專(zhuān)利名稱(chēng)：制備金屬合金的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及工業(yè)用金屬成形領(lǐng)域，尤其是涉及一種由非樹(shù)枝狀、半固態(tài)金屬漿形成金屬部件的裝置和方法。
背景技術(shù)：
眾所周知，多數(shù)金屬合金成分呈樹(shù)枝狀固結(jié)。在合金成分冷卻到液相溫度之下時(shí)，其由晶核開(kāi)始逐漸形成枝狀或樹(shù)狀顆粒。同樣眾所周知，分割枝狀顆?；蛟诠探Y(jié)期間阻止枝狀生長(zhǎng)以形成大體為球形或橢球形的非枝狀的或退化的枝狀顆粒具有某種優(yōu)點(diǎn)。特別是，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)各種方法和物理性質(zhì)優(yōu)點(diǎn)可通過(guò)澆鑄或者其它方法由非枝狀、半固態(tài)的金屬漿形成金屬部件而獲得。與含有枝狀顆粒的半固態(tài)金屬合金成分相比，半固態(tài)金屬漿中的非枝狀金屬顆粒大大地降低了特定固體部分的粘度。粘度上的差別通常為幾個(gè)數(shù)量級(jí)。
非枝狀半固態(tài)金屬成形的優(yōu)點(diǎn)包括較高速度的部件成形、高速的連續(xù)澆鑄、較低的模具腐蝕、較少的能量損耗、改進(jìn)的填模、減少的氧化物(其改善了最終金屬部件的可加工性)、較少的滯留氣體(從而降低其孔隙度)。由半固態(tài)漿澆鑄或以其它方法形成金屬部件的其它優(yōu)點(diǎn)包括在形成金屬部件期間具有較小的收縮、在成形金屬部件中具有較少的孔隙和較小的孔隙度、較低和宏觀偏析和較均勻的機(jī)械性質(zhì)(如強(qiáng)度)。在澆鑄或其它成形工藝中使用非枝狀半固態(tài)合金成分形成較復(fù)雜的部件也是可能的。例如可形成具有較薄的外壁并提高了強(qiáng)度特性的部件。
通過(guò)在液態(tài)金屬合金成分冷卻到合金成分的液相溫度以下的期間使用機(jī)械混合，已經(jīng)制備了用于工業(yè)澆鑄和其它金屬成形工藝的非枝狀半固態(tài)漿?，F(xiàn)已使用的其它技術(shù)包括在冷卻期間進(jìn)行電磁攪拌(通常用于連續(xù)澆鑄工藝)、在液態(tài)金屬成分經(jīng)過(guò)曲折的通道時(shí)冷卻液態(tài)金屬成分、在半固態(tài)溫度區(qū)域進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)熱處理等。這些工藝是眾所周知的并已經(jīng)被很好地應(yīng)用于各種工業(yè)上重要應(yīng)用中。
最近，通過(guò)將過(guò)熱的熔融合金傾注到相對(duì)較涼的容器(如熔爐或者模鑄機(jī)的冷卻室)中，產(chǎn)生了非枝狀半固態(tài)漿。這些工藝依賴(lài)于在傾注過(guò)程中當(dāng)合金接觸容器壁時(shí)將合金成分從液相溫度以上冷卻到液相溫度以下。這種工藝在形成非枝狀半固態(tài)金屬漿時(shí)是有效的；然而其具有工藝限制。首先，該工藝依賴(lài)于容器壁的排熱。由于容器壁溫度的改變和不連續(xù)的圓筒表面積使得利用這一技術(shù)來(lái)控制熱量的去除變得困難。其次，通過(guò)傾注會(huì)發(fā)生對(duì)流；因此，如果在太高的溫度下注入合金，對(duì)流力就會(huì)在合金通過(guò)液相而進(jìn)行冷卻之前消散，阻止了非枝狀漿的形成。
工業(yè)品包括各種用于汽車(chē)應(yīng)用的鋁鎂合金部件，如主制動(dòng)氣缸，以及用于轉(zhuǎn)向和懸架系統(tǒng)的各種部件。其它實(shí)際或潛在的應(yīng)用包括搖臂、發(fā)動(dòng)機(jī)活塞、車(chē)輪、傳動(dòng)部件、燃料系統(tǒng)部件以及空調(diào)部件。
使用機(jī)械攪拌形成非枝狀半固態(tài)金屬漿的已知工藝存在一個(gè)問(wèn)題，即攪拌器的表面會(huì)被金屬漿中液態(tài)金屬弄濕。因此，當(dāng)將攪拌器從金屬漿中移出時(shí)，一些金屬漿中的液態(tài)金屬會(huì)粘在攪拌器的表面。一些濕潤(rùn)或粘在攪拌器和/或容器表面的液態(tài)金屬快速凝固并形成金屬涂層，該涂層必須在攪拌器和/或容器再次用于制備更多的非枝狀半固態(tài)金屬液漿之前被去除。從攪拌器表面去除金屬沉積物常常是困難的、耗時(shí)且成本較高，并且會(huì)導(dǎo)致較低的成品率。具有較低潤(rùn)濕性的材料通常不適用于處理液態(tài)金屬合金成分(如因?yàn)樗鼈冊(cè)诟邷貢r(shí)缺少足夠的與非枝狀半固態(tài)金屬漿的生產(chǎn)相關(guān)的機(jī)械性質(zhì))和/或不具有足夠高的適于快速?gòu)姆侵畎牍虘B(tài)金屬漿中快速除熱的熱傳導(dǎo)率。通過(guò)在金屬攪拌器的表面應(yīng)用低潤(rùn)濕性的涂層可獲得較低的潤(rùn)濕性。氮化硼涂層已經(jīng)被用在攪拌器和/或容器表面以成功地降低潤(rùn)濕性而不降低其熱傳導(dǎo)率。然而，氮化硼涂層缺少結(jié)構(gòu)強(qiáng)度并需要周期性地更換。
利用常規(guī)的工藝來(lái)制備具有相對(duì)較高的固體含量(如約大于10％)的非枝狀半固態(tài)金屬合金成分的另一問(wèn)題為常常需要大量的時(shí)間來(lái)冷卻金屬漿以獲得所需的固體含量。通常在陶瓷容器或預(yù)熱容器中攪拌合金成分以防止在容器(攪拌就在其內(nèi)完成)壁形成晶核和固體。因此，相對(duì)較慢地進(jìn)行冷卻，從而較長(zhǎng)的處理時(shí)間和較低的產(chǎn)量。通過(guò)使用具有足夠質(zhì)量、熱傳導(dǎo)率和熱容量的涼容器可獲得快速冷卻。然而，這能產(chǎn)生不可接受的不利于形成非枝狀半固態(tài)金屬漿的高溫度梯度，和/或?qū)⒑辖鸪煞掷鋮s到不適于將合金成分構(gòu)造成所需部件的溫度。
美國(guó)專(zhuān)利US6,645,323公開(kāi)了一種無(wú)表層(skinless)金屬合金成分，其不含有封閉氣體并包括在次生相均勻分布的初生相固體不連續(xù)退化枝狀晶體。所公開(kāi)的合金是通過(guò)某一工藝形成的，該工藝在容器內(nèi)加熱金屬合金直至使其變?yōu)橐簯B(tài)。之后，快速冷卻液體，同時(shí)盡力攪拌，該攪拌是在避免在形成均布在液體中的固體晶核時(shí)將氣體封閉在其內(nèi)的條件下進(jìn)行的。利用伸入液體的冷卻旋轉(zhuǎn)式探測(cè)器可完成所述的冷卻和攪拌。當(dāng)液體中含有少量固體或者從攪拌源去除液固合金時(shí)停止攪拌，同時(shí)繼續(xù)進(jìn)行冷卻從而在液態(tài)的次生相形成初生相固體不連續(xù)退化枝狀晶體。例如通過(guò)澆鑄而在之后形成固液混合物。
US6,645,323所公開(kāi)的工藝的一個(gè)問(wèn)題是用于冷卻和攪拌的冷卻旋轉(zhuǎn)探測(cè)器易于涂敷有液態(tài)金屬，所述液體金屬粘著在攪拌器的表面。因此，這一專(zhuān)利所述的攪拌器需要經(jīng)常清洗和/或更換。此外，需要改進(jìn)對(duì)由鋁合金成分排出的熱量的控制。在本發(fā)明的某些方面，提供了克服這些缺陷的方法和裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種用于生產(chǎn)非枝狀半固態(tài)合金漿的改進(jìn)方法，所述的合金漿用于形成金屬部件。尤其是，本發(fā)明提供一種促進(jìn)非枝狀半固態(tài)金屬漿快速冷卻和/或消除或減少以下問(wèn)題的裝置和方法，即該問(wèn)題與接觸金屬漿的裝置表面上金屬的積聚和去除有關(guān)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，其提供一種利用石墨攪拌器制備非枝狀半固態(tài)金屬合金漿的方法和裝置。所述石墨攪拌器具有合適的高溫強(qiáng)度性質(zhì)和熱傳導(dǎo)率，其有助于液態(tài)合金成分的快速冷卻，并且其還表現(xiàn)出較低的潤(rùn)濕性，因而，消除或大大減少了在將攪拌器從金屬漿中取出之后將金屬?gòu)臄嚢杵鞅砻嬉瞥男枰?，并且積聚在攪拌器上的任何金屬可容易地被去除。因此，石墨攪拌器可用于同時(shí)從合金成分去除熱量，并且還可促進(jìn)產(chǎn)生有助于非枝狀半固態(tài)合金成分的形成的對(duì)流，并且還可避免金屬漿凍結(jié)或沉積在攪拌器上。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，根據(jù)鋁合金成分在與攪拌器接觸之前的初始溫度和攪拌器排熱的速度，從鋁合金成分中排出熱量的數(shù)量可通過(guò)使鋁合金成分與攪拌器接觸一預(yù)設(shè)的時(shí)間段而得以控制。
又一方面，其提供一種快速冷卻非枝狀半固態(tài)金屬合金漿的方法和裝置，其將金屬合金漿含有較低固體含量(如重量百分比從約1％到約10％)時(shí)的溫度冷卻到金屬合金漿含有較高固體含量(如重量百分比從約10％到約65％)時(shí)的溫度。所述的方法和裝置涉及一容器的使用，該容器具有由高熱傳導(dǎo)率的材料制成的壁，所述的壁有助于金屬合金漿的快速冷卻。風(fēng)扇或鼓風(fēng)機(jī)可用于在容器壁周?chē)鷮?dǎo)入冷空氣。
結(jié)合下面的說(shuō)明、權(quán)利要求和附圖，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可進(jìn)一步理解和認(rèn)識(shí)本發(fā)明的這些和其它特征、優(yōu)點(diǎn)及目的。


圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例中裝置的示意圖。
圖2為根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的示意圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，其中示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于制備非枝狀半固態(tài)金屬合金成分的裝置10。一種非枝狀半固態(tài)金屬成分為含有液態(tài)金屬的成分和分布在液態(tài)金屬中的不連續(xù)的固態(tài)非枝狀合金顆粒。非枝狀顆粒為這樣一種顆粒，其一般為球形或橢球形，并且其在合金成分的液相溫度之下液體形成晶核和冷卻期間由液相中的對(duì)流所產(chǎn)生。一種公認(rèn)的理論認(rèn)為非枝狀的顆粒是由對(duì)流產(chǎn)生的，所述的對(duì)流使正在生長(zhǎng)的枝狀晶臂斷裂，隨后的成熟有助于使顆粒平滑為特有的球形和/或橢球形。由于這個(gè)原因，非枝狀的顆粒有時(shí)指的是退化的枝狀顆粒。
所述的裝置包括第一保持容器12，其用于容納和保持液態(tài)合金成分，攪拌器14插入到液態(tài)合金成分中并進(jìn)行旋轉(zhuǎn)以在液態(tài)合金成分中產(chǎn)生對(duì)流。所述的攪拌器還傳導(dǎo)來(lái)自合金成分的熱量并形成晶核。由于冷卻使液態(tài)金屬合金從剛好高于液相溫度的溫度降低到低于液相溫度的溫度，隨著對(duì)所述成分的攪拌，非枝狀固體顆粒16逐漸從液體中析出，從而形成半固態(tài)金屬漿18。理想地是，所述的攪拌器由某種材料制成并具有一定質(zhì)量，隨著合金成分從略微高于液相溫度的溫度降低到低于液相溫度幾度的溫度，所述攪拌器能夠快速地將熱量從合金成分移走。也就是說(shuō)，想要將攪拌器14設(shè)計(jì)成能夠快速地排出形成非枝狀半固態(tài)金屬合金成分所需的熱量，所述的金屬合金成分通常含有重量約為1％到20％的固體含量。利用攪拌器進(jìn)行攪拌的持續(xù)時(shí)間控制了從鋁合金成分中排出的熱量。因此，如果初始金屬溫度存在變化，則控制攪拌的持續(xù)時(shí)間以產(chǎn)生同一溫度的產(chǎn)品。所述金屬的溫度可利用各種設(shè)備的任一種進(jìn)行控制，如光學(xué)高溫計(jì)、熱電偶等。
例如，攪拌器14可為圓柱形。因而，攪拌器14可明顯不同于常規(guī)的攪拌器，常規(guī)的攪拌器在晶體形成時(shí)就會(huì)物理破壞所述的枝狀晶體。然而，能夠獲得快速冷卻的圓柱形攪拌器產(chǎn)生了晶核或由攪拌運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的對(duì)流而分布的退化的枝狀晶體。因而，使用常規(guī)機(jī)械攪拌來(lái)形成非枝狀金屬漿是不必要的，所述的機(jī)械攪拌物理地破碎了枝狀晶臂。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，所述的攪拌器由具有相對(duì)較高的熱傳導(dǎo)率(優(yōu)選可與銅的熱傳導(dǎo)率相比)和存在鋁的情況下具有相對(duì)較低的潤(rùn)濕性(優(yōu)選可與氮化硼相比)的材料制成。一種公認(rèn)的攪拌器可為涂敷有氮化硼的銅攪拌器。然而更需要提供一種無(wú)涂層的攪拌器，該攪拌器具有所需的熱擴(kuò)散系數(shù)以快速去掉熱量，這對(duì)于防止攪拌器表面接近合金成分的液相溫度是重要的，并且還具有所需的低潤(rùn)濕性以防止當(dāng)將其從金屬漿中移出時(shí)金屬積聚或者聚集在攪拌器的表面上。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，用于制造攪拌器14的一種非常有用的材料為石墨。石墨具有相對(duì)較高的熱擴(kuò)散系數(shù)(如可與銅相比)，并且具有相對(duì)較低的潤(rùn)濕性(如可與氮化硼涂層相比)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，石墨攪拌器具有在功能上等同于通常用于形成非枝狀半固態(tài)金屬合金漿的攪拌器的強(qiáng)度和熱性質(zhì)，并且還增加了對(duì)液態(tài)金屬合金基本上無(wú)潤(rùn)濕性的優(yōu)點(diǎn)。因此，在多個(gè)單獨(dú)周期內(nèi)重復(fù)使用石墨攪拌器而不用從攪拌器表面去除金屬合金是可能的。然而，棒表面必須處于低于合金液相溫度的溫度以快速地從熔融的合金將熱量移走。此外，任意積聚的金屬可輕易地被去除，例如通過(guò)使石墨攪拌器的表面靠著套筒經(jīng)過(guò)。
本發(fā)明的方法包括形成金屬合金液體成分的第一步驟。所述的液體合金成分位于容器12內(nèi)，并在盡力攪拌要冷卻合金時(shí)使其冷卻，例如通過(guò)在某種條件下的攪拌，以形成固體晶核顆粒，同時(shí)避免了將氣體封閉在所攪拌的合金成分內(nèi)。在合金冷卻的同時(shí)以某種方式盡力攪拌所述合金，所述的方式為使固體晶核基本上均勻地分布在整個(gè)金屬液體合金成分內(nèi)?？梢栽谝粋€(gè)溫度范圍內(nèi)使用快速冷卻的速度范圍進(jìn)行一段短時(shí)間的攪拌，所述的短時(shí)間如在約1秒與約1分鐘之間，優(yōu)選在約1秒與30秒之間，該溫度范圍相應(yīng)于固體重量百分比在約1％與約20％之間的合金的凝固百分比，優(yōu)選固體重量百分比在約3％與約7％之間?？墒褂脹龅臄嚢杵饕匀魏畏绞綄?shí)現(xiàn)所述的攪拌，其避免了在液體表面產(chǎn)生過(guò)多的空穴，從而避免了將氣體封閉在液體內(nèi)。經(jīng)過(guò)熱交換流體(如水)可使所述的攪拌器冷卻。代表性的合適的攪拌裝置包括一個(gè)或多個(gè)設(shè)有內(nèi)冷卻裝置的圓柱桿、螺旋攪拌器或者類(lèi)似的裝置，這些裝置優(yōu)選伸過(guò)液體的深度。所述攪拌器伸入液體的深度基本上達(dá)到了100％的液體深度，以有助于晶核均勻分布。然后，在一次批量生產(chǎn)中停止攪拌，或在連續(xù)生產(chǎn)中將液固合金從攪拌源中移走。之后，在容器內(nèi)冷卻所形成的液固金屬合金成分，以使球形固體顆粒在固體晶核顆粒周?chē)纬刹⑦_(dá)到一定濃度，其中，非枝狀球形和/或橢球形固體顆粒增加了整個(gè)液固成分的粘度，其中可將該液固成分移動(dòng)到成形步驟中，如澆鑄步驟。通常，非枝狀初生相固體的上部重量百分比在約40％與約65％之間，并優(yōu)選含有液固成分的總重量的10％到50％。在不攪拌的情況下，球形和/或橢球形固體顆粒的形成可通過(guò)粗化實(shí)現(xiàn)而不形成相互交聯(lián)的枝狀網(wǎng)狀物。由于所述的攪拌只是在短時(shí)間內(nèi)受到影響，所以避免了將氣體封閉在合金成分內(nèi)。此外，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)這種方式操作，在整個(gè)所生產(chǎn)金屬合金產(chǎn)品的整個(gè)批量中消除或最小化元件的宏觀偏析。之后，例如通過(guò)澆鑄使所述的液固成分成形。
包括非枝狀固體金屬合金顆粒和液相的金屬合金成分可由多種金屬或合金構(gòu)成，當(dāng)其不用攪拌由液態(tài)凍結(jié)時(shí)其可形成枝狀網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。所述的非枝狀顆?？捎梢环N初生相構(gòu)成，其具有一種平均成分，該平均成分不同于周?chē)紊?取決于溫度的液相或固相)的平均成分，所述的次生相本身根據(jù)進(jìn)一步地凝固可包括初生相和次生相。
所述的非枝狀固體(退化的枝狀結(jié)晶)的特征在于具有平滑的表面和很少的分支結(jié)構(gòu)，其比通常的枝狀結(jié)晶更接近球形結(jié)構(gòu)并且不具有枝狀結(jié)構(gòu)，在枝狀結(jié)構(gòu)中，初生相顆粒的相互連接受到影響以形成枝狀網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。此外，初生相固體基本上不是共晶體。這里所用的術(shù)語(yǔ)“次生相固體”意思是由存在于金屬漿中的液體在比形成非枝狀固體顆粒的溫度低的溫度下凝固形成的相態(tài)。通常，凝固的合金具有在凝固的早期階段相互分離的枝狀晶體，所述的早期階段也就是固體的重量百分比達(dá)到15到20，并且在溫度降低和固體的重量百分比增加時(shí)其形成相互連接的網(wǎng)狀。另一方面，通過(guò)保持相互分離的不連續(xù)非枝狀顆粒，本發(fā)明含有初生相、非枝狀固體的成分防止了相互連接的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形成，所述的分離是固體部分甚至達(dá)到65％(重量百分比)的情況下通過(guò)液相而得到的。
在形成非枝狀固體之后，在由凝固作用形成了液相期間，所形成的次生相固體含有一種或多種類(lèi)型的相態(tài)，其可在凝固期間通過(guò)常規(guī)的成形方法獲得。也就是說(shuō)，次生相包括固體溶液，或者枝狀晶體、化合物和/或固體溶液的混合物。
非枝狀顆粒的大小取決于所用合金或金屬成分、固液混合物的溫度、以及在固液溫度范圍內(nèi)合金花費(fèi)的時(shí)間。一般情況下，初生相顆粒的尺寸取決于金屬漿的成分和熱機(jī)歷史、所形成的晶核數(shù)量、冷卻速度，并且其在約1微米到約10,000微米的范圍內(nèi)并且在全部金屬合金成分內(nèi)尺寸均勻。優(yōu)選地是，因?yàn)檫@些成分具有促進(jìn)易于澆鑄或成形的粘度，所述的成分包括10％到50％(重量百分比)的初生相固體。
本發(fā)明的成分可由任意金屬合金系統(tǒng)形成，當(dāng)由液態(tài)凍結(jié)形成時(shí)，其形成枝狀結(jié)構(gòu)。即使某一溫度下的純金屬和共晶體熔融，它們可用于形成本發(fā)明的成分，這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)控制向熔融物輸入或輸出凈熱量可使它們?cè)谌埸c(diǎn)存在液固平衡，以便金屬或共熔物在熔點(diǎn)含有足夠的熱量用于僅熔化一部分金屬或共晶液體。這種情況的出現(xiàn)是因?yàn)橥耆谱弑景l(fā)明的澆鑄過(guò)程所用的金屬漿內(nèi)的熔化熱量不能通過(guò)使供應(yīng)的熱量與由周?chē)h(huán)境的冷卻裝置去除的熱量相等而獲得。典型的合適的合金包括但并不局限于鉛合金、鎂合金、鋅合金、鋁合金、銅合金、鐵合金、鈷合金。這些合金的示例為鉛錫合金、鋅鋁合金、鋅銅合金、鎂鋁合金、鎂鋁鋅合金、鎂鋅合金、鎂硅合金、鋁銅鋅鎂合金、銅錫青銅、黃銅、鋁青銅、鋼、鑄鐵、工具鋼、不銹鋼、超耐熱不銹鋼、以及鈷鉻合金，或純金屬，如鐵、銅或鋁。
圖2示出了本發(fā)明的一個(gè)可選擇的實(shí)施例，其包括裝置10，該裝置基本上類(lèi)似于圖1所示的實(shí)施例，但是其包括一個(gè)冷卻容器20，在保持容器12中攪拌完成并且固體含量達(dá)到了約1％到約20％之后，將金屬漿18倒入到冷卻容器20中。冷卻容器20具有由高熱傳導(dǎo)率的材料制成的壁22。容器壁22具有允許壁22與給定量的金屬漿18快速達(dá)到溫度平衡的總熱容(壁的比熱容乘以壁的質(zhì)量)，以在容器壁22與金屬漿接觸前維持在相對(duì)較低的預(yù)設(shè)溫度時(shí)能使金屬漿快速冷卻，從而獲得所需的固體含量。風(fēng)扇或鼓風(fēng)機(jī)24可用于產(chǎn)生從通過(guò)壁22金屬漿和從壁22中將熱量移到周?chē)諝庵械母咚俣?，因而使金屬漿18快速冷卻。這就允許更高的生產(chǎn)速度。
具有高熱傳導(dǎo)率的合適的材料可用于制造容器20的壁，所述材料包括鋼、不銹鋼和石墨。石墨非常適于低成本下的高產(chǎn)量，這是因?yàn)榕c金屬相比其具有很高的熱傳導(dǎo)率，并且其表面對(duì)于各種所關(guān)心的金屬合金(如鋁和鎂的合金)都顯示出低潤(rùn)濕性。因此，從較低固體含量(如從約1％到約20％)到較高固體含量(如從約10％到約65％)的合金漿的相對(duì)快速冷卻是可能的，而容器20的表面可重復(fù)使用而不用進(jìn)行隨后的清洗以將金屬沉積物清除掉和/或能較容易地將金屬沉積物清除掉，所以以低成本進(jìn)行高速生產(chǎn)是可能的。當(dāng)容器20由相對(duì)于金屬漿具有可潤(rùn)濕表面的金屬或其它材料制成時(shí)，與合金漿接觸的容器的內(nèi)壁優(yōu)選涂敷有低潤(rùn)濕性的涂層，如氮化硼涂層。
冷卻容器20可通過(guò)使熱傳輸流體穿過(guò)冷卻通道而進(jìn)行冷卻，所述的冷卻通道形成或設(shè)置在位于冷卻容器的壁內(nèi)。同樣，冷卻容器可具有合適的表面積、質(zhì)量和熱容以在靜止?fàn)顟B(tài)下使從較低的固體含量到所需的較高的固體含量的金屬漿快速冷卻，而不會(huì)將金屬漿冷卻到適于形成所需金屬部件之下的溫度。
在不用攪拌的情況下(即靜止?fàn)顟B(tài)下)金屬漿18冷卻到所需的較高固體含量之后，金屬漿可形成所需的金屬部件，如通過(guò)澆鑄。
石墨攪拌器的第一個(gè)示例一批熔融鋁合金保持在一個(gè)容器內(nèi)。所述的鋁合金具有如下性質(zhì)溫度(TI)＝640℃熔化潛熱(Hf)＝400,000J/kg(其中J為焦耳，能量單位)鋁的熱容(Cp)≈1,000J/(kg℃)鋁合金量(m)≈4kg為了將部分凝固的鋁合金冷卻到610℃并且固體百分率為0.10，如下數(shù)量的熱量必須被移走固體含量(Δfs)＝0.10溫度(Tf)＝610℃ΔH=m·Δfs·Hf+m∫TiTfCPdT]]> 為了移走280,000焦耳的能量，所述棒必須具有足夠的質(zhì)量和熱容以吸收這一數(shù)量的能量。所述棒還必須具有足夠高的熱擴(kuò)散系數(shù)α以允許從表面將棒內(nèi)熱量移走，保持表面溫度在合金的液體溫度之下。
石墨圓柱狀攪拌器外徑(RO)＝0.025m圓柱高度(H)＝0.25m 石墨密度≈1,800kg/m3石墨質(zhì)量＝0.88kg如果棒的初始溫度為100℃并被升高到500℃，那么所述的棒可移走下述數(shù)量的熱量棒的溫度＝100℃石墨容器的質(zhì)量＝0.88kg石墨的熱容≈800J/(kg℃) 所述棒具有足夠的質(zhì)量和熱容以吸收鋁的熱量，從而將合金從其液相溫度以上冷卻到液相溫度以下。
熱擴(kuò)散系數(shù)根據(jù)下述的傳熱公式，所述棒通過(guò)其表面從熔融的鋁合金中排熱q(W)＝hAΔT傳熱系數(shù)(h)≈1,500W(m2℃)，其中W為瓦特(J/s)。
棒的表面積＝0.0393m2
平均溫度差＝250℃ 所述棒必須移走280,000J的熱量，并且傳熱速度為15,000W，因此，去掉熱量轉(zhuǎn)移所需的時(shí)間約為19秒。根據(jù)合金的熱物理性質(zhì)、合金的初始溫度以及棒和質(zhì)量和熱物理性質(zhì)，這一持續(xù)時(shí)間將會(huì)改變。
熱擴(kuò)散系數(shù)(α)被限定為導(dǎo)熱系數(shù)(k)除以材料的密度(ρ)與熱容(Cp)乘積α=kρCP]]>對(duì)于具有較低導(dǎo)熱系數(shù)和高密度的材料來(lái)說(shuō)，如陶瓷材料，其熱擴(kuò)散系數(shù)較低。所述材料不能將熱量從其表面轉(zhuǎn)移到其內(nèi)部，因此，表面溫度與合金相均衡，并且其不能進(jìn)一步降低合金的溫度。
除具有足夠大的質(zhì)量以從合金吸收能量之外，所述棒的材料還必須具有合適的熱擴(kuò)散系數(shù)以將熱量從棒的表面轉(zhuǎn)移到其內(nèi)部。
如果傳熱流體用于隨著攪拌和排熱將熱量從棒中移走，具有高熱擴(kuò)散系數(shù)的棒可具有比通常所需的更小的質(zhì)量以在合金內(nèi)吸收足夠的能量從而開(kāi)始凝固。
石墨攪拌器的第二個(gè)示例連續(xù)批量熔融鋁合金保存在一個(gè)容器內(nèi)。所述的鋁合金具有如下過(guò)程第一批的溫度(TI)＝640℃第二批的溫度(TI)＝657℃熔化潛熱(Hf)＝400,000J/kg(其中J為焦耳，能量單位)鋁的熱容(Cp)≈1,000J/(kg℃)鋁合金量(m)≈4kg為了將部分凝固的鋁合金冷卻到610℃并且固體含量為0.10，如下數(shù)量的熱量必須被移走固體含量(Δfs)＝0.10溫度(Tf)＝610℃
ΔH=m·Δfs·Hf+m∫TiTfCPdT]]>第一批 第二批 這一示例中的棒可移走15000W。在第一批中，所述棒必須移走280,000J，而在第二批中所述棒必須移走348,000J。從第一批和第二批移走熱量所需的時(shí)間分別為19秒和23秒。
在利用攪拌器進(jìn)行冷卻和攪拌之前通過(guò)測(cè)量熔體的溫度，半固態(tài)漿內(nèi)溫度的變化可被消除。攪拌持續(xù)的時(shí)間可由運(yùn)算方法確定，該運(yùn)算方法基于加入的金屬溫度、棒的溫度和時(shí)間延遲(損失到周?chē)哪芰?等。
筒狀容器(冷卻杯)的示例一批部分凝固的鋁合金保存在一個(gè)容器內(nèi)。所述的鋁合金具有如下性質(zhì)溫度(TI)＝610℃固體含量(fs)＝0.10熔化潛熱(Hf)＝400,000J/kg(其中J為焦耳，能量單位)鋁的熱容(Cp)≈1,000J/(kg℃)鋁合金量(m)≈4kg為了將部分凝固的鋁合金冷卻到590℃并且固體含量為0.30，如下數(shù)量的熱量必須被移走固體含量差(Δfs)＝0.20溫度(Tf)＝590℃ΔH=m·Δfs·Hf+m∫TiTfCPdT]]>
為了移走400,000焦耳的能量，所述容器設(shè)計(jì)為能夠吸收這一數(shù)量的熱量。具有如下性質(zhì)的薄壁石墨容器可移走這一熱量。
石墨圓柱狀容器內(nèi)徑(Ri)＝0.0508m外徑(Ro)＝0.0568m圓柱高度(H)＝0.2346m壁厚(t)＝0.006m 石墨密度≈1,800kg/m3石墨質(zhì)量＝0.97kg如果其初始溫度為90℃并在590℃與鋁平衡，那么所述的石墨可移走下述數(shù)量的熱量石墨的溫度＝90℃石墨容器的質(zhì)量＝0.97kg石墨的熱容≈800J/(kg℃) 所述的石墨容器需要同樣數(shù)量的熱量以達(dá)到590℃的溫度。因而，石墨容器被設(shè)計(jì)為能夠快速地移走預(yù)定數(shù)量的熱量以便從約1％到約10％(重量百分比)范圍內(nèi)的第一數(shù)值到約10％到65％(重量百分比)范圍內(nèi)的第二數(shù)值，快速地增加固體含量。
上述的內(nèi)容僅僅被認(rèn)為是優(yōu)選實(shí)施例。對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員和制造或使用本發(fā)明的人來(lái)說(shuō)，可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行多種改變。因此，可以理解，上述的實(shí)施例僅僅做為示例性的目的，并不用于限制本發(fā)明的范圍，根據(jù)專(zhuān)利法的原則包括等價(jià)的學(xué)說(shuō)進(jìn)行解釋時(shí)，本發(fā)明的范圍由下面的權(quán)利要求書(shū)進(jìn)行限定。
權(quán)利要求
1.一種由液態(tài)金屬合金成分生產(chǎn)金屬部件的方法，其包括形成不含固體物質(zhì)的液態(tài)金屬合金成分；將一定量的液態(tài)金屬合金成分放置在保持容器中；將石墨攪拌器插入到保持容器中的液態(tài)金屬合金成分中；在冷卻金屬合金成分從而開(kāi)始凝固并形成非枝狀半固態(tài)漿時(shí)，利用所述的石墨攪拌器攪拌所述的液態(tài)金屬合金成分；在所述漿的固體含量達(dá)到約1％到20％的重量百分比的數(shù)值之后停止攪拌并將石墨攪拌器從非枝狀半固態(tài)漿中移走；在不攪拌的情況下冷卻所述非枝狀半固態(tài)漿，直到固體含量上升到從約10％到約65％時(shí)為止；以及將固體含量從約10％到約65％的非枝狀半固態(tài)漿轉(zhuǎn)移到部件成形裝置，并使所轉(zhuǎn)移的材料成形為所需的金屬部件。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述非枝狀半固態(tài)漿的冷卻是通過(guò)將固體含量為約1％到約20％的重量百分比的非枝狀半固態(tài)漿轉(zhuǎn)移到冷卻容器并在冷卻容器中冷卻所述漿而實(shí)現(xiàn)的。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述的冷卻容器具有從鋼和不銹鋼中選擇出的一種材料制成的壁。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述的冷卻容器具有由石墨制成的壁。
5.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于沿著冷卻容器的壁吹送空氣。
6.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于冷卻容器的內(nèi)壁具有非潤(rùn)濕性或低潤(rùn)濕性的涂層。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于所述的涂層為氮化硼涂層。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于根據(jù)金屬合金成分的初始溫度和攪拌器的排熱速度攪拌所述液態(tài)金屬合金成分一段預(yù)定時(shí)間。
9.一種由液態(tài)直接生產(chǎn)非枝狀半固態(tài)金屬合金漿進(jìn)而形成金屬部件的裝置，其包括用于存放金屬合金成分的容器；以及石墨攪拌器，其用于在快速冷卻所述金屬成分以使其開(kāi)始凝固并在金屬合金成分中形成非枝狀固體顆粒時(shí)產(chǎn)生對(duì)流。
10.如權(quán)利要求9所述的裝置，其還包括一個(gè)單獨(dú)的冷卻容器。
11.如權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于所述冷卻容器具有從鋼和不銹鋼中選擇出的一種材料制成的壁。
12.如權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于所述冷卻容器具有由石墨制成的壁。
13.如權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于冷卻容器的內(nèi)壁具有非潤(rùn)濕性或低潤(rùn)濕性的涂層。
14.如權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于所述的涂層為氮化硼涂層。
15.一種由液態(tài)金屬合金成分生產(chǎn)金屬部件的方法，其包括形成不含固體物質(zhì)的液態(tài)金屬合金成分；將一定量的液態(tài)金屬合金成分轉(zhuǎn)移到保持容器中；將一攪拌器插入到保持容器中的液態(tài)金屬合金成分中；在保持容器中冷卻液態(tài)金屬合金成分而開(kāi)始凝固并形成非枝狀半固態(tài)漿時(shí)，利用一攪拌器攪拌保持容器中的所述液態(tài)金屬合金成分；在固體含量上升到約1％到約20％的重量百分比的數(shù)值之后停止攪拌并將攪拌器從非枝狀半固態(tài)漿中移走；將固體含量約為1％到20％的重量百分比的所述漿轉(zhuǎn)移到冷卻容器中，并在不攪拌的情況下冷卻所述漿，直到固體含量上升到從約10％到約65％的重量百分比時(shí)為止；以及將固體含量為約10％到約65％的非枝狀半固態(tài)漿轉(zhuǎn)移到部件成形裝置，并使所轉(zhuǎn)移的材料成形為所需的金屬部件。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于所述冷卻容器具有從鋼和不銹鋼中選擇出的一種材料制成的壁。
17.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于所述冷卻容器具有由石墨制成的壁。
18.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于沿著冷卻容器的壁吹送空氣。
19.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于冷卻容器的內(nèi)壁具有非潤(rùn)濕性或低潤(rùn)濕性的涂層。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于所述涂層為氮化硼涂層。
21.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于根據(jù)金屬合金成分的初始溫度和攪拌器的排熱速度攪拌所述液態(tài)金屬合金成分一段預(yù)定時(shí)間。
22.一種由液態(tài)生產(chǎn)非枝狀半固態(tài)金屬合金漿進(jìn)而形成金屬部件的裝置，其包括用于存放金屬合金成分的容器；攪拌器，其用于在快速冷卻所述金屬成分以使其開(kāi)始凝固并在金屬合金成分中形成非枝狀固體顆粒時(shí)產(chǎn)生對(duì)流；以及進(jìn)一步冷卻所述漿并提高其固體含量的冷卻容器。
23.如權(quán)利要求22所述的裝置，其特征在于所述冷卻容器具有從鋼和不銹鋼中選擇出的一種材料制成的壁。
24.如權(quán)利要求22所述的裝置，其特征在于所述冷卻容器具有由石墨制成的壁。
25.如權(quán)利要求23所述的裝置，其特征在于冷卻容器的內(nèi)壁具有非潤(rùn)濕性或低潤(rùn)濕性的涂層。
26.如權(quán)利要求25所述的裝置，其特征在于所述的涂層為氮化硼涂層。
27.一種由液態(tài)金屬合金成分生產(chǎn)金屬部件的方法，其包括形成不含固體物質(zhì)的液態(tài)金屬合金成分；將一定量的液態(tài)金屬合金成分放置在保持容器中；將一攪拌器插入到保持容器中的液態(tài)金屬合金成分中；在冷卻金屬合金成分從而開(kāi)始凝固并形成非枝狀半固態(tài)漿時(shí)，利用所述攪拌器攪拌所述液態(tài)金屬合金成分；在所述漿的固體含量上升到約1％到約20％的重量百分比的數(shù)值之后停止攪拌并將攪拌器從非枝狀半固態(tài)漿中移走；在不攪拌的情況下冷卻所述非枝狀半固態(tài)漿，直到固體含量上升到從約10％到約65％時(shí)為止；以及將固體含量約為10％到65％的非枝狀半固態(tài)漿轉(zhuǎn)移到部件成形裝置，并使所轉(zhuǎn)移的材料成形為所需的金屬部件。
全文摘要
一種用于由非枝狀半固態(tài)金屬合金漿生產(chǎn)金屬部件的方法和裝置，其涉及功能上等同于常規(guī)的金屬棒攪拌器的石墨攪拌器的應(yīng)用，所述石墨攪拌器具有很低的表面潤(rùn)濕性的附加優(yōu)點(diǎn)，因而，與在將攪拌器從金屬漿中取出之后所形成的金屬合金表皮移除相關(guān)的勞動(dòng)和花費(fèi)被消除了或大大減少了。本發(fā)明還提供一種由非枝狀半固態(tài)金屬漿生產(chǎn)金屬部件的改進(jìn)的方法和裝置，其利用攪拌在第一容器中形成所述漿之后，通過(guò)將所述漿轉(zhuǎn)移到冷卻容器以在不攪拌的情況下進(jìn)行隨后的冷卻和提高固體含量，從而獲得所述漿的快速冷卻和生產(chǎn)率的增加。
文檔編號(hào)B22D41/00GK1767915SQ200480008420
公開(kāi)日2006年5月3日 申請(qǐng)日期2004年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月4日
發(fā)明者詹姆斯·A·于爾科, 羅杰·W·布勞爾, 勞爾·A·馬蒂內(nèi)茲, 默頓·C·弗萊明斯, 保羅·貝爾泰利 申請(qǐng)人:伊德拉王子公司