CN101579723A - 一种采用浇道自搅拌技术制备半固态浆料的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种采用浇道自搅拌技术制备半固态浆料的装置，包括浇口杯(1)，蛇形浇道(2)，浇口杯(1)与蛇形浇道(2)连通，所述的蛇形浇道(2)由垂直的浇道部(2.1)、具有缓冲作用的第一弧形弯道(2.2)、具有缓冲作用的第二弧形弯道(2.3)、设于蛇形浇道(2)的底部下凹的浇道底窝(2.4)、大致水平的内浇道(2.5)顺次连通构成。采用上述装置将过热度为0～150℃合金浇注其中，制得半固态浆料。通过本发明的装置制备的半固态浆料具有晶粒组织细小，分布均匀、制作成本低的优点。
Description
技术领域
本发明涉及半固态合金技术领域，具体涉及一种采用浇道自搅拌技术制备半固态浆料的方法及设备。
背景技术
自上个世纪七十年代美国麻省理工学院(MIT)提出半固态成型概念以来，半固态金属加工技术受到国际材料界的广泛关注，已成为当今最活跃的研究领域之一。与传统铸造相比，半固态成形技术不但综合了铸造成形和锻压成形的优点，而且可使铸件在凝固过程中收缩量减少，组织中消除了柱状晶和粗大的树枝晶，铸件组织细密均匀，缺陷和宏观偏析明显减少，容易近净形生产复杂零件。被誉为最具前景的21世纪绿色加工技术。
半固态金属加工技术一般由制浆、流变成形或二次加热与触变成形几个环节组成，其中制浆是整个过程的基础与关键，其目的是获得适于半固态成形的均匀细小等轴的结晶组织。国内外研究者在此方面作了大量研究工作，提出了许多制浆方法或思想(见康永林、毛为民、胡壮麒编著《金属材料半固态加工理论与技术》，北京，科学出版社，2004)。其中主要包括：
1.机械搅拌法。此法是最早采用的方法，其原理是利用旋转叶片或搅拌棒将凝固中的初生相枝晶打碎，获得半固态浆料。机械搅拌流变铸造装置一般分为连续式与间歇式，间歇式多用于实验室研究，而连续流变铸造法可用于工业化生产。机械搅拌法可以获得很高的剪切速率，有利于形成微小的球形微观组织。机械搅拌法存在下列缺点：(1)存在搅拌死角，影响浆料均匀性；(2)高速搅拌条件下，搅拌室和搅拌棒的寿命短，而且容易污染合金液，降低半固态合金浆料或坯料的内部质量；(3)设备笨重、操作困难、生产效率低。
2.电磁搅拌法。为了克服机械搅拌法的诸多缺点，发展了电磁搅拌法。电磁搅拌法按磁场方向非为水平式与垂直式，按磁场发生方式又可以分为交变式与旋转永磁体法，后者的优点是磁场强度高，金属可产生三维流动，搅拌效果好。电磁搅拌技术相对比较成熟，已经在工业化生产中得到应用，但通常认为该技术只适用于直径小于150mm的坯锭；此外为了获得细小和球转初生晶，需要电磁搅拌的功率很大，坯料的制备成本较高。
3.应变诱导熔体活化技术(SIMA)。该技术是除电磁搅拌法外，目前工业上用于生产半固态浆料的另外一种方法，其原理是将常规铸造枝晶组织在高温下进行挤压变形，破碎枝晶组织，再施加足够的冷变形量后，加热到两相区；在加热过程中，合金首先发生再结晶形成亚晶粒和亚晶界，随后晶界处低熔点溶质元素和低熔点相熔化，导致近球形固相被低熔点液相包围，形成半固态浆料。该技术对制备较高熔点的非枝晶组织合金具有独特的优越性，但由于其工艺复杂，生产成本高，生产效率低，仅用于小规格坯料的生产。
4.其他方法。除以上方法外，还有许多制浆技术出于研究或开发之中。如喷射沉积法、粉末冶金技术与二次加热结合法、等温处理法、超声波处理法、被动搅拌法等，这些方法要么只适用于某些特殊产品，要么处于实验室研究阶段，尚未投入到工业生产。
申请号为200710062977.6的中国专利申请文件，介绍使用垂直的蛇形浇道制备半固态合金，这种浇道的搅拌效果相对较弱，组织不是太均匀。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术的上述不足，提供一种工艺简单、生产成本低、效率高，适用范围广的采用浇道自搅拌技术制备半固态浆料的方法。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为一种采用浇道自搅拌技术制备半固态浆料的方法，制备步骤包括：
(1)将合金在熔炼炉中进行熔炼，经过熔化、精炼、静置，控制其过热度为0～150℃；
(2)对蛇形浇道进行预热，预热温度为200～300℃；将步骤(1)所得的过热度为0～150℃的合金液浇注到浇口杯内，金属液沿着蛇形浇道依次经过垂直的浇道(管道)部、第一弧形弯道、第二弧形弯道和浇道底窝，然后经大致水平的内浇道流出，金属液在蛇形浇道内的流动过程中自然翻卷、搅拌，从而制得半固态浆料。
上述步骤(1)的合金在电阻炉内熔炼或在感应加热炉内熔炼。
上述步骤(2)中采用电阻丝对浇道进行烘烤预热或采用气体加热方式对蛇形浇道预热。
上述步骤(2)中的合金液在进入蛇形浇道之前还经过一个过滤器。
本发明的一种采用浇道自搅拌技术制备半固态浆料的方法，它还包括：上述步骤(1)将合金在熔炼炉中进行熔炼的过程中采用覆盖剂(覆盖剂种类需要根据制备合金的种类选择)或采用SF6与空气的混合气体(空气+(0.04～0.2)SF6)对合金进行保护。
本发明的一种采用浇道自搅拌技术制备半固态浆料的方法，它还包括将过热度为0～150℃的合金液浇注到浇口杯内之前和浇注过程中蛇形浇道内通入氩气或通入氮气或通入SF6与空气的混合气体。
上述的合金为铝合金，或镁合金，或共晶锌合金。
本发明要解决的另一个技术问题是提供一种结构简单、操作方便的上述一种采用浇道自搅拌技术制备半固态浆料的方法所采用的装置。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种采用浇道自搅拌技术制备半固态浆料的方法所采用的装置，它包括浇口杯，蛇形浇道，所述的浇口杯与蛇形浇道连通，所述的蛇形浇道由垂直的浇道部、具有缓冲作用的第一弧形弯道、具有缓冲作用的第二弧形弯道、设于蛇形浇道的底部下凹的浇道底窝、大致水平的内浇道顺次连通构成；所述的第一弧形弯道的前部低于其后部；所述的第二弧形弯道的前部低于其后部；所述的第一弧形弯道位于垂直的浇道部的轴线延长线的右侧，所述的第二弧形弯道位于大致垂直的浇道部的轴线延长线的左侧；所述的大致水平的内浇道略高于浇道底窝的上端口。
上述的蛇形浇道的高度为100～500mm，根据合金的成分不同，可以选择不同的高度，从而确定合金液的搅拌强度，制备组织均匀细小的半固态浆料；蛇形浇道的直径为10～50mm，直径太小，合金流动不畅，直径太大，半固态浆料的组织不均匀；第一弧形弯道前部的最低点与后部的最高点的垂直高度为蛇形浇道直径的2～5倍，第二弧形弯道前部的最低点与后部的最高点的垂直高度为蛇形浇道直径的2～5倍，浇道底窝的深度为直径的0.5～2倍。
本发明的装置中的蛇形浇道的直径大致一致，仅仅在拐弯处略有不同，上述的直径均以大致一致的直径为准，如垂直的浇道部的直径。
本发明的上述装置，在蛇形浇道入口处设有过滤器，可以滤去合金液中的夹杂物。
过滤器为纤维质的过滤网或陶瓷过滤片，孔径尺寸均匀且规格为1.5～2.0mm的过滤网或陶瓷过滤片为宜，同时过滤器要有一定的耐火度，强度和柔韧性，发气量要尽可能小。
上述的蛇形浇道内壁可以涂刷厚度为0.2～0.5mm的防护涂料；涂料种类需根据合金成分选择。
本发明的蛇形浇道的材质为石墨或陶瓷或不锈钢或低碳钢或铸铁。
本发明的蛇形浇道一般做成“分体式”的两部分(每一部分如图1所示)，浇注时组合成完整的浇道，这样浇注完成后残留在浇道内的合金很容易取出，也方便在蛇形浇道的内壁涂刷或喷涂涂料。
本发明的一种采用浇道自搅拌技术制备半固态浆料的方法及装置具有下列优点：
(1)采用本发明的方法制备的半固态合金浆料，具有晶粒组织细小，分布均匀，球化效果好的优点。
(2)整个工艺过程和制备装置简单，不需要复杂的电磁搅拌和机械搅拌装备，简化了半固态浆料的制备过程，明显降低了半固态合金浆料的制备成本，容易实现工业化。
(3)制备过程中采用保护措施，可以有效避免金属的氧化，提高了半固态合金浆料的质量。
(4)工艺适用范围广、可以连续制备坯锭；该制备方法不仅适合铝、镁等铸造合金系列，同时对变形合金系列也非常有效。如果熔炼炉中的合金液量足够，可以连续制备半固态浆料，不受制备装置的限制，生产效率高。
附图说明
图1为本发明采用浇道自搅拌技术制备半固态浆料的方法所采用的装置结构示意图。
图2为实施例1AZ91D半固态浆料金相组织图。
图3为实施例2ZL101A半固态浆料金相组织图。
如图所示：1、浇口杯，2、蛇形浇道，2.1、垂直的浇道部，2.2、第一弧形弯道，2.21、第一弧形弯道的前部，2.22、第一弧形弯道的后部，2.3、第二弧形弯道，2.31、第二弧形弯道的前部，2.32、第二弧形弯道的后部，2.4、浇道底窝，2.5、大致水平的内浇道，2.6、过滤器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，但本发明不仅仅局限于以下实施例。
本发明采用浇道自搅拌技术制备半固态浆料的方法所采用的装置，它包括浇口杯1，蛇形浇道2，所述的浇口杯1与蛇形浇道2连通，所述的蛇形浇道2由垂直的浇道部2.1、具有缓冲作用的第一弧形弯道2.2、具有缓冲作用的第二弧形弯道2.3、设于蛇形浇道2的底部下凹的浇道底窝2.4、大致水平的内浇道2.5顺次连通构成；所述的第一弧形弯道2.2的前部2.21低于其后部2.22；所述的第二弧形弯道2.3的前部2.31低于其后部2.32；所述的第一弧形弯道2.2位于大致垂直的浇道部2.1的轴线延长线的右侧，所述的第二弧形弯道2.3位于大致垂直的浇道部2.1的轴线延长线的左侧；所述的大致水平的内浇道2.5略高于浇道底窝2.4的上端口。
本发明所述蛇形浇道2的高度为100～500mm，直径为10～50mm；第一弧形弯道2.2前部的最低点与后部最高点的垂直高度为蛇形浇道直径的2～5倍，第二弧形弯道2.3的前部的最低点与后部最高点的垂直高度为蛇形浇道直径的2～5倍，浇道底窝2.4的深度为蛇形浇道2直径的0.5～2倍。
本发明所述蛇形浇道2的入口处还设有过滤器2.6。
所述的过滤器2.6为纤维质的过滤网或陶瓷过滤片。
本发明所述的蛇形浇道2内壁涂刷厚度为0.2～0.5mm的防护涂料。
实施例1半固态AZ91D镁合金浆料的制备
在CO2+0.3％SF6的气体保护下，利用电阻熔化炉产生过热度为75℃(即浇注温度为670℃)AZ91D镁合金(即Mg-9wt％Al-0.7wt％Zn)液，然后将合金液从蛇形直浇道2上方的浇口杯1浇入，经过滤器2.6进入高度为400mm、浇道直径为30mm的蛇形浇道，浇道的材质为低碳钢，然后流经大致垂直的浇道部2.1，顺次到达第一弧形弯道2.2、第二弧形弯道2.3，上述两个弧形弯道的前部的最低点与后部的最高点的垂直高度为蛇形浇道2直径的2倍，再流经浇道底窝2.4，其深度为浇道直径的2倍，最后进入大致水平的内浇道2.5，浇注前采用电阻丝对浇道进行烘烤预热或采用气体加热方式将蛇形浇道预热至300℃；在浇铸AZ91D镁合金液过程中，向蛇形浇道2内吹入空气+(0.04～0.2)SF6保护气体；然后将从蛇形浇道2内流出的合金浆料水冷，所得金相显微组织如附图2所示，由图可见浆料的组织细小、均匀、球化效果好。
实施例2半固态ZL101A铝合金浆料的制备
利用电阻熔化炉产生过热度为45℃(即浇注温度为660℃)ZL101A镁合金(即亚共晶Al-7wt％Si-0.45wt％Mg)液，然后将合金液从蛇形浇道2上方的浇口杯1浇入，经过滤器2.6进入高度为300mm、浇道直径为20mm的蛇形浇道2，蛇形浇道2的材质为石墨，然后流经大致垂直管道部2.1，顺次到达第一弧形弯道2.2、第二弧形弯道2.3，上述两个弧形弯道的前部的最低点与后部的最高点的垂直高度为蛇形浇道2直径的2倍，再流经浇道底窝2.4，其深度为浇道直径的2倍，最后进入内浇道2.5，浇注前采用气体加热方式将蛇形浇道预热至250℃；然后将从蛇形浇道2内流出的合金浆料水冷，所得金相显微组织如附图3所示，由图可见浆料的组织为均匀细小的等轴晶。
Claims (9)
1.一种采用浇道自搅拌技术制备半固态浆料的方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将合金在熔炼炉中进行熔炼，经过熔化、精炼、静置，控制其过热度为0～150℃；
(2)对蛇形浇道(2)进行预热，预热温度为200～300℃；将步骤(1)所得的过热度为0～150℃的合金液浇注到浇口杯(1)内，金属液沿着蛇形浇道(2)依次经过垂直的浇道部(2.1)、第一弧形弯道(2.2)、第二弧形弯道(2.3)和浇道底窝(2.4)，然后经大致水平的内浇道(2.5)流出，金属液在蛇形浇道(2)内的流动过程中自然翻卷、搅拌，从而制得半固态浆料。
2.根据权利要求1所述的一种采用浇道自搅拌技术制备半固态浆料的方法，其特征在于：所述步骤(2)中的合金液在进入蛇形浇道(2)之前还经过过滤器(2.6)。
3.根据权利要求1所述的一种采用浇道自搅拌技术制备半固态浆料的方法，其特征在于：它还包括在所述步骤(1)将合金在熔炼炉中进行熔炼的过程中采用覆盖剂或采用SF6与空气的混合气体对合金进行保护。
4.根据权利要求1所述的一种采用浇道自搅拌技术制备半固态浆料的方法，其特征在于：它还包括将过热度为0～150℃的合金液浇注到浇口杯(1)内之前和浇注过程中蛇形浇道内通入氩气或通入氮气或通入SF6与空气的混合气体。
5.一种实施权利要求1所述的方法所采用的装置，它包括浇口杯(1)，蛇形浇道(2)，所述的浇口杯(1)与蛇形浇道(2)连通，其特征在于：所述的蛇形浇道(2)由垂直的浇道部(2.1)、具有缓冲作用的第一弧形弯道(2.2)、具有缓冲作用的第二弧形弯道(2.3)、设于蛇形浇道(2)的底部下凹的浇道底窝(2.4)、大致水平的内浇道(2.5)顺次连通构成；所述的第一弧形弯道(2.2)的前部(2.21)低于其后部(2.22)；所述的第二弧形弯道(2.3)的前部(2.31)低于其后部(2.32)；所述的第一弧形弯道(2.2)位于垂直的浇道部(2.1)的轴线延长线的右侧，所述的第二弧形弯道(2.3)位于垂直的浇道部(2.1)的轴线延长线的左侧；所述的大致水平的内浇道(2.5)略高于浇道底窝(2.4)的上端口。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述蛇形浇道(2)的高度为100～500mm，直径为10～50mm；第一弧形弯道(2.2)的前部的最低点与后部的最高点的垂直高度为蛇形浇道直径的2～5倍，第二弧形弯道(2.3)的前部的最低点与后部的最高点的垂直高度为蛇形浇道直径的2～5倍，浇道底窝(2.4)的深度为蛇形浇道(2)直径的0.5～2倍。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述蛇形浇道(2)的入口处设有过滤器(2.6)。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：所述的过滤器(2.6)为纤维质的过滤网或陶瓷过滤片。
9.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述的蛇形浇道(2)内壁涂刷厚度为0.2～0.5mm的防护涂料。
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