專利名稱：球狀初晶半固態(tài)金屬漿料或連鑄坯料的制備方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種球狀或粒狀初晶的半固態(tài)金屬漿料或連鑄坯料的控溫澆注和弱攪拌復(fù)合制備方法及該復(fù)合制備方法所使用的裝置。
自從七十年代初期美國麻省理工學(xué)院(MIT)發(fā)明了金屬及合金的球狀或粒狀初晶半固態(tài)成形技術(shù)以來，該項技術(shù)引起各國的廣泛關(guān)注和研究。由于金屬的球狀或粒狀初晶半固態(tài)成形具有許多優(yōu)點，如減輕了成形中的裹氣和凝固收縮，增加了毛坯的致密性和強度；減輕了成分偏析，提高了毛坯性能的均勻性；減輕了成形抗力，可以制造復(fù)雜零件的毛坯；提高了生產(chǎn)效率，降低了廢品率；降低了充型溫度，延長了模具壽命；還可以實現(xiàn)生產(chǎn)的高度自動化，所以球狀或粒狀初晶金屬的半固態(tài)成形技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到許多零件的制造當(dāng)中。
無論從經(jīng)濟角度還是從過程穩(wěn)定性角度看，在球狀或粒狀初晶半固態(tài)金屬成形中，穩(wěn)定地提供球狀或粒狀初晶半固態(tài)金屬漿料和連鑄坯料都處于最關(guān)鍵的位置。雖然目前制備球狀或粒狀初晶半固態(tài)金屬漿料和連鑄坯料的方法有多種，如機械攪拌法、電磁攪拌法、應(yīng)變激活法(Strain-inducedMelt Activation Process，簡稱SIMA)、液相線鑄造法、粉末法等，但成功商業(yè)應(yīng)用的球狀或粒狀初晶半固態(tài)金屬漿料和連鑄坯料生產(chǎn)技術(shù)只有電磁攪拌和應(yīng)變激活法，因此，目前球狀或粒狀初晶半固態(tài)金屬漿料或連鑄坯料的制備技術(shù)仍然制約著半固態(tài)金屬成形技術(shù)的應(yīng)用。
美國專利第3902544、3948650和3954455號公開了幾種制備金屬半固態(tài)漿料的機械攪拌方法， 該方法利用旋轉(zhuǎn)葉片或攪拌棒將凝固中的初生固相枝晶打碎，獲得球狀或粒狀初晶的金屬半固態(tài)漿料。通過控制攪拌室的溫度來控制半固態(tài)金屬的固相率，通過攪拌葉片或攪拌棒的轉(zhuǎn)速來控制剪切速率，可以保證剪切速率不變。也可以在攪拌室上方設(shè)置一個較大的金屬溶池，既可防止卷入氣體，又可保證連續(xù)供給金屬液，利用旋轉(zhuǎn)葉片或攪拌棒將凝固中的初生固相枝晶打碎，獲得連續(xù)的球狀或粒狀初晶金屬半固態(tài)漿料。但單純機械攪拌的葉片和攪拌棒的相對轉(zhuǎn)速都很高，一般均在500轉(zhuǎn)/分鐘以上，甚至超過10000轉(zhuǎn)/分鐘。在如此高的攪拌速率下，攪拌室和攪拌棒的壽命不長，金屬更易于氧化，金屬內(nèi)部質(zhì)量很低。
美國專利第4229210、4434837號公開了幾種制備金屬半固態(tài)漿料或連鑄坯料的電磁攪拌方法，利用強烈的電磁感應(yīng)力抑制初生枝晶的析出，制備球狀或粒狀初晶半固態(tài)金屬漿料。然后，利用連鑄技術(shù)生產(chǎn)出球狀晶半固態(tài)金屬的連鑄坯料。但該制備方法中金屬液的過熱度一般都在50°K以上，要求必須進行強烈的電磁攪拌，即電磁攪拌所產(chǎn)生的剪切速率一般在500～1500S-1。在這樣的剪切速率下，被攪拌金屬液的旋轉(zhuǎn)速度很高，一般都超過500rp轉(zhuǎn)/分鐘，這時才能獲得細(xì)小和球狀初晶的半固態(tài)金屬漿料。如果剪切速率小于500S-1，初晶的形態(tài)變差，多為薔薇狀初晶，而且連鑄坯料表面的枝晶層較厚，這種坯料的觸變性不良，不適于半固態(tài)成形。為了進行強烈的電磁攪拌，電磁攪拌設(shè)備龐大，投資過高，而且電磁攪拌功率很大、效率很低、耗能很大因此球狀或粒狀初晶半固態(tài)金屬連鑄坯料的成本較高。
另外，目前一些學(xué)者(劉丹，崔建忠，夏可農(nóng)。東北大學(xué)學(xué)報。1999，20(2)173-176)在非攪拌條件下，僅利用控制澆注溫度，也可以制備球狀晶半固態(tài)金屬漿料，這種方法被稱為液相線鑄造法，但該方法要求金屬液的澆注溫度非常接近該金屬液的液相線溫度，即比該液相線溫度高1～5°K，才能獲得球狀晶半固態(tài)金屬漿料，這使得金屬熔體溫度的控制變得十分困難，金屬液的流動性變差，尤其在低導(dǎo)熱性金屬液或大量金屬液及連鑄中難以實現(xiàn)和操作。如果提高金屬液的澆注溫度，初生固相的球狀形態(tài)立即惡化，由液相線澆注時的球狀轉(zhuǎn)變?yōu)樗N薇狀或枝晶狀，這種半固態(tài)金屬漿料的觸變性很差，半固態(tài)成形時的變形不均勻，易出現(xiàn)液固相偏析，非常不利于金屬的半固態(tài)成形。
本發(fā)明的目的在于提供一種球狀或粒狀初晶的半固態(tài)金屬漿料或連鑄坯料的控溫澆注和弱攪拌復(fù)合制備方法和裝置，該方法提高液相線鑄造法中過熱金屬液的澆注溫度，然后該過熱金屬液在弱機械攪拌或電磁攪拌下進行凝固，可獲得細(xì)小和球狀或粒狀初晶的半固態(tài)金屬組織。
本發(fā)明的工藝構(gòu)成如下1、產(chǎn)生一過熱的金屬液，將該金屬液的溫度預(yù)先控制在其液相線溫度以上1～30°K，利用一加熱元件以及一冷卻元件控制過熱金屬液的溫度。
2、將該過熱金屬液導(dǎo)入連鑄結(jié)晶器或直接澆入鑄模中。
3、提供一弱攪拌力，立即對所導(dǎo)入該連鑄結(jié)晶器或直接澆入該鑄模中的該過熱金屬液施加弱攪拌；攪拌的同時，連續(xù)冷卻該過熱金屬夜；弱攪拌產(chǎn)生球狀或粒狀初晶的半固態(tài)金屬漿料，其弱攪拌可利用水平式或垂直式旋轉(zhuǎn)電磁場實現(xiàn)弱電磁攪拌，被攪拌金屬液的旋轉(zhuǎn)速率在50～300轉(zhuǎn)/分鐘范圍；弱攪拌也可以利用旋轉(zhuǎn)葉片或螺桿實現(xiàn)弱機械攪拌，攪拌速率在50～300rpm轉(zhuǎn)/分鐘范圍。
4、該球狀或粒狀初晶的半固態(tài)金屬漿料繼續(xù)凝固成連鑄坯料或鑄件。
該方法適應(yīng)于鋁基合金、鎂基合金、銅基合金、鋅基合金、鎳基合金、鈷基合金、和鐵基合金的球狀或粒狀初晶的半固態(tài)金屬漿料或連鑄坯料的制備。
實現(xiàn)上述工藝的設(shè)備構(gòu)成如下一過熱金屬液產(chǎn)生器(1)銜接一過熱金屬液導(dǎo)流管(2)，過熱金屬液導(dǎo)流管(2)銜接一連鑄結(jié)晶器(4)，連鑄結(jié)晶器(4)與一電磁攪拌器(3)相結(jié)合，連鑄結(jié)晶器(4)銜接連鑄牽引機構(gòu)(5)，這一裝置構(gòu)成參見

圖1、圖2、圖3和圖4；或?qū)⒁贿^熱金屬液產(chǎn)生器(1)中的過熱金屬液(11)澆入鑄模(20)，鑄模(20)與一電磁攪拌器(3)或機械攪拌器(22)相結(jié)合，這一裝置構(gòu)成參見圖5和圖6。
本發(fā)明的優(yōu)點在于既解決了液相線鑄造法中金屬液溫度難以控制和金屬液流動性差的問題，又解決了純粹電磁攪拌中設(shè)備龐大和攪拌功率大、攪拌效率低、能耗大的問題，這種方法尤其適合于連續(xù)鑄造球狀或粒狀初晶的半固態(tài)金屬棒狀坯料。
為實施該方法發(fā)明的裝置具有如下優(yōu)點過熱金屬液的溫度易于控制；過熱金屬液的流動性易于控制；過熱金屬液容易被導(dǎo)入到連鑄結(jié)晶器或澆入鑄摸；電磁攪拌器或機械攪拌器結(jié)構(gòu)簡單，攪拌強度低、能耗低；球狀或粒狀初晶的半固態(tài)金屬漿料產(chǎn)量大、質(zhì)量高；既容易實現(xiàn)水平連續(xù)鑄造球狀或粒狀初晶的半固態(tài)金屬棒狀坯料，也容易實現(xiàn)垂直連續(xù)鑄造球狀或粒狀初晶的半固態(tài)金屬棒狀坯料，也容易生產(chǎn)球狀或粒狀初晶的半固態(tài)金屬鑄件；該裝置既適合于鋁基合金的球狀或粒狀初晶的半固態(tài)金屬漿料或連鑄坯料的制備，也適合于鎂基合金、銅基合金、鋅基合金、鎳基合金、鈷基合金、和鐵基合金的球狀或粒狀初晶的半固態(tài)金屬漿料或連鑄坯料的制備。
下面結(jié)合實施例及其附圖對本發(fā)明作進一步的詳細(xì)說明。
圖1是本發(fā)明的控溫澆注和弱攪拌復(fù)合制備球狀或粒狀初晶半固態(tài)金屬垂直連鑄坯料的裝置構(gòu)造示意圖。
圖2是本發(fā)明的控溫澆注和弱攪拌復(fù)合制備球狀或粒狀初晶半固態(tài)金屬水平連鑄坯料的裝置構(gòu)造示意圖。
圖3是圖1和圖2過熱金屬液產(chǎn)生器(1)的局部放大示意圖。
圖4是圖1和圖2過熱金屬液導(dǎo)流管(2)的局部放大圖。
圖5是本發(fā)明的控溫澆注和弱機械攪拌復(fù)合制備球狀或粒狀初晶半固態(tài)金屬鑄件的裝置構(gòu)造示意圖。
圖6是本發(fā)明的控溫澆注和弱電磁攪拌復(fù)合制備球狀或粒狀初晶半固態(tài)金屬鑄件的裝置構(gòu)造示意圖。
控溫澆注和弱電磁攪拌復(fù)合制備球狀或粒狀初晶半固態(tài)金屬垂直連鑄坯料的裝置，主要包括預(yù)定過熱度的過熱金屬液產(chǎn)生器(1)，提供潔凈和預(yù)定過熱度的過熱金屬液；過熱金屬液導(dǎo)流管(2)，保證過熱金屬液在被導(dǎo)入連鑄結(jié)晶器(4)過程中溫度的精確控制；弱電磁攪拌器(3)；連鑄結(jié)晶器(4)；垂直連鑄牽引機構(gòu)(5)。
控溫澆注和弱攪拌復(fù)合制備球狀或粒狀初晶半固態(tài)金屬鑄件的裝置，主要包括預(yù)定過熱度的過熱金屬液產(chǎn)生器(1)，提供潔凈的預(yù)定過熱的金屬液；鑄模(20)，容納過熱金屬液；弱機械或弱電磁攪拌器(22)、(3)。
本發(fā)明的關(guān)鍵技術(shù)在于將控制精確的預(yù)定過熱1～30°K的金屬液導(dǎo)入到連鑄結(jié)晶器或澆入到鑄模中，同時進行弱電磁攪拌或弱機械攪拌，大大減少單純電磁攪拌或機械攪拌的能耗，也可獲得球狀或粒狀初晶半固態(tài)金屬漿料，這些漿料可以進一步凝固成連鑄坯料或鑄件。
參照圖1、2、3、4、5、6，這是按上述技術(shù)特點提供的裝置，該裝置設(shè)一預(yù)定過熱度的過熱金屬液產(chǎn)生器(1)，它可以是一臺金屬熔化爐，兼作熔化金屬和調(diào)整金屬液過熱度，它也可以是一臺中間包(10)，通過調(diào)整絕熱保溫材料(9)中的加熱元件(7)(電阻絲或感應(yīng)加熱器)的功率和冷卻元件(8)中冷卻流體的流量，使過熱金屬液(11)的過熱溫度控制在1～30°K，然后通過塞桿(6)，將過熱金屬液(11)導(dǎo)出過熱金屬液產(chǎn)生器(1)；過熱金屬液產(chǎn)生器(1)的底端緊接過熱金屬液導(dǎo)流管(2)，并通過過熱金屬液導(dǎo)流管(2)中的絕熱保溫材料(9)中的加熱元件(7)(電阻絲或感應(yīng)加熱器)，確保過熱金屬液溫度的穩(wěn)定控制；過熱金屬液導(dǎo)流管(2)的另一端與連鑄結(jié)晶器(4)相連，預(yù)定過熱度的過熱金屬液(11)被導(dǎo)入到連鑄結(jié)晶器(4)中，同時弱電磁攪拌器(3)對連鑄結(jié)晶器(4)中的過熱金屬液(11)進行攪拌；在攪拌過程中，過熱金屬液的熱量連續(xù)不斷地傳給連鑄結(jié)晶器(4)，在連鑄鑄結(jié)晶器(4)中不斷形成球狀或粒狀初晶半固態(tài)金屬漿料(14)，該球狀或粒狀初晶半固態(tài)金屬漿料(14)不斷在結(jié)晶器(4)的內(nèi)壁上形成坯殼；絕熱襯套(13)鑲嵌在連鑄結(jié)晶器(4)中，緊貼在結(jié)晶器(4)的內(nèi)壁上，可降低結(jié)晶器上部的導(dǎo)熱能力，減少坯料表面的細(xì)枝晶層厚度；球狀或粒狀初晶半固態(tài)金屬漿料形成的坯殼不斷被連鑄牽引機構(gòu)(5)拉出連鑄結(jié)晶器(4)，在連鑄結(jié)晶器(4)的出口處，坯殼受到連鑄結(jié)晶器(4)中冷卻水(15)的二次冷卻，球狀或粒狀初晶半固態(tài)金屬漿料最終凝固成連續(xù)棒狀坯料(14)。
利用過熱金屬液產(chǎn)生器(1)精確控制的過熱金屬液(11)也可以直接被澆入到鑄模(20)中，同時電機(17)通過傳動桿(18)帶動攪拌葉片(19)，對鑄模(20)中的過熱金屬液進行弱機械攪拌，或通過電磁攪拌器(3)對鑄模(20)中的過熱金屬液進行弱電磁攪拌。在攪拌過程中，過熱金屬液不斷將熱量傳給鑄模(20)，最后產(chǎn)生球狀或粒狀初晶半固態(tài)金屬漿料(21)，這時取出機械攪拌器(18)、(19)，或切斷電磁攪拌器(3)的電源，球狀或粒狀初晶半固態(tài)金屬漿料(21)最后凝固成鑄件。
權(quán)利要求
1.一種球狀或粒狀初晶半固態(tài)金屬漿料或連鑄坯料的復(fù)合制備方法，其特征在于a.產(chǎn)生一過熱金屬液，將該過熱屬液的溫度預(yù)先控制在其液相線溫度以上1～30°K，利用一加熱元件以及一冷卻元件控制過熱金屬液的溫度；b.將該過熱金屬液澆入鑄?；?qū)脒B鑄結(jié)晶器中；c.提供一弱攪拌力，立即對所澆入該鑄?；蜻B鑄結(jié)晶器中的該過熱金屬液施加弱攪拌，產(chǎn)生球狀或粒狀初晶的半固態(tài)金屬漿料，其弱攪拌可利用水平式或垂直式旋轉(zhuǎn)電磁場實現(xiàn)弱電磁攪拌，被攪拌金屬液的旋轉(zhuǎn)速率在50～300轉(zhuǎn)/分鐘范圍；d.該球狀或粒狀初晶的半固態(tài)金屬漿料繼續(xù)凝固成鑄件或連鑄坯料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的球狀或粒狀初晶的半固態(tài)金屬漿料或連鑄坯料的復(fù)合制備方法，其特征是弱攪拌也可以利用旋轉(zhuǎn)葉片或螺桿實現(xiàn)弱機械攪拌，攪拌速率在50～300rpm轉(zhuǎn)/分鐘范圍。
3一種球狀或粒狀初晶的半固態(tài)金屬漿料或連鑄坯料的復(fù)合制備方法的裝置，包括有過熱金屬液產(chǎn)生器(1)、過熱金屬液導(dǎo)流管(2)、電磁攪拌器(3)、連鑄結(jié)晶器(4)、連鑄牽引機構(gòu)(5)、鑄模(20)、機械攪拌器(22)，其特征在于一過熱金屬液產(chǎn)生器(1)銜接一過熱金屬液導(dǎo)流管(2)，過熱金屬液導(dǎo)流管(2)銜接一連鑄結(jié)晶器(4)，連鑄結(jié)晶器(4)與一電磁攪拌器(3)相結(jié)合，連鑄結(jié)晶器(4)銜接連鑄牽引機構(gòu)(5)；或?qū)⒁贿^熱金屬液產(chǎn)生器(1)中的過熱金屬液(11)澆入鑄模(20)，鑄模(20)與一電磁攪拌器(3)或機械攪拌器(22)相結(jié)合。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征是過熱金屬液產(chǎn)生器(1)是由一合金熔化爐構(gòu)成，或由一圍繞在中間包(10)外圍的加熱元件(7)、冷卻元件(8)和絕緣保溫材料(9)所組成，其中加熱元件(7)為一電阻加熱絲或感應(yīng)加熱器，冷卻元件(8)為一內(nèi)部通過冷卻流體水、空氣、低溫氣體的冷卻管道。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征是過熱金屬液導(dǎo)流管(2)由一圍繞在中空管(12)外圍的加熱元件(7)和絕緣保溫材料(9)所組成，并利用加熱元件(7)實現(xiàn)該過熱金屬液在被導(dǎo)入連鑄結(jié)晶器(4)過程中的溫度穩(wěn)定，其中中空管(12)可以是金屬管或非金屬管。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征是設(shè)置一機械攪拌器(22)或電磁攪拌器(3)，產(chǎn)生攪拌電磁場的機構(gòu)可以是兩極多相交流電機錠子及其改進型或多相交流攪拌繞組，攪拌的電源頻率在5～1000Hz范圍，電壓在1～40V范圍，電流在3～40A范圍，以對所述導(dǎo)入連鑄結(jié)晶器(4)或澆入鑄模(20)中的該過熱金屬液(11)進行弱攪拌，產(chǎn)生球狀或粒狀初晶的半固態(tài)金屬漿料，鑄模(20)的材料為非金屬或金屬材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征是連鑄牽引機構(gòu)(5)可以是垂直式，實現(xiàn)球狀或粒狀初晶半固態(tài)金屬坯料的垂直連續(xù)鑄造。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征是連鑄牽引機構(gòu)(5)可以是水平式，并將結(jié)晶器(4)設(shè)置成水平式，實現(xiàn)球狀或粒狀初晶半固態(tài)金屬坯料的水平連續(xù)鑄造；連鑄結(jié)晶器(4)材料為無磁不銹鋼或其它無磁金屬或非金屬材料，結(jié)晶器通水或其它冷卻介質(zhì)進行冷卻。
全文摘要
一種球狀或粒狀初晶半固態(tài)金屬漿料或連鑄坯料的復(fù)合制備方法及裝置,其特征在于:產(chǎn)生一過熱的金屬液,將該金屬液的溫度預(yù)先控制在其液相線溫度以上1～30°K;將該過熱度下的過熱金屬液澆入鑄模或連鑄結(jié)晶器中;提供一弱攪拌力,立即對所澆入該鑄?；蜻B鑄結(jié)晶器中的該過熱金屬液施加弱攪拌,產(chǎn)生球狀或粒狀初晶的半固態(tài)金屬漿料或連鑄坯料。其優(yōu)點在于降低能耗,簡化工藝。
文檔編號B22D11/114GK1330990SQ00109540
公開日2002年1月16日 申請日期2000年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2000年7月3日
發(fā)明者毛衛(wèi)民, 趙愛民, 崔成林 申請人:北京科技大學(xué)