CN1411932B - 球状初晶半固态金属或合金浆料直接成型方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种球状初晶半固态金属或合金浆料直接成形方法及装置，涉及半固态金属或合金浆料的直接成形，特别涉及半固态金属和合金浆料的流变成形。将低过热度即过热5～30°K的金属或合金液浇入一铸模即承接容器中，同时对该过热金属或合金液施加一弱搅拌力即低功率搅拌力，得到球状初晶半固态金属或合金浆料；该球状初晶半固态金属或合金浆料经过进一步冷却或保温，使该球状初晶的半固态金属或合金浆料冷至特定的温度或固相分数，该温度高于该金属或合金的平衡固相线温度或不低于该金属或合金半固态浆料的直接成形温度，在该冷却或保温过程中，该金属或合金半固态浆料中的球状初晶得到进一步的圆整优化；将该圆整优化后的球状初晶半固态金属或合金浆料送至压铸机或锻造机的射室进行半固态浆料直接成形，其优点在于降低能耗，缩短工艺流程，降低铸件或成形件的成本。

Description

球状初晶半固态金属或合金浆料直接成型方法及装置

技术领域：本发明涉及一种球状初晶的半固态金属或合金浆料的直接成形方法及装置。 

背景技术：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。金属及合金的球状初晶半固态成形技术一般分两类，一类是半固态金属或合金触变成形，即先让球状初晶的金属或合金半固态浆料完全凝固成坯料，再对适当长度的坯料进行半固态重熔加热，将处于固液两相区的半固态坯料送至压铸机或锻造机进行成形；另一类是将球状初晶的金属或合金半固态浆料直接送至压铸机或锻造机进行直接成形，即流变成形。由于球状初晶金属或合金的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。 

据文献Flemings M.Behavior of Metal alloys in the Semisolid State.Metall Trans，1991，22A(5)：957-981报道，在球状初晶半固态金属或合金的触变成形工艺中，首先应该制备球状初晶半固态金属或合金的坯料。目前制备球状初晶半固态金属或合金坯料的商用方法有电磁搅拌法和应变激活(strain induced melt activation)法。在电磁搅拌制备球状初晶半固态金属或合金坯料方法中，一般金属或合金液的过热度都在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(参见美国专利第4434837号)。在这样的剪切速率下，被搅拌金属或合金液的旋转速度很高，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或合金坯料。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，不适于半固态触变成形。为了进行强烈的电磁搅拌，电磁搅拌设备庞大，投资高，而且电磁搅拌功率大、效率低、耗能大，因此球状初晶半固态金属或合金连铸坯料的成本较高。球状初晶半固态金属或合金坯料制备之后，将该坯料进行定量锯切，再对这些一定大小的固态坯料进行电磁感应半固态重熔加热，当达到预定的固相分数时，半固态重熔加热的坯料才可以进行触变成形，所以该过程增加了一次半固态重熔的能源消耗，而且在电磁 感应半固态重熔加热过程中，坯料一般会流失5～12％的金属或合金，坯料的表面氧化也很严重，这些均增加了球状初晶半固态金属或合金触变成形的成本和成形件的内部或表面缺陷；成形后的料柄或废件必须返回坯料制备车间或坯料供应者手中，这也增加了成本。由上所述，球状初晶半固态金属或合金触变成形的工艺流程长、生产成本高。 

球状初晶半固态金属或合金浆料直接成形即流变成形的工艺流程虽然短，也不需要半固态重熔加热的能耗，但到目前为止，制备流变成形所需的球状初晶半固态金属或合金浆料的方法都是强烈的机械搅拌(参见美国专利第3948650、3954455号和Flemings M，Riek R G and Young K P.Rheocasting.Materials Science and Engineering，1976，25：103-117)，机械搅拌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，获得球状初晶的金属或合金半固态浆料。在搅拌中，这些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，容易污染球状初晶半固态金属或合金浆料，球状初晶半固态金属或合金浆料也易于氧化，球状初晶半固态金属或合金浆料的内部质量低，而且球状初晶半固态金属或合金浆料的生产效率很低，也无法满足流变成形的需要，所以球状初晶半固态金属或合金浆料的直接成形还无法进入商业生产。 

中国专利00109540.4(在公开中)提出了一种制备球状初晶半固态金属或合金浆料的新方法，即将低过度的金属或合金液直接浇入铸模或连铸结晶器中，同时对该过热金属或合金液进行弱搅拌即低功率搅拌，就可制备出球状初晶半固态金属或合金浆料，而且该球状初晶半固态金属或合金浆料纯净，不会受到制备装置的污染，因此该制备方法的设备投资低、球状初晶半固态金属或合金浆料制备成本低。但该制备方法制备出的球状半固态金属或合金浆料的固相分数不易控制、初生固相的形态不太圆整，因此该浆料不宜再输送至压铸机或锻造机的射室进行复杂零件毛坯的直接成形，只适合制作连续铸造坯料及用于随后的半固态触变成形或制作与铸模形状相同的简单铸件。如果对该方法制备的球状初晶半固态金属或合金浆料进行后续球状初晶的圆整优化和固相分数控制，就可以将该优化后的球状初晶半固态金属或合金浆料输送至压铸机或锻造机的射室进行复杂零件毛坯的直接成形。 

发明内容：本发明提供了一种球状初晶的半固态金属或合金浆料直接成形的方法及装置，将过热金属或合金液浇入承接容器中，同时对浇入承接容器中的该过热金属或合金液施加短时弱行波电磁场搅拌，并对该凝固过程进行冷却控制和球状初晶的圆整优化，得到预定固相分数的球状初晶的半固态金属或合金浆料，将该固相分数的球状初晶的半固态金属浆料送至 压铸机或锻造机的射室，可以直接成形非常复杂的零件毛坯，该球状初晶的半固态金属或合金浆料直接成形方法的工艺流程短，生产成本低。对浇入承接容器中的该过热金属或合金液也可以施加短时弱螺旋电磁场搅拌，并对该凝固过程进行冷却控制和球状初晶的圆整优化，也可得到预定固相分数的球状初晶的半固态金属或合金浆料，将该固相分数的球状初晶的半固态金属浆料送至压铸机或锻造机的射室，也可以直接成形非常复杂的零件毛坯，该工艺流程也短，生产成本也低。 

本发明的工艺构成如下： 

1、产生一过热的金属或合金液，将该过热金属或合金液的温度预先控制在其实际液相线温度以上，并将该过热金属或合金液直接浇入一个承接容器中。该承接容器的形状可以是圆柱形或其他形状，该承接容器的材质可以是非金属或无磁金属，该承接容器内壁设有低导热衬里，也可以不设低导热衬里，如设有低导热衬里，该低导热衬里的厚度为0.2～10mm。 

2、同时提供一弱行波电磁场或螺旋电磁场实现搅拌，对浇入该承接容器中的过热金属或合金液或已凝固出少量初生固相的半固态金属或合金浆料施加短时间搅拌，得到球状初晶的半固态金属或合金浆料，搅拌时间为20S。在该搅拌的同时或之后，控制该球状初晶的半固态金属或合金浆料的冷却，使该球状初晶进一步圆整化和控制该半固态金属或合金浆料达到预定的固相分数或温度，该预定的固相分数为0.4～0.6，或该预定温度高于该金属或合金的固相线温度或不低于该固相分数的球状初晶的半固态金属或合金浆料的成形温度；该特定的冷却速度为5°K/min，该冷却时间为300秒钟。或在该搅拌之后，对该球状初晶的半固态金属或合金浆料进行保温和该球状初晶圆整优化，该保温的温度高于该金属或合金的固相线温度或不低于该固相分数的球状初晶的半固态金属或合金浆料的成形温度，该保温时间为300秒钟。 

3、该弱行波电磁场搅拌输出功率是1500瓦、电磁搅拌的电源频率是50～1000赫兹。 

4、在球状初晶的半固态金属或合金浆料的冷却中，该冷却器可由电阻热、或天然气燃烧热、或煤气燃烧热、或燃油燃烧热、或工频电磁感应热、或中频电磁感应热、或高频电磁感应热维持。 

5、在球状初晶的半固态金属或合金浆料的保温中，该保温器由电阻热、或天然气燃烧热、或煤气燃烧热、或燃油燃烧热、或工频电磁感应热、或中频电磁感应热、或高频电磁感应热维持特定的温度。 

6、在冷却或保温过程中，控制最后成形前的半固态金属或合金浆料内外的温度差不大于±5℃。 

7、将经过圆整优化的球状初晶的半固态金属或合金浆料送至压铸机或 锻造机的射室进行成形，得到压铸件或锻件。 

8、也可以由一个空心纯铜管盘成螺旋状的电磁感应器代替直线移动的行波电磁搅拌器和冷却器或保温器，即将过热金属或合金液的承接容器预先放置在该行波电磁感应器中，将过热金属或合金液直接浇入该承接容器中，利用该行波电磁感应器产生的直线移动行波电磁场对该承接容器中的该过热金属或合金液进行短时弱行波电磁搅拌即低功率搅拌，产生球状初晶的半固态金属浆料。 

9、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、和铁基合金的球状初晶的半固态金属或合金浆料的直接成形。 

实现上述工艺的设备构成如下：一低过热度的过热金属或合金液产生器(1)衔接一过热金属或合金液承接容器(3)，该过热金属或合金液承接容器(3)与一行波或螺旋电磁搅拌器(4)相结合，经过电磁搅拌之后，该承接容器(3)再与一冷却器或保温器(6)相结合，该承接容器(3)和该预定固相分数的球状初晶的半固态金属或合金浆料(5)与一压铸机(10)或锻造机(14)衔接，压铸机(10)与压铸模具(9)相结合，锻造机(14)与锻造模具(12)相结合，这一装置构成参见图1、图2；或将一低过热度的过热金属或合金液产生器(1)中的过热金属或合金液(2)浇入承接容器(3)，该承接容器(3)与一冷却器或保温器(6)相结合，该冷却器或保温器(6)是由空心纯铜管盘成螺旋状的电磁感应加热器构成，既可以实现低功率的行波电磁搅拌，又可以实现该球状初晶的半固态金属或合金浆料(5)的控制冷却和球状初晶圆整优化，该承接容器(3)和该预定固相分数的球状初晶的半固态金属或合金浆料(5)与一压铸机(10)或锻造机(14)衔接，压铸机(10)与压铸模具(9)相结合，锻造机(14)与锻造模具(12)相结合，这一装置构成参见图3。 

本发明在于将控制精确的低过热度金属或合金液浇入到一个承接容器中，同时对该承接容器中的金属或合金液进行弱行波或螺旋电磁场搅拌即低功率搅拌，大大减少单纯电磁搅拌的能耗和降低装备的复杂程度，同样可获得球状初晶半固态金属或合金浆料，而且半固态金属或合金浆料的温度场均匀性比弱旋转电磁搅拌制备的金属浆料的温度场更均匀；这些球状初晶半固态金属或合金浆料经过进一步的冷却或保温，球状初晶的形态得到进一步的圆整优化，将该圆整优化的球状初晶半固态金属或合金浆料直接送至压铸机或锻造机的射室进行半固态成形，大大缩短了球状初晶的半固态金属或合金坯料触变成形的工艺流程，设备投资大幅度减少，降低半固态成形件的成本；本发明还避免了常规球状初晶的半固态金属或合金坯料触变成形中的电磁感应加热的能耗，也不会出现常规半固态金属或合金 触变成形坯料重熔加热时的金属流失现象，也大大降低了坯料的表面氧化，进一步提高成形件的内在质量；本发明的制备球状初晶的半固态金属或合金浆料工艺是一埚一埚的制备，球状初晶的半固态金属或合金浆料的输送很容易实现，浆料的液相分数还可以控制的较高，便于成形非常复杂的零件毛坯，而常规半固态金属或合金触变成形坯料的液相分数不能控制太高，成形非常复杂零件毛坯时遇到困难，否则坯料的搬运难以实现工艺操作；本发明的工艺使球状初晶的半固态金属或合金浆料直接成形后的浇注***、废品将直接在本车间回用，降低原料成本，而常规球状初晶的半固态金属或合金坯料触变成形后的浇注***、废品必须返回到坯料制备车间或坯料供应者的生产厂，增加了成形生产成本。本发明既解决了液相线铸造法中金属或合金液温度难以控制、金属或合金液流动性差和浇注工艺难以实现的难题，又解决了单纯电磁搅拌或机械搅拌制备球状初晶的半固态金属或合金浆料中设备庞大和搅拌功率大、搅拌效率低、能耗大的问题，又不会引起被搅拌过热金属或合金液或球状初晶的半固态金属或合金浆料的飞溅和事故； 

为实施该方法发明的装置中的电磁搅拌器结构简单，搅拌强度低、能耗低；该冷却器或保温器的结构简单，半固态金属或合金浆料的球状初晶的组织形态和固相分数易于控制，便于制备一埚一埚的球状初晶的半固态金属或合金浆料，这点尤其适合机械零件毛坯的成形需要；该压铸机或锻造机是一般商用或经过适当改造以适应球状初晶的半固态金属或合金浆料成形需要的压铸机或锻造机，获取容易，投资节省；该装置既适合于铝基合金的球状初晶的半固态金属浆料直接成形，也适合于镁基合金、铜基合金、锌基合金、镍基合金、钴基合金、和铁基合金的球状初晶的半固态浆料的直接成形。 

附图说明：

图1是本发明的球状初晶的半固态金属或合金浆料直接压铸的工艺及装置示意图。 

图2是本发明的球状初晶的半固态金属或合金浆料直接锻造的工艺及装置示意图。 

图3是本发明的第二种球状初晶的半固态金属或合金浆料直接压铸的工艺及装置示意图。 

图4是本发明的球状初晶的半固态A356合金浆料的组织，浅色区域为球状初生α-Al，深色区域为凝固的共晶液体。 

图5是本发明的经过圆整优化的球状初晶的半固态A356合金浆料的组织，浅色区域为球状初生α-Al，深色区域为凝固的共晶液体。 

具体实施例：参照图1、2，这是按上述技术特点提供的工艺流程及装 置，该工艺设一低过热度的过热A356合金液产生器1，它是电阻熔化炉，该熔化炉的保温性能良好，能够保证A356合金液2的温控精度，温度精度为±5℃；该过热A356合金液产生器1与一过热A356合金液承接容器3衔接，该承接容器3由石墨制作，浇注前该承接容器3处于室温；该过热A356合金液承接容器3与一行波电磁搅拌器(4)相结合；将过热10°K的A356合金液2直接浇入该过热A356合金液承接容器3中，同时对该过热A356合金液承接容器3中的该过热A356合金液2进行短时弱行波电磁场搅拌，该弱行波电磁场搅拌的功率为1500W、电源频率为50Hz、搅拌时间为20S，得到的球状初晶的半固态A356合金浆料的组织如图4所示；搅拌之后，将该承接容器3连同其中的球状初晶的半固态A356合金浆料移至一个电磁感应加热器中，使该承接容器3连同其中的球状初晶的半固态A356合金浆料进一步的冷却，冷却速度为5°K/min，将该球状初晶的半固态A356合金的固相分数控制在预定的范围，即0.4～0.6；在该冷却或保温过程中，该半固态A356合金浆料的球状初晶得到进一步的圆整优化，如图5所示；最后将圆整优化后的该球状初晶的半固态A356合金浆料5和该承接容器3一起送到压铸机10，将该球状初晶的半固态A356合金浆料5送入压铸模具9中进行成形。 

参见本发明技术特点的工艺流程图3，利用由空心纯铜管盘成螺旋状的电磁感应器来代替行波电磁搅拌器4和冷却器6、或代替行波电磁搅拌器4和保温器6，将过热A356合金液承接容器3直接放入该电磁感应器中，该承接容器3由石墨制作，浇注前该承接容器3处于室温；再将该过热A356合金液产生器1精确控制的低过热度即过热10°K的A356合金液2直接浇入到该过热A356合金承接容器3中，同时对该过热A356合金液进行短时弱行波电磁场搅拌，该弱行波电磁场搅拌的功率为1500W、电源频率为1000Hz、搅拌时间为20S，得到的球状初晶的半固态A356合金浆料的组织与图4类似；在弱行波电磁场搅拌的同时，调整该行波电磁感应器的功率，以控制球状初晶的半固态A356合金浆料的冷却，使球状初晶的半固态A356合金浆料的后续冷却速度为5°K/min或保温温度为585℃、保温时间为5min，将该球状初晶的A356合金浆料的固相分数控制在预定的范围，即0.4～0.6，得到优化的球状初晶的半固态A356合金浆料5，其组织与图5类似；最后将圆整优化后的该球状初晶的A356合金浆料5和该承接容器3一起送到压铸机10前，将该球状初晶的半固态A356合金浆料送入压铸模具9或锻造模具12中进行成形。本发明实现了球状初晶的半固态金属或合金浆料直接成形，即不让球状初晶的半固态金属或合金浆料完全凝固，而将其直接输送至压铸机或锻造机的射室进行成形，避免了球状初晶的半固态金属或合金坯料触变成形中必须对该坯料进行半固态重熔加热的工序， 大大缩短了工艺流程和降低了电能消耗，这种方法尤其适合于低熔点金属或合金的球状初晶的半固态金属浆料的直接成形。 

Claims (10)

1.一种球状初晶半固态金属或合金浆料的直接成形方法，产生一低过热度的过热金属或合金液，将该过热金属或合金液的温度预先控制在其实际液相线温度以上，将该过热金属或合金液直接浇入一铸模即承接容器中，其特征在于：

a.立即对所浇入该铸模即承接容器中的过热金属或合金液或已凝固出少量初生固相的半固态金属或合金浆料施加短时弱行波电磁场搅拌、或弱螺旋电磁场搅拌即低功率搅拌，得到球状初晶的半固态金属或合金浆料，搅拌时间为20S；

b.在该短时搅拌之后，通过一冷却器来控制该球状初晶的半固态金属或合金浆料的后续冷却速率和冷却时间，冷却速率为5°K/min，冷却时间为300S，使该球状初晶进一步圆整优化，并控制该半固态金属或合金浆料达到预定的固相分数或温度，预定的固相分数为0.4～0.6，或预定温度高于该金属或合金的固相线温度或不低于该固相分数的球状初晶的半固态金属或合金浆料的成形温度；

或者是在该短时搅拌之后，对球状初晶的半固态金属或合金浆料进行保温，该保温的温度高于该金属或合金的固相线温度或不低于该固相分数的球状初晶的半固态金属或合金浆料的成形温度，保温时间为300S，使球状初晶进一步圆整优化；

c.将圆整优化后和预定固相分数的球状半固态金属或合金浆料连同其铸模即承接容器送至压铸机或锻造机前，将该铸模即承接容器中的球状半固态金属或合金浆料送入压铸机的射室或锻造机的射室中，进行压铸或锻造成形。

2.如权利要求书1所述的球状初晶半固态金属或合金浆料的直接成形方法，其特征在于，该行波电磁场弱搅拌即低功率搅拌的电磁搅拌输出功率是1500瓦、电磁搅拌的电源频率是50～1000赫兹。

3.根据权利要求1所述的球状初晶的半固态金属或合金浆料的直接成形方法，其特征是该冷却器由电阻热、或天然气燃烧热、或煤气燃烧热、或燃油燃烧热、或工频电磁感应热、或中频电磁感应热、或高频电磁感应热维持，使该球状初晶的半固态金属或合金浆料具有特定的冷却速度，该特定的冷却速度为5°K/min。

4.根据权利要求1所述的球状初晶的半固态金属或合金浆料的直接成形方法，其特征是该保温器由电阻热、或天然气燃烧热、或煤气燃烧热、或燃油燃烧热、或工频电磁感应热、或中频电磁感应热、或高频电磁感应热维持特定的温度，该特定温度高于该金属或合金的平衡固相线温度或不低于该半固态金属或合金浆料的直接成形温度。

5.根据权利要求1所述的球状初晶的半固态金属或合金浆料直接成形方法，其特征是该球状初晶的半固态金属或合金浆料直接成形时的球状初晶的半固态金属浆料的固相分数为0.4～0.6。

6.根据权利要求1所述的球状初晶的半固态金属或合金浆料的直接成形方法，其特征在于在冷却或保温过程中，控制最后成形前的半固态金属或合金浆料内外的温度差不大于±5℃。

7.一种球状初晶的半固态金属或合金浆料直接成形装置，主要包括过热金属或合金液产生器(1)、过热金属或合金液(2)的铸模即承接容器(3)、电磁搅拌器(4)，其特征在于，铸模即承接容器(3)再与一冷却器或保温器(6)相结合，该铸模即承接容器(3)和该预定固相分数的球状初晶的半固态金属或合金浆料(5)与一压铸机(10)或锻造机(14)衔接，压铸机(10)与压铸模具(9)相结合，锻造机(14)与锻造模具(12)相结合。

8.如权利要求7所述的球状初晶的半固态金属或合金浆料直接成形装置，其特征在于，该过热金属或合金液(2)的铸模即承接容器(3)的形状是圆柱形或其他形状，该铸模即承接容器(3)的材质是非金属或无磁金属，该铸模即承接容器(3)内壁设有低导热衬里，或不设低导热衬里，如设有低导热衬里，该低导热衬里的厚度为0.2～10mm。

9.根据权利要求7所述的球状初晶的半固态金属或合金浆料直接成形装置，其特征是该冷却器或保温器(6)由空心纯铜管盘成螺旋状的工频、或中频、或高频电磁感应器构成，或者是由电阻炉、或燃气炉、或燃油炉构成。

10.根据权利要求7所述的球状初晶的半固态金属或合金浆料直接成形的装置，其特征在于，该电磁搅拌器(4)由空心纯铜管盘成螺旋状的工频、或中频、或高频感应式的冷却器或保温器(6)代替。

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