CN1330990A - 球状初晶半固态金属浆料或连铸坯料的制备方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种球状或粒状初晶半固态金属浆料或连铸坯料的复合制备方法及装置,其特征在于:产生一过热的金属液,将该金属液的温度预先控制在其液相线温度以上1～30°K;将该过热度下的过热金属液浇入铸模或连铸结晶器中;提供一弱搅拌力,立即对所浇入该铸模或连铸结晶器中的该过热金属液施加弱搅拌,产生球状或粒状初晶的半固态金属浆料或连铸坯料。其优点在于降低能耗,简化工艺。

Description

球状初晶半固态金属浆料或连铸坯料的制备方法和装置

本发明涉及一种球状或粒状初晶的半固态金属浆料或连铸坯料的控温浇注和弱搅拌复合制备方法及该复合制备方法所使用的装置。

自从七十年代初期美国麻省理工学院(MIT)发明了金属及合金的球状或粒状初晶半固态成形技术以来，该项技术引起各国的广泛关注和研究。由于金属的球状或粒状初晶半固态成形具有许多优点，如：减轻了成形中的裹气和凝固收缩，增加了毛坯的致密性和强度；减轻了成分偏析，提高了毛坯性能的均匀性；减轻了成形抗力，可以制造复杂零件的毛坯；提高了生产效率，降低了废品率；降低了充型温度，延长了模具寿命；还可以实现生产的高度自动化，所以球状或粒状初晶金属的半固态成形技术已经应用到许多零件的制造当中。

无论从经济角度还是从过程稳定性角度看，在球状或粒状初晶半固态金属成形中，稳定地提供球状或粒状初晶半固态金属浆料和连铸坯料都处于最关键的位置。虽然目前制备球状或粒状初晶半固态金属浆料和连铸坯料的方法有多种，如机械搅拌法、电磁搅拌法、应变激活法(Strain-inducedMelt Activation Process，简称SIMA)、液相线铸造法、粉末法等，但成功商业应用的球状或粒状初晶半固态金属浆料和连铸坯料生产技术只有电磁搅拌和应变激活法，因此，目前球状或粒状初晶半固态金属浆料或连铸坯料的制备技术仍然制约着半固态金属成形技术的应用。

美国专利第3902544、3948650和3954455号公开了几种制备金属半固态浆料的机械搅拌方法， 该方法利用旋转叶片或搅拌棒将凝固中的初生固相枝晶打碎，获得球状或粒状初晶的金属半固态浆料。通过控制搅拌室的温度来控制半固态金属的固相率，通过搅拌叶片或搅拌棒的转速来控制剪切速率，可以保证剪切速率不变。也可以在搅拌室上方设置一个较大的金属溶池，既可防止卷入气体，又可保证连续供给金属液，利用旋转叶片或搅拌棒将凝固中的初生固相枝晶打碎，获得连续的球状或粒状初晶金属半固态浆料。但单纯机械搅拌的叶片和搅拌棒的相对转速都很高，一般均在500转/分钟以上，甚至超过10000转/分钟。在如此高的搅拌速率下，搅拌室和搅拌棒的寿命不长，金属更易于氧化，金属内部质量很低。

美国专利第4229210、4434837号公开了几种制备金属半固态浆料或连铸坯料的电磁搅拌方法，利用强烈的电磁感应力抑制初生枝晶的析出，制备球状或粒状初晶半固态金属浆料。然后，利用连铸技术生产出球状晶半固态金属的连铸坯料。但该制备方法中金属液的过热度一般都在50°K以上，要求必须进行强烈的电磁搅拌，即电磁搅拌所产生的剪切速率一般在500～1500S^-1。在这样的剪切速率下，被搅拌金属液的旋转速度很高，一般都超过500rp转/分钟，这时才能获得细小和球状初晶的半固态金属浆料。如果剪切速率小于500S^-1，初晶的形态变差，多为蔷薇状初晶，而且连铸坯料表面的枝晶层较厚，这种坯料的触变性不良，不适于半固态成形。为了进行强烈的电磁搅拌，电磁搅拌设备庞大，投资过高，而且电磁搅拌功率很大、效率很低、耗能很大因此球状或粒状初晶半固态金属连铸坯料的成本较高。

另外，目前一些学者(刘丹，崔建忠，夏可农。东北大学学报。1999，20(2)：173-176)在非搅拌条件下，仅利用控制浇注温度，也可以制备球状晶半固态金属浆料，这种方法被称为液相线铸造法，但该方法要求金属液的浇注温度非常接近该金属液的液相线温度，即比该液相线温度高1～5°K，才能获得球状晶半固态金属浆料，这使得金属熔体温度的控制变得十分困难，金属液的流动性变差，尤其在低导热性金属液或大量金属液及连铸中难以实现和操作。如果提高金属液的浇注温度，初生固相的球状形态立即恶化，由液相线浇注时的球状转变为蔷薇状或枝晶状，这种半固态金属浆料的触变性很差，半固态成形时的变形不均匀，易出现液固相偏析，非常不利于金属的半固态成形。

本发明的目的在于提供一种球状或粒状初晶的半固态金属浆料或连铸坯料的控温浇注和弱搅拌复合制备方法和装置，该方法提高液相线铸造法中过热金属液的浇注温度，然后该过热金属液在弱机械搅拌或电磁搅拌下进行凝固，可获得细小和球状或粒状初晶的半固态金属组织。

本发明的工艺构成如下：

1、产生一过热的金属液，将该金属液的温度预先控制在其液相线温度以上1～30°K，利用一加热元件以及一冷却元件控制过热金属液的温度。

2、将该过热金属液导入连铸结晶器或直接浇入铸模中。

3、提供一弱搅拌力，立即对所导入该连铸结晶器或直接浇入该铸模中的该过热金属液施加弱搅拌；搅拌的同时，连续冷却该过热金属夜；弱搅拌产生球状或粒状初晶的半固态金属浆料，其弱搅拌可利用水平式或垂直式旋转电磁场实现弱电磁搅拌，被搅拌金属液的旋转速率在50～300转/分钟范围；弱搅拌也可以利用旋转叶片或螺杆实现弱机械搅拌，搅拌速率在50～300rpm转/分钟范围。

4、该球状或粒状初晶的半固态金属浆料继续凝固成连铸坯料或铸件。

该方法适应于铝基合金、镁基合金、铜基合金、锌基合金、镍基合金、钴基合金、和铁基合金的球状或粒状初晶的半固态金属浆料或连铸坯料的制备。

实现上述工艺的设备构成如下：一过热金属液产生器(1)衔接一过热金属液导流管(2)，过热金属液导流管(2)衔接一连铸结晶器(4)，连铸结晶器(4)与一电磁搅拌器(3)相结合，连铸结晶器(4)衔接连铸牵引机构(5)，这一装置构成参见图1、图2、图3和图4；或将一过热金属液产生器(1)中的过热金属液(11)浇入铸模(20)，铸模(20)与一电磁搅拌器(3)或机械搅拌器(22)相结合，这一装置构成参见图5和图6。

本发明的优点在于：既解决了液相线铸造法中金属液温度难以控制和金属液流动性差的问题，又解决了纯粹电磁搅拌中设备庞大和搅拌功率大、搅拌效率低、能耗大的问题，这种方法尤其适合于连续铸造球状或粒状初晶的半固态金属棒状坯料。

为实施该方法发明的装置具有如下优点：过热金属液的温度易于控制；过热金属液的流动性易于控制；过热金属液容易被导入到连铸结晶器或浇入铸摸；电磁搅拌器或机械搅拌器结构简单，搅拌强度低、能耗低；球状或粒状初晶的半固态金属浆料产量大、质量高；既容易实现水平连续铸造球状或粒状初晶的半固态金属棒状坯料，也容易实现垂直连续铸造球状或粒状初晶的半固态金属棒状坯料，也容易生产球状或粒状初晶的半固态金属铸件；该装置既适合于铝基合金的球状或粒状初晶的半固态金属浆料或连铸坯料的制备，也适合于镁基合金、铜基合金、锌基合金、镍基合金、钴基合金、和铁基合金的球状或粒状初晶的半固态金属浆料或连铸坯料的制备。

下面结合实施例及其附图对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明的控温浇注和弱搅拌复合制备球状或粒状初晶半固态金属垂直连铸坯料的装置构造示意图。

图2是本发明的控温浇注和弱搅拌复合制备球状或粒状初晶半固态金属水平连铸坯料的装置构造示意图。

图3是图1和图2过热金属液产生器(1)的局部放大示意图。

图4是图1和图2过热金属液导流管(2)的局部放大图。

图5是本发明的控温浇注和弱机械搅拌复合制备球状或粒状初晶半固态金属铸件的装置构造示意图。

图6是本发明的控温浇注和弱电磁搅拌复合制备球状或粒状初晶半固态金属铸件的装置构造示意图。

控温浇注和弱电磁搅拌复合制备球状或粒状初晶半固态金属垂直连铸坯料的装置，主要包括：预定过热度的过热金属液产生器(1)，提供洁净和预定过热度的过热金属液；过热金属液导流管(2)，保证过热金属液在被导入连铸结晶器(4)过程中温度的精确控制；弱电磁搅拌器(3)；连铸结晶器(4)；垂直连铸牵引机构(5)。

控温浇注和弱搅拌复合制备球状或粒状初晶半固态金属铸件的装置，主要包括：预定过热度的过热金属液产生器(1)，提供洁净的预定过热的金属液；铸模(20)，容纳过热金属液；弱机械或弱电磁搅拌器(22)、(3)。

本发明的关键技术在于将控制精确的预定过热1～30°K的金属液导入到连铸结晶器或浇入到铸模中，同时进行弱电磁搅拌或弱机械搅拌，大大减少单纯电磁搅拌或机械搅拌的能耗，也可获得球状或粒状初晶半固态金属浆料，这些浆料可以进一步凝固成连铸坯料或铸件。

参照图1、2、3、4、5、6，这是按上述技术特点提供的装置，该装置设一预定过热度的过热金属液产生器(1)，它可以是一台金属熔化炉，兼作熔化金属和调整金属液过热度，它也可以是一台中间包(10)，通过调整绝热保温材料(9)中的加热元件(7)(电阻丝或感应加热器)的功率和冷却元件(8)中冷却流体的流量，使过热金属液(11)的过热温度控制在1～30°K，然后通过塞杆(6)，将过热金属液(11)导出过热金属液产生器(1)；过热金属液产生器(1)的底端紧接过热金属液导流管(2)，并通过过热金属液导流管(2)中的绝热保温材料(9)中的加热元件(7)(电阻丝或感应加热器)，确保过热金属液温度的稳定控制；过热金属液导流管(2)的另一端与连铸结晶器(4)相连，预定过热度的过热金属液(11)被导入到连铸结晶器(4)中，同时弱电磁搅拌器(3)对连铸结晶器(4)中的过热金属液(11)进行搅拌；在搅拌过程中，过热金属液的热量连续不断地传给连铸结晶器(4)，在连铸铸结晶器(4)中不断形成球状或粒状初晶半固态金属浆料(14)，该球状或粒状初晶半固态金属浆料(14)不断在结晶器(4)的内壁上形成坯壳；绝热衬套(13)镶嵌在连铸结晶器(4)中，紧贴在结晶器(4)的内壁上，可降低结晶器上部的导热能力，减少坯料表面的细枝晶层厚度；球状或粒状初晶半固态金属浆料形成的坯壳不断被连铸牵引机构(5)拉出连铸结晶器(4)，在连铸结晶器(4)的出口处，坯壳受到连铸结晶器(4)中冷却水(15)的二次冷却，球状或粒状初晶半固态金属浆料最终凝固成连续棒状坯料(14)。

利用过热金属液产生器(1)精确控制的过热金属液(11)也可以直接被浇入到铸模(20)中，同时电机(17)通过传动杆(18)带动搅拌叶片(19)，对铸模(20)中的过热金属液进行弱机械搅拌，或通过电磁搅拌器(3)对铸模(20)中的过热金属液进行弱电磁搅拌。在搅拌过程中，过热金属液不断将热量传给铸模(20)，最后产生球状或粒状初晶半固态金属浆料(21)，这时取出机械搅拌器(18)、(19)，或切断电磁搅拌器(3)的电源，球状或粒状初晶半固态金属浆料(21)最后凝固成铸件。

Claims (8)

1、一种球状或粒状初晶半固态金属浆料或连铸坯料的复合制备方法，其特征在于：

a.产生一过热金属液，将该过热属液的温度预先控制在其液相线温度以上1～30°K，利用一加热元件以及一冷却元件控制过热金属液的温度；

b.将该过热金属液浇入铸模或导入连铸结晶器中；

c.提供一弱搅拌力，立即对所浇入该铸模或连铸结晶器中的该过热金属液施加弱搅拌，产生球状或粒状初晶的半固态金属浆料，其弱搅拌可利用水平式或垂直式旋转电磁场实现弱电磁搅拌，被搅拌金属液的旋转速率在50～300转/分钟范围；

d.该球状或粒状初晶的半固态金属浆料继续凝固成铸件或连铸坯料。

2、根据权利要求1所述的球状或粒状初晶的半固态金属浆料或连铸坯料的复合制备方法，其特征是弱搅拌也可以利用旋转叶片或螺杆实现弱机械搅拌，搅拌速率在50～300rpm转/分钟范围。

3一种球状或粒状初晶的半固态金属浆料或连铸坯料的复合制备方法的装置，包括有过热金属液产生器(1)、过热金属液导流管(2)、电磁搅拌器(3)、连铸结晶器(4)、连铸牵引机构(5)、铸模(20)、机械搅拌器(22)，其特征在于一过热金属液产生器(1)衔接一过热金属液导流管(2)，过热金属液导流管(2)衔接一连铸结晶器(4)，连铸结晶器(4)与一电磁搅拌器(3)相结合，连铸结晶器(4)衔接连铸牵引机构(5)；或将一过热金属液产生器(1)中的过热金属液(11)浇入铸模(20)，铸模(20)与一电磁搅拌器(3)或机械搅拌器(22)相结合。

4、根据权利要求3所述的装置，其特征是过热金属液产生器(1)是由一合金熔化炉构成，或由一围绕在中间包(10)***的加热元件(7)、冷却元件(8)和绝缘保温材料(9)所组成，其中加热元件(7)为一电阻加热丝或感应加热器，冷却元件(8)为一内部通过冷却流体水、空气、低温气体的冷却管道。

5、根据权利要求3所述的装置，其特征是过热金属液导流管(2)由一围绕在中空管(12)***的加热元件(7)和绝缘保温材料(9)所组成，并利用加热元件(7)实现该过热金属液在被导入连铸结晶器(4)过程中的温度稳定，其中中空管(12)可以是金属管或非金属管。

6、根据权利要求3所述的装置，其特征是设置一机械搅拌器(22)或电磁搅拌器(3)，产生搅拌电磁场的机构可以是两极多相交流电机锭子及其改进型或多相交流搅拌绕组，搅拌的电源频率在5～1000Hz范围，电压在1～40V范围，电流在3～40A范围，以对所述导入连铸结晶器(4)或浇入铸模(20)中的该过热金属液(11)进行弱搅拌，产生球状或粒状初晶的半固态金属浆料，铸模(20)的材料为非金属或金属材料。

7、根据权利要求3所述的装置，其特征是连铸牵引机构(5)可以是垂直式，实现球状或粒状初晶半固态金属坯料的垂直连续铸造。

8、根据权利要求3所述的装置，其特征是连铸牵引机构(5)可以是水平式，并将结晶器(4)设置成水平式，实现球状或粒状初晶半固态金属坯料的水平连续铸造；连铸结晶器(4)材料为无磁不锈钢或其它无磁金属或非金属材料，结晶器通水或其它冷却介质进行冷却。

Images