CN110625076A - 半固态金属或合金的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种半固态金属或合金的制备方法，包括：将基体金属或合金加热到液相线以上温度，并确保具有足够的过热度以使基体金属或合金完全熔化，形成均匀的液相金属或合金熔体；将液相金属或合金熔体冷却至半固态温度，使晶核开始形成；当固相组分达到一定规模时，开始对熔体进行一或多次持续高速剪切乳化分散，在熔体内形成初始运动加速度为Gopt的微晶核，得到金属或合金熔体悬浊液；在金属或合金熔体悬浊液发生团聚前将其制成半固态金属或合金材料。本发明的半固态金属或合金的制备方法，成功解决了传统方法中存在的晶核弥散不均匀、晶体团聚形核长大、晶粒球形度不高等问题，并且适合工业化生产。

Description

半固态金属或合金的制备方法

技术领域

本发明涉及金属或合金铸造技术领域，特别涉及一种半固态金属或合金的制备方法。

背景技术

半固态流变成形技术是由金属或合金熔体在凝固到固液区间后直接通过一定的成形工艺成形得到零件，由于缩短了材料制备过程的一些加工环节，极大节约了产品零件加工制造过程的成本，因而成为一种极具关注的材料加工手段。采用半固态成形的方法制备金属或合金材料，可在保留原有金属或合金高性能的基础上实现短流程加工制造。半固态成形技术在铝、镁金属或合金中的应用，有效地降低了加工温度，减少了气孔、缩孔等缺陷，提高了零件的成品率和产品质量，推动了金属成形方法的发展。

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。在现有的半固态金属或合金浆料制备技术中，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、加热保温和低过冷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振动等技术对熔体产生一个外力场，使金属或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、电磁搅拌法和超声振动法等(已公开的中国发明专利201710313704.8、201410507971.5、201510396284.5、201811655216.6)，但是对于如何增强外力场的作用效果，以达到高效、快速制备半固态金属或合金浆料等问题，尚有待解决。

添加孕育剂的方法主要是通过向金属或合金熔体内添加粉末细化剂或变质剂，改善熔体的形核条件和控制晶粒生长方式，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，成形件的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，一是合适的晶粒细化剂极其有限，二是制备过程较长，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

本发明的目的是为解决以上问题，本发明提供一种半固态金属或合金的制备方法。

根据本发明的一个方面，提供一种半固态金属或合金的制备方法，包括以下步骤：A.金属或合金块体熔炼，将基体金属或合金加热到液相线以上温度，并确保具有足够的过热度以使基体金属或合金完全熔化，形成均匀的液相金属或合金熔体；B.冷却形核,将所述液相金属或合金熔体冷却至半固态温度，使晶核开始形成；C.高速剪切乳化分散,当固相组分达到一定规模时，开始对熔体进行一或多次持续高速剪切乳化分散，在熔体内形成初始运动加速度为Gopt的微晶核，得到金属或合金熔体悬浊液；D.悬浊液后处理,在所述金属或合金熔体悬浊液发生团聚前将其制成半固态金属或合金材料。

其中，步骤C中，微晶核的直径为1-999nm，初始运动加速度Gopt＝30-100G。

其中，步骤C中，所述高速剪切乳化分散是通过高速乳化分散设备完成，其转子的线速度为30-60m/s；并且，当所述晶核形成至当固相组分达到40％-60％时，开始高速剪切乳化分散。

其中，步骤C包括，乳化剪切分散总时长为1-30min。

其中，步骤B中，半固态温度为金属或合金固相线与液相线之间的任一温度。

其中，步骤D中，采用冷却或浇注的方法制成金属或合金型材。

其中，所述金属或合金熔体为具有较宽固液共存区的半固态金属金属或合金体系，进一步地，为铝熔体、镁熔体、铝合金熔体、钛合金熔体或镁合金熔体。

根据本发明的另一方面，提供该制备方法制备的半固态金属或合金。

本发明中，利用高速转子与定子的相对作用，一方面通过高速剪切乳化工艺，利用高速转子与定子的相对作用，保证了更大的剪切力和更高的剪切速度，实现了对形成的晶核进行反复的破碎分散，将晶核分离成单一纳米级尺寸的微晶核，进而最大程度降低质点浮沉速度。另一方面，根据加速度公式a＝v²/r，通过特定的剪切线速度，使微晶核刚开始脱离剪切乳化装置时的加速度达到30～100倍重力加速度，进而使微晶核在熔体中始终保持高度运动的状态，静止团聚的概率很小，直至分散在熔体的各个角落。在浮沉速度和初始运动加速度的双重条件下，并使得形成的微晶核能够在超越常规的后续加工处理时间内始终维持稳定状态。则在整个制备过程中，只需要后续的冷却加工工艺按照常规方式进行，本发明就能够保持气泡在最后形成的泡沫金属或合金中，始终处于均匀分散的状态。

本发明的半固态金属或合金的制备方法，避免了传统方法的不足，成功解决了传统方法中存在的晶核弥散不均匀、晶体团聚形核长大、晶粒球形度不高等问题，同时该方法原料易得，设备简单，工艺流程短，效率高，成本低，适合工业化生产。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1示出了根据本发明实施方式的半固态金属或合金的制备方法的流程图。

具体实施方式

下面将根据实施例更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然说明书中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

如图1所示，本发明提供一种半固态金属或合金的制备方法，包括以下步骤：

A.金属或合金块体熔炼，将基体金属或合金加热到液相线以上温度，并确保具有足够的过热度，使基体金属或合金完全熔化，形成均匀的液相金属或合金熔体；B.冷却形核：将液相金属或合金熔体冷却至半固态温度，并开始形成晶核；C.高速乳化分散：当金属或合金熔体内包括晶核在内的固相组分(包含晶核以及在晶核上生长的树枝状晶体)达到一定规模时，对熔体持续进行一到多次高速剪切乳化分散，实现对熔体内新形成晶核的破碎分散，在熔体内形成初始运动加速度为Gopt的微晶核，从而使半固态金属或合金熔体转化为微晶核均匀弥散分布且在特定时间内不发生团聚的金属或合金熔体悬浊液；D.悬浊液后处理：将金属或合金熔体悬浊液在所述特定时间内进行常规后处理，获得半固态金属或合金材料。

上述步骤中，微晶核的直径为1-999nm，具体可以为，10nm，50，150nm，200nm，250nm，300nm，350nm，400nm，450nm，500nm，550nm，600nm，700nm，800nm，850nm，900nm，950nm。

上述步骤中，形成的微晶核的脱离乳化分散设备的初始加速度为30-100G，具体可以为，30G、40G、50G、60G、70G、80G、90G、100G。G为重力加速度，数值约为9.8米/秒。微晶核保持分散的特定时间为60min内。具体可以为10min，20min，30min，40min，50min，60min。

乳化剪切分散可分一到多的时间段进行。乳化剪切分散的总时间为1-30min。具体可以为15min，20min，25min，30min。

上述步骤中，可以采用使用转子和定子进行相对高速旋转的剪切乳化装置进行乳化分散。乳化剪切时，转子的转动线速度为30-60m/s，具体可以为30m/s、40m/s、50m/s、60m/s。乳化剪切分散的开始时机为，当熔体内固相组分达到熔体的40％-60％时，具体固相组分可以为40％、50％和60％。

后续冷却加工工艺包括将悬浊液冷却制成金属或合金块材，将悬浊液浇铸制成金属或合金棒材、板材及异型泡沫金属或合金材料等产品，以及其他工艺以获得不同的金属或合金产品。

上述制备工艺中，步骤A的金属或合金熔炼过程中，根据金属或合金的稳定性及抗氧化性，可选择在空气、氮气、氩气或其它气氛条件下进行熔炼。

上述制备工艺中，金属或合金熔体为具有较宽固液共存区的半固态金属或合金体系。该金属或合金熔体具体为，铝熔体、镁熔体、或钛合金熔体、铝合金熔体和镁合金熔体。其中上述三种合金熔体具体可以为铝硅合金熔体、铝铜合金熔体、铝镁合金熔体、铝锌合金熔体、钛钴合金熔体、钛铜合金熔体、镁铜合金熔体、镁锌合金熔体。

下面将通过具体的实施例的形式，对本发明的制备方法做进一步解释。

实施例1半固态铝铜合金X1的制备方法

将铝铜合金锭置于石墨熔炼炉内，在氮气气氛保护下加热至700℃；待合金锭完全熔化后，冷却至630℃；当合金熔体中固相组分达到40％时，将石墨高速剪切乳化分散机的乳化头伸入熔体内，开启并逐渐升高转速至线速度60m/s，在30min内持续将形成的晶核打散成直径为50～70nm的微晶核，并使得微晶核的脱离乳化分散设备的初始加速度达到30G；然后将铝铜合金熔体悬浊液浇注到挤压铸造模具中，进行流变成型，60min后获得半固态铝合金异型铸件。

检测：将制得的半固态铝铜合金X1进行试验检测，其中，晶粒平均尺寸41μm，晶粒平均球形度0.85，抗拉强度427MPa，屈服强度344MPa，断裂伸长率15％，硬度HB138。

实施例2半固态镁铝合金X2的制备方法

将2kg镁铝合金锭置于石墨熔炼炉内，在氩气氛围保护下加热至650℃；待合金锭完全熔化后，冷却至480℃；当合金熔体中固相组分达到60％时，将石墨高速剪切乳化分散机的乳化头伸入熔体内，开启并逐渐升高转速至线速度40m/s，将形成的晶核打散成直径为80～100nm的微晶核，并使得微晶核的脱离乳化分散设备的初始加速度为100G；经20min高速剪切乳化分散后，将镁铝合金熔体悬浊液倒入模具中，采用循环水快速冷却；将冷却后的铸块经过切割、清洗、烘干，得到半固态镁铝合金板材。

检测：将制得的镁铝合金X2进行试验检测，晶粒平均尺寸56μm，晶粒平均球形度0.79，抗拉强度413MPa，屈服强度328MPa，断裂伸长率12％，硬度HB112。

实施例3半固态铝X3的制备方法

将5kg铝锭置于石墨熔炼炉内，在氩气氛围保护下加热至800℃；待铝锭完全熔化后，冷却至600℃；当熔体中固相组分达到50％时，将石墨高速剪切乳化分散机的乳化头伸入熔体内，开启并逐渐升高转速至线速度30m/s，将形成的晶核打散成直径为800～900nm的微晶核，并使得微晶核的脱离乳化分散设备的初始加速度为50G；经10min间歇4次，每次持续1.5min的高速剪切乳化分散后，将铝熔体悬浊液倒入模具中，采用循环水快速冷却；将冷却后的铸块经过切割、清洗、烘干，得到半固态铝板材。

检测：将制得的铝合金X3进行试验检测，晶粒平均尺寸62μm，晶粒平均球形度0.81，抗拉强度420MPa，屈服强度331MPa，断裂伸长率10％，硬度HB124。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种半固态金属或合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

A.金属或合金块体熔炼，将基体金属或合金加热到液相线以上温度，并确保具有足够的过热度以使基体金属或合金完全熔化，形成均匀的液相金属或合金熔体；

B.冷却形核,将所述液相金属或合金熔体冷却至半固态温度，使晶核开始形成；

C.高速剪切乳化分散，当包括晶核在内的固相组分达到一定规模时，开始对熔体进行一或多次持续高速剪切乳化分散，在熔体内形成初始运动加速度为Gopt的微晶核，得到金属或合金熔体悬浊液；

D.悬浊液后处理，在所述金属或合金熔体悬浊液发生团聚前将其制成半固态金属或合金材料。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，

步骤C中，微晶核的直径为1-999nm，初始运动加速度Gopt＝30-100G。

3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，

步骤C中，所述高速剪切乳化分散是通过高速乳化分散设备完成，其转子的线速度为30-60m/s；

并且，当所述晶核形成至当固相组分达到40％-60％时，开始高速剪切乳化分散。

4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，

步骤C包括，乳化剪切分散总时长为1-30min。

5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，

步骤B中，半固态温度为金属或合金固相线与液相线之间的任一温度。

6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，

步骤D中，采用冷却或浇注的方法制成金属或合金型材。

7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，

所述金属或合金熔体为具有较宽固液共存区的半固态金属金属或合金体系，进一步地，所述金属或合金熔体为铝熔体、镁熔体、铝合金熔体、钛合金熔体或镁熔体。

8.如权利要求1-7任一所述的制备方法制备的半固态金属或合金。