一种半固态流变成形方法及装置与流程

本发明涉及一种半固态流变成形方法及装置，属于半固态成形技术领域。

背景技术：

半固态成形技术，简称SSM，由于成形温度低，变形抗力小、充型平稳、晶粒细小等特点，被誉为21世纪最有前途的金属材料加工技术之一。半固态成形技术包括浆料的制备和后续浆料成形技术。半固态浆料的制备是半固态成形的关键，其制备方法主要主要包括机械搅拌法、电磁搅拌法、等温热处理法、倾斜板冷却法、超声震动法等。根据其工艺的不同，半固态成形可分为触变成形和流变成形；目前，半固态流变成形的研究中，大多采用的由日本UBE公司提出的倾斜板进行改进来制备半固态浆料。但是传统倾斜板制备半固态浆料时合金熔体的氧化现象十分严重，制得的半固态浆料中生成的氧化渣较多，在实际铸造成型过程中产生氧化夹渣等缺陷影响材料的力学性能。为了改善这一现象，许多研究者进行探索，专利号为CN105583396A的中国专利公开了一种加入惰性气体保护的倾斜板装置来防止合金熔体氧化。该方法对半固态浆料制备过程中保护效果好，但其在后续的浆料转移和成形过程中难以得到有效的保护，并且成本较高。现有的半固态流变成形技术，在浆料的制备过程中，易于造成浆料的卷气、氧化、夹渣等缺陷，并且浆料转移温度不易控制。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：目前半固态流变成形过程中浆料制备过程中的氧化夹杂，浆料转移过程中温度难以控制等问题。

本发明的目的在于提供一种半固态流变成形方法，将半固态浆料的制备和浆料后续成形一步完成，可有效解决浆料的氧化问题，并且提高生产效率，具体包括以下步骤：对合金进行熔炼，将合金熔体温度控制在液相线以上20-50℃，然后将所得到的合金熔体倒入狭缝式倾斜板内，得到细小的半固态浆料，所得的半固态浆料流入预热的坩埚内，保温3-15min进一步球化，然后通入惰性气体，将半固态浆料压入铸型中，冷却后得到半固态合金铸件；惰性气体的压力为0.05-0.1MPa；整个过程都在一个密闭或有惰性气体保护的环境下进行；所述狭缝式倾斜板的中间设有狭缝通道，狭缝通道的方向沿倾斜式斜板的方向，通道的侧壁上设有冷却系统。

本发明的另一目的在于提供所述半固态流变成形方法所用装置，包括中转炉1、狭缝式倾斜板2、进料阀3、加热套4、导液管5、坩埚7、电阻炉8、铸型9、密封盖10、进气管11，狭缝式倾斜板2通过支架固定在电阻炉8上方，电阻炉8的内部设有坩埚7，密封盖10固定在电阻炉8的上端，狭缝式倾斜板2下端穿过密封盖10和电阻炉8内的坩埚7连通，连接处设有进料阀3；导液管下端位于坩埚7内，上端穿过密封盖10和铸型9相通，铸型9固定在密封盖10上；进气管11位于密封盖10的侧面与电阻炉8连通。

本发明所述半固态浆料保温温度为液相线以下5-60℃。

本发明所述半固态流变成形装置，还包括气压控制装置12，气压控制装置12与进气管11连接。

本发明所述狭缝式倾斜板2和导液管5内壁喷有石墨或滑石粉涂料。

本发明所述狭缝式倾斜板2的材料为铜合金，其狭缝通道长度为200-600mm，通道的宽度为80-100mm，高度为5mm，倾斜角度为30-60°。

本发明所述方法可适用于铜、镁等易氧化的合金的半固态成形。

本发明的原理是：利用自行设计装置，将半固态浆料的制备和成形连成一体，从而解决传统半固态浆料制备过程中的氧化、夹杂等问题。该方法是将熔炼好的高于液相线20-50℃合金熔体，流经一个内部为狭缝通道且带有水冷的倾斜板，合金熔体经过倾斜板的激冷作用，较大的过冷度降低了形核功，合金熔体内晶粒快速形核，且由于在流淌的过程中合金熔体内部晶粒间不断相互剪切、碰撞、摩擦，最终得到细小、均匀的细小组织；半固态浆料通过进料阀进入电阻炉中的坩埚，经过一定的时间保温，进一步球化；由于半固态浆料具有剪切变希的特性，流动性好，在气体压力下，半固态浆料沿导液管进入铸型，并在压力下成形，得到的铸件组织致密，其力学性能好

本发明的有益效果：

（1）本发明通过设计合理的半固态流变成形，将半固态浆料的制备及后续的成形一步完成，整个过程都在一个密闭或有惰性气体保护的环境下进行；解决了现有的半固态流变成形技术，在浆料的制备过程中，易于造成浆料的卷气、氧化、夹渣等缺陷，并且浆料转移温度不易控制等问题。

（2）本发明所述的狭缝式倾斜板的通道狭小，合金熔体流入时几乎不发生氧化，尤适合铜合金等易氧化的金属；狭缝式倾斜板材料为铜合金，导热性好，提高了倾斜板的冷却速度；狭缝式倾斜板具有水冷循环系统，制备的半固态浆料组织细小，流入电阻炉的坩埚内经过一段时间的保温后，进一步球化。

（3）本发明所述的半固态浆料在气体压力下成形，得到的铸件组织致密，力学性能好；该工艺简单、操作方便、成本低、生产效率效率高。

附图说明

图1是本发明的半固态流变成形装置示意图；

图2是本发明的狭缝式倾斜板装置示意图；

图3是实施例1制备A356铝合金的半固态浆料的显微组织图；

图4是实施例2制备Cu-10Sn-1P合金的半固态浆料的显微组织图；

图5是对比例1制备Cu-10Sn-1P合金的半固态铸件的显微组织图。

图1中：1-中转炉；2-狭缝式倾斜板；3-进料阀；4-加热套；5-导液管；6-半固态浆料；7-坩埚；8-电阻炉；9-铸型；10-密封盖；11-进气管；12-气压调节装置。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。

本发明实施例1~2所用装置包括中转炉1、狭缝式倾斜板2、进料阀3、加热套4、导液管5、坩埚7、电阻炉8、铸型9、密封盖10、进气管11、气压控制装置12，狭缝式倾斜板2通过支架固定在电阻炉8上方，电阻炉8的内部设有坩埚7，密封盖10固定在电阻炉8的上端，狭缝式倾斜板2下端穿过密封盖10和电阻炉8内的坩埚7连通，连接处设有进料阀3；导液管下端位于坩埚7内，上端穿过密封盖10和铸型9相通，铸型9固定在密封盖10上；进气管11位于密封盖10的侧面与电阻炉8连通，气压控制装置12与进气管11连接；狭缝式倾斜板2和导液管5内壁喷有石墨或滑石粉涂料，如图1所示。

所述狭缝式倾斜板的中间设有狭缝通道，狭缝通道的方向沿倾斜式斜板的方向，通道的侧壁上设有冷却系统，狭缝式倾斜板2的材料为铜合金，其狭缝通道长度为（200-600mm范围内的任意值，例如200mm、400mm、600mm，本实施例取400 mm），通道的宽度为（80-100mm范围内的任意值，例如80mm、90mm、100mm，本实施例取90 mm），高度为5mm，倾斜角度为（30°-60°范围内的任意值，例如30°、40°、60°，本实施例取50°），如图2所示。

下面结合装置对本发明所述半固态流变成形方法进行详细说明。

实施例1

原料：A356铝合金（固相线温度577℃，液相线温度615℃）

（1）在中频炉中进行合金熔炼，待合金熔体的温度在720℃时转移到中转炉1内，对合金熔体加入六氯乙烷精炼除气、扒渣处理，保温30分钟，将合金熔体温度控制在640℃。

（2）将坩埚7预热到590℃，同时通过加热套4将导液管5预热和喷好石墨涂料；将铸型9喷好涂料并预热到200℃；调整倾斜板长度400mm，喷好涂料，打开进料阀3。

（3）将合金熔体倒入狭缝式倾斜板2内，通过进料阀3流入电阻炉8中的坩埚7内。关闭进料阀3，半固态浆料进行3分钟的保温（610℃），调整好气压调节装置12的参数（充型压力0.05MPa，充型速度8cm/s），从进气管11通入的惰性气体半固态浆料通过导液管5（预热温度为100℃）进入铸型中，冷却1-2min后，开模得到A356半固态合金铸件。保温后的浆料组织如图3所示，由图3可以看出保温后的浆料组织发生球化，晶粒更为圆整，本实施例制备得到的半固态合金铸件抗拉强度为210MPa。

实施例2

原料：Cu-10Sn-1P铜合金（固相线温度830℃，液相线温度1020℃）

（1）在中频炉中进行合金熔炼，待合金熔体的温度在1120℃时转移到中转炉1内，对合金熔体加入精炼剂精炼、扒渣处理，保温30分钟，将合金熔体温度控制在1080℃左右。

（2）将坩埚7预热到950℃，同时通过加热套4将导液管5预热和喷好涂料；将铸型9喷好涂料并预热到400℃；调整倾斜板长度300mm，喷好涂料，打开进料阀3.

（3）将合金熔体倒入狭缝式倾斜板2内，通过进料阀3流入电阻炉8中的坩埚7内。关闭进料阀3，半固态浆料进行5分钟的保温（980℃），调整好气压调节装置12的参数（充型压力0.1MPa，充型速度15cm/s），从进气管11通入的惰性气体半固态浆料通过导液管5（预热温度为70℃）进入铸型中，冷却0.5-1min后，开模得到Cu-10Sn-1P半固态合金铸件。保温后的浆料组织如图4所示。由图4、图5对比可以看出本发明所得的半固态浆料组织要对比例1所得的半固态浆料组织晶粒更为圆整，气孔也更少。本实施例制备得到的半固态合金铸件抗拉强度为368MPa。

对比例1

本对比例采用的是专利号CN203679244U所述的转棒诱导形核法制备Cu-10Sn-1P铜合金半固态浆料后，再通过挤压铸造成形。

原料：Cu-10Sn-1P铜合金（固相线温度830℃，液相线温度1020℃）

（1）在中频炉中进行合金熔炼，待合金熔体的温度在1120℃时转移到中转炉1内，对合金熔体加入精炼剂精炼、扒渣处理，保温30分钟，将合金熔体温度控制在1080℃。

（2）设定好转棒的工艺参数：转棒转速为500r/min，转棒的直径为Φ75mm，打开冷却循环系统，金属熔体通过浇道正对转棒进行浇注，由于转棒的激冷和剪切作用，诱导熔体大量形核，得到半固态浆料。

（3）调整好挤压工艺参数，挤压力90t，挤压速度15mm/s，模具预热到350℃，涂好涂料；将制备好的半固态浆料倒入模具中，进行挤压成形；挤压成形后的组织如图5所示。本实施例制备得到的半固态合金铸件抗拉强度为232MPa。