CN104232953A - 一种轻金属合金半固态浆料制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轻金属合金半固态浆料制备方法，该方法采用放置在棒头中凝固的金属溶液Ⅰ作为晶核形成物，将棒头放入金属溶液Ⅱ中使金属溶液Ⅰ溶解形成晶核，同时，棒头转动和吹入惰性气体，使金属溶液Ⅱ能够高效混合均匀，确保了半固态浆料的混合均匀性。本发明采用固态的金属溶液Ⅰ再熔化作为金属溶液Ⅱ中形成的晶核，不仅操作方式简便，而且能够使晶核在半固态浆料中的分布均匀，提高了半固态浆料的混合效率和质量；不会向半固态浆料内引入其他杂质，确保了半固态浆料的质量和洁净度；利用金属溶液Ⅱ凝固散出的热量将棒头中的金属溶液Ⅰ熔化，只需要一次熔融金属原料，节约了能源消耗量，降低了生产成本。

Description

一种轻金属合金半固态浆料制备方法

 

技术领域

本发明涉及一种半固态合金的制备方法，具体涉及一种轻金属合金半固态浆料制备方法。

背景技术

20世纪70年代初发展起来的半固态铸造技术，使传统铸造方式发生了深刻变化。国内外学者提出了许多半固态金属浆料制备工艺方法，如机械搅拌法、电磁搅拌法、控制凝固法、应变激活工艺、粉末冶金方法以及其他方法等。目前很多的半固态金属制浆方法存在：熔体易受污染，能量消耗大；工艺参数不易控制，铸件质量不稳定等问题。

泰国Songkla 大学的Wannasin 等提出的气体搅拌的流变成型技术，通过钻有细小孔洞的石墨棒向合金熔体中通氩气使熔体激冷形核，由气流产生的强烈搅拌破碎了石墨棒附近的枝晶，而且对流所产生的局部熔体过热使得枝晶部分重熔并变得圆整。华中科技大学皱莹和张磊等人通过电机带动石墨棒旋转吹气制得了AZ91D 镁合金半固态浆料。王文俊等人在旋转石墨棒的基础上加上了机械振动，提出气流搅拌机械振动复合法制取半固态浆料的工艺。

因此气流搅拌法制备浆料具有过程简单，成本低的优势。目前大多的气体搅拌法固液比较难控制，浆料组织尚不够理想，或者需要添加异质形核剂甚至用电磁搅拌进一步球化和细化晶粒。其制备过程操作不便，产品质量较低。

发明内容

本发明需要解决的技术问题就在于克服现有技术的缺陷，提供一种轻金属合金半固态浆料制备方法，该方法制备流程短、易于控制、制备能耗和成本低，浆料中的晶核分布均匀。

为解决上述问题，本发明采用技术方案为：

一种轻金属合金半固态浆料制备方法，具体操作步骤为：

（1）预制金属溶液Ⅰ，并将金属溶液Ⅰ浇入带有密集孔洞的棒头中冷却待用；金属溶液Ⅰ凝固后再次放入金属溶液Ⅱ中熔化，在搅拌棒搅动和惰性气体的混合作用下，在金属溶液Ⅱ中形成晶核，使半固态浆料更加均匀；

（2）熔炼金属溶液Ⅱ；金属溶液Ⅱ是半固态浆料的主要组分，所以，金属溶液Ⅱ的使用量大于金属溶液Ⅰ的使用量。

（3）将上步所得金属溶液Ⅱ放入反应容器内自然冷却，当金属溶液Ⅱ的温度下降到液相线以上10℃～20℃时，将冷却后的棒头套入可旋转吹气的搅拌棒下端，搅拌棒下端与棒头伸入金属溶液Ⅱ内进行吹气搅拌处理，吹入的气体为惰性气体，处理时间为30～120s；

搅拌棒能够旋转，带动棒头在金属溶液Ⅱ内旋转，使金属溶液Ⅱ与金属溶液Ⅰ混合均匀，同时，惰性气体也使浆料混合更加高效和均匀，确保浆料的质量。

（4）棒头中由金属溶液Ⅰ凝固得到的固态金属熔化吸收热量，使反应容器内的金属溶液Ⅱ的温度下降，同时棒头中的金属溶液Ⅰ熔化并在搅拌棒吹气的作用下与金属溶液Ⅱ混合均匀；当反应容器内的混合金属溶液温度降低到固液两相区内即制得所述轻金属合金半固态浆料。惰性气体吹入金属浆料内，加快其散热速度，确保其在最快时间内降温形成半固态浆料。

优选的，步骤（3）中吹气搅拌处理的搅拌棒转速为50～200转/分钟，吹入的惰性气体流速为5～15升/分钟。

优选的，棒头为铜棒头或石墨棒头。

同时，为了使棒头能够高效混合浆料，提高半固态浆料的质量和制备效率，棒头为圆柱体形，棒头的中轴线上设有竖向的气流通孔；气流通孔圆周外侧的棒头内设有多个与气流通孔平行的凝固通孔；气流通孔上端与搅拌棒的下端密封连接；凝固通孔用于金属溶液Ⅰ的浇入和凝固；棒头下底面可拆卸的设有用于防止凝固通孔内金属溶液Ⅰ流出的圆形挡板，圆形挡板的中央设有与气流通孔下端配合的气孔。在棒头内的金属溶液Ⅰ凝固后，即可拆去圆形挡板。

优选的，金属溶液Ⅰ与金属溶液Ⅱ的重量比为（0.5～1）:100。由于金属溶液Ⅱ为半固态浆料的主要组分，而金属溶液Ⅰ只是用于形成晶核，所以，金属溶液Ⅰ的使用量远远小于金属溶液Ⅱ的使用量。

优选的，金属溶液Ⅰ与金属溶液Ⅱ的成分不相同。可选的，金属溶液Ⅰ与金属溶液Ⅱ的成分相近或相同。根据半固态浆料的制备要求，根据实际需要准备金属溶液Ⅰ。

优选的，棒头上设有3～35个凝固通孔，凝固通孔的孔径为2～25mm；气流通孔的孔径为10mm。

可选的，金属溶液Ⅱ为铝硅合金。

本发明的优点和有益效果为：

本发明轻金属合金半固态浆料制备方法，采用固态的金属溶液Ⅰ再熔化作为金属溶液Ⅱ中形成的晶核，不仅操作方式简便，而且能够使晶核在半固态浆料中的分布均匀，提高了半固态浆料的混合效率和质量；

本发明轻金属合金半固态浆料制备方法，采用棒头将凝固的金属溶液Ⅰ放入金属溶液Ⅱ中，使其慢慢熔化形成晶核，这样不会向半固态浆料内引入其他杂质，确保了半固态浆料的质量和洁净度；

本发明轻金属合金半固态浆料制备方法，利用金属溶液Ⅱ凝固散出的热量将棒头中的金属溶液Ⅰ熔化，只需要一次熔融金属原料，节约了能源消耗量，降低了生产成本；

本发明轻金属合金半固态浆料制备方法，采用棒头吹入惰性气体将浆料高效混合，采用棒头的转动使浆料混合效率更高。

附图说明

图1为本发明制备方法的原理示意图。

图2为本发明棒头的剖面结构示意图。

图3为本发明实施例1制备得到的铝合金半固态浆料组织的200倍放大图。

图1中11是棒头，12是搅拌棒，13是料勺即反应容器，14是惰性气体产生的气泡，15是激冷晶核，16是枝晶碎断。

图2中21、22、23、25、26、27是棒头上的凝固通孔，凝固通孔中为凝固的金属溶液Ⅰ，24是用于套入搅拌棒的气流通孔，28是棒头的本体，31是圆形挡板，32是挡板上的气孔。

具体实施方式

下列实施例将进一步说明本发明。

实施例1

本发明采用技术方案为一种轻金属合金半固态浆料制备方法，步骤为：

（1）预制金属溶液Ⅰ，用电阻炉熔融1公斤Al-10%Si合金锭，将金属溶液Ⅰ即Al-10%Si合金浇入棒头中冷却待用；每个铜棒头内金属溶液Ⅰ重量为0.03公斤；

棒头为圆柱体形，棒头的中轴线上设有竖向的气流通孔；气流通孔圆周外侧的棒头内设有多个与气流通孔平行的凝固通孔；气流通孔上端与搅拌棒的下端密封连接；棒头下底面可拆卸的设有用于防止凝固通孔内金属溶液Ⅰ流出的圆形挡板，圆形挡板的中央设有与气流通孔下端配合的气孔。棒头上设有12个凝固通孔，凝固通孔的孔径为25mm；气流通孔的孔径为10mm。棒头为石墨棒头。

（2）熔炼金属溶液Ⅱ；用另一个电阻炉熔炼纯铝锭3.4公斤、Al-25%Si中间合金1.6公斤，将熔体混合均匀后得到金属溶液Ⅱ；

（3）将上步所得金属溶液Ⅱ放入反应容器内自然冷却，金属溶液Ⅰ与金属溶液Ⅱ的重量比为0.6:100。当金属溶液Ⅱ的温度下降到液相线以上10℃～20℃时，将冷却后的棒头套入可旋转吹气的搅拌棒下端，搅拌棒下端与棒头伸入金属溶液Ⅱ内进行吹气搅拌处理，吹入的气体为惰性气体，处理时间为50s；吹气搅拌处理的搅拌棒转速为50转/分钟，吹入的惰性气体流速为10升/分钟。

（4）棒头中由金属溶液Ⅰ凝固得到的固态金属熔化吸收热量，使反应容器内的金属溶液Ⅱ的温度下降，同时棒头中的金属溶液Ⅰ熔化并在搅拌棒吹气的作用下与金属溶液Ⅱ混合均匀；当反应容器内的混合金属溶液温度降低到固液两相区内即制得金属合金半固态浆料。

实施例2

一种轻金属合金半固态浆料制备方法，其步骤为：

（1）预制金属溶液Ⅰ，用电阻炉熔融1公斤A356铝锭，将金属溶液Ⅰ即A356铝浇入棒头中冷却待用；每个棒头内金属溶液Ⅰ重量为0.05公斤；

棒头为圆柱体形，棒头的中轴线上设有竖向的气流通孔；气流通孔圆周外侧的棒头内设有多个与气流通孔平行的凝固通孔；气流通孔上端与搅拌棒的下端密封连接；棒头下底面可拆卸的设有用于防止凝固通孔内金属溶液Ⅰ流出的圆形挡板，圆形挡板的中央设有与气流通孔下端配合的气孔。棒头上设有35个凝固通孔，凝固通孔的孔径为5mm；气流通孔的孔径为10mm。棒头为铜棒头。

（2）熔炼金属溶液Ⅱ；用另一个电阻炉熔炼A356铝锭5公斤，熔体即为金属溶液Ⅱ；

（3）将上步所得金属溶液Ⅱ放入反应容器内自然冷却，金属溶液Ⅰ与金属溶液Ⅱ的重量比为1:100。当金属溶液Ⅱ的温度下降到液相线以上10℃～20℃时，将冷却后的棒头套入可旋转吹气的搅拌棒下端，搅拌棒下端与棒头伸入金属溶液Ⅱ内进行吹气搅拌处理，吹入的气体为氩气，处理时间为90s；吹气搅拌处理的搅拌棒转速为200转/分钟，吹入的氩气流速为15升/分钟。

（4）棒头中由金属溶液Ⅰ凝固得到的固态金属熔化吸收热量，使反应容器内的金属溶液Ⅱ的温度下降，同时棒头中的金属溶液Ⅰ熔化并在搅拌棒吹气的作用下与金属溶液Ⅱ混合均匀；当反应容器内的混合金属溶液温度降低到固液两相区内即制得金属合金半固态浆料。

实施例3

一种轻金属合金半固态浆料制备方法，其步骤为：

（1）预制金属溶液Ⅰ，用电阻炉熔融1公斤AZ91镁锭，将金属溶液Ⅰ即AZ91镁浇入棒头中冷却待用；每个棒头内金属溶液Ⅰ重量为0.04公斤；

棒头为圆柱体形，棒头的中轴线上设有竖向的气流通孔；气流通孔圆周外侧的棒头内设有多个与气流通孔平行的凝固通孔；气流通孔上端与搅拌棒的下端密封连接；棒头下底面可拆卸的设有用于防止凝固通孔内金属溶液Ⅰ流出的圆形挡板，圆形挡板的中央设有与气流通孔下端配合的气孔。棒头上设有22个凝固通孔，凝固通孔的孔径为15mm；气流通孔的孔径为10mm。棒头为铜棒头。

（2）熔炼金属溶液Ⅱ；用另一个电阻炉熔炼AZ91镁锭5公斤，熔体即为金属溶液Ⅱ；

（3）将上步所得金属溶液Ⅱ放入反应容器内自然冷却，金属溶液Ⅰ与金属溶液Ⅱ的重量比为0.8:100。当金属溶液Ⅱ的温度下降到液相线以上10℃～20℃时，将冷却后的棒头套入可旋转吹气的搅拌棒下端，搅拌棒下端与棒头伸入金属溶液Ⅱ内进行吹气搅拌处理，吹入的气体为氩气，处理时间为30s；吹气搅拌处理的搅拌棒转速为120转/分钟，吹入的氩气流速为5升/分钟。

（4）棒头中由金属溶液Ⅰ凝固得到的固态金属熔化吸收热量，使反应容器内的金属溶液Ⅱ的温度下降，同时棒头中的金属溶液Ⅰ熔化并在搅拌棒吹气的作用下与金属溶液Ⅱ混合均匀；当反应容器内的混合金属溶液温度降低到固液两相区内，制得一种AZ91镁合金半固态浆料。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种轻金属合金半固态浆料制备方法，其特征在于，所述制备方法的步骤为：

（1）预制金属溶液Ⅰ，并将金属溶液Ⅰ浇入带有密集孔洞的棒头中冷却待用；

（2）熔炼金属溶液Ⅱ；

（3）将上步所得金属溶液Ⅱ放入反应容器内自然冷却，当金属溶液Ⅱ的温度下降到液相线以上10℃～20℃时，将冷却后的棒头套入可旋转吹气的搅拌棒下端，搅拌棒下端与棒头伸入金属溶液Ⅱ内进行吹气搅拌处理，吹入的气体为惰性气体，处理时间为30～120s；

（4）棒头中由金属溶液Ⅰ凝固得到的固态金属熔化吸收热量，使反应容器内的金属溶液Ⅱ的温度下降，同时棒头中的金属溶液Ⅰ熔化并在搅拌棒吹气的作用下与金属溶液Ⅱ混合均匀；当反应容器内的混合金属溶液温度降低到固液两相区内即制得所述轻金属合金半固态浆料。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中吹气搅拌处理的搅拌棒转速为50～200转/分钟，吹入的惰性气体流速为5～15升/分钟。

3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，棒头为铜棒头或石墨棒头。

4.如权利要求1至3任一所述的制备方法，其特征在于，棒头为圆柱体形，棒头的中轴线上设有竖向的气流通孔；气流通孔圆周外侧的棒头内设有多个与气流通孔平行的凝固通孔；气流通孔上端与搅拌棒的下端密封连接；凝固通孔用于金属溶液Ⅰ的浇入和凝固；棒头下底面可拆卸的设有用于防止凝固通孔内金属溶液Ⅰ流出的圆形挡板，圆形挡板的中央设有与气流通孔下端配合的气孔。

5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，金属溶液Ⅰ与金属溶液Ⅱ的重量比为（0.5～1）:100。

6.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，金属溶液Ⅰ与金属溶液Ⅱ的成分不相同。

7.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，棒头上设有3～35个凝固通孔，凝固通孔的孔径为2～25mm；气流通孔的孔径为10mm。

8.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，金属溶液Ⅰ与金属溶液Ⅱ的成分相近或相同。

9.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，金属溶液Ⅱ为铝硅合金。