一种制备半固态浆料的方法及装置与流程

本发明涉及一种制备半固态浆料的方法及装置，属于材料科学技术领域。

背景技术：

半固态成形技术自从上世纪七十年代被Spencer D B和Flemings M C等学者发现以来，受到国内外研究学者的广泛关注。半固态成形技术主要分为触变成形与流变成形两大类，但不论触变成形还是流变成形，其关键都是获得具有细小球形或近球形初生相且分布均匀的浆料组织。

触变成形是把具有细小球形或近球形的浆料直接铸成坯料，然后根据需要量进行切割，把切割好的坯料放入加热炉中进行二次加热，到固液区间内某一温度进行保温，最后再进行压铸、挤压或锻造等工艺，获得优质的产品。但触变成形工艺由于需要二次加热程序，流程长，耗能多，成本高等缺点，限制了其在实际生产中的应用。而流变成形则是把浆料直接进行挤压等工序，获得合格的产品，减少了二次保温工程，大大缩短了工序流程，降低了成本，受到了广大学者的广泛研究。1996年，日本UBE公司公开的低过热度倾斜板浇注式的浆料制备技术，由于具有工艺流程短，效率高，生产成本低等一系列优点，在一些公司得到了应用，如意大利的Stampal公司；但该工艺在连续使用过程中，流动的金属液会在冷却板表面形成凝固层，大大降低对后续金属液的冷却能力，使组织不均匀。2007年，南昌大学杨湘杰等人提出旋转倾斜圆筒式制浆设备，利用倾斜圆筒的转动，使金属液与转筒不同部位接触，避免同一个地方长时间接触，避免形成凝固层，使组织均匀，并申请相关专利，但该工艺一旦挂料，就很难清理。2010年，昆明理工大学周荣锋等人发明了转棒诱导形核设备，利用内通循环冷却水的竖直转棒直接使金属液在棒表面进行类螺旋式铺展，形成薄壁液膜，利用激冷作用大量形核，获得优质的半固态浆料，并获得相关专利，目前，该工艺还处在研究当中。

技术实现要素：

为了进一步提高半固态合金浆料组织的均匀性以及制浆工艺的可持续性，本发明通过改变加压板上的压力，调节喷嘴的流量及金属溶体喷出的形式，获得极大的过冷度进而获得大量形核，而且在振动作用下，金属溶体不会在冷却板表面形成凝固层，具有良好的应用前景。

本发明提供一种制备半固态浆料的方法，具体步骤是：将金属熔炼后，金属溶体在压力作用、惰性气体保护下利用喷嘴喷铸在倾斜的冷却板上，冷却板边振动边用循环水冷却，制备得到半固态浆料。

所述惰性气体为氮气或氩气。

所述压力为0.01-1Mpa。

所述冷却板倾斜后与水平面形成的锐角为10-80°。

本发明的另一目的在于提供利用上述方法制备半固态浆料的装置，包括支架4、加热元件5、加压板7、喷铸容器8、喷嘴9、冷却板10、循环水箱11、振动电机12、电机控制器13、连接杆14，喷铸容器8外部设有加热元件5，喷铸容器8上设有支架4，支架4将喷铸容器8进行固定，喷铸容器8入口端设有加压板7，用于给喷铸容器8内部的金属溶体加压，喷铸容器8出口端设有喷嘴9，用于将金属溶体喷出，喷嘴9连有惰性气体喷出装置，喷嘴9与冷却板10相对，冷却板10倾斜放置，冷却板10底部设有循环水箱11，循环水箱11通过连接杆14与振动电机12连接，振动电机12还与电机控制器13连接。

所述连接杆14为伸缩杆，便于调节冷却板10与地面之间的夹角。

所述加压板7与喷铸容器8为小间隙配合，配合紧密。

所述冷却板10的长度为50mm-1000mm。

所述冷却板10下端设有坩埚2，坩埚2外部设有保温元件3，可将坩埚2收集的半固态浆料保温在100℃-1500℃，保存待用，或冷却板10下端直接与下一工序设备相连，如连铸设备或流变设备。

所述冷却板10为铜合金板。

所述循环水箱11内的循环水流量为1L/min-100L/min，振动电机12的振动频率为10Hz-150Hz。

本发明的具体工艺过程为：将金属在喷铸容器8中进行熔炼，待金属溶体获得一定的过热度后进行精炼并保温一定时间，设定好循环水箱11内的循环水流量和振动电机12的振动频率，然后在喷铸容器8中对加压板7施加压力，金属溶体在惰性气体保护下直接从喷嘴9喷铸到冷却板10表面，经快速激冷作用，金属溶体内部获得大量形核，然后在振动电机12的振动作用下，带有大量晶核的金属溶体从冷却板10上流入具有保温功能的坩埚2内，完成半固态浆料的制备，或者带有大量晶核的金属溶体从冷却板10上直接进入下一工序设备。

本发明的有益效果：

（1）本发明可以获得具有近球形或颗粒状的半固态浆料，浆料中的微观组织均匀细小。

（2）本发明加压板上的压力、冷却板长度及振动电机的频率等参数可以根据不同的工况进行调整，获得最优参数进而获得优质的浆料或产品。

（3）本发明在不加入孕育剂的情况下获得优质纯净的半固态浆料，有利于金属的回收及再利用。

（4）本发明在惰性气体保护下进行，有效的避免金属的氧化或夹渣。

（5）本发明装置结构简单、成本低、效率高、可连续制备半固态浆料，而且与成形设备相结合，可以直接获得坯料或者零件，降低坯料储存等工艺的成本。

附图说明

图1是本发明实施例1制备半固态浆料的装置结构示意图；

图2是本发明实施例1制备的A356合金的半固态浆料的显微组织图；

图3是本发明实施例2制备的ZCuSn10P1合金的半固态浆料的显微组织图；

图4是本发明实施例2制备的ZCuSn10P1合金零件；

图5是本发明实施例3制备的Al-25Si合金的半固态浆料的显微组织图；

图中：1-半固态浆料，2-坩埚，3-保温元件，4-支架，5-加热元件，6-金属溶体，7-加压板，8-喷铸容器，9-喷嘴，10-冷却板，11-循环水箱，12-振动电机，13-电机控制器，14-连接杆。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

实施例1

本实施例制备半固态浆料的装置，如图1所示，包括坩埚2、保温元件3、支架4、加热元件5、加压板7、喷铸容器8、喷嘴9、冷却板10、循环水箱11、振动电机12、电机控制器13、连接杆14，喷铸容器8外部设有加热元件5，加热元件5为加热线圈，喷铸容器8上设有支架4，支架4将喷铸容器8进行固定，喷铸容器8入口端设有加压板7，用于给喷铸容器8内部的金属液加压，加压板7与喷铸容器8为小间隙配合，配合紧密，喷铸容器8出口端设有喷嘴9，用于将金属溶体6喷出，喷嘴9连有惰性气体喷出装置，用于提供保护气体，喷嘴9与冷却板10相对，冷却板10为铜合金板，冷却板10底部固定连接有循环水箱11，循环水箱11通过连接杆14与振动电机12连接，连接杆14为伸缩杆，便于调节循环水箱11上的冷却板10与地面之间的夹角，振动电机12还与电机控制器13连接，冷却板10下端设有坩埚2，坩埚2外部设有保温元件3，可将得到的半固态浆料1保温待用，其中保温元件3为保温炉。

本实施例制备A356合金的半固态浆料，具体包括如下步骤：

（1）调整连接杆14的伸缩量，使冷却板10倾斜后与水平面形成的锐角为45°，喷嘴9正对冷却板10长度从下至上100mm，振动电机12的频率调整为50Hz，循环水箱11内的循环水流量为20L/min，打开加热元件5和保温元件3的电源开关，保温元件3的保温温度设置为590℃；

（2）将金属在喷铸容器8中进行熔炼，待金属溶体6达到780℃后进行精炼并保温30min，然后关闭加热元件5，把金属溶体6温度降为640℃进行保温，在喷铸容器8中对加压板7施加1MPa压力，金属溶体6在氩气保护氛围下直接喷铸到冷却板10表面，经快速激冷作用，金属溶体6内部大量形核，然后在振动电机12的振动作用下带有大量晶核的金属溶体6流入具有保温功能的坩埚2内，完成半固态浆料1的制备，保温元件3的保温温度为590℃，将浆料进行保温待用。

图2为本实施例制备到的A356合金的半固态浆料的显微组织图，由图中可知，初生α-Al由粗大的枝晶状全部转化为椭圆状或近球状，此时晶粒等效直径在60μm左右，形状因子0.78，适合半固态流变成形。

实施例2

本实施例制备半固态浆料的装置与实施例1相同，只是在冷却板10下端直接与流变设备相连，半固态浆料直接制备成零部件，而没有设置坩埚2和保温元件3。

本实施例于制备ZCuSn10P1合金的半固态浆料，具体包括如下步骤：

（1）调整连接杆14的伸缩量，使冷却板10倾斜后与水平面形成的锐角为10°，喷嘴9正对冷却板10长度从下至上50mm，振动电机12的频率调整为150Hz，循环水箱11内的循环水流量为100L/min，打开加热元件5和保温元件3的电源开关，保温元件3的保温温度设置为950℃；

（2）将采用中频炉熔炼制备的ZCuSn10P1合金（液相温度线1020.7℃，固相线温度830.4℃）低过热度金属溶体混合均匀；将所得金属溶体6倒在喷铸容器8中进行熔炼，待金属熔体6达到1200℃后进行精炼并保温20min，然后关闭加热元件5把金属溶体6温度降为1080℃进行保温，在喷铸容器8中对加压板7施加0.6MPa压力，金属溶体6在氮气保护氛围下直接喷铸到冷却板10表面，经快速激冷作用，金属溶体6内部大量形核，然后在振动电机12的振动作用下带有大量晶核的金属溶体6流入流变设备结合进行挤压，半固态浆料1直接制备成零部件。

如图3所示为本实施例制备得到的ZCuSn10P1合金的半固态浆料的显微组织图，从图中可知，初生α-Cu由粗大的枝晶转全部转化为等轴晶，等轴晶由液相包裹，在成形时具有良好的固液协同性；图4为本实施例制备得到的零部件的实物图，图中可知零件表面光滑，无裂纹，达到使用的外观要求。

实施例3

本实施例制备半固态浆料的装置与实施例1相同。

本实施例于制备Al-25Si合金的半固态浆料，具体包括如下步骤：

（1）调整连接杆14的伸缩量，使冷却板10倾斜后与水平面形成的锐角为80°，喷嘴9正对冷却板10长度从下至上120mm，振动电机12的频率调整为10Hz，循环水箱11内的循环水流量为1L/min，打开加热元件5和保温元件3的电源开关，保温元件3的保温温度设置为680℃；

（2）将采用中频炉熔炼制备的Al-25Si合金（液相温度线775℃，固相线温度564℃）低过热度金属溶体混合均匀；将所得金属溶体6倒在喷铸容器8中进行熔炼，待金属熔体6达到850℃后进行精炼并保温20min，然后关闭加热元件5把金属溶体6温度降为785℃进行保温，在喷铸容器8中对加压板7施加0.01MPa压力，金属溶体6在氮气保护氛围下直接喷铸到冷却板10表面，经快速激冷作用，金属溶体6内部大量形核，然后在振动电机12的振动作用下带有大量晶核的金属溶体6流入保温坩埚待用。

如图5所示为本实施例制备得到的Al-25Si合金的半固态浆料的显微组织图，从图中可知，初生Si由粗大的块状、长杆状、星状、羽毛状等复杂形状转全部转化为细小块状，由液相包裹，在成形时具有良好的固液协同性。

本发明制备半固态浆料的装置的冷却板10与水平面形成的锐角可以在10-80°自由调节，冷却板10的长度在50mm-1000mm调节，根据需要设定保温元件3的温度，保证坩埚2内温度在100℃-1500℃，根据需要设置循环水箱11内的循环水流量在1L/min-100L/min之间，振动电机12的振动频率在10Hz-150Hz之间，设置加压板7的压力在0.01-1Mpa之间，均可以获得很好半固态浆料。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。