一種過熱電磁攪拌定量製備半固態金屬漿料的方法
2023-10-10 02:39:14 1
專利名稱：一種過熱電磁攪拌定量製備半固態金屬漿料的方法
技術領域：
本發明涉及半固態加工技術領域，特別是關於一種過熱電磁攪拌定量製備半 固態金屬漿料的方法。
背景技術：
自上個世紀70年代以來，半固態成形技術在理論和工業應用方面發展迅速。 介於液態、固態之間的半固態金屬，既可以在壓力加工的過程中，壓力較小的情 況下成形出形狀複雜的製件，也可以減少鑄造加工造成的常見缺陷，使製件的性 能達到了一個較高的水平；同時還保留了壓力加工和鑄造加工二者所具有的節能、 近淨成形、環保等優點，滿足新世紀的先進位造技術的要求。目前，半固態成形 工藝在充型性能以及製件質量方面的優勢已經得到了充分的體現，其在歐美等發 達國家已經實現了工業化，現廣泛應用於提高鋁鎂等輕金屬製件的力學性能。
半固態成形工藝按工藝流程的不同可分為觸變成形和流變成形，然而，無論 是哪一種工藝，高質量的製件的獲得關鍵在於工藝前期能否獲得細小、圓整的非 枝晶漿料組織。為此，各種製漿工藝應運而生，其主要包括機械攪拌法、超聲振 動法、電磁攪拌法、近液相線澆注法、雙螺杆剪切法、阻尼管冷卻法等。其中， 機械攪拌法是最早出現的一種製漿工藝，其存在製備效率低，汙染鋁合金熔體等 缺點。超聲振動法的作用範圍具有局限性，不適合工業化的大規模生產。近液相 線澆注法雖然可以獲得細小的球形晶粒，但該工藝對鋁合金熔體的溫度控制要求 相當嚴格，操作複雜，而且該方法還會使鋁合金熔體的流動性變差。雙螺杆剪切 工藝可實現連續製備，但由於螺杆和金屬接觸，致使螺杆工況差，壽命短，設備 成本高。而阻尼管冷卻法和斜坡冷卻法等工藝獲得的漿料質量較差，不能直接用 於流變成形，還必須對最初得到的漿料進行第二次加熱，使漿料中的固相初晶進 一步球化才可使用。與上述各種工藝相比，電磁攪拌法具有非接觸性、能量密度 高、可控性強等優點，因此其在工業上的應用最為廣泛。目前，採用電磁攪拌與 其它工藝相結合製備半固態漿料的技術在國內外已有不少專利，它們均有一個共 同的特徵在於電磁攪拌主要作用於合金熔體的凝固過程(即過冷電磁攪拌)，直 接影響了鋁合金熔體中固相初晶的形核、長大，其只能製備出一定固相率的非枝 晶半固態漿料，而且製備出的漿料組織在隨後的保持或轉移過程中受外界環境的 影響較大，該影響在微觀上的表現為固相率及固相初晶的尺寸及均勻化程度發生
4較大的波動，在宏觀上的表現為漿料的粘度存在一定的差異，同時存在凝固收縮
的問題，使漿料的輸送量以及流變成形過程的精確控制難度加大。
發明內容
針對上述問題，本發明的目的是提供一種操作簡單、高效可控地製備優質半固態金屬漿料的過熱電磁攪拌定量製備半固態金屬漿料的方法。
為實現上述目的，本發明採取以下技術方案 一種過熱電磁攪拌定量製備半固態金屬漿料的方法，其特徵在於以過熱金屬熔體為原料，經過如下加工工藝過程製備而成1)將精煉合格的過熱金屬熔體以高於其液相線溫度10 8(TC澆入已預熱的定量坩堝中，蓋上封蓋；然後將裝有金屬熔體的坩堝移入保溫爐中進行均勻化保溫；上述坩堝的預熱溫度為高於所澆注的金屬熔體液相線溫度0 4(TC，保溫爐內的溫度控制在所澆注的金屬熔體液相線溫度以上0 40°C，保溫時間為5 20min; 2)將保溫後的裝有金屬熔體坩堝移入電磁攪拌器中，對坩堝內的金屬熔體進行電磁攪拌，同時採用一溫度控制器實時控制坩堝外壁的冷卻速度，使金屬熔體的冷卻速度控制在0. 1 0. 8XVs的範圍內，並將經過攪拌後的金屬熔體的溫度緩冷到其液相線溫度以上0 2(TC，攪拌過程中的金屬熔體為液相狀態；3)將電磁攪拌後的金屬熔體定量澆入已預熱的模具中，通過調整模具的預熱溫度獲得不同固相率的非枝晶半固態漿料，然後直接流變成形；或者電磁攪拌後的金屬熔體定量澆入已預熱的鑄型中，通過調整鑄型的預熱溫度獲得不同固相率的非枝晶半固態漿料，然後轉移至保溫爐內進行保溫和球化處理，最後直接觸變成形；其中，模具和鑄型的預熱溫度控制在所澆注的金屬熔體液相線溫度以下20 100,"C的範圍內。
所述步驟2)中的電磁攪拌器與一低頻電源相連，該電磁攪拌器的功率為l 15kW，頻率為1 50Hz，勵磁電流為1 50A。
所述步驟2)中的溫度控制器與一置於所述金屬熔體內的溫度傳感器電連接，所述溫度控制器接收所述傳感器採集的溫度，將反饋指令輸送給貼設於坩堝外壁的加熱/冷卻元件，實時調控所述金屬熔體的冷卻速度。
所述保溫爐採用電阻爐或者工頻、中頻或高頻電磁感應爐，所述保溫爐內的溫度波動小於2'C。
所述步驟3)中的模具的預熱方式為電阻加熱式，鑄型的預熱方式為直接放入保溫爐中預熱保溫。
所述金屬熔體採用的材料為A356合金，所述步驟2)中的冷卻速度為0. 5°C/s。本發明由於採取以上技術方案，其具有以下優點1、由於本發明的金屬熔體在電磁攪拌過程中及電磁攪拌結束後直至澆入模具或鑄型時，其始終為液相狀態，這樣就將漿料中非枝晶固相初晶的形核及長大階段延遲至模具或鑄型中進行，因此採用本發明獲得的金屬漿料的粘度及其受環境影響的波動比半固態漿料小，不存在凝固收縮問題，易於精確控制轉移輸運量。2、由於本發明可以通過精確控制模具和鑄型的預熱溫度，而細小、圓整的非枝晶漿料組織是在模具或鑄型中大量形成的，因此可以根據需要改變模具和鑄型的預熱溫度，控制半固態金屬漿料
成形的固相率。3、由於本發明在製備觸變坯料時，其是通過調節鑄型的預熱溫度獲得一定固相率的預製漿料，然後直接進行保溫球化處理，省去了普通觸變成形前對坯料進行二次加熱的升溫過程，因此能耗低，能源利用率高。3、由於本發明釆用的電磁攪拌器的結構簡單，且其對金屬熔體的攪拌是在金屬的液相狀態進行的，因此攪拌效率高，能耗低，工藝操作簡單易行，實用性強。本發明方法製備的漿料組織既可直接用於流變成形，也可直接製備出觸變成形所需的半固態坯料，適用於製備各種合金的非枝晶半固態金屬漿料。
圖1是為本發明方法的工作流程示意圖
圖2是經過熱電磁攪拌獲得的A356合金半固態漿料的微觀組織，淺色區域為a-Al初晶，深色區域為凝固的Al-Si共晶組織
圖3是未經過熱電磁攪拌獲得的A356合金半固態槳料的微觀組織，淺色區域.為a-Al初晶，深色區域為凝固的Al-Si共晶組織
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明的進行詳細的描述。
如圖1所示，本發明方法是採用過熱金屬熔體1為原料，經過如下加工工藝過程製備而成
1) 將精煉合格的過熱金屬熔體1從精煉爐2澆入已預熱的定量坩堝3中，過熱金屬熔體1的溫度高於其液相線溫度10 80°C。坩堝3上設置有一封蓋4，封蓋4可以防止坩堝3內的金屬熔體1氧化、巻氣或外溢。然後將裝有金屬熔體1
_的坩堝3移入保溫爐5中進行保溫，這樣可以使金屬熔體1的加熱均勻化。坩堝3的預熱溫度為高於金屬熔體1液相線溫度的0 4(TC，保溫爐2內的溫度控制在金屬熔體1液相線溫度以上0 40°C，保溫時間為5 20min。
2) 金屬熔體1保溫結束後，將裝有金屬熔體1的坩堝3移入電磁攪拌器6中，由於電磁攪拌器6設置在坩堝3外部的四周，因此電磁攪拌器6可以對金屬熔體1進行充分攪拌。開啟電磁攪拌器6，電磁攪拌器6與一個低頻電源相連，功率為l 15kW，頻率為1 50Hz，勵磁電流為1 50A。電磁攪拌器6對坩堝3內的金屬熔體1施加一個水平旋轉磁場，使金屬熔體1的溫度整體均勻地緩冷到金屬熔體1的液相線溫度以上0 2(TC，因此攪拌過程中的金屬熔體1始終為液相狀態。在電磁攪拌器6對金屬熔體1進行攪拌的過程中，插設一溫度傳感器7在金屬熔體1中，並將溫度傳感器7與外界的一溫度控制器8電連接，因此溫度傳感器7可以採集金屬熔體1的溫度，並將採集的溫度值輸送給溫度控制器8，溫度控制器8對該溫度進行判斷，反饋一指令給貼設於坩堝3外壁的加熱/冷卻元件9，實時調控金屬熔體l的冷卻速度，使冷卻速度控制在O. 1 0.8。C/s範圍內。本實施例中的溫度傳感器7為本領域常用設備，在此不限。溫度控制器8可以採用可控矽或者PLC ( Programmable Controller,可編程控制器)。
3)將電磁攪拌後的金屬熔體1定量澆入已預熱的模具10中，通過調整模具10的預熱溫度獲得不同固相率的非枝晶半固態漿料，然後直接流變成形；或者將電磁攪拌後的金屬熔體1定量澆入已預熱的鑄型11中，通過調整鑄型11的預熱溫度獲得不同固相率的非枝晶半固態漿料，然後轉移至保溫爐5內進行保溫和球化處理，最後直接觸變成形。其中，模具10和鑄型11的預熱溫度控制在所澆注的金屬熔體1液相線溫度以下20 10(TC的範圍內。
上述實施例中，保溫爐5可以採用電阻爐或者工頻、中頻或高頻電磁感應爐，且保溫爐5內的溫度波動小於2"C。
上述實施例中，模具10的預熱方式為電阻加熱式，而鑄型ll是直接放入保溫爐5中預熱保溫，這樣會使模具10和鑄型11受熱均勻。
上述實施例中，金屬熔體1所採用的材料可以為鋁矽鑄造合金，也可以為其它的各種合金。
以下結合附圖詳細說明
具體實施例方式
如圖1所示，首先，將精煉合格的A356合金液(A356合金的液相線溫度約615°C)澆入預熱至65(TC的定量坩堝3內，蓋上封蓋4，將坩堝3移入保溫爐5中進行保溫，保溫溫度設置為650°C，保溫時間設置為15min，保溫期間保溫爐5內的溫度上下波動控制在2X:以內。然後，將坩堝3移入電磁攪拌器6中，電磁攪拌器6與一個低頻電源相連，低頻電源的功率為6.6kW，低頻電源的頻率為25Hz，低頻電源的勵磁電流為30A。之後開啟電磁攪拌器6，採用K型熱電偶作為溫度傳感器7採集攪拌過程中A356合金液的溫度，採用溫度控制器8控制加熱/冷卻元件9對A356合金液的冷卻速度，使冷卻速度為0. 5TVs。當坩堝3中A356合金液溫度降至63(TC時，電磁攪拌器6停止攪拌。最後，將溫度為63(TC的A356合金液直接澆入預熱至55(TC的鑄型11中，此時A356合金液迅速過冷並開始形核，非枝晶初晶漿料組織大量形成。
如圖2所示，上述工藝過程獲得的A356合金非枝晶初晶漿料組織中，圓整度在1 1. 6內的非枝晶在整個固相初晶中約佔60%，適合流變成形。
如圖3所示，A356合金液經63(TC保溫後，未進行過熱電磁攪拌，而直接澆入預熱至55(TC的鑄型11中獲得的漿料微觀組織，其中含有大量的薔薇狀晶，且晶粒尺寸較大，不適合流變成形。
權利要求
1、一種過熱電磁攪拌定量製備半固態金屬漿料的方法，其特徵在於以過熱金屬熔體為原料，經過如下加工工藝過程製備而成1)將精煉合格的過熱金屬熔體以高於其液相線溫度10～80℃澆入已預熱的定量坩堝中，蓋上封蓋；然後將裝有金屬熔體的坩堝移入保溫爐中進行均勻化保溫上述坩堝的預熱溫度為高於所澆注的金屬熔體液相線溫度0～40℃，保溫爐內的溫度控制在所澆注的金屬熔體液相線溫度以上0～40℃，保溫時間為5～20min；2)將保溫後的裝有金屬熔體坩堝移入電磁攪拌器中，對坩堝內的金屬熔體進行電磁攪拌，同時採用一溫度控制器實時控制坩堝外壁的冷卻速度，使金屬熔體的冷卻速度控制在0.1～0.8℃/s的範圍內，並將經過攪拌後的金屬熔體的溫度緩冷到其液相線溫度以上0～20℃，攪拌過程中的金屬熔體為液相狀態；3)將電磁攪拌後的金屬熔體定量澆入已預熱的模具中，通過調整模具的預熱溫度獲得不同固相率的非枝晶半固態漿料，然後直接流變成形；或者電磁攪拌後的金屬熔體定量澆入已預熱的鑄型中，通過調整鑄型的預熱溫度獲得不同固相率的非枝晶半固態漿料，然後轉移至保溫爐內進行保溫和球化處理，最後直接觸變成形；其中，模具和鑄型的預熱溫度控制在所澆注的金屬熔體液相線溫度以下20～100℃的範圍內。
2、 如權利要求1所述的一種過熱電磁攪拌定量製備半固態金屬漿料的方法， 其特徵在於所述步驟2)中的電磁攪拌器與一低頻電源相連，該電磁攪拌器的功 率為1 15kW，頻率為1 50Hz，勵磁電流為1 50A。
3、 如權利要求1所述的一種過熱電磁攪拌定量製備半固態金屬漿料的方法， 其特徵在於所述步驟2)中的溫度控制器與一置於所述金屬熔體內的溫度傳感器 電連接，所述溫度控制器接收所述傳感器採集的溫度，將反饋指令輸送給貼設於 坩堝外壁的加熱/冷卻元件，實時調控所述金屬熔體的冷卻速度。
4、 如權利要求2所述的一種過熱電磁攪拌定量製備半固態金屬漿料的方法， 其特徵在於所述步驟2)中的溫度控制器與一置於所述金屬熔體內的溫度傳感器 電連接，所述溫度控制器接收所述傳感器採集的溫度，將反饋指令輸送給貼設於 坩堝外壁的加熱/冷卻元件，實時調控所述金屬熔體的冷卻速度。
5、 如權利要求1或2或3或4所述的一種過熱電磁攪拌定量製備半固態金屬 漿料的方法，其特徵在於所述保溫爐採用電阻爐或者工頻、中頻或高頻電磁感應爐，所述保溫爐內的溫度波動小於2r。
6、 如權利要求1或2或3或4所述的一種過熱電磁攪拌定量製備半固態金屬 漿料的方法，其特徵在於所述步驟3)中的模具的預熱方式為電阻加熱式，鑄型 的預熱方式為直接放入保溫爐中預熱保溫。
7、 如權利要求5所述的一種過熱電磁攪拌定量製備半固態金屬漿料的方法， 其特徵在於所述步驟3)中的模具的預熱方式為電阻加熱式，鑄型的預熱方式為 直接放入保溫爐中預熱保溫。
8、 如權利要求1或2或3或4或7所述的一種過熱電磁攪拌定量製備半固態 金屬漿料的方法，其特徵在於所述金屬熔體採用的材料為A356合金，所述步驟 2)中的冷卻速度為0. 5°C/s。
9、 如權利要求5所述的一種過熱電磁攪拌定量製備半固態金屬漿料的方法， 其特徵在於所述金屬熔體採用的材料為A356合金，所述步驟2)中的冷卻速度為 0. 5°C/s。
10、 如權利要求6所述的一種過熱電磁攪拌定量製備半固態金屬漿料的方法， 其特徵在於所述金屬熔體採用的材料為A356合金，所述步驟2)中的冷卻速度為 0. 5°C/s。
全文摘要
本發明涉及一種過熱電磁攪拌定量製備半固態金屬漿料的方法，其以過熱金屬熔體為原料，經過如下加工工藝過程製備而成1)將精煉合格的過熱金屬熔體以高於其液相線溫度10～80℃澆入已預熱的定量坩堝中；然後將裝有金屬熔體的坩堝移入保溫爐中進行均勻化保溫；2)將保溫後的裝有金屬熔體坩堝移入電磁攪拌器中，對坩堝內的金屬熔體進行電磁攪拌，攪拌過程中的金屬熔體為液相狀態，同時採用一溫度控制器實時控制坩堝外壁的冷卻速度；3)將電磁攪拌後的金屬熔體定量澆入已預熱的模具或鑄型中，通過調整模具或鑄型的預熱溫度獲得不同固相率的非枝晶半固態漿料，直接流變成形或轉移至保溫爐內進行保溫和球化處理後觸變成形。本發明方法操作簡單，能高效可控地製備出各種合金材料的優質半固態金屬漿料。
文檔編號B22D17/00GK101508010SQ20091007890
公開日2009年8月19日 申請日期2009年2月26日 優先權日2009年2月26日
發明者何良菊, 弭光寶, 李培傑, 晶 王, 鍾約先 申請人:清華大學