一种高效低成本制造半固态Al-Si系铝合金铸件的流变成形方法与流程

本发明涉及一种高效低成本制造半固态al-si系铝合金铸件的流变成形方法

背景技术：

在线、快捷制备具有球状初生相、不同固相率的半固态金属浆料是半固态金属成形技术的核心内容。如何高效、低成本在线制备半固态金属浆料并直接流变成形成为半固态金属加工技术产业化研究和关注的焦点。

目前国内采用流变成形方法制造半固态al-si系铝合金铸件主要停留在试验研究阶段，未形成产业化能力。限制半固态流变成形技术在我国大规模推广应用的主要因素为国内缺乏稳定可控、在线、高质、高效、连续、低成本工业化生产的半固态流变制浆工艺及成形技术。目前我国制备半固态al-si系铝合金浆料的方式主要有两种，一种是采用强机械搅拌(搅拌速度控制在600～1200rpm)、摇晃、震动或剪切方法获得半固态al-si系铝合金浆料，该方法制浆过程复杂，制备的半固态浆料容易产生氧化、夹渣，难以获得高性能、内部质量优异的al-si系铝合金铸件；另一种是利用电磁搅拌获得半固态al-si系铝合金浆料，该方法在制浆质量上有所改进，但是该工艺成本高、效率低，存在集肤效应。另外，目前国内主要有两种al-si系铝合金流变铸造方式，一种是采用低固相率浆料水平式流变高压铸造，由于浆料粘度较低，充填型腔时比较容易产生紊流和喷溅，成形的铸件难以热处理强化；一种是利用高固相率水平式流变高压铸造，其优点是成形的铸件能热处理强化，但是由于浆料固相率高，凝固快，难以成形大型复杂的铸件。这两种铸造方式均需要运输浆料，在运输过程中浆料发生二次氧化、输送容器内壁的挂料及清理、可能出现的大幅度温度变化等问题。

国外，美国麻省理工学院(mit)的flemings等人提出半固态金属的流变压铸工艺,它是将制备出的半固态金属浆料直接送往压铸机的压室,进行流变压铸。目前我国在半固态流变成形技术的研究处于实验研究阶段，国外已经开发了多种流变成形技术，例如麻省理工学院的ssr^tm(semi-solidrheocasting)流变成形技术、加拿大alcanal-si系铝业公司的seed(swirledenthalpyequilibrationdevice)流变成形技术、日本ube公司开发的nrc(newrheocastingprocess)流变成形技术、南非科学与工业研究委员会开发的csir(councilforscientificandindustrialresearch)流变成形技术、瑞典延雪平大学(jonkopinguniversity)开发的rsf(rapidslurryforming)流变成形技术等，并且部分已经小批量工业化生产。虽然国外开发了多种流变成形技术，但是仍存在一些不足例如ssr^tm流变成形技术制备的半固态浆料存在卷气、氧化、夹杂缺陷，制备的半固态浆料组织较大等缺点；加拿大alcanal-si系铝业公司的seed流变成形技术其制备的半固态浆料存在量小，只能制备高固相率的半固态浆料，而且制备半固态浆料的设备复杂，成本高。综上所述，国外的流变成形技术虽然已经得到部分应用但仍存在一定的不足，特别是需要额外专门设备提前制备半固态金属浆料，浆料制备过程温度变化灵敏、可控性差；而且在浆料的运输过程中容易导致浆料氧化，浆料温度损失固相率难以控制；浆料微观组织不均匀,生产效率低等问题。

技术实现要素：

为了解决制造半固态al-si系铝合金铸件中制备半固态金属浆料质量差、效率低，操作过程复杂、不可控、成本较高等问题，本发明提供一种高效低成本、稳定可控制造半固态al-si系铝合金铸件的流变成形方法。

本发明采用的技术方案是：

一种高效低成本制造半固态al-si系铝合金铸件的铸造方法，其特征在于：所述的方法步骤是：

(1)合金熔体温度的确定：在熔炼时，将al-si系铝合金熔体的温度控制在合金液相线50～80℃范围内；然后对合金熔体进行精炼、细化变质，并进行扒渣处理，最后将坩埚中的al-si系铝合金熔体温度控制在合金液相线以上15～45℃范围内，并进行密闭保温。

(2)半固态al-si系铝合金浆料一步法在线连续制备：将处理完成高于液相线15～45℃的al-si系铝合金熔体，在其表面上施加0.01～0.05mpa的干燥空气或惰性气体压力，al-si系铝合金熔体通过温度可控的输送管道自下而上反重力流动，合金熔体流动的速度灵活可控。合金熔体经过输送管道之后，温度降低至合金液相线附近；合金熔体进入压室内并达到一定量时，受到压室壁及压射冲头的激冷作用形成1％-5％固相率的浆料，同时数字液位传感仪接受到信号，并将信号反馈给设备主机，设备主机立即控制压射冲头缓慢向上运动封住压室侧面的输送管道口。当输送管道口被封住后，坩埚内的压力保持不变，使输送管道内的合金熔体处于悬浮状态；当压射冲头进一步缓慢竖直向上运动时，外界气体迅速进入到输送管道内，在外界大气压的作用下输送管道内部分合金熔体回流至坩埚内，极大部分熔体仍悬浮在输送管道内。同时升降装置将石墨搅拌杆下降至压室内，并对压室内的浆料进行短时弱机械搅拌。在石墨搅拌杆搅拌浆料的过程中，持续不断地对搅拌杆内部进行通氮气冷却处理，这样不仅可以保证al-si系铝合金浆料中的过热快速被移除使其温度进一步降低，而且可以最大限度达到均匀。经过短时弱机械搅拌之后，最初在压室内形成的枝晶被剪切破碎且al-si系铝合金浆料受到激冷各处均处在形核和凝固中，导致熔体内产生大量的初生细小晶核。这些大量的初生晶粒与搅拌杆之间相互剪切，且晶粒之间的溶质场产生相互干涉使其逐渐转变为球状晶粒，最终获得一定固相率、球状组织的半固态al-si系铝合金浆料。

(3)半固态al-si系铝合金浆料流变成形：当石墨搅拌杆完全离开压室及模具后，设备主机将模具合紧关闭。制备完成的al-si系铝合半固态浆料在冲头的推动作用下充填模具型腔，并在压力下进行凝固结晶，最终获得组织致密的半固态流变al-si系铝合金铸件。

进一步，步骤(2)中进入压室内的al-si系铝合金熔体的总量是根据数字液位传感器测量的，解决了传统依靠感应电磁泵式al-si系铝合金定量浇注方法操作复杂、制造成本高等问题。

进一步，步骤(2)中的al-si系铝合金半固态浆料的制备直接在压室内在线制备，制备完成后直接用冲头压射，不需要专门装置对浆料进行运输，解决传统制造半固态al-si系铝合金铸件由于浆料运输过程中浆料二次氧化及温度损失固相率难以控制等问题。

进一步，步骤(2)中的al-si系铝合金半固态浆料制浆装置只需要一根搅拌杆即可，不需要多根搅拌杆轮换进行工作，装置结构紧凑、重量轻、占地小，成本低。

进一步，步骤(2)中的坩埚、输送管道中的al-si系铝合金熔体以及压室内的半固态浆料的温度均可控，保证整个半固态al-si系铝合金铸件的制造过程稳定。

进一步，步骤(2)中在铸件生产的过程中，合金熔体始终悬浮在输送管道内，解决了传统铸件生产过程中合金熔体来回上升及下降引起的氧化夹渣缺陷，影响铸件品质。

进一步，步骤(2)中输送管道的温度始终可控，管内的合金熔体温度稳定在液相线附近以上，当停止铸件生产时，依靠外界气体压力及本身的重力自动流回至坩埚内，且合金熔体不粘附在输送管道壁上。

进一步，步骤(2)中制备al-si系铝合金半固态浆料的搅拌杆的材质为石墨，解决了传统采用合金钢或者铜棒搅拌al-si系铝合金熔体产生新的fe或者cu杂质元素，且搅拌杆表面几乎不粘al-si系铝，便于搅拌杆清理。

进一步，步骤(2)中石墨搅拌杆的转速、搅拌杆的直径大小、氮气冷却强度均可调整，可根据具体的实验条件选择适当的工艺参数，工艺适应性强。

进一步，步骤(3)al-si系铝合金半固态浆料成形采用立式方式，压射时半固态al-si系铝合金浆料不需要经过任何折转，直线180度，解决了传统水平式，浆料需折转90度压力损失较大，半固态浆料成形效果差、浪费能源等问题。

进一步，步骤(3)中的的半固态al-si系铝合金浆料粘度较高以层流状、球状微观组织进行充型，浆料成形过程中卷气少，制造的al-si系铝金属铸件组织致密，力学性能均匀。

本发明的有益效果体现在：

本发明中的半固态al-si系铝合金浆料制备过程简单、稳定可控，而且半固态al-si系铝合金浆料的制备、输送及成形于一体，减少过程环节、生产效率显著提高、可控性大大增强、技术路线独特；且不需要额外的外设设备进行半固态浆料的输送，整个装置结构简单且衔接紧凑，可操作性强，成本低。

合金熔体受到的剪切速率高，合金熔体搅拌拌充分，温度场和成分场将更加均匀，形成半固态浆料组织球整度高，晶粒细小。

采用本发明的方法技术可以制备不同固相率、球状组织的半固态al-si系铝合金浆料，可以用于不同壁厚复杂的al-si系铝合金铸件的生产，适应性强。

本发明的方法制备半固态al-si系铝合金浆料时间一般在15s以内，制浆效率高；另外，在压室内制备al-si系铝合金浆料并直接成形，减少了半固态浆料输送的时间，制造半固态al-si系铝合金铸件效率高。

本发明采用固定缸垂直充填过程平稳、无湍流和喷溅，浆料氧化少；且压力直线传递损失小、设备吨位减小、铸件内部质量和致密性显著提高；浆料温度低、结晶潜热少，铸件凝固时间短，减轻了对成形模具装置的热冲击。

本发明半固态浆料直接被冲头垂直压射自下而上充填模具行腔，浆料在充型的过程中模具型腔内的气体被一直处于浆料的上端，被逐渐压缩推入到排气槽和模具分型面顶端并释放到大气中，半固态al-si系铝合金浆料成形过程中几乎不卷气，成形的半固态al-si系铝合金铸件可进行热处理强化。

全过程温度、压力、速度等上下位机集成连锁数字化控制，铸件生产效率、质量稳定性可获得进一步保证。

对成形设备无任何特殊要求，常规铸造设备即可满足要求，具有投资少、生产效率高、容易实现自动化或人机一体化生产。

附图说明

图1是高效低成本制造半固态al-si系铝合金铸件的流变成形方法所用装置整体结构示意图

图2是高效低成本制造半固态al-si系铝合金铸件的流变成形方法所用装置系统a-a剖面结构示意图

图3是高效低成本制造半固态al-si系铝合金铸件的流变成形方法所用装置系统b-b剖面结构示意图

具体实施方式

下面结合实例对本发明的结果及实施效果做进一步说明：

实例一：

本实施实例为半固态低压流变成形zl101a合金铸件，合金材料的成分为(重量百分比)si：6.96％，mg:0.35％,ti:0.15％,fe:0.1％,ni:0.01％,zn:0.01％,cu:0.01％,mn:0.01％,sn:0.01％,其余为al。zl101a合金的液相线和固相线温度分别为615℃和560℃。

具体过程如下：

1)将zl101a合金在坩埚电阻炉8内熔化，符合金温度达到680℃左右时，加入变质剂，变质完成后再加入氩气进行精炼(加入量为合金液总重量的0.5％)，氩气用钟罩压入al-si系铝合金液底部并不停摆动，使zl101a合金液彻底沸腾起来。待到钟罩内不再有气泡冒出，用撇渣勺清渣干净，最后将合金液温度降至635℃；

2)启动设备1将模具2对半相向分开，然后用低压气体将坩埚电阻炉8中的zl101a合金熔体沿着温度可控的输送管道9自下而上缓慢流动，zl101a合金熔体流动的速度可根据生产条件调整，合金熔体受到输送管道的激冷，熔体整体温度降低至615～620℃之间；

3)当合金熔体到达温度可控的压室(压射缸)7(其中压射缸7固定在底座11内)时，合金熔体再次受到压室壁的激冷，合金熔体内部产生1％～5％固相率的浆料；此时再启动升装置3及搅拌装置4，将搅拌装置4中的石墨搅拌杆12伸入到压室7内并对zl101a合金熔体进行搅拌；在石墨搅拌杆12搅拌合金熔体的同时对进气管6进行通入氮气(为了控制石墨搅拌杆12旋转时氮气进气管6保持不动，采用旋转接头13连接石墨搅拌杆12与通氮气进气管6)，随着快冷氮气在石墨搅拌杆12内循环运动，使石墨搅拌杆内的热量被迅速带走，保证了合金熔体的过热可被石墨搅拌杆12迅速移除。zl101a合金熔体经过短时弱机械搅拌之后获得一定固相率的半固态铝合金浆料；

4)zl101a半固态合金浆料制备完毕，立即启动升降装置3将搅拌装置4升高并离开压室7并移送至设备1外，然后用压射冲头10将合金浆料推送至模具型腔5内，在压射冲头10推送半固态浆料的过程中，输送管道9内的合金熔体温度始终处于615～620℃之间，且处于悬浮状态；同时合金浆料以层流状充填模具型腔5，最终在压力下快速结晶凝固，获得球状致密组织的半固态zl101a合金铸件。当停止半固态zl101a合金铸件生产时，卸除坩埚内施加的气体压力，使输送管道内的合金熔体在外界气体压力及本身重力的作用下回流至坩埚内，实现合金液回收。

实例二：

本实施实例为半固态低压流变成形zl114a合金铸件，合金材料的成分为(重量百分比)si：6.96％，mg:0.55％,ti:0.15％,fe:0.1％,ni:0.01％,zn:0.01％,cu:0.01％,mn:0.01％,sn:0.01％,其余为al。zl101a合金的液相线和固相线温度分别为615℃和560℃。

具体过程如下：

1)将zl114a合金在坩埚电阻炉8内熔化，符合金温度达到680℃左右时，加入变质剂，变质完成后再加入氩气进行精炼(加入量为合金液总重量的0.5％)，氩气用钟罩压入合金液底部并不停摆动，使zl114a合金液彻底沸腾起来。待到钟罩内不再有气泡冒出，用撇渣勺清渣干净，最后将合金液温度降至640℃；

2)启动设备1将模具2对半相向分开，然后用低压气体将坩埚电阻炉8中的zl114a合金熔体沿着温度可控的输送管道9自下而上缓慢流动，zl114a合金熔体流动的速度可根据生产条件调整，合金熔体经过输送管道的激冷，熔体整体温度降低至615～620℃之间；

3)当合金熔体到达温度可控的压室(压射缸)7(其中压射缸7固定在底座11内)时，合金熔体受到压室壁的激冷，合金熔体内部产生1％～5％固相率的浆料；此时再启动升装置3及搅拌装置4，将搅拌装置4中的石墨搅拌杆12伸入到压室7内并对zl114a合金熔体进行搅拌；在石墨搅拌杆12搅拌合金熔体的同时对进气管6进行通入氮气(为了控制石墨搅拌杆12旋转时氮气进气管6保持不动，采用旋转接头13连接石墨搅拌杆12与通氮气进气管6)，随着快冷氮气在石墨搅拌杆12内循环运动，使石墨搅拌杆内的热量被迅速带走，保证了合金熔体的过热可被石墨搅拌杆12迅速移除。zl114a合金熔体经过短时弱机械搅拌之后获得一定固相率的半固态铝合金浆料；

4)zl114a半固态合金浆料制备完毕，立即启动升降装置3将搅拌装置4升高并离开压室7并移送至设备1外，然后用压射冲头10将合金浆料推送至模具型腔5内，在压射冲头10推送半固态浆料的过程中，输送管道9内的合金熔体温度始终处于615～620℃之间，且处于悬浮状态。同时半固铝合金浆料以层流状充填模具型腔5，最终在压力下快速结晶凝固，获得球状致密组织的半固态zl114a合金铸件。当停止zl114a合金半固态铸件生产时，卸除坩埚内施加的气体压力，使输送管道内的合金熔体在外界气体压力及本身重力的作用下回流至坩埚内，实现合金液回收。

尽管这里己详细列出并说明了优选实施实例，但是本领域技术人员可知，可在不脱离本发明精髓的情况下进行各种结构调整和控制参数搭配，这些内容都被认为处于权利要求所限定的本发明的范围之内。