專利名稱：一種施加復合電磁攪拌連續(xù)制備半固態(tài)金屬漿料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半固態(tài)金屬加工技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及到一種施加復合電磁攪拌連續(xù)制備半固態(tài)金屬漿料的方法。
背景技術(shù)：
金屬半固態(tài)加工概念是由美國科學家在上個世紀七十年代首次提出的，該方法的基本原理是在液態(tài)金屬凝固過程中施加劇烈攪拌，破碎所生成的樹枝初晶而形成近球形初晶和殘余液相共同構(gòu)成的具有非枝晶組織特征的合金漿料，這種漿料在力的作用下即使固相分數(shù)較大時仍具有很好的流動性，可以被直接輸送到成形設備，利用軋制、壓鑄、擠壓、模鍛等常規(guī)工藝進行加工成形。這種方法融合了鑄造和鍛造工藝特點，具有高效、節(jié)能、環(huán)保、高質(zhì)量、高成品率以及近終形等優(yōu)點，因此，受到國際材料界的廣泛關(guān)注，已成為當今最活躍的研究領(lǐng)域之一。
半固態(tài)成形工藝主要包括觸變成形和流變成形兩種。觸變成形工藝是將制備的半固態(tài)漿料先鑄造成坯料，須經(jīng)過二次加熱，再進行成形加工，其工藝可控性強、過程較穩(wěn)定且易操作，對漿料質(zhì)量要求相對不是太高，因而較快進入了工業(yè)化生產(chǎn)，但工藝過程相對復雜，導致成本增加。流變成形工藝試圖省去二次加熱，由制備的半固態(tài)漿料直接進行流變成形加工，具有生產(chǎn)流程短、相對成本低、設備簡單等特點，近年來受到國內(nèi)外的普遍重視，發(fā)展迅速。由于流變成形不經(jīng)過二次加熱工序，半固態(tài)漿料的凝固組織和缺陷對最終產(chǎn)品性能的影響很大，因此對半固態(tài)漿料質(zhì)量提出了更高要求?？梢?，不論是觸變成形還是流變成形，都包含半固態(tài)制漿及半固態(tài)成形兩部分，其中，制漿是整個過程的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，如何穩(wěn)定、有效地制備等軸、細小、均勻的非枝晶組織的半固態(tài)漿料成為當前半固態(tài)加工技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點。
目前，半固態(tài)漿料制備方法主要包括機械攪拌法、磁場攪拌法、噴射沉積法、雙螺旋剪切法、單輥旋轉(zhuǎn)法、斜坡冷卻法、近液相線澆注法等。機械攪拌法是出現(xiàn)最早的一種坯料制備方法，由于存在效率低、攪拌裝置材質(zhì)壽命短、污染金屬熔體等缺點，不利于大規(guī)模工業(yè)化應用。噴射沉積法則是過程過于復雜，成本較高，只適合質(zhì)量要求較高材料的半固態(tài)漿料制備。雙螺旋剪切法雖然可以實現(xiàn)連續(xù)制漿，但存在螺桿工況差、消耗高、壽命短、所需設備復雜、成本高等缺點制約著其產(chǎn)業(yè)化應用。因此，近年來日本等國提出了具有操作簡單、成本較低等特點的單輥旋轉(zhuǎn)法、斜坡冷卻法等工藝方法，但采用這些工藝生產(chǎn)的半固態(tài)漿料只能用來生產(chǎn)坯料，還不能直接用于流變成形。近液相線澆注法雖然注意到低溫澆注能夠獲得明顯細化晶粒的效果，但是該方法要求金屬液的澆注溫度非常接近該金屬的液相線溫度，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，而且處于這種狀態(tài)下的金屬液流動性變差，實際操作難度很大。由于電磁場具有非接觸、能量密度高、清潔和可精確設計與控制等特點，在金屬材料的制備過程中發(fā)揮了巨大的作用，這也是電磁攪拌制備半固態(tài)金屬坯料在實際半固態(tài)金屬成形應用中占主導地位的原因，而且隨著電磁場施加方式的變化，能夠生產(chǎn)出更加優(yōu)質(zhì)的半固態(tài)漿料。目前采用電磁攪拌方法制備半固態(tài)加工用坯料的技術(shù)在國內(nèi)外已有幾個專利，但是它們的共同特征是效率低下，電能消耗量大，設備結(jié)構(gòu)復雜，半固態(tài)漿料和坯料的成本較高，使得利用電磁攪拌法制備半固態(tài)漿料或坯料的工業(yè)化應用進展緩慢，施加電磁場的優(yōu)點并沒有完全體現(xiàn)出來。現(xiàn)有電磁攪拌法制備半固態(tài)漿料和坯料技術(shù)的不足主要表現(xiàn)在于1)電磁攪拌被施加在制漿室外部，由于制漿室容積較大，必然要求電磁攪拌功率很大，導致電磁設備龐大，能耗增加，枝晶向非枝晶轉(zhuǎn)變的過程緩慢，晶粒粗大，制備半固態(tài)漿料時間長、效率低；2)制漿室容積較大時存在攪拌磁場分布不均勻問題，使得制漿室內(nèi)邊部與心部金屬液攪拌不均勻，容易出現(xiàn)邊部早凝現(xiàn)象；3)由于制漿室與導流管口徑相近，漿料流動僅依靠重力作用，會導致漿料流動不連續(xù)；當漿料的固相分數(shù)高時，由于缺乏使半固態(tài)漿料發(fā)生反復切變的力的作用，半固態(tài)漿料的觸變性得不到充分發(fā)揮，黏度較大，漿料連續(xù)輸送的難度增大；4)穩(wěn)定制備具有理想固相分數(shù)的半固態(tài)漿料工藝尚不成熟，漿料還不能直接用于流變成形。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種施加復合電磁攪拌連續(xù)制備半固態(tài)金屬漿料的方法。采用該方法可以獲得經(jīng)濟、快捷、高效、優(yōu)質(zhì)的半固態(tài)金屬漿料，該漿料可以直接用于流變鑄造，也可以鑄造成一定尺寸的坯料，通過二次加熱實現(xiàn)觸變成形。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案一種施加復合電磁攪拌連續(xù)制備半固態(tài)金屬漿料的方法，該方法包括下述步驟1)將熔煉合格的過熱金屬液體以高于其液相線溫度10～80℃連續(xù)不斷地澆到一個預熱的中間包內(nèi)，且中間包內(nèi)金屬液體始終保持恒定高度，其中，中間包的預熱溫度為高出所澆注金屬液體的液相線溫度以上0～30℃，同時對中間包內(nèi)的金屬液體施加電磁攪拌，將金屬液體以整體電磁攪拌的方式均勻冷卻，使所述金屬液體溫度處于其液相線溫度之上0～10℃范圍之內(nèi)；2)將中間包內(nèi)溫度處于其液相線溫度之上0～10℃范圍之內(nèi)的金屬液體流經(jīng)位于中間包下部連接的導流管，同時對流經(jīng)導流管內(nèi)的金屬液體施加電磁攪拌，并采用導流管外壁上的控溫器控制導流管外壁的冷卻強度，使導流管內(nèi)金屬液體的冷卻速度控制在1～50℃/s，將經(jīng)過導流管后的金屬液體的溫度控制在所澆注金屬液體的液相線溫度之下5～30℃；3)經(jīng)過導流管后的金屬液體進入一個保溫器內(nèi)，保溫器溫度控制在所澆注金屬液體的液相線溫度之下10～30℃，保溫時間為5～60s；4)經(jīng)過保溫處理的上述漿料可以被直接輸送到壓鑄、軋制、模鍛等常規(guī)成形設備上進行流變成形，或者連續(xù)不斷地澆注到結(jié)晶器內(nèi)制成半固態(tài)連鑄坯。
在本發(fā)明的方法中，在所述步驟1)中，對中間包內(nèi)的金屬液體施加電磁攪拌是通過設在中間包外的電磁攪拌器進行的，該電磁攪拌器與一個低頻電源相連，該電磁攪拌器的功率為1～10kW，頻率為1～300Hz，攪拌速率為50～300rpm。該電磁攪拌器是對中間包內(nèi)金屬液體施加一個水平旋轉(zhuǎn)磁場，使金屬液體的溫度在整體均勻冷卻條件下控制到該合金的液相線溫度之上0～10℃。
在本發(fā)明的方法中，在所述步驟2)中，對流經(jīng)導流管內(nèi)的金屬液體施加電磁攪拌是通過設在導流管外的電磁攪拌器進行的，該電磁攪拌器與工頻電源連接，攪拌功率在0.1～0.5kW之間，攪拌速度在500～3000rmp。
在本發(fā)明的方法中，在所述步驟2)中，電磁攪拌是在導流管外部施加一個水平旋轉(zhuǎn)磁場，通過調(diào)節(jié)對導流管內(nèi)金屬液體的冷卻強度和攪拌強度，使金屬熔體在出導流管時成為具有10～50％非枝晶球形固相分數(shù)的半固態(tài)漿料。
在本發(fā)明的方法中，經(jīng)過導流管導出的金屬熔體在金屬液體靜壓力和電磁攪拌力的共同作用下進入一個圓形內(nèi)腔的保溫器內(nèi)，經(jīng)過保溫處理的漿料直接被輸送到成形設備進行半固態(tài)流變成形，或者進入一個位于結(jié)晶器上部并與之相連的熱頂內(nèi)，連續(xù)鑄成半固態(tài)坯料。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于1.過熱金屬液溫度和流動性易于控制。對中間包內(nèi)的金屬液體施加電磁攪拌，使其內(nèi)的過熱金屬液體整體均勻降溫到液相線溫度，可以解決現(xiàn)有技術(shù)中單純通過靜置保溫控制金屬液體接近液相線溫度導致流動性差、實際操作困難等技術(shù)難題；由于施加在中間包內(nèi)的水平旋轉(zhuǎn)磁場主要用來實現(xiàn)均勻降溫，對攪拌強度要求不高，因此，所需攪拌功率小、能耗低。
2.半固態(tài)漿料制備速度快、容易控制。在導流管外施加水平旋轉(zhuǎn)磁場和冷卻，流經(jīng)導流管內(nèi)的金屬液流能夠獲得充分地快速冷卻，會在金屬液體內(nèi)部大量形核，因此，凝固組織明顯細化；由于幾乎是同時形核，晶核尺寸相近，又有利于凝固組織均勻化。這樣就解決了現(xiàn)有技術(shù)中因制漿室尺寸較大帶來金屬液體攪拌不均勻、冷卻不均勻從而導致凝固組織不均勻的問題，也避免了純粹依靠強烈電磁攪拌實現(xiàn)枝晶碎化而帶來的設備龐大和攪拌功率大、攪拌效率低、能耗大的問題。由于導流管尺寸較小，因此，電磁攪拌設備體積小，無需變頻裝置，投資成本少，所需攪拌功率小、耗能低、效率高。
3.半固態(tài)漿料具有良好的觸變性能。導流管內(nèi)的金屬液體是在金屬液體靜壓力和電磁攪拌力共同作用下以螺旋方式流動進入保溫器，并且形成具有特定固相分數(shù)的半固態(tài)金屬漿料。這種螺旋沖刷作用能夠保證金屬熔體在達到較高的固相分數(shù)時仍然具有很好的流動性，而且進入保溫器內(nèi)的金屬熔體溫度分布均勻。因此，既可以實現(xiàn)穩(wěn)定、有效地制備具有理想固相分數(shù)的半固態(tài)漿料，又解決了現(xiàn)有技術(shù)中半固態(tài)漿料組織不均勻、球化程度低而不能直接進行流變成形的難題。
4.制漿設備簡單、應用范圍廣、實用性強。電磁攪拌器結(jié)構(gòu)簡單、攪拌效率高、能耗低、不需要變頻裝置。連續(xù)制備的半固態(tài)漿料不但可以用來生產(chǎn)連鑄坯用于觸變成形，而且可以被直接輸送到成形設備，利用軋制、壓鑄、擠壓、模鍛等常規(guī)工藝進行流變成形。該方法既適合于鋁基合金的球狀或粒狀初晶的半固態(tài)金屬漿料的制備，也適合于銅基合金、鎂基合金、鋅基合金等有色金屬的半固態(tài)金屬漿料的制備。


圖1是施加復合電磁攪拌連續(xù)制備半固態(tài)金屬漿料結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為施加復合磁場但未經(jīng)保溫處理的A356合金半固態(tài)漿料的微觀組織，淺色區(qū)域為初晶α-Al，深色區(qū)域為凝固的共晶液體。
圖3為施加復合磁場且經(jīng)保溫處理的A356合金半固態(tài)漿料的微觀組織，淺色區(qū)域為初晶α-Al，深色區(qū)域為凝固的共晶液體。
具體的實施方式如圖1所示，中間包2為一承接容器，其上頂壁設有金屬液體的進口，其下底壁設有金屬液體的出口，該出口連接導流管6，導流管6壁上設有控溫器7，在承接容器2中，由其上頂部到其下底部貫穿一根塞桿5，塞桿5的上部穿通承接容器2的上頂壁，與上頂壁滑動連接，其裸露在承接容器2外的塞桿5的手把可用于操作塞桿5上下運動，塞桿5的下端設有活塞，該活塞與承接容器2的金屬液體的出口配合塞接，通過塞桿5的手把可控制該活塞與承接容器2的金屬液體的出口的相對位置，以控制金屬液體的出口的開、關(guān)及流量。分別在承接容器2及導流管6外部的四周設有上攪拌器3、下攪拌器4，在導流管6的出口的下面設有保溫器8。
以下結(jié)合附圖詳細說明
具體實施例方式如圖1所示，首先，將熔煉合格的A356合金液(其液相線溫度為613℃)在670℃連續(xù)不斷地澆注到經(jīng)過預熱的中間包2內(nèi)，預熱溫度控制在620℃左右，上下誤差不超過2℃，并保證A356合金液1在中間包2內(nèi)始終保持恒定高度。這時開啟上電磁攪拌器3和下電磁攪拌器4。上電磁攪拌器3與一個低頻電源相連，施加功率為2.0kW，施加頻率為30Hz，攪拌速率為150rpm。下電磁攪拌器4與一個工頻電源相連，施加功率為0.3kW，攪拌速率為2000rmp。上電磁攪拌器3產(chǎn)生一個水平旋轉(zhuǎn)磁場，促使金屬液以整體攪拌方式均勻冷卻接近該金屬的液相線溫度。經(jīng)過處理后的中間包內(nèi)A356合金液的溫度控制在其液相線溫度附近0～2℃。此時的液態(tài)金屬即使開始結(jié)晶，由于電磁攪拌作用也不會按枝晶方式生長，這時的金屬液體仍具有很好的流動性。然后，旋轉(zhuǎn)塞桿5控制中間包內(nèi)的A356合金液1經(jīng)導流管6導出，金屬液流量通過調(diào)節(jié)塞桿5的提升高度來控制，導流管6外壁的冷卻強度由控溫器7來控制，導流管內(nèi)金屬液體的冷卻速度為30℃/s。下電磁攪拌器4產(chǎn)生一個水平旋轉(zhuǎn)磁場有利于金屬液流獲得充分地快速冷卻，混合均勻，金屬液迅速過冷，形核數(shù)量大幅度增加，凝固組織明顯細化，經(jīng)過復合電磁攪拌但沒有經(jīng)過保溫處理的A356合金半固態(tài)漿料在通過淬火后的微觀組織如附圖2所示。當上述經(jīng)復合電磁攪拌處理的A356金屬液在金屬液靜壓力和電磁攪拌力共同作用下以螺旋方式運動進入保溫器8進行保溫處理，其中，保溫器溫度控制在600℃，保溫時間為15s，則附圖3是上述經(jīng)過復合電磁攪拌處理且進行保溫處理后A356合金半固態(tài)漿料采用淬火后的微觀組織。對比附圖2、3發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過復合電磁攪拌而未經(jīng)過保溫處理的半固態(tài)漿料凝固組織雖然獲得明顯細化和均勻化，但是晶粒球化圓整度低；而同時經(jīng)過復合電磁攪拌和保溫處理后的凝固組織，球化程度也大幅度提高，初生晶粒的圓整度好。
權(quán)利要求
1.一種施加復合電磁攪拌連續(xù)制備半固態(tài)金屬漿料的方法，其特征在于該方法包括下述步驟1)將熔煉合格的過熱鋁合金熔體以高于其液相線溫度10～80℃連續(xù)不斷地澆到一個預熱的中間包內(nèi)，且中間包內(nèi)金屬液體始終保持恒定高度，其中，中間包的預熱溫度為高出所澆注金屬液體的液相線溫度以上0～30℃，同時對中間包內(nèi)的金屬液體施加電磁攪拌，將金屬液體以整體電磁攪拌的方式均勻冷卻，使所述金屬液體溫度處于其液相線溫度之上0～10℃范圍之內(nèi)；2)將中間包內(nèi)溫度處于其液相線溫度之上0～10℃范圍之內(nèi)的金屬液體流經(jīng)位于中間包下部連接的導流管，同時對流經(jīng)導流管內(nèi)的金屬液體施加電磁攪拌，并采用導流管外壁上的控溫器控制導流管外壁的冷卻強度，使導流管內(nèi)金屬液體的冷卻速度控制在1～50℃/s，將經(jīng)過導流管后的金屬液體的溫度控制在所澆注金屬液體的液相線溫度之下5～30℃；3)經(jīng)過導流管后的金屬液體進入一個保溫器內(nèi)，保溫器溫度控制在所澆注金屬液體的液相線溫度之下10～30℃，保溫時間為5～60s；4)經(jīng)過保溫處理的上述漿料可以被直接輸送到壓鑄、軋制、模鍛等常規(guī)成形設備上進行流變成形，或者連續(xù)不斷地澆注到結(jié)晶器內(nèi)制成半固態(tài)連鑄坯。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在所述步驟1)中，對中間包內(nèi)的金屬液體施加電磁攪拌是通過設在中間包外的電磁攪拌器進行的，該電磁攪拌器與一個低頻電源相連，該電磁攪拌器的功率為1～10kW，頻率為1～300Hz，攪拌速率為50～300rpm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于在所述步驟2)中，對流經(jīng)導流管內(nèi)的金屬液體施加電磁攪拌是通過設在導流管外的電磁攪拌器進行的，該電磁攪拌器與工頻電源連接，攪拌功率在0.1～0.5kW之間，攪拌速度在500～3000rmp。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于在所述步驟2)中，流出導流管時的半固態(tài)金屬漿料的固相分數(shù)控制在10～50％。
全文摘要
本發(fā)明屬于半固態(tài)材料加工技術(shù)領(lǐng)域，涉及到一種施加復合電磁攪拌連續(xù)制備半固態(tài)金屬漿料的方法。首先將熔煉合格的過熱金屬液連續(xù)不斷地澆入到一個預熱的中間包內(nèi)，對中間包內(nèi)的金屬液施加電磁攪拌，使其在均勻冷卻條件下溫度接近液相線溫度；然后，中間包內(nèi)的金屬液體經(jīng)與之相連的導流管導出，同時在導流管外施加強烈電磁攪拌和冷卻，來獲得等軸、細化、均質(zhì)的半固態(tài)金屬漿料；最后，經(jīng)過導流管的金屬液進入一個保溫器。經(jīng)保溫處理后的上述漿料可以直接被輸送到壓鑄、軋制、模鍛等常規(guī)成形設備上進行流變成形，或者被澆注到結(jié)晶器內(nèi)制成半固態(tài)連鑄坯，用于觸變成形。本發(fā)明優(yōu)點在于工藝先進、設備簡單、容易控制、實用性強；漿料成本低、產(chǎn)量大、質(zhì)量高。
文檔編號B22D27/02GK1772414SQ20041009063
公開日2006年5月17日 申請日期2004年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月10日
發(fā)明者張志峰, 徐駿, 石力開, 朱學新, 田戰(zhàn)峰, 楊必成, 謝麗君 申請人:北京有色金屬研究總院