CN106890962A - 一种复合制备半固态浆料的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合制备半固态浆料的方法及装置，该装置包括电压调节器、脉冲磁场发生器、钢管、励磁线圈和倾斜角度调节支架，钢管外侧缠绕有励磁线圈，钢管与倾斜角度调节支架的倾斜面固定连接；脉冲磁场发生器分别与励磁线圈和电压调节器电连接，电压调节器调节输入脉冲磁场发生器的脉冲电压；钢管的两端开口，浇勺内的金属液通过钢管的较高端开口进入钢管的内孔通道中，变成半固态金属材料落入钢管的较低端开口下方的收集容器中。本发明利用电磁感应力抑制初生枝晶的析出，倾斜桶的冷却作用可使金属液大量形核形成晶粒；倾斜浇注的过程中，金属液会受到较大的冲击力，使较大的初生枝晶破碎，形成细小的初生晶粒，起到晶核的增殖作用。

Description

一种复合制备半固态浆料的方法及装置

技术领域

本发明涉及半固态金属加工技术领域，特别是涉及一种复合制备半固态浆料的方法及装置。

背景技术

半固态金属加工技术已成为当今最活跃的研究领域之一。这种方法不仅可以降低成本，提高铸件质量与成品率，同时具有高效、节能、利于环保的优点。目前一些发达国家已开始应用于汽车制造业、通讯、电器、计算机及其辅助设备领域、航空航天等领域，并具有广阔的发展前景。金属及合金半固态成形技术一般分两类，一类是半固态金属或合金触变成形，即先让球状初晶的金属或合金半固态浆料完全凝固成坯料，再对适当长度的坯料进行半固态重熔加热，将处于固液两相区的半固态坯料送至压铸机或锻造机进行成形；另一类是将球状初晶的金属或合金半固态浆料直接送至压铸机或锻造机进行直接成形，即流变成形。无论是流变成形还是触变成形，其中半固态(或称非枝晶组织)合金的制备是整个过程的基础与关键，其目的是获得适于半固态成型的初生相为球状或颗粒状的非枝晶组织，保证半固态金属材料的供给。国内外研究者在此方面作了大量研究工作，提出了许多制备方法与思想。其中主要包括：

(1)机械搅拌法是最早采用的方法，主要用于研究金属的流变学性质与流变铸造。其原理是在金属液冷却过程中进行强烈的机械搅拌，树枝晶因受到剪切力的作用而发生断裂，同时促进了熔体内部的温度均匀化，抑制了树枝晶的生长，实现晶粒从树枝形貌向球状发展。上世纪七十年代Flemings等首先提出用机械搅拌法可以得到一合金的半固态坯料，由此作为发端，形成了多种机械搅拌方法，美国专利US3902544、US3948650和US3954455等公开了几种制备金属半固态浆料的机械搅拌方法，各自都具有一定特点，尤其是英国学者Z.Fan等人提出了双螺旋机械搅拌法(Twin-screw Rheomoulding Process)取得了较大的突破。但由于工艺参数不易控制，容易卷入气体；搅拌器与熔体接触易造成熔体污染；存在搅拌死角，影响浆料的均匀性；重现性较差，很难保证产品质量的一致性；所制备的半固态浆料固相率一般较低。

(2)电磁搅拌法是目前应用较广的技术，它克服机械搅拌法的诸多缺点，利用旋转磁场在金属液中产生感应电流，金属液在洛伦磁力作用下产生运动，达到搅拌的目的。美国专利第4229210、4434837号公开了几种制备金属半固态浆料或连铸坯料的电磁搅拌方法，利用强烈的电磁感应力抑制初生枝晶的析出，制备球状或粒状初晶半固态金属浆料，然后利用连铸技术生产出球状晶半固态金属的连铸坯料。中国专利200420112702.0公开了一种复合电磁搅拌法连续制备半固态金属浆料的装置，该装置的主要结构和原理是在中间包内施加电磁搅拌，使中间包过热的液体整体均匀降温到液相线温度，在导流管外均施加强烈电磁搅拌，金属液流可获得充分快速的冷却，使形核数量大幅增加，凝固组织明显细化，从而在一定程度上可以得到组织相对细小的金属半固态坯料浆料。为了进行强烈的电磁搅拌，电磁搅拌设备庞大，投资过高，而且电磁搅拌功率很大、效率很低、耗能很大，因此球状或粒状初晶半固态金属连铸坯料的成本较高。

(3)倾斜板技术(中国专利200410009295.5[P]、200710176134.9[P]、02145565.5[P])。在非搅拌条件下，将略高于液相线温度的熔融金属倒在倾斜板上，由于倾斜板的冷却作用，在倾斜板上会有细小的晶粒形核长大，这些晶粒由于自重作用和熔融金属流体的冲击会从倾斜板上脱落、翻转并落入容器中，通过合理的控制容器温度，即可制得含有一定固相体积分数的半固态浆料，随后可进行流变成形和触变成形。该技术已由传统所用的平直冷却板发展到波浪形的斜板以及对倾斜板振动、加热等。目前该技术主要应用于铝合金和镁合金半固态浆料的制备。

(4)阻尼冷管法(杨浩强.半固态镁合金浆料制备及连续铸轧过程的数值模拟研究[D]，博士学位论文，北京：北京有色金属研究总院，2006)。将液相线温度以上几度的合金熔体通过一个阻尼冷管，利用管子的阻尼搅拌作用获得理想的半固态浆料，获得的半固态浆料可直接进行流变铸造或流变成形，也可制成坯料，目前已连续铸轧出AZ91D镁合金板带。但该方法要求金属液的浇注温度非常接近该金属液的液相线温度，这使得金属熔体温度的控制变得十分困难；此外，该设备较为复杂，影响因素较多，获得半固态合金需要一定的压头高度，即熔体液面必须高度稳定，且具体的液面高度与合金及工艺要求相关，尚需实验验证，这一点在实验中很难控制，直接影响了此种方法的应用。

(5)应变诱导熔体活化技术(Strain-induced meltActivation Process)，简称SIMA(美国专利第4415374号)，是除电磁搅拌法外，目前工业上用于生产半固态浆料的另一种方法。该技术是将常规铸造枝晶组织在高温下进行挤压变形，破碎枝晶组织，再施加足够的冷变形量后，加热到两相区。在加热过程，合金首先发生再结晶形成亚晶粒和亚晶界，随后晶界处低熔点溶质元素和低熔点相熔化，导致近球形固相被低熔点液相包围，形成半固态浆料。该技术对制备较高熔点的非枝晶组织合金具有独特的优越性，已成功地应用于不锈钢、工具钢、铜合金等系列。但该法增加了一道预变形工序，提高了坯料生产成本，同时它仅适用于小规格坯料，亦不能直接成形零件。

(6)喷射沉积法(英国专利GB2172900A号)。通过气体喷射器将液体金属雾化为液滴，在喷射气体作用下，部分凝固的金属微粒以半固态沉积到冷却靶上。靠半固态微粒的冲击产生足够的剪切力打碎其内部枝晶，形成非枝晶组织。经再加热后，获得具有球形颗粒固相的半固态金属浆料。目前该方法已应用到工业生产，晶粒尺寸可小至20μm。但该方法生产成本较高，只适用于某些特殊产品。

(7)其它方法。除上述方法外，还有许多制浆技术处于研究或开发之中。如粉末冶金法，即通过粉末冶金技术制成锭坯后，经再加热使低熔点成分熔化后获得半固态浆料，这种方法特别适用于难熔合金(Ti-Co)。此外，还有紊流效应法、晶粒细化法、超声波处理法、剪切-冷却-轧制法(Shearing-Cooling-Rolling)、弯曲管通道浇注法、被动搅拌法等。这些方法目前均处于实验室研究阶段，尚未投入工业生产。

发明内容

本发明的目的是提供一种制备效率高、生产成本低、产品质量好的复合制备半固态浆料的方法及装置，以解决上述现有技术存在的问题，使得金属液能够以较低的成本投入，快速的生成初生晶，并形成细小均匀的晶粒。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种复合制备半固态浆料的装置，包括电压调节器、脉冲磁场发生器、钢管、励磁线圈和倾斜角度调节支架，所述钢管外侧缠绕有所述励磁线圈，所述钢管与所述倾斜角度调节支架的倾斜面固定连接；所述脉冲磁场发生器分别与所述励磁线圈和所述电压调节器电连接，所述电压调节器调节输入所述脉冲磁场发生器的脉冲电压；所述钢管的两端开口，浇勺内的金属液通过所述钢管的较高端开口进入所述钢管的内孔通道中，变成半固态金属材料落入所述钢管的较低端开口下方的收集容器中。

优选的，所述钢管的内孔直径为40～120mm，长度为150～300mm。

优选的，所述倾斜角度调节支架的倾斜角度为25°～65°，所述脉冲磁场发生器的脉冲电压为0V～220V。

优选的，所述钢管为不锈钢管。

本发明提供还一种复合制备半固态金属浆料的方法，包括如下步骤：

根据半固态合金的成分进行配置炉料，并在相应的熔化炉内进行熔化与精炼，得到过热的金属液；

将不锈钢管预热到100℃～200℃，在内孔通道的表面刷上涂料，然后固定在倾斜角度调节支架的倾斜面上，调节到所需要的角度；

启动电源，通过电压调节器对输入脉冲磁场发生器的电压在0V～220V范围内进行调节，脉冲磁场发生器对不锈钢管施加脉冲磁场；

浇勺将过热金属液浇注到倾斜的不锈钢管的内孔通道中；过热金属液在内孔通道的流动过程中，产生冲刷和激冷作用，同时在脉冲磁场的作用下熔体产生了强烈振荡和对流；

过热金属液经过倾斜管通道后变成半固态金属浆料，落入设置于不锈钢管下方的收集容器中，所述半固态金属浆料冷却后形成为半固态金属。

优选的，所述半固态金属为铝合金、镁合金、锌合金、铜合金、铸铁或铸钢。

优选的，所述过热金属液的过热度区间为金属液相线之上0～100℃。

本发明相对于现有技术取得了以下有益效果：

本发明提供的一种复合制备半固态浆料的装置中金属液流经倾斜桶的过程中加入脉冲磁场，一方面将利用强烈的电磁感应力抑制初生枝晶的析出，倾斜桶的冷却作用可使金属液大量形核，并且起到异质形核的作用，形成晶粒；另一方面，倾斜浇注的过程中，金属液会受到较大的冲击力，使较大的初生枝晶破碎，形成细小的初生晶粒，起到晶核的增殖作用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明复合制备半固态浆料的装置的整体结构示意图；

图2a为本发明复合制备半固态浆料的装置倾斜角度调节支架的倾斜角为30°，脉冲电压为200V时制备出的铝合金半固态坯料的显微组织示意图；

图2b为本发明复合制备半固态浆料的装置倾斜角度调节支架的倾斜角为45°，脉冲电压为200V时制备出的铝合金半固态坯料的显微组织示意图；

图2c为本发明复合制备半固态浆料的装置倾斜角度调节支架的倾斜角为60°，脉冲电压为200V时制备出的铝合金半固态坯料的显微组织示意图；

其中，1-电压调节器、2-脉冲磁场发生器、3-钢管、4-励磁线圈、5-倾斜角度调节支架、6-浇勺、7-收集容器、8-金属液。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种制备效率高、生产成本低、产品质量好的复合制备半固态浆料的方法及装置，以解决上述现有技术存在的问题，使得金属液能够以较低的成本投入，快速的生成初生晶，并形成细小均匀的晶粒。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供一种复合制备半固态浆料的装置，包括电压调节器1、脉冲磁场发生器2、钢管3、励磁线圈4和倾斜角度调节支架5，在钢管3的外侧缠绕上励磁线圈4，并将缠绕好励磁线圈4的钢管3与倾斜角度调节支架5的倾斜面固定连接，使得钢管3与水平面之间成一定的倾斜角度；脉冲磁场发生器2分别与钢管3上的励磁线圈4和电压调节器1电连接，通过电压调节器1调节输入脉冲磁场发生器2的脉冲电压，并通过励磁线圈4对钢管3施加一定强度的脉冲磁场；钢管3的两端开口，将合金熔化过热至一定的温度形成金属液8，使用盛放器皿，如浇勺6，将浇勺6内的金属液8通过钢管3的较高端开口进入钢管3的内孔通道中，金属液8在倾斜钢管3内流动冲刷和电磁振荡的共同作用下，最终得到初生相为近球形的非枝晶半固态金属，非枝晶半固态金属落入钢管3的较低端开口下方的收集容器7中。

所述钢管3为不锈钢管；所述钢管3的内孔直径为40～120mm，长度为150～300mm；所述倾斜角度调节支架5的倾斜角度为25°～65°，所述脉冲磁场发生器2的脉冲电压为0V～220V。

本发明还提供一种复合制备半固态金属浆料的方法，包括如下步骤：

根据半固态合金的成分进行配置炉料，并在相应的熔化炉内进行熔化与精炼，得到过热的金属液8；

将不锈钢管预热到100℃～200℃，在内孔通道的表面刷上涂料，然后固定在倾斜角度调节支架5的倾斜面上，调节到所需要的角度；

启动电源，通过电压调节器1对输入脉冲磁场发生器2的电压在0V～220V范围内进行调节，脉冲磁场发生器2对不锈钢管施加脉冲磁场；

浇勺6将过热金属液8浇注到倾斜的不锈钢管的内孔通道中；过热金属液8在内孔通道的流动过程中，产生冲刷和激冷作用，同时在脉冲磁场的作用下熔体产生了强烈振荡和对流；

过热金属液8经过倾斜管通道后变成半固态金属浆料，落入设置于不锈钢管下方的收集容器7中，所述半固态金属浆料冷却后形成为半固态金属。

所述半固态金属为铝合金、镁合金、锌合金、铜合金、铸铁或铸钢。

所述过热金属液8的过热度区间为金属液相线之上0～100℃。

本发明中金属液8流经倾斜管的过程中加入脉冲磁场，一方面将利用强烈的电磁感应力抑制初生枝晶的析出，倾斜管的冷却作用可使金属液8大量形核，并且起到异质形核的作用，形成晶粒；另一方面，倾斜浇注的过程中，金属液8会受到较大的冲击力，使较大的初生枝晶破碎，形成细小的初生晶粒，起到晶核的增殖作用。

实施例1：

应用以上本发明所公开的一种复合制备半固态浆料的装置以及一种复合制备半固态金属浆料的方法中制备ZL101合金的半固态浆料，具体步骤如下：

(1)将采用坩埚电阻炉进行ZL101合金的熔炼，熔炼温度为740℃，炉料全部熔化后，于720℃左右加入精炼剂C₂C_l6进行除气，然后温度降在670℃进行浇注。

(2)设定好工艺参数：不锈钢管直径为50mm，长度200mm，将其预热至150℃，倾斜角度分别设置为30°，45°和60°，脉冲电压设置为200V的脉冲磁场。

(3)浇勺6将过热金属液8浇注到倾斜的不锈钢管通道中，流动的过热金属液8在倾斜不锈钢管流动产生一定的冲刷和激冷作用，同时在脉冲磁场的作用下熔体产生了强烈振荡和对流。

过热金属液8经过倾斜不锈钢管的通道变成半固态金属浆料，落入收集容器7中冷却后即为半固态金属。

其中，图2a、2b、2c分别为采用本实施例复合制备半固态浆料的装置在倾斜角度调节支架的倾斜角为30°、45°和60°，脉冲电压为固定值200V时获得的ZL101合金的半固态浆料的显微组织示意图，随着倾斜角度调节支架的倾斜角的逐渐变大，使得在倾斜浇注的过程中，金属液8受到的冲击力逐渐变大，形成的初生晶粒更加的细小、均匀。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种复合制备半固态浆料的装置，其特征在于，包括电压调节器、脉冲磁场发生器、钢管、励磁线圈和倾斜角度调节支架，所述钢管外侧缠绕有所述励磁线圈，所述钢管与所述倾斜角度调节支架的倾斜面固定连接；所述脉冲磁场发生器分别与所述励磁线圈和所述电压调节器电连接，所述电压调节器调节输入所述脉冲磁场发生器的脉冲电压；所述钢管的两端开口，浇勺内的金属液通过所述钢管的较高端开口进入所述钢管的内孔通道中，变成半固态金属材料落入所述钢管的较低端开口下方的收集容器中。

2.根据权利要求1所述的一种复合制备半固态浆料的装置，其特征在于，所述钢管的内孔直径为40～120mm，长度为150～300mm。

3.根据权利要求1所述的一种复合制备半固态浆料的装置，其特征在于，所述倾斜角度调节支架的倾斜角度为25°～65°，所述脉冲磁场发生器的脉冲电压为0V～220V。

4.根据权利要求1所述的一种复合制备半固态浆料的装置，其特征在于，所述钢管为不锈钢管。

5.一种复合制备半固态金属浆料的方法，其特征在于，包括如下步骤：

根据半固态合金的成分进行配置炉料，并在相应的熔化炉内进行熔化与精炼，得到过热的金属液；

将不锈钢管预热到100℃～200℃，在内孔通道的表面刷上涂料，然后固定在倾斜角度调节支架的倾斜面上，调节到所需要的角度；

启动电源，通过电压调节器对输入脉冲磁场发生器的电压在0V～220V范围内进行调节，脉冲磁场发生器对不锈钢管施加脉冲磁场；

浇勺将过热金属液浇注到倾斜的不锈钢管的内孔通道中；过热金属液在内孔通道的流动过程中，产生冲刷和激冷作用，同时在脉冲磁场的作用下熔体产生了强烈振荡和对流；

过热金属液经过倾斜管通道后变成半固态金属浆料，落入设置于不锈钢管下方的收集容器中，所述半固态金属浆料冷却后形成为半固态金属。

6.根据权利要求4所述的制备半固态金属浆料方法，其特征在于，所述半固态金属为铝合金、镁合金、锌合金、铜合金、铸铁或铸钢。

7.根据权利要求4所述的制备半固态金属浆料方法，其特征在于，所述过热金属液的过热度区间为金属液相线之上0～100℃。