CN1778496A

CN1778496A - 非枝晶半固态合金的低电压脉冲电场制备方法及专用设备

Info

Publication number: CN1778496A
Application number: CN 200410087675
Authority: CN
Inventors: 杨院生; 周全
Original assignee: Institute of Metal Research of CAS
Current assignee: Institute of Metal Research of CAS
Priority date: 2004-11-26
Filing date: 2004-11-26
Publication date: 2006-05-31
Anticipated expiration: 2024-11-26
Also published as: CN100531966C

Abstract

本发明涉及一种半固态金属浆料或坯料的低电压脉冲电场制备方法及专用设备。制备方法：先将合金熔化并在保温坩埚内保温，合金熔体的上下两端分别与脉冲电源输出端的正负极相联，当凝固开始前，启动脉冲电源，对合金熔体进行脉冲放电，施加脉冲电场。专用设备：由脉冲电场发生装置、脉冲电场作用装置和加热保温装置三个部分组成，脉冲电场发生装置产生的脉冲电流通过脉冲电场作用装置施加到置于加热保温装置的合金熔体上。根据合金种类和成分的不同，调整脉冲放电电压、放电时间和脉冲频率，并控制合金在脉冲放电期间的凝固速度，最后得到初生相为球状或颗粒状的非枝晶半固态合金坯料或浆料，可用在金属半固态合金制备和成形的生产中。

Description

非枝晶半固态合金的低电压脉冲电场制备方法及专用设备

技术领域

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料或坯料的低电压脉冲电场制备方法及专用设备。

背景技术

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、通讯、电器、计算机及其辅助设备领域、航空航天等领域，并具有广阔的发展前景。金属及合金半固态成形技术一般分两类，一类是半固态金属或合金触变成形，即先让球状初晶的金属或合金半固态浆料完全凝固成坯料，再对适当长度的坯料进行半固态重熔加热，将处于固液两相区的半固态坯料送至压铸机或锻造机进行成形；另一类是将球状初晶的金属或合金半固态浆料直接送至压铸机或锻造机进行直接成形，即流变成形。无论是流变成形还是触变成形，其中半固态(或称非枝晶组织)合金的制备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初生相为球状或颗粒状的非枝晶组织。

半固态合金的制备是半固态加工技术领域的研究热点，要实现半固态金属成形，必须首先制备出初生相为非枝晶结构的半固态金属浆料或坯料，保证半固态金属材料的供给。国内外研究者在此方面作了大量研究工作，提出了许多制备方法与思想。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。美国专利第3902544、3948650和3954455号公开了几种制备金属半固态浆料的机械搅拌方法，该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，获得球状或粒状初晶的金属半固态浆料。机械搅拌法存在下列缺点：(1)搅拌室和搅拌棒的寿命不长，金属更易于氧化和污染，金属内部质量很低；(2)存在搅拌死角，影响浆料均匀性；(3)设备笨重、操作困难、生产效率低，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。美国专利第4229210、4434837号公开了几种制备金属半固态浆料或连铸坯料的电磁搅拌方法，利用强烈的电磁感应力抑制初生枝晶的析出，制备球状或粒状初晶半固态金属浆料，然后利用连铸技术生产出球状晶半固态金属的连铸坯料。电磁搅拌技术相对比较成熟，已在工业化生产得到了应用。但该制备方法中金属液的过热度一般都在50℃以上，要求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浆料。如果剪切速率小于500S^-1，初晶的形态变差，多为蔷薇状初晶，而且连铸坯料表面的枝晶层较厚，这种坯料的触变性不良，不适于半固态成形。为了进行强烈的电磁搅拌，电磁搅拌设备庞大，投资过高，而且电磁搅拌功率很大、效率很低、耗能很大，因此球状或粒状初晶半固态金属连铸坯料的成本较高，不适用大规格(Φ＞150mm)坯料的制备，亦不能直接制成零件。

③应变诱导熔体活化技术(Strain-induced melt Activation Process)，简称SIMA(美国专利第4415374号)，是除电磁搅拌法外，目前工业上用于生产半固态浆料的另一种方法。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。但该法增加了一道预变形工序，提高了坯料生产成本，同时它仅适用于小规格坯料，亦不能直接成形零件。

④液相线铸造法(刘丹，崔建忠，夏可农.东北大学学报.1999，20(2)：173-176)。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，这使得金属熔体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。

⑤喷射沉积法(英国专利GB2172900A号)。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。

⑥半固态等温处理法(朱鸣芳，苏华钦.半固态等温处理制备颗粒组织ZA12合金的研究，铸造，1996(4)：1-5)。预先向合金液体加入变质剂，得到细枝晶状组织后，再加热到两相区即形成非枝晶状半固态成形用浆料。该法比应变诱发熔化激活法省去了预变形工艺，比金属熔体内枝晶破碎法省去了专门制备半固态组织的步骤。但是半固态等温处理法还处于实验室阶段，且该法需预先在熔炼铸锭加入变质剂，变质剂在熔体的均匀分布将影响半固态组织的均匀性并且造成金属液的污染。

⑦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、剪切-冷却-轧制法(Shearing-Cooling-Rolling)、被动搅拌法等。这些方法目前均处于实验室研究阶段，尚未投入工业生产。

脉冲电场处理技术具有无污染、操作方便、效果显著等优点，受到了人们的高度重视。已有的研究已经表明该技术具有十分广阔的应用前景。以前的研究发现脉冲电场对能够细化普通凝固时的组织，改变初生相形态。在上世纪90年代初，美国的M.Nakada和M.C.Flemings等人首先使用高电压电脉冲研究Sn-15％Pb合金的凝固过程，发现在凝固的起始阶段施加电脉冲可改变凝固组织中的初生相形态。该研究结果发表在《ISIJ International》30卷1期27-33页(1990)，鄢红春等在《金属学报》33卷第4期352-358页(1997)也报道了类似的结果。李建明等使用超高电压电脉冲的研究发表在《Scripta Metallurgica et Materialia》31卷12期1691-1694页(1994)。但是他们所采用的电脉冲是高或超高电压，一般从几千伏到几万伏，如此高的电压给操作者带来了极大的不方便，安全性能也比较差；并且在脉冲放电实验中，金属或合金都是在空气中自然冷却或随炉冷却，凝固过程的可控时间短，不能充分发挥脉冲电场对凝固组织的控制作用。更重要的是，他们都没有利用电脉冲来制备非枝晶的球状半固态合金。

发明内容

本发明的目的是针对现有制备半固态合金技术存在的不足，提供一种充放电电压低、工艺简单、适用范围宽广、能量损耗低的非枝晶半固态合金的低电压脉冲电场制备方法及专用设备。

本发明的技术方案是：

半固态金属的组织希望初生相为细小而均匀的球状或颗粒状的非枝晶组织，而在通常条件下，几乎所有工业应用合金的组织，均以枝晶的形态存在。本发明的原理：当合金凝固开始前或在凝固过程中，对合金熔体进行脉冲放电，利用低电压脉冲电场对液态金属的起伏效应、热效应和力效应等效应的交互作用，在增加结晶的形核率的同时抑制初生相枝晶的生长，以获得初生相为球状或颗粒状组织的半固态合金。

本发明方法按以下步骤实现：

第一步，在熔化炉内，进行合金配料，熔化与精炼。

第二步：预热保温坩埚，根据需要将坩埚加热到一定的温度。

第三步：浇注。保证合金液有一定的过热度。合金熔体的过热度范围为30～60℃；

第四步：加脉冲电场。当合金凝固开始前或在凝固过程中，对合金熔体进行一段时间的放电。

第五步：将合金熔体降温冷却成半固态坯料或制成半固态浆料。

本发明也可以将合金直接在保温坩埚内熔化，这样前三个步骤就变成了一个步骤，而后直接进入第四步。

本发明工艺参数：

1、坩埚的预热温度根据生产或实验的方式确定，如果是生产半固态坯料，坩埚一般预热400～600℃；如果是生产半固态金属浆料，坩埚预热至低于合金熔点100～200℃；

2、放电参数包括放电电压、放电时间、脉冲频率，根据不同合金种类和成分确定不同的放电参数。合金在脉冲放电期间必须通过加热保温装置控制合金的冷却速度，保证放电期间合金温度处于液相线和固相线之间。先将保温坩埚内合金熔体的上下两端分别与脉冲电源输出端的正负极相联，在凝固开始前或在凝固过程中，启动脉冲电源，对合金熔体进行脉冲放电，施加脉冲电场，脉冲放电电压在50-400V范围内，放电时间为3-25分钟，脉冲频率为0.1-10Hz，在脉冲放电过程中合金的平均冷却速度控制在0.5-30℃/min，脉冲放电期间合金温度处于液相线和固相线之间；

一种非枝晶半固态合金的低电压脉冲电场制备方法的专用设备，它由脉冲电场发生装置、脉冲电场作用装置和加热保温装置三个部分组成，脉冲电场发生装置产生的脉冲电流通过脉冲电场作用装置施加到置于加热保温装置的合金熔体上；

所述脉冲电场发生装置包括交流电源、调压器、升压变压器、全桥整流器，交流电源经过调压器，再经过升压变压器，该交流电经过全桥整流器整流成为对电容组进行充电的直流电源，电容组为合金熔体的脉冲放电电源。

所述脉冲电场发生装置包括充电回路部分、放电回路部分，充电回路部分由交流电源、自耦调压器、高压变压器，四个二极管组成的高压整流硅堆、限流电阻、充电开关和电容组构成，交流电源经过调压器，再经过升压变压器，该交流电经过高压整流硅堆整流成为直流电源，直流电源与限流电阻、充电开关、电容组构成串联回路；放电回路部分由电容组、磁饱和开关、脉冲开关、负载和由触发电容、触发电阻、触发开关组成的脉冲开关的触发回路构成，电容组与磁饱和开关、负载、脉冲开关构成串联回路，负载代表合金熔体。

所述脉冲电场作用装置包括合金熔体、放置合金熔体的保温坩锅、上电极、下电极，两个电极分别从顶部和底部与合金熔体相联，合金熔体通过上、下电极与脉冲电场发生装置相联接。

所述加热保温装置由加热炉、加热元件和保温炉盖以及热电偶构成，热电偶插入合金熔体内，加热元件分布于加热炉侧壁内。

所述脉冲电场发生装置的电容组由二个以上电容并联构成，电容为电解电容。

所述脉冲电场发生装置的脉冲开关为RSD开关。

所述脉冲电场发生装置还设有控制部分，控制部分由充电开关、触发开关分别与可编程功能模块相连构成。

本发明的半固态合金制备方法具有下列优点：

①脉冲电场发生装置采用低压充放电技术，充电电压在0～450V范围内连续可调；脉冲放电电压低，在50～400V范围内，操作安全可靠，可用在金属半固态合金制备和成形的生产中。

②工艺简单、操作方便、易于控制、能源消耗小。该方法只需对放电参数和凝固速度进行控制；由于是间隙瞬间放电，所以耗费能源极少。

③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。

④可以生产大规格锭坯。目前，当锭坯直径超过150mm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。而该法的控制机制是凝固速度和脉冲电场的控制，因此容易实现大铸锭的铸造。

⑤无污染、效果显著、适用合金范围宽。

⑥生产方式灵活。既可以单件生产半固态坯料又可以连续生产半固态成形所需的浆料。

附图说明

图1为低电压脉冲电场下非枝晶半固态合金制备设备结构示意图。

其中，1为上电极，2为热电偶，3为炉盖，4为保温坩锅，5加热炉，6为合金熔体，7为加热元件，8为耐火材料，9为衬底，10为下电极。

图2(a)～(b)为脉冲电场处理前后Al-4.5％Cu组织对比图；图2(a)为未经过脉冲电场处理的原始组织，图2(b)为经过脉冲电场处理后的典型组织。

图3为本发明另一实施例脉冲电场发生装置电路原理图。

图4为脉冲电场发生装置的控制部分原理框图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明的实施方式做进一步说明：

从图1可以看出，本发明采用的脉冲电场制备装置由三部分组成：第一部分是脉冲电场发生装置，目的是为了产生高密度脉冲电流。在工作时，首先是单相220V交流电源，经过调压器，再经过升压变压器，得到了电压满足要求的交流电。该交流电经过全桥整流器整流成为直流电源，当开关K₁闭合时，直流电源对电容组C进行充电。当充电结束后，开关K₁断开，开关K₂闭合，即对合金熔体进行脉冲放电。第二部分是加热保温装置，由炉体5和加热元件7以及热电偶2组成，这部分的作用是对合金熔体进行保温，控制合金的凝固速度，保证脉冲放电期间，合金温度位于液相线和固相线之间。第三部分是脉冲电场作用装置，它由合金熔体6、保温坩锅4、耐火材料8、上电极1、下电极10组成，它的作用将合金熔体和脉冲电源相联接，使合金熔体处于脉冲电场的作用下。图中3为保温炉盖，9为衬底，起支撑作用。

实施例1

将Al-4.5％Cu合金在保温坩埚内熔化并精炼，在675℃保温30分钟，保证合金液温度均匀，并将电极与合金熔体联接好。当合金熔体温度下降到651℃时，启动脉冲发生装置，开始对合金熔体进行放电，放电电压为300V，放电时间为10分钟，脉冲频率为0.13Hz，在脉冲放电过程中合金的平均冷却速度控制为2℃/min，放电结束后取下上电极，合金锭随炉冷却。由图2(a)、图2(b)可见，经过低电压脉冲电场处理后铸锭的微观组织由原来粗大的树枝晶转变成球状或颗粒状的非枝晶组织。

另外，如图3所示，本发明脉冲电场发生装置还可以分为二个部分，即充电回路部分、放电回路部分。

①充电回路部分：由220V交流电源、自耦调压器T₁、升压变压器T₂，四个二极管D₁～D₄组成的全桥整流器、限流电阻R_C、充电开关K₁和电容C₁～C₄并联组成的电容组构成。其中电容为电解电容，并联充电，可根据放电功率的需要并联一定数目的同型号电容。充电的具体工作过程为220V交流电，经过调压器T₁，再经过升压变压器T₂，得到了电压满足要求的交流电，该交流电经过高压整流硅堆整流成为直流电源，当充电开关K₁闭合时，直流电源对电容组进行充电，当充电开关K₁断开时，充电结束。

②放电回路部分：由电容组、电压表V、磁饱和开关L、脉冲开关RSD、负载R_L和由触发电容C_T、触发电阻R_T、触发开关K₂组成的脉冲开关RSD的触发回路构成。其中电容组用来储存能量，电压表V用来观察电容组两端的电压，磁饱和开关L是一个可饱和电感线圈，当电容组放电时铁心未饱和，所以电感线圈的感抗较大，电流上升速度不大。当电流达到一定数值时铁心饱和，电感线圈失去作用，电流迅速上升到峰值。因此该线圈起到了脉冲压缩和延时的功能。脉冲开关RSD为反向触发脉冲开关，当触发回路的触发开关K₂接通时，触发电容C_T通过触发电阻R_T对脉冲开关RSD反向放电，脉冲开关RSD才能导通。负载R_L代表液态金属。放电的具体工作过程为触发开关K₂闭合，经过磁饱和开关L的压缩和延时后，脉冲开关RSD导通，放电回路导通，电容组开始对负载R_L进行放电。

脉冲电场发生装置还可以加设控制部分：

③控制部分：如图4所示，由充电开关K₁、触发开关K₂和一个可编程功能模块组成。其中的可编程功能模块(采用台湾亚锐电子有限公司的AF-20MR-A型可编程功能模块)用来设定脉冲发生装置放电的周期，精确控制充电开关K₁和触发开关K₂的闭合，从而实现对脉冲发生装置充电和放电的控制，保证放电部分正常工作。

实施例2

将AZ91D合金在保温坩埚内熔化并精炼，在650℃保温20分钟，保证合金液温度均匀，并将电极与合金熔体联接好。当合金熔体温度下降到593℃时，启动脉冲发生装置，开始对合金熔体进行放电，放电电压为400V，放电时间为20分钟，脉冲频率为0.125Hz，在脉冲放电过程中合金的平均冷却速度控制为15℃/min，放电结束后取下上电极，合金锭随炉冷却。

实施例3

将纯铝在保温坩埚内熔化并精炼，在700℃保温40分钟，保证合金液温度均匀，并将电极与合金熔体联接好。当合金熔体温度下降到670℃时，启动脉冲发生装置，开始对合金熔体进行放电，放电电压为350V，放电时间为15分钟，脉冲频率为0.5Hz，在脉冲放电过程中合金的平均冷却速度控制为28℃/min，放电结束后取下上电极，合金锭随炉冷却。

实施例4

与实施例1不同之处在于：

在熔化炉内，进行合金配料，熔化与精炼；然后将保温坩埚预热至400℃；将熔化炉内精炼的合金在700℃(过热度50℃)，倒入坩埚内，启动脉冲发生装置，开始对合金熔体进行放电，放电电压为200V，放电时间为5分钟，脉冲频率为5Hz，在脉冲放电过程中合金的平均冷却速度控制为10℃/min，放电结束后取下上电极，合金锭随炉冷却。

实施例5

与实施例2不同之处在于：

在熔化炉内，进行合金配料，熔化与精炼；然后将保温坩埚预热至400℃；将熔化炉内精炼的合金在650℃(过热度55℃)，倒入坩埚内，启动脉冲发生装置，开始对合金熔体进行放电，放电电压为350V，放电时间为25分钟，脉冲频率为10Hz，在脉冲放电过程中合金的平均冷却速度控制为5℃/min，放电结束后取下上电极，合金锭随炉冷却。

Claims

1、一种非枝晶半固态合金的低电压脉冲电场制备方法，其特征在于具体步骤如下：

第一步：在熔化炉内，进行合金配料，熔化与精炼；

第二步：预热保温坩埚，生产半固态坯料，坩埚预热400～600℃；或者，生产半固态金属浆料，坩埚预热至低于合金熔点100～200℃；

第三步：浇注，合金熔体的过热度范围为30～60℃；

第四步：加脉冲电场，先将保温坩埚内合金熔体的上下两端分别与脉冲电源输出端的正负极相联，在凝固开始前或在凝固过程中，启动脉冲电源，对合金熔体进行脉冲放电，施加脉冲电场，脉冲放电电压在50-400V范围内，放电时间为3-25分钟，脉冲频率为0.1-10Hz，在脉冲放电过程中合金的平均冷却速度控制在0.5-30℃/min，脉冲放电期间合金温度处于液相线和固相线之间；

2、按照权利要求1所述非枝晶半固态合金的低电压脉冲电场制备方法，其特征在于：将合金直接或浇注在保温坩埚内熔化并精炼。

3、按照权利要求1所述非枝晶半固态合金的低电压脉冲电场制备方法，其特征在于：脉冲放电电压在100-400V范围内，放电时间为5-15分钟，脉冲频率为0.125-1Hz，在脉冲放电过程中合金的平均冷却速度控制在0.5-3℃/min范围内。

4、一种非枝晶半固态合金的低电压脉冲电场制备方法的专用设备，其特征在于：它由脉冲电场发生装置、脉冲电场作用装置和加热保温装置三个部分组成，脉冲电场发生装置产生的脉冲电流通过脉冲电场作用装置施加到置于加热保温装置的合金熔体上；

脉冲电场发生装置包括交流电源、调压器、升压变压器、全桥整流器，交流电源经过调压器，再经过升压变压器，该交流电经过全桥整流器整流成为对电容组进行充电的直流电源，电容组为合金熔体的脉冲放电电源。

5、按照权利要求4所述非枝晶半固态合金的低电压脉冲电场制备方法的专用设备，其特征在于：所述脉冲电场发生装置包括充电回路部分、放电回路部分，充电回路部分由交流电源、自耦调压器(T₁)、高压变压器(T₂)，四个二极管(D₁～D₄)组成的高压整流硅堆、限流电阻(R_c)、充电开关(K₁)和电容组构成，交流电源经过调压器(T₁)，再经过升压变压器(T₂)，该交流电经过高压整流硅堆整流成为直流电源，直流电源与限流电阻(R_C)、充电开关(K₁)、电容组构成串联回路；放电回路部分由电容组、磁饱和开关(L)、脉冲开关、负载(R_L)和由触发电容(C_T)、触发电阻(R_T)、触发开关(K₂)组成的脉冲开关的触发回路构成，电容组与磁饱和开关(L)、负载(R_L)、脉冲开关构成串联回路，负载(R_L)代表合金熔体。

6、按照权利要求4所述非枝晶半固态合金的低电压脉冲电场制备方法的专用设备，其特征在于：所述脉冲电场作用装置包括合金熔体(6)、放置合金熔体(6)的保温坩锅(4)、上电极(1)、下电极(10)，两个电极分别从顶部和底部与合金熔体相联，合金熔体(6)通过上、下电极(1)、(10)与脉冲电场发生装置相联接。

7、按照权利要求4所述非枝晶半固态合金的低电压脉冲电场制备方法的专用设备，其特征在于：所述加热保温装置由加热炉(5)、加热元件(7)和保温炉盖(3)以及热电偶(2)构成，热电偶(2)插入合金熔体内，加热元件(7)分布于加热炉(5)侧壁内。

8、根据权利要求4所述非枝晶半固态合金的低电压脉冲电场制备方法的专用设备，其特征在于：所述脉冲电场发生装置的电容组由二个以上电容并联构成，电容为电解电容。

9、根据权利要求4所述非枝晶半固态合金的低电压脉冲电场制备方法的专用设备，其特征在于：所述脉冲电场发生装置的脉冲开关为RSD开关。

10、根据权利要求4所述非枝晶半固态合金的低电压脉冲电场制备方法的专用设备，其特征在于：所述脉冲电场发生装置还设有控制部分，控制部分由充电开关(K₁)、触发开关(K₂)分别与可编程功能模块相连构成。