CN104962766A - 一种高效率低成本的制备半固态铝合金浆料方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效率低成本的制备半固态铝合金浆料方法,包括以下步骤：1）采用现有技术中的各种加热方法加热铝合金锭制备低过热度熔体；温度保持在液相线以上36~42℃，制备得到化学成分均匀、恒定，少或无偏析的低过热度熔体；2）将步骤1）制备的低过热度熔体转移至低温电阻炉内，保温使熔体温度均匀；3）将步骤2）低温电阻炉内保温的低过热度熔体倒入搅拌坩埚，把搅拌坩埚放入电磁搅拌器内腔，采用双向电磁搅拌方法开始电磁搅拌制备半固态浆料；开发出一种制备半固态合金的电磁搅拌新工艺，即双向电磁搅拌方法，充分利用熔体的运动惯性产生很大的速度差和惯性冲击，使搅拌效率大为提高，而且有助于半固态铝合金中固相的均匀分布。

Description

一种高效率低成本的制备半固态铝合金浆料方法

技术领域

    本发明涉及涉及材料技术等领域，具体地说，是一种高效率低成本的制备半固态铝合金浆料方法。

背景技术

铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。工业经济的飞速发展，对铝合金焊接结构件的需求日益增多，使铝合金的焊接性研究也随之深入。

铝合金密度低，但强度比较高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性，工业上广泛使用，使用量仅次于钢。一些铝合金可以采用热处理获得良好的机械性能，物理性能和抗腐蚀性能。硬铝合金属AI—Cu—Mg系，一般含有少量的Mn，可热处理强化．其特点是硬度大，但塑性较差。超硬铝属Al一Cu—Mg—Zn系，可热处理强化，是室温下强度最高的铝合金．但耐腐蚀性差，高温软化快。锻铝合金主要是Al—Zn—Mg—Si系合金，虽然加入元素种类多，但是含量少，因而具有优良的热塑性，适宜锻造，故又称锻造铝合金。

纯铝的密度小（ρ=2.7g/cm3），大约是铁的 1/3，熔点低（660℃），铝是面心立方结构，故具有很高的塑性（δ:32~40%，ψ:70~90%），易于加工，可制成各种型材、板材，抗腐蚀性能好。但是纯铝的强度很低，退火状态σb值约为8kgf/mm²，故不宜作结构材料。通过长期的生产实践和科学实验，人们逐渐以加入合金元素及运用热处理等方法来强化铝，这就得到了一系列的铝合金。 添加一定元素形成的合金在保持纯铝质轻等优点的同时还能具有较高的强度，σb 值分别可达 24～60kgf/mm²。这样使得其“比强度”（强度与比重的比值σb/ρ）胜过很多合金钢，成为理想的结构材料，广泛用于机械制造、运输机械、动力机械及航空工业等方面，飞机的机身、蒙皮、压气机等常以铝合金制造，以减轻自重。采用铝合金代替钢板材料的焊接，结构重量可减轻50%以上。

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。

在现有的制备半固态合金浆料技术中，按照制备原理主要分为利用外力、添加孕育剂、控制冷却速度、加热保温和低过热度铸造等若干类方法。利用外力的方法主要是采用各种搅拌和超声破振动等技术对熔体产生一个外力场，使合金熔体发生强烈的对流，达到细化晶粒、抑制枝晶生长、获得非枝晶组织的目的。这类方法的研究较多，包括各种机械搅拌法、电磁搅拌法和超声波振动法等，但是对于如何增强外力场的作用效果，以达到高效、快速制备半固态合金浆料等问题，尚是有待解决的问题。

添加孕育剂的方法主要是通过向合金熔体内添加粉末细化剂和(或)变质剂，改善熔体的形核条件和(或)控制晶粒生长方式，以达到细化晶粒的目的。这种方法的主要问题是难以得到理想的球晶结构，无法单独作为半固态浆料的制备方法；而且在生产现场难以满足制备材料的一致性要求。

控制冷却速度法是通过减缓熔体的冷却速度促进枝晶退化，以达到枝晶向等轴晶的转变，从而获得半固态浆料。这种方法得到的晶粒尺寸较大，成形件地性能难以体现半固态加工的优势，且生产效率较低；同样在生产现场难以满足制备材料的一致性要求。

晶粒细化及重新加热保温法是利用化学晶粒细化剂制备晶粒细小的合金锭料，然后锭料重新加热到固液两相区，依靠一段时间保温过程中的组织演化来获得半固态浆料。这种方法局限性较大，一则合适的晶粒细化剂极其有限，二则制备过程较长，效率较低。

低过热度铸造，也称(近)液相线铸造，是通过低过热度浇注和整体加压效应，使整个合金液同时进入过冷状态，实现同时形核和同时长大，但只能用于简单结构件的成形，且生产效率较低。

此外，半固态浆料的制备方法还有喷射沉积法、变形诱变激活法、紊流效应法和多种粉末冶金法(包括单、双气流雾化、高速旋转筒雾化、电-流体力学雾化等)等，但都受到制备效率和制备费用的限制，无法大规模生产应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高效率低成本的制备半固态铝合金浆料方法，在传统电磁搅拌法制备半固态合金浆料的基础上，开发出一种制备半固态合金的电磁搅拌新工艺，即双向电磁搅拌方法，充分利用熔体的运动惯性产生很大的速度差和惯性冲击，使搅拌效率大为提高，而且有助于半固态铝合金中固相的均匀分布；试验表明，在搅拌力不大的情况下，可快速获得分布均匀的细小球状初晶组织的半固态浆料，从而将成为流变成形用半固态铝合金浆料的在线制备的新技术。

本发明通过下述技术方案实现：一种高效率低成本的制备半固态铝合金浆料方法，包括以下步骤：

1）制备低过热度熔体，采用现有技术中的各种加热方法加热铝合金锭制备低过热度熔体；温度保持在液相线以上36~42℃，制备得到化学成分均匀、恒定，少或无偏析的低过热度熔体；

2）将制备的低过热度熔体保温，将步骤1）制备的低过热度熔体转移至低温电阻炉内，保温使熔体温度均匀；

3）双向电磁搅拌方法制备半固态浆料，将所述步骤2）低温电阻炉内保温的低过热度熔体倒入搅拌坩埚，把搅拌坩埚放入电磁搅拌器内腔，采用双向电磁搅拌方法开始电磁搅拌制备半固态浆料；

主要包括以下步骤：

3.1）在低过热度熔体倒入搅拌坩埚前，搅拌坩埚预热至360～390℃；

3.2）在把搅拌坩埚放入电磁搅拌器内腔之前11～15s开启搅拌器；

电磁搅拌频率：10～25Hz；

电磁搅拌功率：15kw；

搅拌方式采用正转、反转或交替运行；

搅拌换向时间为3～8s；

3.3）将所述步骤2）低温电阻炉内保温的低过热度熔体转入搅拌坩埚内，把搅拌坩埚放入电磁搅拌器内腔，并立即检测熔体温度；

3.4）按照设定搅拌方式进行电磁搅拌；

4）在搅拌过程中对温度进行实时采集，搅拌时间以最终搅拌温度设定，当搅拌过程中熔体温度降至液相线以下11~18℃，即停止搅拌，得到半固态合金浆料。

进一步的，为更好的实现本发明，所述步骤3）中通过电磁搅拌器调频来控制搅拌强度。

进一步的，为更好的实现本发明，在所述搅拌坩埚与电磁搅拌器内腔之间还放置有保温棉，保温棉的加入可保证电磁搅拌过程中搅拌坩埚壁部分熔体不至于降温过快，从而提高产品质量。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明在传统电磁搅拌法制备半固态合金浆料的基础上，开发出一种制备半固态合金的电磁搅拌新工艺，即双向电磁搅拌方法，充分利用熔体的运动惯性产生很大的速度差和惯性冲击，使搅拌效率大为提高，而且有助于半固态铝合金中固相的均匀分布；试验表明，在搅拌力不大的情况下，可快速获得分布均匀的细小球状初晶组织的半固态浆料，从而将成为流变成形用半固态铝合金浆料的在线制备的新技术。

本发明生产的半固态铝合金浆料的组织较传统的电磁搅拌技术更为优异。由于电磁搅拌方向瞬间换向时，与熔体的运动惯性可以产生很大机械冲击，可以更加有效地抑制熔体中枝晶的生长，而且有助于使熔体中的固相颗粒分布更均匀，因此本方法得到的半固态铝合金晶粒更细小、均匀。

本发明浆料制备效率较传统的电磁搅拌技术大为提高。由于电磁搅拌力跟磁场转速与熔体流速之间的速度差密切相关，单向电磁搅拌的磁场转速与熔体流速同向，二者的速度差有限，而双向电磁搅拌时，利用熔体的运动惯性可以产生很大的速度差和惯性冲击，从而使搅拌效率大为提高，有助于实现半固态铝合金浆料的在线制备。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例1：

一种高效率低成本的制备半固态铝合金浆料方法，包括以下步骤：

1）制备低过热度熔体，采用现有技术中的各种加热方法加热铝合金锭制备低过热度熔体；温度保持在液相线以上36~42℃，制备得到化学成分均匀、恒定，少或无偏析的低过热度熔体；

2）将制备的低过热度熔体保温，将步骤1）制备的低过热度熔体转移至低温电阻炉内，保温使熔体温度均匀；

3）双向电磁搅拌方法制备半固态浆料，将所述步骤2）低温电阻炉内保温的低过热度熔体倒入搅拌坩埚，把搅拌坩埚放入电磁搅拌器内腔，采用双向电磁搅拌方法开始电磁搅拌制备半固态浆料；

主要包括以下步骤：

3.1）在低过热度熔体倒入搅拌坩埚前，搅拌坩埚预热至360～390℃；

3.2）在把搅拌坩埚放入电磁搅拌器内腔之前11～15s开启搅拌器；

电磁搅拌频率：10～25Hz；

电磁搅拌功率：15kw；

搅拌方式采用正转、反转或交替运行；

搅拌换向时间为3～8s；

3.3）将所述步骤2）低温电阻炉内保温的低过热度熔体转入搅拌坩埚内，把搅拌坩埚放入电磁搅拌器内腔，并立即检测熔体温度；

3.4）按照设定搅拌方式进行电磁搅拌；

4）在搅拌过程中对温度进行实时采集，搅拌时间以最终搅拌温度设定，当搅拌过程中熔体温度降至液相线以下11~18℃，即停止搅拌，得到半固态合金浆料。

进一步的，为更好的实现本发明，所述步骤3）中通过电磁搅拌器调频来控制搅拌强度。

进一步的，为更好的实现本发明，在所述搅拌坩埚与电磁搅拌器内腔之间还放置有保温棉，保温棉的加入可保证电磁搅拌过程中搅拌坩埚壁部分熔体不至于降温过快，从而提高产品质量。

电磁搅拌的作用是使熔体产生强烈的对流，从而处于同一温度或极小温度梯度状态下，保证整个熔体同时进入过冷状态，实现同时形核。晶核在随后的长大过程中，受到相邻晶核长大阻力的影响，不可能(或极少)形成发达的枝晶，从而得到理想的球状晶粒结构。即电磁搅拌的作用是创造等轴晶形核的动力学条件，并不直接参与等轴晶的形核和长大。制备化学成分均匀、恒定、偏析小的低过热度熔体(即温度在液相线以上30～35℃)，可缩短合金冷却时间，即缩短电磁搅拌时间，提高半固态浆料的制备效率。

采用双向电磁搅拌方法制备半固态浆料过程中，(a)在熔体送入双向电磁搅拌器之前启动电磁搅拌机构，一则可以促进合金熔体形核，从而缩短制浆时间，提高制浆效率，二则可以保证料筒的中央和内壁处的合金得到充分的搅拌，使得料筒内热流传递充分，保证料筒内各部分浆料组织均匀，抑制料筒内壁处因激冷而出现枝晶；(b)在电磁搅拌器内腔放置保温棉，可保证电磁搅拌过程中不出现坩埚壁部分熔体降温过快为准；(c)双向电磁搅拌机构通过转向机构使电磁搅拌方向瞬间转变，实现“正转-反转-正转”交替运行，利用熔体的运动惯性产生很大的速度差和惯性冲击，从而使搅拌效率大为提高。

采用这种方法制备的半固态浆料晶粒直径可达80μm以下，形状因子可达到0.75以上，组织中无典型的柱状晶和树枝晶，晶粒内卷液现象极少。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种高效率低成本的制备半固态铝合金浆料方法,其特征在于：包括以下步骤：

1）制备低过热度熔体，采用现有技术中的各种加热方法加热铝合金锭制备低过热度熔体；温度保持在液相线以上36~42℃，制备得到化学成分均匀、恒定，少或无偏析的低过热度熔体；

2）将制备的低过热度熔体保温，将步骤1）制备的低过热度熔体转移至低温电阻炉内，保温使熔体温度均匀；

3）双向电磁搅拌方法制备半固态浆料，将所述步骤2）低温电阻炉内保温的低过热度熔体倒入搅拌坩埚，把搅拌坩埚放入电磁搅拌器内腔，采用双向电磁搅拌方法开始电磁搅拌制备半固态浆料；

主要包括以下步骤：

3.1）在低过热度熔体倒入搅拌坩埚前，搅拌坩埚预热至360～390℃；

3.2）在把搅拌坩埚放入电磁搅拌器内腔之前11～15s开启搅拌器；

电磁搅拌频率：10～25Hz；

电磁搅拌功率：15kw；

搅拌方式采用正转、反转或交替运行；

搅拌换向时间为3～8s；

3.3）将所述步骤2）低温电阻炉内保温的低过热度熔体转入搅拌坩埚内，把搅拌坩埚放入电磁搅拌器内腔，并立即检测熔体温度；

3.4）按照设定搅拌方式进行电磁搅拌；

4）在搅拌过程中对温度进行实时采集，搅拌时间以最终搅拌温度设定，当搅拌过程中熔体温度降至液相线以下11~18℃，即停止搅拌，得到半固态合金浆料。

2.根据权利要求1所述的一种高效率低成本的制备半固态铝合金浆料方法,其特征在于：所述步骤3）中通过电磁搅拌器调频来控制搅拌强度。

3.根据权利要求1或2所述的一种高效率低成本的制备半固态铝合金浆料方法,其特征在于：在所述搅拌坩埚与电磁搅拌器内腔之间还放置有保温棉。