半固态金属浆料的制备和流变成型方法

专利名称：半固态金属浆料的制备和流变成型方法
技术领域：
本发明属于半固态金属桨料的,制备与成型技术领域，特别提供了一种半固 态金属浆料的制备和流变成型方法，适用于半周态金属浆料的制备与成型。
技术背景自从七十年代初期美国麻省理工学院(MIT)发明了半固态金属成形技术 以来，半固态金属浆料的制备与成型技术引起各国的广泛关注和研究。据文献 "Behavior of metal alloys in the semisolid state" (M C Flemings, Metall Trans,1991,22A:957-981 )、 "Method and apparatus for shaping semisolid metals" (AMitsuru , S Hiroto, H Yasunori, et al, EP Patent, 0745694A1,1996)、 "A novel technique to produce metal slurries for semi-solid metal processing" (J Wannasin， R A Martinez, M C Flemings, [in] Prac o///ze M /W. Co"/ o/iSemz'-So/zW iVoce肌'wg o/y4〃o>\s cmd Cow; os"es, BusairKorea， 2006， p.366陽369)、 "Rheocasting processes for semi-solid casting of aluminum alloys" (S P Midson， Die Casting Engineer，2006,50(l):48-51)、"半固态金属及合金浆料或坯料的制备 方法"(毛卫民，中国专利，200410009296.X, 2004)和《金属材料半固态加 工理论与技术》(编著康永林，毛卫民，胡壮麒，科学出版社，2004)报道， 获得半固态金属浆料的方法很多，如机械搅拌法、电磁搅拌法、应变引起的熔 体激活法(strain induced melt activation)、晶粒细化和重熔法、紊流效应法、 单螺旋搅拌法、双螺旋搅拌法、低过热度倾斜板浇注法、低过热度浇注和弱电 磁搅拌法、低过热度浇注和弱机械搅拌法、熔体混合法、控制浇注高度法、气 泡搅拌法等。同样，上述文献也提出了许多半固态金属浆料的流变成型方法， 如传统机械搅拌式流变成型、压射室制备浆料式流变成型、单螺旋机械搅拌式 流变成型、双螺旋机械搅拌式流变成型、低过热度倾斜板浇注式流变成型、低 过热度浇注和弱机械搅拌式流变成型、低过热度浇注和弱电磁搅拌式流变成 型、SLC式(Sub-Liquidus Casting)流变成型、CRP式(Continuous Rheoconversion Process)流变成型、SEED式(Swirled Enthalpy Equilibation Device)流变成型、 CSIR式(The Council for Science and industrial Research)流变成型。但为了降低 半固态金属浆料的制备与成型成本，世界各国的学者、专家和工业界仍在不断 努力，试图提出新的半固态金属浆料或坯料的制备技术。在电磁搅拌制备半固态金属浆料方法中，美国4229210号和4434837号专 利要求必须对金属熔体进行强烈的电磁搅拌，即电磁搅拌的功率很大，搅拌所 产生的剪切速率一般在500~1500S—'。在这样的剪切速率下，被搅拌金属液的 旋转速度很高， 一般都超过500转/分钟，这时才能获得细小和球状初晶的半 固态金属浆料或坯料，因而坯料的制备成本较高。如果剪切速率小于500S—'， 初晶的形态变差，多为蔷薇状初晶，而且半固态金属浆料或坯料表面的枝晶层 较厚，这种半固态金属坯料不适于半固态触变成形。美国专利3902544、 3948650、 3954455号和文献"Rheocasting" ( MC Flemings, R G Riek and K P Young, Materials Science and engineering, 1976, 25: 103-117)中都提到,制备半固态金属浆料的机械搅拌方法都采用强烈的机 械搅拌。机械搅拌方法利用旋转叶片或搅拌棒将凝固中的初生固相枝晶打碎， 获得半固态金属浆料。在搅拌中，这些机械搅拌的叶片和搅拌棒的相对转速 都很高， 一般均在500转/分钟以上，甚至超过10000转/分钟。在如此高的搅 拌速率下，搅拌室和搅拌棒的寿命不长，容易污染球状初晶半固态金属浆料 或坯料，降低半固态金属浆料或坯料的内部质量。文献"Semi-solid processing of engineering alloys by a twin-screw rheomolding process." (S Ji, Z Fan and M J Bevis,Mater Sci & Eng, 2001, 299A: 210-217)提出双螺旋机械搅拌流变射铸的设备主要包括液态镁合金供料机 构、双螺旋机械搅拌机构、压射机构和中央控制机构。供料机构能够保证向 双螺旋机械搅拌机构提供温度合适和数量合适的液态镁合金；液态镁合金一 旦进入搅拌系统， 一边被双螺旋搅拌桶强烈地剪切， 一边被快速冷却到预期 的固相分数；当半固态镁合金浆料到达输送阀时，初生固相已经转变为球状 颗粒，并均匀分布在低熔点的液相中；当输送阀打开时，半固态镁合金浆料 进入压射室，被压入模具型腔，并在模具中完全凝固，最终形成机械零件。 但这种双螺旋机械搅拌流变射铸设备仅适合于镁合金的半固态流变成型。文献"液相线铸造铝合金2618显微组织"(刘丹，崔建忠，夏可农.东北大学 学报.1999,20(2):173-176)提出在非搅拌条件下，仅利用控制浇注温度，也 可以制备半固态金属浆料，这种方法被称为液相线铸造法，但该方法要求金属 液的浇注温度非常接近该金属液的液相线温度，即比该液相线温度高1~5°C， 才能获得半固态金属浆料，这使得大容量金属液温度的控制变得十分困难，金 属液的流动性也变差。如果提高金属液的浇注温度，初晶的球状形态会恶化， 由液相线浇注时的球状转变为蔷薇状或枝晶状，这种半固态金属浆料的触变性 很差，半固态成形时的变形不均匀，易出现液固相偏析，不利于金属的半固态 成型。中国专利00109540. 4提出了一种制备半固态金属浆料或坯料的方法，即将 低过度的金属液直接浇入铸模或连铸结晶器中，同时对该过热金属液进行弱搅 拌，就可制备出半固态金属浆料或坯料，而且该半固态金属浆料或坯料纯净， 不会受到制备装置的污染，因此该制备方法的设备投资较低、半固态金属桨料 或坯料的制备成本较低，半固态金属浆料便于各种流变成型，半固态金属坯料 便于各种触变成型。但该方法在制备半固态金属浆料时还需要专门的电磁搅袢 设备或机械搅拌设备，整体设备的构成复杂，制备工艺比较麻烦。欧洲专利EP 0745691A l提出了 New Rheocasting技术，简称NRC。在NRC
技术中，首先降低浇注金属液的过热度，将金属液浇注到一个倾斜平板(或 倾斜圆管、或倾斜半圆管)上，金属熔体流入收集坩埚，再经过适当的冷却 凝固，这时的半固态金属熔体中的初生固相就呈球状，均匀分布在低熔点的 残余液相中，最后对收集坩埚中的金属浆料进行温度调整，以获得尽可能均 匀的温度场或固相分数，最终得到半固态金属浆料。但该倾斜板的倾斜角度 较小， 一般在30 60度(倾斜平板与水平方向的夹角)之间，容易粘挂金属熔体，需要不断清理，也浪费金属。文献'"Idra Prince Rheocasting and Squeeze Casting Technology" (J Yueko， Die Casting Engineer, 2002, (4): 20-23)指出:美国麻省理工学院(MIT)的 Martinez和Flemings等人提出了 一种新的流变成型技术。该技术的核心思想是 将低过热度的金属液浇注到制备坩埚中(该坩埚内径尺寸适合压铸机的压射室 尺寸)，利用镀膜的铜棒对坩埚中的金属液进行短时弱机械搅拌，使金属熔体 冷却到液相线温度以下，然后移走搅拌铜棒，让坩埚中的半固态金属熔体冷却 到预定的温度或固相分数，就得到了半固态金属浆料。将该半固态金属浆料进 行流变压铸或锻造，就可成型各种零件。但该方法在制备半固态金属浆料时还 需要专门的机械搅拌设备，整体设备的构成复杂，制备工艺比较麻烦。特别需要强调的一点是，以上各种制备半固态金属浆料及流变成型工艺均有自己 的特点，也都存在各自的不足，仍然需要提出新的半固态金属荥料的制备与成型 技术，以便简化工艺、降低生产成本。发明内容本发明的目的在于提供一种半固态金属浆料的制备和流变成型方法。实现 了制备工艺简单、投资少、生产成本低，非常适合半固态金属浆料及坯料的制 备和流变成型生产。一种半固态金属浆料的制备和流变成型方法，其特征是将过热金属液浇入 一个由倾斜管和垂直管组成的斜直复合管通道内，过热金属液的温度预先控制 在其液相线温度以上0~200°C，过热金属液沿着该斜直复合管通道的内壁向下 流动，再流入为相对磁导率为0.9 1.1的石墨、或陶瓷、或铜合金、或不锈钢、或不锈铁的圆柱形或多边棱柱形的制备坩埚中，该金属熔体部分凝固后就可以 获得半固态金属浆料；同时控制该金属浆料的后续冷却速度为l~5(TC/min，使 该半固态金属浆料达到预定的0.2~0.7的固相分数或该预定固相分数所对应的 金属浆料温度；最终使该半固态金属桨料的温度场均匀，该半固态金属浆料的 边缘和心部的温度差为士1 5'C，然后将该固相分数或该固相分数相对应温度 的半固态金属浆料直接送至压铸机、或挤压铸造机、或锻造机成型。或使流过 该斜直复合管通道的金属熔体不再流入制备坩埚，而是直接流入压铸机、或挤 压铸造机的压射室内、或锻造机的锻模内，再流变压铸成型、或流变挤压铸造 成型、或流变锻造成形。该金属熔体流入该制备坩埚后，可进一步完全凝固， 可获得该半固态金属的坯料；或该金属液流过斜直复合管通道后再流入连铸结 晶器，连续铸造出该半固态金属的坯料，该坯料可作为半固态触变成形的原始 坯料。该斜直复合管通道的倾斜管段的高度为0~300mm，倾斜管段内壁与地平 面垂直线的夹角为0-60度；斜直复合管通道的垂直管段的高度为50~1000mm; 斜直复合管通道的内径为5~50mm;斜直复合管通道的材质为相对磁导率为 0.9 1.1的石墨、或陶瓷、或铜合金、或不锈钢、或不锈铁；斜直复合管通道 的内壁可以涂刷陶瓷涂料衬里，该陶瓷涂料衬里的厚度为0.2 2mm;在浇注过 热金属液时，斜直复合管通道的温度低于该金属液的固相线温度；斜直复合管 通道可以被预热或强制冷却，其预热可以采用电阻丝加热方式、或电磁感应加 热方式、或气体加热方式，其强制冷却可以采用循环水冷却、或气流冷却、或含 盐水冷却、或机油冷却。在浇注金属液之后，将该制备坩埚和该制备坩埚中的半固态金属桨料一起 移入温度控制器中。该温度控制器中设有加热元件和冷却元件，可以控制半固 态金属浆料的后续冷却速度或温度场，使该半固态金属浆料达到预定的0.2-0.7 的固相分数或该预定固相分数所对应的金属浆料温度。该半固态金属浆料的后 续冷却速度为l~50°C/min;最终使该半固态金属浆料的温度场均匀，该半固态 金属浆料的边缘和心部的温度差为土1 5'C;该温度控制器中的加热元件通过 其产生的电阻热、或电磁感应热来控制半固态金属浆料的后续冷却或温度场； 该温度控制器中的冷却元件通以室温空气或室温氩气、或SF6与空气、或SF6与C02 气体的混合物，或通以自来水或机油冷却液体，以此来控制半固态金属浆料的后 续冷却或温度场。在制备坩埚和斜直复合管通道中，可以通入保护气体来避免或减少金属液 的氧化；该保护气体可以是氩气、或氮气、氦气或SFs与空气、或SF6与C02气 体的混合物。金属熔体流入制备坩埚后，可进一步完全凝固，可获得半固态金属的坯料； 或该金属液流过斜直复合管通道内壁后再直接流入连铸结晶器，连续铸造出半 固态金属的坯料。该坯料可作为半固态触变成型的原始坯料。上述半固态金属是指成分低于最大固溶度的铝合金、或亚共晶铝合金、或过共 晶铝合金；或镁合金、或亚共晶镁合金；或者半固态金属是过共晶锌合金、或成分高 于最大固溶度的锌合金。本发明的优点在于控制金属液的过热度为0~200°C，将该过热金属液浇 入到斜直复合管通道中(斜直复合管通道的温度低于该过热金属液的固相线温 度)，过热金属液沿着斜直复合管通道的内壁向下流动，再流入为相对磁导率 为0.9 U的石墨、或陶瓷、或铜合金、或不锈钢、或不锈铁的圆柱形或多边 棱柱形的制备坩埚中，这种方法不仅消除了单一倾斜板(或倾斜管、或倾斜半
圆管)浇注的难度，不易粘挂金属熔体，而且垂直管段能大幅度地提高金属的 流动性，可以对制备坩埚里的熔体造成较强烈的搅拌，因此不必采用复杂的电 磁搅拌或机械搅拌装备，这大大减少了制备能耗，简化了半固态金属浆料的制 备过程，同样可获得优良的半固态金属浆料，明显降低了半固态金属浆料的制 备成本。这些半固态金属浆料经过后续冷却或控制温度场，使该半固态金属浆 料达到预定的0.2~0.7的固相分数或该预定固相分数相对应的温度，将达到该 预定固相分数或温度的半固态金属浆料送入压铸机或挤压铸造机或锻造机的 压射室内，进行流变压铸、或流变挤压铸造、或流变锻造成型。或者，使流过 斜直复合管通道的金属熔体不再流入制备坩埚，而是直接流入压铸机或挤压铸 造机或锻造机的压射室内，直接进行流变压铸成型、或流变挤压铸造成型、或 流变锻造成型。该流变压铸成型、或该流变挤压铸造成型、或该流变锻造成型 大大缩短了半固态金属的触变成型工艺流程，也大幅度减少了设备投资,最终 降低了半固态金属成型件的生产成本。本发明的制备半固态金属浆料工艺是一 坩埚一坩埚的制备，半固态金属浆料的输送很容易实现，浆料的液相分数还可 以控制的较高，便于成形非常复杂的零件毛坯，而常规半固态金属触变成型坯 料的液相分数不能控制太高，成型非常复杂零件时比较困难，否则坯料的搬运 难以实现工艺操作。本发明的工艺使半固态金属浆料流变成型后的浇注系统、 废品将直接在本车间回用，降低半固态金属流变成型的生产成本，而常规半固 态金属坯料触变成型后的浇注系统、废品必须返回到坯料制备车间或坯料供应者的生产厂，增加了半固态金属触变成型的生产成本。


图1是本发明制备的半固态ZL101A铝合金浆料的淬火组织，浅色区域为 球状初生a-AI，深色区域为凝固的共晶液体。图2是本发明的控制冷却后的半固态ZL101A铝合金浆料的淬火组织，浅 色区域为球状初生oc-Al，深色区域为凝固的共晶液体。图3是本发明制备的半固态ZL101A铝合金浆料的淬火组织，浅色区域为 球状初生cc-Al，深色区域为凝固的共晶液体。
具体实施方式
实施例1、利用电阻熔化炉产生过热度为15°C (即浇注温度为630°C)的 ZL101A铝合金液，斜直复合管通道的斜管段的高度为10mm，倾斜管段内壁 与地平面垂直线的夹角为5度；斜直复合管通道的垂直管段的高度为100mm， 斜直复合管通道的内径为15mm，该斜直复合管通道的材质为石墨。将过热15 'C的ZL101A铝合金液直接浇入到该斜直复合管通道内，并沿着该斜直复合管 通道的内壁流入奥氏体型不锈钢质的圆柱形制备坩埚中，当ZL101A铝合金液 部分凝固时，即可得到半固态ZL101A铝合金浆料；将该制备坩埚连同其中的 半固态ZL101A铝合金浆料移至温度控制器中，该温度控制器由1000Hz的中 频电磁感应圈构成，控制其功率以使该制备坩埚连同其中的半固态ZL101A铝 合金浆料进一步的冷却或控制浆料的温度场，冷却速度为5°C/min,将该半固 态ZL101A铝合金的固相分数控制在预定的范围，即0.2-0.7或将该半固态 ZL101A铝合金浆料温度控制在580~600°C;在该浆料冷却或控制温度场的过 程中，该半固态ZL101A铝合金浆料的边缘和心部的温度差小于土3'C;至此， 适合半固态流变压铸的半固态ZL101A铝合金浆料就制备完毕。将该预定固相 分数0.2-0.7或预定温度580 600。C的半固态ZL101A铝合金浆料倒入一冷室卧 式压铸机的压室，再压射成型；该压铸机的压室预热温度为250°C，该压铸型 的预热温度为200°C;当持压5 8秒(此时该压铸型中的半固态ZL101A铝合金 浆料完全凝固)时，可开型取出该压铸件，就完成了一次ZL101A铝合金的流 变压铸过程。实施例2、利用电阻熔化炉产生过热度为15°C (即浇注温度为630°C)的 ZL101A铝合金液，斜直复合管通道的斜管段的高度为50mm，倾斜管段内壁 与地平面垂直线的夹角为10度；斜直复合管通道的垂直管段的高度为50mm, 斜直复合管通道的内径为20mm，该斜直复合管通道的材质为石墨。将过热15 'C的ZL101A铝合金液直接浇入到该斜直复合管通道内，并沿着该斜直复合管 通道的内壁流入奥氏体型不锈钢质的圆柱形制备坩埚中，当ZL101A铝合金液 部分凝固时，即可得到半固态ZL101A铝合金浆料，其组织如图l所示；将该 制备埘埚连同其中的半固态ZL101A铝合金浆料移至温度控制器中，该温度控 制器由1000Hz的中频电磁感应圈构成，控制其功率以使该制备坩埚连同其中 的半固态ZL101A铝合金浆料进一步的冷却或控制浆料的温度场，冷却速度为 5'C/min，将该半固态ZL101A铝合金的固相分数控制在预定的范围，即0.2~0.7 或将该半固态ZL101A铝合金浆料温度控制在5S0 600'C，其组织如图2所示； 在该浆料冷却或控制温度场的过程中，该半固态ZL101A铝合金浆料的边缘和 心部的温度差小于土3'C;至此，适合半固态流变压铸的半固态ZL101A铝合 金浆料就制备完毕。将该预定固相分数0.2-0.7或预定温度580 60(TC的半固 态ZL101A铝合金浆料倒入一冷室压铸机的压室，再压射成型；该压铸机的压 室预热温度为250。C，该压铸型的预热温度为200°C;当持压5 8秒(此时该压 铸型中的半固态ZL101A铝合金浆料完全凝固)时，可开型取出该压铸件，就 完成了一次ZU01A铝合金的流变压铸过程。实施例3、利用电阻熔化炉产生过热度为85°C (即浇注温度为700'C)的 ZL101A铝合金液，斜直复合管通道的斜管段的高度为200mm，倾斜管段内壁 与地平面垂直线的夹角为30度；斜直复合管通道的垂直管段的高度为200mm， 斜直复合管通道的内径为30mm，该斜直复合管通道的材质为石墨；在浇注该 ZL101A铝合金液过程中，利用外镶的冷却水套冷却该斜直复合管通道。将过 热85'C的ZL101A铝合金液直接浇入到斜直复合管通道内，并沿着该斜直复合
管通道的内壁流入的圆柱形石墨制备坩埚中，当ZL101A铝合金液部分凝固时， 即可得到半固态ZL101A铝合金浆料；将该制备坩埚连同其中的半固态ZL101A 铝合金浆料移至温度控制器中，该温度控制器由1000Hz的中频电磁感应圈构 成，控制其功率以使该制备坩埚连同其中的半固态ZL101A铝合金浆料进一步 的冷却或控制浆料的温度场，冷却速度为5°C/min，将该半固态ZL101A铝合 金的固相分数控制在预定的范围，即0.2-0.7或将该半固态ZL101A铝合金浆 料温度控制在580~60(TC,其组织与图2类似；在该浆料冷却或控制温度场的 过程中，该半固态ZL101A铝合金浆料的边缘和心部的温度差小于士3t:;至 此，适合半固态流变压铸的半固态ZL101A铝合金桨料就制备完毕。将该预定 固相分数0.2-0.7或预定温度580 600。C的半固态ZL101A铝合金浆料倒入一冷 室卧式压铸机的压室，再压射成型；该压铸机的压室预热温度为250°C，该压 铸型的预热温度为200°C;当持压5 8秒(此时该压铸型中的半固态ZL101A铝 合金浆料完全凝固)时，可开型取出该压铸件，就完成了一次ZL101A铝合金 的流变压铸过程。实施例4、利用电阻熔化炉产生过热度为200'C (即浇注温度为815'C)的 ZL101A铝合金液，斜直复合管通道的斜管段的高度为300mm，倾斜管段内壁 与地平面垂直线的夹角为60度；斜直复合管通道的垂直管段的高度为 lOOOmm，斜直复合管通道的内径为50mm，该斜直复合管通道的材质为石墨； 在浇注该ZL101A铝合金液过程中，利用外镶的冷却水套冷却该斜直复合管通 道，并向该斜直复合管通道内吹入保护氩气，氩气的流量为每分钟3升。将过 热200'C的ZL101A铝合金液直接浇入到该斜直复合管通道内，并沿着该斜直 复合管通道的内壁流入奥氏体型不锈钢质的圆柱形制备坩埚中，当ZL101A铝 合金液部分凝固时，即可得到半固态ZL101A铝合金浆料；将该制备坩埚连同 其中的半固态ZL101A铝合金浆料移至温度控制器中，该温度控制器由lOOOHz 的中频电磁感应圈构成，控制其功率以使该制备坩埚连同其中的半固态 ZL101A铝合金浆料进一步的冷却或控制浆料的温度场，冷却速度为5°C/min， 将该半固态ZL101A铝合金的固相分数控制在预定的范围，即0.2-0.7或将该 半固态ZLIOIA铝合金浆料温度控制在580~600°C，其组织与图2类似；在该 浆料冷却或控制温度场的过程中，该半固态ZL101A铝合金浆料的边缘和心部 的温度差小于土3'C;至此，适合半固态流变压铸的半固态ZL101.A铝合金浆 料就制备完毕。将该预定固相分数0.2-0.7或预定温度580 60(TC的半固态 ZL101A铝合金浆料倒入一冷室卧式压铸机的压室，再压射成型；该压铸机的 压室预热温度为250°C,该压铸型的预热温度为200°C;当持压5 8秒(此时该 压铸型中的半固态ZL101A铝合金浆料完全凝固)时，可幵型取出该压铸件， 就完成了一次ZL101A铝合金的流变压铸过程。实施例5、利用电阻熔化炉产生过热度为45'C (即浇注温度为660°C)的
ZL101A铝合金液，斜直复合管通道的斜管段的高度为100mm，倾斜管段内壁 与地平面垂直线的夹角为30度；斜直复合管通道的垂直管段的高度为250mm, 斜直复合管通道的内径为25mm，该斜直复合管通道的材质为铜合金，通道内 表面涂刷一层0.5mm厚的锆英粉涂料。将过热45'C的该ZL101A铝合金液直 接浇入到该斜直复合管通道内，并沿着该斜直复合管通道的内壁流入奥氏体型 不锈钢质的圆柱形制备坩埚中，当ZL101A铝合金液部分凝固时，即可得到半 固态ZL101A铝合金浆料；将该制备坩埚连同其中的半固态ZL101A铝合金浆 料移至温度控制器中，该温度控制器由1000Hz的中频电磁感应圈构成，控制 其功率以使该制备坩埚连同其中的半固态ZL101A铝合金浆料进一步的冷却或 控制浆料的温度场，冷却速度为5'C/min，将该半固态ZL101A铝合金的固相 分数控制在预定的范围，即0.2-0.7或将该半固态ZL101A铝合金浆料温度控 制在580 60(TC，其组织与图2类似；在该浆料冷却或控制温度场的过程中， 该半固态ZL101A铝合金浆料的边缘和心部的温度差小于士3'C;至此，适合半 固态流变压铸的半固态ZL101A铝合金浆料就制备完毕。将该预定固相分数 0.2~0.7或预定温度580 600。C的半固态ZL101A铝合金浆料倒入一冷室立式压 铸机的压室，再压射成型；该压铸机的压室预热温度为250°C，该压铸型的预 热温度为200°C;当持压5 8秒(此时该压铸型中的半固态ZL101A铝合金浆料 完全凝固)时，可开型取出该压铸件，就完成了一次ZL01A铝合金的流变压 铸过程。实施例6、利用电阻熔化炉产生过热度为45°C (即浇注温度为695°C)的 ZL117铝合金液，斜直复合管通道的斜管段的高度为100mm，倾斜管段内壁与 地平面垂直线的夹角为30度；斜直复合管通道的垂直管段的高度为300mm， 斜直复合管通道的内径为25mm，该斜直复合管通道的材质为石墨。在浇注该 ZL117铝合金液之前，利用缠绕在斜直复合管通道外壁的电阻丝预热该斜直复 合管通道，使其温度保持在200'C。将过热45"C的该ZL117铝合金液直接浇入 到该斜直复合管通道内，并沿着该斜直复合管通道的内壁流入奥氏体型不锈钢 质的圆柱形制备坩埚中，当ZL117铝合金液部分凝固时，即可得到半固态ZL117 铝合金浆料；将该制备坩埚连同其中的半固态ZL117铝合金浆料移至温度控制 器中，该温度控制器由1000Hz的中频电磁感应圈构成，控制其功率以使该制 备坩埚连同其中的半固态ZL117铝合金浆料进一步的冷却或控制浆料的温度 场，冷却速度为5°C/rnin，将该半固态ZL117铝合金的固相分数控制在预定的 范围，即0.2~0.6或将该半固态ZL117铝合金浆料温度控制在580~590°C;在 该桨料冷却或控制温度场的过程中，该半固态ZL117铝合金浆料的边缘和心部 的温度差小于士3"C;至此，适合半固态流变压铸的半固态ZL117铝合金浆料就 制备完毕。将该预定固相分数0.2~0.6或预定温度580 59(TC的半固态ZL117 铝合金浆料倒入一冷室卧式压铸机的压室，再压射成型；该压铸机的压室预热
温度为250。C，该压铸型的预热温度为200°C;当持压5 8秒(此时该压铸型中 的半固态ZL117铝合金浆料完全凝固)时，可开型取出该压铸件，就完成了一 次ZL117铝合金的流变压铸过程。实施例7、利用电阻熔化炉产生过热度为45°C (即浇注温度为683°C)的 2024铝合金液，斜直复合管通道的斜管段的高度为100mm，倾斜管段内壁与 地平面垂直线的夹角为30度；斜直复合管通道的垂直管段的高度为250mm， 斜直复合管通道的内径为20mm，该斜直复合管通道的材质为铜合金，通道内 表面涂刷一层0.5mm厚的锆英粉涂料。将该过热45°C的2024铝合金液直接浇 入到该斜直复合管通道内，并沿着该斜直复合管通道的内壁流入奥氏体型不锈 钢质的圆柱形制备坩埚中，当2024铝合金液部分凝固时，即可得到半固态2024 铝合金浆料；将该制备坩埚连同其中的半固态2024铝合金浆料移至温度控制 器中，该温度控制器由1000Hz的中频电磁感应圈构成，控制其功率以使该制 备坩埚连同其中的半固态2024铝合金浆料进一步的冷却或控制浆料的温度场， 冷却速度为rC/min，将该半固态2024铝合金的固相分数控制在预定的范围， 即0.2~0.7或将该半固态2024铝合金浆料温度控制在540~610°C,其组织与图 2类似；在该浆料冷却或控制温度场的过程中，该半固态2024铝合金浆料的边 缘和心部的温度差小于士rC;至此，适合半固态流变压铸的半固态2024铝合 金浆料就制备完毕。将该预定固相分数0.2~0.7或预定温度540 610'C的半固 态2024铝合金浆料倒入一冷室卧式压铸机的压室，再压射成型；该压铸机的 压室预热温度为250°C，该压铸型的预热温度为200°C;当持压5 8秒(此时该 压铸型中的半固态2024铝合金浆料完全凝固)时，可开型取出该压铸件，就 完成了一次2024铝合金的流变压铸过程。实施例8、利用电阻熔化炉产生过热度为45°C (即浇注温度为660°C)的 ZL101A铝合金液，斜直复合管通道的斜管段的高度为100mm，倾斜管段内壁 与地平面垂直线的夹角为30度;斜直复合管通道的垂直管段的高度为250mm, 斜直复合管通道的内径为20mm，该斜直复合管通道的材质为石墨。将过热该 45t:的ZL101A铝合金液直接浇入到该斜直复合管通道内，并沿着该斜直复合 管通道的内壁流入奥氏体型不锈钢质的圆柱形制备坩埚中，当ZL101A铝合金 液部分凝固时，即可得半固态ZL101A铝合金浆料；将该制备坩埚连同其中的 半固态ZL101A铝合金浆料移至温度控制器中，该温度控制器由1000Hz的中 频电磁感应圈构成，控制其功率以使该制备坩埚连同其中的半固态ZL101A铝 合金浆料进一步的冷却或控制浆料的温度场，冷却速度为5'C/min，将该半固 态ZL101A铝合金的固相分数控制在预定的范围，即0.2-0.7或将该半固态 ZL101A铝合金浆料温度控制在580~600°C，其组织与图2类似；在该浆料冷 却或控制温度场的过程中，该半固态ZL101A铝合金浆料的边缘和心部的温度 差小于士3'C;至此，适合半固态流流变锻造的半固态ZL101A铝合金浆料就制
备完毕。将该预定固相分数0.2 0.7或预定温度580 60(TC的半固态ZL101A铝 合金浆料倒入一锻造机的压室内，再锻造成型；该锻造机的压室预热温度为250 'C，该锻模的预热温度为200'C;当持压5 8秒(此时该锻模中的半固态ZL101A 铝合金浆料完全凝固)时，开模取出该锻件，就完成了一次半固态ZL101A铝 合金的流变锻造过程。实施例9、在1%的SF6的气体保护下，利用电阻熔化炉产生过热度为45°C(即浇注温度为640°C)的AZ91D镁合金液，斜直复合管通道的斜管段的高度 为100mm，倾斜管段内壁与地平面垂直线的夹角为30度；斜直复合管通道的 垂直管段的高度为250mm，斜直复合管通道的内径为20mm，该斜直复合管通 道的材质为石墨；在浇注该AZ91D镁合金液过程中，向该斜直复合管通道内 吹入1%的SFs保护气体，SFs气体的流量为每分钟0.03升。将该过热45'C的 AZ91D镁合金液直接浇入到该斜直复合管通道内，并沿着该斜直复合管通道的 内壁流入SiC陶瓷质的圆柱形制备坩埚中，当AZ91D镁合金液部分凝固时， 即可得到半固态AZ91D镁合金浆料；将该制备坩埚连同其中的半固态AZ91D 镁合金浆料移至温度控制器中，该温度控制器由1000Hz的中频电磁感应圈构 成，控制其功率以使该制备坩埚连同其中的半固态AZ91D镁合金浆料进一步 的冷却或控制浆料的温度场，冷却速度为5'C/min,将该半固态AZ91D镁合金 的固相分数控制在预定的范围，即0.2-0.7或将该半固态AZ91D镁合金浆料温 度控制在495~558°C;在该浆料冷却或控制温度场的过程中，该半固态AZ91D 镁合金浆料的边缘和心部的温度差小于士3'C;至此，适合半固态流变压铸的半 固态AZ91D镁合金浆料就制备完毕。将该预定固相分数0.2~0.7或预定温度 495 558t:的半固态AZ91D镁合金浆料倒入一冷室卧式压铸机的压室，再压射 成型；该压铸机的压室预热温度为300°C，该压铸型的预热温度为250°C;当 持压3 6秒(此时该压铸型中的半固态AZ91D镁合金浆料完全凝固)时，可开 型取出该压铸件，就完成了一次AZ91D镁合金的流变压铸过程。实施例10、在1%的SF6的气体保护下，利用电阻熔化炉产生过热度为45°C(即浇注温度为685°C)的Mg-2.5w%Nd-0.7v^%Zr镁合金液，斜直复合管通 道的斜管段的高度为lOOmm，倾斜管段内壁与地平面垂直线的夹角为30度； 斜直复合管通道的垂直管段的高度为250mm，斜直复合管通道的内径为20mm， 该斜直复合管通道的材质为无镍钢；在浇注该Mg-2.5v^%Nd-0.7W%Zr镁合金 液过程中，向该斜直复合管通道内吹入1%的SF6保护气体，SF6气体的流量为 每分钟0.03升。将该过热45。C的Mg-2.5W%Nd-0.7W%Zr镁合金液直接浇入到 该斜直复合管通道内，并沿着该斜直复合管通道的内壁流入无镍钢质的圆柱形 制备坩埚中，当Mg-2.5wr%Nd-0.7wr%Zr镁合金液部分凝固时，即可得到半固 态Mg-2.5w%Nd-0.7w%Zr镁合金浆料；将该制备坩埚连同其中的半固态 Mg-2.5M%Nd-0.7W/%Zr镁合金浆料移至温度控制器中，该温度控制器由
1000Hz的中频电磁感应圈构成，控制其功率以使该制备坩埚连同其中的半固 态Mg-2.5W/%Nd-0.7w%Zr镁合金浆料进一步的冷却或控制浆料的温度场，冷 却速度为5°C/min，将该半固态Mg-2.5w/%Nd-0.7w/%Zr镁合金的固相分数控 制在预定的范围，即0.2~0.7或将该半固态Mg-2.5w%Nd-0.7w〖％Zr镁合金浆 料温度控制在577~622°C;在该浆料冷却或控制温度场的过程中，该半固态 Mg-2.5w%Nd-0.7w/%Zr镁合金浆料的边缘和心部的温度差小于士3。C ;至此， 适合半固态流变挤压铸造的半固态Mg-2.5w/%Nd-0.7w/%Zr镁合金浆料就制备 完毕。将该预定固相分数0.2~0.7或预定温度577-622°C的半固态 Mg-2.5w/%Nd-0.7w/%Zr镁合金浆料倒入一挤压铸造机的压室，再压射成型； 该挤压铸造机的压室预热温度为250°C，该挤压铸型的预热温度为200°C;当 持压3~6秒(此时该挤压铸型中的半固态Mg-2.5w,%Nd-0.7w%Zr镁合金浆料完 全凝固)时，可开型取出该挤压铸件，就完成了一次Mg-2.5vi^%Nd-0.7w%Zr 镁合金的流变挤压铸造过程。实施例11、利用电阻熔化炉产生过热度为45'C的ZA27-2 (浇注温度为 532'C)锌合金液，斜直复合管通道的斜管段的高度为100mm,倾斜管段内壁 与地平面垂直线的夹角为30度；斜直复合管通道的垂直管段的高度为250mm， 斜直复合管通道的内径为20mm，该斜直复合管通道的材质为石墨。将该过热 45'C的ZA27-2锌合金液直接浇入到该斜直复合管通道内，并沿着该斜直复合 管通道的内壁流入奥氏体型不锈钢质的圆柱形制备坩埚中，当ZA27-2锌合金 液部分凝固时，即可得到半固态ZA27-2锌合金桨料；将该制备坩埚连同其中 的半固态ZA27-2锌合金浆料移至温度控制器中，该温度控制器由1000Hz的中 频电磁感应圈构成，控制其功率以使该制备坩埚连同其中的半固态ZA27-2锌 合金浆料进一步的冷却或控制浆料的温度场，冷却速度为2'C/min,将该半固 态ZA27-2锌合金的固相分数控制在预定的范围，即0.2-0.7或将该半固态 ZA27-2锌合金浆料温度控制在408~464°C;在该浆料冷却或控制温度场的过程 中，该半固态ZA27-2锌合金浆料的边缘和心部的温度差小于士5'C;至此，适 合半固态流变压铸的半固态ZA27-2锌合金浆料就制备完毕。将该预定固相分 数0.2~0.7或预定温度408-464°C的半固态ZA27-2锌合金浆料倒入一冷室卧式 压铸机的压室，再压射成型；该压铸机的压室预热温度为200°C，该压铸型的 预热温度为250°C;当持压5~8秒(此时该压铸型中的半固态ZA27-2锌合金 浆料完全凝固)时，开型取出该压铸件，就完成了一次ZA27-2锌合金的流变 压铸过程。将过热度为45'C的ZA8-1 (浇注温度为449'C)锌合金液浇入该斜 直复合管通道内，并沿着该斜直复合管通道的内壁流入奥氏体型不锈钢质的圆 柱形制备坩埚中，也制备了固相分数0.2~0.7的半固态锌合金浆料，并成功的 进行了流变压铸成型。实施例12、利用电阻熔化炉产生过热度为45°C (即浇注温度为660°C)的ZL101A铝合金液，斜直复合管通道的斜管段的高度为100mm，倾斜管段内壁 与地平面垂直线的夹角为30度；斜直复合管通道的垂直管段的高度为250mm， 斜直复合管通道的内径为20mm，该斜直复合管通道的材质为石墨。将过热该 45'C的ZL101A铝合金液直接浇入到该斜直复合管通道内，并沿着该斜直复合 管通道的内壁向下流出，再直接流入压铸机的压室，立即压铸成型；压铸机的 压室预热温度为250°C，压铸型的预热温度为200°C;当压铸型中的半固态合 金浆料完全凝固以后，开型取出该压铸件，就完成了一次流变压铸过程。实施例13、利用电阻熔化炉产生过热度为45°C (即浇注温度为660°C)的 ZL101A铝合金液，斜直复合管通道的斜管段的高度为100mm，倾斜管段内壁 与地平面垂直线的夹角为30度；斜直复合管通道的垂直管段的高度为250mm， 斜直复合管通道的内径为20mm，该斜直复合管通道的材质为石墨。将过热该 45'C的ZL101A铝合金液直接浇入到该斜直复合管通道内，并沿着该斜直复合 管通道的内壁向下流出，再直接流入挤压铸造机的压室，立即压射成型；挤压 铸造机的压室预热温度为25(TC，挤压铸型的预热温度为200'C;当挤压铸型 中的半周态合金浆料完全凝固以后，开型取出该挤压铸件，就完成了一次流变 挤压铸过程。实施例14、利用电阻熔化炉产生过热度为45°C (即浇注温度为660°C)的 ZL101A铝合金液，斜直复合管通道的斜管段的高度为100mm，倾斜管段内壁 与地平面垂直线的夹角为30度；斜直复合管通道的垂直管段的高度为250mm， 斜直复合管通道的内径为20mm，该斜直复合管通道的材质为石墨。将过热该 45'C的ZL101A铝合金液直接浇入到该斜直复合管通道内，并沿着该斜直复合 管通道的内壁向下流出，再直接流入锻造机的压室，立即锻造成型；该锻造机 的压室预热温度为250°C，该锻模的预热温度为200°C;当锻模中的半固态合 金浆料完全凝固以后，开型取出该锻件，就完成了一次流变锻造过程。实施例15、利用电阻熔化炉产生过热度为45°C (即浇注温度为660°C)的 ZL101A铝合金液，斜直复合管通道的斜管段的高度为100mm，倾斜管段内壁 与地平面垂直线的夹角为30度；斜直复合管通道的垂直管段的高度为200mm， 斜直复合管通道的内径为20mm，该斜直复合管通道的材质为陶瓷。将该过热 45'C的ZL101A铝合金液直接浇入到该斜直复合管通道内，并沿着该斜直复合 管通道的内壁流入奥氏体型不锈钢质的制备坩埚中，该ZL101A铝合金熔体的 冷却速度为50°C/min。当ZL101A铝合金液完全凝固时，即可得到半固态 ZL101A铝合金坯料，其组织如图3所示；该坯料可用于半固态ZL101A铝合 金触变成型。实施例16、利用电阻熔化炉产生过热度为45'C(即浇注温度为660'C)的ZL101A 铝合金液，斜直复合管通道的斜管段的高度为150mm，倾斜管段内壁与地平面 垂直线的夹角为30度；斜直复合管通道的垂直管段的高度为400mm，斜直复
合管通道的内径为90mm，该斜直复合管通道的材质为石墨；在浇注该ZL101A 铝合金液过程中，利用外镶的冷却水套冷却该斜直复合管通道，并向该斜直复合管通 道内吹入保护氩气，氩气的流量为每分钟4升。将该过热45'C的ZL101A铝合金液 直接浇入到该斜直复合管通道内，并沿着该斜直复合管通道的内壁流入内径为75mm 的连铸结晶器内，当ZL101A铝合金坯壳凝固到15mm的厚度时，以每分钟600mm 的速度将该连铸坯牵引出结晶器，进一步喷水冷却和完全凝固，就可得到半固态 ZL101A铝合金连铸坯料，其组织与图3类似；该连铸坯料可用于半固态ZL101A铝 合金触变成型。
权利要求
1、一种半固态金属浆料的制备方法，其特征在于a.将过热金属液浇入一个由倾斜管和垂直管组成的斜直复合管通道中，过热金属液的温度预先控制在其液相线温度以上0～200℃，该过热的金属液沿着该斜直复合管通道的内壁向下流动，流入制备坩埚中，该金属熔体部分凝固后就形成半固态金属浆料；b.在浇注之后，将制备坩埚和该制备坩埚中的半固态金属浆料一起移入温度控制器中，控制半固态金属浆料的后续冷却或控制温度场，使该半固态金属浆料的温度场均匀并达到预定的固相分数或该固相分数相对应的浆料温度；c.将该预定固相分数或该固相分数相对应温度的半固态金属浆料倒入压铸机或挤压铸造机或锻造机的压室，再压射成型；当压铸型或挤压铸型或锻模中的该半固态金属浆料完全凝固以后，开型取出该压铸件或挤压铸件或锻件，就完成了一次流变压铸或流变挤压铸造或流变锻造过程；或使流过该斜直复合管通道的该金属熔体不再流入制备坩埚，而是流入压铸机或挤压铸造机或锻造机的压室，再压射成型；当压铸型或挤压铸型或锻模中的半固态金属浆料完全凝固以后，开型取出该压铸件或挤压铸件，就完成了一次流变压铸或流变挤压铸造或流变锻造过程。
2、 按照权利要求书1所述的方法，其特征在于在浇注之后，将 制备坩埚和该制备坩埚中的半固态金属浆料一起移入温度控制器 中；该温度控制器中设有加热元件和冷却元件，控制半固态金属桨 料的后续冷却或温度场，使该半固态金属漿料达到预定的0.2~0.7 的固相分数或该预定的0.2~0.7固相分数所对应的该半固态金属浆 料的温度。
3、 按照权利要求书1或2所述的方法，其特征在于该半固态金 属浆料的后续冷却速度为l 50°C/min;最终使该半固态金属浆料的温度 场均匀，该半固态金属浆料的边缘和心部的温度差为士l 5i:;该温度 控制器中的加热元件通过其产生的电阻热、或电磁感应热来控制半固态 金属浆料的后续冷却或温度场；该温度控制器中的冷却元件通以室温空 气或室温氩气、或SF6与空气、或SF6与C02气体的混合物，或通以自 来水或机油冷却液体，以此来控制半固态金属浆料的后续冷却或温度 场。
4、 按照权利要求书1所述的方法，其特征在于斜直复合管通道的倾斜管段的高度为0 300mm，倾斜管段内壁与地平面垂直线的夹角 为0 60度；斜直复合管通道的垂直管段的高度为50 1000mm;斜直复 合管通道的内径为5 100mm;斜直复合管通道的材质为相对磁导率 为0.9 1.1的石墨、或陶瓷、或铜合金、或不锈钢、或不锈铁；斜 直浇道的内壁涂刷陶瓷衬里，该陶瓷衬里的厚度为0.2 2mm;斜管 段通道的倾斜角为通道壁与其轴线的夹角。
5、 按照权利要求书1所述的方法，其特征在于在浇注过热金属 液时，斜直复合管通道的温度低于该金属液的固相线温度；从外部 或内部对该斜直复合管通道进行预热，该预热采用电阻丝加热方式、 或电磁感应加热方式、或气体加热方式；从外部或内部对该斜直复合 管通道进行强制冷却，该强制冷却采用循环水冷却、或气流冷却、或 含盐水冷却、或机油冷却。
6、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于该斜直复合管通道 中通入保护气体，以避免或减少金属液的氧化；该保护气体为氩气、或 氮气、或氦气或SF6与空气、或SF6与C02气体的混合物。
7、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于半固态金属浆料的 制备坩埚的材质为相对磁导率为0.9 1.1的石墨、或陶瓷、或铜合金、或不锈钢、或不锈铁，该制备坩埚的形状是圆柱形容器或多边棱柱形容器。
8、按照权利要求1所述的方法，其特征在于金属熔体流入制备 坩埚后，进一步完全凝固，就获得了该半固态金属的坯料，坯料作为 半固态触变成形的原始坯料;或金属液流过斜直复合管通道内壁后再 直接流入连铸结晶器，连续铸造出该半固态金属的坯料，坯料作为半 固态触变成形的原始坯料。
9、按照权利要求1至8所述的方法，其特征在于半固态金属是 成分低于最大固溶度的铝合金、或亚共晶铝合金、或过共晶铝合金；或 镁合金、或亚共晶镁合金；或者半固态金属是过共晶锌合金、或成分高 于最大固溶度的锌合金。
全文摘要
一种半固态金属浆料的制备和流变成型方法，属于半固态金属浆料的制备和成型技术领域。将过热金属液浇入一倾斜管和垂直管组成的斜直复合管通道内，在过热金属液沿着该斜直复合管通道的内壁流入制备坩埚后，将制备坩埚连同该制备坩埚中的半固态金属浆料一起移入一温度控制器中，对半固态金属浆料进行后续冷却或温度场控制。将半固态金属浆料倒入压铸机或挤压铸造机或锻造机的压室内，加压成型；当半固态金属浆料完全凝固以后，开型或开模取出该压铸件、或该挤压铸件、或该锻件。其优点在于，简化制备工艺、减少能耗、缩短工艺流程，降低半固态金属流变压铸件、或流变挤压铸件、或流变锻件的生产成本。
文档编号B22D17/32GK101130203SQ20071017613
公开日2008年2月27日 申请日期2007年10月19日 优先权日2007年10月19日
发明者杨小容, 毛卫民 申请人:北京科技大学