CN104726726A - 一种合金半固态浆料制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属/合金的半固态加工及铸造成形技术领域，尤其涉及一种合金半固态浆料制备方法。通过将熔融合金装入盛浆容器中，在盛浆容器中，操作至少一组超声波振动装置和引入至少一组冷却气体。通过改变超声波振动装置参数和冷却气体量，制得合金半固态浆体。其结合超声波声流效应和冷却气体冷却作用能够快速制备出圆整、细小、均匀的非枝晶状组织，且引入的冷却用惰性气体对浆体还有净化效果。本发明可用于铝、镁、锌、铜、锡等各种合金半固态浆料制备，工艺简单、高效、经济、制得浆体纯净无污染。
Description
技术领域
本发明涉及一种合金半固态浆料制备方法。
背景技术
半固态成形技术属于21世纪前沿性的金属加工技术，近年来获得了快速发展。由于半固态成形技术打破了传统的枝晶凝固模式，在成分与组织均匀性、提高成形件的综合性能及降低工件内部缺陷等方面具有独特的优势。通常认为，半固态金属浆料的质量是成形技术的基础和关键因素，它要求浆料组织中的晶粒为圆整、细小、均匀的球状晶组织。针对半固态浆料的制备方法，国内外学者已做了大量的研究工作，提出许多制备工艺的方法，包括机械搅拌法、电磁搅拌法、应变诱发激活方法（SIMA法）、等温处理法、近液相线浇注法以及喷射沉积等。从总体上说，一般的机械搅拌法由于易卷入气体，熔体易受污染，无法制备出高质量的浆体。近液相线法工艺简单、适用范文广，但由于浇注温度要求控制在液相线附近，工艺条件非常苛刻，操作困难。电磁搅拌法和应变诱发激活方法（SIMA法）对设备要求高，制备成本昂贵而难于推广普及。
20世纪90年代，有学者将超声波引入半固态金属成型领域，将其应用于金属半固态连铸等方面的研究之中，此后，高能超声波制备半固态浆料引起了众多学者的重视。高能超声波制备半固态浆料的原理是：超声波作用产生的声空化和声流效应作用于金属熔体，影响其温度场和凝固场，促进形核并控制晶核生长。赵君文（赵君文，吴树森，万里等.超声场中金属半固态浆料组织的演化.金属学报，2009（3）：314~319）、朱宏霞（朱宏霞，王家宣，李春等.功率超声对A356半固态初生相尺寸和形貌的影响.特种铸造及有色合金，2008,28（7）：522~525）等研究表明，近液相线时导入超声波制得铝合金半固态浆料的质量最佳。专利文献CN1618549A公开了一种超声波直接作用于液态金属制备半固态金属浆料/胚料的方法及设备，可用于多种合金，尤其适合于镁合金半固态浆料的制备。超声波能够有效制备出高质量浆体但是单纯超声波制备半固态浆料由于浆体温度下降较慢，制浆效率低。
气体尤其是惰性气体在金属凝固领域中有着广泛的用途，主要应用于铝合金熔体精炼净化处理中，现在也有运用在半固态领域。气泡搅拌制备式 (Gas induced semi-solid process，简称 GISS) 流变成形工艺是泰国 Songkla 大学的 Wannasin 等提出的一种流变成型技术。该工艺是在较低的过热度下，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，然后将制得的浆料压铸或挤压铸造成形。由于气流直接作用大多集中在石墨棒附近的熔体，制得浆体均匀性不好。
发明内容
本发明针对上述现有技术存在的问题做出改进，即本发明所要解决的技术问题是提供一种合金半固态浆料制备方法，结合超声波技术与冷却气体应用可以获得高效、经济、均匀、无污染半固态浆体。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种合金半固态浆料制备方法，按以下步骤进行：
（1）将熔融合金装入盛浆容器中；
（2）操作至少一组超声波振动装置到所述盛浆容器中，同时引入至少一组冷却气体到所述盛浆容器中；
（3）通过改变所述超声波振动装置参数和所述冷却气体量，制得所需的合金半固态浆料。
进一步的，所述熔融合金装入盛浆容器后温度为该合金液相线以上的0℃~100℃。
进一步的，所述冷却气体为氮气、氩气、氖气、氦气中的一种或多种组成的混合气体。
进一步的，所述冷却气体的温度为-35℃~150℃。
进一步的，所述冷却气体以0.1~200L/Min的速率引入到所述盛浆容器中，所述冷却气体被持续引入的时间为0.1~5Min。
进一步的，所述冷却气体被引入盛浆容器前需经过去除水分的干燥装置。
进一步的，所述超声波振动装置包括超声波换能器和细长探头，所述细长探头上端与超声波换能器相连接，所述细长探头下端部全部或部分被引入所述盛浆容器中。
进一步的，所述细长探头为一中空管，其内部设置有导气通道，所述超声波换能器下端侧壁上设置有与导气通道相连通的引气口，所述冷却气体从该引气口进入细长探头导气通道，再被引入盛浆容器中。
进一步的，所述细长探头旁侧设置有对熔融金属进行冷却的附加外部冷却系统，所述附加外部冷却系统包括若干根用于导入冷却气体进入盛浆容器中的导气管，所述导气管围绕细长探头布置。
进一步的，所述冷却气体通过细长探头和导气管中的至少一种引入盛浆容器中。即可单独选择从细长探头引入冷却气体，或者单独选择从导气管引入冷却气体，或者同时选择细长探头和导气管引入冷却气体。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、将超声波引入熔融合金中，超声作用产生声空化和声流效应，影响其温度场和浓度场，促进形核并控制晶核长大。超声波振动头直接振动于熔融合金，使得声空化及声流作用更强烈，引起液体对流剧烈。超声波作用下空化泡的长大和内部熔体的蒸发使空化泡的温度降低，导致空化泡表面的金属液体过冷，从而使空化泡成为形核核心。另一方面空化激冷熔体中的不溶物，提高这些不溶粒子的表面润湿性，使他们成为形核基底。这些生成细小的初生晶粒且初生晶粒能够十分均匀的分布在盛浆容器内。
2、同时施加的冷却气体在熔体内迅速的使熔体激冷形核。能够迅速的使得熔体温度下降，使得制浆过程变得高效。同时在超声波制备过程中，高能超声波在熔体中传播时能够产生声流效应，声流效应加速了熔体中的传热、传质，从而促进初生固相颗粒的等轴生长。超声产生和冷却气体共同产生的紊流可以打碎枝晶并使固相颗粒不规则运动，阻碍固相颗粒枝晶长大和聚集成团。
3、施加冷却气体为惰性气体，还能够保护浆体进一步被氧化，同时带出氢气等浆体含气物质源对熔体产生净化效果。
4、结合超声波技术与冷却气体应用可以高效制备出组织均匀、无污染半固态浆体。
5、适用该方法与装置能制得初生晶粒更加圆整的半固态浆料，浆料的半固态状态能保持更长的时间，生产过程能耗小、成本低、设备简单、制浆流程短、工艺参数容易控制。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
附图说明
图1为本发明实施例中步骤一的状态示意图。
图2为本发明实施例中步骤二的状态示意图。
图3为本发明实施例中步骤三的状态示意图。
图4为本发明实施例中超声波振动装置的构造示意图。
图5为本发明实施例中带外部附加的冷却系统的构造示意图。
图中：1-盛浆容器，2-熔融合金，3-超声波振动装置，4-半固态浆体，5-超声波换能器，51-引气口，6-细长探头，61-导气通道，7-导气管。
具体实施方式
本发明方法的工艺步骤和工艺条件：如图1~3所示，本发明工艺步骤是，将熔融合金2装入盛浆容器1中，熔融合金2装入后温度控制为为合金液相线以上0~100℃范围内；在盛浆容器1中，将至少一组超声波振动装置3的细长探头6伸入熔融合金2并启动，将至少一组的冷却气体从细长探头6或外置导气管7引入到盛浆容器1中；其中，如图4和5所示，所述超声波振动装置3包括超声波换能器5和细长探头6，所述细长探头6上端与超声波换能器5相连接，所述细长探头6下端部全部或部分被引入所述盛浆容器中，所述细长探头6为一中空管，其内部设置有导气通道61，所述超声波换能器5下端侧壁上设置有与导气通道61相连通的引气口51，所述冷却气体从该引气口51进入细长探头导气通道61，再被引入盛浆容器1中。
其中，熔融合金2可以使铝合金，镁合金，锡合金，铜合金及锌合金等，本方法可用于这些合金的半固态浆体制备。
在-35℃~150℃温度范围内，以大约0.1~200L/Min的速率通入经过干燥的包括氮气、氩气等冷却气体，气体通入时间0.1~5Min。通过改变所述超声波振动装置振动频率、振动幅度与振动时间，制得合金半固态浆料4。其中所用振动频率在20KHz~120KHz范围内，所用振动幅度0.1~2mm范围内，振动时间为0.1~5Min范围内。制得的浆料可浇注入成形设备，如压铸机、挤压铸造机等，将浆体射入成形模具内，成形出商用零件。
实施例1：利用ZL101铝合金进行熔炼制备半固态成型件。ZL101铝合金的液相线温度为615℃，固相线温度在567℃。将合金在加热炉内加热至700℃，盛浆容器从加热炉内取出熔融铝合金。
将细长探头6通过升降装置插入铝合金液面20mm以下，同时温度为15℃的干燥氮气从细长探头6导入到铝合金液面下，两者处理时间皆为2Min。其中超声波振动频率为28KHz，振动幅度为0.5mm，氮气通入速率为15L/Min。处理时间到位后，用升降装置将细长探头6提升至液面上方100mm，盛浆容器将铝合金半固态浆料送入压铸机料室内，射入模具成形。
实施例2：利用ZL109铝合金进行熔炼制备半固态成型件。ZL109铝合金的液相线温度为566℃，固相线温度在538℃。将合金在加热炉内加热至700℃，盛浆容器从加热炉内取出熔融铝合金。
如图5所示，将细长探头6通过升降装置插入铝合金液面20mm以下，同时温度为15℃的干燥氮气从外置导气管7导入到铝合金液面下，两者处理时间皆为1.5Min。其中超声波振动频率为28KHz，振动幅度为1mm，氮气通入速率为15L/Min。处理时间到位后，由升降装置提起细长探头6至液面上方100mm，盛浆容器将铝合金半固态浆料送入压铸机料室内，射入模具成形。
实施例3：利用AZ61镁合金进行熔炼制备半固态成型件。AZ61镁合金的液相线温度为595℃，固相线温度在470℃。将合金在加热炉内加热至700℃，盛浆容器从加热炉内取出熔融镁合金。
将细长探头6通过升降装置插入镁合金液面20mm以下，同时温度为15℃的干燥氮气从细长探头7导入到镁合金液面下，两者处理时间皆为1Min。其中超声波振动频率为50KHz，振动幅度为1mm，氮气通入速率为25L/Min。处理时间到位后，由升降装置提起细长探头6至液面上方100mm，盛浆容器将镁合金半固态浆料送入压铸机料室内，射入模具成形。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (10)
1.一种合金半固态浆料制备方法，其特征在于，按以下步骤进行：
（1）将熔融合金装入盛浆容器中；
（2）操作至少一组超声波振动装置到所述盛浆容器中，同时引入至少一组冷却气体到所述盛浆容器中；
（3）通过改变所述超声波振动装置参数和所述冷却气体量，制得所需的合金半固态浆料。
2.根据权利要求1所述的合金半固态浆料制备方法，其特征在于：所述熔融合金装入盛浆容器后温度为该合金液相线以上的0℃~100℃。
3.根据权利要求1所述的合金半固态浆料制备方法，其特征在于：所述冷却气体为氮气、氩气、氖气、氦气中的一种或多种组成的混合气体。
4.根据权利要求1所述的合金半固态浆料制备方法，其特征在于：所述冷却气体的温度为-35℃~150℃。
5.根据权利要求1所述的合金半固态浆料制备方法，其特征在于：所述冷却气体以0.1~200L/Min的速率引入到所述盛浆容器中，所述冷却气体被持续引入的时间为0.1~5Min。
6.根据权利要求1所述的合金半固态浆料制备方法，其特征在于：所述冷却气体被引入盛浆容器前需经过去除水分的干燥装置。
7.根据权利要求1所述的合金半固态浆料制备方法，其特征在于：所述超声波振动装置包括超声波换能器和细长探头，所述细长探头上端与超声波换能器相连接，所述细长探头下端部全部或部分被引入所述盛浆容器中。
8.根据权利要求7所述的合金半固态浆料制备方法，其特征在于：所述细长探头为一中空管，其内部设置有导气通道，所述超声波换能器下端侧壁上设置有与导气通道相连通的引气口，所述冷却气体从该引气口进入细长探头导气通道，再被引入盛浆容器中。
9.根据权利要求8所述的合金半固态浆料制备方法，其特征在于：所述细长探头旁侧设置有对熔融金属进行冷却的附加外部冷却系统，所述附加外部冷却系统包括若干根用于导入冷却气体进入盛浆容器中的导气管，所述导气管围绕细长探头布置。
10.根据权利要求9所述的合金半固态浆料制备方法，其特征在于：所述冷却气体通过细长探头和导气管中的至少一种引入盛浆容器中。
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