CN1293088A - 一种半固态加工用合金圆坯的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种半固态加工用合金圆坯的制造方法,首先将熔炼合格的合金熔体浇入经过预热的半固态浆料制备室,在合金熔体通过制浆室的过程中使其连续冷却,同时施加一个使熔体水平旋转的搅拌力和一个使熔体沿垂直方向反复切变的振动力,在静压力及垂直方向振动力的作用下进入冷却器内,并被快速冷却凝固成本发明制备的合金圆坯。本发明的方法制备速度快,连铸速度高,连铸过程不出现拉漏和拉断,得到的合金圆坯满足半固态加工需要。

Description

一种半固态加工用合金圆坯的制造方法

本发明涉及一种半固态加工用合金圆坯的制造方法，属于同时利用水平搅拌和垂直振动制备半固态浆料并实现半固态加工用合金圆坯连续铸造的技术领域。

合金圆坯是一种半加工材，可以用来进一步进行轧制、挤压、拉拔等各种塑性加工。现有技术中，生产合金圆坯的方法主要有模铸、半连续铸造和连续铸造三种。其中，模铸合金圆坯长度较短，浇冒口所占比例达20％-30％，工艺出品率不高。半连续铸造方法采取多流定长的批式连续生产方法，即液态合金首先浇入有多个浇口的浇注盘，然后多流同时进入其下方的冷却器凝固成形，由拉坯机构以一定的速度带动引锭和坯料向下运动。当坯料拉至一定长度(一般为4-6米)时，停止浇注。坯料全部拉出冷却器后，取下坯料，准备下一个拉坯循环。连续铸造方法可以连续作业，得到任意长度的坯料。这些方法可以生产各种直径的合金圆坯，但所得坯料的组织中都存在一个柱状晶区和一个晶粒尺寸较大的中心等轴晶区，宏观偏析也比较严重。在进一步加工成形过程中，容易出现裂纹和组织不均匀。

为了改善坯料的组织，出现了在结晶器内进行电磁搅拌改善合金圆坯组织的技术。但是，由于结晶器对磁场的屏蔽作用，搅拌效果不好，所得坯料的组织仍然是树枝晶，只是晶粒尺寸有所减小。这些技术无法制备具有非枝晶组织的半固态加工用坯料。

在材料的半固态加工技术出现后，具有非枝晶组织的半固态加工用坯料的需求增大。出现了很多制备半固态加工用合金圆坯的方法。其中利用搅拌方法制备半固态加工用坯料的技术在国外已有多个专利，它们共同的特征是在熔体连续冷却或保温过程中施加电磁搅拌或机械搅拌，来制备含有非枝晶固相的半固态浆料，然后采用模铸的方法或连续铸造的方法铸造成一定尺寸的坯料。这些技术的主要缺点有两个。一是由于这些搅拌只是单向搅拌，枝晶向非枝晶转变的过程缓慢，制备含有非枝晶固相的半固态浆料时间较长，因而限制了连铸速度。目前可达到的实际连铸速度只有500mm／min左右。二是由于缺乏使半固态浆料发生反复切变的力的作用，半固态浆料的触变性得不到充分发挥，黏度较大，连铸过程容易由于半固态浆料不能及时向结晶器内补充而出现拉断事故。

本发明的目的是提供一种半固态加工用合金圆坯的连续制造方法，同时采用水平方向的电磁搅拌与垂直方向的振动，来提高半固态浆料的制备速度、降低半固态浆料的黏度，有效地防止拉断事故发生。

本发明提出的半固态加工用合金圆坯的制造方法，包括以下各步骤：

(1)将熔炼合格的合金熔体以高于液相线温度0-10℃的温度连续不断地浇入经过预热的半固态浆料制备室(简称制浆室)。所说的制浆室的预热，可以是现有技术中的各种加热方法，预热温度必须保证合金熔体进入制浆室后，制浆室内壁附近熔体的初始温度高于合金的固相线温度，低于合金的液相线温度。这样的浇铸温度和预热温度可以保证制浆室内壁上有大量的细小晶体形成，同时又不会形成完整的凝固壳。制浆室内壁上形成的细小晶体在搅拌和振动的联合作用下可以充分游离，进入熔体内部，促进非枝晶固相的快速形成。如果形成完整的凝固壳，上述晶体游离就会大幅度减弱，非枝晶组织的形成时间明显延长。

(2)在合金熔体自上而下通过制浆室的过程中使其连续冷却，同时施加一个使熔体水平旋转的搅拌力和一个使熔体沿垂直方向反复切变的振动力，使合金熔体在到达制浆室出口时变成含有40-70％非枝晶近球形固相的半固态浆料。所说的冷却速度需要控制，是指通过调整制浆室的冷却强度，使熔体到达制浆室出口时的温度高于合金固相线温度，而且内部所含的固相比例在40-70％之间。所说的水平搅拌，其功率在15-100KW之间，搅拌旋转速度在600-3000rpm之间。所说的垂直方向的振动，其频率为60-500Hz，振幅为2-20mm。这种水平搅拌与垂直振动的联合作用，使制浆室内壁上形成的微小晶体更容易被剥落进入熔体内部，充当结晶核心，促进非枝晶固相的快速形成。此外，由于垂直方向的机械振动给半固态浆料施加一个周期变化的切变力，使半固态浆料的表观黏度降低，可以顺利流入冷却器，不出现拉断事故。

(3)上述所说的含有40-70％近球形固相的半固态浆料在静压力及垂直方向振动力的作用下连续不断地进入一个具有圆柱形内腔的冷却器内，并被快速冷却凝固成合金圆坯。所说的冷却器，其冷却强度根据合金种类不同而不同，但必须保证合金圆坯离开冷却器时心部的温度低于合金的固相线温度0-10℃。

本发明提出的半固态加工用合金圆坯的制造方法，其优点是：

(1)半固态浆料制备速度加快，连铸速度提高

由于采用了搅拌与振动的联合作用，使制浆室内壁上形成的微小晶体更容易被剥落进入熔体内部，充当结晶核心，促进非枝晶固相的快速形成。非枝晶组织的形成时间可以缩短到15秒，比现有技术减小一倍以上。由于非枝晶组织的形成时间明显缩短，拉坯速度可以提高到500-1500mm／min，比现有技术高50％以上。

(2)半固态浆料的触变性得以充分发挥，连铸过程不出现拉漏和拉断

此外，由于垂直方向的振动给半固态浆料施加一个周期变化的切变力，使半固态浆料触变性可以充分发挥，表观黏度降低。其中的固相比例即使达到70％仍可以顺利流动而不出现拉断。

(3)得到的合金圆坯满足半固态加工需要。

所得合金圆坯符合半固态加工要求，没有柱状晶区和明显的宏观偏析。其金相组织中非枝晶相的形状以近球形的颗粒状和短条状为主，也含有少量的花瓣状退化枝晶。它们的尺寸小于80μm，以30-60μm为主。这种坯料的室温抗拉强度可以达到220MPa以上，延伸率可达16％以上。在半固态温度下不会由于加热时间延长而发生组织粗化，相反在小于1小时的范围内，延长保温时间可以改善其成形性能。

(4)所得坯料可以进行半固态加工，也可以进行固态加工

这种坯料具有优异的半固态流变性能，可以进行各种半固态加工，如半固态压铸、半固态挤压、半固态轧制、半固态锻造和半固态旋压等。此外，这种坯料还具有良好的固态成形性能，可以用来进行各种固态塑性成形。与普通连铸合金圆坯相比，变形阻力明显减小，后续加工过程的裂纹倾向显著减小，是传统塑性成形的优质坯料。

下面介绍本发明的实施例

实施例1

用燃油反射炉熔炼A356铝合金。在熔炼合金的同时，将制浆室预热到580℃，并保温30min。熔体质量合格后，以618-620℃的温度连续不断地浇入制浆室。在制浆室内以1650rpm的速度进行电磁搅拌的同时，进行机械振动。振动频率200Hz，振幅5mm。合金液通过制浆室的时间为25秒，得到的半固态浆料离开制浆室时的温度为590℃，其中所含的非枝晶固相比例为65％。进入冷却强度0．5×10³kcal／m²．s的水冷结晶器内凝固成形。并以800mm／min的速度连续不断地将坯料拉出，制备了直径75mm铝合金半固态加工用合金圆坯。坯料离开水冷结晶器时的心部温度为530℃。连铸过程没有拉漏和拉断现象发生，坯料组织中非枝晶相为颗粒状，其体积分数为65％，平均直径40μm；宏观组织中没有明显的柱状晶区和宏观偏析。其组织和性能满足半固态加工要求。

实施例2

用中频感应电炉熔炼Fe-Cr-C系合金白口铁。在熔炼合金的同时，将制浆室预热到1150℃，并保温20min。合金熔炼合格后，以1350℃的温度连续不断地浇入制浆室。在制浆室内以700rpm的速度进行电磁搅拌的同时，进行机械振动。振动频率100Hz，振幅9mm。合金液通过制浆室的时间为35秒。利用冷却水和电阻加热装置调整制浆室的冷却强度，得到的半固态浆料离开制浆室时的温度为1250℃，其中所含的非枝晶固相比例为55％。冷却器为水冷结晶器，其冷却强度1．5×10³kcal／m²．s。拉坯速度600mm／min，制备了直径80mm的半固态加工用合金白口铁圆坯。连铸过程没有拉断或拉漏现象发生，坯料组织中非枝晶相为颗粒状，其体积分数为55％，平均直径50μm；宏观组织中没有明显的柱状晶区和宏观偏析。其组织和性能满足半固态加工要求。

实施例3

用中频感应电炉熔炼Fe-Mn-C系高锰钢合金。在熔炼合金的同时，将制浆室预热到1250℃，并保温20min。合金熔炼合格后，以1340℃的温度浇入制浆室。利用35Kw的电磁搅拌器，以2500rpm的速度对其进行电磁搅拌的同时，进行机械振动。振动频率450Hz，振幅18mm。制浆室和冷却器冷却强度的调整方法同实施例2。半固态浆料离开制浆室时的温度为1320℃，其中所含的非枝晶固相比例为40％。冷却器为水冷结晶器，其冷却强度3．5×10³kcal／m²．s，拉坯速度达到1200mm／min，连铸过程没有拉断或拉漏现象发生。合金液通过制浆室的时间为17秒，得到了直径80mm的半固态加工用高锰钢圆坯。坯料组织中非枝晶相为颗粒状，其体积分数为40％，平均直径60μm；宏观组织中没有明显的柱状晶区和宏观偏析。其组织和性能满足半固态加工要求。

Claims (1)

1、一种半固态加工用合金圆坯的制造方法，其特征在于，该方法包括以下各步骤：

(1)将熔炼合格的合金熔体以高于液相线温度0-10℃的温度连续不断地浇入经过预热的半固态浆料制备室；

(2)在合金熔体自上而下通过制浆室的过程中使其连续冷却，同时施加一个使熔体水平旋转的搅拌力和一个使熔体沿垂直方向反复切变的振动力，使合金熔体在到达制浆室出口时变成含有40-70％非枝晶近球形固相的半固态浆料，其中搅拌旋转速度为600-3000rpm，垂直方向振动的频率为60-500Hz，振幅为2-20mm；

(3)上述所说的含有40-70％球形固相的半固态浆料在静压力及垂直方向振动力的作用下连续不断地进入一个具有圆柱形内腔的冷却器内，并被快速冷却凝固成本发明制备的合金圆坯。