CN102266914B - 一种半固态合金浆料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种半固态铝合金浆料的制备方法,属于材料科学技术领域。将低过热度熔体浇注在两块倾斜方向相反的冷却板上,熔体通过两块具有温度梯度的冷却板的、剪切作用,最终得到组织均匀、细小的半固态浆料。本发明方法简单、流程短、成本低、效率高。
Description
技术领域
本发明涉及一种半固态合金浆料制备方法,属于材料科学技术领域。
背景技术
半固态合金浆料是半固态成形必备的原料。半固态合金浆料的基本要求是其中的固相呈细小圆整的非枝晶,且尺寸一致,分布均匀。目前制备半固态浆料的方法有多种,如机械搅拌法、电磁搅拌法、应变激活法、超声波搅动法、化学晶粒细化法等,其中只有机械搅拌法、电磁搅拌法、应变激活法在工业中初步得到应用,而其他方法还处于实验室研究阶段。
机械搅拌法和电磁搅拌法的共同点为:通过强烈的搅拌作用使得从液体合金中结晶出来的固相被打碎,从而得到含有大量固相颗粒的半固态浆料。其一般的工艺过程为:1、熔炼符合成分要求的合金液体;2、将液体放入搅拌容器中;3、进行搅拌并控制温度;4、当液体到达所确定的半固态温度后停止搅拌;5、凝固成形,获得半固态坯料或直接成形为部件。目前机械搅拌法大多用于熔点较低的有色合金(如铝合金、镁合金)的半固态成形,电磁搅拌法多用于一些熔点较高的黑色合金的半固态成形研究,该技术是为了克服机械搅拌带来的不利影响而研发的。应变激活法是预先连续铸造晶粒细小的金属锭,再将其热态挤压到20%左右的变形,在组织中预先储存部分变形能量,最后按需要将变形后的金属锭分切成一定大小,加热到半固态坯料。
目前工业中使用的三种方法都存在着走入规模化生产的不利因素。机械搅拌法虽然搅拌设备简单,但操作困难,搅拌棒污染合金,浆料中容易混入气体、杂质不易排出,直接影响到铸造浆料的质量及生产效率。另外,对熔点较高的金属搅拌来说,由于部分搅拌装置的部件必须与半固态金属浆料直接接触,因而对部件的材料要求苛刻,且要求较长的使用寿命,从而提高了生产成本,对于规模化的生产根本无法适应。电磁搅拌法的优点是不会污染合金浆料,也不容易卷入气体,电磁参数控制方便灵活,缺点是设备投资大,工艺复杂,能耗高,从而导致成本较高,对于熔点较高的黑色合金来说,对设备的冷却***要求也是相当高,另外由于“集肤效应”现象,生产的铸锭尺寸有制约,实现规模化工业生产的难度较大。应变激活法制备的合金坯料纯净、产量大,但是由于增加一道变形工序,不仅使成本提高而且使坯料尺寸受到限制,从而不利于规模化工业生产。上述三种方法还没能走入规模化工业生产,生产效率和产品质量和欧美国家还有较大差距。
日本UBE公司提出Cooling Slope(倾斜板法)制备铝合金和镁合金半固态坯料的新工艺,并在欧洲申请了专利。倾斜板一般是由合金钢或石墨制成,其内部通水冷却,表面喷涂一层氮化硼,以防止半固态合金粘附在冷却斜板表面上。其原理为:将略高于液相线温度的熔融合金液倒在冷却板上,由于倾斜板的冷却作用,在板壁上有细小的晶粒形核长大,合金流体的冲击和物体的自重作用使晶粒从板壁上脱落并翻转,以达到搅拌效果。在普通平直倾斜板的基础上,管仁国研发了波浪式倾斜板制备半固态浆料技术。在普通直管法的基础上,杨湘杰研发了转动输送管法制备半固态浆料技术。
总的来说,倾斜板(管)制浆工艺具有流程短、成本低、效率高等优点,而且适合于高温合金半固态浆料的制备。但是,现有的倾斜板法多采用单板制浆,虽然采用波浪式结构等改进措施,但采用单一的倾斜板法制浆时,晶粒之间的碰撞、冲刷作用较弱,而采用组合式倾斜板制浆,合金液由上板流至下板时,在重力的作用下,晶粒之间的碰撞、冲刷作用显著提高,同时起到了紊流搅拌的效果,使得枝晶臂破碎,达到晶粒细化、球化的目的。
发明内容
本发明提供一种半固态合金浆料的制备方法,采用两块具有温度梯度的倾斜板,将具有低过热度的合金液浇注在上倾斜板上,合金液从上倾斜板流到下倾斜板,最终流入坩埚中,得到具有高固相率,组织细小均匀的半固态组织。
本制备半固态合金浆料的制备方法,包括以下步骤:
(1)利用常规技术的熔炼方法制备低过热度熔体,熔体温度保持在液相线以上15~50℃,保温时间30~60min。
(2)采用上、下两块倾斜方向相反的倾斜板,将步骤(1)中制备的低过热度熔体按适当的浇注速度浇注入上倾斜板,使熔体顺着上倾斜板流下至下倾斜板,最后再流入坩埚。
所述向上斜板浇注低过热度熔体的速度为1.6~2.2×10-5m3/s,根据合金浆料的成分和倾斜板的情况,在所给范围内具体确定。
所述上、下倾斜板温度保持在所要制备的合金的半固态温度区间,上倾斜板温度始终高于下倾斜板温度50~100℃;上、下倾斜板与水平线的夹角相等,夹角范围为15°~75°;上倾斜板尾端与下倾斜板之间的垂直距离为20~50mm;上、下倾斜板为上表面横向内凹的弧面结构,弧面半径为162~165mm,板长100~300mm、宽70~100mm。
本发明的原理是:由于上下两块倾斜板的冷却速率不同,当合金液流经上倾斜板时,板对合金液的冷却作用很大,使合金液温度很快降低到半固态温度区间,此时流至下倾斜板的半固态浆料固相分数较高,流动性较差。合金液流经下倾斜板后,由于下倾斜板的弱激冷作用,使得合金液的冷却速率降低,合金液的温度继续下降,固相率进一步提高,使得合金液的流动性能继续下降,但是由于下倾斜板(石墨板)与合金液的润湿性差,弥补了合金液的流动性不足,因此可以获得高固相分数的半固态浆料。与传统倾斜板浇注法制备铝合金半固态浆料的固相率为20%左右相比,此方法制备的铝合金半固态浆料的固相率能达到50%。
本发明与现有技术相比,具有的优点是:
1.本方法制备半固态制浆时,合金液由上板流至下板,在重力的作用下,晶粒之间的碰撞、冲刷作用显著提高,同时起到了紊流搅拌的效果,使得枝晶臂破碎,达到晶粒细化、球化的目的。
2.本方法适合于多种不同半固态温度的合金浆料的制备。
附图说明
图1是本发明原理示意图;
图2是本发明横向内凹倾斜板的局部视图;
图中:1-浇杯,2-流量控制阀,3-下倾斜板(下冷却板),4-坩埚,5-半固态合金液,6-上倾斜板(上冷却板),r-弧面半径。
具体实施方法
以下结合附图和实施例对本发明作进一步阐述,但本发明的内容不限于所述范围。
实施例1:
原料:含锡40%的锡铅合金,液相线温度240℃,固相线温度183℃。
浆料的制备方法(过程):利用常规技术的熔炼方法制备含锡40%的锡铅合金的低过热度熔体,熔体温度保持在255℃,保温时间30min。采用的上弧面倾斜板和下弧面倾斜板长100mm、宽70mm、弧面半径为162mm,上倾斜板尾端与下倾斜板之间的垂直距离为50mm。上弧面倾斜板的温度控制在110℃,下弧面倾斜板的温度控制在60℃。调整两弧面倾斜板与水平线的夹角均为15°。将制备的锡铅合金熔体按1.6×10-5m3/s的浇注速度浇注入上倾斜板,熔体将顺着上倾斜板流下至下倾斜板,最后流入坩埚。
实施例2:
原料:A356铝合金。液相线温度613℃,固相线温度577℃。
利用常规技术的熔炼方法制备的A356铝合金低过热度熔体,熔体温度保持在630℃,保温时间40min采用的上弧面倾斜板和下弧面倾斜板长200mm、宽90mm、弧面半径为163mm,上倾斜板尾端与下倾斜板之间的垂直距离为35mm。上弧面倾斜板的温度控制在300℃,下弧面倾斜板的温度控制在220℃。调整两弧面倾斜板与水平线的夹角均为50°。将制备的A356铝合金熔体按1.9×10-5m3/s的浇注速度浇注入上倾斜板,熔体将顺着上倾斜板流下至下倾斜板,最后流入坩埚。
实施例3:
原料:过共晶高铬白口铸铁,液相线温度1347℃,固相线温度1288℃。
利用常规技术的熔炼方法制备过共晶白口铸铁低过热度熔体,熔体温度保持在1397℃,保温时间60min采用的上弧面倾斜板和下弧面倾斜板长300mm、宽100mm、弧面半径为165mm,上倾斜板尾端与下倾斜板之间的垂直距离为20mm。上弧面倾斜板的温度控制在650℃,下弧面倾斜板的温度控制在550℃。调整两弧面倾斜板与水平线的夹角均为75°。将制备的A356铝合金熔体按2.2×10-5m3/s的浇注速度浇注入上倾斜板,熔体将顺着上倾斜板流下至下倾斜板,最后流入坩埚。
Claims (6)
1.一种制备半固态合金浆料的制备方法,其特征在于:先在坩埚上方设置两块倾斜方向相反的上、下倾斜板,上、下倾斜板温度保持在所要制备的合金的半固态温度区间,上倾斜板温度始终高于下倾斜板温度50~100℃,并利用常规熔炼方法制备低过热度熔体,使熔体温度在液相线以上15~50℃保温30~60min,然后将低过热度熔体按适当的浇注速度浇注入上倾斜板,使熔体将顺着上倾斜板流下至下倾斜板,再流入坩埚中,得到半固态浆料。
2.根据权利要求1所述的制备半固态合金浆料的制备方法,其特征在于:向上斜板浇注低过热度熔体的速度为1.6×10-5m3/s~2.2×10-5m3/s。
3.根据权利要求1所述的制备半固态合金浆料的制备方法,其特征在于:上、下倾斜板与水平线的夹角相等,夹角范围为15°~75°。
4.根据权利要求1所述的制备半固态合金浆料的制备方法,其特征在于:上倾斜板尾端与下倾斜板顶端之间的垂直距离为20~50mm。
5.根据权利要求1所述的制备半固态合金浆料的制备方法,其特征在于:上、下倾斜板为上表面横向内凹的弧面结构,弧面半径r为162~165mm,板长100~300mm、宽70~100mm。
6.根据权利要求1~5任一项所述的制备半固态合金浆料的制备方法,其特征在于:倾斜板的材质为石墨或者在高温条件下不会污染熔体的其他材料。
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