一种制备金属半固态浆料的装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开一种制备金属半固态浆料的装置，属于材料科学【技术领域】；该装置由熔炉、转棒诱导形核系统、旋转磁场发生器和结晶器三部分组成，过热金属熔体加热到预定温度后经过浇道正对转棒浇注，在转棒的切向力作用下，金属液绕转棒铺展形成熔体薄膜，促使熔体整体过冷，诱导熔体薄膜内部初生相大量形核，磁场的存在促使液膜在转棒周围均匀铺展，产生均匀过冷，熔体薄膜短暂地铺展后飞离转棒，防止初生相的进一步长大，最终获得得细小球状或近球状的显微组织，在该装置中通过控制金属熔体的温度、流速、转棒的转速、磁场发生器的电流大小来得到组织均匀、圆整的半固态合金浆料。
【专利说明】一种制备金属半固态浆料的装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种制备金属半固态浆料的装置，属于材料科学【技术领域】。
【背景技术】
[0002]金属半固态成形(Sem1-Solid Forming of Metals)就是在具有一定固液区间的金属凝固过程中，通过对其进行强烈搅拌、加入晶粒细化剂等方法来改变初生固相的形核和长大过程，得到一种晶粒细小、圆整、均匀分布的固液混合浆料。
[0003]金属半固态成形技术自从上世纪70年代被美国麻省理工学院Flemings的研究团队发现并提出以来，国内外学者提出了很多制备半固态浆料的方法，其中电磁搅拌技术在其中占据了主导地位，电磁搅拌不同于机械搅拌，不会在搅拌的过程中污染合金浆料，还可以防止在搅拌过程中气体的卷入，电磁搅拌参数容易控制，便于控制半固态浆料的生产。
[0004]电磁搅拌法之所以能够作为半固态浆料的主流制备方法就是利用了电磁力产生的金属液的强迫流动来影响和控制凝固过程，即利用通过磁场与金属液的相对运动，在金属液中产生感生电动势、电流及磁场，与外加磁场的交互作用使金属液承受洛伦兹力而产生强迫流动，它是属于外场作用下枝晶破碎球化技术。
[0005]传统的电磁搅拌技术就是在凝固过程中，对以枝晶方式生长的合金初生相实施剧烈搅拌，使枝晶发生断裂，进入熔体内部，实现晶粒的倍增，搅拌的强大越大，晶粒倍增现象越明显，晶粒越细，但是这种传统的电磁搅拌技术制浆方法能量消耗大、制备时间长且当搅拌强度超过某一特定值时，由于晶粒间的相互碰撞，晶粒细化的作用反而变差。
[0006]为了解决上述问题，本实用新型提供了一种交变磁场耦合作用下转棒诱导形核制备金属半固态浆料的方法及其装置，该方法在制浆过程中，金属液膜在转棒上均匀铺展，均匀过冷，在转的诱导作用下迅速形核，金属液膜在与转棒短暂接触后迅速飞离，防止了晶粒的进一步长大，获得均匀、细小的等轴晶粒，而且可以与具体的成型系统直接结合起来，具有操作简单、能量消耗低、制备时间短的优点。
【发明内容】
[0007]本实用新型的目的在于提供一种制备金属半固态浆料装置，实现金属熔体的均匀过冷，能够更好的促进初生相的形核且使游离晶核在熔体中均匀分布，最终获得组织均匀的半固态浆料，提高制备半固态浆料的质量，减少制备时间。
[0008]该制备金属半固态浆料的装置包括支撑架1、磁场发生器3、调速电机5、速度控制器6、传动皮带7、转棒10、石墨塞杆11、热电偶12、熔炉13、浇道15、电流控制器16、结晶器17,磁场发生器3、调速电机5、熔炉13固定于支撑架I上，转棒10固定于支撑架I上且位于磁场发生器3的内腔里，调速电机5与转棒10通过传动皮带7相连，在熔炉13上设有石墨塞杆11、热电偶12、浇道15，浇道15与熔炉13连通，浇道15的入口设于石墨塞杆11的下端，浇道15的出口正对转棒10，在磁场发生器3的下部设有结晶器17，调速电机5与速度控制器6连接，电流控制器16和磁场发生器3相连。[0009]本实用新型所述转棒10和旋转磁场发生器3内筒为中空，转棒10上设有转棒冷却水入口 8、转棒冷却水出口 9，旋转磁场发生器3上设有磁场发生器内筒冷却水入口 2、磁场发生器内筒冷却水出口 4，可通入循环冷却水。
[0010]本实用新型的另一目的是将制备金属半固态浆料的装置用于制备金属半固态浆料，其特征在于:转棒的转速为10(T3000r/min，电流的大小为5?50A，在整个诱导形核过程中通入保护气体，减少氧化和气体卷入，提高半固态浆料的质量。
[0011]本实用新型所述装置的转棒可通过调速电机带动并在磁场发生器产生的磁场中旋转，过热金属熔体加热到预定温度后经过浇道正对转棒浇注，在转棒的切向力作用下，金属液绕转棒铺展形成熔体薄膜，转棒激冷作用促使熔体薄膜整体过冷，诱导熔体薄膜内部初生相大量形核，磁场发生器产生的磁场促使液膜在转棒周围均匀铺展，获得厚度均匀的液膜，熔体薄膜短暂地铺展后，在转棒的离心力作用下飞离转棒，防止进一步过冷和初生相的进一步长大，同时在交变磁场在熔体内部产生的感应磁场，使得熔体内部得到充分搅拌，提高溶质和温度分布的均匀性，降低晶粒选择性生长的程度，达到晶粒细化、球化的效果。
[0012]本实用新型所述装置中浇注速度，转棒和磁场发生器的参数容易控制，操作简单，可连续浇注，在不改变压铸机、离心机等成型系统结构的前提下，本装置可直接安装在其进料口，实现短流程的半固态成形。
[0013]本实用新型所述装置的使用过程:浇注开始前，通过速度控制器6和电流控制器16设定调速电机5的转速和磁场发生器3的电流大小,过热金属熔体14在熔炉13中加热到预定温度后经过浇道15正对转棒10浇注，在转棒10的切向力作用下，金属液绕转棒铺展形成熔体薄膜，转棒10激冷作用促使熔体薄膜整体过冷，诱导熔体薄膜内部初生相大量形核，磁场发生器3产生的磁场促使液膜在转棒10周围均匀铺展，获得厚度均匀的液膜，熔体薄膜短暂地铺展后，在转棒10的离心力作用下飞离转棒10，防止进一步过冷和初生相的进一步长大，在结晶器17中获得具有细小球状或近球状的显微组织的半固态浆料，在该装置中通过控制金属熔体的温度、流速、转棒的转速、磁场发生器的电流大小来得到组织均匀、圆整的半固态合金浆料。
[0014]本实用新型的有益效果:
[0015](I)本实用新型的装置及方法可以获取组织均匀、圆整的半固态合金浆料，通过本装置及方法制备的半固态合金浆料，其显微组织得到明显细化，形态更加圆整，初生相分布更均匀；
[0016](2)本实用新型的装置及方法可以获取无污染的半固态合金浆料，在浆料的制备过程中不需添加任何变质剂且可以对其气氛保护，不会将其它成分带入合金中而影响实验结果;
[0017](3)由于转棒转速和磁场强度可以调节，转棒和磁场发生器内筒的直径大小可以改变，因此可以根据具体的实验条件选择适当的工艺参数；
[0018](4)装置结构简单、制浆流程短、可连续制浆、成本低、效率高，与此同时，能够与其他成形设备结合，直接制备具有优良性能的半固态器件，降低了半固态浆料储存和输送所需的成本。
【专利附图】
【附图说明】[0019]图1是本实用新型的激冷棒与电磁搅拌复合制备半固态浆料装置结构示意图；
[0020]图2是处理前的金相组织图；
[0021]图3是实施例1制备的半固态浆料金相组织图；
[0022]图4是实施例2制备的半固态浆料金相组织图；
[0023]图5是实施例3制备的半固态浆料金相组织图；
[0024]图中:1_支撑架，2-磁场发生器内筒冷却水入口，3-磁场发生器，4-磁场发生器内筒冷却水出口，5-调速电机，6-速度控制器，7-传动皮带，8-转棒冷却水入口，9-转棒冷却水出口，10-转棒，11-石墨塞杆，12-热电偶，13-熔炉，14-低过热度熔体，15-浇道，16-电流控制器，17-结晶器。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图和【具体实施方式】对本实用新型作进一步详细说明，但本法的保护范围并不限于所述内容。
[0026]实施例1
[0027]本实施例所述制备金属半固态浆料装置包括:支撑架1、磁场发生器3、调速电机5、速度控制器6、传动皮带7、转棒10、石墨塞杆11、热电偶12、熔炉13、浇道15、电流控制器16、结晶器17,磁场发生器3、调速电机5、熔炉13固定于支撑架I上，转棒10固定于支撑架I上且位于磁场发生器3的内腔里，调速电机5与转棒10通过传动皮带7相连，在熔炉13上设有石墨塞杆11、热电偶12、浇道15，浇道15与熔炉13连通，浇道15的入口设于石墨塞杆11的下端，浇道15的出口正对转棒10，在磁场发生器3的下部设有结晶器17，调速电机5与速度控制器6连接，电流控制器16和磁场发生器3相连，如图1所示。
[0028]本实用新型所述转棒10和旋转磁场发生器3内筒为中空，转棒10上设有转棒冷却水入口 8、转棒冷却水出口 9，旋转磁场发生器3上设有磁场发生器内筒冷却水入口 2、磁场发生器内筒冷却水出口 4，可通入循环冷却水。
[0029]本实用新型所述转棒的直径大小为100mm,磁场发生器内筒直径大小为300mm,转棒与磁场发生器内筒之间的距离为90mm。
[0030]将本实施例所述装置用于制备Al_25%Si合金的半固态浆料包括如下步骤:
[0031](I)将采用中频炉熔炼制备的Al_25%Si合金(液相温度线778°C，固相线温度577°C)低过热度熔体14转入熔炉13中790°C保温2h，确保低过热度熔体14混合均匀；
[0032](2)设定好工艺参数:转棒10的转速500r/min和磁场发生器3的电流强度25A，拔开石墨塞杆11，使金属熔体通过浇道15正对转棒10进行浇注，转棒10作用于合金熔体，由于转棒10的剪切作用，金属液绕转棒10铺展形成熔体薄膜，转棒10激冷作用促使熔体薄膜整体过冷，诱导熔体薄膜内部初生相大量形核，磁场发生器3产生的磁场促使液膜在转棒周围均匀铺展，获得厚度均匀的液膜，熔体薄膜短暂的铺展后，在转棒的离心作用下飞离转棒，防止进一步过冷和初生相的进一步长大。
[0033]本实施例制备得到的Al_25%Si合金的半固态浆料，金相组织图如图3所示，处理前的半固态浆料金相组织如图2所示，相比可以看出Al-25%Si合金的半固态浆料组织细小、均匀。
[0034]实施例2[0035]本实施例所述制备金属半固态浆料装置包括:支撑架1、磁场发生器3、调速电机5、速度控制器6、传动皮带7、转棒10、石墨塞杆11、热电偶12、熔炉13、浇道15、电流控制器16、结晶器17,磁场发生器3、调速电机5、熔炉13固定于支撑架I上，转棒10固定于支撑架I上且位于磁场发生器3的内腔里，调速电机5与转棒10通过传动皮带7相连，在熔炉13上设有石墨塞杆11、热电偶12、浇道15，浇道15与熔炉13连通，浇道15的入口设于石墨塞杆11的下端，浇道15的出口正对转棒10，在磁场发生器3的下部设有结晶器17，调速电机5与速度控制器6连接，电流控制器16和磁场发生器3相连。
[0036]本实用新型所述转棒10和旋转磁场发生器3内筒为中空，转棒10上设有转棒冷却水入口 8、转棒冷却水出口 9，旋转磁场发生器3上设有磁场发生器内筒冷却水入口 2、磁场发生器内筒冷却水出口 4，可通入循环冷却水。
[0037]本实用新型所述转棒的直径大小为200mm,磁场发生器内筒直径大小为500mm,转棒与磁场发生器内筒之间的距离为150mm。
[0038]将本实施例所述装置用于制备Al_25%Si合金的半固态浆料包括如下步骤:
[0039](I)将采用中频炉熔炼制备的Al_25%Si合金(液相温度线778°C，固相线温度577°C)低过热度熔体14转入熔炉13中790°C保温2h，确保低过热度熔体低过热度熔体14混合均勻；
[0040](2)设定好工艺参数:转棒10的转速400r/min和磁场发生器3的电流强度20A，拔开石墨塞杆11，使金属熔体通过浇道15正对转棒10进行浇注，转棒10作用于合金熔体，由于转棒10的剪切作用，金属液绕转棒10铺展形成熔体薄膜，转棒10激冷作用促使熔体薄膜整体过冷，诱导熔体薄膜内部初生相大量形核，磁场发生器3产生的磁场促使液膜在转棒周围均匀铺展，获得厚度均匀的液膜，熔体薄膜短暂的铺展后，在转棒的离心作用下飞离转棒，防止进一步过冷和初生相的进一步长大。
[0041]本实施例制备得到的Al_25%Si合金的半固态浆料，金相组织图如图4所示，由图可以看出Al-25%Si合金的半固态浆料组织细小、均匀。
[0042]实施例3
[0043]本实施例所述制备金属半固态浆料装置包括:支撑架1、磁场发生器3、调速电机5、速度控制器6、传动皮带7、转棒10、石墨塞杆11、热电偶12、熔炉13、浇道15、电流控制器16、结晶器17,磁场发生器3、调速电机5、熔炉13固定于支撑架I上，转棒10固定于支撑架I上且位于磁场发生器3的内腔里，调速电机5与转棒10通过传动皮带7相连，在熔炉13上设有石墨塞杆11、热电偶12、浇道15，浇道15与熔炉13连通，浇道15的入口设于石墨塞杆11的下端，浇道15的出口正对转棒10，在磁场发生器3的下部设有结晶器17，调速电机5与速度控制器6连接，电流控制器16和磁场发生器3相连。
[0044]本实用新型所述转棒10和旋转磁场发生器3内筒为中空，转棒10上设有转棒冷却水入口 8、转棒冷却水出口 9，旋转磁场发生器3上设有磁场发生器内筒冷却水入口 2、磁场发生器内筒冷却水出口 4，可通入循环冷却水。
[0045]本实用新型所述转棒的直径大小为30mm,磁场发生器内筒直径大小为IOOmm,转棒与磁场发生器内筒之间的距离为35mm。
[0046]将本实施例所述装置用于制备Al_25%Si合金的半固态浆料包括如下步骤:
[0047](I)将采用中频炉熔炼制备的Al_25%Si合金(液相温度线778°C，固相线温度577°C)低过热度熔体14转入熔炉13中790°C保温2h，确保低过热度熔体14混合均匀；
[0048](2)设定好工艺参数:转棒10的转速100r/min和磁场发生器3的电流强度25A，拔开石墨塞杆11，使金属熔体通过浇道15正对转棒10进行浇注，转棒10作用于合金熔体，由于转棒10的剪切作用，金属液绕转棒10铺展形成熔体薄膜，转棒10激冷作用促使熔体薄膜整体过冷，诱导熔体薄膜内部初生相大量形核，磁场发生器3产生的磁场促使液膜在转棒周围均匀铺展，获得厚度均匀的液膜，熔体薄膜短暂的铺展后，在转棒的离心作用下飞离转棒，防止进一步过冷和初生相的进一步长大。
[0049]本实施例制备得到的Al_25%Si合金的半固态浆料，金相组织图如图5所示，由图可以看出Al-25%Si合金的半固态浆料组织细小、均匀。
[0050]实施例4
[0051]本实施例所述制备金属半固态浆料装置包括:支撑架1、磁场发生器3、调速电机
5、速度控制器6、传动皮带7、转棒10、石墨塞杆11、热电偶12、熔炉13、浇道15、电流控制器16、结晶器17,磁场发生器3、调速电机5、熔炉13固定于支撑架I上，转棒10固定于支撑架I上且位于磁场发生器3的内腔里，调速电机5与转棒10通过传动皮带7相连，在熔炉13上设有石墨塞杆11、热电偶12、浇道15，浇道15与熔炉13连通，浇道15的入口设于石墨塞杆11的下端，浇道15的出口正对转棒10，在磁场发生器3的下部设有结晶器17，调速电机5与速度控制器6连接，电流控制器16和磁场发生器3相连。
[0052]本实用新型所述转棒10和旋转磁场发生器3内筒为中空，转棒10上设有转棒冷却水入口 8、转棒冷却水出口 9，旋转磁场发生器3上设有磁场发生器内筒冷却水入口 2、磁场发生器内筒冷却水出口 4，可通入循环冷却水。
[0053]本实用新型所述转棒的直径大小为80mm,磁场发生器内筒直径大小为200mm,转棒与磁场发生器内筒之间的距离为60mm。
[0054]将本实施例所述装置用于制备过共晶高铬铸铁合金(Cr: 19.4%, C:3.86%, S1:2.7%)的半固态浆料包括如下步骤:
[0055](I)将采用中频炉熔炼制备的过共晶高铬铸铁合金(液相温度线1337°C，固相线温度1276°C)低过热度熔体14转入熔炉13中140(TC保温2h，确保低过热度熔体14混合均匀；
[0056](2)设定好工艺参数:转棒10的转速3000r/min和磁场发生器3的电流强度5A,拔开石墨塞杆11，使金属熔体通过浇道15正对转棒10进行浇注，转棒10作用于合金熔体，由于转棒10的剪切作用，金属液绕转棒10铺展形成熔体薄膜，转棒10激冷作用促使熔体薄膜整体过冷，诱导熔体薄膜内部初生相大量形核，磁场发生器3产生的磁场促使液膜在转棒周围均匀铺展，获得厚度均匀的液膜，熔体薄膜短暂的铺展后，在转棒的离心作用下飞离转棒，防止进一步过冷和初生相的进一步长大。
[0057]实施例5
[0058]本实施例所述制备金属半固态浆料装置包括:支撑架1、磁场发生器3、调速电机
5、速度控制器6、传动皮带7、转棒10、石墨塞杆11、热电偶12、熔炉13、浇道15、电流控制器16、结晶器17,磁场发生器3、调速电机5、熔炉13固定于支撑架I上，转棒10固定于支撑架I上且位于磁场发生器3的内腔里，调速电机5与转棒10通过传动皮带7相连，在熔炉13上设有石墨塞杆11、热电偶12、浇道15，浇道15与熔炉13连通，浇道15的入口设于石墨塞杆11的下端，浇道15的出口正对转棒10，在磁场发生器3的下部设有结晶器17，调速电机5与速度控制器6连接，电流控制器16和磁场发生器3相连。
[0059]本实用新型所述转棒10和旋转磁场发生器3内筒为中空，转棒10上设有转棒冷却水入口 8、转棒冷却水出口 9，旋转磁场发生器3上设有磁场发生器内筒冷却水入口 2、磁场发生器内筒冷却水出口 4，可通入循环冷却水。
[0060]本实用新型所述转棒的直径大小为120mm,磁场发生器内筒直径大小为400mm,转棒与磁场发生器内筒之间的距离为130mm。
[0061]将本实施例所述装置用于制备过共晶高铬铸铁合金(Cr: 19.4%, C:3.86%, S1:2.7%)的半固态浆料包括如下步骤:
[0062](I)将采用中频炉熔炼制备的过共晶高铬铸铁合金(液相温度线1337°C，固相线温度1276°C)低过热度熔体14转入熔炉13中140(TC保温2h，确保低过热度熔体14混合均匀；
[0063](2)设定好工艺参数:转棒10的转速2000r/min和磁场发生器3的电流强度50A，拔开石墨塞杆11，使金属熔体通过浇道15正对转棒10进行浇注，转棒10作用于合金熔体，由于转棒10的剪切作用，金属液绕转棒10铺展形成熔体薄膜，转棒10激冷作用促使熔体薄膜整体过冷，诱导熔体薄膜内部初生相大量形核，磁场发生器3产生的磁场促使液膜在转棒周围均匀铺展，获得厚度均匀的液膜，熔体薄膜短暂的铺展后，在转棒的离心作用下飞离转棒，防止进一步过冷和初生相的进一步长大。
【权利要求】
1.一种制备金属半固态浆料的装置，其特征在于:该装置包括支撑架(I)、磁场发生器(3)、调速电机(5)、速度控制器(6)、传动皮带(7)、转棒(10)、石墨塞杆(11)、热电偶(12)、熔炉(13)、浇道(15)、电流控制器(16)、结晶器(17)，磁场发生器(3)、调速电机(5)、熔炉(13)固定于支撑架(I)上，转棒(10)固定于支撑架(I)上且位于磁场发生器(3)的内腔里，调速电机(5 )与转棒(10 )通过传动皮带(7 )相连，在熔炉(13 )上设有石墨塞杆(11)、热电偶(12)、浇道(15)，浇道(15)与熔炉(13)连通，浇道(15)的入口设于石墨塞杆(11)的下端，浇道(15)的出口正对转棒(10)，在磁场发生器(3)的下部设有结晶器(17)，调速电机(5)与速度控制器(6)连接，电流控制器(16)和磁场发生器(3)相连。
2.根据权利要求1所述的制备金属半固态浆料的装置，其特征在于:转棒(10)和旋转磁场发生器(3)内筒为中空，转棒(10)上设有转棒冷却水入口(8)、转棒冷却水出口(9)，旋转磁场发生器(3)上设有磁场发生器内筒冷却水入口(2)、磁场发生器内筒冷却水出口(4)，可通入循环冷却水。
【文档编号】B22D27/02GK203679244SQ201320810611
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2013年12月11日 优先权日:2013年12月11日
【发明者】周荣锋, 何志坚, 陈宗宝, 蒋业华, 周荣, 卢德宏 申请人:昆明理工大学