專利名稱：一種半固態(tài)金屬漿制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半固態(tài)金屬加工技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種半固態(tài)金屬漿的制備方法。
自上個(gè)世紀(jì)七十年代，美國(guó)科學(xué)家首次提出金屬半固態(tài)成型概念以來(lái)，半固態(tài)金屬加工技術(shù)受到國(guó)際材料界的廣泛關(guān)注，已成為當(dāng)今最活躍的研究領(lǐng)域之一。這種方法不僅可以降低成本，提高鑄件質(zhì)量與成品率，同時(shí)具有高效、節(jié)能、利于環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。目前一些發(fā)達(dá)國(guó)家已開(kāi)始應(yīng)用于汽車制造業(yè)，并具有廣闊的發(fā)展前景。半固態(tài)金屬加工技術(shù)一般由制漿、二次加熱與觸變成型三個(gè)環(huán)節(jié)組成。其中制漿是整個(gè)過(guò)程的基礎(chǔ)與關(guān)鍵，其目的是獲得適于半固態(tài)成型的均勻細(xì)小等軸的結(jié)晶組織。半固態(tài)漿的制備是半固態(tài)加工技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，國(guó)外研究者在此方面作了大量研究工作，提出了許多制漿方法或思想。其中主要包括①機(jī)械攪拌法。此法是最早采用的方法。主要用于研究金屬的流變學(xué)性質(zhì)與流變鑄造。其原理是利用機(jī)械外力使生長(zhǎng)過(guò)程中的枝晶破碎，機(jī)械攪拌流變鑄造裝置一般分為連續(xù)式與間歇式，間歇式多用于實(shí)驗(yàn)室研究，而連續(xù)流變鑄法可用于工業(yè)化生產(chǎn)。機(jī)械攪拌法可以獲得很高的剪切速率，有利于形成微小的球形微觀組織。機(jī)械攪拌法存在下列缺點(diǎn)(1)存在攪拌死角，影響漿料均勻性；(2)設(shè)備笨重、操作困難、生產(chǎn)效率底，固相分?jǐn)?shù)只能限定在30％-60％范圍內(nèi)。②電磁攪拌法。為了克服機(jī)械攪拌法的諸多缺點(diǎn)，發(fā)展了電磁攪拌法。電磁攪拌按磁場(chǎng)方向分為水平式與垂直式，按磁場(chǎng)發(fā)生方式又可以分為交變式與旋轉(zhuǎn)永磁體法。后者的優(yōu)點(diǎn)是磁場(chǎng)強(qiáng)度高，金屬可產(chǎn)生三維流動(dòng)，攪拌效果好。電磁攪拌技術(shù)相對(duì)比較成熟，已在工業(yè)化生產(chǎn)得到了應(yīng)用，但通常認(rèn)為，、該技術(shù)只適用于直徑小于150mm的錠坯，且對(duì)變形鋁合金的適用性尚待研究。③應(yīng)變誘導(dǎo)熔體活化技術(shù)(SIMA)。應(yīng)變誘導(dǎo)活化技術(shù)(Strain-induced MeltActivation Process)，簡(jiǎn)稱SIMA，是除電磁攪拌法外，目前工業(yè)上用于生產(chǎn)半固態(tài)漿的另一種方法。該技術(shù)是將常規(guī)鑄造枝晶組織在高溫下進(jìn)行擠壓變形，破碎枝晶組織，再施加足夠的冷變形量后，加熱到兩相區(qū)。在加熱過(guò)程，合金首先發(fā)生再結(jié)晶形成亞晶粒和亞晶界，隨后，晶界處低熔點(diǎn)溶質(zhì)元素和低熔點(diǎn)相熔化，導(dǎo)致近球形固相被低熔點(diǎn)液相包圍，形成半固態(tài)漿料。該技術(shù)對(duì)制備較高熔點(diǎn)的非枝晶組織合金具有獨(dú)特的優(yōu)越性，已成功地應(yīng)用于不銹鋼、工具鋼、銅合金等系列。但由于其工藝復(fù)雜，生產(chǎn)成本高，生產(chǎn)效率低，僅用于小規(guī)格坯料的生產(chǎn)。④噴射沉積法。通過(guò)氣體噴射器將液體金屬霧化為液滴，在噴射氣體作用下，部分凝固的金屬微粒以半固態(tài)沉積到冷卻靶上?？堪牍虘B(tài)微粒的沖擊產(chǎn)生足夠的剪切力打碎其內(nèi)部枝晶，形成非枝晶組織。經(jīng)再加熱后，獲得具有球形顆粒固相的半固態(tài)金屬漿料。目前該方法已應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)，晶粒尺寸可小至20μm。但該方法生產(chǎn)成本較高，只適用于某些特殊產(chǎn)品。⑤其它方法。除上述方法外，還有許多制漿技術(shù)處于研究或開(kāi)發(fā)之中。如粉末冶金法，即通過(guò)粉末冶金技術(shù)制成錠坯后，經(jīng)再加熱使低熔點(diǎn)成分熔化后獲得半固態(tài)漿料。這種方法特別適用于難熔合金(Ti-Co)。此外，還有紊流效應(yīng)法、晶粒細(xì)化法、超聲波處理法、等溫處理法、剪切-冷卻-軋制法(Shearing-Cooling-Rolling)、被動(dòng)攪拌法、脈沖法等。這些方法目前均處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，尚未投入工業(yè)生產(chǎn)。
本發(fā)明的目的在于提供一種工藝簡(jiǎn)單、適用范圍寬廣、生產(chǎn)效率高的半固態(tài)金屬漿的制備方法。
本發(fā)明的方法為——液相線半連續(xù)鑄造法。所謂液相線半連續(xù)鑄造，是將合金熔體冷卻至液相線溫度附近保溫一定時(shí)間后，進(jìn)行半連續(xù)鑄造，獲得具有半固態(tài)觸變組織的制漿方法。適用范圍為有色金屬合金半固態(tài)金屬漿料的制備。
本發(fā)明的方法包括合金熔煉與精練，冷卻與保溫和半連續(xù)鑄造三個(gè)步驟。合金熔煉與精練，與現(xiàn)行的合金熔煉與精煉方法相同；冷卻與保溫是將精煉后的合金熔體在靜置爐內(nèi)自然冷卻降溫至液相線溫度附近，即液相線溫度～液相線溫度+15℃范圍內(nèi)，保溫一定時(shí)間；半連續(xù)鑄造是在半連續(xù)鑄造機(jī)上進(jìn)行，可采用立式或水平半連續(xù)鑄造。鑄造結(jié)晶器為水冷金屬結(jié)晶器內(nèi)襯石墨環(huán)，石墨環(huán)與金屬結(jié)晶器之間留有一定的間隙，以減小并可以調(diào)節(jié)一次冷卻強(qiáng)度，二次冷卻強(qiáng)度通過(guò)冷卻水流量的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。本方法根據(jù)不同合金確定不同的鑄造工藝條件和參數(shù)，獲得具有適合于半固態(tài)成型的鑄造組織的鑄錠。具體工藝參數(shù)見(jiàn)應(yīng)用實(shí)例。
本發(fā)明的液相線鑄造制漿技術(shù)具有下列優(yōu)點(diǎn)①工藝先進(jìn)、設(shè)備簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高。該工藝不需要電磁發(fā)生裝置，降低設(shè)備投資，同時(shí)大大縮小結(jié)晶器之間的距離，實(shí)現(xiàn)密排鑄造；②由于不需任何攪拌，熔體液穴平穩(wěn)，有效避免金屬的吸氣與夾渣，提高產(chǎn)品質(zhì)量；③可以生產(chǎn)大規(guī)格錠坯。目前，當(dāng)錠坯直徑超過(guò)152mm時(shí)，由于電磁場(chǎng)分布的不均勻性，電磁攪拌法無(wú)法獲得組織均勻的坯料。而液相線鑄造法的控制機(jī)制是溫度場(chǎng)的控制，因此容易實(shí)現(xiàn)大鑄錠的鑄造。④適用合金范圍寬。目前，電磁鑄造法的研究與開(kāi)發(fā)主要集中在以A356合金為代表的鑄造鋁合金方面，而對(duì)變形鋁合金的適用性尚有爭(zhēng)議。研究表明，液相線鑄造法不僅適合鑄造合金，同時(shí)對(duì)變形合金、鎂合金及銅合金非常有效。尤其對(duì)鎂合金半固態(tài)漿的制備具有特別的意義。鎂合金具有質(zhì)輕、比強(qiáng)度高等一系列優(yōu)點(diǎn)，但由于鎂合金容易氧化燃燒，其氧化物夾雜不易控制，現(xiàn)有鎂合金半固態(tài)漿料的制備技術(shù)采用粉末冶金法，該法不僅工藝復(fù)雜，而且對(duì)氧化夾雜問(wèn)題難以解決。采用本發(fā)明——液相線半連續(xù)鑄造技術(shù)，由于大大降低鑄造溫度，可以有效解決鎂合金的氧化問(wèn)題，大大降低鎂合金中的氧化物夾雜，提高產(chǎn)品性能，為鎂合金半固態(tài)漿的制備提供一種高效、先進(jìn)技術(shù)，拓寬了半固態(tài)加工的合金品種與應(yīng)用領(lǐng)域。
實(shí)施例實(shí)施例1，液相線半連續(xù)鑄造法制備鎂合金AM60半固態(tài)漿。鎂合金AM60的液相線溫度為615℃。首先將合金在熔煉爐內(nèi)熔煉后，合金熔體溫度為710℃～730℃，將其轉(zhuǎn)入靜置爐內(nèi)，進(jìn)行精煉與除渣，精煉后的熔體溫度在700℃左右，此時(shí)開(kāi)始靜置自然冷卻降溫至620℃附近(615℃～630℃之間)，保溫30分鐘，在立式半連續(xù)鑄造機(jī)上澆鑄，鑄造速度為120mm/min。結(jié)晶器材質(zhì)為鋁合金，結(jié)晶器內(nèi)襯石墨環(huán)，用于對(duì)熔體的一次冷卻；結(jié)晶器內(nèi)通冷卻水，同時(shí)起到冷卻石墨環(huán)和二次冷卻鑄錠的作用，冷卻水流量為0.05m3/min。鑄錠尺寸為Φ100mm×2000mm。獲得的組織為均勻、細(xì)小的等軸晶。經(jīng)圖像分析儀測(cè)定，初始晶粒平均圓度(4π*面積/周長(zhǎng)2)為0.55,60％晶粒圓度值大于0.6。初生相尺寸小于50μm。初生固相體積百分比數(shù)為49.9％。
實(shí)施例2，液相線半連續(xù)鑄造法制備鋁合金7075(變形鋁合金)半固態(tài)漿。鋁合金7075的液相線溫度為635℃。首先合金在熔煉爐內(nèi)熔煉后，合金熔體溫度為720℃～750℃，轉(zhuǎn)入靜置爐內(nèi)，進(jìn)行除氣精煉與除渣，精煉后的熔體溫度在720℃左右，此時(shí)開(kāi)始靜置自然冷卻降溫至638℃附近(635℃～650℃之間)，保溫30分鐘，在立式半連續(xù)鑄造機(jī)上澆鑄，鑄造速度為180mm/min。結(jié)晶器材質(zhì)為鋁合金，結(jié)晶器內(nèi)襯石墨環(huán)，用于對(duì)熔體的一次冷卻；結(jié)晶器內(nèi)通冷卻水，同時(shí)起到冷卻石墨環(huán)和二次冷卻鑄錠的作用，冷卻水流量為0.075m3/min。鑄錠尺寸為Φ120mm×2000mm。獲得的組織為均勻、細(xì)小的等軸晶。經(jīng)圖像分析儀測(cè)定，初始晶粒平均圓度(4π*面積/周長(zhǎng)2)為0.54,60％晶粒圓度值大于0.6。初生相平均尺寸為29.7μm。
實(shí)施例3，液相線半連續(xù)鑄造法制備鋁合金A356(鑄造鋁合金)半固態(tài)漿。鋁合金A356的液相線溫度為615℃。首先合金在熔煉爐內(nèi)熔煉后，合金熔體溫度為720℃～750℃，轉(zhuǎn)入靜置爐內(nèi)，進(jìn)行除氣精煉與除渣，精煉后的熔體溫度在720℃左右，此時(shí)開(kāi)始靜置自然冷卻降溫至615℃附近(615℃～630℃之間)，保溫30分鐘，在立式半連續(xù)鑄造機(jī)上澆鑄，鑄造速度為120mm/min。結(jié)晶器材質(zhì)為鋁合金，結(jié)晶器內(nèi)襯石墨環(huán)，用于對(duì)熔體的一次冷卻；結(jié)晶器內(nèi)通冷卻水，同時(shí)起到冷卻石墨環(huán)和二次冷卻鑄錠的作用，冷卻水流量為0.05m3/mim。鑄錠尺寸為Φ160mm×1200mm。獲得的組織為均勻、細(xì)小的等軸晶。經(jīng)圖像分析儀測(cè)定，初始晶粒平均圓度(4π*面積/周長(zhǎng)2)為0.48，初生相尺寸小于16.7μm。
權(quán)利要求
1 一種半固態(tài)金屬漿制備方法，其特征在于該方法包括合金熔煉與精煉，冷卻與保溫和半連續(xù)鑄造三個(gè)步驟，用現(xiàn)有的方法將合金熔煉與精煉后，在靜置爐內(nèi)自然冷卻降溫至液相線溫度附近，即液相線溫度～液相線溫度+15℃范圍內(nèi)，保溫一定時(shí)間，在半連續(xù)鑄造機(jī)上進(jìn)行立式或水平半連續(xù)鑄造，鑄造結(jié)晶器為水冷金屬結(jié)晶器內(nèi)襯石墨環(huán)，石墨環(huán)與金屬結(jié)晶器之間留有一定的間隙，二次冷卻強(qiáng)度通過(guò)冷卻水流量的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。
2 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種半固態(tài)金屬漿制備方法，其特征在于當(dāng)制備鎂合金AM60半固態(tài)漿時(shí)，將經(jīng)過(guò)熔煉的合金熔體轉(zhuǎn)入靜置爐內(nèi)，進(jìn)行精煉與除渣，自然冷卻使合金熔體溫度降至615℃～630℃之間，保溫30分鐘，在立式半連續(xù)鑄造機(jī)上澆鑄，結(jié)晶器材質(zhì)為鋁合金，結(jié)晶器內(nèi)襯石墨環(huán)，結(jié)晶器內(nèi)通冷卻水，鑄造速度為120mm/min，冷卻水流量為0.05m3/min，鑄錠尺寸為Φ100mm×2000mm。
3 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種半固態(tài)金屬漿制備方法，其特征在于當(dāng)制備鋁合金7075半固態(tài)漿時(shí)，將經(jīng)過(guò)熔煉的合金熔體轉(zhuǎn)入靜置爐內(nèi)，進(jìn)行除氣精煉與除渣，自然冷卻使合金熔體溫度降至635℃～650℃之間，保溫30分鐘，在立式半連續(xù)鑄造機(jī)上澆鑄，結(jié)晶器材質(zhì)為鋁合金，結(jié)晶器內(nèi)襯石墨環(huán)，結(jié)晶器內(nèi)通冷卻水，鑄造速度為180mm/min，冷卻水流量為0.075m3/min，鑄錠尺寸為Φ120mm×2000mm。
4 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種半固態(tài)金屬漿制備方法，其特征在于當(dāng)制備鋁合金A356半固態(tài)漿時(shí)，將經(jīng)過(guò)熔煉的合金熔體轉(zhuǎn)入靜置爐30分鐘，在立式半連續(xù)鑄造機(jī)上澆鑄，結(jié)晶器材質(zhì)為鋁合金，結(jié)晶器內(nèi)襯石墨環(huán)，結(jié)晶器內(nèi)通冷卻水，鑄造速度為120mm/min，冷卻水流量為0.05m3/min，鑄錠尺寸為Φ160mm×2000mm。
全文摘要
一種半固態(tài)金屬漿制備方法,包括合金熔煉與精煉,冷卻與保溫和半連續(xù)鑄造三個(gè)步驟。將合金熔煉與精煉后在靜置爐內(nèi)自然冷卻降溫至液相線溫度附近,即液相線溫度～液相線溫度+15℃范圍內(nèi),保溫一定時(shí)間;在半連續(xù)鑄造機(jī)上進(jìn)行立式或水平半連續(xù)鑄造,本發(fā)明具有工藝先進(jìn)、設(shè)備簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高、提高產(chǎn)品質(zhì)量、可以生產(chǎn)大規(guī)格錠坯、適用合金范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)B22D11/00GK1305876SQ00123078
公開(kāi)日2001年8月1日 申請(qǐng)日期2000年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2000年10月13日
發(fā)明者崔建忠, 路貴民, 徐平 申請(qǐng)人:東北大學(xué), 鞍山市三和金屬?gòu)?fù)合板制造有限公司