CN101181736B - 一种金属零件的半固态流变成形方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种金属零件的半固态流变成形方法及其装置。将液相线温度以上0～40℃的金属液导入盛浆容器中，然后降下超声辐射头，使其距液面1～30mm，启动超声辐射，并以0.1℃/s～3℃/s的冷却速度冷却浆料。超声辐射可为脉冲辐射或非脉冲辐射，超声频率为12kHz～80kHz；辐射体积功率为5W/cm3～100W/cm3，辐射时间为15s～1000s，停止辐射后，浆料浇入成形设备中成形为零件。成形零件组织致密，初生晶粒细小并均匀分布。本发明的装置包括有盛浆容器、调温装置、超声发生及控制单元、套筒、模具和压射杆以及成形设备。该流变成形方法及装置可用于铝、镁、锡、铜和铁等各种合金零件的流变成形。以上方法的优点在于浆料无污染，超声设备寿命长，零件生产效率高。
Description
技术领域
本发明属于半固态金属成形领域，具体涉及一种金属零件的半固态流变成形方法及其装置。
技术背景
所谓半固态金属成形技术，就是当金属液冷却到固相线与液相线之间的温度时，对其施以剧烈的搅拌或扰动、或改变金属的热状态、或加入晶粒细化剂、或进行快速凝固，即改变初生固相的形核和长大过程，得到一种液态金属母液中均匀地悬浮着一定球状初生固相的固-液混合浆料(固相组分一般为50％左右，甚至可达60％)，利用这种固-液混合浆料直接进行成形加工；或先将这种固-液混合浆料完全凝固成坯料，然后根据需要将坯料切分，再将切分的坯料重新加热至固液两相区，利用这种半固态坯料进行成形加工。前种方法叫做流变成形，后种叫做触变成形，这两种方法均称之为半固态金属成形技术。
金属半固态成形技术与传统金属成形技术相比具有提高成形件性能、缩短加工工序、节约能源等优势，因此自发明以来各国研究者都对其理论和技术的研究给予了高度重视。经过多年的发展，特别是近几年来，众多半固态浆料或坯料制备工艺及各种半固态成形技术业竞相问世，但由于现有半固态成形技术各自的缺点，真正应用于工业化生产的技术相当有限。一般根据工艺流程的不同，将金属半固态成形技术分为流变成形和触变成形两大类。由于触变成形的半固态金属坯料与半固态浆料相比，其输送和加热较为方便，并易实现自动化操作，因此长期以来，半固态成形技术的研究和应用主要集中在触变成形工艺上，使其成为目前工业应用中最主要的金属半固态成形工艺方法。但触变成形具有坯料制备成本高，难于成形复杂件和工艺流程长等缺点，而流变成形可以克服上述缺点，从而提高半 固态成形技术的生产效率，降低生产成本。因此流变成形的研究受到越来越多的重视。
近年来，由于半固态金属流变技术的研究越来越受到世界各国的广泛重视，各种流变浆料制备方法及流变成形装置相继问世。这里主要介绍近年来出现的流变浆料制备方法及流变成形装置：
(1)机械搅拌制备浆料式流变成形
机械搅拌法是最早采用的制备浆料的方法，也是半固态发明之初采用的浆料制备方法(美国专利第3948650号，第3902544号)，近年来该种方法得到了发展，并产生了数种新机械搅拌制备浆料式流变成形技术。其中以流变射铸成形最引人注目。
流变射铸成形包括单螺旋和双螺旋流变射铸成形两种。
美国康乃尔大学的K.K.Wang等人(美国专利第5501266号)将半固态金属流变技术与塑料注射成形技术结合起来，发明了一种新的流变成形技术，即单螺旋流变射铸成形技术(Rheomoulding)。其工作原理是：过热合金熔体在重力作用下流入搅拌筒和螺旋杆的缝隙中，在继续向下流动的过程中，不断被冷却和搅拌剪切，当到达出口时，合金熔体已成为一定固相分数的半固态浆料。在射铸前，螺杆先后退一段距离，使其前端积聚一定量的半固态浆料，然后以一定轴向速度(小于等于0.15m/s)将其压入模具型腔；随后，螺杆再次旋转搅拌合金熔体，准备下次射铸。
彭暄等人(CN1062793C)改进了立式流变射铸机，开发出了1000KN卧式和水平原型机。该***主要由熔化供料单元，浆料产生单元和搅拌注射单元三部分组成。张奎等人(CN2566961Y，CN2569943Y)也提出两种原理和结构与K.K.Wang开发的***相近的流变射铸***，不过整个***呈水平放置，因而整个***装配简单。
单螺旋流变射铸成形技术的优点是，合金熔体不仅在流入筒体过程中不易卷入气体，而且在密封通道里被搅拌剪切更不容易有任何气体进入，因此，制件空隙率低、密度高；工艺流程短，不需对原材料进行预处理，废品和铸件余料回收方便，从而提高了生产效率，降低了生产时间和成本；其结构简单，易于自动化。其缺点在于：设备中螺杆的材料性能要求高(满 足高温下的耐磨、耐蚀性能等)；通常由单螺旋搅拌产生的剪切速率不够高。
2001年罗吉荣等人(CN2471450Y)提出半固态浆料的双螺杆制备技术，对双螺杆结构进行改进，把两个螺杆的螺纹从原来的单一导程、单一错列角改为多导程、多错列角，从而保证浆料在不同温度阶段受到不同剪切作用，制浆效果更加理想，并且将整个制备装置水平放置，从而有利于实际操作。本方法可以达到很高的剪切速率，从而使半固态颗粒细化和球化了许多，其铸件组织均匀性也相当高。其不足之处为：螺杆工况差，消耗大，寿命短等。
目前，几乎所有流变射铸工艺尚未达到实际应用水平，正处在设备完善和生产工艺优化阶段。有报道称，只有AZ91D镁合金采用流变射铸技术试生产出汽车、计算机和照相机零件毛坯。
(2)电磁搅拌制备浆料式流变成形
1995年前后日本日立(Hitachi)金属有限公司的柴田(Shibata)等人(R Shibata，T Kaneuchi，T Soda，et al.New semi-liquid metal casting process.In：Proc of the 4th Int.Conf.On Semi-Solid Processing of Alloys andComposites，University of Sheffield，England，June 19-21，1996：296-300)提出了一种新的流变成形方法并进行了AlSi7Mg0.7的半固态成形实验，其原理是：先通过电磁搅拌在挤压机套筒内制备出半固态浆料，然后直接进行挤压成形。该技术的优点是避免了半固态合金浆料的存储和输送。其缺点有如下几点：一是在挤压机套筒中制备半固态浆料效率低，从而降低了挤压机的生产效率；二是套筒的结构复杂并且套筒的寿命难以长久；三是制浆套筒内部的组织不够理想。
2002年，韩国洪俊杓等人(CN1298461C)提出一种新型的电磁搅拌流变成形***，较好地解决了Shibata等人工艺的不足。该***在合金液进行压铸成形前进行电磁搅拌，不仅可以促进合金液形核，还缩短制浆时间，提高压铸效率。但电磁搅拌仍然存在着设备大、成本高、搅拌剪切速率低的问题。
(3)低过热度和弱搅拌相结合式流变成形
2000年，美国麻省理工大学的Flemings和Martinez等(美国专利第 20020096231号)提出一种新的流变成形技术，即Semi-Solid Rhocasting(SSR)技术，该技术中制备浆料的工艺路线是：将低过热度的合金液浇注到制备盛浆容器中，利用镀膜的铜棒对盛浆容器中的合金液进行短时弱搅拌，使合金熔体冷却到液相线温度以下；然后移走搅拌棒，让盛浆容器中的半固态合金熔体冷却到预定的温度或固相分数。本制浆方法仍然主要是低速度的机械搅拌法。
毛卫民等(CN1411932A)提出了一种低过热度浇注弱电磁搅拌式流变成形，其浆料制备工艺的思路与SSR的思路相似，其最大区别在于搅拌力由电磁力提供。
(4)超声振动制备半固态浆料
至上世纪90年代初，才有学者开始探索超声振动在半固态成形中的应用。Gabathuler等(美国专利第5186236号)首次将超声振动引入到半固态连续铸造中，得到了初晶细小圆整的坯料。超声振动法制备半固态浆料的基本原理是，利用超声机械振动波扰动金属的凝固过程，细化金属晶粒，获得非树枝初生晶的金属浆料。超声振动不仅能细化金属晶粒和获得球状初晶，还可清除熔体中的气体，减少熔体内的氧化物夹杂，改善熔体的均匀性。由于该种方法具有对熔体和环境污染都很小，工艺简单，运行成本低以及制浆效率高等特点，具有广阔的发展前景。
目前超声振动作用于熔体的方法一般有两种：一种是将振动器作用在模具或盛浆容器上，模具或盛浆容器再直接作用在金属熔体上；另一种是振动器直接伸入熔体内部作用于金属熔体。中国专利(CN1323782C)披露了一种超声制备半固态浆料或坯料的方法，该方法是将超声变幅杆***熔体中对其作用或通过作用于所盛熔体的盛浆容器底部来间接对熔体施振。该种方法的缺点是***熔体的振动器容易被金属熔体腐蚀，并污染金属熔体；通过底部作用熔体时，由于盛浆容器对振动的吸收，从而降低了振动的效率。文献Micro-structure evolution of semi-solid Al-7Si-0.4Mg alloy byshort time supersonic vibration(短时超声振动处理的Al-7Si-0.4Mg合金组织演变)(Liu C，Pan Y and Aoyama S.In：Proc.of the 5th Int.Conf.onSemi-Solid Processing of Alloys and Composites，Colorado，USA， 1998：439-447〕也提供了一种超声振动头通过作用于盛浆容器壁间接对熔体施振的制备半固态浆料的方法，该种方法存在难以安装保温装置的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金属零件的超声波辐射制备半固态浆料和流变成形方法，该方法一方面降低了工艺控制难度，降低了设备和运行的成本，提高了半固态制备的效率，并避免了对熔体和环境的污染；另一方面降低了对超声振动头材料的要求并延长了其使用寿命；本发明还提供实现该方法的装置。
本发明提供的金属零件的半固态流变成形方法，其步骤包括：
①将温度为液相线温度以上0～40℃的金属液导入盛浆容器中；或者将过热金属液导入预热后的容器中，再降温至液相线温度以上0～40℃。
②对上述金属液进行超声辐射，辐射过程中熔体冷却速度为0.1～3℃/s；辐射温度范围为液相线温度以上0～40℃开始，至液相线温度以下10～30℃；辐射头调至距液面1～30mm处；超声频率为12kHz～80kHz，辐射体积功率为5W/cm3～100W/cm3，所述体积功率为超声辐射功率与所辐射的熔体体积之比；
③在5～1000s后停止超声辐射，得到半固态金属浆料；
④将得到的半固态金属浆料浇入成形装置中，进行流变成形为零件。
步骤②可以采用脉冲辐射或非脉冲辐射对金属液进行处理。脉冲辐射中的辐射时间长度一般为0.1～100s，以1～10s为佳；脉冲辐射中的辐射时间与非辐射时间之比为0.2～20，以0.5～10为佳。
本发明提供的金属零件的半固态流变成形装置，该装置包括模具、套筒，以及压铸机或挤压机，套筒的一端***模具内，模具通过连接件与压铸机或挤压机相连；其特征在于：该装置还包括盛浆容器、调温装置和超声发生及控制单元；
超声发生及控制单元包括超声发生控制器和依次连成一体的换能器、 变幅杆和超声辐射头，超声发生控制器与换能器电气连接，超声辐射头位于盛浆容器上部，且距预定液面1～30mm处；
压射杆的一端***套筒内，另一端与压铸机或挤压机相连；
调温装置包括冷却水道、加热电阻丝和控温仪，冷却水道和加热电阻丝围绕所述盛浆容器交错布置，调温装置与控温仪电气连接；所述盛浆容器与套筒之间设有浆料通道。
本发明方法通过对金属熔体进行超声辐照，并施加一定速度的冷却，在短时间内就制备出细小、圆整的初生晶粒均匀分布的半固态浆料。由于本发明方法中超声辐射头不与熔体接触，对辐射头所用材料要求低，使用寿命长，并且制备浆料所需时间短，因此大大提高了浆料制备效率和降低了浆料制备成本。具体而言，本发明具有以下技术效果：
(1)利用以上浆料制备方法可以高效制备出高质量的流变浆料或坯料，即初生晶粒细小圆整、均匀分布的流变浆料或坯料。
(2)由于超声辐射头与金属液不接触，使辐射头不会被金属液腐蚀，从而减少了辐射头使用材料的限制，使仪器成本降低，并拓展了可制备金属范围，也大大增加了辐射元件寿命。
(3)本发明将超声辐射与低过热度控温工艺结合起来，使浆料制备效率很高。
(4)设备调整灵活，可以根据实际需要，在线调整工艺参数。
附图说明
图1为本发明流变成形装置的一种具体实施方式的结构示意图；
图2为本发明流变成形装置的另一种具体实施方式的结构示意图；
图3为用超声辐射法制备的ZL101铝合金半固态组织图；
图4为用超声辐射法制备的A390铝合金半固态组织图。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作进一步详细的说明。
本发明方法包括以下步骤：
(1)将精炼处理好的一定量金属熔液导入已经预热的盛浆容器中，降下超声辐射头21，超声辐射头21离液面的距离为1mm～30mm，立即开启超声辐射。
(2)通过超声发生控制器24可以进行辐射功率、超声辐射时间、超声间隔时间的调节。辐射头的辐射体积功率为5～100W/cm3。若用脉冲辐射，时间长度一般为0.1～100s，辐射时间与非辐射时间之比为0.2～20。辐射温度范围为液相线温度以上0～40℃开始，至液相线温度以下10～30℃(10～50％固相率所对应的温度)为止，具体辐射时间及停止辐射温度根据产品对固相率的需要而定。
(3)辐射头端部可以是平底，也可以是半球形，在其它条件相同的情况下半球形效果更佳。制备辐射头的材料可以是钢，也可以是钛合金或其它材料；
(4)超声换能器23可为压电式或磁致伸缩式；所用频率为12KHz～80KHz。
(5)控温仪11通过调温装置13控制熔体冷却速度为0.1～3℃/s。
(6)金属熔体可以是铝合金，镁合金，锡合金，铜合金及铁合金等，本方法可用于这些合金的半固态浆料的制备。用于镁合金时，需要通保护气体以阻止镁合金氧化。
(7)对金属熔体超声辐射5～1000s后停止辐射，得到半固态金属浆料。
本发明流变成形装置包括盛浆容器、调温装置13、超声发生及控制单元2、套筒3、模具4和压射杆5以及压铸机或挤压机(图中未画出)。
如图1所示，盛浆容器的结构为：耐火砖12置于套筒3上，坩埚14放置在耐火砖12上，坩埚14的出料口与套筒3的浇料口31对齐。塞杆15***坩埚14底部靠近盛浆容器壁处的出料口中。调温装置13包括冷却水道13a、加热电阻丝13b和控温仪11，冷却水道13a和加热电阻丝13b围绕盛浆容器交错布置，空隙处填充有耐火材料，调温装置13与控温仪11电气连接。
超声发生及控制单元2的结构为：超声发生控制器24与换能器23电气连接，换能器23、变幅杆22和超声辐射头21依次牢固连成一体，超声辐射头21位于盛浆及控温单元1的上部，盛浆及控温单元1与套筒3之间设有浆料通道。
套筒3的另一端***模具4内，模具4包括动模41和定模42。动模41和定模42闭合形成型腔43。动模41上开有浇道44。动模41和定模42由相应的动模座板45和定模座板46支撑，它们通过连接件与压铸机或挤压机相连。压射杆5一端***套筒内，另一端与压铸机或挤压机相连。
整套装置工作流程如下：将金属熔液导入盛浆容器(坩埚14)中，盛浆及控温单元1进行调温，同时超声辐射头21开始辐射。制备好浆料后，塞杆15提起，浆料通过浇料口31流入套筒3内，压射杆5将浆料向前推进，浆料经由浇道44流入型腔43而成形，一定时间后，动模41和定模42分开，从型腔43中取出产品。
如图2，盛浆容器为由挡板6、套筒3和压射杆5构成的盛浆区。挡板6与压射杆5相对，调温装置13套在套筒3上，其上开有通孔，并与套筒3的浇料口31对齐，以便超声辐射头21顺利穿过并移动到盛浆区上方。实例1
利用ZL101铝合金进行超声振动制备半固态零件。ZL101铝合金的液相线温度为616℃，固相线温度567℃。将合金在电阻炉内熔化并升温至740℃，精炼、除气后备用。利用温度控制装置将合金液温度保持在660℃左右。取适量铝液，倒如盛浆容器中，利用温控***(调温装置13和控温仪11)将熔体的温度控制在610℃，熔体冷却速度为0.1～3℃/s。
将超声辐射头21移动至盛浆容器内铝液的上方10mm处(图1)，对熔体进行超声脉冲辐射。辐射频率为20kHz，辐射体积功率为30W/cm3。辐射时间为150s。停止超声处理后，通过调温装置13将半固态熔体的温度降到600℃～605℃。提起塞杆15，将半固态浆料流入套筒3内，启动压射充型过程，通过压射杆5将浆料压射入型腔43内，成形为零件。
图3所示为ZL101铝合金熔体经超声辐照后，获得的半固态浆料，将 其压铸成形后的显微组织金相照片。原本应该是树枝晶的初晶组织，现在是呈椭球状晶粒的非树枝晶组织。
实例2
利用A390铝合金进行超声振动制备半固态。A390铝合金的液相线温度为650℃，固相线温度505℃。将合金在电阻炉内熔化并升温至770℃，精炼、除气后备用。利用温度控制装置将合金液温度保持在680℃左右。取适量铝液，倒如盛浆坩埚中(图1)，利用温度控制装置将合金液温度控制在650℃，熔体冷却速度为0.1～3℃/s。
将超声辐射头21移动至坩埚14内铝液的上方15mm处，对熔体进行超声脉冲辐射。辐射频率为25kHz，辐射体积功率为40W/cm3。辐射时间为180s。停止超声处理后，通过控温***将半固态熔体的温度降到630℃～635℃。提起塞杆15，将半固态浆料流入套筒5内，启动压射充型过程，通过压射杆5将浆料压射入型腔43内，成形为零件。
图4所示为用超声辐射法制备的A390铝合金半固态显微组织，原本应该是多角形的粗大片状初晶Si，经过超声辐射处理后现在呈细小的颗粒状初晶Si，对基体的割裂作用大大减小，强度大幅度提高。
实例3
利用AZ91镁合金进行超声振动制备半固态。AZ91镁合金的液相线温度为595℃，固相线温度470℃。将合金在电阻炉内熔化并升温至680℃，精炼、除气后备用。利用温度控制装置将合金液温度保持在640℃左右。取适量镁液，倒如套筒3中(图2)，利用温度控制***将套筒及熔体的温度控制在590℃，熔体冷却速度为0.1～3℃/s。
将超声辐射头21移动至套筒3内镁液的上方10mm处，对熔体进行超声脉冲辐射。辐射频率为20kHz，辐射体积功率为20W/cm3。辐射时间为100s。停止超声处理后，通过调温装置13和控温仪11，将半固态熔体的温度降到580℃～590℃。提起挡板6，启动压射充型过程，通过压射杆5将浆料压射入型腔43内，成形为具有半固态组织的镁合金零件。
Claims (6)
1.一种金属零件的半固态流变成形方法，其步骤包括：
①将温度为液相线温度以上0～40℃的金属液导入浆料制备用容器中；或者将过热金属液导入预热后的容器中，再降温至液相线温度以上0～40℃；
②对上述金属液进行超声辐射，辐射过程中熔体冷却速度为0.1～3℃/s；辐射温度范围为液相线温度以上0～40℃开始，至液相线温度以下10～30℃；辐射头调至距预定液面1～30mm处；超声频率为12kHz～80kHz，辐射体积功率为5W/cm3～100W/cm3，所述体积功率为超声辐射功率与所辐射的熔体体积之比；
③在5～1000s后停止超声辐射，得到半固态金属浆料；
④将得到的半固态金属浆料浇入成形装置中，进行流变成形为零件。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤②中对金属液进行脉冲辐射，脉冲辐射中的辐射时间长度为0.1～100s，其辐射时间与非辐射时间之比为0.2～20。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤②中对金属液进行脉冲辐射，脉冲辐射时间长度为1～10s，其辐射时间与非辐射时间之比为0.5～10。
4.一种金属零件的半固态流变成形装置，该装置包括模具(4)、套筒(3)，以及压铸机或挤压机，套筒(3)的一端***模具(4)内，模具(4)通过连接件与压铸机或挤压机相连；
其特征在于：该装置还包括盛浆容器、调温装置(13)和超声发生及控制单元(2)；
超声发生及控制单元(2)包括超声发生控制器(24)和依次连成一体的换能器(23)、变幅杆(22)和超声辐射头(21)，超声发生控制器(24)与换能器(23)电气连接，超声辐射头(21)位于盛浆容器上部，且距预定液面1～30mm处；
压射杆(5)的一端***套筒内，另一端与压铸机或挤压机相连；
调温装置(13)包括冷却水道(13a)、加热电阻(13b)和控温仪(11)，冷却水道(13a)和加热电阻丝(13b)围绕所述盛浆容器交错布置，加热电阻(13b)与控温仪(11)电气连接；所述盛浆容器与套筒(3)之间设有浆料通道。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述盛浆容器包括坩埚(14)和塞杆(15)，坩埚(14)放置在耐火砖(12)上，耐火砖(12)置于套筒(3)上，坩埚(14)的出料口与套筒(3)的浇料口(31)对齐，塞杆(15)***坩埚(14)底部靠近盛浆容器壁处的出料口中。
6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述盛浆容器为由挡板(6)、套筒(3)和压射杆(5)围成的区域，挡板(6)与压射杆(5)相对，调温装置(13)套在套筒(3)上，调温装置上开有与套筒(3)的浇料口(31)对齐的通孔。
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