CN113579203A - 一种微固态成型工艺及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种微固态成型工艺及装置，包括步骤1）利用压力将金属液从保温炉中通过中间管路向模型型腔流动；步骤2）在中间管路上控制其管壁温度，由于管壁温度低于金属也液相线使得部分金属液沿着管壁产生固相，长出凝固枝晶；步骤3）将长出的凝固枝晶打碎细化并弥散分布在金属液中成为形核核心，破碎细化并且弥散分布后的形核核心使得金属液呈现仍然具有较高流动性的微固态；步骤4）将呈微固态的金属液流入模型型腔浇注成型。本发明兼具了液态与半固态的优点，既可以形成复杂结构铸件，又可以在一定程度上提升铸件的质量、提高工艺出品率、节约原材料的消耗，温度调节灵活，应用范围广泛。

Description

一种微固态成型工艺及装置
技术领域
本发明涉及金属铸造技术领域，具体涉及一种微固态成型工艺及装置。
背景技术
目前铸造按照液态金属的状态，分为液态铸造和半固态铸造。
液态铸造，液态金属温度在液相以上，完全呈液态，具有良好的流动性，易于成型复杂结构，是传统的铸造方式，缺点是液态金属含气量相对较高，铸件容易形成气孔、气缩孔；在凝固过程中，由液态向固态转变，材料产生收缩，容易形成缩松，缩孔，或者需要额外的材料补缩，使产品的工艺出品率较低；凝固速度慢，晶粒易于长大，使组织粗大，力学性能降低。
半固态铸造，即金属半固态成形，是指利用金属从固态向液态或者是从液态向固态二相转变的过程中，材料可以像固态金属一样进行搬运；又具有一定的流变性，施加一定的压力，形成所需的结构；其优点是凝固冷却速度快，晶粒细小，组织缺陷少，收缩率小，易于实现近净成型，产品的力学性能相对较高；其缺点是流动性较差，很难形成具有内腔结构的复杂铸件，且成型时，所需压力较大，一般需几十个兆帕的压力，所以设备成本投入较高。
综上所述，目前的液态铸造和半固态铸造，各有各的优点，但是也有各自的缺点，且难以解决。
针对上述问题，本发明提供一种微固态成型工艺及装置，使得金属介于液态与半固态之间的金属液状态，对金属液进行工艺处理，增加金属液中的形核核心，在保证具有良好流动性的同时，减少金属液中的含气量，细化晶粒，改善组织同时减少对型腔的热传导，减小砂型、砂芯的热变形，提高铸件的尺寸精度，减小补缩量。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的问题，提供一种微固态成型工艺及装置，兼具液态与半固态的优点，既可以形成复杂结构铸件，又可以在一定程度上提升铸件的质量、提高工艺出品率、节约原材料的消耗，实现数字化，智能化的控制。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种微固态成型工艺，该工艺包括以下步骤：
步骤1）利用压力将金属液从保温炉中通过中间管路向模型型腔流动；
步骤2）在中间管路上控制其管壁温度，使得：
靠近中间管路的中心部分的金属液温度高于其液相线温度，让此部分金属液维持液相；
靠近中间管路的管壁部分的金属液温度低于其液相线温度，让此部分金属液产生固相，长出凝固枝晶；
步骤3）在中间管路的周围设置搅拌装置，在金属液流经中间管路时，对其内的金属液进行搅拌，使得长出的凝固枝晶被打碎细化并弥散分布在金属液中成为金属液凝固时的形核核心，细化并弥散分布后的形核核心使得金属液呈现仍然具有较高流动性的微固态；
步骤4）将呈微固态的金属液继续施压，使其流入模型型腔，模型型腔充满后，型腔浇口处闸住，浇注过程完成，将浇注完成的铸件移开，即可准备进行下一模浇注。
进一步的，所述中间管路为升液管，保温炉内金属液在施压作用下，通过升液管自下向上平稳向模型型腔流动。
进一步的，对所述中间管路的管壁温度和保温炉内的金属液温度进行控制，经过搅拌后，进入模型型腔前，将金属液温度范围划分控制在L0-L7七个级别，以金属液液相线以下一个间隔温度△t0为最低温度级别L0，每增加一个间隔温度△t0为一个级别，直到L7级别，每级别温度以对应不同的固相分数和流动性。
进一步的，所述搅拌装置为电磁搅拌装置，以不与金属液接触的方式对金属液进行旋转搅拌。
一种微固态成型装置，该装置包括保温炉、升液管和模型型腔，所述升液管的一端通入保温炉中，另一端连通至模型型腔的底部。
进一步的，所述保温炉的顶部设有炉盖及相应的加压口，使得保温炉内部构成密封腔体，以便于施加压力，所述升液管从顶部穿过炉盖通入保温炉中。
进一步的，所述升液管的外周设置有电磁搅拌装置，用于对流经升液管的金属液进行无接触搅拌。
进一步的，所述电磁搅拌装置设置在位于保温炉与模型型腔之间裸露部分的升液管外周。
本发明的有益效果是:
本发明使得金属介于液态与半固态之间的金属液状态，对金属液进行工艺处理，增加了金属液中的形核核心，在保证具有良好流动性的同时，减少金属液中的含气量，细化晶粒，改善组织同时减少对型腔的热传导，减小砂型、砂芯的热变形，提高铸件的尺寸精度，减小补缩量，兼具了液态与半固态的优点，既可以形成复杂结构铸件，又可以在一定程度上提升铸件的质量、提高工艺出品率、节约原材料的消耗，实现数字化，智能化的控制。
附图说明
图1为本发明微固态成型装置的结构图；
图2为中间管路内金属液的温度分布示意图；
图3为本发明微固态成型工艺中以铝合金液为例的浇注温度区间与传统铸造及半固态铸造的差别示意图；
图4为中间管路内常规条件下的枝晶生长过程图；
图5为本发明搅拌条件下被打碎后的枝晶生长过程图。
图中标号说明：1、保温炉，2、升液管，3、模型型腔，4、炉盖，5、电磁搅拌装置，6、闸门机构。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。
一种微固态成型工艺，该工艺包括以下步骤：
步骤1）利用压力将金属液从保温炉中通过中间管路向模型型腔流动；
步骤2）在中间管路上控制其管壁温度，使得：
如图3所示，以铝合金液为例，控制铝合金液温度时，控制其温度△T1在传统浇筑温度与半固态温度△T2之间，并将这一温度区间作为微固态温度△T1，另外根据铝合金液中各元素组份的变化，其微固态温度△T1也作相应的调整，使其满足下面的控温原则，靠近中间管路的中心部分的金属液温度高于其液相线温度，让此部分金属液维持液相；
靠近中间管路的管壁部分的金属液温度低于其液相线温度，让此部分金属液产生固相，如图4所示，长出凝固枝晶，在本实施例中，在中间管路内距离管壁较近的某一段距离内，使得金属液的温度低于其液相线温度T0；
步骤3）在中间管路的周围设置搅拌装置，在金属液流经中间管路时，对其内的金属液进行搅拌，如图5所示，使得长出的凝固枝晶被打碎细化并弥散分布在金属液中成为金属液凝固时的形核核心，细化并弥散分布后的形核核心使得金属液呈现仍然具有较高流动性的微固态；
步骤4）将呈微固态的金属液继续施压，使其流入模型型腔，模型型腔充满后，型腔浇口处闸住，浇注过程完成，将浇注完成的铸件移开，即可准备进行下一模浇注。
所述中间管路为升液管，保温炉内金属液在施压作用下，通过升液管自下向上平稳向模型型腔流动。
对所述中间管路的管壁温度和保温炉内金属液温度进行控制，在本实施例中以铝合金为例，经过搅拌后，进入模型型腔前，铝液温度可控制在L0-L7七个级别，以铝液液相线以下温度5℃为最低温度级别L0，每增加5℃为一个级别，直到L6级别，每级别温度，对应不同的固相分数和流动性，温度越低，固相含量越高，铸件组织和力学性能越好，但流动性变差，不利于形成复杂铸件，从而可以根据铸件结构复杂程度和性能需求，选择不同的级别，从而实现复杂、薄壁铸件的成型，选取温度的原则是当铸件结构相对复杂时，选择浇注温度相对较高，当对组织和性能要求较高时，选择浇注温度相对较低，适应性非常广泛。
所述搅拌装置为电磁搅拌装置，以不与金属液接触的方式对金属液进行旋转搅拌。
如图1所示，一种微固态成型装置，该装置包括保温炉1、升液管2和模型型腔3，所述升液管2的一端通入保温炉1中，另一端连通至模型型腔3的底部。
所述保温炉1的顶部设有炉盖4及相应的加压口，使得保温炉1内部构成密封腔体，以便于施加压力，所述升液管2从顶部穿过炉盖4通入保温炉1中。
所述升液管2的外周设置有电磁搅拌装置5，用于对流经升液管2的金属液进行无接触搅拌。
所述电磁搅拌装置5设置在位于保温炉1与模型型腔3之间裸露部分的升液管2外周，在本实施例中，在升液管2一侧还设置有闸门机构6，用以控制升液管2的启闭，便于浇注完成时，在浇口处闸住。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种微固态成型工艺，其特征在于，该工艺包括以下步骤：
步骤1）利用压力将金属液从保温炉中通过中间管路向模型型腔流动；
步骤2）在中间管路上控制其管壁温度，使得：
靠近中间管路的中心部分的金属液温度高于其液相线温度，让此部分金属液维持液相；
靠近中间管路的管壁部分的金属液温度低于其液相线温度，让此部分金属液产生固相，长出凝固枝晶；
步骤3）在中间管路的周围设置搅拌装置，在金属液流经中间管路时，对其内的金属液进行搅拌，使得长出的凝固枝晶被打碎细化并弥散分布在金属液中成为金属液凝固时的形核核心，细化并弥散分布后的形核核心使得金属液呈现仍然具有较高流动性的微固态；
步骤4）将呈微固态的金属液继续施压，使其流入模型型腔，模型型腔充满后，型腔浇口处闸住，浇注过程完成，将浇注完成的铸件移开，即可准备进行下一模浇注。
2.根据权利要求1所述的微固态成型工艺，其特征在于，所述中间管路为升液管，保温炉内金属液在施压作用下，通过升液管自下向上平稳向模型型腔流动。
3.根据权利要求1所述的微固态成型工艺，其特征在于，对所述中间管路的管壁温度和保温炉内的金属液温度进行控制，经过搅拌后，进入模型型腔前，将金属液温度范围划分控制在L0-L7七个级别，以金属液液相线以下一个间隔温度△t0为最低温度级别L0，每增加一个间隔温度△t0为一个级别，直到L7级别，每级别温度以对应不同的固相分数和流动性。
4.根据权利要求1所述的微固态成型工艺，其特征在于，所述搅拌装置为电磁搅拌装置，以不与金属液接触的方式对金属液进行旋转搅拌。
5.一种微固态成型装置，其特征在于，该装置包括保温炉、升液管和模型型腔，所述升液管的一端通入保温炉中，另一端连通至模型型腔的底部。
6.根据权利要求5所述的微固态成型装置，其特征在于，所述保温炉的顶部设有炉盖及相应的加压口，使得保温炉内部构成密封腔体，以便于施加压力，所述升液管从顶部穿过炉盖通入保温炉中。
7.根据权利要求6所述的微固态成型装置，其特征在于，所述升液管的外周设置有电磁搅拌装置，用于对流经升液管的金属液进行无接触搅拌。
8.根据权利要求7所述的微固态成型装置，其特征在于，所述电磁搅拌装置设置在位于保温炉与模型型腔之间裸露部分的升液管外周。
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