專利名稱：半固態(tài)合金成型工藝及其所用成型裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半固態(tài)合金加工領(lǐng)域，尤其涉及一種半固態(tài)合金成型工藝及其所用成型裝置。
背景技術(shù)：
20世紀(jì)70年代初，美國麻省理工學(xué)院D. B. Spencer等人在自制的高溫粘度計(jì)中測量Sn-151^合金高溫粘度時(shí)，發(fā)現(xiàn)了金屬在凝固過程中的特殊力學(xué)行為，即金屬在凝固過程中進(jìn)行強(qiáng)力攪拌，使枝晶破碎，得到一種液態(tài)金屬母液中均勻地懸浮著一定固相組分的固液混合漿料(固相率甚至可高達(dá)60% )，具有很好的流動性，易于通過普通加工方法制成產(chǎn)品，并被冠以半固態(tài)加工技術(shù)。該技術(shù)可以近終形生產(chǎn)致密性好，組織均勻，宏觀偏析少鑄件；且材料利用率高；能耗低。半固態(tài)加工技術(shù)的關(guān)鍵步驟在于如何制備液態(tài)金屬母液中均勻地懸浮著一定固相組分的固液混合的漿料。已公開資料的研究表明，制備半固態(tài)漿料的方法有機(jī)械攪拌法、 電磁攪拌法、冷卻斜槽法、應(yīng)變誘發(fā)熔化激活技術(shù)、晶粒細(xì)化和重熔法、紊流效應(yīng)法等。機(jī)械攪拌法原理是利用機(jī)械攪拌力將凝固中的初生相枝晶打碎，獲得半固態(tài)的組織。該方法可獲得很高的剪切速率，但是存在攪拌死角，容易污染合金，卷入氣體；電磁攪拌法原理是利用電磁力將凝固中的枝晶打碎，從而獲得半固態(tài)漿料，該方法可獲得純凈的合金漿料，但是由于受“集膚效應(yīng)”的影響，難以生產(chǎn)大尺寸的鑄錠坯料，而且單純的電磁攪拌法制備半固態(tài)漿料，設(shè)備復(fù)雜，成本較高；冷卻斜槽法冷是在1998年由日本UBE株式會社發(fā)明用于制備鋁合金和鎂合金的半固態(tài)坯料的新工藝，已在歐洲申請了專利。該法原理是將略高于液相線溫度的熔融金屬倒在刷有涂料的冷卻板上，由于傾斜板的冷卻作用，在板壁上有細(xì)小的晶粒形核并長大，金屬流體的沖刷和物體的自重作用使晶粒從板壁上滾落，以達(dá)到攪拌效果，從而達(dá)到細(xì)化晶粒，獲得理想的微觀組織的目的。該方法可以快捷地生產(chǎn)半固態(tài)漿料， 但是由于刷有涂料的斜槽表面減弱了斜槽的激冷作用，而不能獲得較理想的半固態(tài)組織； 應(yīng)變誘發(fā)熔化激活技術(shù)、晶粒細(xì)化和重熔法、紊流效應(yīng)法等僅僅適用某些特殊的合金，難以工業(yè)化。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述問題，本發(fā)明旨在公開一種半固態(tài)合金成型工藝及其所用成型裝置，以解決冷卻斜槽法難以制備理想的半固態(tài)漿料的問題。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是這樣實(shí)現(xiàn)的一種半固態(tài)合金成型工藝，包括如下步驟(1)熔煉澆注用過熱合金液，經(jīng)除氣和扒渣后，控制合金液的溫度在其液相線以上 0 150°C ；(2)將合金液倒入激冷斜槽上方的中間包中，調(diào)節(jié)合金液溫度至澆注溫度，并調(diào)節(jié)中間包底部澆口距離激冷斜槽工作表面上端澆注位置的高度在50-200mm，以控制合金液在激冷斜槽工作表面上的初速度；(3)所述合金液自中間包落入激冷斜槽，并在流過所述激冷斜槽工作表面的同時(shí)受到電磁攪拌作用，產(chǎn)生大量初生相晶核，初生相晶核在自身重力作用下迅速脫離所述激冷斜槽進(jìn)入金屬流，最終在激冷斜槽下端得到富含大量球晶的半固態(tài)漿料。進(jìn)一步的，步驟(3)中，所述激冷斜槽的工作表面與水平面的角度在0-60°范圍內(nèi)可調(diào)。進(jìn)一步的，步驟(3)中，所述電磁攪拌的輸入電壓大于0，而小于等于380V。本發(fā)明同時(shí)公開了上述半固態(tài)合金成型工藝所用的成型裝置，包括中間包、激冷斜槽及用于支撐所述激冷斜槽的固定底座I，所述中間包底部澆口距離激冷斜槽工作表面上端澆注位置的高度在50-200mm可調(diào)，通過連接于所述固定底座I上的高度可調(diào)的升降支架I調(diào)節(jié)所述激冷斜槽的角度，其特征在于還包括電磁攪拌器和用于支撐所述電磁攪拌器的固定底座II，所述電磁攪拌器套于所述激冷斜槽的側(cè)壁上并可沿所述激冷斜槽的工作表面移動，通過連接于所述固定底座 II上的高度可調(diào)的升降支架II調(diào)節(jié)所述電磁攪拌器的角度與所述激冷斜槽的角度一致。進(jìn)一步的，所述激冷斜槽是內(nèi)部通冷卻循環(huán)水的U型或半圓筒型不銹鋼結(jié)構(gòu)，表面刷有涂料。所述激冷斜槽的工作表面與水平面的角度在0-60°范圍內(nèi)可調(diào)。所述的電磁攪拌器的輸入電壓大于0，小于等于380V。本發(fā)明新型裝置包括中間包、激冷斜槽及其固定底座、電磁攪拌器及其固定底座。 電磁攪拌器套于激冷斜槽上并且可以自由移動。當(dāng)過熱的合金液倒入斜槽后，合金液流經(jīng)斜槽時(shí)在斜槽壁發(fā)生激冷，同時(shí)受電磁力的作用，大量形核。隨后初生相晶核受合金液的沖刷和自重的作用，從斜槽壁脫離進(jìn)入合金液。最終得到初生相又細(xì)又圓的半固態(tài)漿料。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明將電磁攪拌法與冷卻斜槽法有機(jī)的結(jié)合，也即在激冷形核的同時(shí)適時(shí)伴隨電磁攪拌的效果，并通過調(diào)節(jié)電磁攪拌器的位置、輸入電壓、斜槽傾角、 澆注溫度和合金液進(jìn)入斜槽的初始速度來控制初生相的生長，進(jìn)而得到不同的組織；有效避免了單一的電磁攪拌法或冷卻斜槽法半固態(tài)合金成型工藝所存在的難以克服的弊端，工藝流程短，設(shè)備簡單，生產(chǎn)成本控制合理，尤其是細(xì)化和球化效果好，形成了更為理想的半固態(tài)合金漿料。


圖1是實(shí)施例所述成型裝置的示意圖；圖中1.中間包，2.石墨塞棒，3.熱電偶，4.激冷斜槽，5.電磁攪拌器，6.固定底座I， 7.升降支架I，8.冷卻水出口，9.冷卻水入口，10.合金液流，11.冷卻水箱加鑄模，12.固定底座II，13升降支架II。圖2是A向視圖。圖3是現(xiàn)有的冷卻斜槽法所得的半固態(tài)組織的顯微照片。圖4是實(shí)施例所得半固態(tài)組織的顯微照片。
具體實(shí)施方式
現(xiàn)以A356合金為例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的描述。一種半固態(tài)合金成型工藝所用的成型裝置，包括中間包1、激冷斜槽4及用于支撐所述激冷斜槽4的固定底座16，所述中間包1底部澆口距離激冷斜槽4工作表面上端澆注位置的高度在50-200mm可調(diào)，通過連接于所述固定底座16上的高度可調(diào)的升降支架17調(diào)節(jié)所述激冷斜槽4的角度；還包括電磁攪拌器5和用于支撐所述電磁攪拌器5的固定底座 1112，所述電磁攪拌器5套于所述激冷斜槽4的側(cè)壁上并可沿所述激冷斜槽4的工作表面移動，通過連接于所述固定底座1112上的高度可調(diào)的升降支架1113調(diào)節(jié)所述電磁攪拌器 5的角度與所述激冷斜槽4的角度一致。進(jìn)一步的，所述激冷斜槽4是內(nèi)部通冷卻循環(huán)水的U型或半圓筒型不銹鋼結(jié)構(gòu)，長度1000mm，表面刷有涂料。所述激冷斜槽4的工作表面與水平面的角度在0-60°范圍內(nèi)可調(diào)。改變角度可以改變電磁攪拌的作用時(shí)間和斜槽的剪切作用。斜槽下方放置鑄模或者鏈接成型設(shè)備。所述的電磁攪拌器5為兩相兩對極的，或三相三對極的，長度400mm，輸入電壓大于0，小于等于380V。其半固態(tài)合金成型工藝如下(1)將工業(yè)用A356合金在電阻爐中加熱到750°C熔化，并除氣精煉；將合金液倒入中間包中，調(diào)整合金液溫度至澆注溫度690°C，并保溫10 20分鐘，使合金液溫度均勻；(2)調(diào)整保溫爐底部澆口距離斜槽頂部高度為50mm，調(diào)整電磁攪拌器上端距離斜槽上端的距離為400謹(jǐn)，輸入電壓200V ；(3)打開電磁攪拌器，拔掉石墨塞棒，使合金流入斜槽角度為45°、表面刷有氮化硼(六方型)的斜槽；(4)在合金液流經(jīng)斜槽過程中，由于斜槽的激冷作用和電磁力的攪拌作用，在斜槽表面產(chǎn)生大量的初生相晶核，初生相晶核在不斷地向下流動中受到?jīng)_刷和電磁力的攪拌， 不斷長大成球狀晶，最終激冷斜槽下端獲得富含大量球狀晶的半固態(tài)漿料。(5)在激冷斜槽下端安放一個(gè)銅鑄模，半固態(tài)漿料從斜槽下端流入鑄模后，快速淬火，然后取樣觀察其金相組織，如圖4所示。將其與現(xiàn)有技術(shù)中未加電磁攪拌的冷卻斜槽法獲得的半固態(tài)組織，如圖3所述， 加以比較，可以看出，施加電磁攪拌后的半固態(tài)組織初生相更加細(xì)小，呈球狀。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種半固態(tài)合金成型工藝，包括如下步驟(1)熔煉澆注用過熱合金液，經(jīng)除氣和扒渣后，控制合金漿料的溫度在其液相線以上 0 150°C ；(2)將合金液倒入激冷斜槽上方的中間包中，調(diào)節(jié)合金液溫度至澆注溫度，并調(diào)節(jié)中間包底部澆口距離激冷斜槽工作表面上端澆注位置的高度在50-200mm，以控制合金液在激冷斜槽工作表面上的初速度；(3)所述合金液自中間包落入激冷斜槽，并在流過所述激冷斜槽工作表面的同時(shí)受到電磁攪拌作用，產(chǎn)生大量初生相晶核，初生相晶核在自身重力作用下迅速脫離容器壁進(jìn)入金屬流，最終在在激冷斜槽下端得到富含大量球晶的半固態(tài)漿料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半固態(tài)合金成型工藝，其特征在于步驟(3)中，所述激冷斜槽的工作表面與水平面的角度在0-60°范圍內(nèi)可調(diào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的半固態(tài)合金成型工藝，其特征在于步驟(3)中，所述電磁攪拌的輸入電壓大于0，而小于等于380V。
4.一種如權(quán)利要求1所述的半固態(tài)合金成型工藝所用的成型裝置，包括中間包、激冷斜槽及用于支撐所述激冷斜槽固定底座L，所述中間包底部澆口距離激冷斜槽工作表面上端澆注位置的高度在50-200mm可調(diào)，通過連接于所述固定底座I上的高度可調(diào)的升降支架 I調(diào)節(jié)所述激冷斜槽的角度，其特征在于還包括電磁攪拌器和用于支撐所述電磁攪拌器的固定底座II，所述電磁攪拌器套于所述激冷斜槽的側(cè)壁上并可沿所述激冷斜槽的工作表面移動，并通過連接于所述固定底座II 上的高度可調(diào)的升降支架II調(diào)節(jié)所述電磁攪拌器的角度與所述激冷斜槽的角度一致。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的成型裝置，其特征在于所述激冷斜槽是內(nèi)部通冷卻循環(huán)水的U型或半圓筒型不銹鋼結(jié)構(gòu)，表面刷有涂料。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的成型裝置，其特征在于所述激冷斜槽的工作表面與水平面的角度在0-60°范圍內(nèi)可調(diào)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4-6任一所述的成型裝置，其特征在于所述的電磁攪拌器的輸入電壓大于0，小于等于380V。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種半固態(tài)合金成型工藝及其所用成型裝置。所述成型裝置在普通的冷卻斜槽上施加電磁攪拌。過熱合金液在流進(jìn)斜槽時(shí)，受到斜槽激冷和電磁攪拌的雙重作用，在斜槽壁上大量形核。這些初生的晶核在自重的作用下脫離斜槽壁進(jìn)入合金液中，最后形成富含大量球晶的半固態(tài)漿料。通過調(diào)節(jié)電磁攪拌器的位置、輸入電壓、斜槽傾角、澆注溫度和合金液進(jìn)入斜槽的初始速度來控制初生相的生長，進(jìn)而得到不同的組織。本發(fā)明工藝流程短，設(shè)備簡單，克服了單一電磁攪拌法和斜槽冷卻法的缺點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號B22D27/02GK102240796SQ201110175780
公開日2011年11月16日 申請日期2011年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月27日
發(fā)明者左世斌, 徐軍, 曹志強(qiáng), 李廷舉, 王同敏 申請人:大連理工大學(xué)