一種近球晶組織半固態鋁合金快速製備方法
2023-10-04 05:42:29
專利名稱：一種近球晶組織半固態鋁合金快速製備方法
技術領域：
本發明涉及一種近球晶組織半固態合金漿料快速製備方法，是新型半固態流變成形的關鍵技術之一，確保了製備效率與後續成形工藝(壓力鑄造或模鍛)節拍一致，適合於鋁合金等低熔點合金。
背景技術：
半固態合金成形技術通常分為流變成形和觸變成形兩大類。由於觸變成形技術在應用過程中，暴露出工藝流程長、制坯成本高(坯料成本佔零件成本約40％)、重熔能耗高、坯料表面氧化嚴重、加熱過程坯料流失嚴重(流失高達10％)、生產廢料無法在生產現場回收等諸多問題，從20世紀90年代以來，流變成形技術逐漸成為國內外半固態成形技術的重點發展方向，並取得了一定進展。
流變成形技術的關鍵環節之一是半固態漿料的快速製備。在現有的流變成形技術中，機械攪拌式流變射鑄技術在國內外研究廣泛，但存在漿料易汙染、攪拌強度低等問題，尚處於實驗室階段(Wang Kuo K.，Peng Hsuan，Wang Nan，et al.Method and apparatus for injectionmolding of semi-solid metals.US Patent 5501266，1996；彭暄.半固態合金射出成型的方法和裝置.中國專利申請號97120579.5，1997；S.Ji，Z.Fan，M.J.Bevis.Semi-solid processing ofengineering alloys by a twin-screw rheomoulding process.Materials Science and Engineering，A299(2001)210-217；羅吉榮，吳樹森，宋象軍，等.半固態合金漿料的製備裝置.中國專利申請號01212744.2，2001；康永林，安林，孫建林.轉筒式半固態合金漿料製備與成形設備.中國專利申請號01109074.X，2001)。射室製漿式流變鑄造技術雖然可以保證半固態漿料的質量，但存在電磁攪拌效率較低、壓鑄機壓室結構改造複雜、費用巨大等不足(Shibata R.，Kaneuchi T.，Soda T.，et al.Formation of spherical solid phase in die casting shot sleeve withoutany agitation.InDardano C.，Francisco M.and Proud J.Ed.，Processings of the Fifth InternationalConference on Semi-Solid Processing of Alloys and Composites，1998465-470)。液相線鑄造(液相線模鍛)通過低過熱度澆注和整體加壓效應，使整個合金液同時進入過冷狀態，實現了同時形核和同時長大，但只能用於簡單結構件的成形，且生產效率較低(崔建忠.鎂合金超低溫鑄造製取半固態漿方法.中國專利申請號03133389.3，2003；羅守靖.液相線模鍛製備半固態坯料方法.中國專利申請號01116406.9，2001)。這三類方法屬於製漿-成形一體化技術，雖然巧妙地避免了漿料從製備系統到成形系統的轉移過程，但各自具有很大的局限性，因此應用前景不大樂觀。
以日本UBE公司UBE New Rheocasting(UNRC)工藝為代表的在線製備半固態漿料的流變鑄造技術(Toshio Haga，P.Kapranos.Simple rheocasting processes.Journal of MaterialsProcessing Technology，2002，130-131594-598)和Flemings等開發出的Semi-Solid Rheocasting(SSRTM)技術(M.C.Flemings，R.A.Martinez，de Figueredo A.M.，Metal alloy compositionsand process.US Patent 20020096231，2002)，成功實現了漿料製備系統與零件成形系統分離，無須對成形機構進行大的改造，並分別於1999年和2002年實現試生產。這兩種流變成形技術具有較高的知識創新和實用價值，但其具體技術細節沒有公開。
本發明人所在的課題組的前期研究表明，如果半固態合金漿料在從製備系統到成形系統的轉移過程中溫度下降不超過5℃，則不會對其流變性能、顯微組織和工件的力學性能產生太大的影響，因此，在傳統壓鑄技術的基礎上，研製製漿-成形分離的流變成形系統是完全可行的。
發明內容
本發明的目的是，直接從促進晶粒形核、控制晶粒長大的熱力學和動力學條件上入手，採用「熔體處理+雙向電磁攪拌」的複合化新技術，解決以往流變成形技術中製漿效率限制成形效率的問題，實現半固態漿料的在線製備，從而為實現製漿-成形分離的新型流變成形技術提供可能。
一種近球晶組織半固態鋁合金快速製備方法，該方法包括以下步驟(1)製備過熱合金熔體選用合金錠，加熱熔化，製備過熱合金熔體。過熱熔體的製備，對設備無特殊要求，可以採用現有技術中的各種加熱方法，將合金加熱到後序熔體處理所需溫度，同時不斷攪拌，使其溫度均勻，並且化學成分均勻、恆定，偏析小；熔化爐的容積可隨時提供足夠合金熔體；(2)對合金熔體進行處理用澆包將熔化爐中的合金熔體轉入電阻保溫爐，進行熔體處理。熔體處理所用中間合金性能如下細化劑用Al-5Ti-B或Al-3Ti-4B三元中間合金微細粉末，平均粒度小於300μm，粒度呈正態分布，粉末製備過程少(無)汙染，尤其少(無)氧化；變質劑採用變形量大於50％的Al-10Sr二元合金或複合稀土。根據細化劑狀態的不同，熔體處理過程選用兩種工藝；(2.1)如果細化劑的平均粒度小於100μm，採用「先變質後細化」工藝；首先用澆包將熔化爐中的合金熔體轉入電阻保溫爐1(高溫爐)，溫度保持在液相線以上90～110℃，加入變質劑，並保溫5～10min；然後把裝有合金熔體的坩堝轉移至電阻保溫爐2(低溫爐)，溫度保持在液相線以上30～35℃，加入細化劑，靜置20～25min；(2.2)如果細化劑的平均粒度在100～300μm之間，採用「先細化後變質」工藝；首先用澆包將熔化爐中的合金熔體轉入電阻保溫爐1(高溫爐)，溫度保持在液相線以上90～110℃，順序加入細化劑和變質劑，二者加入時間間隔5～10min；然後把裝有合金熔體的坩堝轉移至電阻保溫爐2(低溫爐)，溫度保持在液相線以上30～35℃，靜置20～25min；加入中間合金粉末時，採用專用的噴吹裝置(該噴吹裝置專利另行申報，噴吹介質選用純度為99.9％的氮氣或氬氣)，或者用鋁箔包裹粉末壓入熔體中；噴吹壓力以保證熔體液面不出現飛濺為準，噴吹時間是爐料量和細化劑量而定；(3)雙向電磁攪拌方法製備半固態鋁合金漿料將上述步驟(2)處理後的低過熱度熔體倒入攪拌坩堝(1Cr18Ni9TiA坩堝的壁厚3～5mm，粘土坩堝的壁厚5～10mm)，把坩堝放入電磁攪拌器內腔，採用雙向電磁攪拌方法開始電磁攪拌製備半固態漿料。所謂雙向電磁攪拌，即通過轉向機構，使熔體在攪拌腔內按照「正轉-反轉-正轉」方式交替轉動；主要包括以下四個步驟(3.1)在處理後的低過熱度熔體倒入攪拌坩堝前，攪拌坩堝預熱至350～400℃；這樣熔體進入攪拌坩堝後，坩堝壁處熔體的溫度高於攪拌開始溫度；(3.2)在把坩堝放入電磁攪拌器內腔之前5～10s開啟攪拌器；電磁攪拌頻率5～30Hz；電磁攪拌功率15kw；攪拌方式可採用正轉、反轉或交替運行；攪拌換向時間為0～10s；(3.3)將熔體處理後的低過熱度熔體(熔體溫度高於液相線30～35℃)轉入攪拌坩堝內，把坩堝放入電磁攪拌器內腔，並立即檢測熔體溫度；(3.4)按照設定攪拌方式進行電磁攪拌；此時主要工藝參數有開始攪拌溫度(液相線以上30～35℃)、單向項攪拌時間(5～10s)、正轉-反轉換向方式(採用無間歇換向)、攪拌頻率(25～30Hz)、攪拌電壓(設定攪拌頻率下最大容許電壓)；(4)在攪拌過程中對溫度進行實時採集，攪拌時間以最終攪拌溫度設定，當攪拌過程中熔體溫度降至液相線以下3～5℃，即停止攪拌，此時即可得到近球晶組織半固態鋁合金漿料。
本發明涉及的雙向電磁攪拌器，通過轉向機構使電磁攪拌方向瞬間轉變，實現「正轉-反轉-正轉」無間歇交替運行；通過調頻來控制攪拌強度。該雙向電磁攪拌器專利另行申報。
本發明可在電磁攪拌器內腔放置保溫棉，以保證電磁攪拌過程中坩堝壁部分熔體不至於降溫過快。
本發明的各個環節都是從提高半固態合金漿料的製備效率出發的。
(1)電磁攪拌的作用是使熔體產生強烈的對流，從而處於同一溫度或極小溫度梯度狀態下，保證整個熔體同時進入過冷狀態，實現同時形核。晶核在隨後的長大過程中，受到相鄰晶核長大阻力的影響，不可能(或極少)形成發達的枝晶，從而得到理想的球狀晶粒結構。即電磁攪拌的作用是創造等軸晶形核的動力學條件，並不直接參與等軸晶的形核和長大。製備具有大量形核核心的合金熔體，是實現半固態漿料快速製備的關鍵。相對傳統的熔體處理技術而言，採用微細粉末中間合金可大大提高形核效率，不但極大地縮短了電磁攪拌時間，提高了半固態漿料的製備效率，而且具有顯著的晶粒細化效果。
(2)在進行雙向電磁攪拌時，(a)雙向電磁攪拌器在合金熔體送入之前啟動，一則促進了合金液形核，從而縮短漿料製備時間；二則保證了料筒的中央和內壁處的合金得到充分的攪拌混合，使料筒內熱流傳遞充分，料筒內各部分漿料組織均勻，抑制料筒內壁處因激冷而出現枝晶；(b)熔體溫度在液相線以上30～35℃時轉移至攪拌腔內，實現低溫澆注，大大縮短了製備時間；(c)本裝置沒有專門的加熱保溫措施，冷卻速度較快，在合金冷卻經過液相線時，形成快速冷卻與對流的複合作用，使整個熔體均處於形核和凝固中；(d)雙向電磁攪拌藉助攪拌方向瞬間轉變實現「正轉-反轉-正轉」交替運行，利用運動慣性對合金熔體產生強烈的慣性衝擊，使攪拌效率大幅度提高；(e)合金熔體溫度下降到液相線以下3～5℃時，已形成了大量的初生晶核，此時攪拌就失去了作用，即可停止攪拌，初生晶粒在隨後的長大過程中自行成長為等軸球晶。採用這種方法，可在50s內完成半固態合金漿料的製備，較常規的電磁攪拌方法，製備效率大為提高，實現了半固態漿料的在線製備，為實現製漿-成形分離的新型流變成形技術提供了可能；這種方法製備的半固態漿料固相顆粒直徑可達50μm以下，形狀因子可達0.8以上，完全滿足半固態後序成形要求。
本發明的主要優點如下(1)漿料製備效率較傳統的電磁攪拌技術大為提高，可以與後續成形加工(壓鑄或模鍛)生產節拍匹配。由於熔體處理具有一定的枝晶退化作用，在一定程度上提高了漿料製備效率。另外，由於電磁攪拌力跟磁場轉速與熔體流速之間的速度差密切相關，單向電磁攪拌的磁場轉速與熔體流速同向，二者的速度差有限，而雙向電磁攪拌時，利用熔體的運動慣性可以產生很大的速度差和慣性衝擊，從而使攪拌效率大為提高。第三，由於熔體處理在結晶前形成大量的有效形核核心，並在電磁攪拌作用下，均勻分布在整個熔體中，就可以保證在較低的過冷度下實現整個熔體同時形核。故而攪拌結束溫度遠遠高於傳統電磁攪拌製漿技術。
(2)非枝晶半固態合金製備效率較傳統電磁攪拌技術大幅度提高，可以與後續成形加工(壓鑄或模鍛)生產節拍匹配。由於電磁攪拌力跟磁場轉速與熔體流速之間的速度差密切相關，單向電磁攪拌的磁場轉速與熔體流速同向，二者的速度差有限；而雙向電磁攪拌時，利用熔體的運動慣性可以產生很大的速度差和慣性衝擊，從而使攪拌效率大為提高。
(3)本發明涉及的熔體處理技術有助於提高合金熔體的有效晶核數量，從而可以獲得細小晶粒組織的半固態合金。另外，由於熔體處理具有一定的枝晶退化作用，在一定程度上對提高漿料製備效率有益。
(4)雙向電磁攪拌技術極大限度地抑制了合金熔體中枝晶的生長，並使合金熔體中的固相分布更加均勻，從而可以獲得均勻的近球晶組織。
(5)由於熔體處理在結晶前形成大量的有效形核核心，並在雙向電磁攪拌的慣性作用下，均勻分布在整個熔體中，就可以保證在較低的過冷度下實現整個熔體同時形核。故而攪拌結束溫度遠遠高於傳統電磁攪拌製漿技術。
(6)半固態漿料的組織較傳統的電磁攪拌技術更為優異。由於熔體處理具有明顯的晶粒細化作用，因此本發明得到的半固態合金晶粒更細小。
圖1是本發明製備的近球晶組織半固態鋁合金固相顆粒的示意圖。
具體實施例方式
下面介紹本發明的實施例。
實施例 近球晶組織半固態A356鋁合金的製備首先，採用電阻爐熔化A356合金錠，A356合金熔體的溫度為700～720℃。然後，對合金液進行熔體處理，熔體處理過程如下(以平均粒度小於100μm的Al-5Ti-B為例)用澆包將熔化爐中的合金熔體轉入電阻保溫爐1(高溫爐)，700～720℃保溫，加入0.04wt％Sr的Al-10Sr擠壓杆並攪拌，然後保溫靜置10min；接著把裝有合金熔體的坩堝轉移至電阻保溫爐2(低溫爐)，溫度保持在640℃±5℃，採用專用的旋轉噴吹裝置加入0.03wt％Ti(Al-5Ti-B粉末)，噴吹壓力以保證熔體液面不出現飛濺為準，噴吹時間是爐料量和細化劑量而定(5kg爐料需要3min)；最後在低溫爐中保溫靜置20min。在進行熔體保溫的同時，將攪拌坩堝預熱至400℃。隨後開啟電磁攪拌器，開啟約10s後，把經過低溫保溫的A356合金熔體倒入攪拌坩堝，把坩堝放入電磁攪拌器內腔，開始電磁攪拌。電磁攪拌工藝參數如下正-反無間歇雙向攪拌、澆注溫度T0＝640℃、攪拌頻率f＝30Hz、輸出電壓U＝220V、單向攪拌時間Δτ＝5s。攪拌過程對漿料溫度進行實時採集，當溫度降至607～605℃時，即停止攪拌。此時獲得漿料即可直接送入後續成型。整個攪拌過大致需要20～25s左右。
採用這種方法製備的半固態漿料在壓鑄或模鍛過程中，固相顆粒直徑可達50μm以下，形狀因子可達0.8以上，組織中無典型的柱狀晶和樹枝晶，晶粒內卷液現象極少(圖1)，圖1是本發明製備的近球晶組織半固態鋁合金固相顆粒的示意圖，其組織和流變性能滿足半固態加工要求。
權利要求
1.一種近球晶組織半固態鋁合金快速製備方法，其特徵在於，該方法包括以下步驟(1)製備過熱合金熔體採用現有技術中的各種加熱方法，選用合金錠，將合金加熱到後序熔體處理所需溫度，同時不斷攪拌，使其溫度均勻，並且化學成分均勻、恆定，偏析小；(2)對合金熔體進行處理用澆包將熔化爐中的合金熔體轉入電阻保溫爐，用中間合金進行熔體處理；加入中間合金粉末時，採用噴吹裝置或用鋁箔包裹粉末壓入熔體中；中間合金含有細化劑和變質劑；根據中間合金細化劑狀態的不同，熔體處理過程選用兩種工藝；(2.1)如果細化劑的平均粒度小於100μm，採用「先變質後細化」工藝；首先用澆包將熔化爐中的合金熔體轉入電阻保溫爐1(高溫爐)，溫度保持在液相線以上90～110℃，加入變質劑，並保溫5～10min；然後把裝有合金熔體的坩堝轉移至電阻保溫爐2(低溫爐)，溫度保持在液相線以上30～35℃，加入細化劑，靜置20～25min；(2.2)如果細化劑的平均粒度在100～300μm之間，採用「先細化後變質」工藝；首先用澆包將熔化爐中的合金熔體轉入電阻保溫爐1(高溫爐)，溫度保持在液相線以上90～110℃，順序加入細化劑和變質劑，二者加入時間間隔5～10min；然後把裝有合金熔體的坩堝轉移至電阻保溫爐2(低溫爐)，溫度保持在液相線以上30～35℃，靜置20～25min；(3)雙向電磁攪拌方法製備半固態鋁合金漿料將上述步驟(2)處理後的低過熱度熔體倒入攪拌坩堝，把坩堝放入電磁攪拌器內腔，採用雙向電磁攪拌方法開始電磁攪拌製備半固態漿料，主要包括以下四個步驟(3.1)在處理後的低過熱度熔體倒入攪拌坩堝前，攪拌坩堝預熱至350～400℃；(3.2)在把坩堝放入電磁攪拌器內腔之前5～10s開啟攪拌器；電磁攪拌頻率5～30Hz；電磁攪拌功率15kw；攪拌方式採用正轉、反轉或交替運行；攪拌換向時間為0～10s；(3.3)將熔體處理後的低過熱度熔體轉入攪拌坩堝內，把坩堝放入電磁攪拌器內腔，並立即檢測熔體溫度；(3.4)按照設定攪拌方式進行電磁攪拌；(4)在攪拌過程中對溫度進行實時採集，攪拌時間以最終攪拌溫度設定，當攪拌過程中熔體溫度降至液相線以下3～5℃，即停止攪拌，此時即可得到近球晶組織半固態鋁合金漿料。
2.根據權利要求1所述的一種近球晶組織半固態鋁合金快速製備方法，其特徵在於，所述細化劑為Al-5Ti-B或Al-3Ti-4B三元中間合金微細粉末，平均粒度小於300μm，粒度呈正態分布，粉末製備過程少或無汙染，尤其少或無氧化。
3.根據權利要求1所述的一種近球晶組織半固態鋁合金快速製備方法，其特徵在於，所述變質劑採用變形量大於50％的Al-10Sr二元合金或複合稀土。
4.根據權利要求1所述的一種近球晶組織半固態鋁合金快速製備方法，其特徵在於，通過電磁攪拌器調頻來控制攪拌強度。
5.根據權利要求1所述的一種近球晶組織半固態鋁合金快速製備方法，其特徵在於，其電磁攪拌器內腔放置有保溫棉。
全文摘要
一種近球晶組織半固態鋁合金快速製備方法，涉及一種近球晶組織半固態合金漿料快速製備方法，製備過熱合金熔體；採用「先變質後細化」或「先細化後變質」工藝對合金熔體進行處理；雙向電磁攪拌方法製備半固態鋁合金；在攪拌過程中對溫度進行實時採集，攪拌時間以最終攪拌溫度設定，當攪拌過程中熔體溫度降至液相線以下3～5℃，即停止攪拌，冷卻，得到近球晶組織半固態鋁合金。本發明漿料製備效率較傳統的電磁攪拌技術大為提高，可以與後續成形加工(壓鑄或模鍛)生產節拍匹配；涉及的熔體處理技術有助於提高合金熔體的有效晶核數量，從而可以獲得細小晶粒組織的半固態合金。在鋁合金流變成形工藝中有很強應用前景。
文檔編號B22D21/04GK1746322SQ200510086378
公開日2006年3月15日 申請日期2005年9月9日 優先權日2005年9月9日
發明者唐靖林, 馮鵬發, 曾大本 申請人:清華大學