一種鑄造用半固態漿料的製備方法和製備裝置的製作方法
2023-11-05 19:33:17 1
專利名稱：一種鑄造用半固態漿料的製備方法和製備裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及材料領域，是一種鑄造用半固態漿料的製備方法和製備裝置。
背景技術：
近年來，金屬半固態加工成形技術越來越引起人們的重視。半固態鑄造成形技術因其比傳統的液態鑄造具有提高產品質量、節約能源、生產率高等特點，被認為是二十一世紀最重要的金屬加工成形技術之一。金屬半固態鑄造目前主要有兩種基本形式，分別是流變鑄造和觸變鑄造。
流變鑄造是指將過熱金屬液快速冷卻到固液共存的溫度區間，並在凝固過程中對合金施加強烈的攪拌，使其固相以大量細小的等軸晶或球晶形式懸浮在液相中形成半固態漿料，並通過射出器將半固態漿料注入型腔完成後續的成形及完全凝固。而觸變鑄造則是指先將製備好的半固態漿料鑄成為錠，切割成一定尺寸的坯料，使用時再重新加熱到固液兩相共存區間的半固態狀態，然後經由鑄造實現零件成形。由於觸變鑄造半固態漿料本身的力學特性，通常觸變鑄造是通過壓鑄方式實現的。由於半固態漿料中固相質點的數量和尺度與鑄件質量性能有直接的聯繫，無論是流變鑄造還是觸變鑄造技術，往往還需要採用化學方法來促進晶粒細化。
與傳統的液態鑄造相比，半固態漿料由於具備較好的均質化特性，其中存在較為豐富的固相質點，在凝固過程中可以構成大量的生長核心，使得鑄件凝固組織細小均勻，同時半固態漿料製備過程中的對流剪切作用使普通鑄造易於形成的樹枝晶網絡骨架消失而保留分散的顆粒狀組織形態，這樣避免了粗大樹枝晶的形成，降低了鑄件的偏析程度和縮孔縮松等缺陷產生的機率，可以有效消除偏析、裂紋等缺陷，並顯著改善鑄件的機械性能。同時，半固態漿料在液固兩相區仍然具有良好的流動性，對於壓鑄技術而言，採用半固態漿料的成形溫度可以遠低於同種合金液態澆注時的溫度，在很大程度上延長了鑄模的使用時間。此外，半固態漿料本身所具有的高流動性，使得半固態壓鑄過程中可以採用低速壓鑄，避免了高速壓鑄捲入氣體的缺點，使得半固態壓鑄件可以通過後續熱處理來強化合金性能。這些優點使半固態鑄造技術成為廣泛關注的先進新技術。
目前半固態鑄造技術推廣所遭遇的主要困難是其生產成本通常高於傳統的液態鑄造技術；而另一方面，鑄造企業比以往更注重降低成本。觸變鑄造由於本身觸變鑄錠生產和運輸較為簡單，曾經是工業生產中主要採用的半固態鑄造技術，但今天其主角地位正在逐步讓位於流變鑄造，其原因在於流變鑄造所的鑄件的性能通常要優於觸變鑄造所生產的鑄件，應用方式更為多樣，同時流變鑄造所使用的半固態漿料的生產和運輸問題也逐步得到了解決。為降低半固態鑄造技術的應用成本，專利號為6880613的美國專利提出了一種新的半固態漿料產生方法，這種方法將兩種合金置於不同的坩堝中並預先加熱到不同的給定溫度，而後將兩種金屬匯集使漿料溫度調整為適當的數值並保持特定時間以形成半固態漿料。將這種方法製備好的半固態漿料注入鑄型，即可完成流變鑄造過程。
即便如此，現有的半固態漿料製備方法仍然存在設備複雜、生產成本較高、漿料質量較差的問題，難於得到大規模推廣應用，目前還停留在實驗室研發階段。
發明內容為克服現有技術中存在半固態漿料製備方法中所存在的設備複雜、成本較高的不足，同時提高半固態漿料質量，本發明提出了一種新的半固態漿料製備方法。
本發明所採用的技術方案是採用激冷的方法或者採用激冷與機械振動的方法獲取半固態漿料，即令熔化後的金屬液沿著具有冷卻作用的導流器流動到鑄型中，並將導流器的溫度控制在合金的液相線溫度以下，使金屬液在流經導流器時在其內壁激冷結晶生長，同時在金屬液本身的流動衝刷作用下，使激冷細晶產生縮頸，斷裂或破碎，進而被液流衝刷斷裂融入液流，從而形成液固共存的半固態漿料，將製備好的漿料注入鑄型，完成半固態鑄造。
本發明的優選方案之一是通過控制導流器的溫度，使金屬液在流經導流器時在其內壁激冷結晶生長，並利用金屬液本身的運動，使激冷細晶產生縮頸，斷裂或破碎，進而被液流衝刷斷裂融入液流，從而形成液固共存的半固態漿料；本發明的優選方案之二是通過對導流器的強制冷卻提高結晶效率；或者對導流器施加振動，提高激冷細晶的游離、斷裂和增殖；
本發明的優選方案之三是對導流器外壁強制冷卻的同時，還通過對導流器施加振動，以提高凝固層和枝晶臂的游離、破碎，從而提高產率並改善半固態漿料質量。
本發明中，通過預冷、預熱，或外裝溫控器的方式將導流器溫度置於低於合金液相線溫度的數值。
本發明所提出的鑄造用半固態漿料的製備過程是第一步，將導流器置於室溫；第二步，將合金置於坩堝中加熱以形成金屬液，對金屬液保溫後打開導流器入口處的閥門，使金屬液沿導流器向鑄型流動。金屬液流經導流器時，在導流器的激冷作用下迅速在導流器器壁上結晶，並以激冷晶為核心沿徑向嚮導流器內部生長為較為發達的枝晶。形成的固相枝臂在液流的衝刷作用下碎斷進入液流，並在導流器中心過熱金屬液的作用下部分重熔並進一步分裂，其形貌向半固態球晶轉化，形成更多的生核核心，同時使漿料成分及兩相分布得到均化。
第三步，將製備好的半固態漿料注入鑄型並完成零件的凝固成形。
本發明還提出了一種用於製備半固態漿料的裝置。該裝置包括坩堝和高導熱導流器，其中，坩堝底部有導流口，導流器使用金屬或陶瓷材料，其結構為管或槽結構。將導流器一端固定連接在導流口上，並在導流口上安裝一開關控制閥門；導流器的另一端作為金屬液的出口，與鑄型對接。為實現本發明的優選方案一，在導流器上固定安裝有溫控器，並且該溫控器與導流器之間形成良好的熱接觸，以控制導流器溫度；為實現本發明的優選方案二，在導流器外壁加裝溫控器對導流器強制冷卻，以提高結晶效率；或者在導流器外壁上加裝起振器，對導流器施加振動，以提高激冷細晶的游離、斷裂和增殖；為實現本發明的優選方案三，在導流器外壁加裝溫控器的同時，還在導流器外壁加裝起振器，以在強制冷卻的同時，還通過振動的方式提高凝固層和枝晶臂的游離、破碎。
由於本發明所採取的技術方案，金屬液在特定的條件下流經導流器時會在管壁上形成激冷晶生長層。金屬液對枝晶的衝刷會導致生成的枝晶臂熔斷或斷裂、破碎並進入液流形成離散游離晶粒，並在隨金屬熔體的流動游離過程中產生熟化，並導致界面形貌向球晶趨近；通過對導流器進行強制冷卻，可以改變導流器壁附近的溫度場分布，提高晶粒增殖效果，同時使激冷枝晶生長更為發達，枝晶臂間出現明顯的溶質富集並出現縮頸現象，更易於在液流衝刷下斷裂；通過對導流器施加振動，有助於提高固相和枝晶臂的斷裂率和分裂率，改善金屬液和導流器壁間的換熱條件，枝晶更為發達，使漿料中的固相質點更為豐富地彌散分布，促進其熟化過程。因此，本發明所採取的技術方案可以更高效地生產高質量的半固態漿料，具有成本低、製備工藝簡單、鑄件的凝固組織細小均勻、機械性能好的特點。
附圖1是半固態漿料製備裝置的結構示意圖；附圖2是有溫控器的半固態漿料製備裝置的結構示意圖；附圖3是有起振器的半固態漿料製備裝置的結構示意圖；附圖4是同時加裝有溫控器和起振器的半固態漿料製備裝置的結構示意圖。
其中1.鑄型 2.導流器3.坩堝4.金屬液5.閥門6.溫控器7.起振器8.進氣管具體實施方式
下面結合附圖對本發明所使用的裝置進行說明。
實施例一本實施例是製備鋁合金半固態漿料，所應用的合金牌號為ZL101。
本實施例採用直接利用導流器的熱容對金屬液進行冷卻的方式，適用於單次少量半固態漿料的產生，可直接利用銅管的熱容對合金液進行激冷作用。
實施中，將熔化後的金屬液通過具有冷卻作用的高導熱導流器引入鑄型，將導流器的溫度控制在合金的液相線溫度以下，使金屬液在導流器內壁結晶生長為枝晶形貌，並被液流衝刷斷裂後進入液相，形成半固態漿料。
實施此方法的裝置(附圖1)包括金屬液保溫坩堝3、導流器2和鑄型1。其中，導流器2為壁厚1釐米的銅製圓管，一端通過螺紋固定連接在位於保溫坩堝3底部的導流口上，並在該導流器2與保溫坩堝3底部的連接處安裝一開關控制閥門5；導流器2的另一端作為金屬液4的出口，與鑄型1對接。具體過程是第一步，將導流器置於室溫；
第二步，將合金置於坩堝3中加熱到750℃以形成金屬液4，其液面高度調整為5釐米，對金屬液4保溫30分鐘後打開導流器2入口處的閥門5；金屬液4在重力作用下沿導流器2以0.03±0.01m/s的流動速度向鑄型1流動。
金屬液4流經導流器2時，在導流器2的激冷作用下迅速在導流器2器壁上結晶並以激冷晶為核心沿徑向嚮導流器2內部生長為較為發達的枝晶。形成的固相枝臂在液流的衝刷作用下碎斷進入液流，並在導流器2中心過熱金屬液的作用下部分重熔並進一步分裂，其形貌向半固態球晶轉化，形成更多的生核核心，同時使漿料成分及兩相分布得到均化。製備好的半固態漿料注入鑄型1並完成零件的凝固成形。
實施例二本實施例是製備鎂合金半固態漿料，所應用的合金牌號為ZM5。
本實施例採用在導流器外壁加裝溫控器對導流器強制冷卻的方式，適用於大批量半固態漿料的產生。
實施中，將熔化後的金屬液通過具有冷卻作用的高導熱導流器引入鑄型，並通過加裝在導流器外壁上的溫控器，對附著於導流器內壁上的金屬液強制冷卻，使金屬液在導流器內壁結晶生長為發達的枝晶形貌，並被液流衝刷斷裂後進入液相，形成半固態漿料。
實施此方法的裝置(附圖2)包括金屬液保溫坩堝3、導流器2、溫控器6和鑄型1，其中，保溫坩堝3的底部有導流口，導流器2為鑄鐵薄壁槽結構，一端通過螺栓固定連接在位於保溫坩堝3底部的導流口上，並在該導流器與保溫坩堝3底部的連接處安裝一開關控制閥門5；導流器的另一端作為金屬液的出口，與鑄型1對接；溫控器6通過螺栓固定在導流器2上，內部設置冷卻劑流道以控制導流器2的溫度，本實施例中，通過循環水實施冷卻。具體過程是第一步，將ZM5合金置於保溫坩堝3中加熱到720℃以形成金屬液4，同時啟動溫控器6的循環水，對導流器2進行冷卻，將其溫度控制在60±10℃；第二步，調整金屬液液面高度調整為12釐米，將金屬液保溫20分鐘後打開導流器2入口處的閥門5，使金屬液4在重力作用下以0.1±0.02m/s的速度沿導流器2向鑄型1流動。
金屬液4流經導流器2時，在導流器2的激冷作用下迅速在導流器2器壁上結晶並以激冷晶為核心沿徑向嚮導流器2內部生長為較為發達的枝晶。形成的固相枝臂在液流的衝刷作用下碎斷，在液流的衝刷以及中心金屬液過熱的作用下固相碎片部分重熔並進一步分裂，其形貌向半固態球晶轉化，形成更多的生核核心，同時使漿料成分及兩相分布得到均化。導流器2內壁的固相脫落後金屬液4直接與器壁接觸，有利於金屬液繼續在器壁上結晶並進行生長，這也提高了半固態漿料的產生效率。製備好的半固態漿料注入鑄型1並完成零件的凝固成形。
實施例三本實施例是製備鎂合金半固態漿料，所應用的合金牌號為AZ91。
本實施例採用在導流器外壁加裝起振裝置對導流器強制振動的方式，適用於小批量高質量半固態漿料的產生。
實施中，將熔化後的金屬液通過具有冷卻作用的高導熱導流器引入鑄型，將導流器的溫度控制在合金的液相線溫度以下，使金屬液在導流器內壁結晶生長為枝晶形貌，並被液流衝刷斷裂後進入液相。通過加裝在導流器外壁上的起振裝置，對附著於導流器內壁上的固相金屬強制振動，使導流器內壁粘附的固相碎裂，同時細化漿料內的固相顆粒，從而獲得高質量的半固態漿料。
實施此方法的裝置(附圖3)包括金屬液保溫坩堝3、導流器2、起振器7和鑄型1，其中，保溫坩堝3的底部有導流口，導流器2為壁厚1.8釐米的銅製圓管結構，一端通過螺紋固定連接在位於保溫坩堝3底部的導流器2上，並在該導流器2與保溫坩堝3底部的連接處安裝一開關控制閥門5；導流器2的另一端作為金屬液4的出口，與鑄型1對接；起振器7通過螺栓固定在導流器2上。
本實施例中，起振器7的振動通過偏心式電機振動器實現，所使用的電機為200W，電機軸以每分鐘300轉的速度旋轉，帶動偏心輪轉動形成5Hz的機械振動；工作頻率為同時，保溫坩堝3為裝有進氣管8的密封結構，通過進氣加壓形成內外壓差的方法對金屬液4在導流器2中的流動速度進行控制。具體過程是第一步，將合金置於坩堝3中加熱到700℃以形成金屬液4，並將導流器置於室溫；第二步，金屬液4保溫30分鐘後打開導流器2入口處的閥門5，向封閉坩堝內充入氣體，使金屬液4在1KPa的壓差作用下沿導流器2以0.8±0.2m/s的速度向鑄型1流動，同時啟動起振器7的電源，對導流器2進行強制振動，振動器7工作頻率為如前所述的5Hz。
金屬液4流經導流器2時，在導流器2的激冷作用下迅速在導流器2器壁上結晶並以激冷晶為核心沿徑向嚮導流器2內部生長為枝晶。形成的固相枝臂在液流的衝刷作用下碎斷進入液流，同時起振器7產生的機械振動通過導流器2作用於內壁附著的固相，使其碎裂進入金屬液流。在液流的衝刷以及中心金屬液過熱的作用下固相碎片部分重熔並進一步分裂，其形貌向半固態球晶轉化，形成更多的生核核心，同時使漿料成分及兩相分布得到均化。導流器2內壁的固相脫落後金屬液4直接與器壁接觸，有利於金屬液2繼續在器壁上結晶生長並持續脫落、增殖、熟化，從而提高了半固態漿料的生產效率和質量。製備好的半固態漿料注入鑄型1並完成零件的凝固成形。
實施例四本實施例是製備鋁合金半固態漿料，所應用的合金牌號為ZL114。
本實施例採用在導流器外壁同時加裝溫控器和起振裝置對導流器強制冷卻及振動的方式，適用於大批量高質量半固態漿料的產生。
實施中，將熔化後的金屬液以通過具有冷卻作用的高導熱導流器引入鑄型，將導流器的溫度控制在合金的液相線溫度以下，使金屬液在導流器內壁結晶生長為枝晶形貌，並被液流衝刷斷裂後進入液相。通過加裝在導流器外壁上的起振裝置，對附著於導流器內壁上的固相金屬強制振動，使導流器內壁粘附的固相碎裂，同時細化漿料內的固相顆粒，從而獲得高質量的半固態漿料。
實施此方法的裝置(附圖4)包括金屬液保溫坩堝3、導流器2、溫控器6、起振器7和鑄型1，其中，保溫坩堝3底部有導流口，導流器2為陶瓷斜槽結構，一端通過螺紋固定連接在位於保溫坩堝3底部的導流器2上，並在導流器2與保溫坩堝3底部的連接處安裝一開關控制閥門5；導流器2的另一端作為金屬液4的出口，與鑄型1對接；溫控器6通過螺栓固定在導流器2上，其內部設置冷卻劑流道以控制導流器2的溫度；起振器7通過螺栓固定在導流器2上。
本實施例中，溫控器6使用矽油作為冷卻劑，將導流器溫度控制在220±20℃；起振器7的振動通過一個氣動振動器實現，參考凝固固液相區的特徵共振特性，選擇氣動振動器工作頻率為250Hz；同時，保溫坩堝3為裝有進氣管8的密封結構，通過進氣加壓形成內外壓差的方法對金屬液4在導流器2中的流動速度進行控制。具體過程是第一步，將ZL114合金置於保溫坩堝3中加熱到740℃以形成金屬液4；第二步，金屬液4保溫30分鐘後打開導流器2入口處的閥門5，向密封坩堝3內充入氣體，使金屬液4在1.5KPa的壓差作用下沿導流器2以0.2±0.05m/s的速度向鑄型1流動，同時啟動溫控器6和起振器7的電源，對導流器2進行強制冷卻和振動。
金屬液4流經導流器2時，在導流器2的激冷作用下迅速在導流器2器壁上結晶並以激冷晶為核心沿徑向嚮導流器2內部生長為發達的枝晶。形成的固相枝臂在液流的衝刷作用下碎斷進入液流，同時起振器7產生的機械振動通過導流器2作用於內壁附著的固相，使其碎裂進入金屬液流。在液流的衝刷、中心金屬液過熱以及超聲波振動的作用下固相碎片部分重熔並進一步分裂，其形貌向半固態球晶轉化，形成更多的生核核心，同時使漿料成分及兩相分布得到均化。導流器2內壁的固相脫落後金屬液4直接與器壁接觸，有利於金屬液2繼續在器壁上結晶生長並持續脫落、增殖、熟化，從而提高了半固態漿料的生產效率和質量。製備好的半固態漿料注入鑄型1並完成零件的凝固成形。
實施例五本實施例是製備鋁合金半固態漿料，所應用的合金牌號為ZL101。
本實施例採用在導流器外壁同時加裝溫控器和起振裝置對導流器強制冷卻及振動的方式，適用於大批量高質量半固態漿料的產生。
實施中，將熔化後的金屬液以通過具有冷卻作用的高導熱導流器引入鑄型，將導流器的溫度控制在合金的液相線溫度以下，使金屬液在導流器內壁結晶生長為枝晶形貌，並被液流衝刷斷裂後進入液相。通過加裝在導流器外壁上的起振裝置，對附著於導流器內壁上的固相金屬強制振動，使導流器內壁粘附的固相碎裂，同時細化漿料內的固相顆粒，從而獲得高質量的半固態漿料。
實施此方法的裝置(附圖4)包括金屬液保溫坩堝3、導流器2、溫控器6、起振器7和鑄型1，其中，保溫坩堝3底部有導流口，導流器2為銅製圓管結構，一端通過螺紋固定連接在位於保溫坩堝3底部的導流器2上，並在導流器2與保溫坩堝3底部的連接處安裝一開關控制閥門5；導流器2的另一端作為金屬液4的出口，與鑄型1對接；溫控器6通過螺栓固定在導流器2上，其內部設置冷卻劑流道以控制導流器2的溫度；起振器7通過螺栓固定在導流器2上。
本實施例中，溫控器6使用矽油作為冷卻劑，將導流器溫度控制在180±20℃；起振器7的振動通過一個600W的超聲波發生器實現，依據金屬本身的固有振動特性選擇其起振器的工作頻率為50kHz；同時，保溫坩堝3為裝有進氣管8的密封結構，通過進氣加壓形成內外壓差的方法對金屬液4在導流器2中的流動速度進行控制。具體過程是第一步，將ZL114合金置於保溫坩堝3中加熱到750℃以形成金屬液4；第二步，金屬液4保溫30分鐘後打開導流器2入口處的閥門5，向密封坩堝3內充入氣體，使金屬液4在3KPa的壓差作用下沿導流器2以0.6±0.1m/s的速度向鑄型1流動，同時啟動溫控器6和起振器7的電源，對導流器2進行強制冷卻和振動。
金屬液4流經導流器2時，在導流器2的激冷作用下迅速在導流器2器壁上結晶並以激冷晶為核心沿徑向嚮導流器2內部生長為發達的枝晶。形成的固相枝臂在液流的衝刷作用下碎斷進入液流，同時起振器7產生的機械振動通過導流器2作用於內壁附著的固相，使其碎裂進入金屬液流。在液流的衝刷、中心金屬液過熱以及超聲波振動的作用下固相碎片部分重熔並進一步分裂，其形貌向半固態球晶轉化，形成更多的生核核心，同時使漿料成分及兩相分布得到均化。導流器2內壁的固相脫落後金屬液4直接與器壁接觸，有利於金屬液2繼續在器壁上結晶生長並持續脫落、增殖、熟化，從而提高了半固態漿料的生產效率和質量。製備好的半固態漿料注入鑄型1並完成零件的凝固成形。
權利要求
1.一種鑄造用半固態漿料的製備方法，採用流變鑄造的方法，其特徵在於將熔化後的金屬液通過具有冷卻作用的高導熱導流器(2)引入鑄型中(1)，並將導流器(2)的溫度控制在合金的液相線溫度以下，用激冷的方法或者採用激冷與振動相結合的方法獲取半固態漿料，其具體過程為第一步，將導流器置於低於合金液相線的溫度；第二步，將合金置於坩堝中加熱以形成金屬液，對金屬液保溫後打開導流器入口處的閥門，使金屬液沿導流器向鑄型流動，並在流動中形成半固態漿料；第三步，將製備好的半固態漿料注入鑄型並完成零件的凝固成形。
2.如權利要求1所述一種鑄造用半固態漿料的製備方法，其特徵在於作為本發明的優選方案之一，採用預置的方式控制導流器的溫度。
3.如權利要求1所述一種鑄造用半固態漿料的製備方法，其特徵在於作為本發明的優選方案之二，或者通過對導流器的強制冷卻提高結晶效率，或者對導流器施加振動，提高激冷細晶的游離、斷裂和增殖。
4.如權利要求1所述一種鑄造用半固態漿料的製備方法，其特徵在於作為本發明的優選方案之三，對導流器外壁強制冷卻的同時，還通過對導流器施加振動，以提高凝固層和枝晶臂的游離、破碎。
5.一種實現權利要求1所述鑄造用半固態漿料的製備方法的裝置，包括鑄型(1)和坩堝(3)，其特徵在於還包括有導流器(2)，並且導流器(2)的一端固定連接在位於坩堝底部的導流口上，另一端與鑄型對接；當實施本發明的優選方案二時，在導流器(2)的外壁固定加裝溫控器(6)，或者在導流器(2)外壁上固定加裝起振器(7)；當實施本發明的優選方案三時，在導流器(2)的外壁固定加裝溫控器(6)的同時，還在導流器(2)的外壁固定加裝起振器(7)。
6.如權利要求5所述製備鑄造用半固態漿料的裝置，其特徵在於在導流口上安裝開關控制閥門(5)。
全文摘要
本發明涉及一種鑄造用半固態漿料的製備方法和製備裝置。為克服現有技術中設備複雜、成本較高的不足，提高半固態漿料質量，本發明採用激冷或者振動，或者激冷與機械振動相結合的方法獲取半固態漿料，即令熔化後的金屬液沿著具有冷卻作用的導流器(2)流動到鑄型(1)中，並將導流器(2)的溫度控制在合金的液相線溫度以下，使金屬液在流經導流器時在其內壁激冷結晶生長，同時在金屬液本身的流動衝刷作用下，使激冷細晶產生縮頸，斷裂或破碎，並被液流衝刷斷裂融入液流，從而形成液固共存的半固態漿料，將製備好的漿料注入鑄型(1)，完成半固態鑄造。本發明具有成本低、製備工藝簡單、獲得的半固態漿料中固相顆粒球化良好且豐富彌散的特點。
文檔編號B22D1/00GK101032739SQ20061004189
公開日2007年9月12日 申請日期2006年3月8日 優先權日2006年3月8日
發明者黃衛東, 王猛, 林鑫 申請人:西北工業大學