專利名稱：制造金屬合金鑄件的方法和設備的制作方法
本申請涉及一種由液態(tài)金屬合金形成連續(xù)產品的方法和設備，特別是制造可以用作二次工藝方法(如觸變成形、鍛造和切削加工)原料并具有細小而均一微觀結構的連續(xù)鑄件。本申請還涉及由這些方法制得的制品，如方坯、棒材、線材、管材或帶材。
在金屬成形工業(yè)中，連鑄坯通常由直接冷硬(DC)鑄造工藝制成。在此工藝中，過熱的液態(tài)合金被連續(xù)裝入水冷的圓柱形鑄模中，然后連續(xù)產出凝固的合金以形成連鑄坯。鑄坯的最終橫截面有三個特征不同的區(qū)域，表面的激冷區(qū)，柱狀區(qū)和中心的粗大等軸區(qū)(coarse equiaxedzone)。這種微觀結構的不均一性已經限制了DC鑄坯的直接應用。
許多二次處理方法，如軋制、擠出和再結晶通常用來使微觀結構細化和均勻化。這樣的二次處理工藝耗能、費時且成本高。因此，急需開發(fā)一種不采用這些二次處理工藝而能夠直接生產出微觀結構細小而均一的連鑄坯的連續(xù)鑄造工藝。
一種已知的采用DC鑄坯作為原材料的工藝是用擠出工藝生產簡單或復雜斷面的棒材。金屬的擠出可以分為二類冷擠出和熱擠出。在冷擠出中，冷金屬被裝入一個溫度接近室溫的開口模具中。在金屬冷擠出過程中，為了迫使金屬通過模塊，施加一定壓力是必要的，這就導致資本設備的高成本，模具壽命縮短和能量利用率降低。在熱擠出中，合金坯被加熱到其固相線以下，因此象冷擠出工藝那樣受到擠出。在熱擠出中，模具的壽命可以提高但能量的利用率仍受到限制。同時，精確擠出品(如細線材)用熱擠出工藝是很困難的。因此，發(fā)明一種能夠由液態(tài)合金直接制成棒材和線材的擠出工藝是很有利的。
另外一種采用DC鑄坯作為原材料的工藝是軋制工藝，它通過連續(xù)軋制連鑄坯到所需厚度來生產帶材。與擠出工藝相比，軋制工藝的成本更高，因為其非常耗能，資本設備成本高而且材料產出率低。
另外一種生產帶材的技術是雙輥鑄造工藝，此工藝對有限范圍內的不同金屬是有效的。在雙輥鑄造工藝中，具有橫向軸且向相反方向旋轉的一對輥子相互平行定位，且它們之間有一定縫隙，在縫隙上方輥子的上環(huán)形表面形成液態(tài)合金熔池，然后液態(tài)合金連續(xù)鑄造成合金帶材。
傳統(tǒng)的雙輥鑄造工藝涉及到的問題包括，側壩附近液態(tài)合金的泄露，側壩的損壞，鑄帶側面裂紋的形成，輥子壽命短，工藝控制難和固體產品中的化學偏析。
還有另一種用DC鑄坯作為原材料的工藝是最近發(fā)展起來的觸變成形工藝。它基本為兩步方法。在第一步中，采用改造的DC鑄造工藝生產觸變原材料以生產具有非樹枝狀微觀結構的鑄坯。在第二步中，觸變坯/原料被再加熱到其半固體狀態(tài)(溫度處于其固相線和液相線之間)，然后用鑄造(觸變鑄造)或鍛造(觸變鍛造)使其形成孔穴。理想情況下，用于觸變成形的原料應在基體中包含一定量的細小球形固體顆料。觸變成形目前的主要限制是原料的低質量和高成本。用于觸變成形原料生產的工藝包括簡單的機械攪拌、電磁攪拌、粗化最初的樹枝狀微觀結構、在連鑄過程中增加大量晶料細化劑和采用超聲振蕩。然而這些工藝有一定的缺點。已知方法的一個重要缺點是橫截面上的微觀結構不均一，給再加熱過程帶來困難且最終構件的機械性能相對較差。另一個缺點是由于非球型顆料形態(tài)引起的，因為它需要長的再加熱時間以球化固體顆粒，這就會降低半-固體工藝的潛在優(yōu)勢。另一個缺點是原材料的成本高，原材料的成本占最終構件成本的比例已達50％。
大量的參考文獻披露了觸變模壓工藝，其中首先將固體或半固體裝入(比如，在剪切時通過加熱裝入的料將其液化)，然后將其噴入鑄模以制成構件。這些參考文獻包括EP 0867246 A1(Mazda MotorCorporation)；WO 90/09251(The Dow Chemical Company)；US5,711,366(Thixomat，Inc.)；US 5,735,333(The Japan Steel Works，Limited)；US 5,685,357(The Japan Steel Works，Limited)；US4,694,882(The Dow Chemical Company)；和CA 2,164,759(InventronicsLimited)。
然而，通過加熱固體顆料以使其轉變?yōu)橛|變狀態(tài)(觸變模壓)而不是通過冷卻液態(tài)金屬成觸變狀態(tài)(流變模壓)的缺點是觸變礦漿中的亞結構中的顆粒尺寸和顆粒尺寸分布很難控制。特別是觸變模壓的礦漿的顆粒尺寸趨于大于流變模壓的礦漿的顆粒尺寸的一個數(shù)量級，且有一個更寬的尺寸分布。這對所鑄制品的結構性能有潛在的不利影響。
而且，上述的參考文獻采用標準的單螺桿擠出機將觸變礦漿剪切，導致產品質量較低。
許多參考文獻確實披露了流變模壓工藝。例如WO97/21509(Thixomat，Inc.)涉及到一種形成金屬制品的工藝，其中合金被加熱到其液相線溫度以上，然后在液態(tài)金屬冷卻到兩相平衡的區(qū)域時，采用單螺桿擠出機剪切該液態(tài)金屬。
US4,694,881(The Dow Chemical Company)涉及一種工藝，其中一種具有非-觸變類型結構的材料以固態(tài)形式裝入單螺桿擠出機中。將原料加熱到其液相線溫度以上，然后在進行剪切作用時將其冷卻到其液相線溫度以下和其固相線溫度以上。
WO95/34393(Cornell Research Foundation，Inc.)也披露了一種流變模壓工藝，其中過熱液態(tài)金屬在被注塑成鑄件前在單螺桿擠出機的桶中冷卻到半固體狀態(tài)，并在冷卻的同時進行剪切。
WO01/21343(Brunel University)是公開于本發(fā)明優(yōu)先權日之后的共同待審的申請。它披露了將液態(tài)金屬合金制成成形產品的方法，為了將合金轉變成觸變狀態(tài)，在剪切的同時將合金冷卻到其液相線以下。然后將合金送到一個不連續(xù)的鑄模中以制成成形產品。其中未披露連鑄產品的形成。
WO01/23124(Brunel University)是另一個公開在本發(fā)明優(yōu)先權日之后的共同待審的專利。它特別涉及了一種用金屬合金(至少有兩種不混溶成分)生產鑄件的方法，其中的產品被剪切而轉變?yōu)榘牍腆w狀態(tài)礦漿，然后礦漿可被送到鑄模中或一個預熱金屬帶中。
沒有觸變模壓或流變模壓的參考文獻描述過能夠形成具有足夠高的結構整體性的連鑄產品的工藝。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，它提供一種由液態(tài)金屬合金制成連續(xù)產品的方法，包括將合金冷卻到大致為液相線或從合金的固相線冷卻到合金的液相線，將合金以足夠高的剪切速率和紊流強度進行剪切以將合金轉變成觸變態(tài)，并將剪切液態(tài)金屬或剪切半固體礦漿運送到成形裝置以形成固體產品，其中的成形裝置能夠形成連續(xù)產品。
因為“連續(xù)產品”指連續(xù)形成的產品，因此只要提供足夠的原料，就可以形成任意長度的產品。這與不連續(xù)(如在鑄模中形成的)產品是不同的。
成形設備可以是DC鑄機(DC流變鑄造)，或擠出模(流變擠出)，或雙輥鑄機(雙輥流變鑄造)。根據(jù)本發(fā)明處理的材料可以是互溶合金也可是不混溶合金，當在不混溶合金的情況下，此過程稱為流變混合過程。
已經發(fā)現(xiàn)，如果所裝液體合金的溫度較低且粘度較大(這可以在液相線溫度附近或在液相線和固相線之間剪切液態(tài)合金得到)，現(xiàn)有技術觸變成形(傳統(tǒng)的DC鑄造和雙輥鑄造工藝和擠出工藝)的大部分缺點可以克服。充分剪切的液態(tài)合金或半固態(tài)礦漿的高粘度可以縮短凝固時間，阻止雙輥鑄機中的泄漏，減少連鑄凝固和擠出中的化學偏析和提高生產率。低傾入/裝入溫度也可增加模具壽命、能量效率和產品的質量。
本發(fā)明的第二方面是提供一種由液態(tài)金屬合金制成連鑄產品的方法，其步驟包括將合金冷卻到液相線附近或從合金的固相線到液相線，將合金以足夠高的剪切速率和紊流強度進行剪切使其轉變?yōu)橛|變狀態(tài)，將剪切液態(tài)合金或剪切的半固體礦漿運送到成形設備中以形成固態(tài)產品，其中的成形設備可以形成連續(xù)產品，其中合金由互溶的成分形成。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供一種由液態(tài)金屬合金制成連鑄產品的方法，其步驟包括將合金冷卻到液相線附近，將合金以足夠高的剪切速率和紊流強度進行剪切使其轉變?yōu)橛|變狀態(tài)，將剪切液態(tài)合金運送到成形設備中以形成固態(tài)產品。其中的成形設備最好可以形成連續(xù)產品，其中合金可由互溶的成分也可由不混溶的成分形成。
本發(fā)明的另一方面是提供一種由具有不混溶成分的液態(tài)金屬合金制成連鑄產品的方法，其步驟包括將合金冷卻到不混合間隙以下，將合金以足夠高的剪切速率和紊流強度進行剪切使其轉變?yōu)橛|變狀態(tài)，將剪切液態(tài)合金或剪切半固體礦漿運送到成形設備中以形成固態(tài)產品，其中的成形設備可以形成連續(xù)產品，但是其中的成形設備不是一個預熱的金屬帶。
一般地，剪切裝置是一高剪切擠出機，它的步驟包括將液態(tài)合金放入溫度可控的桶中，以足夠高的剪切速度操作固定在桶中的螺桿將液態(tài)合金轉變成其高剪切狀態(tài)和/或觸變狀態(tài)。螺桿的外型應特別設計以在將液態(tài)合金從桶的一端運送到另一端的過程中，提供高剪切速率和高紊流強度以得到強制抽吸作用。擠出機可以為任何種類的擠出機，只要至少有一個螺桿定位在桶中即可。
優(yōu)選地，擠出機為有至少兩個螺桿的雙螺桿擠出機，它至少部分咬合，更優(yōu)選地，它基本上是全部咬合。
成形設備可以為帶有輔助設備(依制造的最終產品需要而定)的各種模具或鑄模。(a)在DC流變鑄造工藝中，模具/鑄?？蔀閹в腥芜x的啟動基底的簡單圓柱體，其中的圓柱體有一個冷卻系統(tǒng)。凝固的合金通過啟動基底從模具/鑄模連續(xù)拉出，從而連續(xù)形成鑄件。(b)在雙輥流變鑄造工藝中，模具/鑄模包括一對旋轉輥和一對布置在輥軸的兩末端的側壩組成，以便在輥和側壩之間形成一個剪切液態(tài)合金或半固態(tài)礦漿熔池。兩輥反方向旋轉以使剪切后的液態(tài)合金或半固態(tài)礦漿隨后凝固而形成固體殼，這些固體殼在穿過輥間的縫隙時互相擠出從而形成連續(xù)帶材。(c)在流變擠出工藝中模具/鑄模可以為剪切機端部上的簡單開孔。剪切機的強制抽吸作用迫使剪切后的液態(tài)合金或半固體礦漿通過預熱的開口模具形成棒材或線材或其它任何合適的截面形狀。
當剪切后的液態(tài)合金或半固體礦漿通過鑄模時，鑄模可以被加熱到或保持在一預定溫度，鑄模溫度和金屬剪切溫度之間的關系，由個別的技術需要而定。
本發(fā)明的連鑄方法和設備最好采用一端有入口，另一端有出口的剪切機，溫度可控桶將上述入口與上述出口和至少一個定位于上述桶中的螺桿相連。
上述剪切機中的所述螺桿最好包括一個其上至少有一個葉片的桿身，所述的葉片至少在桿身周圍部分地形成一個螺旋，以推動金屬通過所述的桶，其中所述螺桿可以以足夠抑制在其中完全形成樹枝狀結構的速率剪切上述液態(tài)合金，而所述金屬為半固體狀態(tài)，所述螺桿的旋轉還可以使所述金屬通過上述桶從上述入口運送到上述出口。
在一個實施方案中，采用溫度控制方法對擠出機桶，螺桿和合金溫度進行調整以使合金的溫度保持在其液相線附近或液相線和固相線之間。擠出機出口可有一控制閥以使擠出機中的合金運送到成形設備。從擠出機到成形設備的液態(tài)合金或半固態(tài)礦漿的量可用上述閥控制以保持成型設備中半固體礦漿的連續(xù)性。
在一個優(yōu)選實施方案中，擠出模具直接連在擠出機上以生產不同截面的連續(xù)線材。此工藝稱作流變擠出。
作為一種可以替代的方案，除了高剪切設備外，也可采用單螺桿擠出機，其中的剪切液態(tài)合金或半固態(tài)礦漿從上述高剪切設備中倒出，并通過上述單螺桿擠出機螺桿的連續(xù)旋轉以生產連鑄坯如棒材或細線材或方坯。
根據(jù)本發(fā)明方法制成的連續(xù)產品也可通過傳統(tǒng)的擠出工藝進一步變形。
一般地，可依據(jù)本發(fā)明進行處理的材料可為任何金屬合金，如Al、Mg、Zn、Cu、Fe基合金等，根據(jù)本發(fā)明可進行處理的一組重要的金屬材料為含有與液體不相混合縫隙的材料，例如Al-Pb、Al-Bi、Al-In和Cu-Pb基合金。
根據(jù)本發(fā)明方法的重要優(yōu)點是得到的鑄坯的整個橫截面的微觀結構細小而均一，其中，基體中平均分布著含量可控的細小圓形顆粒。因此，所制鑄坯有很高的觸變性，特別適合作為觸變成形的原料。
本發(fā)明的工藝的另一優(yōu)點在于這樣的事實，它不需要為了微觀結構控制而進行二次處理工藝，如擠出和再結晶，因為制成的鑄坯已含有細小而均一的微觀結構。因此，它們可以被直接用來進行固態(tài)處理，如切削加工和鍛造等。
用于DC流變鑄造的圓柱形模具/鑄?？捎扇魏尾牧现瞥桑T模最好由石墨或銅基合金制成。圓柱形模具/鑄?？蓭в欣鋮s系統(tǒng)，以使剪切液態(tài)合金或半固體礦漿以合適的冷卻速率凝固。起動基底可在鑄造初始使用。
雙輥鑄機的旋轉輥可具有能夠在旋轉時提供最窄縫隙的任何外形，輥的外形最好是平的。
流變擠出工藝中的擠壓模截面可為任何形狀，包括簡單的形狀，如圓形、三角形、長方形或如多邊形或其它任意合適的復雜形狀，截面尺寸可在一較大范圍變化，這就意味著產品可為細線材或大一些的棒材。
上述方法可采用溫度接近其液相線的剪切后的液體合金，或采用通過溫度在液相線與固相線之間剪切液體合金而具有不同固體體積比例(0％至750％)的細小、均一微觀結構的剪切后的半固體礦漿。當剪切在其液相線附近進行時，在最終凝固的產品中生成了精細均勻的微觀結構，這是因為有效地加強了具有均勻溫度和化學組成的高度剪切的液體合金的成核率。當剪切在液相線和固相線之間進行時，在強烈剪切作用下，就可以產生具有細小球形顆粒的半固體礦漿，這種礦漿可以用來直接形成構件或作為觸變工藝的原料而成形為鑄坯。上述設備和方法也可由于微觀結構的有效改進(特別是對于接近共晶成分的合金)而改善金屬零件的機械性能。
上述設備和方法最好包括以下步驟*提供以液態(tài)存在的液體合金，并通過位于擠出機一端的入口將所述液態(tài)合金裝入一溫度可控的擠出機中；
*用至少含有一個螺桿的擠出機，以足夠高的剪切速率剪切所述液態(tài)合金以形成剪切液態(tài)合金或半固態(tài)礦漿；*將所述擠出機中的上述剪切液態(tài)合金或半固態(tài)礦漿送入成形設備，此設備可為DC流變鑄造用的圓柱形鑄?；蛴糜陔p輥流變鑄造工藝的雙輥壓軋或通過開啟固定于擠出機另一端控制閥進行流變擠出的開口模具。
*將成形設備中的剪切液態(tài)合金或半固態(tài)礦漿凝固形成不同截面的連鑄件。上述成形設備可為DC鑄機或擠出模具或雙輥鑄機。
一般，擠出機由一個桶，一個或多個螺桿和一個驅動系統(tǒng)組成，它用來接受從位于擠出機一端的入口通過的液態(tài)合金。液態(tài)合金一旦進入擠出機的通道，就會冷卻或保持在一預定溫度。在另一種情況下，處理溫度可為液相線附近溫度或固相線與液相線之間的溫度。
依合金的液相線和固相線而定的處理溫度，隨合金的不同而不同。什么是合適的溫度對本領域技術人員是顯而易見的。
液體合金的剪切也在擠出機中進行。剪切速率要足夠使最終產品中得到球形顆料和細小均一的微觀結構。剪切作用由桶中的螺桿引發(fā)，并由螺桿身上形成的螺旋形螺桿飛行物加強。加強的剪切由桶和螺桿飛行物和螺桿飛行物之間的環(huán)形空間產生。擠出機中的正移動可以使剪切液態(tài)合金或半固體礦漿從擠出機的入口移動到出口，并從此處卸出。
在雙軋流變鑄造工藝中，由一對輥子、一對側壩和一個驅動系統(tǒng)組成的壓軋最好用來通過上面由兩個側壩內表面和雙輥上表面形成的熔池接受剪切液態(tài)合金或半固體礦漿。剪切液態(tài)合金或半固體礦漿一旦進入雙輥鑄機中的熔池，就會冷卻并在軋輥表面形成一層殼。輥子的溫度隨合金的不同而不同。合適的溫度對本領域技人員是顯而易見的，但通常它應該低于合金的固相線。同樣在雙輥鑄造工藝中，剪切液態(tài)合金或半固體礦漿還要進行凝固、變形、凝固殼的連接和固體帶材的連續(xù)拉出。拉出速度要足以保持工藝的連續(xù)性。變形和連接要足以保持板面部分的有效連接。
在流變擠出工藝中，用于剪切液態(tài)合金或半固體礦漿的擠出壓力由溫度和已知成分的剪切速率控制。擠出機桶和開口模具之間的溫度差會大大減少剪切液態(tài)合金或半固態(tài)礦漿在擠出時與開口模具之間的外部摩擦。外部摩擦、剪切液態(tài)合金或半固態(tài)礦漿的粘度和擠出機強制抽吸壓力的平衡決定了通過開口模具的擠出速度。不同截面形狀的擠出模具用于不同橫截面形狀的連鑄件。
當采用流變混合時，無論是溫度處于其混合間隙上的均勻液態(tài)合金還是在溫度混合間隙中的預先混合的液態(tài)混合物都可裝入擠出機進行高強度混合以產生細小而均一的液態(tài)混合物。在擠出機內，液態(tài)合金進行冷卻和高強度剪切，擠出機可在偏共晶溫度以上或以下的溫度進行。成型設備可以是擠出模具或雙輥鑄機。
下面參考圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施方案進行詳細描述，其中

圖1是根據(jù)本發(fā)明的原理將液態(tài)合金轉變?yōu)楦邚姸燃羟幸簯B(tài)合金或半固體礦漿的設備的實施方案簡圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的原理將液態(tài)合金轉變?yōu)楦邚姸燃羟幸簯B(tài)合金或半固體礦漿，然后用DC流變鑄造工藝生產金屬鑄坯的設備的實施方案簡圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的原理將液態(tài)合金轉變?yōu)楦邚姸燃羟幸簯B(tài)合金或半固體礦漿，然后用擠出模具通過流變鑄造工藝生產金屬棒材/線材的設備的另一實施方案簡圖。
圖4為另一實施方案中用于流變擠出擠出工藝的擠出模具裝置示意圖。
圖5是根據(jù)本發(fā)明的原理將液態(tài)合金轉變?yōu)楦邚姸燃羟幸簯B(tài)合金或半固體礦漿，然后用單螺桿擠出機通過流變鑄造工藝生產金屬棒材/線材的設備的另一實施方案簡圖。
圖6是根據(jù)本發(fā)明的原理將液態(tài)合金轉變?yōu)楦邚姸燃羟幸簯B(tài)合金或半固體礦漿，然后用雙輥流變鑄造工藝生產金屬帶材的設備的實施方案簡圖。
在隨后描述的優(yōu)選實施方案中，鑄件通過一個由AZ91D液態(tài)合金制成的擠出機和成型設備制成。本發(fā)明并不限于AZ91D錳合金，也可適用于其它種類的金屬包括鋁合金、錳合金、鋅合金、銅合金、鐵合金和其他可能適于剪切-誘發(fā)的金屬工藝和/或半固體金屬工藝的合金。而且，在優(yōu)選實施方案中描述的特定溫度和溫度范圍只能使用于AZ91D錳合金，但本領域技術人員可根據(jù)本發(fā)明的原理對此修改以使其適應于其它合金，如Al、Mg、Zn和Cu基合金。
圖1給出了根據(jù)本發(fā)明實施方案的擠出機系統(tǒng)。液態(tài)合金裝入給料器10。給料器10的外圍設有一系列加熱元件11，加熱元件可為任何常規(guī)的類型。運行加熱元件以保持給料器10有足夠高的溫度以使通過給料器10供應的金屬保持液態(tài)。對AZ91D合金，這個溫度可為600℃以上(合金的液相線)。擠出機有多個冷卻通道12和加熱元件13，它們沿其長度方向分布。相互匹配的冷卻通道12和加熱元件13可分別形成一系列加熱和冷卻區(qū)域。加熱和冷卻區(qū)域可使沿擠出機軸保持一個復雜的溫度分布，這可以滿足半固體工藝過程中的特殊要求。各個區(qū)域的溫度控制通過平衡加熱和冷卻功率(此功率通過熱電偶20的中心控制系統(tǒng)輸入)。加熱方法可為電阻加熱、還原加熱或者其它任何加熱方法。冷卻介質可以為水或氣或其它任何介質，依工藝需要而定。雖然圖1只給出了一個加熱/冷卻區(qū)域，擠出機可在1至10之間分別裝配可控的加熱/冷卻區(qū)域。
擠出機也有物理斜坡或傾斜度。傾斜度相對于金屬板-移動平面通常為0～90°。設計的斜坡用來幫助將剪切后的液態(tài)合金或半固態(tài)礦漿從擠出機運送到不同工藝的下一步驟。
擠出機也有兩個由電動馬達或液壓馬達16通過變速器17驅動的螺桿14。兩個螺桿14位于桶15的內部并與端蓋18、19在一直線上。設計的兩個螺桿14用來提供高剪切速率，這對得到細小而均勻的固體顆粒是必要的。當然，所用螺桿的外形可以不同。另外，任何可以提供高剪切速率的設備都可以代替雙螺桿擠出機。
擠出機中的剪切后的液態(tài)合金或半固態(tài)礦漿通過與端蓋19相連的閥21輸送到成形設備中。閥21依據(jù)中心控制系統(tǒng)發(fā)出的信號進行操作。閥21用來連續(xù)不斷的提供半固體礦漿的調節(jié)徑流以便為工藝的下一步提供適當?shù)娜鄢亍ｉy21的任選開啟應該與工藝的需求相配。閥21可以以一限定的流量連續(xù)開放或者沒有流速限制地不連續(xù)開放。
圖2為DC流變鑄造系統(tǒng)。該系統(tǒng)有兩個功能裝裝置一個雙螺桿擠出機1和一個DC鑄機2。擠出機1已在圖1中進行了描述。DC鑄機2主要包括一個圓柱形鑄模31和冷卻介質33。鑄模放在與擠出機1有一預定縫隙的支架36上。裝入啟動基底以便連續(xù)移動。卸掉的剪切液態(tài)合金或半固態(tài)礦漿裝入DC鑄機中。直接冷硬裝置31充滿了通過入口32進入而通過出口34流出的冷卻介質33。因此熔池30中的剪切液態(tài)合金或半固態(tài)礦漿可以凝固而連續(xù)形成鑄坯34，其在工藝開始時由基底35支撐然后連續(xù)產出鑄坯。
圖3為流變擠出系統(tǒng)。此系統(tǒng)由圖1所示的擠出機改造而成。一個溫度控制擠壓模8直接裝在出口閥21上。擠壓模8有一獨立的熱電偶9以保持模具所需的溫度和一出口7以擠出合金。開口模具周圍的溫度變化較大可能會減小對剪切液態(tài)合金或半固態(tài)礦漿流的抗性。剪切液態(tài)合金或半固態(tài)礦漿從擠壓模中擠出而形成棒材或線材。
圖4為另一擠壓模，其中的擠壓模8采用了另外的橫截面形狀7以生產不同橫截面形狀的產品。一般地，擠壓模地橫截面可以為任何簡單或復雜形狀，也可為其它任何適合擠出件的形狀。
圖5為另一個流變擠出系統(tǒng)。此系統(tǒng)有兩個功能裝置一個雙螺桿擠出機和一個單螺桿擠出機。雙螺桿擠出機已在圖1中進行了描述。單螺桿擠出機作為成形設備用來將剪切液態(tài)合金或半固態(tài)礦漿生產成棒材/線材。單螺桿擠出機由桶42，螺桿43，噴嘴41和具有為滿足溫度需要的熱電偶46的桶42的加熱元件45組成。剪切液態(tài)合金或半固態(tài)礦漿通過閥22卸入單螺桿擠出機中。螺桿43的連續(xù)轉動使得剪切液態(tài)合金或半固態(tài)礦漿移動到噴嘴41而形成連續(xù)產品。通過加熱元件45進行溫度控制的桶42可能會大大減小剪切液態(tài)合金或半固態(tài)礦漿地流出抗性。噴嘴41的截面形狀決定擠出部分的形狀。噴嘴可以為形成金屬線材的簡單小圓或其它任何可能的形狀。這種現(xiàn)有技術的擠出機可以通過采用其中至少一個開口模具被改造為不同形狀的本發(fā)明的一個替代性實施方案來進行改造。
圖6為一雙輥流變鑄造系統(tǒng)。此系統(tǒng)包括兩個功能裝置一個雙-螺桿擠出機1和一個雙輥鑄機2。擠出機已在圖1中作了描述。雙輥鑄機2主要包括一對輥子22和一對側壩23。雙輥水平且有一定間隔地相互平行放置，一個或兩個輥子都有支撐以使在輥子徑向上可選擇移動。輥子22的旋轉方向如箭頭所指。每個輥子22的內部可構成一個冷卻套筒或一個加熱套筒。側壩23在輥子22的軸向與輥子相連。在輥子22相對端的上表面和兩側壩23的內表面之間形成用于儲存半固態(tài)礦漿的熔池24。在此條件下，輥子22以圖中箭頭所示的方向旋轉以使在輥子22表面形成的固體殼25被拉下進而由于壓力的作用粘結在一起而形成連續(xù)的鑄帶26。
如圖6所示，輥子的外表面一般為平的，如平滑的柱狀輥子。此類已有技術中的鑄機可以通過采用本發(fā)明另一實施方案(其中至少輥子的一部分表面為凸形的或凹形表面或其它任何合適的表面)進行改造。
一般地，系統(tǒng)還有一個控制裝置以實現(xiàn)所有的功能?？刂蒲b置最好為程序化的以便得到所需特性的金屬?？刂蒲b置(圖中未示出)可能包括如微型信息處理器，它可以容易而快速地重新編制程序而改變依最終產品類型而定的相關參數(shù)。
實施方案中也可含有一個連接于擠出機而用于提高桶中壓力的設備。實施方案中也可含有一個連接于擠出機和相關部件而用于提供保護氣體以避免氧化的設備。此類氣體可為氬氣、氮氣或其它合適的氣體。
雖然本發(fā)明的特定實施方案已在上述內容中給予了圖示和描述，但是很明顯，在附屬的權利要求中本發(fā)明還可有其它不同的形式。例如桶和螺桿可為模塊設計(modular design)。
權利要求
1.一種由液態(tài)金屬合金制造連續(xù)產品的方法，包括以下步驟將合金冷卻到合金的液相線附近或將合金從合金的固相線冷卻到液相線；以足夠高的剪切速率和紊流強度將合金進行剪切以使合金轉變?yōu)槠溆|變態(tài)；和將剪切過的液態(tài)合金或剪切過的半固態(tài)礦漿輸送到成形設備中以形成固體產品；其中的成形設備可以制造連續(xù)產品。
2.如權利要求1的方法，其中的剪切通過具有至少一個螺桿的擠出機施用于合金，所述螺桿上至少帶有一個葉片，所述葉片在螺桿的周圍至少部分地定義螺旋以推進合金通過擠出機，其中，當合金為半固體狀態(tài)時，至少一個螺桿可以旋轉以足夠抑制在其中完全形成樹枝狀結構的速率剪切上述的液態(tài)合金。
3.如權利要求1或2的方法，其中的剪切通過帶有至少兩個至少部分咬合的螺桿的雙螺桿擠出機施用于合金。
4.如權利要求3的方法，其中，螺桿基本上完全咬合。
5.如上述權利要求任何一項的方法，其中，所述成形設備為直接冷硬鑄機、擠壓?；螂p輥鑄機。
6.如上述權利要求任何一項的方法，其中，所述合金包含至少兩種不混溶成分，和其中，所述成分各自以液體狀態(tài)提供，并在進行剪切前進行預混。
7.如權利要求6的方法，其中，所述合金進行充分剪切以轉變成液體懸浮液，其中，次要的不混溶成分以液體相分散在主要的不混溶成分中。
8.如權利要求7中的方法，其中，所述液體懸浮液進行剪切時，應冷卻到其偏晶溫度或偏晶溫度以下以形成半固體礦漿。
9.如權利要求8的方法，其中，礦漿粘度要足夠大以防止不混溶體系的粗偏析。
10.如權利要求6至9中任一項的方法，其中，成形設備不是一個預熱的金屬帶。
11.如權利要求1至6中任一項的方法，其中，合金不包括任何不混溶的成分。
12.由金屬合金制成的制品，其中，制品可由上述權利要求中任一項的方法得到。
13.一種將液態(tài)金屬合金制成連續(xù)產品的裝置，包括能夠給予液態(tài)金屬合金足夠的剪切和紊流強度，把其轉變成其觸變狀態(tài)的溫度控制的剪切裝置，和以液體形態(tài)與剪切裝置相連的成形裝置，其中，該成形裝置可制造連續(xù)產品。
14.如權利要求13的裝置，其中的剪切裝置為帶有至少一個螺桿的擠出機，螺桿上至少帶有一個葉片，該葉片至少在螺桿的周圍部分定義螺旋以推進合金通過擠出機，其中，當合金為半固體狀態(tài)時，該至少一個螺桿能夠以足夠的速率旋轉剪切上述液態(tài)合金以抑制在其中完全形成樹枝狀結構。
15.如權利要求13或14的裝置，其中，所述剪切裝置為帶有至少兩個至少部分咬合的螺桿的雙螺桿擠出機。
16.如權利要求15的裝置，其中，所述螺桿基本上完全咬合。
全文摘要
生產細小均一微觀結構連續(xù)產品的方法和裝置。連續(xù)產品可用于二次加工工藝如觸變成形、鍛造和切削加工或直接用作工業(yè)原料。過熱液態(tài)合金裝入高剪切裝置如雙螺桿擠出機進行強烈剪切以生產溫度在液相線附近的剪切液態(tài)合金或溫度在液相線和固相線之間的半固態(tài)礦漿。然后將它們運送到成形設備中凝固生成有細小均一微觀結構的連續(xù)鑄件。成形設備為任何能夠形成連續(xù)即不定長產品的設備，如用于生產連鑄坯的直接冷硬(DC)鑄機(DC流變鑄造)，用于生產棒材或線材的擠壓模(流變—擠出)，或用于生產連續(xù)帶材的雙輥鑄機(雙輥流變鑄造)。在所有情況下，連續(xù)鑄件橫截面微觀結構中體積比可控的細小球形初級粒子均一地分布在精細結構基體中。
文檔編號B22D11/11GK1446134SQ0181403
公開日2003年10月1日 申請日期2001年8月9日 優(yōu)先權日2000年8月11日
發(fā)明者范仲云, 季守循, 米切爾·約翰·貝維斯 申請人:布魯內爾大學