專利名稱：一種鑄造用半固態(tài)漿料的制備方法和制備裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及材料領(lǐng)域，是一種鑄造用半固態(tài)漿料的制備方法和制備裝置。
背景技術(shù)：
近年來，金屬半固態(tài)加工成形技術(shù)越來越引起人們的重視。半固態(tài)鑄造成形技術(shù)因其比傳統(tǒng)的液態(tài)鑄造具有提高產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約能源、生產(chǎn)率高等特點(diǎn)，被認(rèn)為是二十一世紀(jì)最重要的金屬加工成形技術(shù)之一。金屬半固態(tài)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(qū)間，并在凝固過程中對合金施加強(qiáng)烈的攪拌，使其固相以大量細(xì)小的等軸晶或球晶形式懸浮在液相中形成半固態(tài)漿料，并通過射出器將半固態(tài)漿料注入型腔完成后續(xù)的成形及完全凝固。而觸變鑄造則是指先將制備好的半固態(tài)漿料鑄成為錠，切割成一定尺寸的坯料，使用時(shí)再重新加熱到固液兩相共存區(qū)間的半固態(tài)狀態(tài)，然后經(jīng)由鑄造實(shí)現(xiàn)零件成形。由于觸變鑄造半固態(tài)漿料本身的力學(xué)特性，通常觸變鑄造是通過壓鑄方式實(shí)現(xiàn)的。由于半固態(tài)漿料中固相質(zhì)點(diǎn)的數(shù)量和尺度與鑄件質(zhì)量性能有直接的聯(lián)系，無論是流變鑄造還是觸變鑄造技術(shù)，往往還需要采用化學(xué)方法來促進(jìn)晶粒細(xì)化。
與傳統(tǒng)的液態(tài)鑄造相比，半固態(tài)漿料由于具備較好的均質(zhì)化特性，其中存在較為豐富的固相質(zhì)點(diǎn)，在凝固過程中可以構(gòu)成大量的生長核心，使得鑄件凝固組織細(xì)小均勻，同時(shí)半固態(tài)漿料制備過程中的對流剪切作用使普通鑄造易于形成的樹枝晶網(wǎng)絡(luò)骨架消失而保留分散的顆粒狀組織形態(tài)，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(chǎn)生的幾率，可以有效消除偏析、裂紋等缺陷，并顯著改善鑄件的機(jī)械性能。同時(shí)，半固態(tài)漿料在液固兩相區(qū)仍然具有良好的流動性，對于壓鑄技術(shù)而言，采用半固態(tài)漿料的成形溫度可以遠(yuǎn)低于同種合金液態(tài)澆注時(shí)的溫度，在很大程度上延長了鑄模的使用時(shí)間。此外，半固態(tài)漿料本身所具有的高流動性，使得半固態(tài)壓鑄過程中可以采用低速壓鑄，避免了高速壓鑄卷入氣體的缺點(diǎn)，使得半固態(tài)壓鑄件可以通過后續(xù)熱處理來強(qiáng)化合金性能。這些優(yōu)點(diǎn)使半固態(tài)鑄造技術(shù)成為廣泛關(guān)注的先進(jìn)新技術(shù)。
目前半固態(tài)鑄造技術(shù)推廣所遭遇的主要困難是其生產(chǎn)成本通常高于傳統(tǒng)的液態(tài)鑄造技術(shù)；而另一方面，鑄造企業(yè)比以往更注重降低成本。觸變鑄造由于本身觸變鑄錠生產(chǎn)和運(yùn)輸較為簡單，曾經(jīng)是工業(yè)生產(chǎn)中主要采用的半固態(tài)鑄造技術(shù)，但今天其主角地位正在逐步讓位于流變鑄造，其原因在于流變鑄造所的鑄件的性能通常要優(yōu)于觸變鑄造所生產(chǎn)的鑄件，應(yīng)用方式更為多樣，同時(shí)流變鑄造所使用的半固態(tài)漿料的生產(chǎn)和運(yùn)輸問題也逐步得到了解決。為降低半固態(tài)鑄造技術(shù)的應(yīng)用成本，專利號為6880613的美國專利提出了一種新的半固態(tài)漿料產(chǎn)生方法，這種方法將兩種合金置于不同的坩堝中并預(yù)先加熱到不同的給定溫度，而后將兩種金屬匯集使?jié){料溫度調(diào)整為適當(dāng)?shù)臄?shù)值并保持特定時(shí)間以形成半固態(tài)漿料。將這種方法制備好的半固態(tài)漿料注入鑄型，即可完成流變鑄造過程。
即便如此，現(xiàn)有的半固態(tài)漿料制備方法仍然存在設(shè)備復(fù)雜、生產(chǎn)成本較高、漿料質(zhì)量較差的問題，難于得到大規(guī)模推廣應(yīng)用，目前還停留在實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段。

發(fā)明內(nèi)容為克服現(xiàn)有技術(shù)中存在半固態(tài)漿料制備方法中所存在的設(shè)備復(fù)雜、成本較高的不足，同時(shí)提高半固態(tài)漿料質(zhì)量，本發(fā)明提出了一種新的半固態(tài)漿料制備方法。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是采用激冷的方法或者采用激冷與機(jī)械振動的方法獲取半固態(tài)漿料，即令熔化后的金屬液沿著具有冷卻作用的導(dǎo)流器流動到鑄型中，并將導(dǎo)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(jīng)導(dǎo)流器時(shí)在其內(nèi)壁激冷結(jié)晶生長，同時(shí)在金屬液本身的流動沖刷作用下，使激冷細(xì)晶產(chǎn)生縮頸，斷裂或破碎，進(jìn)而被液流沖刷斷裂融入液流，從而形成液固共存的半固態(tài)漿料，將制備好的漿料注入鑄型，完成半固態(tài)鑄造。
本發(fā)明的優(yōu)選方案之一是通過控制導(dǎo)流器的溫度，使金屬液在流經(jīng)導(dǎo)流器時(shí)在其內(nèi)壁激冷結(jié)晶生長，并利用金屬液本身的運(yùn)動，使激冷細(xì)晶產(chǎn)生縮頸，斷裂或破碎，進(jìn)而被液流沖刷斷裂融入液流，從而形成液固共存的半固態(tài)漿料；本發(fā)明的優(yōu)選方案之二是通過對導(dǎo)流器的強(qiáng)制冷卻提高結(jié)晶效率；或者對導(dǎo)流器施加振動，提高激冷細(xì)晶的游離、斷裂和增殖；
本發(fā)明的優(yōu)選方案之三是對導(dǎo)流器外壁強(qiáng)制冷卻的同時(shí)，還通過對導(dǎo)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(chǎn)率并改善半固態(tài)漿料質(zhì)量。
本發(fā)明中，通過預(yù)冷、預(yù)熱，或外裝溫控器的方式將導(dǎo)流器溫度置于低于合金液相線溫度的數(shù)值。
本發(fā)明所提出的鑄造用半固態(tài)漿料的制備過程是第一步，將導(dǎo)流器置于室溫；第二步，將合金置于坩堝中加熱以形成金屬液，對金屬液保溫后打開導(dǎo)流器入口處的閥門，使金屬液沿導(dǎo)流器向鑄型流動。金屬液流經(jīng)導(dǎo)流器時(shí)，在導(dǎo)流器的激冷作用下迅速在導(dǎo)流器器壁上結(jié)晶，并以激冷晶為核心沿徑向向?qū)Я髌鲀?nèi)部生長為較為發(fā)達(dá)的枝晶。形成的固相枝臂在液流的沖刷作用下碎斷進(jìn)入液流，并在導(dǎo)流器中心過熱金屬液的作用下部分重熔并進(jìn)一步分裂，其形貌向半固態(tài)球晶轉(zhuǎn)化，形成更多的生核核心，同時(shí)使?jié){料成分及兩相分布得到均化。
第三步，將制備好的半固態(tài)漿料注入鑄型并完成零件的凝固成形。
本發(fā)明還提出了一種用于制備半固態(tài)漿料的裝置。該裝置包括坩堝和高導(dǎo)熱導(dǎo)流器，其中，坩堝底部有導(dǎo)流口，導(dǎo)流器使用金屬或陶瓷材料，其結(jié)構(gòu)為管或槽結(jié)構(gòu)。將導(dǎo)流器一端固定連接在導(dǎo)流口上，并在導(dǎo)流口上安裝一開關(guān)控制閥門；導(dǎo)流器的另一端作為金屬液的出口，與鑄型對接。為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的優(yōu)選方案一，在導(dǎo)流器上固定安裝有溫控器，并且該溫控器與導(dǎo)流器之間形成良好的熱接觸，以控制導(dǎo)流器溫度；為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的優(yōu)選方案二，在導(dǎo)流器外壁加裝溫控器對導(dǎo)流器強(qiáng)制冷卻，以提高結(jié)晶效率；或者在導(dǎo)流器外壁上加裝起振器，對導(dǎo)流器施加振動，以提高激冷細(xì)晶的游離、斷裂和增殖；為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的優(yōu)選方案三，在導(dǎo)流器外壁加裝溫控器的同時(shí)，還在導(dǎo)流器外壁加裝起振器，以在強(qiáng)制冷卻的同時(shí)，還通過振動的方式提高凝固層和枝晶臂的游離、破碎。
由于本發(fā)明所采取的技術(shù)方案，金屬液在特定的條件下流經(jīng)導(dǎo)流器時(shí)會在管壁上形成激冷晶生長層。金屬液對枝晶的沖刷會導(dǎo)致生成的枝晶臂熔斷或斷裂、破碎并進(jìn)入液流形成離散游離晶粒，并在隨金屬熔體的流動游離過程中產(chǎn)生熟化，并導(dǎo)致界面形貌向球晶趨近；通過對導(dǎo)流器進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，可以改變導(dǎo)流器壁附近的溫度場分布，提高晶粒增殖效果，同時(shí)使激冷枝晶生長更為發(fā)達(dá)，枝晶臂間出現(xiàn)明顯的溶質(zhì)富集并出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象，更易于在液流沖刷下斷裂；通過對導(dǎo)流器施加振動，有助于提高固相和枝晶臂的斷裂率和分裂率，改善金屬液和導(dǎo)流器壁間的換熱條件，枝晶更為發(fā)達(dá)，使?jié){料中的固相質(zhì)點(diǎn)更為豐富地彌散分布，促進(jìn)其熟化過程。因此，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案可以更高效地生產(chǎn)高質(zhì)量的半固態(tài)漿料，具有成本低、制備工藝簡單、鑄件的凝固組織細(xì)小均勻、機(jī)械性能好的特點(diǎn)。


附圖1是半固態(tài)漿料制備裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；附圖2是有溫控器的半固態(tài)漿料制備裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；附圖3是有起振器的半固態(tài)漿料制備裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；附圖4是同時(shí)加裝有溫控器和起振器的半固態(tài)漿料制備裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
其中1.鑄型 2.導(dǎo)流器3.坩堝4.金屬液5.閥門6.溫控器7.起振器8.進(jìn)氣管具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明所使用的裝置進(jìn)行說明。
實(shí)施例一本實(shí)施例是制備鋁合金半固態(tài)漿料，所應(yīng)用的合金牌號為ZL101。
本實(shí)施例采用直接利用導(dǎo)流器的熱容對金屬液進(jìn)行冷卻的方式，適用于單次少量半固態(tài)漿料的產(chǎn)生，可直接利用銅管的熱容對合金液進(jìn)行激冷作用。
實(shí)施中，將熔化后的金屬液通過具有冷卻作用的高導(dǎo)熱導(dǎo)流器引入鑄型，將導(dǎo)流器的溫度控制在合金的液相線溫度以下，使金屬液在導(dǎo)流器內(nèi)壁結(jié)晶生長為枝晶形貌，并被液流沖刷斷裂后進(jìn)入液相，形成半固態(tài)漿料。
實(shí)施此方法的裝置(附圖1)包括金屬液保溫坩堝3、導(dǎo)流器2和鑄型1。其中，導(dǎo)流器2為壁厚1厘米的銅制圓管，一端通過螺紋固定連接在位于保溫坩堝3底部的導(dǎo)流口上，并在該導(dǎo)流器2與保溫坩堝3底部的連接處安裝一開關(guān)控制閥門5；導(dǎo)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(dǎo)流器置于室溫；
第二步，將合金置于坩堝3中加熱到750℃以形成金屬液4，其液面高度調(diào)整為5厘米，對金屬液4保溫30分鐘后打開導(dǎo)流器2入口處的閥門5；金屬液4在重力作用下沿導(dǎo)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(jīng)導(dǎo)流器2時(shí)，在導(dǎo)流器2的激冷作用下迅速在導(dǎo)流器2器壁上結(jié)晶并以激冷晶為核心沿徑向向?qū)Я髌?內(nèi)部生長為較為發(fā)達(dá)的枝晶。形成的固相枝臂在液流的沖刷作用下碎斷進(jìn)入液流，并在導(dǎo)流器2中心過熱金屬液的作用下部分重熔并進(jìn)一步分裂，其形貌向半固態(tài)球晶轉(zhuǎn)化，形成更多的生核核心，同時(shí)使?jié){料成分及兩相分布得到均化。制備好的半固態(tài)漿料注入鑄型1并完成零件的凝固成形。
實(shí)施例二本實(shí)施例是制備鎂合金半固態(tài)漿料，所應(yīng)用的合金牌號為ZM5。
本實(shí)施例采用在導(dǎo)流器外壁加裝溫控器對導(dǎo)流器強(qiáng)制冷卻的方式，適用于大批量半固態(tài)漿料的產(chǎn)生。
實(shí)施中，將熔化后的金屬液通過具有冷卻作用的高導(dǎo)熱導(dǎo)流器引入鑄型，并通過加裝在導(dǎo)流器外壁上的溫控器，對附著于導(dǎo)流器內(nèi)壁上的金屬液強(qiáng)制冷卻，使金屬液在導(dǎo)流器內(nèi)壁結(jié)晶生長為發(fā)達(dá)的枝晶形貌，并被液流沖刷斷裂后進(jìn)入液相，形成半固態(tài)漿料。
實(shí)施此方法的裝置(附圖2)包括金屬液保溫坩堝3、導(dǎo)流器2、溫控器6和鑄型1，其中，保溫坩堝3的底部有導(dǎo)流口，導(dǎo)流器2為鑄鐵薄壁槽結(jié)構(gòu)，一端通過螺栓固定連接在位于保溫坩堝3底部的導(dǎo)流口上，并在該導(dǎo)流器與保溫坩堝3底部的連接處安裝一開關(guān)控制閥門5；導(dǎo)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(dǎo)流器2上，內(nèi)部設(shè)置冷卻劑流道以控制導(dǎo)流器2的溫度，本實(shí)施例中，通過循環(huán)水實(shí)施冷卻。具體過程是第一步，將ZM5合金置于保溫坩堝3中加熱到720℃以形成金屬液4，同時(shí)啟動溫控器6的循環(huán)水，對導(dǎo)流器2進(jìn)行冷卻，將其溫度控制在60±10℃；第二步，調(diào)整金屬液液面高度調(diào)整為12厘米，將金屬液保溫20分鐘后打開導(dǎo)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(dǎo)流器2向鑄型1流動。
金屬液4流經(jīng)導(dǎo)流器2時(shí)，在導(dǎo)流器2的激冷作用下迅速在導(dǎo)流器2器壁上結(jié)晶并以激冷晶為核心沿徑向向?qū)Я髌?內(nèi)部生長為較為發(fā)達(dá)的枝晶。形成的固相枝臂在液流的沖刷作用下碎斷，在液流的沖刷以及中心金屬液過熱的作用下固相碎片部分重熔并進(jìn)一步分裂，其形貌向半固態(tài)球晶轉(zhuǎn)化，形成更多的生核核心，同時(shí)使?jié){料成分及兩相分布得到均化。導(dǎo)流器2內(nèi)壁的固相脫落后金屬液4直接與器壁接觸，有利于金屬液繼續(xù)在器壁上結(jié)晶并進(jìn)行生長，這也提高了半固態(tài)漿料的產(chǎn)生效率。制備好的半固態(tài)漿料注入鑄型1并完成零件的凝固成形。
實(shí)施例三本實(shí)施例是制備鎂合金半固態(tài)漿料，所應(yīng)用的合金牌號為AZ91。
本實(shí)施例采用在導(dǎo)流器外壁加裝起振裝置對導(dǎo)流器強(qiáng)制振動的方式，適用于小批量高質(zhì)量半固態(tài)漿料的產(chǎn)生。
實(shí)施中，將熔化后的金屬液通過具有冷卻作用的高導(dǎo)熱導(dǎo)流器引入鑄型，將導(dǎo)流器的溫度控制在合金的液相線溫度以下，使金屬液在導(dǎo)流器內(nèi)壁結(jié)晶生長為枝晶形貌，并被液流沖刷斷裂后進(jìn)入液相。通過加裝在導(dǎo)流器外壁上的起振裝置，對附著于導(dǎo)流器內(nèi)壁上的固相金屬強(qiáng)制振動，使導(dǎo)流器內(nèi)壁粘附的固相碎裂，同時(shí)細(xì)化漿料內(nèi)的固相顆粒，從而獲得高質(zhì)量的半固態(tài)漿料。
實(shí)施此方法的裝置(附圖3)包括金屬液保溫坩堝3、導(dǎo)流器2、起振器7和鑄型1，其中，保溫坩堝3的底部有導(dǎo)流口，導(dǎo)流器2為壁厚1.8厘米的銅制圓管結(jié)構(gòu)，一端通過螺紋固定連接在位于保溫坩堝3底部的導(dǎo)流器2上，并在該導(dǎo)流器2與保溫坩堝3底部的連接處安裝一開關(guān)控制閥門5；導(dǎo)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(dǎo)流器2上。
本實(shí)施例中，起振器7的振動通過偏心式電機(jī)振動器實(shí)現(xiàn)，所使用的電機(jī)為200W，電機(jī)軸以每分鐘300轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)，帶動偏心輪轉(zhuǎn)動形成5Hz的機(jī)械振動；工作頻率為同時(shí)，保溫坩堝3為裝有進(jìn)氣管8的密封結(jié)構(gòu)，通過進(jìn)氣加壓形成內(nèi)外壓差的方法對金屬液4在導(dǎo)流器2中的流動速度進(jìn)行控制。具體過程是第一步，將合金置于坩堝3中加熱到700℃以形成金屬液4，并將導(dǎo)流器置于室溫；第二步，金屬液4保溫30分鐘后打開導(dǎo)流器2入口處的閥門5，向封閉坩堝內(nèi)充入氣體，使金屬液4在1KPa的壓差作用下沿導(dǎo)流器2以0.8±0.2m/s的速度向鑄型1流動，同時(shí)啟動起振器7的電源，對導(dǎo)流器2進(jìn)行強(qiáng)制振動，振動器7工作頻率為如前所述的5Hz。
金屬液4流經(jīng)導(dǎo)流器2時(shí)，在導(dǎo)流器2的激冷作用下迅速在導(dǎo)流器2器壁上結(jié)晶并以激冷晶為核心沿徑向向?qū)Я髌?內(nèi)部生長為枝晶。形成的固相枝臂在液流的沖刷作用下碎斷進(jìn)入液流，同時(shí)起振器7產(chǎn)生的機(jī)械振動通過導(dǎo)流器2作用于內(nèi)壁附著的固相，使其碎裂進(jìn)入金屬液流。在液流的沖刷以及中心金屬液過熱的作用下固相碎片部分重熔并進(jìn)一步分裂，其形貌向半固態(tài)球晶轉(zhuǎn)化，形成更多的生核核心，同時(shí)使?jié){料成分及兩相分布得到均化。導(dǎo)流器2內(nèi)壁的固相脫落后金屬液4直接與器壁接觸，有利于金屬液2繼續(xù)在器壁上結(jié)晶生長并持續(xù)脫落、增殖、熟化，從而提高了半固態(tài)漿料的生產(chǎn)效率和質(zhì)量。制備好的半固態(tài)漿料注入鑄型1并完成零件的凝固成形。
實(shí)施例四本實(shí)施例是制備鋁合金半固態(tài)漿料，所應(yīng)用的合金牌號為ZL114。
本實(shí)施例采用在導(dǎo)流器外壁同時(shí)加裝溫控器和起振裝置對導(dǎo)流器強(qiáng)制冷卻及振動的方式，適用于大批量高質(zhì)量半固態(tài)漿料的產(chǎn)生。
實(shí)施中，將熔化后的金屬液以通過具有冷卻作用的高導(dǎo)熱導(dǎo)流器引入鑄型，將導(dǎo)流器的溫度控制在合金的液相線溫度以下，使金屬液在導(dǎo)流器內(nèi)壁結(jié)晶生長為枝晶形貌，并被液流沖刷斷裂后進(jìn)入液相。通過加裝在導(dǎo)流器外壁上的起振裝置，對附著于導(dǎo)流器內(nèi)壁上的固相金屬強(qiáng)制振動，使導(dǎo)流器內(nèi)壁粘附的固相碎裂，同時(shí)細(xì)化漿料內(nèi)的固相顆粒，從而獲得高質(zhì)量的半固態(tài)漿料。
實(shí)施此方法的裝置(附圖4)包括金屬液保溫坩堝3、導(dǎo)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(dǎo)流口，導(dǎo)流器2為陶瓷斜槽結(jié)構(gòu)，一端通過螺紋固定連接在位于保溫坩堝3底部的導(dǎo)流器2上，并在導(dǎo)流器2與保溫坩堝3底部的連接處安裝一開關(guān)控制閥門5；導(dǎo)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(dǎo)流器2上，其內(nèi)部設(shè)置冷卻劑流道以控制導(dǎo)流器2的溫度；起振器7通過螺栓固定在導(dǎo)流器2上。
本實(shí)施例中，溫控器6使用硅油作為冷卻劑，將導(dǎo)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(shí)現(xiàn)，參考凝固固液相區(qū)的特征共振特性，選擇氣動振動器工作頻率為250Hz；同時(shí)，保溫坩堝3為裝有進(jìn)氣管8的密封結(jié)構(gòu)，通過進(jìn)氣加壓形成內(nèi)外壓差的方法對金屬液4在導(dǎo)流器2中的流動速度進(jìn)行控制。具體過程是第一步，將ZL114合金置于保溫坩堝3中加熱到740℃以形成金屬液4；第二步，金屬液4保溫30分鐘后打開導(dǎo)流器2入口處的閥門5，向密封坩堝3內(nèi)充入氣體，使金屬液4在1.5KPa的壓差作用下沿導(dǎo)流器2以0.2±0.05m/s的速度向鑄型1流動，同時(shí)啟動溫控器6和起振器7的電源，對導(dǎo)流器2進(jìn)行強(qiáng)制冷卻和振動。
金屬液4流經(jīng)導(dǎo)流器2時(shí)，在導(dǎo)流器2的激冷作用下迅速在導(dǎo)流器2器壁上結(jié)晶并以激冷晶為核心沿徑向向?qū)Я髌?內(nèi)部生長為發(fā)達(dá)的枝晶。形成的固相枝臂在液流的沖刷作用下碎斷進(jìn)入液流，同時(shí)起振器7產(chǎn)生的機(jī)械振動通過導(dǎo)流器2作用于內(nèi)壁附著的固相，使其碎裂進(jìn)入金屬液流。在液流的沖刷、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并進(jìn)一步分裂，其形貌向半固態(tài)球晶轉(zhuǎn)化，形成更多的生核核心，同時(shí)使?jié){料成分及兩相分布得到均化。導(dǎo)流器2內(nèi)壁的固相脫落后金屬液4直接與器壁接觸，有利于金屬液2繼續(xù)在器壁上結(jié)晶生長并持續(xù)脫落、增殖、熟化，從而提高了半固態(tài)漿料的生產(chǎn)效率和質(zhì)量。制備好的半固態(tài)漿料注入鑄型1并完成零件的凝固成形。
實(shí)施例五本實(shí)施例是制備鋁合金半固態(tài)漿料，所應(yīng)用的合金牌號為ZL101。
本實(shí)施例采用在導(dǎo)流器外壁同時(shí)加裝溫控器和起振裝置對導(dǎo)流器強(qiáng)制冷卻及振動的方式，適用于大批量高質(zhì)量半固態(tài)漿料的產(chǎn)生。
實(shí)施中，將熔化后的金屬液以通過具有冷卻作用的高導(dǎo)熱導(dǎo)流器引入鑄型，將導(dǎo)流器的溫度控制在合金的液相線溫度以下，使金屬液在導(dǎo)流器內(nèi)壁結(jié)晶生長為枝晶形貌，并被液流沖刷斷裂后進(jìn)入液相。通過加裝在導(dǎo)流器外壁上的起振裝置，對附著于導(dǎo)流器內(nèi)壁上的固相金屬強(qiáng)制振動，使導(dǎo)流器內(nèi)壁粘附的固相碎裂，同時(shí)細(xì)化漿料內(nèi)的固相顆粒，從而獲得高質(zhì)量的半固態(tài)漿料。
實(shí)施此方法的裝置(附圖4)包括金屬液保溫坩堝3、導(dǎo)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(dǎo)流口，導(dǎo)流器2為銅制圓管結(jié)構(gòu)，一端通過螺紋固定連接在位于保溫坩堝3底部的導(dǎo)流器2上，并在導(dǎo)流器2與保溫坩堝3底部的連接處安裝一開關(guān)控制閥門5；導(dǎo)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(dǎo)流器2上，其內(nèi)部設(shè)置冷卻劑流道以控制導(dǎo)流器2的溫度；起振器7通過螺栓固定在導(dǎo)流器2上。
本實(shí)施例中，溫控器6使用硅油作為冷卻劑，將導(dǎo)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(fā)生器實(shí)現(xiàn)，依據(jù)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(shí)，保溫坩堝3為裝有進(jìn)氣管8的密封結(jié)構(gòu)，通過進(jìn)氣加壓形成內(nèi)外壓差的方法對金屬液4在導(dǎo)流器2中的流動速度進(jìn)行控制。具體過程是第一步，將ZL114合金置于保溫坩堝3中加熱到750℃以形成金屬液4；第二步，金屬液4保溫30分鐘后打開導(dǎo)流器2入口處的閥門5，向密封坩堝3內(nèi)充入氣體，使金屬液4在3KPa的壓差作用下沿導(dǎo)流器2以0.6±0.1m/s的速度向鑄型1流動，同時(shí)啟動溫控器6和起振器7的電源，對導(dǎo)流器2進(jìn)行強(qiáng)制冷卻和振動。
金屬液4流經(jīng)導(dǎo)流器2時(shí)，在導(dǎo)流器2的激冷作用下迅速在導(dǎo)流器2器壁上結(jié)晶并以激冷晶為核心沿徑向向?qū)Я髌?內(nèi)部生長為發(fā)達(dá)的枝晶。形成的固相枝臂在液流的沖刷作用下碎斷進(jìn)入液流，同時(shí)起振器7產(chǎn)生的機(jī)械振動通過導(dǎo)流器2作用于內(nèi)壁附著的固相，使其碎裂進(jìn)入金屬液流。在液流的沖刷、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并進(jìn)一步分裂，其形貌向半固態(tài)球晶轉(zhuǎn)化，形成更多的生核核心，同時(shí)使?jié){料成分及兩相分布得到均化。導(dǎo)流器2內(nèi)壁的固相脫落后金屬液4直接與器壁接觸，有利于金屬液2繼續(xù)在器壁上結(jié)晶生長并持續(xù)脫落、增殖、熟化，從而提高了半固態(tài)漿料的生產(chǎn)效率和質(zhì)量。制備好的半固態(tài)漿料注入鑄型1并完成零件的凝固成形。
權(quán)利要求
1.一種鑄造用半固態(tài)漿料的制備方法，采用流變鑄造的方法，其特征在于將熔化后的金屬液通過具有冷卻作用的高導(dǎo)熱導(dǎo)流器(2)引入鑄型中(1)，并將導(dǎo)流器(2)的溫度控制在合金的液相線溫度以下，用激冷的方法或者采用激冷與振動相結(jié)合的方法獲取半固態(tài)漿料，其具體過程為第一步，將導(dǎo)流器置于低于合金液相線的溫度；第二步，將合金置于坩堝中加熱以形成金屬液，對金屬液保溫后打開導(dǎo)流器入口處的閥門，使金屬液沿導(dǎo)流器向鑄型流動，并在流動中形成半固態(tài)漿料；第三步，將制備好的半固態(tài)漿料注入鑄型并完成零件的凝固成形。
2.如權(quán)利要求1所述一種鑄造用半固態(tài)漿料的制備方法，其特征在于作為本發(fā)明的優(yōu)選方案之一，采用預(yù)置的方式控制導(dǎo)流器的溫度。
3.如權(quán)利要求1所述一種鑄造用半固態(tài)漿料的制備方法，其特征在于作為本發(fā)明的優(yōu)選方案之二，或者通過對導(dǎo)流器的強(qiáng)制冷卻提高結(jié)晶效率，或者對導(dǎo)流器施加振動，提高激冷細(xì)晶的游離、斷裂和增殖。
4.如權(quán)利要求1所述一種鑄造用半固態(tài)漿料的制備方法，其特征在于作為本發(fā)明的優(yōu)選方案之三，對導(dǎo)流器外壁強(qiáng)制冷卻的同時(shí)，還通過對導(dǎo)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(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述鑄造用半固態(tài)漿料的制備方法的裝置，包括鑄型(1)和坩堝(3)，其特征在于還包括有導(dǎo)流器(2)，并且導(dǎo)流器(2)的一端固定連接在位于坩堝底部的導(dǎo)流口上，另一端與鑄型對接；當(dāng)實(shí)施本發(fā)明的優(yōu)選方案二時(shí)，在導(dǎo)流器(2)的外壁固定加裝溫控器(6)，或者在導(dǎo)流器(2)外壁上固定加裝起振器(7)；當(dāng)實(shí)施本發(fā)明的優(yōu)選方案三時(shí)，在導(dǎo)流器(2)的外壁固定加裝溫控器(6)的同時(shí)，還在導(dǎo)流器(2)的外壁固定加裝起振器(7)。
6.如權(quán)利要求5所述制備鑄造用半固態(tài)漿料的裝置，其特征在于在導(dǎo)流口上安裝開關(guān)控制閥門(5)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鑄造用半固態(tài)漿料的制備方法和制備裝置。為克服現(xiàn)有技術(shù)中設(shè)備復(fù)雜、成本較高的不足，提高半固態(tài)漿料質(zhì)量，本發(fā)明采用激冷或者振動，或者激冷與機(jī)械振動相結(jié)合的方法獲取半固態(tài)漿料，即令熔化后的金屬液沿著具有冷卻作用的導(dǎo)流器(2)流動到鑄型(1)中，并將導(dǎo)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(jīng)導(dǎo)流器時(shí)在其內(nèi)壁激冷結(jié)晶生長，同時(shí)在金屬液本身的流動沖刷作用下，使激冷細(xì)晶產(chǎn)生縮頸，斷裂或破碎，并被液流沖刷斷裂融入液流，從而形成液固共存的半固態(tài)漿料，將制備好的漿料注入鑄型(1)，完成半固態(tài)鑄造。本發(fā)明具有成本低、制備工藝簡單、獲得的半固態(tài)漿料中固相顆粒球化良好且豐富彌散的特點(diǎn)。
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(yōu)先權(quán)日2006年3月8日
發(fā)明者黃衛(wèi)東, 王猛, 林鑫 申請人:西北工業(yè)大學(xué)