CN1305876A - 一种半固态金属浆制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种半固态金属浆制备方法,包括合金熔炼与精炼,冷却与保温和半连续铸造三个步骤。将合金熔炼与精炼后在静置炉内自然冷却降温至液相线温度附近,即液相线温度～液相线温度+15℃范围内,保温一定时间;在半连续铸造机上进行立式或水平半连续铸造,本发明具有工艺先进、设备简单、生产效率高、提高产品质量、可以生产大规格锭坯、适用合金范围宽等优点。
Description
本发明属于半固态金属加工技术领域，特别涉及一种半固态金属浆的制备方法。
自上个世纪七十年代，美国科学家首次提出金属半固态成型概念以来，半固态金属加工技术受到国际材料界的广泛关注，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，并具有广阔的发展前景。半固态金属加工技术一般由制浆、二次加热与触变成型三个环节组成。其中制浆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均匀细小等轴的结晶组织。半固态浆的制备是半固态加工技术领域的研究热点，国外研究者在此方面作了大量研究工作，提出了许多制浆方法或思想。其中主要包括：①机械搅拌法。此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。其原理是利用机械外力使生长过程中的枝晶破碎，机械搅拌流变铸造装置一般分为连续式与间歇式，间歇式多用于实验室研究，而连续流变铸法可用于工业化生产。机械搅拌法可以获得很高的剪切速率，有利于形成微小的球形微观组织。机械搅拌法存在下列缺点：(1)存在搅拌死角，影响浆料均匀性；(2)设备笨重、操作困难、生产效率底，固相分数只能限定在30％-60％范围内。②电磁搅拌法。为了克服机械搅拌法的诸多缺点，发展了电磁搅拌法。电磁搅拌按磁场方向分为水平式与垂直式，按磁场发生方式又可以分为交变式与旋转永磁体法。后者的优点是磁场强度高，金属可产生三维流动，搅拌效果好。电磁搅拌技术相对比较成熟，已在工业化生产得到了应用，但通常认为，、该技术只适用于直径小于150mm的锭坯，且对变形铝合金的适用性尚待研究。③应变诱导熔体活化技术(SIMA)。应变诱导活化技术(Strain-induced MeltActivation Process)，简称SIMA，是除电磁搅拌法外，目前工业上用于生产半固态浆的另一种方法。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。但由于其工艺复杂，生产成本高，生产效率低，仅用于小规格坯料的生产。④喷射沉积法。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。⑤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、等温处理法、剪切-冷却-轧制法(Shearing-Cooling-Rolling)、被动搅拌法、脉冲法等。这些方法目前均处于实验室研究阶段，尚未投入工业生产。
本发明的目的在于提供一种工艺简单、适用范围宽广、生产效率高的半固态金属浆的制备方法。
本发明的方法为——液相线半连续铸造法。所谓液相线半连续铸造，是将合金熔体冷却至液相线温度附近保温一定时间后，进行半连续铸造，获得具有半固态触变组织的制浆方法。适用范围为有色金属合金半固态金属浆料的制备。
本发明的方法包括：合金熔炼与精练，冷却与保温和半连续铸造三个步骤。合金熔炼与精练，与现行的合金熔炼与精炼方法相同；冷却与保温是将精炼后的合金熔体在静置炉内自然冷却降温至液相线温度附近，即液相线温度～液相线温度+15℃范围内，保温一定时间；半连续铸造是在半连续铸造机上进行，可采用立式或水平半连续铸造。铸造结晶器为水冷金属结晶器内衬石墨环，石墨环与金属结晶器之间留有一定的间隙，以减小并可以调节一次冷却强度，二次冷却强度通过冷却水流量的大小进行调节。本方法根据不同合金确定不同的铸造工艺条件和参数，获得具有适合于半固态成型的铸造组织的铸锭。具体工艺参数见应用实例。
本发明的液相线铸造制浆技术具有下列优点：①工艺先进、设备简单、生产效率高。该工艺不需要电磁发生装置，降低设备投资，同时大大缩小结晶器之间的距离，实现密排铸造；②由于不需任何搅拌，熔体液穴平稳，有效避免金属的吸气与夹渣，提高产品质量；③可以生产大规格锭坯。目前，当锭坯直径超过152mm时，由于电磁场分布的不均匀性，电磁搅拌法无法获得组织均匀的坯料。而液相线铸造法的控制机制是温度场的控制，因此容易实现大铸锭的铸造。④适用合金范围宽。目前，电磁铸造法的研究与开发主要集中在以A356合金为代表的铸造铝合金方面，而对变形铝合金的适用性尚有争议。研究表明，液相线铸造法不仅适合铸造合金，同时对变形合金、镁合金及铜合金非常有效。尤其对镁合金半固态浆的制备具有特别的意义。镁合金具有质轻、比强度高等一系列优点，但由于镁合金容易氧化燃烧，其氧化物夹杂不易控制，现有镁合金半固态浆料的制备技术采用粉末冶金法，该法不仅工艺复杂，而且对氧化夹杂问题难以解决。采用本发明——液相线半连续铸造技术，由于大大降低铸造温度，可以有效解决镁合金的氧化问题，大大降低镁合金中的氧化物夹杂，提高产品性能，为镁合金半固态浆的制备提供一种高效、先进技术，拓宽了半固态加工的合金品种与应用领域。
实施例：
实施例1，液相线半连续铸造法制备镁合金AM60半固态浆。镁合金AM60的液相线温度为615℃。首先将合金在熔炼炉内熔炼后，合金熔体温度为710℃～730℃，将其转入静置炉内，进行精炼与除渣，精炼后的熔体温度在700℃左右，此时开始静置自然冷却降温至620℃附近(615℃～630℃之间)，保温30分钟，在立式半连续铸造机上浇铸，铸造速度为120mm/min。结晶器材质为铝合金，结晶器内衬石墨环，用于对熔体的一次冷却；结晶器内通冷却水，同时起到冷却石墨环和二次冷却铸锭的作用，冷却水流量为0.05m3/min。铸锭尺寸为Φ100mm×2000mm。获得的组织为均匀、细小的等轴晶。经图像分析仪测定，初始晶粒平均圆度(4π*面积/周长2)为0.55,60％晶粒圆度值大于0.6。初生相尺寸小于50μm。初生固相体积百分比数为49.9％。
实施例2，液相线半连续铸造法制备铝合金7075(变形铝合金)半固态浆。铝合金7075的液相线温度为635℃。首先合金在熔炼炉内熔炼后，合金熔体温度为720℃～750℃，转入静置炉内，进行除气精炼与除渣，精炼后的熔体温度在720℃左右，此时开始静置自然冷却降温至638℃附近(635℃～650℃之间)，保温30分钟，在立式半连续铸造机上浇铸，铸造速度为180mm/min。结晶器材质为铝合金，结晶器内衬石墨环，用于对熔体的一次冷却；结晶器内通冷却水，同时起到冷却石墨环和二次冷却铸锭的作用，冷却水流量为0.075m3/min。铸锭尺寸为Φ120mm×2000mm。获得的组织为均匀、细小的等轴晶。经图像分析仪测定，初始晶粒平均圆度(4π*面积/周长2)为0.54,60％晶粒圆度值大于0.6。初生相平均尺寸为29.7μm。
实施例3，液相线半连续铸造法制备铝合金A356(铸造铝合金)半固态浆。铝合金A356的液相线温度为615℃。首先合金在熔炼炉内熔炼后，合金熔体温度为720℃～750℃，转入静置炉内，进行除气精炼与除渣，精炼后的熔体温度在720℃左右，此时开始静置自然冷却降温至615℃附近(615℃～630℃之间)，保温30分钟，在立式半连续铸造机上浇铸，铸造速度为120mm/min。结晶器材质为铝合金，结晶器内衬石墨环，用于对熔体的一次冷却；结晶器内通冷却水，同时起到冷却石墨环和二次冷却铸锭的作用，冷却水流量为0.05m3/mim。铸锭尺寸为Φ160mm×1200mm。获得的组织为均匀、细小的等轴晶。经图像分析仪测定，初始晶粒平均圆度(4π*面积/周长2)为0.48，初生相尺寸小于16.7μm。
Claims (4)
1 一种半固态金属浆制备方法，其特征在于该方法包括合金熔炼与精炼，冷却与保温和半连续铸造三个步骤，用现有的方法将合金熔炼与精炼后，在静置炉内自然冷却降温至液相线温度附近，即液相线温度～液相线温度+15℃范围内，保温一定时间，在半连续铸造机上进行立式或水平半连续铸造，铸造结晶器为水冷金属结晶器内衬石墨环，石墨环与金属结晶器之间留有一定的间隙，二次冷却强度通过冷却水流量的大小进行调节。
2 根据权利要求1所述的一种半固态金属浆制备方法，其特征在于当制备镁合金AM60半固态浆时，将经过熔炼的合金熔体转入静置炉内，进行精炼与除渣，自然冷却使合金熔体温度降至615℃～630℃之间，保温30分钟，在立式半连续铸造机上浇铸，结晶器材质为铝合金，结晶器内衬石墨环，结晶器内通冷却水，铸造速度为120mm/min，冷却水流量为0.05m3/min，铸锭尺寸为Φ100mm×2000mm。
3 根据权利要求1所述的一种半固态金属浆制备方法，其特征在于当制备铝合金7075半固态浆时，将经过熔炼的合金熔体转入静置炉内，进行除气精炼与除渣，自然冷却使合金熔体温度降至635℃～650℃之间，保温30分钟，在立式半连续铸造机上浇铸，结晶器材质为铝合金，结晶器内衬石墨环，结晶器内通冷却水，铸造速度为180mm/min，冷却水流量为0.075m3/min，铸锭尺寸为Φ120mm×2000mm。
4 根据权利要求1所述的一种半固态金属浆制备方法，其特征在于当制备铝合金A356半固态浆时，将经过熔炼的合金熔体转入静置炉30分钟，在立式半连续铸造机上浇铸，结晶器材质为铝合金，结晶器内衬石墨环，结晶器内通冷却水，铸造速度为120mm/min，冷却水流量为0.05m3/min，铸锭尺寸为Φ160mm×2000mm。
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