CN1323782C - 超声处理控制凝固制备半固态金属浆/坯料的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半固态金属浆/坯料的制备方法及设备，其工艺流程为将合金熔体控制在液相线温度以上0～15K范围内，并在(TL-5K)～(TL+15K)温度范围内，进行超声处理0.1～5min，然后通过冷却元件将合金熔体迅速冷却到半固态成形温度TSS以下0～10K范围内，使用加热元件将浆料温度调节在半固态成形温度(TSS-5K)～(TSS+5K)范围内，浆料保温0.1～5min后迅速注入模腔成形。其设备包括有坩埚、超声处理装置、料筒、射出器、模腔。本发明可用于铝、镁、镍、锡、铜、铁等多种合金的半固态浆(坯)料制备，尤其适合于镁合金的半固态浆(坯)料制备，同时容易与压铸、挤压等传统成形技术相结合，实现半固态流变成形，大大降低整个流变成形过程的成本。
Description
技术领域
本发明属于半固态金属成形技术，具体而言为超声处理控制凝固制备半固态金属浆/坯料的方法及装置。
背景技术
半固态成形技术与传统的固态成形技术和液态成形技术相比，具有其独特的优点，因此从其提出至今的三十多年中，吸引了众多研究者的注意。按工艺路线划分，半固态成形技术可分为触变成形和流变成形两类。触变成形大致可分为三个阶段，即制备半固态坯料、半固态坯料二次加热至半固态温度保温处理、最终成形。而流变成形流程更短，也需要先制备半固态浆料，然后直接成形。因此，半固态坯料或浆料的制备成为该技术发展应用的基础。
目前，用于制备半固态坯料的方法众多，大致可分为液态制备方法(搅拌或非搅拌类方法)、固态制备方法和控制浇注法。搅拌类方法使用最早也最为常见，如机械搅拌法(如美国专利第4,116,423号、第5,040,589号、第5,501,266号，日本专利公开1-170565号、第1-178345号、第1-192447号，美国专利公开第3,902,544号、第3,948,625号、第3,958,650号，WIPO专利公开第01/23 124、01/09401、02/13993，中国公开专利CN2471450等)、电磁搅拌法(如美国专利公开第4229210号、第4434837号等)。美国专利第555926号提出的剪切-冷却-轧制法也属于搅拌类方法。非搅拌类方法有化学晶粒细化法、喷射成形法等。固态制备方法有SIMA(应变诱导熔化活化)法、粉末压实法、粉末冶金法等。
上述提到的各类方法各有特点，但目前在工业中获得应用的只有电磁搅拌法和SIMA法。其他方法难以获得工业应用的原因主要在于技术本身的障碍或坯/浆料制备的高成本。因而，近年来控制浇注类方法获得迅速发展。东北大学提出了近液相线铸造法(中国专利公开CN1305876A)，将熔体温度控制在液相线温度以上15℃范围内，保温一段时间后进行立式或水平半连续铸造；欧洲专利EP 0 745 394 A1提出的冷却斜槽(cooling slope)法，将略高于液相线温度的熔融金属倒在冷却斜槽上，并通过控制斜槽的长度、角度、冷却强度、浇铸条件等参数等来对凝固过程实施控制；欧洲专利EP 0745694 A1提出的液体混合法等将两种或三种不同亚共品成分的熔融合金混合，得到的新合金成分在液相线附近，含有大量的晶核，随后进一步处理可得到半固态浆料。以上提到的这些方法由于过程简单，不需要复杂的搅拌装置，因而制备半固态坯/浆料的成本大大降低，因而非常具有发展潜力。但是这些方法，都需要在液相线附近对金属的凝固过程实施精确控制，否则很难获得理想的半固态坯/浆料。
为了降低金属凝固过程的工艺控制难度，便于其工业化应用，近年来一些研究者将传统的搅拌类方法与液相线控制浇铸法相结合，提出了一些复合制备工艺，这些工艺各有其独特之处。美国专利US2002/0096231提出了“新MIT工艺”，在液相线以上几度范围内，用带有冷却作用的搅拌器伸入到熔体内进行短时间搅拌，随后取出搅拌器，将合金静止在半固态区间，进行短时间缓慢冷却或保持在绝热状态，然后将合金冷却到指定成形温度；中国专利公开CN1330990A在液相线附近进行弱电磁搅拌或机械搅拌。上述复合制备工艺虽然可结合了液相线铸造和搅拌方法两者的优点，但是搅拌时还是使用传统的电磁或机械搅拌，因而机械搅拌和电磁搅拌本身所固有的一些缺点很难完全避免，如机械搅拌时，搅拌棒寿命短，金属易于氧化，金属内部质量低，浆料搅拌不均，工艺参数不易控制等；电磁搅拌时，搅拌效率低，能耗大。
发明内容
本发明的目的是提供一种将超声技术和对金属凝固过程的控制相结合，制备半固态浆/坯料的方法。该方法一方面可降低液相线铸造方法的工艺控制难度，另一方面，可避免传统机械搅拌和电磁搅拌本身的不足，同时容易与传统的压铸、挤压的成形技术相结合直接进行流变成形，大大降低半固态金属浆/坯料制备的成本，缩短工艺流程。
本发明的另一个目的是提供一种超声处理控制凝固制备半固态金属浆/坯料的方法所使用的装置。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种超声处理控制凝固制备半固态金属浆/坯料的方法，该方法包括下述步骤：
(1)、将经过变质精炼处理的熔融金属液，温度控制在金属液相线温度50K以内，导入坩埚中后将合金熔体控制在液相线温度以上0～15K范围内；
(2)、在(TL-5K)～(TL+15K)温度范围内，对合金熔体进行超声处理0.1～5min；
(3)、迅速将超声处理后的合金熔体冷却到半固态成形温度TSS以下0～10K范围内，使用加热元件将浆料温度调节在半固态成形温度(TSS-5K)～(TSS+5K)范围内，浆料保温0.1～5min后迅速注入模腔成形；
其中，TL为液相线温度；TSS为半固态成形温度。
本发明的超声处理控制凝固制备半固态金属浆/坯料的方法，其中，超声处理装置是从坩埚上部直接导入合金熔体进行超声处理；或者将超声处理装置设置在坩埚底部或侧面，进行非接触式超声处理，所用超声波的频率范围为18KHz～100KHz，声强为0.5～5W/cm2。
本发明的超声处理控制凝固制备半固态金属浆/坯料的方法所使用的设备，该设备包括有坩埚、超声处理装置、料筒、射出器、模腔，所述的坩埚外壁上设有加热器和冷却器，其外包有绝缘保温材料。本发明所使用的坩埚、超声处理装置、料筒、射出器、模腔均为常规设备，本发明的特征在于，将上述设备组合起来，进行超声处理控制凝固制备半固态金属浆/坯料的方法。
本发明的超声处理控制凝固制备半固态金属浆/坯料的方法所使用的设备，其中，所述的超声处理装置从坩埚上部直接导入坩埚内。
本发明的超声处理控制凝固制备半固态金属浆/坯料的方法所使用的设备，其中，所述的超声处理装置置于坩埚底部或侧面外。
本发明的优点是：
本发明可用于铝、镁、镍、锡、铜、铁等多种合金的半固态浆(坯)料制备，尤其适合于镁合金的半固态浆(坯)料制备，同时容易与压铸、挤压等传统成形技术相结合，实现半固态流变成形，大大降低整个流变成形过程的成本。
附图说明
图1为实施本发明所使用的工艺流程示意图之一(超声处理装置从坩埚上部直接导入坩埚内的方式)。
图2为实施本发明所使用的工艺流程示意图之二(超声处理装置置于坩埚底部外的方式)。
具体实施方式
本发明的超声处理控制凝固制备半固态金属浆/坯料的方法所使用的设备如图1、图2所示，本发明所使用的设备包括有坩埚3、超声处理装置、料筒10、射出器9、模腔11，所述的坩埚外壁上设有加热器1和冷却器2，其外包有绝缘保温材料5。其中，超声处理装置主要由超声换能器6和变幅杆7组成。如图1所示，超声处理装置是从坩埚上部直接导入坩埚内；如图2所示，超声处理装置置于坩埚底部外。
如图1、图2所示，其中，图1、图2中的a、b、c、d、e、f、g分别为下述的a、b、c、d、e、f、g步骤，图1和图2步骤相同，只是，设备中的超声处理装置所在坩埚上的位置不一样。本发明的工艺流程可描述如下：
a：将经过变质精炼处理的熔融金属液，温度控制在金属液相线温度50K以内，导入坩埚3中，坩埚3的温度通过绝缘保温材料5中的加热器1控制在金属液相线温度TL和固相线温度TS之间，通过加热器1和冷却器2将合金熔体4的温度调节在液相线温度TL以上0～15K范围内；
b：对合金熔体4进行超声处理，处理的方式可以是直接从坩埚上部导入金属液中(如图1所示)，也可以将超声处理装置置于坩埚底部或侧面(如图2所示)，进行非接触式超声处理。超声处理的温度范围为(TL-5K)～(TL+15K)，超声处理时间为0.1～5min，所用超声波的频率范围为18KHz～100KHz，声强为0.5～5W/cm2。；
c：停止超声处理，通过冷却器2迅速将坩埚3内熔体4的温度冷却到半固态成形温度TSS以下0～10K范围内。停止冷却，使用加热器1将浆料温度调节在(TSS-5K)～(TSS+5K)范围内，并保温0.1～5min。
d：将获得的浆料8迅速导入中空料筒10中；
e：为保证温度的准确控制，可对料筒10进行温度控制，将其温度控制在(TSS-5K)～(TSS+5K)范围内；
f：射出器9迅速将半固态浆料注入模腔11成形。
本发明所使用的超声处理装置，主要由超声换能器6和变幅杆7组成，为了防止高温对超声换能器的损坏，可加装冷却元件对其进行保护。
本发明所给出的方法和工艺适合铝合金、镁合金、镍合金、锡合金、铜合金和铁合金半固态浆/坯料的制备和流变成形，尤其适合于镁合金半固态浆/坯料的制备和成形。
实施例
356铝合金的液相线温度TL＝615.6℃，固相线温度Ts＝567.5℃，将合金在电阻炉内熔化，并于720℃时使用六氯乙烷精炼，静置15～20min后撇渣，使用Al-Sr合金进行变质处理，使用控温装置将温度控制在650～660℃范围内，
将金属熔体导入坩埚3中，坩埚3的温度通过绝缘保温材料5中的加热器1控制在600℃，通过加热器1和冷却器2将合金熔体4的温度调节在液相线温度TL以上，在615.6～630℃范围内。
超声处理装置从坩埚3上部直接导入合金熔体4中，在615～620℃范围内对其进行超声处理3min，所用超声波的频率范围为20KHz，声强为2W/cm2，停止超声处理，通过冷却器2迅速将坩埚3内熔体4的温度冷却到590～600℃(A356合金fs＝30％时的合金熔体温度约为600℃)范围内。停止冷却，使用加热器1将浆料温度调节在595～605℃范围内，并保温2min。将获得的浆料迅速导入中压铸机压射料筒10中，压射杆9迅速浆料压入模腔成形。
Claims (5)
1、一种超声处理控制凝固制备半固态金属浆/坯料的方法，其特征在于：该方法包括下述步骤：
(1)、将经过变质精炼处理的熔融金属液，温度控制在金属液相线温度50K以内，导入坩埚中后将合金熔体控制在液相线温度以上0～15K范围内；
(2)、在(TL-5K)～(TL+15K)温度范围内，对合金熔体进行超声处理0.1～5min；
(3)、迅速将超声处理后的合金熔体冷却到半固态成形温度TSS以下0～10K范围内，使用加热元件将浆料温度调节在半固态成形温度(TSS-5K)～(TSS+5K)范围内，浆料保温0.1～5min后迅速注入模腔成形；
其中，TL为液相线温度；TSS为半固态成形温度。
2、根据权利要求1所述的超声处理控制凝固制备半固态金属浆/坯料的方法，其特征在于：超声处理装置是从坩埚上部直接导入合金熔体进行超声处理；或者将超声处理装置设置在坩埚底部或侧面，进行非接触式超声处理，所用超声波的频率范围为18KHz～100KHz，声强为0.5～5W/cm2。
3、一种权利要求1所述的超声处理控制凝固制备半固态金属浆/坯料的方法所使用的装置，其特征在于：该设备包括有坩埚、超声处理装置、料筒、射出器、模腔，所述的坩埚外壁上设有加热器和冷却器，其外包有绝缘保温材料。
4、根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述的超声处理装置从坩埚上部直接导入坩埚内。
5、根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述的超声处理装置置于坩埚底部或侧面外。
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2003
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