专利名称:一种制浆－成形分离式铝合金流变成形方法
技术领域：
本发明涉及一种半固态合金浆料的快速制备系统与工件成形系统分离铝合金流变成形方法，属于半固态合金成形方法技术领域：
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背景技术：
半固态合金成形技术通常分为流变成形和触变成形两大类。由于半固态触变成形技术在应用过程中，暴露出工艺流程长、制坯成本高(坯料成本占零件成本约40％)、重熔能耗高、坯料表面氧化严重、加热过程坯料流失严重(流失高达10％)、生产废料无法在生产现场回收等诸多问题，从20世纪90年代以来，流变成形技术逐渐成为国内外半固态成形技术的重点发展方向，并取得了一定进展。
在现有的流变成形技术中，机械搅拌式流变射铸技术国内外研究众多，但存在浆料易污染、搅拌强度低等问题，尚处于实验室阶段(Wang K K，Peng H，Wang N，et al.Method andapparatus for injection molding of semi-solid metals.US Patent 5501266，1996；彭暄.半固态合金射出成型的方法和装置.中国专利97120579.5，1997；JiS，Fan Z，BevisM J.Semi-solid processing of engineering alloys by a twin-screw rheomoulding process.Materials Science and Engineering，2001，299A 210-217；罗吉荣，吴树森，宋象军，等.半固态合金浆料的制备装置.中国专利01212744.2，2001；康永林，安林，孙建林.转筒式半固态合金浆料制备与成形设备.中国专利01109074.X，2001)。射室制备浆料式流变铸造技术虽然可以保证半固态浆料的质量，但存在电磁搅拌的效率较低、压铸机压室机构改造复杂、费用巨大等不足(Shibata R，Kaneuchi T，Soda T，et al.Formation of sphericalsolid phase in die casting shot sleeve without any agitation.InDardano C，FranciscoM，Proud J，eds.Processings of the Fifth International Conference on Semi-SolidProcessing of Alloys and Composites.SheffieldUniversity of Sheffeild，1998.465-470)。液相线铸造(模锻)通过低过热度浇注和整体加压效应，使整个合金液同时进入过冷状态，实现了同时形核和同时长大，但只能用于简单结构件的成形，且生产效率较低(崔建忠.镁合金超低温铸造制取半固态浆方法.中国专利 03133389.3，2003；罗守靖.液相线模锻制备半固态坯料方法.中国专利01116406.9，2001)。这三类方法属于制浆-成形一体化技术，虽然巧妙地避免了浆料从制备系统到成形系统的转移过程，但各自具有很大的局限性，因此应用前景不大乐观。
UBE New Rheocasting(UNRC)技术、Semi-Solid Rheocasting(SSRTM)技术和ContinuousRheoconversion Proces(CRP)技术，成功实现了浆料制备系统与工件成形系统分离，无须对成形机构进行大的改造，并分别实现了试生产。这两种流变成形技术具有较高的知识创新和实用价值，但由于知识保护等原因，各自的具体技术细节没有公开(Haga T，Kapranos P.Simple rheocasting processes.Journal of Materials Processing Technology，2002，130-131594-598Masashi Uchida.Feature of UBE squeeze process and UNRC process(semi solid casting).见李荣德，编.第三届中国国际压铸会议论文集.沈阳东北大学出版社，2002.207-219；Flemings M C，Martinez R A，de Figueredo A M.Metal alloycompositions and process.US Patent 20020096231，2002；Findon M，Apelian D.Continuousrheoconversion processs for semi-solid slurry production.Transactions of theAmerican Foundrymen’s Society，2004，112305-322)。
本发明人课题组的前期研究表明，如果保证半固态浆料在转移过程中温度下降不超过5℃，则不会对其流变性能、显微组织和工件的力学性能产生太大的影响，因此，在传统压铸技术的基础上，研制制浆-成形分离的流变成形系统是完全可行的。
发明内容本发明的目的是提供一种制浆-成形分离式铝合金流变成形方法，本发明采用“熔体处理+双向电磁搅拌”复合技术快速制备出流变性能较好、具有近球形晶粒形貌的半固态合金浆料，并采用适当的转移装置将其从制备系统平稳地输送至工件成形设备，最后通过压力铸造或液态模锻的方法获得组织均匀、力学性能良好的工件，是在对传统成形设备改造较小的情况下，实现制浆-成形分离的新型铝合金流变成形方法。
一种制浆-成形分离式铝合金流变成形方法，该方法包括以下步骤1、制备过热液体合金1.1采用现有技术，比如电阻熔化炉和PID控温技术，将合金坯料熔炼制备得到过热液体合金；液态合金的温度满足后续熔体处理要求，并且化学成分均匀、恒定，偏析尽可能小；熔化炉的容积保证随时可以提供足够液态合金；1.2对所述过热液态合金进行熔体处理用浇包将熔化炉中的液态合金转入电阻保温炉，根据合金坯料选择中间合金作为粉末态细化剂和变形态变质剂加入到过热液态合金中；在熔体处理过程中控制过热液态合金的温度，注意保温；2、搅拌2.1将搅拌坩埚预热至350～400℃；2.2在步骤1.2中进行熔体处理后所得的液态合金送入搅拌器之前5s开启搅拌器；
2.3将步骤1.2熔体处理后的过热熔体转入半固态合金浆料搅拌坩埚内，并立即检测熔体温度，转移到搅拌坩埚内的熔体温度应高于液相线30～35℃； 将搅拌坩埚置入电磁搅拌装置的制备室中；2.4按照设定搅拌方式开启搅拌器进行电磁搅拌，主要工艺参数有开始搅拌温度 液相线以上5～15℃，单向项搅拌时间 3s，正转-反转换向方式采用无间歇换向，搅拌频率 30Hz，搅拌电压 设定搅拌频率下最大容许电压；在搅拌过程中对温度进行实时采集，当搅拌过程中固相率达到5％时，即停止搅拌；3、压铸成型3.1合金浆料的平稳快速转移待步骤(2.4)合金浆料制备结束后，将搅拌坩埚从电磁搅拌装置的制备室取出，在3s内转移至压铸机压射筒，将合金浆料直接倒入压铸机压射筒；3.2工件的流变成形3.2.1成形设备选用冷室或热室压铸机；模具的浇道流程短，浇道、浇口均采用开放式结构；冲头与压室之间的单边间隙为0.08mm；模具预留加热系统的位置；模具温度为220℃；3.2.2增压压力为180MPa，采用二级快压射成形，完成铝合金流变成形。
本发明原理在制备过热液态合金时采用电阻熔化炉和PID控温技术，保证液态合金的温度完全满足后续熔体处理要求，并且化学成分均匀、恒定，偏析尽可能小。熔化炉的容积保证随时可以提供足够液态合金。对液态合金进行精炼、细化、变质等熔体处理时用浇包将熔化炉中的液态合金转入电阻保温炉，进行熔体处理。此时(a)在熔体处理过程中控制液态合金的温度；(b)选择细粉末态细化剂和变形态变质剂，以A356合金为例，可选用微米级Al-5Ti-B合金粉末作为细化剂，变形量为50％左右的挤压态Al-10Sr二元合金作为变质剂；(c)熔体处理使在电磁搅拌阶段获得尽可能多的初晶晶核和最佳的共晶变质效果。双向电磁搅拌快速制备半固态合金浆料时将经过熔体处理的液态合金送入双向多级速电磁搅拌装置中进行搅拌制浆。此时(a)双向电磁搅拌机构在合金液送入之前启动，一则可以促进合金液形核，从而缩短制浆时间，提高制浆效率，二则可以保证料筒的中央和内壁处的合金得到充分的搅拌，使得料筒内热流传递充分，保证料筒内各部分浆料组织均匀，抑制料筒内壁处因激冷而出现枝晶；(b)双向电磁搅拌机构通过调频来调节搅拌强度，采用瞬间变向，使合金浆料受到强烈的惯性冲击作用，获得最大的晶核弥散分布效果和晶核自旋行为；(c)本装置无须配置专门的加热保温措施，保证冷却速度较快，采取较低的浇注温度，以尽可能缩短半固态浆料的制备时间；(d)采用搅拌结束温度控制搅拌时间，搅拌结束温度稍低于合金液相线(即5％固相率)即可结束搅拌。合金浆料的平稳快速转移时利用半固态合金浆料搅拌坩埚直接把合金浆料从制备设备倒入压铸机压射筒。此时(a)为保证合金浆料在倒入压射筒时不与坩埚壁发生粘滞，可采用“硅酸铝纤维粉末+水玻璃(适量)+水”涂料；(b)为使涂料与坩埚结合牢固，在半固态合金浆料制备过程和输送过程中涂料不产生剥离，可以在坩埚壁(包括侧壁和地面)间隔10mm加工出φ3mm～φ5mm的通孔；(c)在坩埚内涂覆涂料时，厚度尽可能小且薄厚均匀，以保证浆料受到最大电磁搅拌力，且坩埚内径一致；(d)坩埚从电磁搅拌设备中取出时，操作要平稳；(e)可以在压铸机的压射筒外设置挡渣环，以拔除合金浆料表面氧化物、夹杂或其它赃物。工件的流变成形时。此时(a)成形设备可选用冷室或热室压铸机；(b)流变成形模具第一，分型面大部分型腔在动模上；第二，浇道流程比液态压铸的模具短，浇道、浇口可以采用开放式结构；第三，溢流槽和排气槽比液态压铸的模具小；第四，冲头与压室之间选择适当的配合间隙；第五，流变压铸中，料饼厚度稍大于液态压铸；第六，模具预留加热系统的位置；第七，模具型腔材料选择4Cr5MoSiV1(H13)钢，其它功能性零件(垫板、压块、顶杆等)选择T10A或45钢，并进行调质处理，这样对制成工件比较好；(c)增压压力和快压射速度均稍大于液态压铸，压射时间与液态压铸相当，模具温度在200℃～220℃。本发明装置与成形设备成功分离，设备结构和工艺控制简单，而且与传统的压铸设备和液压设备衔接简便，同时浆料转移过程操作简单快捷；采用“微米级粉末态中间合金熔体处理+双向电磁搅拌”复合工艺制备的合金浆料，不但组织优异(晶粒形貌圆整，尺寸较小)，而且制备效率非常高，可实现制浆设备与成形设备“一对一”配套，改变了以往多台制浆设备对应一台成形设备的生产设计；本发明实际实验时采用网孔氏不锈钢质坩埚和“硅酸铝纤维粉末+水玻璃(适量)+水”涂料，具有很好的使用效果，可保证浆料在3s内从制备装置转移至成形设备中，且浆料与坩埚不发生粘滞现象。
本发明优点(1)本发明的装置将制浆装置与成形设备分离，无需对传统的压铸机进行结构改造，即可制得质量优异的球晶制件，解决了制浆-成形一体化流变成形技术中设备结构复杂，改造费用较高的难题和传统流变成形技术中浆料转移过程中状态难于保持的难题；工艺适用性较强，亦可尝试在液压机上进行模锻成形。
(2)浆料制备效率较传统的电磁搅拌技术大为提高，可实现制浆设备与成形设备“一对一”配套。在单纯的电磁搅拌工艺中，虽然电磁搅拌使熔体产生强烈的对流，整个熔体处于同一温度或极小温度波动下，保证整个熔体实现整体形核，但由于形核是在液相线以下进行的，如果搅拌时间较短，搅拌结束温度较高(过冷度不够)，就将有一部分晶粒是在电磁搅拌结束以后才形核而按照发达枝晶方式结晶，最终形成非枝晶和枝晶并存的半固态组织，因此搅拌时间较长。而在“熔体处理+电磁搅拌”工艺中，熔体处理使合金在结晶前形成大量的有效形核核心，并在随后的电磁搅拌作用下弥散均布于整个熔体中，因此在较小的过冷度下就可完成熔体的整体形核，在以后的生长过程中，受到相邻晶核生长阻力的影响，不可能(或极少)形成发达的枝晶，从而得到完全的非枝晶组织。
(3)采用半固态合金浆料搅拌坩埚直接输送，这种方法具有三个优势。第一，在合金浆料的制备过程中，坩埚与浆料之间通过热交换温度相近，解决了输送工具与浆料之间温度差过大可能带来的浆料固相率增加、流变性减弱的问题。第二，如果采用新的输送工具，浆料将与新涂覆的低温涂料接触，部分涂料将不可避免地掉入浆料，使其受到污染。采用制浆坩埚减少了浆料与低温涂料接触的次数，即减少了浆料受到污染的机会。第三，减少了更换工具、涂覆涂料的工序。
图1是本发明的工艺流程示意图。
图2是一种双向多级速电磁搅拌装置示意图。
图3是一种本发明搅拌坩埚示意图。
图4是流变压铸工件不同壁厚处显微组织示意图；其中图(a)壁厚6mm；图(b)壁厚5mm；图(c)壁厚4mm。
具体实施方式下面结合附图具体说明本发明。
图1是本发明的工艺流程示意图。本发明主要包括1、过热液体合金的制备(1.1)过热熔体的制备。对设备无特殊要求，可以采用现有技术中的各种加热方法，但需要保证熔体温度均匀，熔体纯净、无脏化。
(1.2)熔体处理过程。在传统的空气电阻保温炉中进行。第一，要求选用合适的中间合金。以A356合金为例，宜选用微米级Al-5Ti-B合金粉末作为细化剂，以及变形量为50％左右的挤压态Al-10Sr二元合金作为变质剂。第二，与传统块体中间合金相比，中间合金粉末的加入量稍多，静置时间较短。第三，中间合金粉末粒度不同，则加入温度不同，粉末颗粒越细，加入温度越低。以Al-5Ti-B微细粉末对A356合金进行熔体处理为例，当粉末平均粒度分别为＜100μm、100～200μm、200～250μm、250～500μm时，加入温度依次为665℃、680℃、700～720℃、720℃。
2、搅拌图2是一种双向多级速电磁搅拌装置照片。
第一，可以先在搅拌坩埚内壁均匀地涂覆一层“硅酸铝纤维粉末+水玻璃(适量)+水”涂料；第二，搅拌坩埚预热至350～400℃以至更高，以保证熔体进入搅拌坩埚后，坩埚壁处熔体的温度高于搅拌开始温度；第三，在电磁搅拌装置制备室内放置保温棉，以保证电磁搅拌过程中不出现坩埚壁部分熔体降温过快为准；第四，在熔体送入搅拌器之前5s开启搅拌器；第五，将熔体处理后的过热熔体转入搅拌坩埚内，并立即检测熔体温度，转移到搅拌坩埚内的熔体温度应高于液相线30～35℃；第六，按照设定搅拌方式进行电磁搅拌，主要工艺参数有开始搅拌温度(液相线以上5～15℃)、单向项搅拌时间(3s)、正转-反转换向方式(采用无间歇换向)、搅拌频率(30Hz)、搅拌电压(设定搅拌频率下最大容许电压)。在搅拌过程中对温度进行实时采集，搅拌时间以最终搅拌温度设定，即当搅拌过程中固相率达到5％时，即可停止搅拌。图3是一种本发明所述搅拌坩埚照片。
3、压铸成型(1)合金浆料的平稳快速转移。待合金浆料制备结束后，将搅拌坩埚从双向多级速电磁搅拌装置的制备室取出，在3s内转移至压铸机压射筒，将合金浆料直接倒入压铸机压射筒。
(2)工件的流变成形。第一，成形设备选用冷室或热室压铸机；第二，模具的浇道流程短，浇道、浇口均采用开放式结构；第三，冲头与压室之间的单边间隙为0.08mm；第四，模具预留加热系统的位置；第四，工艺参数选择为采用二级快压射成形，增压压力为180MPa，模具温度为220℃。
下面介绍本发明的具体实施例。
用电阻炉熔炼A356合金。然后在电阻保温炉中保温，待熔体温度达到700～720℃后采用Al-5Ti-B微细粉末和Al-10Sr挤压杆进行熔体处理。熔体处理工艺为(1)Al-5Ti-B粉末粒度要求≤500μm；(2)粉末加入量为0.15％Ti；(3)加入温度为粗粉采用高温，细粉采用低温，即粉末平均粒度分别为＜100μm、100～200μm、200～250μm、250～500μm时，加入温度依次为665℃、680℃、700～720℃、720℃；(4)Al-5Ti-B和Al-10Sr合金间隔10min加入，Al-5Ti-B粉末加入温度低于720℃时，采用“先加Sr后加Ti”工艺，否则采用“先加Ti后加Sr”工艺；Al-5Ti-B和Al-10Sr均加入后静置时间20min反应；在进行熔体处理的同时，在搅拌坩埚内表面涂覆“硅酸铝纤维粉末+水玻璃(适量)+水”涂料，并预热至400℃。把经过熔体处理的铝液倒入搅拌坩埚，同时开启电磁搅拌装置，待搅拌坩埚内铝液温度降至615～625℃时，将搅拌坩埚立即放入电磁搅拌装置制备室内，开始电磁搅拌。电磁搅拌工艺参数如下搅拌方式为正-反无间歇双向搅拌，单向旋转时间为3s，电源频率为30Hz，浇注温度为615℃～620℃，搅拌过程采用耐火材料保温。搅拌过程对浆料温度进行实时采集，当温度降至607℃～605℃时，即停止搅拌。整个搅拌过大致需要25s～30s左右。
制备出的浆料利用搅拌坩埚直接输送至压铸机的压射筒，转移过程平稳，时间可保证在3s内，倒入压射筒时，利用压射筒开口处的挡渣环把除氧化皮和其他赃物。
流变压铸工艺选择为增压压力180MPa，模具温度200～220℃。图4 流变压铸工件不同壁厚处显微组织；其中图(a)壁厚6mm；图(b)壁厚5mm；图(c)壁厚4mm。在这种工艺下，工件的的抗拉强度和延伸率分别达到280～310MPa、12～15％，分别比液态压铸提高11.6％～18.2％、42.5％～50％。
权利要求
1.一种制浆-成形分离式铝合金流变成形方法，其特征在于，该方法包括以下步骤(1)制备过热液体合金(1.1)采用电阻熔化炉和PID控温技术，将合金坯料熔炼制备得到过热液体合金；(1.2)用浇包将熔化炉中的液态合金转入电阻保温炉，根据合金坯料选择中间合金作为粉末态细化剂和变形态变质剂加入到过热液态合金中对所述过热液态合金进行熔体处理；在熔体处理过程中保持过热液态合金的温度；(2)搅拌(2.1)将搅拌坩埚预热至350～400℃；(2.2)在步骤1.2中进行熔体处理后所得的液态合金送入搅拌器之前5秒开启搅拌器；(2.3)将步骤1.2熔体处理后的过热熔体转入半固态合金浆料搅拌坩埚内，并立即检测熔体温度，转移到搅拌坩埚内的熔体温度应高于液相线30～35℃；将搅拌坩埚置入电磁搅拌装置的制备室中；(2.4)按照设定搅拌方式开启搅拌器进行电磁搅拌，主要工艺参数有开始搅拌温度 液相线以上5～15℃，单向项搅拌时间 3秒，正转-反转换向方式 采用无间歇换向，搅拌频率 30Hz，搅拌电压 设定搅拌频率下最大容许电压；在搅拌过程中对温度进行实时采集，当搅拌过程中固相率达到5％时，停止搅拌；(3)压铸成型(3.1)待步骤(2.4)电磁搅拌结束后，将搅拌坩埚从电磁搅拌装置的制备室取出，在3s内转移至压铸机压射筒，将合金浆料直接倒入压铸机压射筒；(3.2)工件的流变成形(3.2.1)成形设备选用冷室或热室压铸机；模具的浇道流程短，浇道、浇口均采用开放式结构；冲头与压室之间的单边间隙为0.08mm；模具预留加热系统的位置；模具温度为220℃；(3.2.2)增压压力为180MPa，采用二级快压射成形，完成铝合金流变成形。
2.根据权利要求
1所述的一种制浆-成形分离式铝合金流变成形方法，其特征在于，在搅拌将搅拌坩埚预热前先在搅拌坩埚内壁均匀地涂覆一层“硅酸铝纤维粉末+水玻璃+水”涂料。
3.根据权利要求
1所述的一种制浆-成形分离式铝合金流变成形方法，其特征在于，在搅拌将搅拌坩埚置入电磁搅拌装置的制备室中前在电磁搅拌装置的制备室中放置保温棉。
专利摘要
一种制浆－成形分离式铝合金流变成形方法，涉及一种半固态合金浆料的快速制备系统与工件成形系统分离铝合金流变成形方法，属于半固态合金成形方法技术领域：
。先制备过热液体合金；搅拌坩埚预热至350～400℃；将过热熔体转入所述半固态合金浆料搅拌坩埚内；将搅拌坩埚置入电磁搅拌装置制备室中；按照设定搅拌方式开启搅拌装置进行电磁搅拌，搅拌结束后，将搅拌坩埚取出，将合金浆料直接倒入压铸机压射筒，模具温度220℃压射成形；即完成所述铝合金流变成形。本发明搅拌装置与成形设备成功分离，设备结构和工艺控制简单，与传统的压铸设备和液压设备衔接简便，同时浆料转移过程操作简单快捷，合金浆料组织优异；制备效率高，工艺适用性强。
文档编号B22D27/00GK1994622SQ200610144010
公开日2007年7月11日 申请日期2006年11月24日
发明者唐靖林, 冯鹏发, 曾大本 申请人:清华大学导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan