专利名称：一种制备半固态金属浆料的正弦波形装置的制作方法
技术领域：
本发明属金属材料加工成型技术，特别是半固态金属加工技术，涉及一种制备半固态金 属衆料的正弦波形装置及其制备方法。
背景技术：
半固态金属材料成型技术是近20年来的研究很热门的一项技术，该技术可以达到近终形 生产复杂零件，产品性能好，节约能源，提高生产效率，扩大产品范围，高效节能短流程符 合现代制造业绿色化的方向，因此具有广阔的工业基础和潜力。
半固态加工成型技术的关键和前提是制造出半固态浆料。目前，制备半固态浆料的方法 有多种，如(机械、电磁)搅拌法，应变激活法，超声波搅动法、化学晶粒细化法、形变热 处理法等。就搅拌技术而言，需要一套较复杂的搅拌系统，机械搅拌法设备简单，但操作困 难，搅拌棒污染合金，带入浆料中的气体、杂质不易排出，直接影响到铸造浆料的质量及生 产效率。电磁搅拌技术不会污染金属浆料，也不会巻入气体，但是设备投资大，工艺复杂， 能耗高从而导致成本较高，此外由于"集肤效应"，生产的铸锭坯料尺寸受到制约，实现规模 化工业生产的难度较大。应变激活法制备的金属坯料纯净、产量大，但是由于增加一道预变 形工序，不仅使成本提高而且使坯料尺寸受到限制，从而也不利于规模化工业生产。其他方 法也存在诸如半固态浆斜制备、输送、固相率控制的问题，使该技术在工W中未能获得广泛 应用。
因此，研究人员不薪开发新的半固态浆料制备技术。如中国专利02145—565.1开发一种 铁合金半固态浆料的制备方法，将接近液相线温度的金属液浇在一个具有一定结晶形核能力 的滑板上，由于滑板的冷却作用使和滑板接触的液体金属产生大量的初生晶，这些尚未长大 的初生晶在随后的金属液冲击下迅速脱离滑板进入金属液，最终获得半固态金属浆料。另外 通过调整该滑板的倾斜角，控制金属浆料的流速，进而可以控制金属液的形核数目，最终会 影响晶粒的细化和等轴效果。该发明的铁合金半固态浆料的制备方法制备的半固态金属，晶 粒比传统的铸造方法得到明显的细化，晶粒呈等轴状晶分布，使金属的抗拉强度、延伸率等 性能得到明显提高，生产效率远超过搅拌法和应变激活法等其它方法。但是该方法的一个问 题是金属液在滑板上流动时有金属液的氧化以及滑板与金属液之间容易发生粘连。中国专利 200710011510.9提供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，该方 法的优点是提高了金属液流动中的搅拌作用效果，解决了斜板和金属液的粘连，但是仍然存 在氧化问题。中国专利200410009295.5提供了一种通过将过热金属液直接浇入制备坩埚 或者先浇入垂直直管通道再流入制备坩埚，制备半固态金属桨料的方法，直接浇入坩埚获得 半固态金属浆料需要精确控制浇注温度浇注高度等工艺参数，先浇入垂直直管通道再流入制 备坩埚获得半固态金属浆料时，金属液受到的搅拌和冷却作用效果不显著，往往在制备高固 相率浆料时有困难。中国专利200710176134.9将过热金属液浇入一倾斜管和垂直管组成 的斜査复合管通道内,在过热金属液沿着该斜直复合管通道的内壁流动时获得半圆态金属浆 料，然后将其注入坩埚移入一温度控制器中，进行后续冷却或温度场控制。该方法克服了以 往诸多方法的诸多缺陷，具有很好的效果，但是倾斜管的倾斜角度在使用中无法改变，而且 长时间工作后，在倾斜管和垂直管的交接处容易出现金属残余，严重时可能堵塞管道。
总之，上述各种制备半固态金属浆料的方法，不断创新，各具优点，但在使用中还有一 些不尽如意的地方，仍然需要完善。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备半固态金属浆料的正弦波形装置，获得设备简单，工艺 可靠，生产成本低，可适用于各种半固态金属浆料的制备方法。 为实现本发明的目的，采取如下的工艺方案-
1、 在坩埚熔炼炉中产生过热的金属液，经过精炼和除渣等处理后，调整金属液的温度控 制在其液相线温度以上0-200°C (根据金属液的成分确定)；
2、 将该金属液浇入正弦波形容器通道前方的入口容器，保持入口容器内金属液的压头高 度为200mm—800mm (根据金属液的成分确定)，以保证进入正弦波形容器通道的金属液具 有一定的流速；
3、 过热金属液沿着正弦波形通道内壁向下流动，从通道后方出口进入盛接容器或成型设 备，如坩埚或者普通铸型、压铸机压射室等实现触变成型或者流变成型。
本发明的正弦波形容器通道波长为50(K5000mm，振幅为100-500mm，通道宽度为 50-150mm。可以根据实际需要调整正弦波形参数，也可以采用两个或者两个以上正弦波的方 法改善金属液在正弦波形中的流动搅拌效果。
本发明的正弦波形装置包括固定底座、正弦波形容器通道、冷却装置、加热装置。正弦 波形容器通道由加工成正弦波形的金属板或者圆豆花纹金属板(金属防滑板)焊接而成，其 材质可以是普通碳素钢，也可以是不锈钢或者紫铜等。当低过热度金属液流经该通道时，金 属液沿正弦波形容器通道不断改变流动方向，实现自均匀搅拌，而圆豆花纹更增加了金属液 流的搅拌效果。花纹板厚度(突起的花纹厚度不计)为4一80mm，花纹高为基板厚度的0.2倍， 花纹要经过砂纸打磨不允许有毛刺。这种花纹也增加了搅拌效果，同时防止金属液和通道底 部的粘连。
正弦波形容器通道固定在固定底座上，可以根据需要调节活动锲块的高度，来设定正弦 波形容器通道的倾斜角度为0—60度，以调节金属液体的流动速度。正弦波形容器通道可以 是封闭的，也可以是敞口的。敞口时可以加入覆盖剂、熔剂、添加剂等，还可以观察金属液 的流动状态。封闭时可以通入保护性气体如氮气、氩气等。正弦波形容器通道外壁可以根据 需要安设冷却装置或加热装置或者同时安设冷却装置和加热装置，以调节通道的温度，给予 流经的金属液体适当的冷却效果，获得需要的半固态组织。正弦波形容器通道前方入口连接 熔炼坩埚，后方出口连接盛接容器或成型设备，如坩埚或者普通铸型、压铸机入射室等实现 触变成型或者流变成型。
本发明的优点是
1、金属液流在正弦波形容器通道内流动过程中，无需外加动力。
2、 金属液流在正弦波形容器通道内流动时，沿正弦波形可以实现均匀强烈的自搅拌。
3、 金属液流在正弦波形容器通道内流动过程中，如果金属液流与通道底部和侧壁粘连严 重，则正弦波形容器可以由圆豆花纹金属板(金属防滑板)制作，可以防止金属液流 的结壳粘连。
4、 可以敞开通道盖子；也可以封闭，通入保护气体，防止高温氧化，特别是镁合金时的 燃烧。
5、 金属液流在正弦波形容器通道内流动过程中，可以开关冷却装置和加热装置，调节金 属液流的温度。
6、 根据实际情况，设计大小不同的各种尺寸的正弦波形容器，适用各种不同的金属牌号 和流量需要。
图l是本发明的制备半固态金属浆料的装置结构示意图。图中1是浇包，2是金属液，3 是正弦波形容器通道，4是冷却装置，采用循环水冷却，5是半固态金属浆料，6是加热装置， 采用电阻丝电热管加热，7是固定底座，8是热电偶，9是活动锲块，调节正弦波形容器通道 的倾斜角度。
图2是图1中3正弦波形容器通道的正弦波形示意图。 图3是图2的正视图。
图4是三个正弦波的正弦波形容器通道示意图。 图5是本发明装置制备得到的半固态金属金相组织图。
具体实施例方式
为了更清楚地理解本发明，以下结合附图以2A12合金为例对本发明作进一步的详细描 述。2A12合金的化学成分为Si——0.50%， Fe——0.50%， Cu——4.3%， Mn——0.5%， Mg ——1.5%， Al——余量。差热分析测定该合金的液相线温度为66(TC，固相线温度为620'C。 工艺过程如下
(1) 将试验合金在熔炼坩埚炉中加热到75(TC高温熔化，并精炼；然后将合金熔液冷却 到浇注温度700'C，保温10分钟，使合金熔液的温度和成分均匀化。
(2) 过热浇注当合金熔液达到工艺要求后，将其浇入正弦波形容器通道前方的入口容 器，保持入口容器内金属液的压头高度为300mm，以保证进入正弦波形容器通道的金属液具 有一定的流速。
(3) 正弦波形容器通道由45号钢制作，内含一个正弦波形，浇注合金熔液以前开通加 热装置和冷却装置预热正弦波形容器通道温度到300°C，并使之稳定，同时根据最终产品质 量要求，决定通入保护气体Ar气，保护合金熔液以免氧化。
(4) 合金熔液流经正弦波形容器通道，在边流动边降温过程中，由于正弦波形容器通道 底部和侧壁的冷却作用使液体金属产生大量的初生晶，这些尚未长大的初生晶在随后的金属 液冲击下迅速脱离容器壁进入金属液流，含有大量初生晶核的金属液流在正弦波形容器通道 内受正弦波形的约束不断翻滚搅拌混合均匀，温度浓度等均匀的金属液内部的初生晶核只以
球状生长，最终获得在正弦波形容器通道的出口合金液流是含有大量球状晶的半固态桨料。 另外通过调整正弦波形容器通道的倾斜角、波形数量，入口容器内金属液的压头高度，进而 可以控制金属液的形核数目，最终会影响晶粒的细化和等轴效果。
(5)正弦波形容器通道的出口连接一个金属铸型，半固态浆料流入铸型成型后，整体放 入水池激冷，取样观察其微观组织如图5所示。从图中可以明显看出，晶粒形态明显呈等轴 状，趋向于球状，其结果完全有理由相信采用本发明得到的合金半固态浆料，其机械性将得 到提高。
权利要求
1、一种制备半固态金属浆料的正弦波形装置，该装置包括固定底座、正弦波形容器通道、冷却装置、加热装置。当低过热度金属液流经该装置时不断改变流动方向，实现自均匀搅拌；同时由于底部和侧壁的冷却作用使液体金属产生大量的初生晶，这些尚未长大的初生晶在随后的金属液冲击下迅速脱离容器壁进入金属液流，最终在正弦波形容器通道的出口获得含有大量球状晶的半固态浆料。
2、 根据权利要求1所述的金属液流经的容器通道形状为正弦波形，波形大小可以根据生 产量确定，可以是一个正弦波，也可以是两个或者多个正弦波连接成为金属的流动通道。
3、 根据权利要求1所述的正弦波形容器通道由加工成正弦波形的金属板或者圆豆花纹金 属板(金属防滑板)焊接而成，防止金属液流在容器壁结壳粘连。
4、 根据权利要求1所述的金属液在正弦波形容器通道内的流动驱动力主要依靠自身重 力，而没有外加动力。
5、 根据权利要求1所述可以通过调整该通道的倾斜角、温度以及入口容器内金属液的高 度，进而可以控制金属液的形核数目，最终会影响晶粒的细化和等轴效果。
6、 根据权利要求1所述的正弦波形容器通道可以由加热装置和冷却装置实现温度的稳定 控制。
7、 根据权利要求l所述的正弦波形容器通道可以封闭，也可以敞口，封闭时可以通入保 护气体防止金属熔液氧化。
8、 根据权利要求1所述金属液沿着正弦波形通道内壁向下流动，从通道后方出口进入盛 接容器或成型设备，如坩埚或者普通铸型、压铸机压射室等实现触变成型或者流变成型。
全文摘要
一种制备半固态金属浆料的正弦波形装置及其制备方法。该装置是将金属液流动的通道设计为正弦波形，当低过热度金属液流经时不断改变流动方向，实现自均匀搅拌；同时由于底部和侧壁的冷却作用使液体金属产生大量的初生晶，这些尚未长大的初生晶在随后的金属液冲击下迅速脱离容器壁进入金属液流，最终在正弦波形容器通道的出口获得含有大量球状晶的半固态浆料。通过调整正弦波形容器通道的倾斜角、波形数量，入口容器内金属液的压头高度，进而可以控制形核数目，影响晶粒的细化和等轴效果。本发明结构简单，工艺紧凑，高效节能短流程，适用范围广泛，可以实现钢铁材料，铝合金，镁合金等多种金属半固态浆料的制备。
文档编号B22D17/00GK101347833SQ20081014126
公开日2009年1月21日 申请日期2008年9月3日 优先权日2008年9月3日
发明者刘长红, 张颂阳, 李思忠, 李鸿波, 程俊伟, 楠 郑, 郭晓琴 申请人:郑州航空工业管理学院