專利名稱：一種制備半固態鋁合金漿料的方法
技術領域：
本發明涉及一種電磁攪拌法制備半固態合金漿料的方法，適合于鋁合金等低熔點合金。
背景技術：
半固態合金漿料是半固態成形必備的原料。半固態合金漿料的基本要求是其中的固相呈細小圓整的非枝晶，且尺寸一致，分布均勻。制備半固態鋁合金漿料的技術和工藝有多種，但是能夠實現在線快速制備的技術和工藝報道較少。
在現有的制備半固態合金漿料技術中，按照制備原理主要分為利用外力、添加孕育劑、控制冷卻速度、加熱保溫和低過熱度鑄造等若干類方法。利用外力的方法主要是采用各種攪拌和超聲破振動等技術對熔體產生一個外力場，使合金熔體發生強烈的對流，達到細化晶粒、抑制枝晶生長、獲得非枝晶組織的目的。這類方法的研究較多，包括各種機械攪拌法、電磁攪拌法和超聲波振動法等，但是對于如何增強外力場的作用效果，以達到高效、快速制備半固態合金漿料等問題，尚是有待解決的問題。
添加孕育劑的方法主要是通過向合金熔體內添加粉末細化劑和(或)變質劑，改善熔體的形核條件和(或)控制晶粒生長方式，以達到細化晶粒的目的。這種方法的主要問題是難以得到理想的球晶結構，無法單獨作為半固態漿料的制備方法；而且在生產現場難以滿足制備材料的一致性要求。
控制冷卻速度法是通過減緩熔體的冷卻速度促進枝晶退化，以達到枝晶向等軸晶的轉變，從而獲得半固態漿料。這種方法得到的晶粒尺寸較大，成形件的性能難以體現半固態加工的優勢，且生產效率較低；同樣在生產現場難以滿足制備材料的一致性要求。
晶粒細化及重新加熱保溫法是利用化學晶粒細化劑制備晶粒細小的合金錠料，然后錠料重新加熱到固液兩相區，依靠一段時間保溫過程中的組織演化來獲得半固態漿料。這種方法局限性較大，一則合適的晶粒細化劑極其有限，二則制備過程較長，效率較低。
低過熱度鑄造，也稱(近)液相線鑄造，是通過低過熱度澆注和整體加壓效應，使整個合金液同時進入過冷狀態，實現同時形核和同時長大，但只能用于簡單結構件的成形，且生產效率較低。
此外，半固態漿料的制備方法還有噴射沉積法、變形誘變激活法、紊流效應法和多種粉末冶金法(包括單、雙氣流霧化、高速旋轉筒霧化、電-流體力學霧化等)等，但都受到制備效率和制備費用的限制，無法大規模生產應用。
發明內容
本發明旨在傳統電磁攪拌法制備半固態合金漿料的基礎上，開發出一種制備半固態合金的電磁攪拌新工藝，即雙向電磁攪拌方法。
一種制備半固態鋁合金漿料的方法，包括以下步驟(1)制備低過熱度熔體所謂低過熱度，是相對傳統鑄造過程的過熱度而言，即熔體溫度稍高于合金的液相線；對設備無特殊要求，可以采用現有技術中的各種加熱方法制備低過熱度熔體；溫度保持在液相線以上30～35℃，制備得到化學成分均勻、恒定，少(無)偏析的低過熱度熔體；(2)將制備的低過熱度熔體保溫將步驟(1)制備的低過熱度熔體轉移至低溫電阻爐內，保溫一段時間，使熔體溫度均勻；(3)雙向電磁攪拌方法制備半固態漿料將上述步驟(2)低溫電阻爐內保溫的低過熱度熔體倒入攪拌坩堝，把坩堝放入電磁攪拌器內腔，采用雙向電磁攪拌方法開始電磁攪拌制備半固態漿料；所謂雙向電磁攪拌，即通過轉向機構，使熔體在攪拌腔內按照“正轉-反轉-正轉”方式交替轉動，主要包括以下四個步驟(3.1)在低過熱度熔體倒入攪拌坩堝前，攪拌坩堝預熱至350～400℃；這樣熔體進入攪拌坩堝后，坩堝壁處熔體的溫度高于攪拌開始溫度；(3.2)在把坩堝放入電磁攪拌器內腔之前5～10s開啟攪拌器；電磁攪拌頻率5～30Hz；電磁攪拌功率15kw；攪拌方式可采用正轉、反轉或交替運行；攪拌換向時間為0～10s；(3.3)將熔體處理后的低過熱度熔體(熔體溫度高于液相線30～35℃)轉入攪拌坩堝內，把坩堝放入電磁攪拌器內腔，并立即檢測熔體溫度；(3.4)按照設定攪拌方式進行電磁攪拌；此時主要工藝參數有開始攪拌溫度(液相線以上30～35℃)、單向攪拌時間(5s)、正轉-反轉換向方式(采用無間歇換向)、攪拌頻率(25～30Hz)、攪拌電壓(設定攪拌頻率下最大容許電壓)；(4)在攪拌過程中對溫度進行實時采集，攪拌時間以最終攪拌溫度設定，當攪拌過程中熔體溫度降至液相線以下5～10℃，即停止攪拌，得到半固態合金漿料。
本發明電磁攪拌器通過調頻來控制攪拌強度。
本發明還可在電磁攪拌器內腔放置保溫棉，以保證電磁攪拌過程中坩堝壁部分熔體不至于降溫過快。
本發明充分利用熔體的運動慣性產生很大的速度差和慣性沖擊，使攪拌效率大為提高，而且有助于半固態合金中固相的均勻分布；試驗表明，在攪拌力不大的情況下，可快速獲得分布均勻的細小球狀初晶組織的半固態漿料，從而將成為流變成形用半固態合金漿料的在線制備的新技術。
(1)電磁攪拌的作用是使熔體產生強烈的對流，從而處于同一溫度或極小溫度梯度狀態下，保證整個熔體同時進入過冷狀態，實現同時形核。晶核在隨后的長大過程中，受到相鄰晶核長大阻力的影響，不可能(或極少)形成發達的枝晶，從而得到理想的球狀晶粒結構。即電磁攪拌的作用是創造等軸晶形核的動力學條件，并不直接參與等軸晶的形核和長大。制備化學成分均勻、恒定、偏析小的低過熱度熔體(即溫度在液相線以上30～35℃)，可縮短合金冷卻時間，即縮短電磁攪拌時間，提高半固態漿料的制備效率。
(2)采用雙向電磁攪拌方法制備半固態漿料過程中，(a)在熔體送入雙向電磁攪拌器之前啟動電磁攪拌機構，一則可以促進合金熔體形核，從而縮短制漿時間，提高制漿效率，二則可以保證料筒的中央和內壁處的合金得到充分的攪拌，使得料筒內熱流傳遞充分，保證料簡內各部分漿料組織均勻，抑制料筒內壁處因激冷而出現枝晶；(b)在電磁攪拌器內腔放置保溫棉，可保證電磁攪拌過程中不出現坩堝壁部分熔體降溫過快為準；(c)雙向電磁攪拌機構通過轉向機構使電磁攪拌方向瞬間轉變，實現“正轉-反轉-正轉”交替運行，利用熔體的運動慣性產生很大的速度差和慣性沖擊，從而使攪拌效率大為提高。
本發明的主要優點如下(1)漿料制備效率較傳統的電磁攪拌技術大為提高。由于電磁攪拌力跟磁場轉速與熔體流速之間的速度差密切相關，單向電磁攪拌的磁場轉速與熔體流速同向，二者的速度差有限，而雙向電磁攪拌時，利用熔體的運動慣性可以產生很大的速度差和慣性沖擊，從而使攪拌效率大為提高，有助于實現半固態合金漿料的在線制備。
(2)半固態合金漿料的組織較傳統的電磁攪拌技術更為優異。由于電磁攪拌方向瞬間換向時，與熔體的運動慣性可以產生很大機械沖擊，可以更加有效地抑制熔體中枝晶的生長，而且有助于使熔體中的固相顆粒分布更均勻，因此本方法得到的半固態合金晶粒更細小、均勻。
具體實施例方式
實施例 A356合金半固態漿料的制備首先，采用電阻爐熔化A356合金錠，A356合金熔體的溫度為640℃±5℃，保溫時間為30分鐘，以保證熔體溫度均勻；在熔體保溫的同時，將攪拌坩堝預熱至400℃。隨后開啟電磁攪拌器，開啟約10s后，把經過低溫保溫的A356合金熔體倒入攪拌坩堝，把坩堝放入電磁攪拌器內腔，開始電磁攪拌。電磁攪拌工藝參數如下正-反無間歇雙向攪拌、澆注溫度T0＝640℃、攪拌頻率f＝30Hz、輸出電壓U＝220V、單向攪拌時間Δτ＝5s。攪拌過程對漿料溫度進行實時采集，當溫度降至607～605℃時，即停止攪拌。試驗記錄，整個攪拌過大致需要65s左右。
采用這種方法制備的半固態漿料晶粒直徑可達100μm以下，形狀因子可達到0.70以上，組織中無典型的柱狀晶和樹枝晶，晶粒內卷液現象極少(
圖1)。圖1是采用本發明制備的半固態鋁合金漿料晶粒示意圖，其組織和流變性能滿足半固態加工要求。
權利要求
1.一種制備半固態鋁合金漿料的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟(1)制備低過熱度熔體；采用現有技術中的各種加熱方法制備低過熱度熔體；溫度保持在液相線以上30～35℃，制備得到化學成分均勻、恒定，少或無偏析的低過熱度熔體；(2)將制備的低過熱度熔體保溫將步驟(1)制備的低過熱度熔體轉移至低溫電阻爐內，保溫一段時間，使熔體溫度均勻；(3)雙向電磁攪拌方法制備半固態漿料將上述步驟(2)低溫電阻爐內保溫的低過熱度熔體倒入攪拌坩堝，把坩堝放入電磁攪拌器內腔，采用雙向電磁攪拌方法開始電磁攪拌制備半固態漿料；主要包括以下四個步驟(3.1)在低過熱度熔體倒入攪拌坩堝前，攪拌坩堝預熱至350～400℃；(3.2)在把坩堝放入電磁攪拌器內腔之前5～10s開啟攪拌器；電磁攪拌頻率5～30Hz；電磁攪拌功率15kw；攪拌方式采用正轉、反轉或交替運行；攪拌換向時間為0～10s；(3.3)將熔體處理后的低過熱度熔體轉入攪拌坩堝內，把坩堝放入電磁攪拌器內腔，并立即檢測熔體溫度；(3.4)按照設定攪拌方式進行電磁攪拌；(4)在攪拌過程中對溫度進行實時采集，攪拌時間以最終攪拌溫度設定，當攪拌過程中熔體溫度降至液相線以下5～10℃，即停止攪拌，得到半固態合金漿料。
2.根據權利要求1所述的一種制備半固態鋁合金漿料的方法，其特征在于，通過電磁攪拌器調頻來控制攪拌強度。
3.根據權利要求1所述的一種制備半固態鋁合金漿料的方法，其特征在于，其電磁攪拌器內腔放置有保溫棉。
全文摘要
一種制備半固態鋁合金漿料的方法，涉及一種電磁攪拌法制備半固態合金漿料的方法，適合于鋁合金等低熔點合金。制備低過熱度熔體，將制備的低過熱度熔體保溫，坩堝預熱；提前開啟攪拌器；將保溫低過熱度熔體倒入攪拌坩堝，放入電磁攪拌器內采用雙向電磁攪拌方法制備半固態漿料，在攪拌過程中對溫度進行實時采集，當熔體溫度降至液相線以下5～10℃，停止攪拌，得到半固態合金漿料。本發明充分利用熔體運動慣性產生很大的速度差和慣性沖擊，使攪拌效率大為提高，有助于半固態合金中固相的均勻分布；試驗表明，在攪拌力不大的情況下，可快速獲得分布均勻的細小球狀初晶組織的半固態漿料，將成為流變成形用半固態合金漿料的在線制備的新技術。
文檔編號B01F13/00GK1746327SQ20051008637
公開日2006年3月15日 申請日期2005年9月9日 優先權日2005年9月9日
發明者唐靖林, 馮鵬發, 曾大本 申請人:清華大學