专利名称：生产液-固金属组合物的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种生产液-固金属组合物(或混合物)的方法，包括将 熔融金属或合金装入容器、将固态金属或合金装入容器以及在其冷却时 搅拌该熔融金属或合金的步骤。
本发明还涉及一种用于实施本发明的方法的装置。
该熔融金属或合金的成分可以由宽范围的多种金属或合金组成，然 而特别是由当没有搅动地从液态凝固时易于形成枝晶或小面化生长形态 的金属或合金组成。
应当认识到，当装入容器时，该熔融金属或合金不必处于液态。其 也可以呈固态形式装入，并且随后熔化，以获得其液态或大部分的液态。 如果这样的话，在熔融相产生后，该固态金属或合金被装入。
还应当认识到，通常，熔融金属或合金和固态金属或合金装入容器 的顺序是可选择的。
背景技术：
众所周知，由半固态材料制造的部件与根据传统工艺生产的对应部 件相比具有具有许多优点。"半固态"指包括特定重量百分比的固体颗 粒(固体微粒)的熔体，其中该固体颗粒由熔体的冷却形成。这种材料 的铸造所产生的铸件的优点是具有较少的缺陷、更佳的机械性能等。
基于半固态材料的金属部件的生产通常包括在容器中加热金属或合 金，以使其呈液态，随后对熔融材料进行冷却，直到其达到半固态状态。
一旦达到半固态状态，该材料典型地可在一模具或用于成品或半成品制 造的连续铸造的装置中铸造。
随着其固化，许多金属和合金易于形成所谓的枝晶结构(或枝晶组 织)。然而，由于这种结构具有对半固态材料的触变性能的不利影响， 应当尽可能避免形成这种结构。根据最接近的现有技术、例如美国专利
6,645,323所公幵的内容，这种在冷却和固化时的枝晶结构的形成可通过 搅动熔体的方式来避免。
根据美国专利6,645,323，在控制条件下并由旋转机械装置搅动的同 时，液态熔融金属被很快地冷却，以形成期望的触变性浆料。引起搅动 的其它方式、例如利用电磁搅拌器也是可行的。该搅动延续到当在熔体 中形成预定的少量固体物材料时的特定点。然后，在无搅动的情况继续 冷却。当在浆料中获得给定量的固态金属时，其被用于铸造操作。
然而，根据该现有技术的工艺需要熔体的外部冷却，其通过在容器 外提供的冷却装置或熔体内提供的冷却装置、例如在搅拌器中进行。因 此，现有技术需要冷却控制，包括温度控制在内，以控制所获得固体材 料的百分率。这使得这些现有技术的方法相对缓慢并且成本高。
现有技术还教导添加固态金属或合金，以作为促进成核的孕育剂或 作为合金添加剂。
WO2004027101公开了一种方法，该方法通过将过共晶合金和固态/ 半固态亚共晶合金混合来精炼过共晶合金中的初生(初级)硅。该方法 提供对过共晶Al-Si中初生Si的形态、尺寸和分布的控制，该过共晶Al-Si 通过亚共晶Al-Si液体与过共晶Al-Si液体混合进行铸造，以通过获取初 生Si颗粒的形成获取理想的机械性能。根据该现有技术，该方法还要求 长时间的过共晶合金-亚共晶合金混合物的冷却控制，以形成半固态金属。 该初生Si颗粒的大体均匀分布由混合过程中更快的温度下降控制。冷却
过程中不建议搅拌熔体。
根据美国专利6,880,613，描述了一种方法，该方法通过将至少两种 亚共晶合金混合于固态/半固态浆料中来精炼至少两种亚共晶合金中的初 生铝。该方法提供对亚共晶Al-Si铸造中初生Al的形态、尺寸和分布的 控制，该亚共晶Al-Si通过亚共晶Al-Si液体与固态亚共晶Al-Si颗粒混 合进行铸造，以获取理想的机械性能。在该现有技术的一个实施例中， 小块固态亚共晶AI-Si合金用于与液态亚共晶Al-Si混合，以形成亚共晶 Al-Si浆料。初生Al颗粒的大体均匀分布由混合过程中更快的温度下降 控制。混合过程中不建议搅拌熔体。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种快速形成液-固组合物的方法，其中固 体颗粒均匀分布于大量液-固金属合金中。该液-固金属应当具有如下性 能，以使得避免在进一步冷却和缺乏任何进一步搅拌的情况下形成任何 固态枝晶网络。
本发明的另一目的是提供一种用于生产液-固金属组合物的方法，该 方法减少或甚至消除了对熔融金属或合金的外部冷却的需要，但仍然导 致液-固浆料的快速生成，该浆料例如可被用于随后的生产成品或半成品 的铸造工艺。本发明还应当减少液-固浆料制备过程中控制熔体温度的需 要。
本发明的又一目的是提供一种方法，其中液-固金属组合物可以由液 态金属或合金和固态金属或合金的新成分组合中快速产生。
本发明的再一目的是提供一种既便于实施、又低成本的方法。 本发明的目的通过说明书开始部分限定的方法来实现，其特征在于， 选择固态金属或合金的量，以使得由于固态金属或合金与熔融金属或合
金之间的焓交换将在混合物中形成大量(相当数量的)固体颗粒，所添 加的固态金属或合金的至少一部分由通过熔融金属或合金传递的热量熔 化。换句话说，本发明建议采用内部冷却而不是外部冷却。对本发明而 言重要的是，所添加的固态金属或合金的量使得能够确定其导致一定百 分比的熔融金属的固化，并且该固化直接源自于固态金属或合金的添加。 换句话说，固态金属或合金的量应当使得由于固态金属或合金与熔融金 属或合金之间的焓交换，熔融液态或合金开始固化，并且产生液-固浆料。 因此，被装入的固态金属或合金应具有比熔融金属或合金低的温度，并 且优选低于室温。它可以、但不是必须具有与熔融金属或合金相同的成 分。可能地，该混合在一个以上的步骤或工序中进行。该固态金属或合 金应当可以在该熔体中、例如在该熔融金属或合金中溶解。换句话说， 在混合中，其可以全部或部分地溶解和分散于熔体中。优选地，混合和 搅拌同时进行，并且在熔融金属或合金被装入并且发生焓交换的同时， 该熔体被搅拌。
本发明的重要方面在于熔体中的成核和初始固化归因于固态金属或 合金的添加，并且基本上不归因于任何外部冷却。然而，这并不排除采 用外部冷却作为辅助冷却方式的可能性。
根据本发明的一个优选实施例，选择固态金属或合金量，以使得由
于所述焓交换形成的固体颗粒的量至少为1 wt%，优选至少为5wtQ/。，更 优选至少为10wt%，并且更优选至少为15wt%,或者甚至更佳地至少为 20 wt%。关键的是，固体颗粒的量或比率及其在熔体的分布使得其确保 在进一步冷却和固化时抑制枝晶网络或结构的产生。应当注意，在作为 搅拌并添加固态金属或合金期间固化的直接结果的固体颗粒开始产生 后，通过对浆料的进一步冷却、甚至没有进一步的搅拌，固体颗粒的进 一步生长将通过粗化发生，而没有任何显著的枝晶形成。根据一个优选实施例，选择固态金属或合金的量，以使得由于所述
焓交换形成的固体颗粒的量不超过65wt^，优选不超过50wte/。，并且最 优选不超过30wt。/。。更高百分比的固体比率将使浆料不易形变并用于任
何进一歩的工序，例如铸造工艺。
根据一个实施例，装入容器中的固态金属或合金以被装载到容器中 的至少一个单独块的方式被装入。该固态金属或合金可逐步装入，甚至 在每一步中采用不同的金属组合物。装入容器中的液态金属或合金也可 以逐步装入，甚至在每一步中采用不同的金属组合物。
根据更进一步的优选实施例，搅拌由一个或多个机械搅拌器执行， 并且装入容器中的固态金属或合金与该搅拌器或至少一个搅拌器相连。 该固态金属或合金例如可以由通过焊接等方式与搅拌器相连的一个或多 个块形成。该固态金属或合金例如也可以经由延伸穿过搅拌器的通道等 经过或从搅拌器连续地或逐步地供给到熔体中。该搅拌器本身可以由具 有基本上高于(或显著高于)该液态金属或合金的熔点的材料形成，以 不会由于熔体的热量而熔化。该固态金属或合金优选可以为该搅拌器的 工作部分，从而除了起到焓交换器的作用外，事实上也有助于搅拌作用。 可能地，该搅拌器全部可以由根据本发明在焓交换期间将熔化的固态金 属或合金形成。优选地，搅拌由机械搅拌方式进行。然而，搅拌也可以 由电磁搅拌或由机械搅拌和电磁搅拌的结合进行。这可以发生于例如在 浆料制备期间固态金属或合金通过或由该搅拌器或多个搅拌器连续地供 给到该熔体中的情况下。
根据本发明，可以通过控制装入的液态和固态金属或合金的量和初 始温度使来自同一合金系的液态亚共晶金属合金与共晶或过共晶固态金 属合金混合来产生亚共晶半固态金属浆料。这种实例可以为将过共晶
Al-Si合金(例如13% Si)添加到亚共晶Al-Si合金(例如5% Si)中，
以形成亚共晶A1-Si浆料。为了实现浆料中固体颗粒的均匀分布，搅拌是 必要的。可以通过通过控制装入的液态和固态金属或合金的量和初始温 度使来自同一合金系的液态过共晶合金与共晶或过共晶固态合金混合产 生过共晶半固态金属浆料。这种实例可以为将过共晶Al-Si合金(例如 13% Si)添加到过共晶Al-Si合金(例如20。/。Si)中，以形成过共晶Al-Si 浆料。为了实现浆料中固体颗粒的均匀分布，搅拌也是必要的。还可 以通过控制装入的液态和固态金属或合金的量和初始温度使来自不同合 金系的液态金属或合金与固态金属或合金混合来产生半固态金属浆料。 这种实例可以为将固态Mg-Zn合金(例如7% Zn)添加到液态Mg-Al合 金(例如9。/。Al)中，以形成Mg-Al-Zn浆料。为了实现桨料中固体颗粒 的均匀分布，搅拌是必要的。
本发明还涉及一种用于实施根据本发明的方法的装置，其特征在于， 其包括一容器和一搅拌器，并且固态金属或合金附着于该搅拌器上。
本发明还涉及一种用于实施根据本发明的方法的装置，其特征在于， 其包括一容器和至少一个搅拌器，并且所述至少一个搅拌器设有通道， 以用于通过该通道将固态金属或合金供给到熔融金属或合金中。
本发明的进一步特征和优点将在随后的详细说明以及后附从属权利 要求中体现。
本发明的方法与装置的优选实施例将随后基于附图详细说明，其中 图1为示出本发明的工艺的示意图2为实例1的金属组合物的显微照片，包括在搅拌后的混合过程 中形成的初生固体和淬火过程中形成的二次固体相；
图3为实例2的金属组合物的显微照片，包括在搅拌后的混合过程
中形成的初生固体和淬火过程中形成的二次固体相；
图4为实例3的金属组合物的显微照片，包括在搅拌后的混合过程 中形成的初生固体和淬火过程中形成的二次固体相。
具体实施例方式
图1示出了本发明的方法的一优选实施例中的三个独立步骤。步骤1 示出了熔炉l和形成根据本发明的容器的中间罐(timdish) 2。熔融金属 或合金的熔体3在该熔炉1中产生，然后被浇注到中间罐2中。中间罐2 的壁包括绝热材料或由绝热材料覆盖。
步骤2示出了本发明的方法的随后步骤以及本发明的装置的优选实 施例。步骤2示出了步骤1的中间罐或容器2。该中间罐2设有盖4和穿 过盖4延伸并浸入于该熔体3中的机械搅拌器5。
至少一块固态金属或合金6附着于该搅拌器5上。该固态金属或合 金6可溶解于该熔体3中，即其将由来自于熔体3的热量全部或部分地 熔化并散布于该熔体3中。该固态金属或合金6还可以为金属组合物， 即其在金属基体中包含一定量的非金属颗粒。另一方面，固态金属或合 金6的较低温度将导致与熔融金属或合金3的焓交换以及熔体3中的晶 核形成。该晶核形成假定发生于固态金属块或合金块6的外表面上或其 附近。然而，由于搅拌器5的转动，这些新形成的晶核7将从固态金属 块或合金块6的表面甩出并相对均一地分布于熔体中，从而形成大体均 匀的浆料。该搅拌还提高了装入的液体和固态金属或合金之间的热交换 率，从而能够在短时间内产生大量浆料。
步骤3示出了搅拌器5已经从熔体3中移去，熔体3现在为液-固金 属组合物或半固态金属浆料8，其包括熔融相以及固体颗粒7。
由于装入的熔融金属或合金3与装入的固态金属或合金6之间的焓
交换在熔体中形成的固体颗粒7的量足够高，以基本上可以防止液-固金 属组合物8在随后的处理步骤中、例如铸造操作中进一步冷却时枝晶结
构的生长。
该浆料8的固体比率可通过对装入的液态金属或合金和装入的固态
金属或合金的成分、初始温度以及装入液态和固态金属或合金之间的质
量比进行调节来控制。在许多情况下，理想的是，将该浆料8的固体比 率控制在20至30%之间的范围中。通过该固体比率，浆料8已经具有足 够量的固体颗粒或晶粒来防止任何枝晶生长，但仍然具有足够的流动性， 以从中间罐2中倒出而进入铸造装置(非示出)，以用于给料生产。浆 料8还可以用于任何其它类型的铸造操作，例如所谓的流变铸造(压铸) 或用于半固态带材铸造。
实例
以下实例将举例描述本发明并且不意欲限制本发明。 实例1
通过熔体与不同成分固体混合生产的Al- 7% Si合金浆料 以下为参照图2对具有退化枝晶结构的包含以重量百分比计为大约 7%的Si的Al-Si合金浆料的生产方法的详细说明。
包含以重量百分比计为大约6.5%的Si的2013克Al-Si合金原料在 电阻炉内的粘土-石墨坩埚中熔化。该坩埚的高度为大约165毫米，内径 为110毫米，壁厚为15毫米。当该Al-6.5%Si合金完全熔化并达到630 °C、即高于其液相线温度大约l(TC时，该熔炉的电力被关断。包含以重 量百分比计为大约12%的Si的197克固态Al-Si合金附着于机械不锈钢 搅拌器上。初始时均处于室温下的附着于搅拌器上的Al- 12%Si被浸入于
熔体中。搅拌持续37秒。不再附着于该搅拌器上的Al- 12。/。Si均匀地与 原始熔体混合。然后，该搅拌器从熔体中移去。结果，形成了包含以重 量百分比计为大约7%的Si的新Al-Si合金。主要由于液体和所添加的固 体之间的焓交换，该Al- 7。/。Si合金搅拌后的最终温度为593t:。少量浆 料从该坩埚中取出并在冷水中淬火。所得到的显微结构如图2所示。
实例2
通过将熔体与同样成分的固体混合生产的Mg- 9%A1合金浆料 以下为参照图3对具有退化枝晶结构的包含以重量百分比计为9%的 Al的Mg-Al合金浆料的生产方法的详细说明。
包含以重量百分比计为大约9%的Al的101克Mg-Al合金原料在电 阻炉内的粘土-石墨坩埚中熔化。该坩埚的高度为大约155毫米，内径为 30毫米，壁厚为1.5毫米。当该Mg-9。/。Al合金完全熔化并达到605-C、 即高于其液相线温度大约IO'C时，该熔炉的电力被关断。总共15克的包 含以重量百分比计为9%的Al的室温固态Al-Si合金分三次以单独块的形 式添加，并在每次添加之间由一细钢杆手动搅拌。总搅拌时间大约为2 分钟。主要由于液体和所添加的固体之间的焓交换，该Mg-9n/。Al合金搅 拌后的最终温度为576°C。少量浆料从该坩埚中取出并在冷水中淬火。所 得到的显微结构如图3所示。
实例3
通过熔体与来自不同合金系的固体混合生产的Al- 20%Si合金浆料 (还包含少量的Mg)
下面为参照图4对具有非枝晶初生硅粒子的包含以重量百分比计为大 约20%的Si和少量Mg的Al-Si的合金浆料的生产方法的详细说明。 包含以重量百分比计为大约21%的Si的1913克Al-Si合金原料在电 阻炉内的粘土-石墨坩埚中熔化。该坩埚的高度为大约165毫米，内径为 110毫米，壁厚为15毫米。当该Al- 21%Si合金完全熔化并达到72rC时， 该熔炉的电力被关断。包含以重量百分比计为大约"/。的Mg的101克固 态Al-Mg合金块附着于机械不锈钢搅拌器上。初始时均处于室温下的附 着于搅拌器上的A1-Mg合金块被浸入于熔体中。搅拌持续27秒。不再附 着于该搅拌器上的Al-Mg合金块均匀地与原始熔体混合。然后，该搅拌 器从熔体中移去。结果，形成了包含以重量百分比计为大约20Q/。的Si和 少量Mg的新Al-Si合金。主要由于液体和所添加的固体之间的焓交换， 该Al-20c/。Si合金搅拌后的最终温度为63(TC。然后，少量浆料从坩埚中 取出并在冷水中淬火。所得到的显微结构如图4所示。
应当认识到，本发明的可替换其它实施例对于本领域的技术人员而言 是显而易见的。然而，本发明的范围并不限于这里所描述的特定实施例， 而是仅仅由后附权利要求中所给出的内容限定。
例如，应当理解，不仅仅是将与熔融金属或合金混合的固态金属或合 金的量对根据本发明的方法的结果而言很重要，而且固态金属或合金和 熔融金属或合金的初始温度以及搅拌时间、保持时间等对根据本发明的 方法的结果而言也很重要。典型地，熔融金属或合金的初始温度应略高 于其液相线温度，而固态金属或合金的初始温度应接近室温，以促进高 效成核。此外，当该系统接近热力学平衡时，由于扩散过程，该工艺所 耗时间也可能影响浆料中的固体颗粒的最终比率以及形状。
权利要求
1.一种生产液-固金属组合物(8)的方法，包括以下步骤-将熔融金属或合金(3)装入一容器(2)中，-将固态金属或合金(6)装入所述容器(2)中，-在其冷却时搅拌所述熔融金属或合金(3)，其特征在于，所述固态金属或合金(6)的量被选择，以使得由于所述固态金属或合金(6)与所述熔融金属或合金(3)之间的焓交换将在所述熔体(3)中产生大量的固体颗粒(7)，所添加的固态金属或合金(6)的至少一部分由通过所述熔融金属或合金(3)传递的热量熔化。
2. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，基本上所有添加的固态金 属或合金(6)由通过所述熔融金属或合金(3)传递的热量熔化。
3. 如权利要求l-2中任何一项所述的方法，其特征在于，所述固态金 属或合金(6)的量被选择，以使得由于所述焓交换形成的固体颗粒(7) 的量至少为l wt%。
4. 如权利要求l-2中任何一项所述的方法，其特征在于，所述固态金 属或合金(6)的量被选择，以使得由于所述焓交换形成的固体颗粒(7) 的量至少为5 wt%。
5. 如权利要求l-2中任何一项所述的方法，其特征在于，所述固态金 属或合金(6)的量被选择，以使得由于所述焓交换形成的固体颗粒(7) 的量至少为IO wt%。
6. 如权利要求l-5中任何一项所述的方法，其特征在于，所述固态金 属或合金(6)的量被选择，以使得由于所述焓交换形成的固体颗粒(7) 的量不超过65 wt%。
7. 如权利要求l-5中任何一项所述的方法，其特征在于，所述固态金 属或合金(6)的量被选择，以使得由于所述焓交换形成的固体颗粒(7) 的量不超过50 wt%。
8. 如权利要求l-7中任何一项所述的方法，其特征在于，装入容器 (2)的固态金属或合金(6)作为至少一个单独块被装入容器(2)中。
9. 如权利要求l-8中任何一项所述的方法，其特征在于，所述搅拌由 机械搅拌器(5)进行，并且所述固态金属或合金(6)经由所述搅拌器(5) 装入所述容器(2)中。
10. 如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述固态金属或合金附 着于所述搅拌器(5)上。
11. 如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述固态金属或合金通 过所述搅拌器(5)中的通道供给到所述熔融金属或合金中。
12. 如权利要求l-ll中任何一项所述的方法，其特征在于，所述搅拌 通过电磁搅拌器进行。
13. 如权利要求1-12中任何一项所述的方法，其特征在于，除了所述 固态金属或合金(6)的冷却作用外，熔融金属或合金和固态金属或合金(6) 的混合物受到附加的外部冷却。
14. 如权利要求1-13中任何一项所述的方法，其特征在于，装入的固 态金属或合金(6)具有与装入的熔融金属或合金(3)相同的成分。
15. 如权利要求1-13中任何一项所述的方法，其特征在于，装入的固 态金属或合金(6)具有与装入的熔融金属或合金(3)不同的成分。
16. 如权利要求1-15中任何一项所述的方法，其特征在于，装入的固 态金属或合金(6)可溶解于装入的熔融金属或合金(3)中。
17. 如权利要求1-16中任何一项所述的方法，其特征在于，在其冷却 时由于添加的固态金属或合金(6)的冷却作用在熔体(3)中形成的固 体颗粒(7)的量足够高，以基本上防止在无任何进一步添加的固态金属 或合金(6)的辅助的情况下当其进一步冷却时在液-固金属组合物(8) 中的枝晶结构的生长。
18. 如权利要求1-17中任何一项所述的方法，其特征在于，所生产的 液-固金属组合物为亚共晶液-固金属组合物(8)，并且所述熔融金属或 合金为熔融亚共晶金属或合金(3)，并且所述固态金属或合金(6)为 与所述熔融金属或合金(3)来自同一合金系的共晶或过共晶固态金属或 合金(6)。
19. 如权利要求1-17中任何一项所述的方法，其特征在于，所生产的 液-固金属组合物为过共晶液-固金属组合物(8)，所述熔融金属或合 金为熔融过共晶金属或合金(3)，并且所述固态金属或合金(6)为与 所述熔融金属或合金(3)来自同一合金系的共晶或过共晶固态金属或 合金(6)。
20. 如权利要求1-17中任何一项所述的方法，其特征在于，所述固态 金属或合金(6)与所述熔融金属或合金(3)属于不同合金系。
21. —种用于实施如权利要求l-20中任何一项所述方法的装置，其特 征在于，其包括一容器(2)和至少一个搅拌器(5)，并且固态金属或 合金(6)附着于所述搅拌器(5)或至少一个搅拌器(5)上。
22. 如权利要求21所述的装置，其特征在于，所述搅拌器(5)由具 有基本上比将装入所述容器(2)中的液态金属或合金的熔点高的熔点的 材料形成。
23. 如权利要求21-22中任何一项所述的装置，其特征在于，所述搅 拌器(5)完全由将装入所述容器(2)中的固态金属或合金形成。
24. —种用于实施如权利要求l-20中任何一项所述方法的装置，其特 征在于，其包括一容器(2)和至少一个搅拌器(5)，并且所述至少一 个搅拌器设有通道，以用于通过所述通道将固态金属或合金供给到熔融 金属或合金中。
全文摘要
一种生产液-固金属组合物(8)的方法，包括以下步骤将熔融金属或合金(3)装入一容器(2)中，将固态金属或合金(6)装入所述容器(2)中，在其冷却时搅拌所述熔融金属或合金(3)。所述固态金属或合金(6)的量被选择，以使得由于所述固态金属或合金(6)与所述熔融金属或合金(3)之间的焓交换将在所述熔体(3)中产生大量的固体颗粒(7)，并且所添加的固态金属或合金(6)的至少一部分由通过所述熔融金属或合金(3)传递的热量熔化。
文档编号B22D27/20GK101098974SQ200580046335
公开日2008年1月2日 申请日期2005年12月9日 优先权日2004年12月10日
发明者M·韦森, 曹海平 申请人:M·韦森;曹海平