專利名稱：一種強(qiáng)制均勻凝固連續(xù)制備金屬漿料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種強(qiáng)制均勻凝固連續(xù)制備金屬漿料的方法，屬于材料成形與加工領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
通過強(qiáng)制手段制備含有大量細(xì)小、均勻懸浮于液相中晶核的金屬漿料，這種漿料具有很好流動性，采用這樣的金屬漿料進(jìn)行鑄造成形，鑄件內(nèi)部組織細(xì)小、均勻、致密，收縮、氣孔、偏析、裂紋等缺陷大幅度降低，可以顯著提高鑄件機(jī)械性能；采用這種金屬漿料制備的鑄坯進(jìn)行后續(xù)加工，能夠明顯減少開裂、組織不均勻、偏析等問題的發(fā)生，提高成材率、加工性和產(chǎn)品力學(xué)性能，更為重要的是，可以用較少的壓力加工量，就可以達(dá)到要求的組織與性能。因此，金屬漿料制備方法的研究已經(jīng)成為提高金屬材料性能的重要方向之一。要想獲得這樣的金屬漿料，要對凝固過程實(shí)現(xiàn)有效控制。首先創(chuàng)造在液態(tài)金屬內(nèi)大量形核的條件，并且保證晶核在液相內(nèi)均勻分布，同時(shí)控制晶核的生長速度。通常利用強(qiáng)迫對流使激冷型壁處形成的大量晶核不斷被卷入液體內(nèi)，并且在對流的作用下金屬液體內(nèi)部晶核和溫度分布均勻，避免低溫處晶核快速長大和高溫處晶核的重熔。這種含有大量有效晶核的漿料在后續(xù)的凝固中，晶粒在生長到一定程度就彼此限制，難以長成很大的晶粒，可以獲得細(xì)小、均勻的微觀組織。因此，如何實(shí)現(xiàn)金屬液體均勻形核是開發(fā)簡單、連續(xù)、穩(wěn)定制備含一定固相分?jǐn)?shù)的合金漿料的方法的關(guān)鍵。
基于上述的認(rèn)識，國外已提出的具有代表性的專利有電磁攪拌法(US4434837)，斜坡冷卻法(US 6595266 B2)，CRP法(US 6880613 B2)。電磁攪拌法具有非接觸攪拌的優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)是設(shè)備復(fù)雜、成本高，特別是對于大尺寸的鑄件或鑄錠，由于電磁集膚效應(yīng)，組織不均勻是難免的。斜坡冷卻法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡單，但是可控性差，流層薄時(shí)，容易凝殼；流層厚時(shí)，形核及溫度不均勻，制備漿料的穩(wěn)定性差。CRP法可以連續(xù)制備漿料，設(shè)備簡單，兩流的對流作用強(qiáng)，可以獲得穩(wěn)定的金屬漿料，但是由于液體金屬在反應(yīng)器內(nèi)的流動屬于管內(nèi)流動，熱量的散失完全依靠液體與管壁的熱交換，這將造成心部液流與靠近壁面液流的溫度存在差異，溫度不易均勻；其次該法是在反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行兩液流的物質(zhì)與熱量交換，兩液流的管徑不能太大，因此不適于處理大流量的金屬液流，故生產(chǎn)效率低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種強(qiáng)制均勻凝固連續(xù)制備金屬漿料的方法，解決連續(xù)、穩(wěn)定制備均勻金屬漿料的問題。它的核心是通過制漿室內(nèi)的旋轉(zhuǎn)的熔體分散器將大體積或大量的金屬液體，分成多流小體積或小量的液體進(jìn)行處理，并且通過控制冷卻和強(qiáng)制對流，使其內(nèi)部同時(shí)形成數(shù)目眾多的微小晶核，且使熔體的溫度分布、濃度分布、晶核分布盡可能均勻。這樣的熔體漿料在后續(xù)的凝固中，晶粒在生長到一定程度就彼此限制，難以長成很大的晶粒，可以獲得細(xì)小、均勻的微觀組織。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案，一種強(qiáng)制均勻凝固連續(xù)制備金屬漿料的方法包括4個(gè)步驟(1)、將熔煉合格的過熱金屬，以高于其液相線溫度0～100℃的溫度，連續(xù)不斷的澆入漿料制備裝置的上導(dǎo)流管；(2)、金屬液體經(jīng)上導(dǎo)流管流入到熔體分散器上，通過伸入到制漿室內(nèi)的旋轉(zhuǎn)的熔體分散器，在氮?dú)饣驓鍤獾臍夥罩校瑢⒔饘僖后w噴甩到熔體分散器四周的制漿室的內(nèi)壁上；(3)分散后的金屬液體沿內(nèi)壁面流下并混合，同時(shí)，制漿室外的控溫系統(tǒng)使制漿室的壁溫控制在其液相線溫度之下0～100℃，金屬液體沿制漿室內(nèi)壁下流時(shí)被冷卻、形核，金屬液體在制漿室錐形底部匯聚，得到固相分?jǐn)?shù)小于30％的金屬漿料，金屬漿料流入到下導(dǎo)流管，金屬漿料在下導(dǎo)流管出口處的溫度控制在其液相線溫度的-10～10℃；(4)、金屬漿料經(jīng)下導(dǎo)流管流入一個(gè)溫度可控的收集器中，收集器內(nèi)金屬漿料的可直接輸送到壓鑄、軋制、模鍛等常規(guī)設(shè)備上進(jìn)行流變成形；或者連續(xù)不斷的澆注到結(jié)晶器內(nèi)，制成半固態(tài)連鑄坯。
在本發(fā)明的方法中，通過制漿室內(nèi)的旋轉(zhuǎn)的熔體分散器將大體積或大量的金屬液體，分散成多流小體積或小量的液體進(jìn)行處理，金屬液體沿制漿室內(nèi)壁面流下的過程中形核，并且混合均勻，得到均勻的、固相分?jǐn)?shù)小于30％的金屬漿料。
在所述的步驟(2)中，將金屬液體噴甩到熔體分散器四周的制漿室的內(nèi)壁上的過程是在氮?dú)饣驓鍤獾臍夥罩羞M(jìn)行的，其中，氮?dú)饣驓鍤鉃?～1.5個(gè)大氣壓。
在本發(fā)明的強(qiáng)制均勻凝固連續(xù)制備金屬漿料的方法中，熔體分散器可以有以下的兩種形式噴嘴式或分流盤式。
在所述的步驟(2)中，所述的熔體分散器為噴嘴式的熔體分散器，是采用旋轉(zhuǎn)的噴嘴，使金屬液體從噴嘴中噴出；噴頭的轉(zhuǎn)速為0～300轉(zhuǎn)/分，且≠0。
在所述的步驟(2)中，所述的熔體分散器為分流盤式的熔體分散器，是由中心設(shè)有旋轉(zhuǎn)軸的圓盤體所組成，使金屬液體沿圓盤體上表面流動，在圓盤體的邊緣沿切線方向甩出，所述的圓盤體由旋轉(zhuǎn)軸向其四周傾斜，圓盤體與旋轉(zhuǎn)軸的夾角90～150度；分流盤的轉(zhuǎn)速0～1400轉(zhuǎn)/分，且≠0。
在本發(fā)明的強(qiáng)制均勻凝固連續(xù)制備金屬漿料的方法中，所述的步驟(2)多次反復(fù)進(jìn)行，即采用多組的上導(dǎo)流管、熔體分散器、制漿室、下導(dǎo)流管，將從前一個(gè)制漿室的下導(dǎo)流管流出的金屬漿料送入到下一個(gè)的上導(dǎo)流管，經(jīng)下一個(gè)熔體分散器將金屬液體噴甩到下一個(gè)的制漿室的內(nèi)壁上，金屬液體沿內(nèi)壁面流下并混合，再流入到下一個(gè)的下導(dǎo)流管中，達(dá)到規(guī)定的重復(fù)的次數(shù)后，再進(jìn)行下一個(gè)步驟。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是(1)、本發(fā)明方法采用旋轉(zhuǎn)分散器連續(xù)將大體積或大量的金屬液體，分成多流小體積或小量的液體進(jìn)行處理，能夠有效控制凝固過程，實(shí)現(xiàn)金屬漿料的均勻、大量、高效、連續(xù)化制備，易于滿足大工業(yè)生產(chǎn)的要求。
(2)、從分散器分散后的熔體沿切線被甩到制漿室內(nèi)壁，流層厚度小，溫度易于控制；在金屬液體沿螺旋線路徑?jīng)_刷制漿室內(nèi)壁時(shí)存在強(qiáng)烈的對流，制漿室內(nèi)壁形成的大量晶核不斷被卷入金屬液體，同時(shí)在液流匯聚到制漿室底部時(shí)，對流依然沒有停止，可以使?jié){料內(nèi)的晶核、溫度分布更加均勻。因此，對金屬漿料質(zhì)量實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、有效地控制。
(3)、通常大尺寸鑄件或鑄錠晶粒粗大、組織不均勻性不可避免。而經(jīng)分散處理后流入溫度可控的收集器中的金屬漿料，由于金屬漿料內(nèi)大量晶核在整個(gè)收集器內(nèi)均勻分布，在后續(xù)的凝固成形過程中，可以在相同的冷卻速度下，獲得更為細(xì)小均勻的組織，因而更適于制備大尺寸鑄件或鑄錠。
(4)、制漿設(shè)備簡單、應(yīng)用范圍廣、實(shí)用性強(qiáng)。制漿室結(jié)構(gòu)簡單、混合均勻、熱交換效率高、生產(chǎn)效率高。連續(xù)制備的金屬漿料不但可以被直接輸送到常規(guī)成形設(shè)備，利用軋制、壓鑄、擠壓、模鍛等常規(guī)工藝進(jìn)行流變成形，也可以制備成坯料，用于各種壓力加工。該方法既適合于鋁合金漿料的制備，也適合于銅基合金、鎂基合金、鋅基合金等有色金屬漿料的制備。


圖1是噴嘴式漿料連續(xù)制備示意圖。圖中1噴頭，2噴頭旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，3托架，4制漿室，5溫控系統(tǒng)，6上導(dǎo)流管，7噴嘴，8下導(dǎo)流管。
圖2是分流盤式漿料連續(xù)制備示意圖。圖中1’分流盤，2’分流盤旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，3托架，4制漿室，5溫控系統(tǒng)，6上導(dǎo)流管，7’圓盤體，8下導(dǎo)流管。
具體的實(shí)施方式噴嘴式漿料連續(xù)制備裝置主要有噴頭1、制漿室4、溫控系統(tǒng)5、噴頭旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2四個(gè)部分，如圖1圖所示，噴頭1、制漿室4、溫控系統(tǒng)5由內(nèi)到外同軸安裝在托架3上。噴頭1由上導(dǎo)流管6及安裝在其底部的噴嘴7構(gòu)成，噴頭旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2動力連接上導(dǎo)流管6的上部，以帶動噴嘴7旋轉(zhuǎn)，噴嘴7伸入制漿室4內(nèi)部。控溫系統(tǒng)5是由冷卻器與加熱器構(gòu)成。制漿室4為一個(gè)帶有錐形底部的圓筒，上部裝有帶孔的蓋子，其中的孔可供上導(dǎo)流管6從中穿過，蓋子上裝有進(jìn)氣管，底部裝有下導(dǎo)流管8，下導(dǎo)流管8與制漿室4的錐形底部的中心口對接，金屬熔體由上導(dǎo)流管6經(jīng)噴嘴7噴入到制漿室4的內(nèi)壁上，經(jīng)冷卻形成的漿料由下導(dǎo)流管8流出。
將熔煉合格的過熱金屬，以高于其液相線溫度0～100℃的溫度，連續(xù)不斷的澆入上導(dǎo)流管6。液體金屬經(jīng)上導(dǎo)流管6底部的噴嘴7噴射到制漿室4的內(nèi)壁上；上導(dǎo)流管6的轉(zhuǎn)速為0～300轉(zhuǎn)/分，且≠0，金屬液體沿內(nèi)壁面流下并混合，在制漿室4的錐形底部匯聚，得到固相分?jǐn)?shù)小于30％的金屬漿料，經(jīng)制漿室4下部的下導(dǎo)流管8流入一個(gè)收集器中。制漿室4外的控溫機(jī)構(gòu)5可使制漿室4的壁溫控制在液相線溫度之下0～100℃。金屬液沿制漿室4內(nèi)壁下流時(shí)被冷卻，流出下導(dǎo)流管8的溫度控制在液相線附近-10～10℃。述經(jīng)處理的漿料可經(jīng)下導(dǎo)流管8流入收集器，或者直接輸送到壓鑄、軋制、模鍛等常規(guī)設(shè)備上進(jìn)行流變成形，或者連續(xù)不斷的澆注到結(jié)晶器內(nèi)，制成連鑄坯。
如圖2所示，分流盤式漿料連續(xù)制備裝置主要有分流盤1’、制漿室4、溫控系統(tǒng)5、分流盤旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2’四個(gè)部分，如圖2所示，分流盤式漿料連續(xù)制備裝置與噴嘴式漿料連續(xù)制備裝置的結(jié)構(gòu)除分別采用分流盤1’和噴頭1，在這點(diǎn)上不同之外，其余都相同。至于傳動系統(tǒng)雖然名稱不一樣，其結(jié)構(gòu)都一樣。分流盤1’是由中心設(shè)有旋轉(zhuǎn)軸的圓盤體7’所組成，且圓盤體7’由旋轉(zhuǎn)軸向其四周傾斜，上導(dǎo)流管6可為多個(gè)，上導(dǎo)流管6的出口朝向圓盤體7’，金屬熔體可由多個(gè)上導(dǎo)流管6流入，流到圓盤體7’上。分流盤旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2’動力連接分流盤1’的旋轉(zhuǎn)軸上，以帶動圓盤體7’旋轉(zhuǎn)。圓盤體7’與旋轉(zhuǎn)軸的夾角90～150度；分流盤的轉(zhuǎn)速0～1400轉(zhuǎn)/分，且≠0。制漿室4、溫控系統(tǒng)5、分流盤旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2’都和噴嘴式漿料連續(xù)制備裝置中所對應(yīng)的結(jié)構(gòu)相同，就不再說明了。
將熔煉合格的過熱金屬，以高于其液相線溫度0～100℃的溫度，連續(xù)不斷的澆入上導(dǎo)流管6。液體金屬經(jīng)上導(dǎo)流管6流到以一定速度轉(zhuǎn)動的圓盤體7’上，圓盤體7’將液體金屬沿切向甩到制漿室4的內(nèi)壁上，制漿室4外的控溫機(jī)構(gòu)5可使制漿室4的壁溫控制在液相線溫度之下0～100℃，金屬液沿制漿室4內(nèi)壁下流時(shí)被冷卻，金屬液體沿內(nèi)壁面下流，在制漿室4錐形底部匯聚、混合，得到固相分?jǐn)?shù)小于30％的金屬漿料，金屬漿料流出下導(dǎo)流管15的溫度控制在液相線附近-10～10℃。金屬漿料經(jīng)制漿室4下部的下導(dǎo)流管8流入一個(gè)收集器中?；蛘咧苯虞斔偷綁鸿T、軋制、模鍛等常規(guī)設(shè)備上進(jìn)行流變成形；或者連續(xù)不斷的澆注到結(jié)晶器內(nèi)，制成半固態(tài)連鑄坯。
實(shí)施例1采用噴嘴式漿料連續(xù)制備裝置制備斷面尺寸為3.5時(shí)的半固態(tài)圓坯，材料為A357合金，液相線溫度為613℃，要求鑄坯表面粗糙度＜0.25，后續(xù)加工不需去皮處理，鑄坯內(nèi)非枝晶比率大于80％，平均晶粒直徑小于100μm，用作半固態(tài)觸變成形。生產(chǎn)過程中，用中頻感應(yīng)電爐熔煉A357合金，除氣精煉處理后，靜止20分鐘，澆注溫度控制在680℃。本發(fā)明采用的技術(shù)參數(shù)為制漿室預(yù)熱至600℃后，關(guān)閉下導(dǎo)流管，向制漿室內(nèi)噴入保護(hù)氣體(氮?dú)饣驓鍤?，大于一個(gè)大氣壓)。把上述熔煉合格的合金，以680℃的溫度，連續(xù)不斷的澆入上導(dǎo)流管中，并由其下端的噴嘴噴射到制漿室的內(nèi)壁上，制漿室的壁溫控制在600℃，波動范圍±2℃。打開下導(dǎo)流管，出口處漿料溫度為610～616℃，漿料進(jìn)入結(jié)晶器進(jìn)行半連續(xù)鑄造，水冷結(jié)晶器冷卻強(qiáng)度為0.5×103kcal/m2·s，拉坯速度為300mm/min，連鑄過程中沒有拉漏和拉斷現(xiàn)象發(fā)生，坯料表面光滑，組織得到明顯改善，非枝晶相均為顆粒狀，鑄坯內(nèi)非枝晶比率95％，平均晶粒直徑小于40μm。宏觀組織中沒有柱狀晶區(qū)和宏觀偏析，其組織和性能完全滿足半固態(tài)加工要求。
實(shí)施例2采用分流盤式漿料連續(xù)制備裝置制備商用載重車的關(guān)鍵部件-空壓機(jī)連桿的壓鑄，原材料為ZL108鋁合金，液相線溫度約為605℃。由于鋁合金空壓機(jī)連桿的力學(xué)性能要求高、使用條件特殊，鑄件容易發(fā)生氣孔、疏松等鑄造缺陷，合格率不足80％。本發(fā)明采用技術(shù)方案是用中頻感應(yīng)電爐熔煉ZL108合金，除氣精煉處理后，靜止20分鐘，澆注溫度控制在660℃。采用的技術(shù)參數(shù)為制漿室預(yù)熱至600℃后，關(guān)閉下導(dǎo)流管，向制漿室內(nèi)噴入保護(hù)氣體(氮?dú)饣驓鍤?，大于一個(gè)大氣壓)。把上述熔煉合格的合金，以660℃的溫度，連續(xù)不斷的澆入上導(dǎo)流管中，流到轉(zhuǎn)動著的分流盤的圓盤體上，沿圓盤體上表面流動，在圓盤體的邊緣，沿切線脫離圓盤體，被甩到制漿室的內(nèi)筒壁上，金屬液體沿內(nèi)壁面下流，制漿室的壁溫控制在600℃，波動范圍±2℃。打開下導(dǎo)流管，出口處漿料溫度為595～607℃，漿料定量進(jìn)入壓鑄機(jī)熔杯內(nèi)進(jìn)行壓鑄成形。通過對鑄件進(jìn)行X射線探傷發(fā)現(xiàn)，氣孔、疏松等缺陷明顯減少，合格率高達(dá)95％以上。
權(quán)利要求
1.一種強(qiáng)制均勻凝固連續(xù)制備金屬漿料的方法，其特征在于該方法包括下述步驟(1)、將熔煉合格的過熱金屬，以高于其液相線溫度0～100℃的溫度，連續(xù)不斷的澆入漿料制備裝置的上導(dǎo)流管；(2)、金屬液體經(jīng)上導(dǎo)流管流入到熔體分散器上，通過伸入到制漿室內(nèi)的旋轉(zhuǎn)的熔體分散器，在氮?dú)饣驓鍤獾臍夥罩校瑢⒔饘僖后w噴甩到熔體分散器四周的制漿室的內(nèi)壁上；(3)分散后的金屬液體沿內(nèi)壁面流下并混合，同時(shí)，制漿室外的控溫系統(tǒng)使制漿室的壁溫控制在其液相線溫度之下0～100℃，金屬液體沿制漿室內(nèi)壁下流時(shí)被冷卻、形核，金屬液體在制漿室錐形底部匯聚，得到固相分?jǐn)?shù)小于30％的金屬漿料，金屬漿料流入到下導(dǎo)流管，金屬漿料在下導(dǎo)流管出口處的溫度控制在其液相線溫度的-10～10℃；(4)、金屬漿料經(jīng)下導(dǎo)流管流入一個(gè)溫度可控的收集器中，收集器內(nèi)金屬漿料的可直接輸送到壓鑄、軋制、模鍛等常規(guī)設(shè)備上進(jìn)行流變成形；或者連續(xù)不斷的澆注到結(jié)晶器內(nèi)，制成半固態(tài)連鑄坯。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的強(qiáng)制均勻凝固連續(xù)制備金屬漿料的方法，其特征在于在所述的步驟(2)中，所述的熔體分散器為噴嘴式的熔體分散器，是采用旋轉(zhuǎn)的噴嘴，使金屬液體從噴嘴中噴出，噴頭的轉(zhuǎn)速為0～300轉(zhuǎn)/分，且≠0。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的強(qiáng)制均勻凝固連續(xù)制備金屬漿料的方法，其特征在于在所述的步驟(2)中，所述的熔體分散器為分流盤式的熔體分散器，是由中心設(shè)有旋轉(zhuǎn)軸的圓盤體所組成，使金屬液體沿圓盤體上表面流動，在圓盤體的邊緣沿切線方向甩出，所述的圓盤體由旋轉(zhuǎn)軸向其四周傾斜，圓盤體與旋轉(zhuǎn)軸的夾角90～150度；分流盤的轉(zhuǎn)速0～1400轉(zhuǎn)/分，且≠0。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的強(qiáng)制均勻凝固連續(xù)制備金屬漿料的方法，其特征在于所述的步驟(2)多次反復(fù)進(jìn)行，即采用多組的上導(dǎo)流管、熔體分散器、制漿室、下導(dǎo)流管，將從前一個(gè)制漿室的下導(dǎo)流管流出的金屬漿料送入到下一個(gè)的上導(dǎo)流管，經(jīng)下一個(gè)熔體分散器將金屬液體噴甩到下一個(gè)的制漿室的內(nèi)壁上，金屬液體沿內(nèi)壁面流下并混合，再流入到下一個(gè)的下導(dǎo)流管中，達(dá)到規(guī)定的重復(fù)的次數(shù)后，再進(jìn)行下一個(gè)步驟。
全文摘要
一種強(qiáng)制均勻凝固連續(xù)制備金屬漿料的方法，該方法包括(1)將熔煉過熱金屬以高于其液相線溫度0～100℃的溫度，澆入上導(dǎo)流管；(2)金屬液體經(jīng)上導(dǎo)流管流入到熔體分散器，將金屬液體噴甩到熔體分散器四周的制漿室的內(nèi)壁上，制漿室外的控溫系統(tǒng)使制漿室的壁溫控制在其液相線溫度之下0～100℃，金屬液體在制漿室錐形底部匯聚，得到固相分?jǐn)?shù)小于30％的金屬漿料，金屬漿料經(jīng)下導(dǎo)流管流出，溫度控制在其液相線溫度的－10～10℃；(3)金屬漿料流入收集器中；或者直接輸送到壓鑄、軋制、模鍛等常規(guī)設(shè)備上進(jìn)行流變成形；或者連續(xù)不斷的澆注到結(jié)晶器內(nèi)，制成半固態(tài)連鑄坯。其優(yōu)點(diǎn)在于，能夠?qū)崿F(xiàn)金屬漿料的均勻、大量、連續(xù)化制備，易于滿足大工業(yè)生產(chǎn)的要求。
文檔編號C22C1/00GK101041184SQ200610065160
公開日2007年9月26日 申請日期2006年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月23日
發(fā)明者張志峰, 曾怡丹, 徐駿, 石力開 申請人:北京有色金屬研究總院