專(zhuān)利名稱(chēng)：球狀初晶半固態(tài)金屬或合金漿料直接成型方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半固態(tài)金屬或合金漿料的直接成形方法及裝置，特別涉及半固態(tài)金屬和合金漿料的流變成形方法及裝置。
背景技術(shù)：
自從七十年代初期美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)發(fā)明了金屬及合金的球狀初晶半固態(tài)成形技術(shù)以來(lái)，該項(xiàng)技術(shù)引起各國(guó)的廣泛關(guān)注和研究。金屬及合金的球狀初晶半固態(tài)成形技術(shù)一般分兩類(lèi)，一類(lèi)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(duì)適當(dāng)長(zhǎng)度的坯料進(jìn)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(jī)或鍛造機(jī)進(jìn)行成形；另一類(lèi)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(jī)或鍛造機(jī)進(jìn)行直接成形，即流變成形。由于球狀初晶金屬或合金的半固態(tài)成形具有許多優(yōu)點(diǎn)，如減輕了成形中的裹氣和凝固收縮，增加了毛坯的致密性和強(qiáng)度；減輕了成分偏析，提高了毛坯性能的均勻性；減輕了成形抗力，可以制造復(fù)雜零件的毛坯；提高了生產(chǎn)效率，降低了廢品率；降低了充型溫度，延長(zhǎng)了模具壽命；還可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的高度自動(dòng)化，所以球狀初晶金屬或合金的半固態(tài)成形技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到許多零件的制造當(dāng)中。
據(jù)文獻(xiàn)Flemings M.Behavior of Metal alloys in the Semisolid State.MetallTrans，1991，22A(5)957-981報(bào)道，在球狀初晶半固態(tài)金屬或合金的觸變成形工藝中，首先應(yīng)該制備球狀初晶半固態(tài)金屬或合金的坯料。目前制備球狀初晶半固態(tài)金屬或合金坯料的商用方法有電磁攪拌法和應(yīng)變激活(strain induced meltactivation)法。在電磁攪拌制備球狀初晶半固態(tài)金屬或合金坯料方法中，美國(guó)第4434837號(hào)專(zhuān)利提出一般金屬或合金液的過(guò)熱度都在50°K以上，要求必須進(jìn)行強(qiáng)烈的電磁攪拌，即電磁攪拌所產(chǎn)生的剪切速率一般在500～1500S-1。在這樣的剪切速率下，被攪拌金屬或合金液的旋轉(zhuǎn)速度很高，一般都超過(guò)500rp轉(zhuǎn)/分鐘，這時(shí)才能獲得細(xì)小和球狀初晶的半固態(tài)金屬或合金坯料。如果剪切速率小于500S-1，初晶的形態(tài)變差，多為薔薇狀初晶，而且連鑄坯料表面的枝晶層較厚，這種坯料的觸變性不良，不適于半固態(tài)觸變成形。為了進(jìn)行強(qiáng)烈的電磁攪拌，電磁攪拌設(shè)備龐大，投資高，而且電磁攪拌功率大、效率低、耗能大，因此球狀初晶半固態(tài)金屬或合金連鑄坯料的成本較高。球狀初晶半固態(tài)金屬或合金坯料制備之后，將該坯料進(jìn)行定量鋸切，再對(duì)這些一定大小的固態(tài)坯料進(jìn)行電磁感應(yīng)半固態(tài)重熔加熱，當(dāng)達(dá)到預(yù)定的固相分?jǐn)?shù)時(shí)，半固態(tài)重熔加熱的坯料才可以進(jìn)行觸變成形，所以該過(guò)程增加了一次半固態(tài)重熔的能源消耗，而且在電磁感應(yīng)半固態(tài)重熔加熱過(guò)程中，坯料一般會(huì)流失5～12％的金屬或合金，坯料的表面氧化也很?chē)?yán)重，這些均增加了球狀初晶半固態(tài)金屬或合金觸變成形的成本和成形件的內(nèi)部或表面缺陷；成形后的料柄或廢件必須返回坯料制備車(chē)間或坯料供應(yīng)者手中，這也增加了成本。由上所述，球狀初晶半固態(tài)金屬或合金觸變成形的工藝流程長(zhǎng)、生產(chǎn)成本高。
球狀初晶半固態(tài)金屬或合金漿料直接成形(或流變成形)的工藝流程雖然短，也不需要半固態(tài)重熔加熱的能耗，但在美國(guó)專(zhuān)利第3948650、3954455號(hào)和Flemings M，Riek R G and Young K P.Rheocasting.Materials Science andEngineering，1976，25103-117中都提到，到目前為止，制備流變成形所需的球狀初晶半固態(tài)金屬或合金漿料的方法都是強(qiáng)烈的機(jī)械攪拌，機(jī)械攪拌方法利用旋轉(zhuǎn)葉片或攪拌棒將凝固中的初生固相枝晶打碎，獲得球狀初晶的金屬或合金半固態(tài)漿料。在攪拌中，這些機(jī)械攪拌的葉片和攪拌棒的相對(duì)轉(zhuǎn)速都很高，一般均在500轉(zhuǎn)/分鐘以上，甚至超過(guò)10000轉(zhuǎn)/分鐘。在如此高的攪拌速率下，攪拌室和攪拌棒的壽命不長(zhǎng)，容易污染球狀初晶半固態(tài)金屬或合金漿料，球狀初晶半固態(tài)金屬或合金漿料也易于氧化，球狀初晶半固態(tài)金屬或合金漿料的內(nèi)部質(zhì)量低，而且球狀初晶半固態(tài)金屬或合金漿料的生產(chǎn)效率很低，也無(wú)法滿(mǎn)足流變成形的需要，所以球狀初晶半固態(tài)金屬或合金漿料的直接成形還無(wú)法進(jìn)入商業(yè)生產(chǎn)。
中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)00109540.4提出了一種制備球狀初晶半固態(tài)金屬或合金漿料或坯料的新方法，即將低過(guò)度的金屬或合金液直接澆入鑄?；蜻B鑄結(jié)晶器中，同時(shí)對(duì)該過(guò)熱金屬或合金液進(jìn)行弱攪拌，就可制備出球狀初晶半固態(tài)金屬或合金漿料或坯料，而且該球狀初晶半固態(tài)金屬或合金漿料或坯料純凈，不會(huì)受到制備裝置的污染，因此該制備方法的設(shè)備投資低、球狀初晶半固態(tài)金屬或合金漿料或坯料的制備成本低。但該制備方法制備出的球狀半固態(tài)金屬或合金漿料的固相分?jǐn)?shù)不易控制、初生固相的形態(tài)不太圓整，因此該漿料不宜再輸送至壓鑄機(jī)或鍛造機(jī)的射室進(jìn)行復(fù)雜零件毛坯的直接成形，只適合制作連續(xù)鑄造坯料及用于隨后的半固態(tài)觸變成形或制作與鑄模形狀相同的簡(jiǎn)單鑄件。如果對(duì)該方法制備的球狀初晶半固態(tài)金屬或合金漿料進(jìn)行后續(xù)球狀初晶的進(jìn)一步圓整優(yōu)化和固相分?jǐn)?shù)控制，就可以將該優(yōu)化后的球狀初晶半固態(tài)金屬或合金漿料輸送至壓鑄機(jī)或鍛造機(jī)的射室進(jìn)行復(fù)雜零件毛坯的直接成形。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種球狀初晶的半固態(tài)金屬或合金漿料直接成形的方法及裝置，將低過(guò)熱度的金屬或合金液澆入鑄模即承接容器中，同時(shí)對(duì)澆入該鑄模即承接容器中的該過(guò)熱金屬或合金液施加短時(shí)直線(xiàn)移動(dòng)行波電磁場(chǎng)、或螺旋電磁場(chǎng)、或旋轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)的弱攪拌即低功率攪拌，并對(duì)該凝固過(guò)程進(jìn)行冷卻控制和球狀初晶的圓整優(yōu)化，得到預(yù)定固相分?jǐn)?shù)的球狀初晶的半固態(tài)金屬或合金漿料，并將該固相分?jǐn)?shù)的球狀初晶的半固態(tài)金屬或合金漿料直接送至壓鑄機(jī)或鍛造機(jī)的射室，成形非常復(fù)雜的零件毛坯，縮短工藝流程，降低生產(chǎn)成本。對(duì)澆入鑄模即承接容器中的該過(guò)熱金屬或合金液也可以施加短時(shí)弱機(jī)械攪拌即低功率攪拌，并對(duì)該凝固過(guò)程進(jìn)行冷卻控制和球狀初晶的圓整優(yōu)化，也可得到預(yù)定固相分?jǐn)?shù)的球狀初晶的半固態(tài)金屬或合金漿料，將該固相分?jǐn)?shù)的球狀初晶的半固態(tài)金屬漿料送至壓鑄機(jī)或鍛造機(jī)的射室，也可以直接成形非常復(fù)雜的零件毛坯，該工藝流程也短，生產(chǎn)成本也低。
本發(fā)明的工藝構(gòu)成如下1、產(chǎn)生一過(guò)熱的金屬或合金液，將該過(guò)熱金屬或合金液的溫度預(yù)先控制在其實(shí)際液相線(xiàn)溫度以上5～30°K，并將該過(guò)熱金屬或合金液直接澆入一個(gè)鑄模即承接容器中。該鑄模即承接容器的形狀可以是圓柱形或其他形狀，該鑄模即承接容器的材質(zhì)可以是非金屬或無(wú)磁金屬，該鑄模即承接容器內(nèi)壁設(shè)有低導(dǎo)熱襯里，也可以不設(shè)低導(dǎo)熱襯里，如設(shè)有低導(dǎo)熱襯里，該低導(dǎo)熱襯里的厚度為0.2～10mm。
2、同時(shí)提供一弱攪拌力即低功率攪拌力，對(duì)澆入該鑄模即承接容器中的過(guò)熱金屬或合金液或已凝固出少量初生固相的半固態(tài)金屬或合金漿料施加短時(shí)間攪拌，得到球狀初晶的半固態(tài)金屬或合金漿料，攪拌時(shí)間為1～3600S。不僅可以利用旋轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)、或機(jī)械旋轉(zhuǎn)的葉片或螺桿實(shí)現(xiàn)對(duì)該鑄模即承接容器中的該過(guò)熱金屬或合金液、或該半固態(tài)金屬或合金漿料的弱攪拌即低功率攪拌，也可以利用螺旋電磁場(chǎng)、或直線(xiàn)移動(dòng)的行波電磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)該過(guò)熱金屬或合金液、或該半固態(tài)金屬或合金漿料的弱攪拌即低功率攪拌，被攪拌的過(guò)熱金屬或合金液、或半固態(tài)金屬或合金漿料的旋轉(zhuǎn)速率在10～300轉(zhuǎn)/分鐘范圍，或被攪拌的過(guò)熱金屬或合金液、或半固態(tài)金屬或合金漿料的運(yùn)動(dòng)線(xiàn)速率在0.01～10米/秒范圍。
3、該行波電磁場(chǎng)弱攪拌即低功率攪拌的電磁攪拌輸出功率是1～5000瓦、電磁攪拌的電源頻率是1～20000赫茲，但電磁攪拌輸出功率最佳范圍是500～3000瓦、電磁攪拌的電源頻率最佳范圍是5～1000赫茲；該螺旋電磁場(chǎng)弱攪拌即低功率電磁攪拌的繞組輸入端電壓為1～40伏特、線(xiàn)電流為1～40安培，輸入給該繞組的電源頻率為1～1000赫茲，球狀半固態(tài)金屬或合金漿料的攪拌速度為10～300轉(zhuǎn)/分鐘。
4、在該短時(shí)弱攪拌之后，將該鑄模即承接容器和該鑄模即承接容器中的球狀初晶的半固態(tài)金屬或合金漿料一起移入一冷卻器中，控制該球狀初晶的半固態(tài)金屬或合金漿料的冷卻，使該球狀初晶進(jìn)一步圓整優(yōu)化和控制該半固態(tài)金屬或合金漿料達(dá)到預(yù)定的固相分?jǐn)?shù)或溫度，該預(yù)定的固相分?jǐn)?shù)為0.1～0.9，但最佳范圍是0.3～0.7，或該預(yù)定溫度高于該金屬或合金的固相線(xiàn)溫度或不低于該固相分?jǐn)?shù)的球狀初晶的半固態(tài)金屬或合金漿料的成形溫度；該特定的冷卻速度為1～100℃/min，該冷卻時(shí)間為1～3600秒鐘。該冷卻器可由電阻熱、或天然氣燃燒熱、或煤氣燃燒熱、或燃油燃燒熱、或工頻電磁感應(yīng)熱、或中頻電磁感應(yīng)熱、或高頻電磁感應(yīng)熱維持。
5、或在攪拌之后，將該鑄模即承接容器和該鑄模即承接容器中的球狀初晶的半固態(tài)金屬或合金漿料一起移入一保溫器中，對(duì)球狀初晶的半固態(tài)金屬或合金漿料進(jìn)行保溫和該球狀初晶圓整優(yōu)化，保溫的溫度高于該金屬或合金的固相線(xiàn)溫度或不低于預(yù)定固相分?jǐn)?shù)的球狀初晶的半固態(tài)金屬或合金漿料的成形溫度，保溫時(shí)間為1～3600S，該預(yù)定的固相分?jǐn)?shù)為0.1～0.9，但最佳固相分?jǐn)?shù)范圍是0.3～0.7。該保溫器由電阻熱、或天然氣燃燒熱、或煤氣燃燒熱、或燃油燃燒熱、或工頻電磁感應(yīng)熱、或中頻電磁感應(yīng)熱、或高頻電磁感應(yīng)熱維持特定的溫度。
6、該冷卻器或保溫器可以由電阻爐、或燃?xì)鉅t、或燃油爐構(gòu)成，也可以由工頻、或中頻、或高頻電磁感應(yīng)加熱器構(gòu)成，該感應(yīng)加熱器由空心純銅管盤(pán)成螺旋狀，該感應(yīng)加熱器電源的頻率為50～1000000赫茲。
7、在冷卻或保溫過(guò)程中，控制最后成形前的半固態(tài)金屬或合金漿料內(nèi)外的溫度差不大于±5℃，該溫度差的最佳范圍在±1℃。
8、將經(jīng)過(guò)圓整優(yōu)化的球狀初晶的半固態(tài)金屬或合金漿料送至壓鑄機(jī)或鍛造機(jī)的射室進(jìn)行成形，得到壓鑄件或鍛件。
9、也可以由一個(gè)空心純銅管盤(pán)成螺旋狀的電磁感應(yīng)器代替直線(xiàn)移動(dòng)的行波電磁攪拌器和冷卻器或保溫器，即將過(guò)熱金屬或合金液的鑄模即承接容器預(yù)先放置在該行波電磁感應(yīng)器中，將過(guò)熱金屬或合金液直接澆入該鑄模即承接容器中，利用該行波電磁感應(yīng)器產(chǎn)生的直線(xiàn)移動(dòng)行波電磁場(chǎng)對(duì)該承接容器中的該過(guò)熱金屬或合金液進(jìn)行短時(shí)弱電磁攪拌即低功率攪拌，產(chǎn)生球狀初晶的半固態(tài)金屬漿料，該行波電磁場(chǎng)弱攪拌即低功率攪拌的電磁攪拌輸出功率是1～5000瓦、電磁攪拌的電源頻率是1～20000赫茲，但電磁攪拌輸出功率最佳范圍是500～3000瓦、電磁攪拌的電源頻率最佳范圍是5～1000赫茲，攪拌時(shí)間為1～3600秒；并通過(guò)調(diào)整該行波電磁感應(yīng)器的功率來(lái)控制該球狀初晶的半固態(tài)金屬漿料按預(yù)定的冷卻速度冷卻，該預(yù)定的冷卻速度為1～100℃/min，使該球狀初晶的半固態(tài)金屬漿料冷卻到預(yù)定固相分?jǐn)?shù)，即0.1～0.9，但最佳固相分?jǐn)?shù)的范圍是0.3～0.7。在該冷卻過(guò)程中，該半固態(tài)金屬或合金漿料的球狀初晶進(jìn)一步圓整優(yōu)化，該冷卻時(shí)間為1～3600秒鐘。
10、該方法適應(yīng)于鋁基合金、鎂基合金、銅基合金、鋅基合金、鎳基合金、鈷基合金、和鐵基合金的球狀初晶的半固態(tài)金屬或合金漿料的直接成形。
實(shí)現(xiàn)上述工藝的設(shè)備構(gòu)成如下本設(shè)備主要包括過(guò)熱金屬或合金液產(chǎn)生器1、過(guò)熱金屬或合金液2的鑄模即承接容器3、電磁攪拌器4、機(jī)械攪拌器16。低過(guò)熱度的過(guò)熱金屬或合金液產(chǎn)生器1銜接一過(guò)熱金屬或合金液鑄模即承接容器3，該過(guò)熱金屬或合金液鑄模即承接容器3與一電磁攪拌器4或機(jī)械攪拌器16相結(jié)合，經(jīng)過(guò)電磁或機(jī)械攪拌之后，該鑄模即承接容器3再與一冷卻器或保溫器6相結(jié)合，該鑄模即承接容器3和該預(yù)定固相分?jǐn)?shù)的球狀初晶的半固態(tài)金屬或合金漿料5與一壓鑄機(jī)10或鍛造機(jī)14銜接，壓鑄機(jī)10與壓鑄模具9相結(jié)合，鍛造機(jī)14與鍛造模具12相結(jié)合，這一裝置構(gòu)成參見(jiàn)圖1、圖2和圖3；或由一空心純銅管盤(pán)成螺旋狀的工頻、或中頻、或高頻電磁感應(yīng)器構(gòu)成直線(xiàn)移動(dòng)的行波電磁攪拌器4和冷卻器6、或構(gòu)成直線(xiàn)移動(dòng)的行波電磁攪拌器4和保溫器6，該鑄模即承接容器3直接放入該電磁攪拌器4和冷卻器6、或電磁攪拌器4和保溫器6中，將一低過(guò)熱度的過(guò)熱金屬或合金液產(chǎn)生器1中的過(guò)熱金屬或合金液2澆入鑄模即承接容器3，該電磁感應(yīng)器既可以實(shí)現(xiàn)行波電磁場(chǎng)弱攪拌即低功率攪拌，又可以實(shí)現(xiàn)該球狀初晶的半固態(tài)金屬或合金漿料5的控制冷卻和球狀初晶圓整優(yōu)化，該鑄模即承接容器3和該預(yù)定固相分?jǐn)?shù)的球狀初晶的半固態(tài)金屬或合金漿料5與一壓鑄機(jī)10或鍛造機(jī)14銜接，壓鑄機(jī)10與壓鑄模具9相結(jié)合，鍛造機(jī)14與鍛造模具12相結(jié)合，這一裝置構(gòu)成參見(jiàn)圖4。
本發(fā)明在于將控制精確的低過(guò)熱度即過(guò)熱5～30°K的金屬或合金液澆入到一個(gè)鑄模即承接容器中，同時(shí)對(duì)該鑄模即承接容器中的金屬或合金液進(jìn)行弱電磁場(chǎng)攪拌或機(jī)械攪拌即低功率攪拌，大大減少單純電磁攪拌或機(jī)械攪拌的能耗和降低裝備的復(fù)雜程度，同樣可獲得球狀初晶半固態(tài)金屬或合金漿料；這些球狀初晶半固態(tài)金屬或合金漿料經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的冷卻或保溫，球狀初晶的形態(tài)得到進(jìn)一步的圓整優(yōu)化，將該圓整優(yōu)化的球狀初晶半固態(tài)金屬或合金漿料直接送至壓鑄機(jī)或鍛造機(jī)的射室進(jìn)行半固態(tài)成形，大大縮短了球狀初晶的半固態(tài)金屬或合金坯料觸變成形的工藝流程，設(shè)備投資大幅度減少，降低半固態(tài)成形件的成本；本發(fā)明還避免了常規(guī)球狀初晶的半固態(tài)金屬或合金坯料觸變成形中的電磁感應(yīng)加熱的能耗，也不會(huì)出現(xiàn)常規(guī)半固態(tài)金屬或合金觸變成形坯料重熔加熱時(shí)的金屬流失現(xiàn)象，也大大降低了坯料的表面氧化，進(jìn)一步提高成形件的內(nèi)在質(zhì)量；本發(fā)明的制備球狀初晶的半固態(tài)金屬或合金漿料工藝是一堝一堝的制備，球狀初晶的半固態(tài)金屬或合金漿料的輸送很容易實(shí)現(xiàn)，漿料的液相分?jǐn)?shù)還可以控制的較高，便于成形非常復(fù)雜的零件毛坯，而常規(guī)半固態(tài)金屬或合金觸變成形坯料的液相分?jǐn)?shù)不能控制太高，成形非常復(fù)雜零件毛坯時(shí)遇到困難，否則坯料的搬運(yùn)難以實(shí)現(xiàn)工藝操作；本發(fā)明的工藝使球狀初晶的半固態(tài)金屬或合金漿料直接成形后的澆注系統(tǒng)、廢品將直接在本車(chē)間回用，降低原料成本，而常規(guī)球狀初晶的半固態(tài)金屬或合金坯料觸變成形后的澆注系統(tǒng)、廢品必須返回到坯料制備車(chē)間或坯料供應(yīng)者的生產(chǎn)廠(chǎng)，增加了成形生產(chǎn)成本。本發(fā)明既解決了液相線(xiàn)鑄造法中金屬或合金液溫度難以控制、金屬或合金液流動(dòng)性差和澆注工藝難以實(shí)現(xiàn)的難題，又解決了單純電磁攪拌或機(jī)械攪拌制備球狀初晶的半固態(tài)金屬或合金漿料中設(shè)備龐大和攪拌功率大、攪拌效率低、能耗大的問(wèn)題，又不會(huì)引起被攪拌過(guò)熱金屬或合金液或球狀初晶的半固態(tài)金屬或合金漿料的飛濺和事故；為實(shí)施該方法發(fā)明的裝置中的電磁攪拌器或機(jī)械攪拌器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，攪拌強(qiáng)度低、能耗低；該冷卻器或保溫器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，半固態(tài)金屬或合金漿料的球狀初晶的組織形態(tài)和固相分?jǐn)?shù)易于控制，便于制備一堝一堝的球狀初晶的半固態(tài)金屬或合金漿料，這點(diǎn)尤其適合機(jī)械零件毛坯的成形需要；該壓鑄機(jī)或鍛造機(jī)是一般商用或經(jīng)過(guò)適當(dāng)改造以適應(yīng)球狀初晶的半固態(tài)金屬或合金漿料成形需要的壓鑄機(jī)或鍛造機(jī)，獲取容易，投資節(jié)省；該裝置既適合于鋁基合金的球狀初晶的半固態(tài)金屬漿料直接成形，也適合于鎂基合金、銅基合金、鋅基合金、鎳基合金、鈷基合金、和鐵基合金的球狀初晶的半固態(tài)漿料的直接成形。


圖1是本發(fā)明的球狀初晶的半固態(tài)金屬或合金漿料直接壓鑄的工藝及裝置示意圖。
圖2是本發(fā)明的球狀初晶的半固態(tài)金屬或合金漿料直接鍛造的工藝及裝置示意圖。
圖3是本發(fā)明的第二種球狀初晶的半固態(tài)金屬或合金漿料直接壓鑄的工藝及裝置示意圖，驅(qū)動(dòng)電機(jī)18通過(guò)傳動(dòng)桿17帶動(dòng)攪拌葉片15旋轉(zhuǎn)，不斷攪拌該過(guò)熱金屬或合金液、或該半固態(tài)金屬或合金漿料，得到球狀初晶的金屬或合金半固態(tài)漿料。
圖4是本發(fā)明的第三種球狀初晶的半固態(tài)金屬或合金漿料直接壓鑄的工藝及裝置示意圖。
圖5是本發(fā)明的球狀初晶的半固態(tài)A356合金漿料的組織，淺色區(qū)域?yàn)榍驙畛跎?Al，深色區(qū)域?yàn)槟痰墓簿б后w。
圖6是本發(fā)明的經(jīng)過(guò)圓整優(yōu)化的球狀初晶的半固態(tài)A356合金漿料的組織，淺色區(qū)域?yàn)榍驙畛跎?Al，深色區(qū)域?yàn)槟痰墓簿б后w。
具體實(shí)施例方式參照?qǐng)D1、2、3，這是按上述技術(shù)特點(diǎn)提供的工藝流程及裝置，該工藝設(shè)一低過(guò)熱度的過(guò)熱A356合金液產(chǎn)生器1，它是電阻熔化爐，該熔化爐的保溫性能良好，能夠保證A356合金液2的溫控精度，溫度精度為±5℃；該過(guò)熱A356合金液產(chǎn)生器1與一過(guò)熱A356合金液鑄模即承接容器3銜接，該鑄模即承接容器3由石墨制作，澆注前該鑄模即承接容器3處于室溫；該過(guò)熱A356合金液鑄模即承接容器3與一旋轉(zhuǎn)電磁攪拌器4相結(jié)合；將過(guò)熱10°K的A356合金液2直接澆入該過(guò)熱A356合金液鑄模即承接容器3中，同時(shí)對(duì)該過(guò)熱A356合金液鑄模即承接容器3中的該過(guò)熱A356合金液2進(jìn)行短時(shí)弱旋轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)攪拌即低功率攪拌，該弱旋轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)攪拌的功率為1500W、電源頻率為50Hz、攪拌時(shí)間為20S，得到的球狀初晶的半固態(tài)A356合金漿料的組織如圖5所示；攪拌之后，將該鑄模即承接容器3連同其中的球狀初晶的半固態(tài)A356合金漿料移至一個(gè)電磁感應(yīng)加熱器中，使該鑄模即承接容器3連同其中的球狀初晶的半固態(tài)A356合金漿料進(jìn)一步的冷卻，冷卻速度為5°K/min，將該球狀初晶的半固態(tài)A356合金的固相分?jǐn)?shù)控制在預(yù)定的范圍，即0.4～0.6；在該冷卻或保溫過(guò)程中，該半固態(tài)A356合金漿料的球狀初晶得到進(jìn)一步的圓整優(yōu)化，如圖6所示；最后將圓整優(yōu)化后的該球狀初晶的半固態(tài)A356合金漿料5和該鑄?；虺薪尤萜?一起送到壓鑄機(jī)10，將該球狀初晶的半固態(tài)A356合金漿料5送入壓鑄模具9中進(jìn)行成形。
參見(jiàn)本發(fā)明技術(shù)特點(diǎn)的工藝流程圖4，也可以利用由空心純銅管盤(pán)成螺旋狀的工頻、或中頻、或高頻電磁感應(yīng)器代替行波電磁攪拌器4和冷卻器、或代替行波電磁攪拌器4和保溫器6，將過(guò)熱A356合金液鑄模即承接容器3直接放入該行波電磁攪拌器4和冷卻器或保溫器6中，該鑄模即承接容器3由石墨制作，澆注前該鑄模即承接容器3處于室溫；再將該過(guò)熱A356合金液產(chǎn)生器1精確控制的低過(guò)熱度即過(guò)熱10°K的A356合金液2直接澆入到該過(guò)熱A356合金鑄模即承接容器3中，同時(shí)對(duì)該過(guò)熱A356合金液進(jìn)行短時(shí)弱行波電磁場(chǎng)攪拌，該弱行波電磁場(chǎng)攪拌的功率為1500W、電源頻率為1000Hz、攪拌時(shí)間為20S，得到的球狀初晶的半固態(tài)A356合金漿料的組織如圖5所示；在弱行波電磁場(chǎng)攪拌的同時(shí)，調(diào)整該行波電磁感應(yīng)器的功率，以控制球狀初晶的半固態(tài)A356合金漿料的冷卻，使球狀初晶的半固態(tài)A356合金漿料的后續(xù)冷卻速度為5°K/min或保溫溫度為585℃、保溫時(shí)間為5min，將該球狀初晶的A356合金漿料的固相分?jǐn)?shù)控制在預(yù)定的范圍，即0.4～0.6，得到優(yōu)化的球狀初晶的半固態(tài)A356合金漿料5，其組織如圖6所示；最后將圓整優(yōu)化后的該球狀初晶的A356合金漿料5和該鑄模即承接容器3一起送到壓鑄機(jī)10或鍛造機(jī)14前，將該球狀初晶的半固態(tài)A356合金漿料送入壓鑄模具9或鍛造模具12中進(jìn)行成形。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了球狀初晶的半固態(tài)金屬或合金漿料直接成形，即不讓球狀初晶的半固態(tài)金屬或合金漿料完全凝固，而將其直接輸送至壓鑄機(jī)或鍛造機(jī)的射室進(jìn)行成形，避免了球狀初晶的半固態(tài)金屬或合金坯料觸變成形中必須對(duì)該坯料進(jìn)行半固態(tài)重熔加熱的工序，大大縮短了工藝流程和降低了電能消耗，這種方法尤其適合于低熔點(diǎn)金屬或合金的球狀初晶的半固態(tài)金屬漿料的直接成形。
權(quán)利要求
1.一種球狀初晶半固態(tài)金屬或合金漿料的直接成形方法，產(chǎn)生一低過(guò)熱度的過(guò)熱金屬或合金液，將該過(guò)熱金屬或合金液的溫度預(yù)先控制在其實(shí)際液相線(xiàn)溫度以上5～30°K，將該過(guò)熱金屬或合金液直接澆入一鑄模即承接容器中，其特征在于a.立即對(duì)所澆入該鑄模即承接容器中的過(guò)熱金屬或合金液或已凝固出少量初生固相的半固態(tài)金屬或合金漿料施加短時(shí)弱攪拌即低功率攪拌，得到球狀初晶的半固態(tài)金屬或合金漿料，攪拌時(shí)間為1～3600S。b.在該短時(shí)攪拌之后，通過(guò)一冷卻器來(lái)控制該球狀初晶的半固態(tài)金屬或合金漿料的后續(xù)冷卻速率和冷卻時(shí)間，冷卻速率為1～100℃/min，冷卻時(shí)間為1～3600S，使該球狀初晶進(jìn)一步圓整優(yōu)化，并控制該半固態(tài)金屬或合金漿料達(dá)到預(yù)定的固相分?jǐn)?shù)或溫度，預(yù)定的固相分?jǐn)?shù)為0.1～0.9，或預(yù)定溫度高于該金屬或合金的固相線(xiàn)溫度或不低于該固相分?jǐn)?shù)的球狀初晶的半固態(tài)金屬或合金漿料的成形溫度。c.也可在該短時(shí)攪拌之后，對(duì)球狀初晶的半固態(tài)金屬或合金漿料進(jìn)行保溫，該保溫的溫度高于該金屬或合金的固相線(xiàn)溫度或不低于該固相分?jǐn)?shù)的球狀初晶的半固態(tài)金屬或合金漿料的成形溫度，保溫時(shí)間為1～3600S，使球狀初晶進(jìn)一步圓整優(yōu)化。d.將圓整優(yōu)化后和預(yù)定固相分?jǐn)?shù)的球狀半固態(tài)金屬或合金漿料連同其鑄模即承接容器送至壓鑄機(jī)或鍛造機(jī)前，將該鑄模即承接容器中的球狀半固態(tài)金屬或合金漿料送入壓鑄機(jī)的射室或鍛造機(jī)的射室中，進(jìn)行壓鑄或鍛造成形。
2.如權(quán)利要求書(shū)1所述的球狀初晶半固態(tài)金屬或合金漿料的直接成形方法，其特征在于，利用螺旋電磁場(chǎng)、或直線(xiàn)移動(dòng)的行波電磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)熱金屬或合金液、或半固態(tài)金屬或合金漿料的弱攪拌即低功率攪拌，被攪拌的過(guò)熱金屬或合金液、或半固態(tài)金屬或合金漿料的旋轉(zhuǎn)速率在10～300轉(zhuǎn)/分鐘范圍，或被攪拌的過(guò)熱金屬或合金液、或半固態(tài)金屬或合金漿料的運(yùn)動(dòng)的線(xiàn)速率在0.01～10米/秒范圍。
3.如權(quán)利要求書(shū)1、2所述的球狀初晶半固態(tài)金屬或合金漿料的直接成形方法，其特征在于，該行波電磁場(chǎng)弱攪拌即低功率攪拌的電磁攪拌輸出功率是1～5000瓦、電磁攪拌的電源頻率是1～20000赫茲，但電磁攪拌輸出功率的最佳范圍是500～3000瓦、電磁攪拌的電源頻率最佳范圍是5～1000赫茲。
4.如權(quán)利要求書(shū)1、2所述的球狀初晶半固態(tài)金屬或合金漿料的直接成形方法，其特征在于，該螺旋電磁場(chǎng)弱攪拌即低功率螺旋電磁攪拌的繞組輸入端電壓為1～40伏特、線(xiàn)電流為1～40安培，輸入給該繞組的電源頻率為1～1000赫茲，球狀半固態(tài)金屬或合金漿料的攪拌速度為10～300轉(zhuǎn)/分鐘。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的球狀初晶的半固態(tài)金屬或合金漿料的直接成形方法，其特征是該冷卻器由電阻熱、或天然氣燃燒熱、或煤氣燃燒熱、或燃油燃燒熱、或工頻電磁感應(yīng)熱、或中頻電磁感應(yīng)熱、或高頻電磁感應(yīng)熱維持，使該球狀初晶的半固態(tài)金屬或合金漿料具有特定的冷卻速度，該特定的冷卻速度為1～100℃/min。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的球狀初晶的半固態(tài)金屬或合金漿料的直接成形方法，其特征是該保溫器由電阻熱、或天然氣燃燒熱、或煤氣燃燒熱、或燃油燃燒熱、或工頻電磁感應(yīng)熱、或中頻電磁感應(yīng)熱、或高頻電磁感應(yīng)熱維持特定的溫度，該特定溫度高于該金屬或合金的平衡固相線(xiàn)溫度或不低于該半固態(tài)金屬或合金漿料的直接成形溫度。
7.根據(jù)權(quán)利要求5、6所述的球狀初晶的半固態(tài)金屬或合金漿料的直接成形方法，其特征是該工頻、或中頻、或高頻電磁感應(yīng)加熱器電源的頻率為50～1000000赫茲。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的球狀初晶的半固態(tài)金屬或合金漿料直接成形方法，其特征是該球狀初晶的半固態(tài)金屬或合金漿料直接成形時(shí)的球狀初晶的半固態(tài)金屬漿料的固相分?jǐn)?shù)為0.1～0.9，但固相分?jǐn)?shù)的最佳范圍是0.3～0.7。
9.根據(jù)權(quán)利要求1、5、6所述的球狀初晶的半固態(tài)金屬或合金漿料的直接成形方法，在冷卻或保溫過(guò)程中，控制最后成形前的半固態(tài)金屬或合金漿料內(nèi)外的溫度差不大于±5℃，該溫度差的最佳范圍在±1℃。
10.一種球狀初晶的半固態(tài)金屬或合金漿料直接成形裝置，主要包括過(guò)熱金屬或合金液產(chǎn)生器(1)、過(guò)熱金屬或合金液(2)的鑄模即承接容器(3)、電磁攪拌器(4)、機(jī)械攪拌器(16)，其特征在于，鑄模即承接容器(3)再與一冷卻器或保溫器(6)相結(jié)合，該鑄模即承接容器(3)和該預(yù)定固相分?jǐn)?shù)的球狀初晶的半固態(tài)金屬或合金漿料(5)與一壓鑄機(jī)(10)或鍛造機(jī)(14)銜接，壓鑄機(jī)(10)與壓鑄模具(9)相結(jié)合，鍛造機(jī)(14)與鍛造模具(12)相結(jié)合。
11.如權(quán)利要求10所述的球狀初晶的半固態(tài)金屬或合金漿料直接成形裝置，其特征在于，該過(guò)熱金屬或合金液(2)的鑄模即承接容器(3)的形狀可以是圓柱形或其他形狀，該鑄模即承接容器(3)的材質(zhì)可以是非金屬或無(wú)磁金屬，該鑄模即承接容器(3)內(nèi)壁設(shè)有低導(dǎo)熱襯里，也可以不設(shè)低導(dǎo)熱襯里，如設(shè)有低導(dǎo)熱襯里，該低導(dǎo)熱襯里的厚度為0.2～10mm。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的球狀初晶的半固態(tài)金屬或合金漿料直接成形裝置，其特征是該冷卻器或保溫器(6)可以由空心純銅管盤(pán)成螺旋狀的工頻、或中頻、或高頻電磁感應(yīng)器構(gòu)成，還可以由電阻爐、或燃?xì)鉅t、或燃油爐構(gòu)成。
13.根據(jù)權(quán)利要求10、12所述的球狀初晶的半固態(tài)金屬或合金漿料直接成形的裝置，其特征在于，該電磁攪拌器(4)也可由空心純銅管盤(pán)成螺旋狀的工頻、或中頻、或高頻感應(yīng)式的冷卻器或保溫器(6)代替。
全文摘要
一種球狀初晶半固態(tài)金屬或合金漿料直接成形方法及裝置，涉及半固態(tài)金屬或合金漿料的直接成形，特別涉及半固態(tài)金屬和合金漿料的流變成形。將低過(guò)熱度即過(guò)熱5～30°K的金屬或合金液澆入一鑄模即承接容器中，同時(shí)對(duì)該過(guò)熱金屬或合金液施加一弱攪拌力即低功率攪拌力，得到球狀初晶半固態(tài)金屬或合金漿料；該球狀初晶半固態(tài)金屬或合金漿料經(jīng)過(guò)進(jìn)一步冷卻或保溫，使該球狀初晶的半固態(tài)金屬或合金漿料冷至特定的溫度或固相分?jǐn)?shù)，該溫度高于該金屬或合金的平衡固相線(xiàn)溫度或不低于該金屬或合金半固態(tài)漿料的直接成形溫度，在該冷卻或保溫過(guò)程中，該金屬或合金半固態(tài)漿料中的球狀初晶得到進(jìn)一步的圓整優(yōu)化；將該圓整優(yōu)化后的球狀初晶半固態(tài)金屬或合金漿料送至壓鑄機(jī)或鍛造機(jī)的射室進(jìn)行半固態(tài)漿料直接成形，其優(yōu)點(diǎn)在于降低能耗，縮短工藝流程，降低鑄件或成形件的成本。
文檔編號(hào)B22D17/00GK1411932SQ02104349
公開(kāi)日2003年4月23日 申請(qǐng)日期2002年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月1日
發(fā)明者毛衛(wèi)民, 趙愛(ài)民 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)