一種制造半固態(tài)輕合金鑄件的低壓鑄造一步法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半固態(tài)金屬加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種制造半固態(tài)輕合金鑄件的低壓鑄造一步法。
【背景技術(shù)】
[0002]采用在線、一步法快速制備具有球狀初生相的半固態(tài)金屬漿料是半固態(tài)金屬成形技術(shù)的核心內(nèi)容。如何高質(zhì)、高效在線制備半固態(tài)金屬漿料并直接流變成形成為半固態(tài)金屬加工技術(shù)產(chǎn)業(yè)化研究和關(guān)注的焦點。
[0003]生產(chǎn)實踐證明，低壓鑄造有許多優(yōu)點，歸納如下:(I)液態(tài)金屬是自下而上地平穩(wěn)充填型腔，型腔中液流方向與氣體的方向一致，故可避免金屬液對型腔的沖刷，同時還可以減少金屬液流卷入氣體和金屬液二次氧化的可能性，防止鑄件產(chǎn)生氣孔和非金屬夾雜物的缺陷。(2)鑄件凝固補縮的過程是在氣體壓力的作用下進行的，所以補縮效果較好，鑄件的致密度高、力學性能優(yōu)良。所以此法用于生產(chǎn)耐高壓、防滲漏鑄件時效果更好。(3)液體金屬是在外加壓力作用下充填型腔的，提高了熔體的充填能力，所以在生產(chǎn)復雜或者是散熱面積較大的薄壁鑄件時，此法在使鑄件成型方面特別有效。(4)金屬熔體的利用率很高。低壓鑄造鑄型的澆注系統(tǒng)較為簡單，可以省去澆冒口系統(tǒng)，并且升液管內(nèi)還未凝固的熔體可回流至柑禍內(nèi)，所以生產(chǎn)鑄件所消耗的金屬液相對較少，提高了工藝收得率。(5)可以極大地降低澆注工藝中的勞動強度，整個鑄造過程易于實現(xiàn)機械化、自動化、生產(chǎn)效率高。(6)低壓鑄造工藝對合金材料有較大適應性，輕合金、鎂合金、銅合金等都適合采用低壓鑄造工藝。而半固態(tài)金屬成形，被稱為21世紀最有發(fā)展前途的金屬材料加工技術(shù)之一。該工藝也具有許多獨特的優(yōu)點:鑄件凝固收縮減少，成形不易裹氣，因此鑄件致密，可以熱處理強化;鑄件晶粒細小，不存在宏觀偏析，性能更均勻;半固態(tài)金屬成形易于近凈成形，機加工量減少;半固態(tài)金屬成形漿料溫度低，對模具熱沖擊小，模具壽命長。若能將半固態(tài)成形技術(shù)與低壓鑄造良好結(jié)合，發(fā)揮兩者的技術(shù)優(yōu)勢，低成本、綠色近凈成形優(yōu)異性能、優(yōu)質(zhì)合金鑄件，將促進我國金屬加工制造技術(shù)快速發(fā)展。
[0004]目前國內(nèi)制造半固態(tài)輕合金鑄件，主要依靠觸變成形工藝即先通過專門的工藝和設備如電磁攪拌、機械攪拌、噴射成形等制備半固態(tài)輕合金坯料，然后對坯料進行重熔，最后擠壓或壓鑄成形半固態(tài)鑄件。但是該種制造工藝工序復雜，成本高、而且坯料重熔時溫度較難控制，漿料固相率高難以成形復雜薄壁鑄件，導致觸變成形技術(shù)工業(yè)化應用受到限制被逐漸淘汰。后期美國MIT的Flemings等人提出半固態(tài)金屬的流變壓鑄工藝，它是將制備出的半固態(tài)金屬漿料直接送往壓鑄機的壓室，進行流變壓鑄。目前我國在半固態(tài)流變成形技術(shù)的研究處于實驗研究階段，國外已經(jīng)開發(fā)了多種流變成形技術(shù)，例如麻省理工學院的SSR?(Sem1-solid rheo casting)流變成形技術(shù)、加拿大 Al can輕業(yè)公司的 SEED (Swir ledenthalpy equilibrat1n dev i ce )流變成形技術(shù)、日本UBE公司開發(fā)的NRC (Newrheocasting process)流變成形技術(shù)、南非科學與工業(yè)研究委員會開發(fā)的CSIR( counci Ifor scientific and industrial research)流變成形技術(shù)、瑞典延雪平大學(JonkopingUniversity)開發(fā)的RSF(rapid slurry forming)流變成形技術(shù)等，并且部分已經(jīng)小批量工業(yè)化生產(chǎn)。雖然國外開發(fā)了多種流變成形技術(shù)，但是仍有一些缺點例如SSR?流變成形技術(shù)制備的半固態(tài)漿料存在卷氣、氧化、夾雜缺陷，制備的半固態(tài)漿料組織較大等缺點；加拿大Al can輕業(yè)公司的SEED流變成形技術(shù)其制備的半固態(tài)漿料存在量小、漿料固相率高難以成形薄壁件等缺點。另外，國外幾種典型流變成形技術(shù)均在大壓力的擠壓機或壓鑄機上流變成形，對設備的要求較高，導致生產(chǎn)成本較高。總之，國外的流變成形技術(shù)仍存在一定的不足，特別是需要額外專門設備提前制備半固態(tài)金屬漿料，漿料制備過程溫度變化靈敏、可控性差;而且在漿料的運輸過程中容易導致漿料氧化，漿料溫度損失固相率難以控制等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決現(xiàn)有制造半固態(tài)輕合金鑄件過程中存在的制備半固態(tài)金屬漿料質(zhì)量差、操作過程復雜、不可控、成本較高等問題，本發(fā)明的目的是提供一種制造半固態(tài)輕合金鑄件的低壓鑄造一步法。
[0006]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
[0007]一種制造半固態(tài)輕合金鑄件的低壓鑄造一步法，該方法是利用半固態(tài)輕合金鑄件制備裝置進行，該裝置包括坩禍電阻爐、升液管、低壓密封平臺、輕合金引晶通道、密封筒、聯(lián)接底座、模具固定平臺和金屬模具;其中:所述坩禍電阻爐用于熔煉合金熔體，坩禍電阻爐的頂端開口處設置低壓密封平臺；所述升液管穿過低壓密封平臺并伸入坩禍電阻爐內(nèi)，其上端固定于連接底座上，連接底座4與低壓密封平臺為可拆卸連接;所述密封筒套裝于輕合金引晶通道外側(cè)，密封筒的下部安裝于連接底座上，且密封筒在連接底座上的安裝位置與升液管相對應，密封筒的上部穿過模具固定平臺并與所述金屬模具相連接;所述模具固定平臺的上部承載金屬模具，其底部固定在所述連接底座上。
[0008]所述金屬模具通過鎖緊裝置固定在模具固定平臺，所述金屬模具的外表面噴涂有保溫涂料。
[0009]所述輕合金引晶通道具有多個通道。
[0010]本發(fā)明所提供的利用上述裝置制造半固態(tài)輕合金鑄件的低壓鑄造一步法，該方法包括如下步驟:
[0011](I)熔煉合金熔體:
[0012]在坩禍電阻爐I進行合金熔煉，在熔煉時，將輕合金熔體的溫度控制在合金液相線以上50?80°C范圍內(nèi)；然后對合金熔體進行精煉、細化變質(zhì)，并進行扒渣處理，最后將合金熔體的溫度控制在液相線以上15?35°C范圍內(nèi)；
[0013](2)半固態(tài)漿料一步法在線制備:將步驟(I)獲得的高于液相線15?35 °C的輕合金金屬液，在密閉坩禍內(nèi)合金熔體表面上施加0.01?0.05MPa的空氣壓力或惰性氣體壓力，合金液通過浸放在坩禍里的升液管上升;合金熔體通過升液管之后首先經(jīng)過連接底座，然后進入裝有輕合金引晶通道的密封筒中，最后合金熔體在氣體壓力作用下被帶到鑄型(金屬模具)中，并在鑄型(金屬模具)的強烈激冷作用下形成細小球狀組織的半固態(tài)漿料；
[0014](3)半固態(tài)漿料流變低壓成形:步驟(2)形成的半固態(tài)漿料直接在氣體壓力的作用下在預熱的金屬模具中快速凝固成形半固態(tài)輕合金鑄件。
[0015]上述步驟(2)中半固態(tài)漿料的制備、運輸及成形在密閉的環(huán)境中進行。
[0016]上述步驟(2)中，所述輕合金引晶通道進行預熱處理，預熱溫度為70?90°C。
[0017]上述步驟(3)中，所用的金屬模具的預熱溫度為180?200°C。
[0018]本發(fā)明所述半固態(tài)輕合金為半固態(tài)鋁、半固態(tài)鋁合金、半固態(tài)鎂或半固鎂合金。
[0019]本發(fā)明設計原理如下:
[0020]本發(fā)明利用特定結(jié)構(gòu)的裝置并采用低壓鑄造一步法制造半固態(tài)輕合金鑄件，該方法中，將處理好高于液相線15?35°C的輕合金金屬液，在密閉坩禍合金熔體表面上施加0.01?0.05MPa的空氣壓力或惰性氣體壓力，合金液通過浸放在坩禍里的升液管上升。合金熔體通過升液管之后首先經(jīng)過連接底座然后進入裝有具有多個通道的輕合金引晶通道的密封筒中，當合金熔體在氣體壓力作用下流經(jīng)溫度較低的輕合金引晶通道時，部分熔體接觸到引晶的通道內(nèi)、外壁，由于引晶通道的強烈激冷作用，在通道壁附近形成一個過冷度較大的溫度邊界層，較大的過冷度大大降低了形核功，合金熔體在通道壁的表面和附近產(chǎn)生大量晶核;后續(xù)合金熔體在氣體壓力作用下快速流動，對通道壁表面及其附近形成的晶核產(chǎn)生較大的沖刷和剪切作用，使晶粒游離形成自由晶抑制了凝固殼在早期形成，延長晶粒游離的時間，同時也為產(chǎn)生更多的晶核創(chuàng)造了條件。合金熔體中的晶核在氣體壓力作用下被帶到鑄型中并在整個熔體中分布均勻，減弱了結(jié)晶前沿的溫度梯度和成分過冷，使得一部分晶核以類球狀形態(tài)在熔體中繼續(xù)長大；由于鑄型的強烈激冷作用使得熔體整體溫度趨于均勻，一部分晶核直接演變成橢圓狀或球狀晶；另外，剩余的液相在大的過冷度下，以液相中雜質(zhì)作為襯底或結(jié)晶核心，依靠能量起伏和結(jié)構(gòu)起伏來形核大量增殖形成高密度的晶核，相互碰撞抑制晶核呈樹枝形態(tài)生長并逐漸球化，最終得到細小球狀半固態(tài)組織的漿料。形成的半固態(tài)漿料直接在氣體壓力的作用下在預熱的金屬模具中快速凝固成形半固態(tài)輕合金鑄件。
[0021]進一步，步驟(2)中的輕合金半固態(tài)漿料的制備不需要專門制漿裝置，直接在澆注、充型的過程中一步實現(xiàn)，裝置結(jié)構(gòu)緊湊重量輕、占地小，成本低。
[0022]進一步，步驟(2)中的輕合金半固態(tài)漿料的制備不需要實時監(jiān)控半固態(tài)漿料的溫度，只需要控制合金熔體的澆注溫度(即熔體的過熱度)，解決傳統(tǒng)制造半固態(tài)輕合金鑄件由于制備半固態(tài)漿料時漿料溫度難以控制問題。
[0023]本發(fā)明制備的輕合金漿料直接在氣體壓力作用下直接進入型腔一步成形半固態(tài)金屬鑄件，不需要專門的裝置運輸半固態(tài)漿料，解決傳統(tǒng)制造半固態(tài)輕合金鑄件由于漿料運輸過程中漿料氧化及溫度損失固相率難以控制等問題。
[0024]本發(fā)明輕合金漿料的制備、運輸及成形在一個密閉的環(huán)境中進行，可以減少或避免了漿料在此三個過程中產(chǎn)生氧化、夾雜缺陷。
[0025]本發(fā)明所制備的輕合金半固態(tài)漿料為半固態(tài)鋁漿料、半固態(tài)鋁合金漿料、半固態(tài)鎂漿料和半固鎂合金漿料中的一種。
[0026]本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在:
[0027]本發(fā)明中的半固態(tài)金屬制漿裝置與成形裝置直接相連，結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間小;輕合金半固態(tài)漿料的制備在充型、澆注的過程中一步直接實現(xiàn)，節(jié)省了專門制備輕合金半固態(tài)漿料的裝置，解決了傳統(tǒng)制造半固態(tài)輕合金鑄件半固態(tài)漿料制備過程中溫度難以控制，運輸過程中漿料氧化、漿料溫度損失導致固相率難以控制等問題。
[0028]在制備漿料時，主要通過多通道的輕合金引晶通道進