本發(fā)明涉及半固態(tài)金屬加工技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種復(fù)合制備半固態(tài)漿料的方法及裝置。

背景技術(shù)：

半固態(tài)金屬加工技術(shù)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，同時具有高效、節(jié)能、利于環(huán)保的優(yōu)點。目前一些發(fā)達國家已開始應(yīng)用于汽車制造業(yè)、通訊、電器、計算機及其輔助設(shè)備領(lǐng)域、航空航天等領(lǐng)域，并具有廣闊的發(fā)展前景。金屬及合金半固態(tài)成形技術(shù)一般分兩類，一類是半固態(tài)金屬或合金觸變成形，即先讓球狀初晶的金屬或合金半固態(tài)漿料完全凝固成坯料，再對適當(dāng)長度的坯料進行半固態(tài)重熔加熱，將處于固液兩相區(qū)的半固態(tài)坯料送至壓鑄機或鍛造機進行成形；另一類是將球狀初晶的金屬或合金半固態(tài)漿料直接送至壓鑄機或鍛造機進行直接成形，即流變成形。無論是流變成形還是觸變成形，其中半固態(tài)(或稱非枝晶組織)合金的制備是整個過程的基礎(chǔ)與關(guān)鍵，其目的是獲得適于半固態(tài)成型的初生相為球狀或顆粒狀的非枝晶組織，保證半固態(tài)金屬材料的供給。國內(nèi)外研究者在此方面作了大量研究工作，提出了許多制備方法與思想。其中主要包括：

(1)機械攪拌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。其原理是在金屬液冷卻過程中進行強烈的機械攪拌，樹枝晶因受到剪切力的作用而發(fā)生斷裂，同時促進了熔體內(nèi)部的溫度均勻化，抑制了樹枝晶的生長，實現(xiàn)晶粒從樹枝形貌向球狀發(fā)展。上世紀(jì)七十年代Flemings等首先提出用機械攪拌法可以得到一合金的半固態(tài)坯料，由此作為發(fā)端，形成了多種機械攪拌方法，美國專利US3902544、US3948650和US3954455等公開了幾種制備金屬半固態(tài)漿料的機械攪拌方法，各自都具有一定特點，尤其是英國學(xué)者Z.Fan等人提出了雙螺旋機械攪拌法(Twin-screw Rheomoulding Process)取得了較大的突破。但由于工藝參數(shù)不易控制，容易卷入氣體；攪拌器與熔體接觸易造成熔體污染；存在攪拌死角，影響漿料的均勻性；重現(xiàn)性較差，很難保證產(chǎn)品質(zhì)量的一致性；所制備的半固態(tài)漿料固相率一般較低。

(2)電磁攪拌法是目前應(yīng)用較廣的技術(shù)，它克服機械攪拌法的諸多缺點，利用旋轉(zhuǎn)磁場在金屬液中產(chǎn)生感應(yīng)電流，金屬液在洛倫磁力作用下產(chǎn)生運動，達到攪拌的目的。美國專利第4229210、4434837號公開了幾種制備金屬半固態(tài)漿料或連鑄坯料的電磁攪拌方法，利用強烈的電磁感應(yīng)力抑制初生枝晶的析出，制備球狀或粒狀初晶半固態(tài)金屬漿料，然后利用連鑄技術(shù)生產(chǎn)出球狀晶半固態(tài)金屬的連鑄坯料。中國專利200420112702.0公開了一種復(fù)合電磁攪拌法連續(xù)制備半固態(tài)金屬漿料的裝置，該裝置的主要結(jié)構(gòu)和原理是在中間包內(nèi)施加電磁攪拌，使中間包過熱的液體整體均勻降溫到液相線溫度，在導(dǎo)流管外均施加強烈電磁攪拌，金屬液流可獲得充分快速的冷卻，使形核數(shù)量大幅增加，凝固組織明顯細化，從而在一定程度上可以得到組織相對細小的金屬半固態(tài)坯料漿料。為了進行強烈的電磁攪拌，電磁攪拌設(shè)備龐大，投資過高，而且電磁攪拌功率很大、效率很低、耗能很大，因此球狀或粒狀初晶半固態(tài)金屬連鑄坯料的成本較高。

(3)傾斜板技術(shù)(中國專利200410009295.5[P]、200710176134.9[P]、02145565.5[P])。在非攪拌條件下，將略高于液相線溫度的熔融金屬倒在傾斜板上，由于傾斜板的冷卻作用，在傾斜板上會有細小的晶粒形核長大，這些晶粒由于自重作用和熔融金屬流體的沖擊會從傾斜板上脫落、翻轉(zhuǎn)并落入容器中，通過合理的控制容器溫度，即可制得含有一定固相體積分數(shù)的半固態(tài)漿料，隨后可進行流變成形和觸變成形。該技術(shù)已由傳統(tǒng)所用的平直冷卻板發(fā)展到波浪形的斜板以及對傾斜板振動、加熱等。目前該技術(shù)主要應(yīng)用于鋁合金和鎂合金半固態(tài)漿料的制備。

(4)阻尼冷管法(楊浩強.半固態(tài)鎂合金漿料制備及連續(xù)鑄軋過程的數(shù)值模擬研究[D]，博士學(xué)位論文，北京：北京有色金屬研究總院，2006)。將液相線溫度以上幾度的合金熔體通過一個阻尼冷管，利用管子的阻尼攪拌作用獲得理想的半固態(tài)漿料，獲得的半固態(tài)漿料可直接進行流變鑄造或流變成形，也可制成坯料，目前已連續(xù)鑄軋出AZ91D鎂合金板帶。但該方法要求金屬液的澆注溫度非常接近該金屬液的液相線溫度，這使得金屬熔體溫度的控制變得十分困難；此外，該設(shè)備較為復(fù)雜，影響因素較多，獲得半固態(tài)合金需要一定的壓頭高度，即熔體液面必須高度穩(wěn)定，且具體的液面高度與合金及工藝要求相關(guān)，尚需實驗驗證，這一點在實驗中很難控制，直接影響了此種方法的應(yīng)用。

(5)應(yīng)變誘導(dǎo)熔體活化技術(shù)(Strain-induced meltActivation Process)，簡稱SIMA(美國專利第4415374號)，是除電磁攪拌法外，目前工業(yè)上用于生產(chǎn)半固態(tài)漿料的另一種方法。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，隨后晶界處低熔點溶質(zhì)元素和低熔點相熔化，導(dǎo)致近球形固相被低熔點液相包圍，形成半固態(tài)漿料。該技術(shù)對制備較高熔點的非枝晶組織合金具有獨特的優(yōu)越性，已成功地應(yīng)用于不銹鋼、工具鋼、銅合金等系列。但該法增加了一道預(yù)變形工序，提高了坯料生產(chǎn)成本，同時它僅適用于小規(guī)格坯料，亦不能直接成形零件。

(6)噴射沉積法(英國專利GB2172900A號)。通過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。

(7)其它方法。除上述方法外，還有許多制漿技術(shù)處于研究或開發(fā)之中。如粉末冶金法，即通過粉末冶金技術(shù)制成錠坯后，經(jīng)再加熱使低熔點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、晶粒細化法、超聲波處理法、剪切-冷卻-軋制法(Shearing-Cooling-Rolling)、彎曲管通道澆注法、被動攪拌法等。這些方法目前均處于實驗室研究階段，尚未投入工業(yè)生產(chǎn)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種制備效率高、生產(chǎn)成本低、產(chǎn)品質(zhì)量好的復(fù)合制備半固態(tài)漿料的方法及裝置，以解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，使得金屬液能夠以較低的成本投入，快速的生成初生晶，并形成細小均勻的晶粒。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：

本發(fā)明提供一種復(fù)合制備半固態(tài)漿料的裝置，包括電壓調(diào)節(jié)器、脈沖磁場發(fā)生器、鋼管、勵磁線圈和傾斜角度調(diào)節(jié)支架，所述鋼管外側(cè)纏繞有所述勵磁線圈，所述鋼管與所述傾斜角度調(diào)節(jié)支架的傾斜面固定連接；所述脈沖磁場發(fā)生器分別與所述勵磁線圈和所述電壓調(diào)節(jié)器電連接，所述電壓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)輸入所述脈沖磁場發(fā)生器的脈沖電壓；所述鋼管的兩端開口，澆勺內(nèi)的金屬液通過所述鋼管的較高端開口進入所述鋼管的內(nèi)孔通道中，變成半固態(tài)金屬材料落入所述鋼管的較低端開口下方的收集容器中。

優(yōu)選的，所述鋼管的內(nèi)孔直徑為40～120mm，長度為150～300mm。

優(yōu)選的，所述傾斜角度調(diào)節(jié)支架的傾斜角度為25°～65°，所述脈沖磁場發(fā)生器的脈沖電壓為0V～220V。

優(yōu)選的，所述鋼管為不銹鋼管。

本發(fā)明提供還一種復(fù)合制備半固態(tài)金屬漿料的方法，包括如下步驟：

根據(jù)半固態(tài)合金的成分進行配置爐料，并在相應(yīng)的熔化爐內(nèi)進行熔化與精煉，得到過熱的金屬液；

將不銹鋼管預(yù)熱到100℃～200℃，在內(nèi)孔通道的表面刷上涂料，然后固定在傾斜角度調(diào)節(jié)支架的傾斜面上，調(diào)節(jié)到所需要的角度；

啟動電源，通過電壓調(diào)節(jié)器對輸入脈沖磁場發(fā)生器的電壓在0V～220V范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)，脈沖磁場發(fā)生器對不銹鋼管施加脈沖磁場；

澆勺將過熱金屬液澆注到傾斜的不銹鋼管的內(nèi)孔通道中；過熱金屬液在內(nèi)孔通道的流動過程中，產(chǎn)生沖刷和激冷作用，同時在脈沖磁場的作用下熔體產(chǎn)生了強烈振蕩和對流；

過熱金屬液經(jīng)過傾斜管通道后變成半固態(tài)金屬漿料，落入設(shè)置于不銹鋼管下方的收集容器中，所述半固態(tài)金屬漿料冷卻后形成為半固態(tài)金屬。

優(yōu)選的，所述半固態(tài)金屬為鋁合金、鎂合金、鋅合金、銅合金、鑄鐵或鑄鋼。

優(yōu)選的，所述過熱金屬液的過熱度區(qū)間為金屬液相線之上0～100℃。

本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)取得了以下有益效果：

本發(fā)明提供的一種復(fù)合制備半固態(tài)漿料的裝置中金屬液流經(jīng)傾斜桶的過程中加入脈沖磁場，一方面將利用強烈的電磁感應(yīng)力抑制初生枝晶的析出，傾斜桶的冷卻作用可使金屬液大量形核，并且起到異質(zhì)形核的作用，形成晶粒；另一方面，傾斜澆注的過程中，金屬液會受到較大的沖擊力，使較大的初生枝晶破碎，形成細小的初生晶粒，起到晶核的增殖作用。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明復(fù)合制備半固態(tài)漿料的裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2a為本發(fā)明復(fù)合制備半固態(tài)漿料的裝置傾斜角度調(diào)節(jié)支架的傾斜角為30°，脈沖電壓為200V時制備出的鋁合金半固態(tài)坯料的顯微組織示意圖；

圖2b為本發(fā)明復(fù)合制備半固態(tài)漿料的裝置傾斜角度調(diào)節(jié)支架的傾斜角為45°，脈沖電壓為200V時制備出的鋁合金半固態(tài)坯料的顯微組織示意圖；

圖2c為本發(fā)明復(fù)合制備半固態(tài)漿料的裝置傾斜角度調(diào)節(jié)支架的傾斜角為60°，脈沖電壓為200V時制備出的鋁合金半固態(tài)坯料的顯微組織示意圖；

其中，1-電壓調(diào)節(jié)器、2-脈沖磁場發(fā)生器、3-鋼管、4-勵磁線圈、5-傾斜角度調(diào)節(jié)支架、6-澆勺、7-收集容器、8-金屬液。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

本發(fā)明的目的是提供一種制備效率高、生產(chǎn)成本低、產(chǎn)品質(zhì)量好的復(fù)合制備半固態(tài)漿料的方法及裝置，以解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，使得金屬液能夠以較低的成本投入，快速的生成初生晶，并形成細小均勻的晶粒。

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細的說明。

如圖1所示，本發(fā)明提供一種復(fù)合制備半固態(tài)漿料的裝置，包括電壓調(diào)節(jié)器1、脈沖磁場發(fā)生器2、鋼管3、勵磁線圈4和傾斜角度調(diào)節(jié)支架5，在鋼管3的外側(cè)纏繞上勵磁線圈4，并將纏繞好勵磁線圈4的鋼管3與傾斜角度調(diào)節(jié)支架5的傾斜面固定連接，使得鋼管3與水平面之間成一定的傾斜角度；脈沖磁場發(fā)生器2分別與鋼管3上的勵磁線圈4和電壓調(diào)節(jié)器1電連接，通過電壓調(diào)節(jié)器1調(diào)節(jié)輸入脈沖磁場發(fā)生器2的脈沖電壓，并通過勵磁線圈4對鋼管3施加一定強度的脈沖磁場；鋼管3的兩端開口，將合金熔化過熱至一定的溫度形成金屬液8，使用盛放器皿，如澆勺6，將澆勺6內(nèi)的金屬液8通過鋼管3的較高端開口進入鋼管3的內(nèi)孔通道中，金屬液8在傾斜鋼管3內(nèi)流動沖刷和電磁振蕩的共同作用下，最終得到初生相為近球形的非枝晶半固態(tài)金屬，非枝晶半固態(tài)金屬落入鋼管3的較低端開口下方的收集容器7中。

所述鋼管3為不銹鋼管；所述鋼管3的內(nèi)孔直徑為40～120mm，長度為150～300mm；所述傾斜角度調(diào)節(jié)支架5的傾斜角度為25°～65°，所述脈沖磁場發(fā)生器2的脈沖電壓為0V～220V。

本發(fā)明還提供一種復(fù)合制備半固態(tài)金屬漿料的方法，包括如下步驟：

根據(jù)半固態(tài)合金的成分進行配置爐料，并在相應(yīng)的熔化爐內(nèi)進行熔化與精煉，得到過熱的金屬液8；

將不銹鋼管預(yù)熱到100℃～200℃，在內(nèi)孔通道的表面刷上涂料，然后固定在傾斜角度調(diào)節(jié)支架5的傾斜面上，調(diào)節(jié)到所需要的角度；

啟動電源，通過電壓調(diào)節(jié)器1對輸入脈沖磁場發(fā)生器2的電壓在0V～220V范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)，脈沖磁場發(fā)生器2對不銹鋼管施加脈沖磁場；

澆勺6將過熱金屬液8澆注到傾斜的不銹鋼管的內(nèi)孔通道中；過熱金屬液8在內(nèi)孔通道的流動過程中，產(chǎn)生沖刷和激冷作用，同時在脈沖磁場的作用下熔體產(chǎn)生了強烈振蕩和對流；

過熱金屬液8經(jīng)過傾斜管通道后變成半固態(tài)金屬漿料，落入設(shè)置于不銹鋼管下方的收集容器7中，所述半固態(tài)金屬漿料冷卻后形成為半固態(tài)金屬。

所述半固態(tài)金屬為鋁合金、鎂合金、鋅合金、銅合金、鑄鐵或鑄鋼。

所述過熱金屬液8的過熱度區(qū)間為金屬液相線之上0～100℃。

本發(fā)明中金屬液8流經(jīng)傾斜管的過程中加入脈沖磁場，一方面將利用強烈的電磁感應(yīng)力抑制初生枝晶的析出，傾斜管的冷卻作用可使金屬液8大量形核，并且起到異質(zhì)形核的作用，形成晶粒；另一方面，傾斜澆注的過程中，金屬液8會受到較大的沖擊力，使較大的初生枝晶破碎，形成細小的初生晶粒，起到晶核的增殖作用。

實施例1：

應(yīng)用以上本發(fā)明所公開的一種復(fù)合制備半固態(tài)漿料的裝置以及一種復(fù)合制備半固態(tài)金屬漿料的方法中制備ZL101合金的半固態(tài)漿料，具體步驟如下：

(1)將采用坩堝電阻爐進行ZL101合金的熔煉，熔煉溫度為740℃，爐料全部熔化后，于720℃左右加入精煉劑C₂C_l6進行除氣，然后溫度降在670℃進行澆注。

(2)設(shè)定好工藝參數(shù)：不銹鋼管直徑為50mm，長度200mm，將其預(yù)熱至150℃，傾斜角度分別設(shè)置為30°，45°和60°，脈沖電壓設(shè)置為200V的脈沖磁場。

(3)澆勺6將過熱金屬液8澆注到傾斜的不銹鋼管通道中，流動的過熱金屬液8在傾斜不銹鋼管流動產(chǎn)生一定的沖刷和激冷作用，同時在脈沖磁場的作用下熔體產(chǎn)生了強烈振蕩和對流。

過熱金屬液8經(jīng)過傾斜不銹鋼管的通道變成半固態(tài)金屬漿料，落入收集容器7中冷卻后即為半固態(tài)金屬。

其中，圖2a、2b、2c分別為采用本實施例復(fù)合制備半固態(tài)漿料的裝置在傾斜角度調(diào)節(jié)支架的傾斜角為30°、45°和60°，脈沖電壓為固定值200V時獲得的ZL101合金的半固態(tài)漿料的顯微組織示意圖，隨著傾斜角度調(diào)節(jié)支架的傾斜角的逐漸變大，使得在傾斜澆注的過程中，金屬液8受到的沖擊力逐漸變大，形成的初生晶粒更加的細小、均勻。

本說明書中應(yīng)用了具體個例對本發(fā)明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時，對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實施方式及應(yīng)用范圍上均會有改變之處。綜上所述，本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對本發(fā)明的限制。