量，以便简化清理工艺和降低清理工作难度及金属的回炉数量，也有利于流变成形较大型的零件。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种制备半固态金属的振动倒锥形通道方法及装置。利用电激机械振动来促进倒锥形通道内金属液的冷却、形核和晶粒游离，减少倒锥形通道内壁的金属挂料，简化清理工艺和降低清理工作难度及金属的回炉数量。

本发明的具体工艺特征如下：

1、产生过热的金属液，将该过热金属液的温度预先控制在其液相线温度以上1～250℃，将该过热金属液浇入带有机械振动特性的倒锥形通道的上口内；在不断产生机械振动的过程中，该过热金属液沿着倒锥形通道内壁向下流动，直至倒锥形通道的下出口，此时该金属熔体处于其固液两相区，即此时该金属熔体已经是半固态金属；半固态金属再流入相对磁导率约为1的金属或非金属的收集容器中，当半固态金属积累到一定的数量时即可进行后续的流变成形，或该半固态金属直接流入流变成形设备中的料室而后流变成形。

2、带有机械振动特性的倒锥形通道的内壁锥度为0.1度～20度，下口直径为5mm～50mm，倒锥形通道的高度为100mm～1000mm；在浇注过热金属液时，该带有机械振动特性的倒锥形通道的温度低于该过热金属液的固相线温度。

3、在该过热金属液的浇注过程中，倒锥形通道持续处于机械振动的作用下；该机械振动的振动频率为0.1Hz～50kHz、振幅为0.01mm～10mm。

4、在收集容器和倒锥形通道中，可以通入保护气体来减少金属熔体的氧化，该保护气体可以是氩气或含SF₆的气体。

本发明涉及一种制备半固态金属的振动倒锥形通道装置，该装置分为两种形式：

附图1为第一种形式，装置由浇包1、过热金属液2、浇口杯3、倒锥形通道4、电激机械振动器5、电激振动控制器6、半固态金属7、收集容器8构成。浇包1与过热金属液2衔接，过热金属液2与浇口杯3衔接，浇口杯3与倒锥形通道4衔接，倒锥形通道4与电激机械振动器5衔接，电激机械振动器5与电激振动控制器6衔接，倒锥形通道4与半固态金属7衔接，半固态金属7与收集容器8衔接。

附图2为第二种形式，装置由浇包1、过热金属液2、浇口杯3、倒锥形通道4、电激机械振动器5、电激振动控制器6、半固态金属7、压室9、冲头10、定型11和动型12构成。浇包1与过热金属液2衔接，过热金属液2与浇口杯3衔接，浇口杯3与倒锥形通道4衔接，倒锥形通道4与电激机械振动器5衔接，电激机械振动器5与电激振动控制器6衔接，倒锥形通道4与半固态金属7衔接，半固态金属7与压室9衔接，压室9与冲头10衔接，冲头10与定型11衔接，定型11与动型12衔接。

收集容器的形状为圆柱形容器或多边棱柱形容器，收集容器的材质为相对磁导率约为1的金属或非金属。

本发明的优点在于：在电激机械振动装置的作用下，促进了倒锥形通道内壁初生晶粒的形核和游离，明显增加了金属熔体中初生晶粒的密度，细化了半固态金属中初生晶粒的尺寸，也促使倒锥形通道内壁挂料速度的明显下降，倒锥形通道内壁的挂料数量大幅度减少，挂料数量可下降到浇注金属重量的5%以下，大大降低了清理工作的难度和工作量，也大大减少了金属回炉的数量和熔化能耗，每次浇注制备的半固态浆料的数量也大幅度提高，非常适合半固态金属的制备。

附图说明

图1是本发明的第一种形式的制备半固态金属的振动倒锥形通道装置示意图。

图2是本发明的第二种形式的制备半固态金属的振动倒锥形通道装置示意图。其中，1、浇包，2、过热金属液，3、浇口杯，4、倒锥形通道，5、电激机械振动器，6、电激振动控制器，7、半固态金属，8、收集容器，9、压室，10、冲头，11、定型，12、动型。

具体实施方式

实施例1：

参照图1，这是按上述技术特点提供的第一种形式的制备半固态金属的振动倒锥形通道工艺流程及装置。该振动倒锥形通道装置设置一浇包1，该浇包1与过热的ZL101A铝合金液2（即亚共晶Al-7wt%Si-0.45wt%Mg铝合金，相当于美国牌号A356铝合金）衔接；该过热的ZL101A铝合金液2与浇口杯3衔接；浇口杯3与倒锥形通道4衔接，倒锥形通道4的高度为100mm、下口内径为5mm、倒锥度为20度，倒锥形通道4由石墨制作；倒锥形通道4与电激机械振动器5衔接，电激机械振动器5的振幅为4毫米、振动频率为10Hz；电激机械振动器5与电激振动控制器6衔接；倒锥形通道4与半固态ZL101A铝合金7衔接；半固态ZL101A铝合金7与收集容器8衔接，收集容器8由奥氏体型不锈钢制作，收集容器8的内部尺寸为Ф80×200mm，浇注前该收集容器8处于室温。将过热度为15℃的ZL101A铝合金液2直接浇入到倒锥形通道4的上口内，并沿着倒锥形通道4的内壁向下流动，直至流出该倒锥形通道4的下口，最后流入收集容器8中，得到半固态ZL101A铝合金7，制备半固态ZL101A铝合金7的工艺流程结束后，振动倒锥形通道4内壁的挂料数量占浇注ZL101A铝合金2重量的2%，大大降低了清理工作的难度和工作量，大大减少了ZL101A铝合金回炉重熔的数量和熔化能耗。

实施例2：

参照图1，这是按上述技术特点提供的第一种形式的制备半固态金属的振动倒锥形通道工艺流程及装置。该振动倒锥形通道装置设置一浇包1，浇包1与过热的ZL101A铝合金液2（即亚共晶Al-7wt%Si-0.45wt%Mg铝合金，相当于美国牌号A356铝合金）衔接；该过热的ZL101A铝合金2与浇口杯3衔接；浇口杯3与倒锥形通道4衔接，倒锥形通道4的高度为1000mm、下口内径为30mm、倒锥度为0.1度，倒锥形通道4由石墨制作；倒锥形通道4与电激机械振动器5衔接，电激机械振动器5的振幅为10毫米、振动频率为0.1Hz；电激机械振动器5与电激振动控制器6衔接；倒锥形通道4与半固态ZL101A铝合金7衔接；半固态ZL101A铝合金7与收集容器8衔接，收集容器8由奥氏体型不锈钢制作，该收集容器8的内部尺寸为Ф200×400mm，浇注前该收集容器8处于室温。将过热度为85℃的ZL101A铝合金液2直接浇入到倒锥形通道4的上口内，并沿着倒锥形通道4的内壁向下流动，直至流出该倒锥形通道4的下口，最后流入收集容器8中，得到半固态ZL101A铝合金7，制备半固态ZL101A铝合金7的工艺流程结束后，振动倒锥形通道4内壁的挂料数量占浇注ZL101A铝合金2重量的2%，大大降低了清理工作的难度和工作量，大大减少了ZL101A铝合金回炉重熔的数量和熔化能耗。

实施例3：

参照图1，这是按上述技术特点提供的第一种形式的制备半固态金属的振动倒锥形通道工艺流程及装置。该振动倒锥形通道装置设置一浇包1，浇包1与过热的ZL101A铝合金液2（即亚共晶Al-7wt%Si-0.45wt%Mg铝合金，相当于美国牌号A356铝合金）衔接；该过热的ZL101A铝合金2与浇口杯3衔接；浇口杯3与倒锥形通道4衔接，倒锥形通道4的高度为400mm、下口内径为25mm、倒锥度为2度，倒锥形通道4由石墨制作；倒锥形通道4与电激机械振动器5衔接，电激机械振动器5的振幅为4mm、振动频率为5Hz；电激机械振动器5与电激振动控制器6衔接；倒锥形通道4与半固态ZL101A铝合金7衔接；半固态ZL101A铝合金7与收集容器8衔接，收集容器8由奥氏体型不锈钢制作，该收集容器8的内部尺寸为Ф200×400mm，浇注前该收集容器8处于室温。将过热度为1℃的ZL101A铝合金液2直接浇入到倒锥形通道4的上口内，并沿着倒锥形通道4的内壁向下流动，直至流出该倒锥形通道4的下口，最后流入收集容器8中，得到半固态ZL101A铝合金7，制备半固态ZL101A铝合金7的工艺流程结束后，振动倒锥形通道4内壁的挂料数量占浇注ZL101A铝合金2重量的4.5%，大大降低了清理工作的难度和工作量，大大减少了ZL101A铝合金回炉重熔的数量和熔化能耗。

实施例4：

参照图1，这是按上述技术特点提供的第一种形式的制备半固态金属的振动倒锥形通道工艺流程及装置。该振动倒锥形通道装置设置一浇包1，该浇包1与过热的AZ91镁合金液2（即Mg-9wt%Mg-0.45wt%Zn镁合金）衔接；该过热的AZ91镁合金液2与浇口杯3衔接；浇口杯3与倒锥形通道4衔接，倒锥形通道4的高度为800mm、下口内径为20mm、倒锥度为2度，倒锥形通道4由石墨制作；倒锥形通道4与电激机械振动器5衔接，电激机械振动器5的振幅为1mm、振动频率为10Hz；电激机械振动器5与电激振动控制器6衔接；倒锥形通道4与半固态AZ91镁合金衔接；半固态AZ91镁合金与收集容器8衔接，收集容器8由奥氏体型不锈钢制作，该收集容器8的内部尺寸为Ф200×400mm，浇注前该收集容器8处于室温。将过热度为75℃的AZ91镁合金液2直接浇入到倒锥形通道4的上口内，并沿着倒锥形通道4的内壁向下流动，直至流出该倒锥形通道4的下口，最后流入收集容器8中，得到半固态AZ91镁合金7；在浇注该AZ91D镁合金液2过程中，向该倒锥形通道内吹入0.1%的SF₆保护气体，SF₆气体的流量为每分钟0.03升。当制备半固态AZ91镁合金7的工艺流程结束后，振动倒锥形通道4内壁的挂料数量占浇注AZ91镁合金2重量的4%，大大降低了清理工作的难度和工作量，大大减少了AZ91镁合金回炉重熔的数量和熔化能耗。

实施例5：

参照图2，这是按上述技术特点提供的第二种形式的制备半固态金属的振动倒锥形通道工艺流程及装置。该振动倒锥形通道装置设置一浇包1，浇包1与过热的ZL114A铝合金液2（即亚共晶Al-7wt%Si-0.6wt%Mg铝合金）衔接；该过热的ZL114A铝合金液2与浇口杯3衔接；浇口杯3与倒锥形通道4衔接，倒锥形通道4的高度为500mm、下口内径为50mm、倒锥度为3度，倒锥形通道4由纯铜制作；倒锥形通道4与电激机械振动器5衔接，电激机械振动器5的振幅为0.01mm、振动频率为50kHz；电激机械振动器5与电激振动控制器6衔接；倒锥形通道4与半固态ZL114A铝合金7衔接；半固态ZL114A铝合金7与压室9衔接；压室9与冲头10衔接；冲头10与定型11衔接；定型11与动型12衔接。将过热度为250℃的ZL114A铝合金液2直接浇入到倒锥形通道4的上口内，并沿着倒锥形通道4的内壁向下流动，直至流出该倒锥形通道4的下口，再流入压室9中，得到半固态ZL114A铝合金7，制备半固态ZL114A铝合金7的工艺流程结束后，振动倒锥形通道4内壁的挂料数量占浇注ZL114A铝合金2重量的0.1%，大大降低了清理工作的难度和工作量，大大减少了ZL114A铝合金回炉重熔的数量和熔化能耗。

实施例6：

参照图2，这是按上述技术特点提供的第二种形式的制备半固态金属的振动倒锥形通道工艺流程及装置。该振动倒锥形通道装置设置一浇包1，该浇包1与过热的7075铝合金液2（即Al-5.5wt%Zn-2.5wt%Mg-1.6wt%Cu-0.2wt%Cr铝合金）衔接；该过热的7075铝合金液2与浇口杯3衔接；浇口杯3与倒锥形通道4衔接，倒锥形通道4的高度为400mm、下口内径为25mm、倒锥度为4度，倒锥形通道4由纯铜制作；倒锥形通道4与电激机械振动器5衔接，电激机械振动器5的振幅为0.2mm、振动频率为100Hz；电激机械振动器5与电激振动控制器6衔接；倒锥形通道4与半固态7075铝合金7衔接；半固态7075铝合金7与压室9衔接；压室9与冲头10衔接；冲头10与定型11衔接；定型11与动型12衔接。将过热度为45℃的7075铝合金液2直接浇入到倒锥形通道4的上口内，并沿着倒锥形通道4的内壁向下流动，直至流出该倒锥形通道4的下口，再流入压室9中，得到半固态7075铝合金7，制备半固态7075铝合金7的工艺流程结束后，振动倒锥形通道4内壁的挂料数量占浇注7075铝合金2重量的3%，大大降低了清理工作的难度和工作量，大大减少了7075铝合金回炉重熔的数量和熔化能耗。

实施例7：

参照图2，这是按上述技术特点提供的第二种形式的制备半固态金属的振动倒锥形通道工艺流程及装置。该振动倒锥形通道装置设置一浇包1，该浇包1与过热的7075铝合金液2（即Al-5.5wt%Zn-2.5wt%Mg-1.6wt%Cu-0.2wt%Cr铝合金）衔接；该过热的7075铝合金液2与浇口杯3衔接；浇口杯3与倒锥形通道4衔接，倒锥形通道4的高度为600mm、下口内径为25mm、倒锥度为2度，倒锥形通道4由石墨制作；倒锥形通道4与电激机械振动器5衔接，电激机械振动器5的振幅为1mm、振动频率为50Hz；电激机械振动器5与电激振动控制器6衔接；倒锥形通道4与半固态7075铝合金7衔接；半固态7075铝合金7与压室9衔接；压室9与冲头10衔接；冲头10与定型11衔接；定型11与动型12衔接。将过热度为65℃的7075铝合金液2直接浇入到倒锥形通道4的上口内，并沿着倒锥形通道4的内壁向下流动，直至流出该倒锥形通道4的下口，再流入压室9中，得到半固态7075铝合金7，制备半固态7075铝合金7的工艺流程结束后，振动倒锥形通道4内壁的挂料数量占浇注7075铝合金2重量的1%，大大降低了清理工作的难度和工作量，大大减少了7075铝合金回炉重熔的数量和熔化能耗。

为实施该发明的装置既适合于铝基合金的半固态金属的制备，也适合于镁基合金、锌基合金、铜基合金、镍基合金、钴基合金和铁基合金的半固态金属的制备。

Claims

1.一种制备半固态金属的振动倒锥形通道方法，其特征在于：将过热金属液（2）浇入带有机械振动特性的倒锥形通道（4）的上口内，过热金属液（2）在机械振动中沿着倒锥形通道（4）的内壁向下流动，直至倒锥形通道（4）的下出口，最终流入收集容器（8）中，获得半固态金属（7），或流出倒锥形通道（4）下出口的半固态金属（7）直接流入流变成形设备的料室或压室（9）中。

2.根据权利要求1所述的一种制备半固态金属的振动倒锥形通道方法，其特征在于：过热金属液的温度要预先控制在该金属液相线温度以上1～250℃。

3.根据权利要求1所述的一种制备半固态金属的振动倒锥形通道方法，其特征在于：在浇注过程中，倒锥形通道（4）一直处于机械振动中，直至半固态金属（7）制备过程结束。

4.根据权利要求1所述的一种制备半固态金属的振动倒锥形通道方法，其特征在于：在收集容器（8）和倒锥形通道（4）中，能够通入保护气体来减少金属熔体的氧化，该保护气体是氩气或含SF₆的气体。

5.根据权利要求1所述的一种制备半固态金属的振动倒锥形通道方法所用的倒锥形通道装置，其特征在于：装置由浇包（1）、过热金属液（2）、浇口杯（3）、倒锥形通道（4）、电激机械振动器（5）、电激振动控制器（6）、半固态金属（7）、收集容器（8）、压室（9）、冲头（10）、定型（11）和动型（12）组成；

其中，浇包（1）与过热金属液（2）衔接，过热金属液（2）与浇口杯（3）衔接，浇口杯（3）与倒锥形通道（4）衔接，倒锥形通道（4）与电激机械振动器（5）衔接，电激机械振动器（5）与电激振动控制器（6）衔接，倒锥形通道（4）与半固态金属（7）衔接，半固态金属（7）与收集容器（8）衔接；或者半固态金属（7）直接与压室（9）衔接，压室（9）与冲头（10）衔接，冲头（10）与定型（11）衔接，定型（11）与动型（12）衔接。

6.根据权利要求5所述的一种制备半固态金属的振动倒锥形通道装置，其特征在于：电激机械振动器（5）的振幅为0.01mm～10mm，振动频率为0.1Hz～50kHz。

7.根据权利要求5所述的一种制备半固态金属的振动倒锥形通道装置，其特征在于：倒锥形通道（4）的内壁锥度为0.1度～20度，下口直径为5mm～50mm，高度为100mm～1000mm。