專利名稱：用于制備半固態(tài)合金漿料的裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料制備 領(lǐng)域，特別涉及一種用于制備半固態(tài)合金漿料的裝置及其方法。
背景技術(shù)：
半固態(tài)金屬成型技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用已近40年，有的國(guó)家獲得一定規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用，其應(yīng)用領(lǐng)域主要是汽車零部件，并逐步應(yīng)用于航空航天、電子產(chǎn)品零部件的生產(chǎn)。在半固態(tài)金屬成型過(guò)程中，關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題是制備具有晶粒呈球狀且細(xì)小的漿料或坯料。為了獲得此種組織的金屬漿料或坯料，早期采用的技術(shù)主要有機(jī)械攪拌法、電磁攪拌法，但機(jī)械攪拌易于污染金屬，電磁攪拌的電磁效率又太低。為了獲得球狀晶粒的金屬漿料或坯料，近年來(lái)出現(xiàn)了控制形核法。在控制形核法制備金屬漿料或坯料過(guò)程中，一般不采用強(qiáng)烈的攪拌，制備工藝較為簡(jiǎn)單，漿料或坯料的生產(chǎn)成本較低，目前利用控制形核法的制備技術(shù)有傾斜板澆注法、斜(轉(zhuǎn))管法、阻尼冷卻管法、波浪形傾斜板、直管澆注法等， 但是這些方法要么是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，制作成本較高，要么就是經(jīng)過(guò)這些方法處理后的半固態(tài)鋁合金漿料的晶粒由于在熔液流動(dòng)時(shí)初形核晶粒晶界之間的剪切力不夠，導(dǎo)致晶粒的圓整度較低，晶粒的直徑也較大，進(jìn)而使得澆注成型的成品的綜合力學(xué)性能較差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)以上問(wèn)題提供一種即具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作成本較低，又具有經(jīng)過(guò)通道后的半固態(tài)鋁合金漿料的晶粒的圓整度較高，晶粒的直徑也較小，進(jìn)而使得澆注成型的成品的綜合力學(xué)性能較好的用于制備半固態(tài)合金漿料的裝置。本發(fā)明解決以上問(wèn)題所用的技術(shù)方案是提供一種用于制備半固態(tài)合金漿料的裝置，它包括通道體和通道體上貫通的通道，所述的通道的橫截面為橢圓形，橢圓形的長(zhǎng)短軸比為1.2 2:1，且通道軸向沿軸線旋扭。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種制備半固態(tài)合金漿料的方法，它包括以下步驟
1)將合金原料放入坩堝中熔化，并在65(T750°C時(shí)進(jìn)行精煉除氣；
2)靜置15 25min，當(dāng)達(dá)到預(yù)定的澆注溫度后，將坩堝中的熔液澆入權(quán)利要求1所述的用于制備半固態(tài)鋁合金漿料的裝置內(nèi)；
3)最后熔液被權(quán)利要求1所述的用于制備半固態(tài)合金漿料的裝置導(dǎo)流到澆注模具中。采用以上結(jié)構(gòu)和方法后，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明由于通道的橫截面為橢圓形，橢圓形的長(zhǎng)短軸比為1.2 2:1，且通道軸向沿軸線旋扭，旋扭是指通道沿軸線方向相鄰橫截面上橢圓形的軸線之間存在夾角，且相鄰橫截面是逐漸過(guò)渡的；也可理解為橢圓形在自身繞軸線旋轉(zhuǎn)的同時(shí)沿軸線運(yùn)動(dòng)形成的軌跡的形狀；則在橢圓旋扭通道內(nèi)，初生晶核的形成以異質(zhì)形核為主，而通道內(nèi)熔液的濃度梯度、溫度梯度和固-液界面前沿的撓動(dòng)強(qiáng)度決定初生晶核的生長(zhǎng)狀態(tài)，使得熔液沿通道壁和心部發(fā)生強(qiáng)對(duì)流的程度，亦即溫度場(chǎng)和溶質(zhì)場(chǎng)的均勻化程度，根據(jù)菲克第一定律，在同樣擴(kuò)散面積和擴(kuò)散時(shí)間下，擴(kuò)散流量與濃度梯度成正比，濃度梯度小時(shí)，溶質(zhì)的擴(kuò)散流量相應(yīng)較小，晶粒長(zhǎng)大速度也相應(yīng)較小，難以聚集成團(tuán)，溫度場(chǎng)和溶質(zhì)場(chǎng)的均勻化使得初生 晶粒各個(gè)方向的生長(zhǎng)速度基本一致，促其球化；故當(dāng)合金熔液流經(jīng)橢圓旋扭的通道時(shí)受到管路形狀的影響而改變流動(dòng)方向，造成熔液沿截面存在流動(dòng)速度差異，進(jìn)而產(chǎn)生剪切作用，這個(gè)剪切力使次枝晶臂變形或折斷，游離晶核數(shù)目增加，并在旋轉(zhuǎn)扭力的作用下游離到通道心部(如圖5所示)，成為新晶核的襯底，新接近通道壁的熔液又在激冷作用下形核，晶核數(shù)目不斷增多，而數(shù)目眾多的游離晶核在生長(zhǎng)過(guò)程中由于溶質(zhì)濃度場(chǎng)和溫度場(chǎng)耦合的重疊效應(yīng)，以胞狀或球狀的方 式生長(zhǎng)。這種“旋轉(zhuǎn)自攪拌”作用有力地促進(jìn)了初生晶核向球形晶粒的演變。因此本發(fā)明即具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作成本較低，又具有經(jīng)過(guò)通道后的半固態(tài)鋁合金漿料的晶粒的圓整度較高，晶粒的直徑也較小，進(jìn)而使得澆注成型的成品的綜合力學(xué)性能較好的特點(diǎn)。作為改進(jìn)，所述的通道體的外表面軸向設(shè)有交叉設(shè)置的加熱裝置和冷卻裝置，且冷/熱頻率為廣7次/400mm，則在交叉設(shè)置的加熱裝置和冷卻裝置作用下，通道內(nèi)流動(dòng)的合金熔液不斷的被反復(fù)冷卻-加熱即反復(fù)凝熔技術(shù)，故加熱升溫過(guò)程中，在一個(gè)晶粒的內(nèi)部，由于溫度的升高，使成分均勻化及固溶度提高，枝晶曲率半徑減小，導(dǎo)致枝晶臂附近的溶質(zhì)濃度降低，這樣，兩個(gè)枝晶之間就建立了一個(gè)擴(kuò)散偶，溶質(zhì)濃度梯度的存在將促使溶質(zhì)從粗枝處向細(xì)枝處擴(kuò)散，造成細(xì)枝熔化或溶解，甚至從細(xì)枝根部熔；合金的熔解從共晶組織開(kāi)始，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，液相比例增多，已熔化的液相滲入晶界內(nèi)，使得小的晶粒分離并球化； 同在熔液進(jìn)入冷卻段之前，將其溫度控制在液相線以上5 10°C，熔液溫度場(chǎng)均勻，在進(jìn)入冷卻階段之前，整個(gè)熔體已經(jīng)處于過(guò)冷狀態(tài)，大量的游離晶核均勻地生成，則強(qiáng)制冷卻時(shí)，由于水冷作用使本身無(wú)明顯過(guò)熱的金屬液迅速冷卻，晶核還來(lái)不及長(zhǎng)大就凝固了，因此本發(fā)明可使得熔液形成均勻細(xì)小的初生G晶粒。作為進(jìn)一步改進(jìn)，所述的加熱裝置為螺旋狀的線圈，則加熱是通過(guò)電磁加熱，而電磁加熱時(shí)中頻磁場(chǎng)對(duì)熔液也有一定的攪拌作用，合金液的溫度場(chǎng)更均勻，加大了同時(shí)凝固的區(qū)域，也有助于初生《晶粒的細(xì)化，故可使得經(jīng)過(guò)本發(fā)明的熔液初生《晶粒的進(jìn)一步細(xì)化。作為再進(jìn)一步改進(jìn)，所述的冷卻裝置為螺旋狀的水冷管道，則水冷管道結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 制作和維護(hù)成本均較低，進(jìn)而使得本發(fā)明制作和維護(hù)成本更低。所述的旋扭強(qiáng)度為4.5 18° /cm。所述的橢圓形的長(zhǎng)短軸比為1.6 2:1。所述的旋扭強(qiáng)度為4.5 13.5° /cm。所述的冷/熱頻率為3 5次/400mm。所述的步驟1)中的精煉除氣溫度為700°C。所述的步驟2)中的靜置時(shí)間為20 min。


圖1為本發(fā)明用于制備半固態(tài)合金漿料的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為沿圖1中A方向的視圖。圖3為沿圖2中B-B線的剖視圖。
圖4為本發(fā)明用于制備半固態(tài)合金漿料的裝置使用狀態(tài)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5為本發(fā)明實(shí)施例1制的產(chǎn)品的金相圖。圖6為本發(fā)明實(shí)施例2制的產(chǎn)品的金相圖。圖7為本發(fā)明實(shí)施例4制的產(chǎn)品的金相圖。如圖所示1、通道體，2、通道，3、加熱裝置，4、冷卻裝置，5、分流裝置，6、集流裝置。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
，以A356鋁合金金屬漿料為例，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述。實(shí)施例1
一種制備半固態(tài)合金漿料的方法，它包括以下步驟
1)將鋁合金原料放入坩堝中熔化，并在700°C時(shí)進(jìn)行精煉除氣；
2)靜置20min，當(dāng)達(dá)到預(yù)定的澆注溫度后一般為680°C，將坩堝中的熔液澆入用于制備半固態(tài)合金漿料的裝置內(nèi)，如圖1、圖2和圖3所示，用于制備半固態(tài)合金漿料的裝置包括通道體1和通道體1上貫通的通道2，所述的通道2的橫截面為橢圓形，橢圓形的長(zhǎng)短軸比為 1. 4:1，且通道2軸向沿軸線旋扭，旋扭強(qiáng)度為18° /cm，也就是說(shuō)通道2沿軸線方向每過(guò)一個(gè)厘米就繞軸線旋轉(zhuǎn)了 18°，換句話說(shuō)通道2相隔一厘米之間的兩個(gè)橫截面上橢圓的軸線之間的夾角為18°，且一個(gè)截面是逐漸連續(xù)的過(guò)渡到另一個(gè)截面的；所述的通道體1的外表面軸向設(shè)有交叉設(shè)置的加熱裝置3和冷卻裝置4，且冷/熱頻率為4次/400mm，所述的加熱裝置3為螺旋狀的線圈，所述的冷卻裝置4為螺旋狀的水冷管道；如圖4所示，通常為了增加生產(chǎn)效率，使用四個(gè)通道體1為一組，四個(gè)通道體1內(nèi)通道2的上端均與分流裝置5連通，以便將熔液分流到四個(gè)通道2內(nèi)，而四個(gè)通道體1內(nèi)通道2的下端與集流裝置6連通， 以便將分別經(jīng)過(guò)四個(gè)通道2后的熔液匯集；
3)最后熔液被用于制備半固態(tài)合金漿料的裝置導(dǎo)流到澆注模具中。成型后的產(chǎn)品的金相圖如圖5所示，平均晶粒直徑為45. lum，晶粒的圓整度為 0. 76。實(shí)施例2
一種制備半固態(tài)合金漿料的方法，它包括以下步驟
1)將鋁合金原料放入坩堝中熔化，并在750°C時(shí)進(jìn)行精煉除氣；
2)靜置25min，當(dāng)達(dá)到預(yù)定的澆注溫度后，將坩堝中的熔液澆入用于制備半固態(tài)合金漿料的裝置內(nèi)，用于制備半固態(tài)合金漿料的裝置包括通道體1和通道體1上貫通的通道2，所述的通道2的橫截面為橢圓形，橢圓形的長(zhǎng)短軸比為1.8:1，且通道2軸向沿軸線旋扭，旋扭強(qiáng)度為9° /cm，所述的通道體1的外表面軸向設(shè)有交叉設(shè)置的加熱裝置3和冷卻裝置4，且冷/熱頻率為6次/400mm，所述的加熱裝置3為螺旋狀的線圈，所述的冷卻裝置4為螺旋狀的水冷管道；
3)最后熔液被用于制備半固態(tài)鋁合金漿料的裝置導(dǎo)流到澆注模具中。成型后的產(chǎn)品的金相圖如圖6所示，平均晶粒直徑為42. Sum,晶粒的圓整度為 0. 78。實(shí)施例3一種制備半固態(tài)合金漿料的方法，它包括以下步驟
1)將鋁合金原料放入坩堝中熔化，并在680°c時(shí)進(jìn)行精煉除氣；
2)靜置15min，當(dāng)達(dá)到預(yù)定的澆注溫度后，將坩堝中的熔液澆入用于制備半固態(tài)鋁合金漿料的裝置內(nèi)，用于制備半固態(tài)鋁合金漿料的裝置包括通道體1和通道體1上貫通的通道 2，所述的通道2的橫截面為橢圓形，橢圓形的長(zhǎng)短軸比為2:1，且通道2軸向沿軸線旋扭， 旋扭強(qiáng)度為13. 5° /cm，所述的通道體1的外表面軸向設(shè)有交叉設(shè)置的加熱裝置3和冷卻裝置4，且冷/熱頻率為2次/400mm，所述的加熱裝置3為螺旋狀的線圈，所述的冷卻裝置 4為螺旋狀的水冷管道；
3)最后熔液被用于制備半固態(tài)鋁合金漿料的裝置導(dǎo)流到澆注模具中。成型后的產(chǎn)品的平均晶粒直徑為53. 6um,晶粒的圓整度為0. 61。實(shí)施例4
一種制備半固態(tài)合金漿料的方法，它包括以下步驟
1)將鋁合金原料放入 坩堝中熔化，并在700°C時(shí)進(jìn)行精煉除氣；
2)靜置20min，當(dāng)達(dá)到預(yù)定的澆注溫度后，將坩堝中的熔液澆入用于制備半固態(tài)鋁合金漿料的裝置內(nèi)，用于制備半固態(tài)鋁合金漿料的裝置包括通道體1和通道體1上貫通的通道 2，所述的通道2的橫截面為橢圓形，橢圓形的長(zhǎng)短軸比為1.8:1，且通道2軸向沿軸線旋扭， 旋扭強(qiáng)度為4. 5° /cm，所述的通道體1的外表面軸向設(shè)有交叉設(shè)置的加熱裝置3和冷卻裝置4，且冷/熱頻率為4次/400mm，所述的加熱裝置3為螺旋狀的線圈，所述的冷卻裝置4 為螺旋狀的水冷管道；
3)最后熔液被用于制備半固態(tài)鋁合金漿料的裝置導(dǎo)流到澆注模具中。成型后的產(chǎn)品的金相圖如圖7所示，平均晶粒直徑為39. 5um，晶粒的圓整度為 0. 84。以上實(shí)施例僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，本發(fā)明不僅限于以上實(shí)施例還允許有其它結(jié)構(gòu)變化，凡在本發(fā)明獨(dú)立權(quán)要求范圍內(nèi)變化的，均屬本發(fā)明保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于制備半固態(tài)合金漿料的裝置，它包括通道體(1)和通道體(1)上貫通的通道(2)，其特征在于所述的通道(2)的橫截面為橢圓形，橢圓形的長(zhǎng)短軸比為1.2 2:1，且通道(2)軸向沿軸線旋扭。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制備半固態(tài)合金漿料的裝置，其特征在于所述的旋扭強(qiáng)度為4. 5 18° /cm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制備半固態(tài)合金漿料的裝置，其特征在于所述的橢圓形的長(zhǎng)短軸比為1.6 2:1。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制備半固態(tài)合金漿料的裝置，其特征在于所述的旋扭強(qiáng)度為4. 5 13. 5° /cm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制備半固態(tài)合金漿料的裝置，其特征在于所述的通道體(1)的外表面軸向設(shè)有交叉設(shè)置的加熱裝置(3)和冷卻裝置(4)，且冷/熱頻率為廣7次 /400mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于制備半固態(tài)合金漿料的裝置，其特征在于所述的加熱裝置(3)為螺旋狀的線圈，所述的冷卻裝置(4)為螺旋狀的水冷管道。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于制備半固態(tài)合金漿料的裝置，其特征在于所述的冷/ 熱頻率為3 5次/400mm。
8.一種制備半固態(tài)合金漿料的方法，其特征在于它包括以下步驟1)將合金原料放入坩堝中熔化，并在65(T750°C時(shí)進(jìn)行精煉除氣；2)靜置15 25min，當(dāng)達(dá)到預(yù)定的澆注溫度后，將坩堝中的熔液澆入權(quán)利要求1所述的用于制備半固態(tài)合金漿料的裝置內(nèi)；3)最后熔液被權(quán)利要求1所述的用于制備半固態(tài)合金漿料的裝置導(dǎo)流到澆注模具中。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的制備半固態(tài)合金漿料的方法，其特征在于所述的步驟1)中的精煉除氣溫度為700°C。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的制備半固態(tài)合金漿料的方法，其特征在于所述的步驟2)中的靜置時(shí)間為20 min0
全文摘要
一種用于制備半固態(tài)合金漿料的裝置，它包括通道體(1)和通道體(1)上貫通的通道(2)，所述的通道(2)的橫截面為橢圓形，橢圓形的長(zhǎng)短軸比為1.2~2:1，且通道(2)軸向沿軸線旋扭；一種制備半固態(tài)合金漿料的方法，它包括以下步驟1)將合金原料放入坩堝中熔化，并在650~750℃時(shí)進(jìn)行精煉除氣；2)靜置15~25min，當(dāng)達(dá)到預(yù)定的澆注溫度后，將坩堝中的熔液澆入權(quán)利要求1所述的用于制備半固態(tài)合金漿料的裝置內(nèi)；3)最后熔液被權(quán)利要求1所述的用于制備半固態(tài)合金漿料的裝置導(dǎo)流到澆注模具中。采用以上結(jié)構(gòu)和方法后，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明既具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作成本較低，又具有經(jīng)過(guò)通道后的半固態(tài)鋁合金漿料的晶粒的圓整度較高，晶粒的直徑也較小，進(jìn)而使得澆注成型的成品的綜合力學(xué)性能較好的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)B22D1/00GK102343422SQ20111029804
公開(kāi)日2012年2月8日 申請(qǐng)日期2011年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月8日
發(fā)明者俞凱逸, 劉 文, 劉立君, 吳紅兵, 張國(guó)俊, 李繼強(qiáng), 潘凌峰, 賈志欣 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院