CN1772414A - 一种施加复合电磁搅拌连续制备半固态金属浆料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于半固态材料加工技术领域，涉及到一种施加复合电磁搅拌连续制备半固态金属浆料的方法。首先将熔炼合格的过热金属液连续不断地浇入到一个预热的中间包内，对中间包内的金属液施加电磁搅拌，使其在均匀冷却条件下温度接近液相线温度；然后，中间包内的金属液体经与之相连的导流管导出，同时在导流管外施加强烈电磁搅拌和冷却，来获得等轴、细化、均质的半固态金属浆料；最后，经过导流管的金属液进入一个保温器。经保温处理后的上述浆料可以直接被输送到压铸、轧制、模锻等常规成形设备上进行流变成形，或者被浇注到结晶器内制成半固态连铸坯，用于触变成形。本发明优点在于：工艺先进、设备简单、容易控制、实用性强；浆料成本低、产量大、质量高。

Description

一种施加复合电磁搅拌连续制备半固态金属浆料的方法

技术领域

本发明属于半固态金属加工技术领域，特别涉及到一种施加复合电磁搅拌连续制备半固态金属浆料的方法。

背景技术

金属半固态加工概念是由美国科学家在上个世纪七十年代首次提出的，该方法的基本原理是在液态金属凝固过程中施加剧烈搅拌，破碎所生成的树枝初晶而形成近球形初晶和残余液相共同构成的具有非枝晶组织特征的合金浆料，这种浆料在力的作用下即使固相分数较大时仍具有很好的流动性，可以被直接输送到成形设备，利用轧制、压铸、挤压、模锻等常规工艺进行加工成形。这种方法融合了铸造和锻造工艺特点，具有高效、节能、环保、高质量、高成品率以及近终形等优点，因此，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。

半固态成形工艺主要包括触变成形和流变成形两种。触变成形工艺是将制备的半固态浆料先铸造成坯料，须经过二次加热，再进行成形加工，其工艺可控性强、过程较稳定且易操作，对浆料质量要求相对不是太高，因而较快进入了工业化生产，但工艺过程相对复杂，导致成本增加。流变成形工艺试图省去二次加热，由制备的半固态浆料直接进行流变成形加工，具有生产流程短、相对成本低、设备简单等特点，近年来受到国内外的普遍重视，发展迅速。由于流变成形不经过二次加热工序，半固态浆料的凝固组织和缺陷对最终产品性能的影响很大，因此对半固态浆料质量提出了更高要求。可见，不论是触变成形还是流变成形，都包含半固态制浆及半固态成形两部分，其中，制浆是整个过程的基础和关键，如何稳定、有效地制备等轴、细小、均匀的非枝晶组织的半固态浆料成为当前半固态加工技术领域的研究热点。

目前，半固态浆料制备方法主要包括机械搅拌法、磁场搅拌法、喷射沉积法、双螺旋剪切法、单辊旋转法、斜坡冷却法、近液相线浇注法等。机械搅拌法是出现最早的一种坯料制备方法，由于存在效率低、搅拌装置材质寿命短、污染金属熔体等缺点，不利于大规模工业化应用。喷射沉积法则是过程过于复杂，成本较高，只适合质量要求较高材料的半固态浆料制备。双螺旋剪切法虽然可以实现连续制浆，但存在螺杆工况差、消耗高、寿命短、所需设备复杂、成本高等缺点制约着其产业化应用。因此，近年来日本等国提出了具有操作简单、成本较低等特点的单辊旋转法、斜坡冷却法等工艺方法，但采用这些工艺生产的半固态浆料只能用来生产坯料，还不能直接用于流变成形。近液相线浇注法虽然注意到低温浇注能够获得明显细化晶粒的效果，但是该方法要求金属液的浇注温度非常接近该金属的液相线温度，才能获得球状晶半固态金属浆料，这使得金属熔体温度的控制变得十分困难，而且处于这种状态下的金属液流动性变差，实际操作难度很大。由于电磁场具有非接触、能量密度高、清洁和可精确设计与控制等特点，在金属材料的制备过程中发挥了巨大的作用，这也是电磁搅拌制备半固态金属坯料在实际半固态金属成形应用中占主导地位的原因，而且随着电磁场施加方式的变化，能够生产出更加优质的半固态浆料。目前采用电磁搅拌方法制备半固态加工用坯料的技术在国内外已有几个专利，但是它们的共同特征是：效率低下，电能消耗量大，设备结构复杂，半固态浆料和坯料的成本较高，使得利用电磁搅拌法制备半固态浆料或坯料的工业化应用进展缓慢，施加电磁场的优点并没有完全体现出来。现有电磁搅拌法制备半固态浆料和坯料技术的不足主要表现在于：1)电磁搅拌被施加在制浆室外部，由于制浆室容积较大，必然要求电磁搅拌功率很大，导致电磁设备庞大，能耗增加，枝晶向非枝晶转变的过程缓慢，晶粒粗大，制备半固态浆料时间长、效率低；2)制浆室容积较大时存在搅拌磁场分布不均匀问题，使得制浆室内边部与心部金属液搅拌不均匀，容易出现边部早凝现象；3)由于制浆室与导流管口径相近，浆料流动仅依靠重力作用，会导致浆料流动不连续；当浆料的固相分数高时，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，浆料连续输送的难度增大；4)稳定制备具有理想固相分数的半固态浆料工艺尚不成熟，浆料还不能直接用于流变成形。

发明内容

本发明的目的在于：克服现有技术的不足，提供一种施加复合电磁搅拌连续制备半固态金属浆料的方法。采用该方法可以获得经济、快捷、高效、优质的半固态金属浆料，该浆料可以直接用于流变铸造，也可以铸造成一定尺寸的坯料，通过二次加热实现触变成形。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种施加复合电磁搅拌连续制备半固态金属浆料的方法，该方法包括下述步骤：

1)将熔炼合格的过热金属液体以高于其液相线温度10～80℃连续不断地浇到一个预热的中间包内，且中间包内金属液体始终保持恒定高度，其中，中间包的预热温度为高出所浇注金属液体的液相线温度以上0～30℃，同时对中间包内的金属液体施加电磁搅拌，将金属液体以整体电磁搅拌的方式均匀冷却，使所述金属液体温度处于其液相线温度之上0～10℃范围之内；

2)将中间包内温度处于其液相线温度之上0～10℃范围之内的金属液体流经位于中间包下部连接的导流管，同时对流经导流管内的金属液体施加电磁搅拌，并采用导流管外壁上的控温器控制导流管外壁的冷却强度，使导流管内金属液体的冷却速度控制在1～50℃/s，将经过导流管后的金属液体的温度控制在所浇注金属液体的液相线温度之下5～30℃；

3)经过导流管后的金属液体进入一个保温器内，保温器温度控制在所浇注金属液体的液相线温度之下10～30℃，保温时间为5～60s；

4)经过保温处理的上述浆料可以被直接输送到压铸、轧制、模锻等常规成形设备上进行流变成形，或者连续不断地浇注到结晶器内制成半固态连铸坯。

在本发明的方法中，在所述步骤1)中，对中间包内的金属液体施加电磁搅拌是通过设在中间包外的电磁搅拌器进行的，该电磁搅拌器与一个低频电源相连，该电磁搅拌器的功率为1～10kW，频率为1～300Hz，搅拌速率为50～300rpm。该电磁搅拌器是对中间包内金属液体施加一个水平旋转磁场，使金属液体的温度在整体均匀冷却条件下控制到该合金的液相线温度之上0～10℃。

在本发明的方法中，在所述步骤2)中，对流经导流管内的金属液体施加电磁搅拌是通过设在导流管外的电磁搅拌器进行的，该电磁搅拌器与工频电源连接，搅拌功率在0.1～0.5kW之间，搅拌速度在500～3000rmp。

在本发明的方法中，在所述步骤2)中，电磁搅拌是在导流管外部施加一个水平旋转磁场，通过调节对导流管内金属液体的冷却强度和搅拌强度，使金属熔体在出导流管时成为具有10～50％非枝晶球形固相分数的半固态浆料。

在本发明的方法中，经过导流管导出的金属熔体在金属液体静压力和电磁搅拌力的共同作用下进入一个圆形内腔的保温器内，经过保温处理的浆料直接被输送到成形设备进行半固态流变成形，或者进入一个位于结晶器上部并与之相连的热顶内，连续铸成半固态坯料。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1.过热金属液温度和流动性易于控制。对中间包内的金属液体施加电磁搅拌，使其内的过热金属液体整体均匀降温到液相线温度，可以解决现有技术中单纯通过静置保温控制金属液体接近液相线温度导致流动性差、实际操作困难等技术难题；由于施加在中间包内的水平旋转磁场主要用来实现均匀降温，对搅拌强度要求不高，因此，所需搅拌功率小、能耗低。

2.半固态浆料制备速度快、容易控制。在导流管外施加水平旋转磁场和冷却，流经导流管内的金属液流能够获得充分地快速冷却，会在金属液体内部大量形核，因此，凝固组织明显细化；由于几乎是同时形核，晶核尺寸相近，又有利于凝固组织均匀化。这样就解决了现有技术中因制浆室尺寸较大带来金属液体搅拌不均匀、冷却不均匀从而导致凝固组织不均匀的问题，也避免了纯粹依靠强烈电磁搅拌实现枝晶碎化而带来的设备庞大和搅拌功率大、搅拌效率低、能耗大的问题。由于导流管尺寸较小，因此，电磁搅拌设备体积小，无需变频装置，投资成本少，所需搅拌功率小、耗能低、效率高。

3.半固态浆料具有良好的触变性能。导流管内的金属液体是在金属液体静压力和电磁搅拌力共同作用下以螺旋方式流动进入保温器，并且形成具有特定固相分数的半固态金属浆料。这种螺旋冲刷作用能够保证金属熔体在达到较高的固相分数时仍然具有很好的流动性，而且进入保温器内的金属熔体温度分布均匀。因此，既可以实现稳定、有效地制备具有理想固相分数的半固态浆料，又解决了现有技术中半固态浆料组织不均匀、球化程度低而不能直接进行流变成形的难题。

4.制浆设备简单、应用范围广、实用性强。电磁搅拌器结构简单、搅拌效率高、能耗低、不需要变频装置。连续制备的半固态浆料不但可以用来生产连铸坯用于触变成形，而且可以被直接输送到成形设备，利用轧制、压铸、挤压、模锻等常规工艺进行流变成形。该方法既适合于铝基合金的球状或粒状初晶的半固态金属浆料的制备，也适合于铜基合金、镁基合金、锌基合金等有色金属的半固态金属浆料的制备。

附图说明

图1是施加复合电磁搅拌连续制备半固态金属浆料结构示意图。

图2为施加复合磁场但未经保温处理的A356合金半固态浆料的微观组织，浅色区域为初晶α-Al，深色区域为凝固的共晶液体。

图3为施加复合磁场且经保温处理的A356合金半固态浆料的微观组织，浅色区域为初晶α-Al，深色区域为凝固的共晶液体。

具体的实施方式

如图1所示，中间包2为一承接容器，其上顶壁设有金属液体的进口，其下底壁设有金属液体的出口，该出口连接导流管6，导流管6壁上设有控温器7，在承接容器2中，由其上顶部到其下底部贯穿一根塞杆5，塞杆5的上部穿通承接容器2的上顶壁，与上顶壁滑动连接，其裸露在承接容器2外的塞杆5的手把可用于操作塞杆5上下运动，塞杆5的下端设有活塞，该活塞与承接容器2的金属液体的出口配合塞接，通过塞杆5的手把可控制该活塞与承接容器2的金属液体的出口的相对位置，以控制金属液体的出口的开、关及流量。分别在承接容器2及导流管6外部的四周设有上搅拌器3、下搅拌器4，在导流管6的出口的下面设有保温器8。

以下结合附图详细说明本发明的实施例：

如图1所示，首先，将熔炼合格的A356合金液(其液相线温度为613℃)在670℃连续不断地浇注到经过预热的中间包2内，预热温度控制在620℃左右，上下误差不超过2℃，并保证A356合金液1在中间包2内始终保持恒定高度。这时开启上电磁搅拌器3和下电磁搅拌器4。上电磁搅拌器3与一个低频电源相连，施加功率为2.0kW，施加频率为30Hz，搅拌速率为150rpm。下电磁搅拌器4与一个工频电源相连，施加功率为0.3kW，搅拌速率为2000rmp。上电磁搅拌器3产生一个水平旋转磁场，促使金属液以整体搅拌方式均匀冷却接近该金属的液相线温度。经过处理后的中间包内A356合金液的温度控制在其液相线温度附近0～2℃。此时的液态金属即使开始结晶，由于电磁搅拌作用也不会按枝晶方式生长，这时的金属液体仍具有很好的流动性。然后，旋转塞杆5控制中间包内的A356合金液1经导流管6导出，金属液流量通过调节塞杆5的提升高度来控制，导流管6外壁的冷却强度由控温器7来控制，导流管内金属液体的冷却速度为30℃/s。下电磁搅拌器4产生一个水平旋转磁场有利于金属液流获得充分地快速冷却，混合均匀，金属液迅速过冷，形核数量大幅度增加，凝固组织明显细化，经过复合电磁搅拌但没有经过保温处理的A356合金半固态浆料在通过淬火后的微观组织如附图2所示。当上述经复合电磁搅拌处理的A356金属液在金属液静压力和电磁搅拌力共同作用下以螺旋方式运动进入保温器8进行保温处理，其中，保温器温度控制在600℃，保温时间为15s，则附图3是上述经过复合电磁搅拌处理且进行保温处理后A356合金半固态浆料采用淬火后的微观组织。对比附图2、3发现，经过复合电磁搅拌而未经过保温处理的半固态浆料凝固组织虽然获得明显细化和均匀化，但是晶粒球化圆整度低；而同时经过复合电磁搅拌和保温处理后的凝固组织，球化程度也大幅度提高，初生晶粒的圆整度好。

Claims (4)

1.一种施加复合电磁搅拌连续制备半固态金属浆料的方法，其特征在于：该方法包括下述步骤：

1)将熔炼合格的过热铝合金熔体以高于其液相线温度10～80℃连续不断地浇到一个预热的中间包内，且中间包内金属液体始终保持恒定高度，其中，中间包的预热温度为高出所浇注金属液体的液相线温度以上0～30℃，同时对中间包内的金属液体施加电磁搅拌，将金属液体以整体电磁搅拌的方式均匀冷却，使所述金属液体温度处于其液相线温度之上0～10℃范围之内；

2)将中间包内温度处于其液相线温度之上0～10℃范围之内的金属液体流经位于中间包下部连接的导流管，同时对流经导流管内的金属液体施加电磁搅拌，并采用导流管外壁上的控温器控制导流管外壁的冷却强度，使导流管内金属液体的冷却速度控制在1～50℃/s，将经过导流管后的金属液体的温度控制在所浇注金属液体的液相线温度之下5～30℃；

3)经过导流管后的金属液体进入一个保温器内，保温器温度控制在所浇注金属液体的液相线温度之下10～30℃，保温时间为5～60s；

4)经过保温处理的上述浆料可以被直接输送到压铸、轧制、模锻等常规成形设备上进行流变成形，或者连续不断地浇注到结晶器内制成半固态连铸坯。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在所述步骤1)中，对中间包内的金属液体施加电磁搅拌是通过设在中间包外的电磁搅拌器进行的，该电磁搅拌器与一个低频电源相连，该电磁搅拌器的功率为1～10kW，频率为1～300Hz，搅拌速率为50～300rpm。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：在所述步骤2)中，对流经导流管内的金属液体施加电磁搅拌是通过设在导流管外的电磁搅拌器进行的，该电磁搅拌器与工频电源连接，搅拌功率在0.1～0.5kW之间，搅拌速度在500～3000rmp。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：在所述步骤2)中，流出导流管时的半固态金属浆料的固相分数控制在10～50％。

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