专利名称：用于制备半固态合金浆料的装置及其方法
技术领域：
本发明属于材料制备 领域，特别涉及一种用于制备半固态合金浆料的装置及其方法。
背景技术：
半固态金属成型技术的发展和应用已近40年，有的国家获得一定规模的商业应用，其应用领域主要是汽车零部件，并逐步应用于航空航天、电子产品零部件的生产。在半固态金属成型过程中，关键的技术问题是制备具有晶粒呈球状且细小的浆料或坯料。为了获得此种组织的金属浆料或坯料，早期采用的技术主要有机械搅拌法、电磁搅拌法，但机械搅拌易于污染金属，电磁搅拌的电磁效率又太低。为了获得球状晶粒的金属浆料或坯料，近年来出现了控制形核法。在控制形核法制备金属浆料或坯料过程中，一般不采用强烈的搅拌，制备工艺较为简单，浆料或坯料的生产成本较低，目前利用控制形核法的制备技术有倾斜板浇注法、斜(转)管法、阻尼冷却管法、波浪形倾斜板、直管浇注法等， 但是这些方法要么是结构较复杂，制作成本较高，要么就是经过这些方法处理后的半固态铝合金浆料的晶粒由于在熔液流动时初形核晶粒晶界之间的剪切力不够，导致晶粒的圆整度较低，晶粒的直径也较大，进而使得浇注成型的成品的综合力学性能较差。
发明内容
本发明针对以上问题提供一种即具有结构简单，制作成本较低，又具有经过通道后的半固态铝合金浆料的晶粒的圆整度较高，晶粒的直径也较小，进而使得浇注成型的成品的综合力学性能较好的用于制备半固态合金浆料的装置。本发明解决以上问题所用的技术方案是提供一种用于制备半固态合金浆料的装置，它包括通道体和通道体上贯通的通道，所述的通道的横截面为椭圆形，椭圆形的长短轴比为1.2 2:1，且通道轴向沿轴线旋扭。本发明的另一个目的是提供一种制备半固态合金浆料的方法，它包括以下步骤
1)将合金原料放入坩埚中熔化，并在65(T750°C时进行精炼除气；
2)静置15 25min，当达到预定的浇注温度后，将坩埚中的熔液浇入权利要求1所述的用于制备半固态铝合金浆料的装置内；
3)最后熔液被权利要求1所述的用于制备半固态合金浆料的装置导流到浇注模具中。采用以上结构和方法后，与现有技术相比，本发明由于通道的横截面为椭圆形，椭圆形的长短轴比为1.2 2:1，且通道轴向沿轴线旋扭，旋扭是指通道沿轴线方向相邻横截面上椭圆形的轴线之间存在夹角，且相邻横截面是逐渐过渡的；也可理解为椭圆形在自身绕轴线旋转的同时沿轴线运动形成的轨迹的形状；则在椭圆旋扭通道内，初生晶核的形成以异质形核为主，而通道内熔液的浓度梯度、温度梯度和固-液界面前沿的挠动强度决定初生晶核的生长状态，使得熔液沿通道壁和心部发生强对流的程度，亦即温度场和溶质场的均勻化程度，根据菲克第一定律，在同样扩散面积和扩散时间下，扩散流量与浓度梯度成正比，浓度梯度小时，溶质的扩散流量相应较小，晶粒长大速度也相应较小，难以聚集成团，温度场和溶质场的均勻化使得初生 晶粒各个方向的生长速度基本一致，促其球化；故当合金熔液流经椭圆旋扭的通道时受到管路形状的影响而改变流动方向，造成熔液沿截面存在流动速度差异，进而产生剪切作用，这个剪切力使次枝晶臂变形或折断，游离晶核数目增加，并在旋转扭力的作用下游离到通道心部(如图5所示)，成为新晶核的衬底，新接近通道壁的熔液又在激冷作用下形核，晶核数目不断增多，而数目众多的游离晶核在生长过程中由于溶质浓度场和温度场耦合的重叠效应，以胞状或球状的方 式生长。这种“旋转自搅拌”作用有力地促进了初生晶核向球形晶粒的演变。因此本发明即具有结构简单，制作成本较低，又具有经过通道后的半固态铝合金浆料的晶粒的圆整度较高，晶粒的直径也较小，进而使得浇注成型的成品的综合力学性能较好的特点。作为改进，所述的通道体的外表面轴向设有交叉设置的加热装置和冷却装置，且冷/热频率为广7次/400mm，则在交叉设置的加热装置和冷却装置作用下，通道内流动的合金熔液不断的被反复冷却-加热即反复凝熔技术，故加热升温过程中，在一个晶粒的内部，由于温度的升高，使成分均勻化及固溶度提高，枝晶曲率半径减小，导致枝晶臂附近的溶质浓度降低，这样，两个枝晶之间就建立了一个扩散偶，溶质浓度梯度的存在将促使溶质从粗枝处向细枝处扩散，造成细枝熔化或溶解，甚至从细枝根部熔；合金的熔解从共晶组织开始，随着时间延长，液相比例增多，已熔化的液相渗入晶界内，使得小的晶粒分离并球化； 同在熔液进入冷却段之前，将其温度控制在液相线以上5 10°C，熔液温度场均勻，在进入冷却阶段之前，整个熔体已经处于过冷状态，大量的游离晶核均勻地生成，则强制冷却时，由于水冷作用使本身无明显过热的金属液迅速冷却，晶核还来不及长大就凝固了，因此本发明可使得熔液形成均勻细小的初生G晶粒。作为进一步改进，所述的加热装置为螺旋状的线圈，则加热是通过电磁加热，而电磁加热时中频磁场对熔液也有一定的搅拌作用，合金液的温度场更均勻，加大了同时凝固的区域，也有助于初生《晶粒的细化，故可使得经过本发明的熔液初生《晶粒的进一步细化。作为再进一步改进，所述的冷却装置为螺旋状的水冷管道，则水冷管道结构简单， 制作和维护成本均较低，进而使得本发明制作和维护成本更低。所述的旋扭强度为4.5 18° /cm。所述的椭圆形的长短轴比为1.6 2:1。所述的旋扭强度为4.5 13.5° /cm。所述的冷/热频率为3 5次/400mm。所述的步骤1)中的精炼除气温度为700°C。所述的步骤2)中的静置时间为20 min。
图1为本发明用于制备半固态合金浆料的装置的结构示意图。图2为沿图1中A方向的视图。图3为沿图2中B-B线的剖视图。
图4为本发明用于制备半固态合金浆料的装置使用状态的结构示意图。
图5为本发明实施例1制的产品的金相图。图6为本发明实施例2制的产品的金相图。图7为本发明实施例4制的产品的金相图。如图所示1、通道体，2、通道，3、加热装置，4、冷却装置，5、分流装置，6、集流装置。
具体实施例方式以下结合附图和具体实施方式
，以A356铝合金金属浆料为例，对本发明做进一步描述。实施例1
一种制备半固态合金浆料的方法，它包括以下步骤
1)将铝合金原料放入坩埚中熔化，并在700°C时进行精炼除气；
2)静置20min，当达到预定的浇注温度后一般为680°C，将坩埚中的熔液浇入用于制备半固态合金浆料的装置内，如图1、图2和图3所示，用于制备半固态合金浆料的装置包括通道体1和通道体1上贯通的通道2，所述的通道2的横截面为椭圆形，椭圆形的长短轴比为 1. 4:1，且通道2轴向沿轴线旋扭，旋扭强度为18° /cm，也就是说通道2沿轴线方向每过一个厘米就绕轴线旋转了 18°，换句话说通道2相隔一厘米之间的两个横截面上椭圆的轴线之间的夹角为18°，且一个截面是逐渐连续的过渡到另一个截面的；所述的通道体1的外表面轴向设有交叉设置的加热装置3和冷却装置4，且冷/热频率为4次/400mm，所述的加热装置3为螺旋状的线圈，所述的冷却装置4为螺旋状的水冷管道；如图4所示，通常为了增加生产效率，使用四个通道体1为一组，四个通道体1内通道2的上端均与分流装置5连通，以便将熔液分流到四个通道2内，而四个通道体1内通道2的下端与集流装置6连通， 以便将分别经过四个通道2后的熔液汇集；
3)最后熔液被用于制备半固态合金浆料的装置导流到浇注模具中。成型后的产品的金相图如图5所示，平均晶粒直径为45. lum，晶粒的圆整度为 0. 76。实施例2
一种制备半固态合金浆料的方法，它包括以下步骤
1)将铝合金原料放入坩埚中熔化，并在750°C时进行精炼除气；
2)静置25min，当达到预定的浇注温度后，将坩埚中的熔液浇入用于制备半固态合金浆料的装置内，用于制备半固态合金浆料的装置包括通道体1和通道体1上贯通的通道2，所述的通道2的横截面为椭圆形，椭圆形的长短轴比为1.8:1，且通道2轴向沿轴线旋扭，旋扭强度为9° /cm，所述的通道体1的外表面轴向设有交叉设置的加热装置3和冷却装置4，且冷/热频率为6次/400mm，所述的加热装置3为螺旋状的线圈，所述的冷却装置4为螺旋状的水冷管道；
3)最后熔液被用于制备半固态铝合金浆料的装置导流到浇注模具中。成型后的产品的金相图如图6所示，平均晶粒直径为42. Sum,晶粒的圆整度为 0. 78。实施例3一种制备半固态合金浆料的方法，它包括以下步骤
1)将铝合金原料放入坩埚中熔化，并在680°c时进行精炼除气；
2)静置15min，当达到预定的浇注温度后，将坩埚中的熔液浇入用于制备半固态铝合金浆料的装置内，用于制备半固态铝合金浆料的装置包括通道体1和通道体1上贯通的通道 2，所述的通道2的横截面为椭圆形，椭圆形的长短轴比为2:1，且通道2轴向沿轴线旋扭， 旋扭强度为13. 5° /cm，所述的通道体1的外表面轴向设有交叉设置的加热装置3和冷却装置4，且冷/热频率为2次/400mm，所述的加热装置3为螺旋状的线圈，所述的冷却装置 4为螺旋状的水冷管道；
3)最后熔液被用于制备半固态铝合金浆料的装置导流到浇注模具中。成型后的产品的平均晶粒直径为53. 6um,晶粒的圆整度为0. 61。实施例4
一种制备半固态合金浆料的方法，它包括以下步骤
1)将铝合金原料放入 坩埚中熔化，并在700°C时进行精炼除气；
2)静置20min，当达到预定的浇注温度后，将坩埚中的熔液浇入用于制备半固态铝合金浆料的装置内，用于制备半固态铝合金浆料的装置包括通道体1和通道体1上贯通的通道 2，所述的通道2的横截面为椭圆形，椭圆形的长短轴比为1.8:1，且通道2轴向沿轴线旋扭， 旋扭强度为4. 5° /cm，所述的通道体1的外表面轴向设有交叉设置的加热装置3和冷却装置4，且冷/热频率为4次/400mm，所述的加热装置3为螺旋状的线圈，所述的冷却装置4 为螺旋状的水冷管道；
3)最后熔液被用于制备半固态铝合金浆料的装置导流到浇注模具中。成型后的产品的金相图如图7所示，平均晶粒直径为39. 5um，晶粒的圆整度为 0. 84。以上实施例仅为本发明的较佳实施例，本发明不仅限于以上实施例还允许有其它结构变化，凡在本发明独立权要求范围内变化的，均属本发明保护范围。
权利要求
1.一种用于制备半固态合金浆料的装置，它包括通道体(1)和通道体(1)上贯通的通道(2)，其特征在于所述的通道(2)的横截面为椭圆形，椭圆形的长短轴比为1.2 2:1，且通道(2)轴向沿轴线旋扭。
2.根据权利要求1所述的用于制备半固态合金浆料的装置，其特征在于所述的旋扭强度为4. 5 18° /cm。
3.根据权利要求1所述的用于制备半固态合金浆料的装置，其特征在于所述的椭圆形的长短轴比为1.6 2:1。
4.根据权利要求1所述的用于制备半固态合金浆料的装置，其特征在于所述的旋扭强度为4. 5 13. 5° /cm。
5.根据权利要求1所述的用于制备半固态合金浆料的装置，其特征在于所述的通道体(1)的外表面轴向设有交叉设置的加热装置(3)和冷却装置(4)，且冷/热频率为广7次 /400mm。
6.根据权利要求5所述的用于制备半固态合金浆料的装置，其特征在于所述的加热装置(3)为螺旋状的线圈，所述的冷却装置(4)为螺旋状的水冷管道。
7.根据权利要求5所述的用于制备半固态合金浆料的装置，其特征在于所述的冷/ 热频率为3 5次/400mm。
8.一种制备半固态合金浆料的方法，其特征在于它包括以下步骤1)将合金原料放入坩埚中熔化，并在65(T750°C时进行精炼除气；2)静置15 25min，当达到预定的浇注温度后，将坩埚中的熔液浇入权利要求1所述的用于制备半固态合金浆料的装置内；3)最后熔液被权利要求1所述的用于制备半固态合金浆料的装置导流到浇注模具中。
9.根据权利要求8所述的制备半固态合金浆料的方法，其特征在于所述的步骤1)中的精炼除气温度为700°C。
10.根据权利要求8所述的制备半固态合金浆料的方法，其特征在于所述的步骤2)中的静置时间为20 min0
全文摘要
一种用于制备半固态合金浆料的装置，它包括通道体(1)和通道体(1)上贯通的通道(2)，所述的通道(2)的横截面为椭圆形，椭圆形的长短轴比为1.2~2:1，且通道(2)轴向沿轴线旋扭；一种制备半固态合金浆料的方法，它包括以下步骤1)将合金原料放入坩埚中熔化，并在650~750℃时进行精炼除气；2)静置15~25min，当达到预定的浇注温度后，将坩埚中的熔液浇入权利要求1所述的用于制备半固态合金浆料的装置内；3)最后熔液被权利要求1所述的用于制备半固态合金浆料的装置导流到浇注模具中。采用以上结构和方法后，与现有技术相比，本发明既具有结构简单，制作成本较低，又具有经过通道后的半固态铝合金浆料的晶粒的圆整度较高，晶粒的直径也较小，进而使得浇注成型的成品的综合力学性能较好的特点。
文档编号B22D1/00GK102343422SQ20111029804
公开日2012年2月8日 申请日期2011年10月8日 优先权日2011年10月8日
发明者俞凯逸, 刘 文, 刘立君, 吴红兵, 张国俊, 李继强, 潘凌峰, 贾志欣 申请人:浙江大学宁波理工学院