制备金属或合金半固态浆料以及非铝硅系铝合金半固态浆料的方法与流程

本发明涉及金属或合金的半固态成形技术领域，具体涉及制备金属或合金半固态浆料以及非铝硅系铝合金半固态浆料的方法。

背景技术：

20世纪70年代末，美国麻省理工学院m.c.flemings等研究人员发现了金属或合金半固浆料的流变特性，并利用其发明了金属半固态成形技术，从此，金属或合金半固态浆料的制备和成形引起了世界各国学者的普遍关注和研究。半固态浆料的制备是金属半固态成形技术的基础与关键，据“behaviorofmetalalloysinthesemisolidstate”(m.c.flemings,metallurgicaltransactionsb,1991,22b:269-293)、《金属材料半固态加工理论与技术》(康永林，毛卫民，胡壮麒，科学出版社，2004)、《半固态金属成形技术》(毛卫民，冶金工业出版社，2004)、《semi-solidprocessingofalloys》(d.h.kirkwood,m.suéry,p.kapranos,h.v.atkinson,k.p.young,springer-verlagberlinheidelberg,2010)、《金属半固态加工技术》(谢水生，李兴刚，王浩，张莹，冶金工业出版社，2012)、《comprehensivematerialsprocessing》(s.hashmi,g.f.batalha,c.j.vantyne,b.yilbas,elsevier,2014)和《semi-solidprocessingofaluminumalloys》(s.nafisi,r.ghomashchi,springerinternationalpublishing,2016)等文献的报道，获取金属或合金半固态浆料有多种方法，例如单螺旋搅拌法、双螺旋搅拌法、电磁搅拌法、气泡搅拌法、低过热度浇注和弱机械搅拌法、紊流效应法、化学晶粒细化法、超声波处理法、喷射沉积法、冷却斜槽法、连续流变转换法、旋转热焓平衡法等。但为了提升半固态浆料温度和微观解构的均匀性，增加制浆方法对不同体系合金适用的广泛性，同时降低制备成本，实现稳定连续可靠的工业化生产，各国学者、研究人员以及工业界仍在不断努力和探索，试图找到新的金属或合金半固态浆料的制备技术。

cn101098974a提供了一种生产液-固金属组合物的方法和装置，将熔融金属装入容器中，然后将一定量的固态金属也装入所述容器中，在熔融金属冷却时对其进行机械搅拌，以使得熔融金属与固态金属之间发生热焓交换，在熔体中产生大量的固体颗粒，从而获得金属半固态浆料。这种方法原理简单、操作便捷，但不适合制备高固相含量的半固态浆料，并且搅拌过程容易引起气体和氧化皮卷入熔体，污染熔体。

cn1772414a提供了一种施加复合电磁搅拌连续制备半固态金属浆料的方法，将熔炼合格的过热金属液连续不断地浇入到一个预热的中间包内，对中间包内的金属液施加电磁搅拌，使其在均匀冷却条件下温度接近液相线温度；然后，中间包内的金属液体经与之相连的导流管导出，同时在导流管外施加强烈电磁搅拌和冷却，来获得等轴、细化、均质的半固态金属浆料；最后，经过导流管的金属液进入一个保温器。经保温处理后的上述浆料可以直接被输送到压铸、轧制、模锻等常规成形设备上进行流变成形。该方法设备结构复杂，工艺复杂，搅拌效果不均匀，不能确保浆料内部温度场和微观结构的均匀性，不适用于制备高固相含量的半固态浆料。

ep14729084.5提供了一种一种气泡扰动制备半固态金属浆料的新方法，在合金熔体冷却过程中，将石墨壁上开有许多小孔的石墨搅拌杆浸入低过热度的合金熔体中，将惰性气体通过石墨棒的小孔导入合金熔体中，在熔体浮力和旋转的石墨搅拌棒所产生的离心力作用下，气泡将在熔体中上升并做螺旋形轨迹的运动，对熔体产生强对流弱搅拌作用，当合金熔体温度降至半固态温度区间时便可获得半固态浆料。该方法会导致部分气泡滞留在合金熔体中，石墨棒的小孔容易堵塞，需要频繁清理，且不适合制备高固相含量的半固态浆料。

cn1748904a提供了一种金属合金的半固体浓缩加工的方法，提供一个起始温度低于金属固相线温度的坩锅，将金属熔体倾倒入坩锅，金属熔体从高温冷却至半固态温度区间(低于液相线温度，且高于固相线温度)，并使金属熔体在半固态温度时维持足够的时间，让金属熔体和坩锅在金属的液相线温度和固相线温度间达到热平衡，以形成球状固相合金分散于液相中的半固态金属，并且可以除去存在于金属半固态结构中的一些(非全部)液相，以生成高固相含量的半固态结构。该方法的不足之处是难以保证浆料内部温度场和微观组织的均匀性，且不适用于非铝硅系铝合金。

此外，还有很多制备半固态金属浆料的方法，例如cn1330990a公开了一种球状初晶半固态金属浆料或连铸坯料的制备方法和装置，cn1566395a公开了一种镁合金不等径弯道挤压-剪切诱导等温球晶化半固态坯复合制备法，cn1594618a公开了一种半固态金属及合金浆料或坯料的制备方法，cn101054636a公开了一种制备半固态合金的波浪型倾斜板振动装置及制备方法，cn104988343a公开了一种气冷多管搅拌制备轻合金半固态浆料的装置及方法，cn105234356a公开了一种变质剂诱导孕化铝合金半固态浆料的制备方法，cn105665654a公开了一种强化冷却搅拌制备半固态浆料方法和装置，cn206065349u公开了一种半固态金属浆料的电磁搅拌装置、cn108187562a公开了一种无卷气铝20锡半固态浆料的高效搅拌方法及装置等。

以上各种制备半固态合金浆料的方法各有自己的特点，但也都存在各自的不足，大多数还只是停留在实验室研究阶段，且存在浆料内部温度场和微观结构不均匀、难以制备高固相含量的半固态浆料、污染熔体、不适用于非铝硅系铝合金等缺点，因此仍需提出新的制浆装置和方法。

技术实现要素：

鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供了制备金属或合金半固态浆料以及非铝硅系铝合金半固态浆料的方法，解决了流变制浆过程中浆料温度与微观结构不均匀的问题，所得半固态浆料具有高固相含量、浆料温度和微观组织均匀、熔体无污染、装卸浆料方便等优点，尤其适用于非铝硅系铝合金的制备，推动了半固态金属成形技术的工业化生产，具有良好的应用前景。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种制备金属或合金半固态浆料的方法，所述方法为：将金属或合金熔体加入容器中，然后对其进行电磁感应加热处理，频率为500-1500hz，待熔体温度下降至半固态温度区间时，得到金属或合金半固态浆料。

金属或合金的固相分数对温度比较敏感，较小的温度差异就会导致较大的固相率差异，因此在制备半固态浆料时其对温度场的均匀性有着很高的要求。而传统制浆方法中，采用的是低频电流(频率一般小于50hz)，目的是获得电磁搅拌效应(不产生电磁感应加热效果)，其主要利用电磁力对熔体实施搅拌，起到成分均匀化的作用，但是电磁力由熔体表面向芯部快速衰减，对芯部熔体搅拌效果很弱，导致搅拌效果不理想，无法实现使温度场均匀化的效果。

本发明利用中频电磁感应设备对金属或合金熔体进行处理，通过控制电磁场的频率为500-1500hz，利用电磁感应的趋肤效应(非搅拌力)来加热表层浆料，以减小浆料内部的温度梯度，进而达到温度相对均匀的目的，与现有的电磁搅拌技术从原理上是不同的。

本发明在制备半固态浆料的过程中，控制容器温度低于金属或合金固相线温度，加入熔体的过程中倾斜容器，使得金属或合金熔体沿着容器内壁加入容器中，这样能够避免发生卷气，并且由于受到容器壁的激冷作用，金属或合金熔体形成大量形核核心，有助于颗粒的凝聚，形成尺寸均一的球状初生固相颗粒。

本发明最终得到的金属或合金半固态浆料的平均温度及固相含量是通过控制所述金属或合金熔体、容器及以及中频电磁感应加热设备之间的热量交换来控制的，当金属或合金熔体的温度下降至半固态温度区间(低于液相线温度，且高于固相线温度)时，形成半固态浆料。所得金属或合金半固态浆料的温度均匀性是通过控制中频电磁感应加热设备的输出能量来控制的。

根据本发明，对金属或合金熔体进行电磁感应加热处理时的频率为500-1500hz，例如可以是500hz、600hz、700hz、800hz、900hz、1000hz、1100hz、1200hz、1300hz、1400hz或1500hz，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。

上述电磁感应加热处理的频率是本发明的关键，当频率过低时(＜500hz)，加热不明显，合金无法达到温度均匀，且存在一定的搅拌现象，无法得到较好的球状晶组织；当频率过高时(＞1500hz)，则会造成边缘加热过快，合金内部温度梯度过大无法达到温度的均匀化，甚至有可能造成合金元素的烧损。

根据本发明，所述金属或合金熔体的初始温度高于其金属或合金液相线10-60℃，所述液相线温度为加入的金属或合金液相对应的液相线温度，例如加入的金属为铝熔体，其初始温度应高于铝金属液相线10-60℃。

根据本发明，所述容器的初始温度低于所述金属或合金的固相线温度。

根据本发明，所述容器的初始温度为0-300℃，例如可以是0℃、50℃、100℃、150℃、200℃、250℃或300℃，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。

根据本发明，所述容器的材质为石墨、碳化硅陶瓷、氮化硅陶瓷、铸铁、不锈钢、钛、钛合金、镍或镍合金中的任意一种。

根据本发明，所述将金属或合金熔体加入容器的过程中倾斜容器，使金属或合金熔体与容器的内壁接触后进入容器。

根据本发明，利用中频电磁感应加热设备在所述容器外部对其进行电磁感应加热处理。

根据本发明，所述电磁感应加热的功率为4-40kw，例如可以是4kw、5kw、10kw、15kw、20kw、25kw、30kw、35kw或40kw，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简单的考虑，本发明不再穷尽列举。

根据本发明，所述电磁感应加热处理的时间为10-100s，例如可以是10s、20s、30s、40s、50s、60s、70s、80s、90s或100s，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简单的考虑，本发明不再穷尽列举。

根据本发明，所得半固态浆料中的固体含量为1-60wt％，例如可以是1wt％、5wt％、10wt％、15wt％、20wt％、25wt％、30wt％、35wt％、40wt％、45wt％、50wt％、55wt％或60wt％，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简单的考虑，本发明不再穷尽列举。

作为优选的技术方案，本发明所述制备金属或合金半固态浆料的方法为：控制容器的初始温度为0-300℃，倾斜容器，将高于其相对应的金属或合金液相线10-60℃的金属或合金熔体沿着容器内壁加入容器中，所述容器的初始温度低于所述金属或合金的固相线温度，然后利用中频电磁感应加热设备在所述容器外部对其进行电磁感应加热处理，控制电磁感应加热的功率为4-40kw，频率为500-1500hz，感应加热处理10-100s后，待熔体温度下降至半固态温度区间，得到固体含量为1-60wt％的金属或合金半固态浆料。

第二方面，本发明提供一种制备非铝硅系铝合金半固态浆料的方法，采用第一方面提供的方法制备非铝硅系铝合金半固态浆料。

由于非铝硅系铝合金(尤其是变形铝合金)的固相率对温度非常敏感，较小的温度差异就会导致固相率出现比较大的波动，因此其在制备过程中对温度场的均匀性有很高要求，而现有的电磁搅拌技术无法满足这一要求。利用本发明提供的方法进行制备，则能够提供均匀的温度场，料浆中最大温差小于5℃，最终能够制得微观结构和尺寸均匀的非铝硅系铝合金。

本发明提供的方法可以应用于制备变形铝合金。

与现有技术方案相比，本发明至少具有以下有益效果：

(1)本发明利用电磁感应的趋肤效应来加热表层浆料，减小浆料内部的温度梯度，达到温度均匀化的目的，制备的金属或合金半固态浆料温度场均匀，最大温差小于5℃。

(2)本发明制备的金属或合金半固态浆料微观结构均匀，初生固相颗粒为近球状，颗粒尺寸均一，小于200μm。

(3)本发明适用于制备固相率对温度敏感的非铝硅系铝合金，能够得到固相含量大于40％的金属或合金半固态浆料。

(4)本发明制备的金属或合金半固态浆料不受到气体和氧化皮的污染，浆料中没有杂质，品质更高。

附图说明

图1(a)、图1(b)和图1(c)为本发明的工艺流程示意图，图中：1-金属或合金熔体，2-容器，3-电磁感应设备，4-半固态浆料；

图2为本发明实施例1制备得到的半固态浆料的显微照片；

图3为本发明实施例2制备得到的半固态浆料的显微照片；

图4为本发明对比例2制备得到的浆料的显微照片。

下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

本发明在具体实施方式部分提供了一种制备金属或合金半固态浆料的方法，所述方法为：将金属或合金熔体加入容器中，然后对其进行电磁感应加热处理，频率为500-1500hz，待熔体温度下降至半固态温度区间时，得到金属或合金半固态浆料。

本发明的工艺流程如下：

如图1(a)所示，本发明在加入熔体的过程中倾斜容器，使得金属或合金熔体沿着容器内壁加入容器中；如图1(b)所示，待熔体完全加入后，将坩埚立正，在坩埚外部设置中频电磁感应设备，控制输出功率和频率，对坩埚内的熔体进行电磁感应处理。如图1(c)所示，处理结束后，容器内得到金属或合金半固态浆料。

此外，本发明在制备金属或合金半固态浆料的过程中：控制容器的初始温度为0-300℃，控制电磁感应加热的功率为4-40kw，频率为500-1500hz，感应加热处理时间为10-100s。

本发明最终得到的金属或合金半固态浆料中固体含量为1-60wt％。

为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，本发明的典型但非限制性的实施例如下：

实施例1

按照本发明提供的方法制备7075铝合金半固态浆料：

以内径为80mm、壁厚为5mm、高度为200mm的不锈钢坩埚为容器，控制其初始温度为室温，将其倾斜45°，沿着坩埚内壁面倒入2kg初始温度为665℃的熔融7075铝合金；然后将坩埚立正，在坩埚外部设置中频电磁感应设备，并进行电磁感应加热50s，输入功率为12kw，频率为1000hz；感应加热结束后得到7075铝合金半固态浆料，将其从坩埚中取出并在冷水中进行淬火。

对所得7075铝合金半固态浆料进行显微分析，由图2可以看出，所得7075铝合金半固态浆料初生固相颗粒为近球状结构，颗粒分布均匀，平均颗粒尺寸约为59μm。

实施例2

按照本发明提供的方法制备7108铝合金半固态浆料：

以内径为80mm、壁厚为5mm、高度为200mm的不锈钢坩埚为容器，控制其初始温度为室温，将其倾斜45°，沿着坩埚内壁面倒入2kg初始温度为665℃的熔融7108铝合金；然后将坩埚立正，在坩埚外部设置中频电磁感应设备，并进行电磁感应加热45s，输入功率为13kw，频率为500hz；感应加热结束后得到7108铝合金半固态浆料，将其从坩埚中取出厚在冷水中进行淬火。

对所得7108铝合金半固态浆料进行显微分析，由图3可以看出，所得7108铝合金半固态浆料初生固相颗粒为近球状结构，颗粒尺寸均匀，平均颗粒尺寸约为85μm。

实施例3

按照本发明提供的方法制备7108铝合金半固态浆料：

以内径为80mm、壁厚为5mm、高度为200mm的不锈钢坩埚为容器，控制其初始温度为室温，将其倾斜45°，沿着坩埚内壁面倒入2kg初始温度为665℃的熔融7108铝合金；然后将坩埚立正，在坩埚外部设置中频电磁感应设备，并进行电磁感应加热50s，输入功率为10kw，频率为1500hz；感应加热结束后得到7108铝合金半固态浆料，将其从坩埚中取出厚在冷水中进行淬火。

对所得7108铝合金半固态浆料进行显微分析，所得7108铝合金半固态浆料初生固相颗粒为近球状结构，颗粒尺寸均匀，平均颗粒尺寸约为91μm。

对比例1

以内径为80mm、壁厚为5mm、高度为200mm的不锈钢坩埚为容器，控制其初始温度为室温，将其倾斜45°，沿着坩埚内壁面倒入2kg初始温度为665℃的熔融7075铝合金；然后将坩埚立正，不在坩埚外部设置电磁感应设备，45s后，将坩埚内的浆料去除并在冷水中进行淬火。

结果显示，所得的显微组织为传统的树枝晶，且有较多缩松锁孔等铸造缺陷。

对比例2

与实施例1相比，本对比例除了将电磁感应加热的频率调整为200hz外，其他步骤和条件与实施例1完全相同。

对所得半固态浆料进行显微分析，由图4可以看出，结果显示所得的浆料初生固相颗粒为非球状结构(树枝晶状结构)，且缺陷较多，质量较差。

对比例3

与实施例1相比，本对比例除了将电磁感应加热的频率调整为2000hz外，其他步骤和条件与实施例1完全相同。

结果显示，温度过高导致铝合金内部温差较大，所获得的显微组织也是枝晶结构，难以得到合格的半固态浆料。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。