專利名稱：電流制備半固態金屬漿/坯料的方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種金屬制備裝置及方法，尤其涉及一種適用于金屬材料半固態成形過程的電流制備半固態金屬漿/坯料的方法與裝置，特別適用于鎂合金半固態成形過程， 屬于金屬材料及冶金技術領域。
背景技術：
半固態金屬成形具有許多獨特的優點，如近(凈)終成形、產品質量高和高性能工藝節能等，被譽為21世紀最具前途的金屬材料加工技術之一。根據工藝方法的不同，半固態成形技術可分為流變成形和觸變成形兩大類。流變成形工藝流程短，能夠顯著提高企業的產能，因此在工業生產中得到了更廣闊的應用。觸變成形流程長，產能低，但產品質量容易控制。無論是流變成形還是觸變成形，都需要優質的漿/坯料。進一步開發半固態漿/ 坯料制備技術是半固態成形技術得以發展和應用的基石。用于制備半固態漿/坯料的方法很多，主要分為液態制備法、固態制備法以及控制澆注法，液態制備法又可分為攪拌法與非攪拌法兩大類。攪拌法包括機械攪拌(如美國專利專利號為5501洸6、5040589和3958650 ；日本專利專利號為1-192447 ；中國專利專利公開號為CNM71450Y)和電磁攪拌(如美國專利專利號為4434837)；非攪拌法包括化學晶粒細化法、噴射成形法等。固態制備法有應變誘導熔體激活法。目前，控制澆注法發展較為迅速，東北大學提出了近液相線鑄造法(中國專利專利公開號為CN1305876A)，專利號為EP0745394A1的歐洲專利提出了冷卻斜槽法，而專利號為EP0745649A1的歐洲專利提出了液體混合法。這些方法過程簡單，設備要求不高，因此制漿成本較低，發展潛力巨大。近年來一些研究者將傳統攪拌法與控制澆注法相結合，提出了一些復合制備工藝，有很好的交互作用效果。專利號為US2002/0096231的美國專利提出“新MIT法”在液相線附近，用自帶冷卻效果的攪拌器進行攪拌后，經緩冷或絕熱處理冷卻至成形溫度。專利公開號為CN1330990A的中國專利提出在液相線附近進行機械攪拌或弱電磁攪拌。雖然上述復合制備工藝能結合攪拌與控制澆注的優點，但不同程度地存在攪拌棒壽命低、容易引入夾雜、能耗大等固有缺點，大大限制了半固態成形技術前進的步伐。材料電磁加工技術已成為材料科學和工程領域內重要的研究方向，并成為新材料、新工藝的開發源泉。其中，電流技術以其特有的能量輸出方式能夠更有效地細化凝固組織的作用。電流細化凝固組織的作用機理是降低相變驅動力，提高形核率；電流產生的磁致伸縮效應與剪切應力破碎枝晶、球化晶粒、抑制長大、降低偏析；電流本身具有環境友好、 施加簡便、能耗低的特點。
發明內容
本發明針對上述現有技術及方法的不足，提供一種將電流技術與金屬凝固技術相結合，制備半固態漿/坯料的方法，同時提供一種實現該方法的裝置。本發明一方面采用控
3制澆注法簡單實用的工藝設備與路線，另一方面在降低相變活化能的同時，避免機械攪拌與電磁攪拌自身的不足，在短時間內制備出組織細小、分布均勻的球狀半固態漿/坯料。為實現以上目的，本發明通過如下技術方案解決其技術問題一種電流制備半固態金屬漿/坯料的方法，包括前道常規的熔化、精煉、扒渣和除氣工序，其后續的工序包括以下步驟(1)將母液坩堝內經過精煉得到的半固態金屬漿/坯料母液的溫度控制在該合金液相線溫度IY士 10°C 士40°C以內，通過流槽將半固態金屬漿/坯料母液導入保溫爐中的保溫坩堝，并控制保溫爐爐溫在液相線溫度IY以上o°c 10°C范圍內；(2)使用電流處理裝置對保溫坩堝內的半固態金屬漿/坯料母液進行電流處理 0 30分鐘，電流處理過程中，保溫爐爐溫控制在IY-5°C IY+15°C溫度范圍內；(3)迅速將電流處理后的半固態金屬漿/坯料母液冷卻至半固態成形溫度 TSS_5V TSS+5°C，半固態金屬漿/坯料母液保溫0 30分鐘后迅速注入料倉，并由沖頭壓入模腔；其中，Tl為合金液相線溫度，Tss為半固態成形溫度。本發明所述的電流制備半固態金屬漿/坯料的方法的后續工序(2)可以為(2)使用電流處理裝置對經過流槽的及保溫坩堝內的半固態金屬漿/坯料母液同時進行電流處理0 30分鐘，電流處理過程中，保溫爐爐溫控制在IY-5°C IY+15°C溫度范圍內；所述電流處理采用直流電流、交流電流、脈沖電流或雷電流。本發明另一技術方案為一種實施所述電流制備半固態金屬漿/坯料的方法的裝置，其包括母液坩堝、流槽、保溫爐、爐蓋、熱電偶、保溫坩堝、電流處理裝置、電源、料倉、沖頭和模腔，其中，流槽傾斜地設置于上方的母液坩堝與下方的保溫爐之間，保溫坩堝置于該保溫爐中，爐蓋蓋置于保溫爐之上且上面設有通孔，熱電偶和電流處理裝置的兩電極通過該通孔插入保溫坩堝中的半固態金屬漿/坯料母液內，電源與電流處理裝置連接，沖頭設于料倉內，該料倉與模腔相通。本發明所述的電流制備半固態金屬漿/坯料的裝置，其電流處理裝置的一電極插入保溫坩堝中的半固態金屬漿/坯料母液內，另一電極插入流槽的半固態金屬漿/坯料母液內；所述流槽由金屬材料或無機非金屬材料制成；其傾斜角度為20° 70° ；所述電流處理裝置的電極由鎂、鋅、鋁、銅、石墨、鐵或鋼制成。與現有技術相比，本發明具有如下有益效果所述電流制備半固態金屬漿/坯料的方法，一方面，采用控制澆注法簡單實用的工藝設備與路線，另一方面，降低了相變活化能，促進了半固態漿/坯料組織的細化，實現了球狀晶的均勻分布，其最大的特點是后期容易與壓鑄、擠壓等常規成形技術相結合，制備出高性能的鑄件，具有較大的市場推廣價值。本發明思路新穎，集控制澆注法與電流凝固技術于一體，具有復合制漿功能，可用于鎂、鋁、錫、銅等多種合金的半固態漿/坯料制備，尤其適用于鎂合金半固態漿/坯料的制備。
圖1是本發明工藝流程之一的示意圖。
圖2是本發明工藝流程之二的示意圖。圖3(a)和(b)是實施例1電流處理前后的半固態組織。圖4(a)和(b)是實施例2電流處理前后的半固態組織。圖5(a)和(b)是實施例3電流處理前后的半固態組織。上述附圖中，1-母液坩堝，2-流槽，3-保溫爐，4-爐蓋，5-熱電偶，6-保溫坩堝， 7-電流處理裝置，8-電源，9-半固態金屬漿/坯料母液，10-料倉，11-沖頭，12-模腔，13-鑄件。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明，本實施例以本發明技術方案為前提下給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不僅限于下述的實施例。圖1所示電流制備半固態金屬漿/坯料的裝置包括母液坩堝1、流槽2、保溫爐3、 爐蓋4、熱電偶5、保溫坩堝6、電流處理裝置7、電源8、料倉10、沖頭11和模腔12。其中， 流槽2傾斜地設置于上方的母液坩堝1與下方的保溫爐3之間，該流槽由金屬材料或無機非金屬材料制成，其傾斜角度為20° 70°，半固態金屬漿/坯料母液9依靠自身重力作用即可以完全通過；保溫坩堝6放置于該保溫爐3中，爐蓋4蓋置于保溫爐3之上，并且上面設有通孔，電流處理裝置7的兩電極和熱電偶5通過該通孔插入保溫坩堝6中的半固態金屬漿/坯料母液9內，該通孔還是半固態金屬漿/坯料母液9進入保溫坩堝6的通道；電源8與電流處理裝置7通過電線或電纜相連接，該電流處理裝置7的電極由鎂、鋅、鋁、銅、 石墨、鐵或鋼制成；沖頭11設于料倉10內，該料倉10與模腔12相通。圖2所示的電流制備半固態金屬漿/坯料的裝置基本上與圖1所示的設備相同， 所不同之處在于，其電流處理裝置7的一個電極插入保溫坩堝6中的半固態金屬漿/坯料母液9內，另一個電極插入流過流槽2的半固態金屬漿/坯料母液9內。圖1與圖2所表示的工藝流程步驟相同，只是電流處理裝置7的位置不同。本發明所述電流制備半固態金屬漿/坯料的方法的工藝流程描述如下首先與常規的方法一樣，進行前道的熔化、精煉、扒渣和除氣工序，將精煉得到的待澆注半固態金屬漿/坯料母液存置于母液坩堝1中，后續的工序包括以下步驟(1)將母液坩堝1內經過精煉得到的半固態金屬漿/坯料母液9的溫度控制在該合金液相線溫度 γ士 10°C 士40°C以內；受重力作用，通過流槽2將半固態金屬漿/坯料母液9導入保溫爐3中的保溫坩堝6，并在流槽2中完成冷卻過程；控制保溫爐6爐溫在液相線溫度！Y以上0°C 10°C范圍內。(2)使用電流處理裝置7對保溫坩堝6內的半固態金屬漿/坯料母液9進行電流處理0 30分鐘，處理采用的電流可以為直流電流、交流電流、脈沖電流或雷電流，電流范圍在0 1000000A ；電流處理過程中，保溫爐爐溫控制在IY-5°C IY+15°C溫度范圍內。(3)通過保溫爐3，迅速將電流處理后的半固態金屬漿/坯料母液9冷卻至半固態成形溫度TSS-5V TSS+5°C，半固態金屬漿/坯料母液9保溫0 30分鐘后迅速注入料倉 10，并由沖頭11壓入模腔12，形成鑄件13。上述步驟中，Tl為合金液相線溫度，Tss為半固態成形溫度。上述步驟的工藝流程采用圖1所示的設備裝置。本發明所述電流制備半固態金屬漿/坯料的方法的另一工藝流程與上述方法步驟基本相同，所不同的在于工序O)(2)使用電流處理裝置7對保溫坩堝6內的半固態金屬漿/坯料母液9以及經過流槽2的半固態金屬漿/坯料母液9同時進行電流處理0 30分鐘，處理采用的電流可以為直流電流、交流電流、脈沖電流或雷電流，電流范圍在0 1000000A ；電流處理過程中，保溫爐爐溫控制在IY-5°C IY+15°C溫度范圍內。上述步驟的工藝流程采用圖2所示的設備裝置。下面通過一些常見鑄造合金的實施例，對本發明作進一步的說明。實施例1ZLlOl鋁合金液相線溫度 Υ = 585. 5°C，固相線溫度Ts = 515. 8°C。首先將合金在電阻爐內熔化，650°C時用六氟乙烷精煉，靜置15 30min后進行撇渣，精煉成半固態金屬漿/坯料母液9置于母液坩堝1內，并且溫度控制在595°C 615°C范圍內。采用圖1所示的工藝流程和裝置。將半固態金屬漿/坯料母液9傾注至流槽2， 受重力作用，半固態金屬漿/坯料母液9自行流至保溫坩堝6內，并在流槽2中完成冷卻過程，保溫坩堝6置于保溫爐3內，母液溫度控制在560°C 580°C范圍內。電流處理裝置7采用IOA的直流電流，在560°C 580°C溫度范圍內對半固態金屬漿/坯料母液9進行電流處理，處理時間為5min。待保溫坩堝6內的半固態金屬漿/坯料母液9溫度降至545°C 565°C時，將處理好的半固態金屬漿/坯料母液9導入料倉10中，由沖頭11壓入模腔12，完成鑄件13的成形過程。電流處理前后ZLlOl鋁合金的凝固組織如圖3 (a)和(b)所示。實施例2
A390鋁合金液相線溫度 Υ = 615. 6°C，固相線溫度Ts = 567. 5°C。首先將合金在電阻爐內熔化，720°C時用六氟乙烷精煉，靜置15 30min后進行撇渣，精煉成半固態金屬漿/坯料母液9置于母液坩堝1內，并且溫度控制在635°C 655°C范圍內。采用圖2所示的工藝流程和裝置。將半固態金屬漿/坯料母液9傾注至流槽2， 受重力作用，半固態金屬漿/坯料母液9自行流至保溫坩堝6內，并在流槽2中完成冷卻過程，保溫坩堝6置于保溫爐3內，半固態金屬漿/坯料母液9的溫度控制在610°C 630°C 范圍內。電流處理裝置7 —電極插入流槽2，另一電極從保溫爐蓋4上的孔穿過。電流處理裝置7采用200A的直流電流，對保溫坩堝6內的半固態金屬漿/坯料母液9以及經過流槽 2的半固態金屬漿/坯料母液9同時進行電流處理，保溫坩堝6溫度控制在610°C 630°C 范圍內，處理時間為Imin。待保溫坩堝6內的半固態金屬漿/坯料母液9溫度降至585°C 595°C時，將處理好的半固態金屬漿/坯料母液9導入料倉10中，由沖頭11壓入模腔12，完成鑄件13的成形過程。電流處理前后A390鋁合金的凝固組織如圖4 (a)和(b)所示。實施例3
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AZ91D鎂合金的液相線IY = 595°C，固相線溫度Ts = 470°C。首先將合金在電阻爐內熔化，由2 % SF6+C02進行保護，740°C時用JDMJ精煉劑精煉，靜置10 30min后進行撈底、撇渣，精煉成半固態金屬漿/坯料母液9置于母液坩堝1內，并且半固態金屬漿/坯料母液9的溫度控制在615°C 635°C范圍內。采用圖1所示的工藝流程和裝置。將母液澆注至流槽2，受重力作用，母液自行流至保溫坩堝6內，并在流槽2中完成冷卻過程。保溫坩堝6置于保溫爐3內，母液溫度控制在590°C 620°C范圍內。電流處理裝置7采用10A、50Hz的交流電流，在610°C 630°C溫度范圍內對半固態金屬漿/坯料母液9進行電流處理，處理時間為:3min。待保溫坩堝6內的半固態金屬漿/坯料母液9溫度降至565°C 595°C時，將處理好的半固態金屬漿/坯料母液9導入料倉10中，由沖頭11壓入模腔12，完成鑄件13的成形過程。電流處理前后AZ91D鎂合金的凝固組織如圖5 (a)和(b)所示。采用本發明所述電流制備半固態漿/坯料的方法所制備的半固態漿料可直接用于壓鑄、擠壓或軋制。本發明所涉及的電流制備半固態漿/坯料的方法與裝置適用于鎂合金、鋁合金、 錫合金、銅合金等金屬材料的半固態漿坯料的制備與流變成形，尤其適用于鎂合金半固態漿/坯料的制備與流變成形。
權利要求
1.一種電流制備半固態金屬漿/坯料的方法，包括前道常規的熔化、精煉、扒渣和除氣工序，其特征在于所述方法后續的工序包括以下步驟(1)將母液坩堝內經過精煉得到的半固態金屬漿/坯料母液的溫度控制在該合金液相線溫度IY士 10°C 士40°C以內，通過流槽將半固態金屬漿/坯料母液導入保溫爐中的保溫坩堝，并控制保溫爐爐溫在液相線溫度IY以上o°c 10°C范圍內；(2)使用電流處理裝置對保溫坩堝內的半固態金屬漿/坯料母液進行電流處理0 30 分鐘，電流處理過程中，保溫爐爐溫控制在IY-5°C IY+15°C溫度范圍內；(3)迅速將電流處理后的半固態金屬漿/坯料母液冷卻至半固態成形溫度TSS-5°C TSS+5°C，半固態金屬漿/坯料母液保溫0 30分鐘后迅速注入料倉，并由沖頭壓入模腔；其中，Tl為合金液相線溫度，Tss為半固態成形溫度。
2.根據權利要求1所述的電流制備半固態金屬漿/坯料的方法，其特征在于所述方法的后續工序(2)為(2)使用電流處理裝置對經過流槽的及保溫坩堝內的半固態金屬漿/坯料母液同時進行電流處理0 30分鐘，電流處理過程中，保溫爐爐溫控制在IY-5°C IY+15°C溫度范圍內。
3.根據權利要求1或2所述的電流制備半固態金屬漿/坯料的方法，其特征在于所述電流處理采用直流電流、交流電流、脈沖電流或雷電流。
4.一種實施權利要求1所述電流制備半固態金屬漿/坯料的方法的裝置，其特征在于 所述裝置包括母液坩堝、流槽、保溫爐、爐蓋、熱電偶、保溫坩堝、電流處理裝置、電源、料倉、 沖頭和模腔，其中，流槽傾斜地設置于上方的母液坩堝與下方的保溫爐之間，保溫坩堝置于該保溫爐中，爐蓋蓋置于保溫爐之上且上面設有通孔，熱電偶和電流處理裝置的兩電極通過該通孔插入保溫坩堝中的半固態金屬漿/坯料母液內，電源與電流處理裝置連接，沖頭設于料倉內，該料倉與模腔相通。
5.根據權利要求4所述的電流制備半固態金屬漿/坯料的裝置，其特征在于所述電流處理裝置的一電極插入保溫坩堝中的半固態金屬漿/坯料母液內，另一電極插入流槽的半固態金屬漿/坯料母液內。
6.根據權利要求4或5所述的電流制備半固態金屬漿/坯料的裝置，其特征在于所述流槽由金屬材料或無機非金屬材料制成。
7.根據權利要求4或5所述的電流制備半固態金屬漿/坯料的裝置，其特征在于所述流槽傾斜角度為20° 70°。
8.根據權利要求4或5所述的電流制備半固態金屬漿/坯料的裝置，其特征在于所述電流處理裝置的電極由鎂、鋅、鋁、銅、石墨、鐵或鋼制成。
全文摘要
一種電流制備半固態金屬漿/坯料的方法及其裝置，方法的后續工序包括(1)將合金精煉后導入保溫爐，并將金屬漿/坯料溫度控制在其液相線溫度TL以上0℃～10℃范圍內；(2)對金屬漿/坯料進行電流處理0～30分鐘，電流處理過程中，保溫爐爐溫控制在TL-5℃～TL+15℃溫度范圍內；(3)將電流處理后的金屬漿/坯料冷卻至半固態成形溫度TSS-5℃～TSS+5℃，金屬漿/坯料保溫0～30分鐘后注入模腔成形；所述裝置包括母液坩堝、流槽、保溫爐、爐蓋、熱電偶、保溫坩堝、電流處理裝置、電源、料倉、沖頭和模腔。本發明集控制澆注法與電流凝固技術于一體，具有工藝簡單、產品組織細小和球化率高的優點，可用于鎂、鋁、錫、銅等多種合金的半固態漿/坯料制備，尤其適用于鎂合金半固態漿/坯料的制備。
文檔編號C22C23/00GK102409187SQ20111035792
公開日2012年4月11日 申請日期2011年11月11日 優先權日2011年11月11日
發明者丁文江, 劉文才, 吳國華, 龐松, 張鵬 申請人:上海交通大學