專利名稱：超聲處理控制凝固制備半固態金屬漿/坯料的方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于半固態金屬成形技術，具體而言為超聲處理控制凝固制備半固態金屬漿/坯料的方法及裝置。
背景技術：
半固態成形技術與傳統的固態成形技術和液態成形技術相比，具有其獨特的優點，因此從其提出至今的三十多年中，吸引了眾多研究者的注意。按工藝路線劃分，半固態成形技術可分為觸變成形和流變成形兩類。觸變成形大致可分為三個階段，即制備半固態坯料、半固態坯料二次加熱至半固態溫度保溫處理、最終成形。而流變成形流程更短，也需要先制備半固態漿料，然后直接成形。因此，半固態坯料或漿料的制備成為該技術發展應用的基礎。
目前，用于制備半固態坯料的方法眾多，大致可分為液態制備方法(攪拌或非攪拌類方法)、固態制備方法和控制澆注法。攪拌類方法使用最早也最為常見，如機械攪拌法(如美國專利第4,116,423號、第5,040,589號、第5,501,266號，日本專利公開1-170565號、第1-178345號、第1-192447號，美國專利公開第3,902,544號、第3,948,625號、第3,958,650號，WIPO專利公開第01/23124、01/09401、02/13993，中國公開專利CN 2471450等)、電磁攪拌法(如美國專利公開第4229210號、第4434837號等)。美國專利第555926號提出的剪切—冷卻—軋制法也屬于攪拌類方法。非攪拌類方法有化學晶粒細化法、噴射成形法等。固態制備方法有SIMA(應變誘導熔化活化)法、粉末壓實法、粉末冶金法等。
上述提到的各類方法各有特點，但目前在工業中獲得應用的只有電磁攪拌法和SIMA法。其他方法難以獲得工業應用的原因主要在于技術本身的障礙或坯/漿料制備的高成本。因而，近年來控制澆注類方法獲得迅速發展。東北大學提出了近液相線鑄造法(中國專利公開CN1305876A)，將熔體溫度控制在液相線溫度以上15℃范圍內，保溫一段時間后進行立式或水平半連續鑄造；歐洲專利EP 0 745 394 A1提出的冷卻斜槽(cooling slope)法，將略高于液相線溫度的熔融金屬倒在冷卻斜槽上，并通過控制斜槽的長度、角度、冷卻強度、澆鑄條件等參數等來對凝固過程實施控制；歐洲專利EP 0 745 694 A1提出的液體混合法等將兩種或三種不同亞共晶成分的熔融合金混合，得到的新合金成分在液相線附近，含有大量的晶核，隨后進一步處理可得到半固態漿料。以上提到的這些方法由于過程簡單，不需要復雜的攪拌裝置，因而制備半固態坯/漿料的成本大大降低，因而非常具有發展潛力。但是這些方法，都需要在液相線附近對金屬的凝固過程實施精確控制，否則很難獲得理想的半固態坯/漿料。
為了降低金屬凝固過程的工藝控制難度，便于其工業化應用，近年來一些研究者將傳統的攪拌類方法與液相線控制澆鑄法相結合，提出了一些復合制備工藝，這些工藝各有其獨特之處。美國專利US2002/0096231提出了“新MIT工藝”，在液相線以上幾度范圍內，用帶有冷卻作用的攪拌器伸入到熔體內進行短時間攪拌，隨后取出攪拌器，將合金靜止在半固態區間，進行短時間緩慢冷卻或保持在絕熱狀態，然后將合金冷卻到指定成形溫度；中國專利公開CN1330990A在液相線附近進行弱電磁攪拌或機械攪拌。上述復合制備工藝雖然可結合了液相線鑄造和攪拌方法兩者的優點，但是攪拌時還是使用傳統的電磁或機械攪拌，因而機械攪拌和電磁攪拌本身所固有的一些缺點很難完全避免，如機械攪拌時，攪拌棒壽命短，金屬易于氧化，金屬內部質量低，漿料攪拌不均，工藝參數不易控制等；電磁攪拌時，攪拌效率低，能耗大。
發明內容
本發明的目的是提供一種將超聲技術和對金屬凝固過程的控制相結合，制備半固態漿/坯料的方法。該方法一方面可降低液相線鑄造方法的工藝控制難度，另一方面，可避免傳統機械攪拌和電磁攪拌本身的不足，同時容易與傳統的壓鑄、擠壓的成形技術相結合直接進行流變成形，大大降低半固態金屬漿/坯料制備的成本，縮短工藝流程。
本發明的另一個目的是提供一種超聲處理控制凝固制備半固態金屬漿/坯料的方法所使用的裝置。
為實現上述目的，本發明采取以下技術方案一種超聲處理控制凝固制備半固態金屬漿/坯料的方法，該方法包括下述步驟(1)、將經過變質精煉處理的熔融金屬液，溫度控制在金屬液相線溫度50K以內，導入坩堝中后將合金熔體控制在液相線溫度以上0～15K范圍內；(2)、在(TL-5K)～(TL+15K)溫度范圍內，對合金熔體進行超聲處理0.1～5min；(3)、迅速將超聲處理后的合金熔體冷卻到半固態成形溫度TSS以下0～10K范圍內，使用加熱元件將漿料溫度調節在半固態成形溫度(TSS-5K)～(TSS+5K)范圍內，漿料保溫0.1～5min后迅速注入模腔成形；其中，TL為液相線溫度；TSS為半固態成形溫度。
本發明的超聲處理控制凝固制備半固態金屬漿/坯料的方法，其中，超聲處理裝置是從坩堝上部直接導入合金熔體進行超聲處理；或者將超聲處理裝置設置在坩堝底部或側面，進行非接觸式超聲處理，所用超聲波的頻率范圍為18KHz～100KHz，聲強為0.5～5W/cm2。
本發明的超聲處理控制凝固制備半固態金屬漿/坯料的方法所使用的設備，該設備包括有坩堝、超聲處理裝置、料筒、射出器、模腔，所述的坩堝外壁上設有加熱器和冷卻器，其外包有絕緣保溫材料。本發明所使用的坩堝、超聲處理裝置、料筒、射出器、模腔均為常規設備，本發明的特征在于，將上述設備組合起來，進行超聲處理控制凝固制備半固態金屬漿/坯料的方法。
本發明的超聲處理控制凝固制備半固態金屬漿/坯料的方法所使用的設備，其中，所述的超聲處理裝置從坩堝上部直接導入坩堝內。
本發明的超聲處理控制凝固制備半固態金屬漿/坯料的方法所使用的設備，其中，所述的超聲處理裝置置于坩堝底部或側面外。
本發明的優點是本發明可用于鋁、鎂、鎳、錫、銅、鐵等多種合金的半固態漿(坯)料制備，尤其適合于鎂合金的半固態漿(坯)料制備，同時容易與壓鑄、擠壓等傳統成形技術相結合，實現半固態流變成形，大大降低整個流變成形過程的成本。
圖1為實施本發明所使用的工藝流程示意圖之一(超聲處理裝置從坩堝上部直接導入坩堝內的方式)。
圖2為實施本發明所使用的工藝流程示意圖之二(超聲處理裝置置于坩堝底部外的方式)。
具體實施例方式
本發明的超聲處理控制凝固制備半固態金屬漿/坯料的方法所使用的設備如圖1、圖2所示，本發明所使用的設備包括有坩堝3、超聲處理裝置、料筒10、射出器9、模腔11，所述的坩堝外壁上設有加熱器1和冷卻器2，其外包有絕緣保溫材料5。其中，超聲處理裝置主要由超聲換能器6和變幅桿7組成。如圖1所示，超聲處理裝置是從坩堝上部直接導入坩堝內；如圖2所示，超聲處理裝置置于坩堝底部外。
如圖1、圖2所示，其中，圖1、圖2中的a、b、c、d、e、f、g分別為下述的a、b、c、d、e、f、g步驟，圖1和圖2步驟相同，只是，設備中的超聲處理裝置所在坩堝上的位置不一樣。本發明的工藝流程可描述如下a將經過變質精煉處理的熔融金屬液，溫度控制在金屬液相線溫度50K以內，導入坩堝3中，坩堝3的溫度通過絕緣保溫材料5中的加熱器1控制在金屬液相線溫度TL和固相線溫度TS之間，通過加熱器1和冷卻器2將合金熔體4的溫度調節在液相線溫度TL以上0～15K范圍內；b對合金熔體4進行超聲處理，處理的方式可以是直接從坩堝上部導入金屬液中(如圖1所示)，也可以將超聲處理裝置置于坩堝底部或側面(如圖2所示)，進行非接觸式超聲處理。超聲處理的溫度范圍為(TL-5K)～(TL+15K)，超聲處理時間為0.1～5min，所用超聲波的頻率范圍為18KHz～100KHz，聲強為0.5～5W/cm2。；c停止超聲處理，通過冷卻器2迅速將坩堝3內熔體4的溫度冷卻到半固態成形溫度TSS以下0～10K范圍內。停止冷卻，使用加熱器1將漿料溫度調節在(TSS-5K)～(TSS+5K)范圍內，并保溫0.1～5min。
d將獲得的漿料8迅速導入中空料筒10中；e為保證溫度的準確控制，可對料筒10進行溫度控制，將其溫度控制在(TSS-5K)～(TSS+5K)范圍內；f射出器9迅速將半固態漿料注入模腔11成形。
本發明所使用的超聲處理裝置，主要由超聲換能器6和變幅桿7組成，為了防止高溫對超聲換能器的損壞，可加裝冷卻元件對其進行保護。
本發明所給出的方法和工藝適合鋁合金、鎂合金、鎳合金、錫合金、銅合金和鐵合金半固態漿/坯料的制備和流變成形，尤其適合于鎂合金半固態漿/坯料的制備和成形。
實施例356鋁合金的液相線溫度TL＝615.6℃，固相線溫度TS＝567.5℃，將合金在電阻爐內熔化，并于720℃時使用六氯乙烷精煉，靜置15～20min后撇渣，使用Al-Sr合金進行變質處理，使用控溫裝置將溫度控制在650～660℃范圍內，將金屬熔體導入坩堝3中，坩堝3的溫度通過絕緣保溫材料5中的加熱器1控制在600℃，通過加熱器1和冷卻器2將合金熔體4的溫度調節在液相線溫度TL以上，在615.6～630℃范圍內。
超聲處理裝置從坩堝3上部直接導入合金熔體4中，在615～620℃范圍內對其進行超聲處理3min，所用超聲波的頻率范圍為20KHz，聲強為2W/cm2，停止超聲處理，通過冷卻器2迅速將坩堝3內熔體4的溫度冷卻到590～600℃(A356合金fs＝30％時的合金熔體溫度約為600℃)范圍內。停止冷卻，使用加熱器1將漿料溫度調節在595～605℃范圍內，并保溫2min。將獲得的漿料迅速導入中壓鑄機壓射料筒10中，壓射桿9迅速漿料壓入模腔成形。
權利要求
1.一種超聲處理控制凝固制備半固態金屬漿/坯料的方法，其特征在于該方法包括下述步驟(1)、將經過變質精煉處理的熔融金屬液，溫度控制在金屬液相線溫度50K以內，導入坩堝中后將合金熔體控制在液相線溫度以上0～15K范圍內；(2)、在(TL-5K)～(TL+15K)溫度范圍內，對合金熔體進行超聲處理0.1～5min；(3)、迅速將超聲處理后的合金熔體冷卻到半固態成形溫度TSS以下0～10K范圍內，使用加熱元件將漿料溫度調節在半固態成形溫度(TSS-5K)～(TSS+5K)范圍內，漿料保溫0.1～5min后迅速注入模腔成形；其中，TL為液相線溫度；TSS為半固態成形溫度。
2.根據權利要求1所述的超聲處理控制凝固制備半固態金屬漿/坯料的方法，其特征在于超聲處理裝置是從坩堝上部直接導入合金熔體進行超聲處理；或者將超聲處理裝置設置在坩堝底部或側面，進行非接觸式超聲處理，所用超聲波的頻率范圍為18KHz～100KHz，聲強為0.5～5W/cm2。
3.一種權利要求1所述的超聲處理控制凝固制備半固態金屬漿/坯料的方法所使用的裝置，其特征在于該設備包括有坩堝、超聲處理裝置、料筒、射出器、模腔，所述的坩堝外壁上設有加熱器和冷卻器，其外包有絕緣保溫材料。
4.根據權利要求3所述的裝置，其特征在于所述的超聲處理裝置從坩堝上部直接導入坩堝內。
5.根據權利要求3所述的裝置，其特征在于所述的超聲處理裝置置于坩堝底部或側面外。
全文摘要
本發明公開了一種半固態金屬漿/坯料的制備方法及設備，其工藝流程為將合金熔體控制在液相線溫度以上0～15K范圍內，并在(T
文檔編號C22C1/00GK1618549SQ20031011537
公開日2005年5月25日 申請日期2003年11月20日 優先權日2003年11月20日
發明者田戰峰, 朱學新, 徐駿, 何禮君, 石力開, 楊必成, 杜東朝, 謝麗君, 李成棟 申請人:北京有色金屬研究總院