CN1254552C - 一种制备半固态金属及合金浆料或坯料的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种制备半固态金属及合金浆料或坯料的装置，其特征在于由升降机构(1)、过热金属及合金液产生器(2)、半固态金属及合金浆料或坯料的制备坩埚即承接容器(5)、垂直直管通道(14)、组织控制器(6)及加热元件(9)和冷却元件(10)、保温炉(12)及传送带(13)、制备坩埚即承接容器的支撑和推出机构(11)组成；升降机构(1)与过热金属及合金液产生器(2)衔接，过热金属及合金液产生器(2)与半固态金属及合金浆料或坯料的制备坩埚即承接容器(5)相接，制备坩埚即承接容器(5)与组织控制器(6)或保温炉(12)相结合。本发明的优点在于：设备构造简单，投资少、生产成本低，非常适合半固态金属及合金的成形生产。

Description

一种制备半固态金属及合金浆料或坯料的装置

技术领域

本发明属于金属制备技术领域，特别是提供了一种制备半固态金属及合金浆料或坯料的装置。

背景技术

自从七十年代初期美国麻省理工学院(MIT)发明了金属及合金的球状初晶半固态成形技术以来，半固态金属及合金浆料或坯料的制备技术引起各国的广泛关注和研究。据文献“Behavior of Metal alloys in the Semisolid State”(FlemingsM，Metall Trans，1991，22A：957-981)和《半固态金属成形技术》(编著：毛卫民，机械工业出版社，2004)报道，获得金属及合金的球状初晶半固态浆料或坯料的方法很多，如机械搅拌法、电磁搅拌法、变形应变激活(strain induced meltactivation)法、超声波振动法、单辊旋转法、熔体混合法、粉末冶金法、喷射沉积法、晶粒细化和重熔法、紊流效应法、低过热度浇注法。但目前制备球状初晶半固态金属及合金浆料或合金坯料的商用方法只有电磁搅拌法和变形应变激活法，因此，球状初晶半固态金属及合金浆料或坯料的制备技术仍然制约着半固态金属成形技术的应用。

在电磁搅拌制备球状初晶半固态金属及合金浆料或坯料的设备中，美国4434837号专利提到一般金属及合金熔体都必须进行强烈的电磁搅拌，即电磁搅拌所产生的剪切速率一般在500～1500S^-1。在这样的剪切速率下，被搅拌金属及合金液的旋转速度很高，一般都超过500转/分钟，这时才能获得细小和球状初晶的半固态金属及合金浆料或坯料。如果剪切速率小于500S^-1，初晶的形态变差，多为蔷薇状初晶，而且半固态金属及合金浆料或坯料表面的枝晶层较厚，这种半固态金属及合金浆料或坯料不适于半固态触变成形。在电磁搅拌制备球状初晶半固态金属及合金浆料或坯料的设备中，一般不特别设置控制浇注高度的机构，只需将过热金属及合金液体平稳地浇入连铸机的热顶承接口或结晶器即可。为了进行强烈的电磁搅拌，电磁搅拌设备庞大，投资很高，而且电磁搅拌功率大、效率低、耗能大，因此球状初晶半固态金属及合金浆料或坯料的制备成本较高。

美国专利3948650号和文献“Rheocasting”(Flemings M，Riek R G and YoungK P，Materials Science and ngineering，1976，25：103-117)中都提到，制备球状初晶半固态金属及合金浆料或坯料的机械搅拌方法都采用强烈的机械搅拌。该机械搅拌方法利用旋转叶片或搅拌棒将凝固中的初生固相枝晶打碎，获得球状初晶的金属及合金半固态浆料。在机械搅拌制备球状初晶半固态金属及合金浆料或坯料的设备中，一般不特别设置控制浇注高度的机构，只需将过热金属及合金液体平稳地浇入搅拌室即可。在搅拌中，这些机械搅拌的叶片和搅拌棒的相对转速都很高，一般均在500转/分钟以上，甚至超过10000转/分钟。在如此高的搅拌速率下，搅拌室和搅拌棒的寿命不长，容易污染球状初晶半固态金属及合金浆料或坯料，球状初晶半固态金属及合金浆料或坯料也易于氧化，球状初晶半固态金属及合金浆料或坯料的内部质量低，而且球状初晶半固态金属及合金浆料或坯料的生产效率很低，也无法满足实际生产的需要。

文献“液相线铸造铝合金2618显微组织”(刘丹，崔建忠，夏可农.东北大学学报.1999，20(2)：173-176)提出：在非搅拌条件下，仅利用控制浇注温度，也可以制备球状晶半固态金属浆料，这种方法被称为液相线铸造法，但该方法要求金属及合金液的浇注温度非常接近该金属液的液相线温度，即比该液相线温度高1～5℃，才能获得球状晶半固态金属浆料，这使得金属液温度的控制变得十分困难，金属液的流动性变差，尤其在低导热性金属液或大量金属液及连铸中难以实现和操作。如果提高金属液的浇注温度，初生固相的球状形态立即恶化，由液相线浇注时的球状转变为蔷薇状或枝晶状，这种半固态金属浆料的触变性很差，半固态成形时的变形不均匀，易出现液固相偏析，非常不利于金属的半固态成形。在该制备工艺及设备中，也未特别提及浇注高度和特别设置控制浇注高度的机构。

中国专利00109540.4提出了一种制备球状初晶半固态金属及合金浆料或坯料的方法及设备，即将低过度的金属及合金液直接浇入铸模或连铸结晶器中，同时对该过热金属及合金液进行弱搅拌，就可制备出球状初晶半固态金属及合金浆料或坯料，而且该球状初晶半固态金属及合金浆料或坯料纯净，不会受到制备装置的污染，因此该制备方法的设备投资较低、球状初晶半固态金属及合金浆料或坯料的制备成本较低。但该方法在制备球状半固态金属及合金浆料时还需要专门的电磁搅拌设备或机械搅拌设备，整体设备的构成复杂，制备工艺较麻烦，而也未特别提及浇注高度和特别设置控制浇注高度的机构。

特别需要强调的一点是，在以上各种制备球状初晶半固态金属及合金浆料或坯料的工艺中，都会涉及金属及合金液的浇注过程，但这些工艺都要求尽可能地降低浇注高度，以免合金液过分氧化及造成飞溅等事故。

文献“浇注工艺对AlSi7Mg合金半固态组织的影响”(毛卫民，赵爱民，崔成林，杨继莲，钟雪友，2000年中国材料研讨会，2000年11月7-10日，北京：164)和文献“AlSi7Mg合金半固态坯料的低温浇注制备工艺”(毛卫民，赵爱民，张丽娟，崔成林，甄子胜，杨继莲，陈洪涛，中国有色金属学报，2002，12，铝合金专辑：64-69)介绍了浇注高度(≤400mm)对半固态AlSi7Mg合金组织的积极作用。但在实际制备半固态铝合金浆料或坯料时，有时会发现浆料或坯料心部的球状初生相不太圆整和比较粗大。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种制备半固态金属及合金浆料或坯料的装置。用于在200～1500mm的浇注高度下，制备半固态金属及合金浆料或坯料。

本发明由升降机构1、过热金属及合金液产生器2、半固态金属及合金浆料或坯料的制备坩埚即承接容器5、垂直直管通道14、组织控制器6及加热元件9和冷却元件10、保温炉12及传送带13、制备坩埚即承接容器的支撑和推出机构11组成。升降机构1可以自由调整低过热度合金液产生器2的浇口3与制备坩埚即承接容器5之间的浇注高度h，使h在200～1500mm之间变动。升降机构1与过热金属及合金液产生器2衔接，过热金属及合金液产生器2与半固态金属及合金浆料或坯料的制备坩埚即承接容器5相接，制备坩埚即承接容器5与组织控制器6或保温炉12相结合，组织控制器由加热元件9和冷却元件10组成，见图1、图2。升降机构1与过热金属及合金液产生器2衔接，过热金属及合金液产生器2与垂直直管通道14相接，垂直直管通道14与半固态金属及合金浆料或坯料的制备坩埚即承接容器5相接，制备坩埚即承接容器5与组织控制器6或保温炉12相结合，见图3。

制备坩埚即承接容器的形状为圆柱形容器或方柱形容器，该制备坩埚即承接容器的材质为非金属或无磁金属。

垂直直管通道的形状为圆柱形管或矩柱形管，其材质为非金属或金属；垂直直管通道的内壁可以设有低导热衬里，低导热衬里的厚度为0.2～5mm；垂直直管通道的长度比浇注高度低50～100mm。

本发明的优点在于：实现直接将过热度为5～100℃的金属及合金液浇入制备坩埚即承接容器中，或先将一定过热度的金属及合金液浇入垂直直管通道，再流入制备坩埚即承接容器中，以此避免金属及合金的氧化或飞溅，这两种方法均可以获得更优良的半固态金属及合金组织；同时控制该金属及合金的凝固冷却过程，准确控制球状初晶的半固态金属及合金浆料的固相分数，然后将该固相分数的球状初晶的半固态金属及合金浆料直接送至压铸机或锻造机成形；或将该固相分数的球状初晶的半固态金属及合金浆料完全凝固成坯料，再将该坯料重新加热至合金固液两相区的某仪温度下，最后将该半固态坯料送至压铸机或锻造机成形。

这两种方法均取消了复杂的单纯电磁搅拌或机械搅拌装备，也取消了复杂的低过热度浇注和弱搅拌复合制备中的电磁搅拌或机械搅拌装备，也大大降低了液相线浇注的难度，大大减少了制备能耗，同样可获得优良的球状初晶半固态金属及合金浆料或坯料，明显降低了半固态金属及合金浆料或坯料的制备成本。这些球状初晶半固态金属及合金浆料经过进一步的冷却或均热保温，球状初晶的形态得到进一步的圆整优化，将该圆整优化的球状初晶半固态金属及合金浆料直接送至压铸机或锻造机的压射室进行半固态成形，大大缩短了半固态金属及合金的触变成形工艺流程，设备投资大幅度减少，最终降低了半固态成形件的成本。

本发明的制备球状初晶的半固态金属及合金浆料工艺是坩埚的制备，球状初晶的半固态金属及合金浆料的输送很容易实现，浆料的液相分数还可以控制的较高，便于成形非常复杂的零件毛坯，而常规半固态金属及合金触变成形坯料的液相分数不能控制太高，成形非常复杂零件毛坯时遇到困难，否则坯料的搬运难以实现工艺操作。本发明的工艺使球状初晶的半固态金属及合金浆料直接成形后的浇注系统、废品将直接在本车间回用，降低原料成本，而常规球状初晶的半固态金属及合金坯料触变成形后的浇注系统、废品必须返回到坯料制备车间或坯料供应者的生产厂，增加了成形生产成本。

本发明设备构造简单，投资少、生产成本低，非常适合半固态金属及合金的成形生产。

附图说明

图1是本发明的球状初晶的半固态金属及合金浆料或坯料制备工艺及装置示意图。其中升降机构1、过热金属及合金液产生器2、半固态金属及合金浆料或坯料的制备坩埚即承接容器5、组织控制器6、加热元件9、冷却元件10、制备坩埚即承接容器的支撑和推出机构11。

图2是本发明的球状初晶的半固态金属及合金浆料或坯料制备工艺及装置示意图。其中，保温炉12、传送带13。

图3是本发明的球状初晶的半固态金属及合金浆料或坯料制备工艺及装置示意图。其中，垂直直管通道14。

具体实施方式

参照图1、2，这是按上述技术特点提供的工艺流程及装置。该工艺设置升降机构1，该升降机构1利用液压系统驱动；该低过热度A356合金液产生器2是电阻熔化炉，该电阻熔化炉的保温性能良好，能够保证A356合金液4的温控精度，温控精度为±5℃；该过热A356合金液产生器2与制备坩埚即承接容器5衔接，该制备坩埚即承接容器5由不锈钢制作，浇注前该制备坩埚即承接容器5处于室温；该制备坩埚即承接容器5与组织控制器6相结合；调整该过热A356合金液产生器2的升降机构1，使该过热A356合金液产生器2的浇口3与该制备坩埚即承接容器5的上缘之间的垂直距离为450mm；将过热15℃的A356合金液4直接浇入该制备坩埚即承接容器5中，该制备坩埚5再加上盖7；凝固5秒钟时，即可得到球状初晶的半固态A356合金浆料8；将该制备坩埚即承接容器5连同其中的球状初晶的半固态A356合金浆料8移至组织控制器6中，该组织控制器由中频电磁感应圈构成，控制其功率以使该制备坩埚即承接容器5连同其中的球状初晶的半固态A356合金浆料8进一步的冷却，冷却速度为5℃/min，将该球状初晶的半固态A356合金8的固相分数控制在预定的范围，即0.4～0.6；在该冷却过程中，该半固态A356合金浆料8的球状初晶得到进一步的圆整优化；在该冷却过程中，该半固态A356合金浆料8的边缘和心部的温度差小于±3℃；最后，支撑和推出机构11将初生晶粒圆整优化和温度均匀化后的该球状初晶的半固态A356合金浆料8连同制备坩埚即承接容器5推出组织控制器6，再将半固态A356合金浆料8送入压铸机或压力机的压射室进行半固态流变成形。

参见本发明技术特点的工艺流程图3，该升降机构1利用液压系统驱动，该低过热度A356合金液产生器2是电阻熔化炉，该电阻熔化炉的保温性能良好，能够保证A356合金液4的温控精度，温控精度为±5℃；浇注前，该制备坩埚即承接容器5处于室温；调整该过热A356合金液产生器2的升降机构1，使该过热A356合金液产生器2的浇口3与该不锈钢质的制备坩埚即承接容器5的上缘之间的垂直距离为1200mm；在该过热A356合金液产生器2和制备坩埚即承接容器5之间，再放置长度为1100mm的碳钢垂直直管通道14，该垂直直管通道内壁涂刷了0.5mm厚的锆英粉涂料；该将过热15℃的A356合金液4先浇入该垂直直管通道14，该过热25℃的A356合金液4再流入该制备坩埚即承接容器5中，该制备坩埚5在加上盖7；凝固3秒钟时，即可得到球状初晶的半固态A356合金浆料8；将该制备坩埚即承接容器5连同其中的球状初晶的半固态A356合金浆料8移至组织控制器6中，该组织控制器由中频电磁感应圈构成，控制其功率以使该制备坩埚即承接容器5连同其中的球状初晶的半固态A356合金浆料8进一步的冷却，冷却速度为5℃/min，将该球状初晶的半固态A356合金8的固相分数控制在预定的范围，即0.4～0.6；在该冷却过程中，该半固态A356合金浆料8的球状初晶得到进一步的圆整优化；在该冷却过程中，该半固态A356合金浆料8的边缘和心部的温度差小于±3℃；最后，支撑和推出机构11将初生晶粒圆整优化和温度均匀化后的该球状初晶的半固态A356合金浆料8连同制备坩埚即承接容器5推出组织控制器6，在将半固态A356合金浆料8送入压铸机或压力机的压射室进行半固态流变成形。

参照图1，利用电阻熔化炉产生过热度为15℃的A356铝合金液，在450mm的浇注高度下，将该过热度的A356铝合金液直接浇入不锈钢质的制备坩埚即承接容器中，当该A356铝合金液完全部分凝固后，即可得到球状初晶的半固态A356铝合金坯料。

参照图1、2，利用电阻熔化炉产生过热度为10℃的AZ91D镁合金液，在300mm的浇注高度下和SF₆与空气混合气体(含SF₆1％)的保护下，将该过热度的AZ91D镁合金液直接浇入不锈钢质的制备坩埚即承接容器中，当AZ91D镁合金液部分凝固时，即可得到球状初晶的半固态AZ91D镁合金浆料；将该制备坩埚即承接容器连同其中的球状初晶的半固态AZ91D镁合金浆料移至组织控制器中，该组织控制器由中频电磁感应圈构成，控制其功率以使该制备坩埚即承接容器连同其中的球状初晶的半固态AZ91D镁合金浆料进一步的冷却，冷却速度为1℃/min，将该球状初晶的半固态AZ91D镁合金的固相分数控制在预定的范围，即0.4～0.6；在该冷却过程中，该半固态AZ91D镁合金浆料的球状初晶得到进一步的圆整优化；在该冷却过程中，该半固态AZ91D镁合金浆料的边缘和心部的温度差小于±3℃；在该冷却过程中，该半固态AZ91D镁合金浆料继续受到SF₆与空气混合气体(含SF₆1％)的保护；至此，适合半固态流变压铸或流变锻造的具有球状初晶的半固态AZ91D镁合金浆料就制备完毕。

参照图3，利用电阻熔化炉产生过热度为15℃的AZ91D镁合金液，在1000mm的浇注高度和SF₆与空气混合气体(含SF₆1％)的保护下，先将该过热度的AZ91D镁合金液浇入长度为900mm的碳钢垂直直管通道(该垂直直管通道内壁涂刷了0.5mm厚的锆英粉涂料)，该过热度的AZ91D镁合金液再流入不锈钢质的制备坩埚即承接容器中，当AZ91D镁合金液部分凝固时，即可得到球状初晶的半固态AZ91D镁合金浆料；将该制备坩埚即承接容器连同其中的球状初晶的半固态AZ91D镁合金浆料移至组织控制器中，该组织控制器由中频电磁感应圈构成，控制其功率以使该制备坩埚即承接容器连同其中的球状初晶的半固态AZ91D镁合金浆料进一步的冷却，冷却速度为1℃/min，将该球状初晶的半固态AZ91D镁合金的固相分数控制在预定的范围，即0.4～0.6；在该冷却过程中，该半固态AZ91D镁合金浆料的球状初晶得到进一步的圆整优化；在该冷却过程中，该半固态AZ91D镁合金浆料的边缘和心都的温度差小于±3℃；在该冷却过程中，该半固态AZ91D镁合金浆料继续受到SF₆与空气混合气体(含SF₆1％)的保护；至此，适合半固态流变压铸或流变锻造的具有球状初晶的半固态AZ91D镁合金浆料就制备完毕。

参照图1，利用电阻熔化炉产生过热度为10℃的AZ91D镁合金液，在300mm的浇注高度下和SF₆与空气混合气体(含SF₆1％)的保护下，将该过热度的AZ91D镁合金液直接浇入不锈钢质的制备坩埚即承接容器中，或先将该过热度的AZ91D镁合金液浇入垂直直管通道，该垂直直管通道的长度为250mm，该过热度的AZ91D镁合金液再流入制备坩埚即承接容器中，当该AZ91D镁合金液完全部分凝固后，即可得到球状初晶的半固态AZ91D镁合金坯料。

为实施该发明的装置既适合于铝基合金和镁基合金的球状初晶的半固态金属及合金浆料的制备，也适合于铜基合金、锌基合金、镍基合金、钴基合金、和铁基合金的球状初晶的半固态浆料的制备。

Claims (4)

1、一种制备半固态金属及合金浆料或坯料的装置，其特征在于：由升降机构(1)、过热金属及合金液产生器(2)、半固态金属及合金浆料或坯料的制备坩埚承接容器(5)、垂直直管通道(14)、组织控制器(6)、保温炉(12)及传送带(13)、制备坩埚支撑和推出机构(11)组成；组织控制器由加热元件(9)和冷却元件(10)组成；升降机构(1)与过热金属及合金液产生器(2)衔接，过热金属及合金液产生器(2)与半固态金属及合金浆料或坯料的承接容器(5)相接，承接容器(5)与组织控制器(6)或保温炉(12)相结合。

2、按照权利要求1所述的装置，其特征在于：合金液产生器(2)的浇口(3)与承接容器(5)之间的浇注高度在200～1500mm之间。

3、按照权利要求1所述的装置，其特征在于：承接容器的形状为圆柱形容器或方柱形容器，承接容器的材质为非金属或无磁金属。

4、按照权利要求1所述的装置，其特征在于：垂直直管通道的形状为圆柱形管或矩柱形管，其材质为非金属或金属；垂直直管通道的内壁设有低导热衬里，低导热衬里的厚度为0.2～5mm；垂直直管通道的长度比浇注高度低50～100mm。

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