CN101054636A - 一种制备半固态合金的波浪型倾斜板振动装置及制备方法 - Google Patents

Abstract

一种制备半固态合金的波浪型倾斜板振动装置，属于制备半固态合金技术领域。包括支架、波浪型金属板、凸轮振动机构、水冷铜模、电动机和调频装置，支架上固定有中间包，与支架平行固定有支板，支板侧为水冷铜模，在支板和支架间安装有固定板，固定板通过弹簧连接波浪型金属板的托架，在波浪型金属板的托架上固定有凸轮机构，电动机分别与凸轮机构和调压器连接。本发明的优点是制造成本低，工艺流程短，提高了搅拌作用效果，制备的半固态合金组织优良，组织不但细小、圆整而且球化程度高，最细可达10μm。可制备高熔点半固态材料，实现高熔点钢铁材料的半固态成形。

Description

一种制备半固态合金的波浪型倾斜板振动装置及制备方法

技术领域

本发明属于制备半固态合金技术领域，特别是涉及一种制备半固态合金的波浪型倾斜板振动装置及制备方法。

背景技术

金属半固态成形技术是1971年美国麻省理工学院Flemings教授首先提出的，它是在合金液固两相区进行成形，节能节材、短流程。具有许多优点：成形力小、能耗小，环保；容易近终形生产复杂零件；成分偏析少，明显提高工具的寿命；可以生产粒子、纤维复合材料。被誉为最具前景的21世纪绿色加工技术，引起广泛重视。

目前，国外投入商业化生产的半固态成形技术主要有：螺旋机械搅拌技术、电磁搅拌技术、喷射沉积技术与应变诱导熔体活化技术等。在成形工艺方面，主要采用触变成形。在半固态成形中，浆料制备、储运输送、固相率控制要求高，企业员工技术水平有限、企业也不愿投入较高成本利用尚不十分成熟的技术，成为阻碍该技术在全球大规模推广的重要瓶颈。如何缩短工艺流程，开发方便快捷、易于实现工业化、低能耗、低成本的新技术是目前半固态成形技术重点研究内容之一。Molenaar等提出搅拌可以减小液-固界面前沿溶质的富集，以非枝晶状生长，此后许多学者也都发现了熔体中非枝晶或球状晶的直接生长的现象。Van等利用丁二腈-水透明模型合金进行搅拌实验，也发现合金非枝晶凝固现象。强烈的对流形成一个相对均匀温度场与成分场，熔体大量形核。长大过程中，强烈对流极大改善了传热和传质过程，枝晶生长受强烈抑制。粒状游离晶同时会发生自旋转运动，使晶粒周围环境趋于均匀，球状生长。低温浇注、搅拌等都可以引起这种条件。Fan Z等认为在高强度的剪切作用或者高强度紊流使熔体整体形核，提高了形核率，但是，如果在层流条件下，初生晶粒周围的金属液体渗入二次枝晶臂之间的深度有限，合金熔体仍以树枝晶状生长。但是在高剪切速率和高强度紊流作用下，初生晶粒周围的金属液体渗入二次枝晶臂之间的深度会增加，减薄了枝晶周围热扩散边界层和溶质扩散边界层的厚度，减弱了成分过冷，提高了枝晶臂根部和侧面的生长速度，而枝晶尖端的生长速度不会提高。根据剪切速率或者紊流强度不同，晶粒生长成玫瑰状或者球状，在剪切速率或者紊流强度超过某一临界值后，初生晶粒直接生长成球形。

发明内容

针对上述存在的问题，为了改善凝固组织和解决制备浆料过程时斜板表面凝固结壳问题，深入研究非枝晶组织形成机理，同时开发易于工业化的半固态成形技术，为高熔点的钢铁材料及易燃镁合金的半固态成形开辟新途径。本发明提供一种制备半固态合金的波浪型倾斜板振动装置及制备方法，采用波浪型并施加振动的倾斜板，该振动装置制备的半固态合金组织更细小、圆整，最细可达10μm，很好解决了斜板表面的凝固结壳问题。

本发明的波浪型倾斜板振动装置包括支架、波浪型金属板、凸轮振动机构、水冷铜模、电动机和调频装置，支架上固定有中间包，与支架平行固定有支板，支板侧为水冷铜模，在支板和支架间安装有固定板，固定板通过弹簧连接波浪型金属板的托架，在波浪型金属板的托架上固定有凸轮机构，电动机分别与凸轮机构和调压器连接。

本发明波浪型金属板根据制备不同的半固态材料，材质可采用紫铜、不锈钢等不同的波浪型板，也可选用带有冷却水箱的波浪型板，其中波峰间距范围为30mm～60mm，波峰与波谷距离范围为10mm～20mm。凸轮振动机构包括偏心凸轮和轴承座，偏心凸轮通过电动机转轴与波浪型倾金属板托架上的轴承座连接，根据调节偏心凸轮的偏心距来调节振动的振幅。在与固定板连接的支板或支架上开有定位孔，固定板一端安装有转轴，通过转轴连接，另一端置于支板或支架的定位孔中。可调节波浪型金属板的倾斜角度，调节的角度范围在30°～60°之间。

波浪型金属板带有加热和冷却系统，将熔融合金浇注到与水平线成一定倾角的波浪型金属板表面，同时波浪型金属板在电动机带动下在垂直方向上进行小幅振动，熔融合金在重力作用下发生流动并与波浪形表面发生作用，并同时受到振动，熔体以高的形核率形核，并在碰撞剪切与振动条件下生长，通过控制浇注温度、冷却强度、波浪型金属板倾角与振动频率可获得理想球形晶的半固态材料。采用该技术制备的半固态浆料中包含有细小的球化理想的固相颗粒组织。可以将制备的半固态金属浆料铸成锭坯，以供半固态触变成形之用，也可以直接进行流变成形。

本发明的优点是制造成本低，工艺流程短，更容易实现工业化。提高了搅拌作用效果，制备的半固态合金组织优良，组织不但细小、圆整而且球化程度高，最细可达10μm。可制备高熔点半固态材料，实现高熔点钢铁材料的半固态成形。可采用封闭式的矩形斜板，保护后容易实现镁合金半固态成形。

附图说明

图1是本发明的结构示意图，

图2是图1的左视图，

图3是图1中凸轮机构结构示意图，

图4是图3的剖视图，

图5是Al6Si2Mg半固态浆料显微组织图，其中(a)675℃ casting vib＝1.4mm，(b)675℃ casting vib＝1.5mm，(c)675℃ casting vib＝1.6mm；

图6是AZ91D镁合金半固态浆料显微组织图，其中(a)680℃ casting vib＝0.15mm，(b)680℃ casting vib＝1.4mm，(c)680℃ casting vib＝1.6mm；

图7是1Cr18Ni9Ti不锈钢半固态浆料显微组织图，其中(a)1600℃ casting L＝300mm，(b)1600℃ casting L＝450mm，(c)1600℃ casting L＝600mm；

图中1.基础，2.电动机，3.水冷铜模，4.弹簧，5.波浪型金属板，6.凸轮机构，7.支架，8.中间包，9.支板，10.固定板，11.托架，12.偏心凸轮，13.轴承座，14.凸轮轴。

具体实施方式

实施例1：如图1、图2所示，本发明的波浪型倾斜板振动装置包括支架7、波浪型金属板5、凸轮振动机构6、水冷铜模3、电动机2和调频装置，支架7通过地脚螺栓固定在水泥地上，在振动时防止共振的发生，其中共振的电压为150V，支架7上固定有中间包8，与支架7平行固定有支板9，支板9侧为水冷铜模3，在支板9和支架7间安装有用于固定波浪型金属板5的固定板10，固定板10通过弹簧4连接波浪型金属板5的托架11，在波浪型金属板5的托架11上固定有凸轮机构6，凸轮机构6与电机2通过带胶管的钢丝绳软连接，电机与调压器连接实现波浪型倾斜板的调频。

本例的波浪型金属板5材质为紫铜，其中波峰间距为45mm，波峰与波谷距离为15mm。波浪型金属板5为常温。电动机型号为SU-2的单相串激电动机，通过软接触与凸轮振动机构6的可调节式偏心凸轮12连接，凸轮振动机构6包括偏心凸轮12和轴承座13，偏心凸轮12通过电动机转轴与波浪型倾金属板5托架11上的轴承座13连接，偏心凸轮12上开有多个圆孔，根据调节偏心凸轮12的偏心距来调节振动的振幅。调频装置采用型号为12/250的调压器来实现调频和调振幅，其中频率范围为26HZ～65HZ，振幅范围为0.1mm～2.5mm。在与固定板10连接的支板9上开有定位孔，固定板10一端安装有转轴，通过转轴与支架7连接，另一端置于支板9的定位孔中。用于调节波浪型金属板5的倾斜角度，调节的角度范围在30°～60°之间。

采用本发明装置制备Al6Si2Mg合金半固态浆料和坯料的制备工艺，包括如下步骤：

(1)将工业纯铝和工业Al-Si合金放在箱式电阻炉中的坩埚里加热，经熔化后，用控温柜控制熔液温度；

(2)当熔液温度达到750℃时，停止加热，将重量百分比为2％的纯Mg用铝箔包裹并烘干压入到Al-Si合金熔液中，进行加热熔化；

(3)全部熔化反应后，停止加热，待熔液温度降至720℃时，将百分比为0.4％的除渣剂C₂Cl₆用铝箔包裹并烘干后压入熔液底部，进行合金熔液的除气、除渣精炼处理；

(4)在温度为675℃时，静置10min后，浇注到与水平面成45°，长度为400mm，并在振幅分别为1.4mm、1.5mm、1.6mm，相应频率分别为47r/s、52r/s、55r/s，振动状态下的波浪型金属板5上，得到的组织如图5所示。

实施例2：本例的装置与实施例1相同，采用该装置制备Al6Si2Mg合金半固态浆料和坯料的制备工艺，包括如下步骤：

(1)将工业纯铝和工业Al-Si合金放在箱式电阻炉中的坩埚里加热，经熔化后，用控温柜控制熔液温度；

(2)当熔液温度达到750℃时，停止加热，将重量百分比为1.8％的纯Mg用铝箔包裹并烘干压入到Al-Si合金熔液中，进行加热熔化；

(3)全部熔化反应后，停止加热，待熔液温度降至720℃时，将百分比为0.3％的除渣剂C₂Cl₆用铝箔包裹并烘干后压入熔液底部，本例除渣剂C₂Cl₆为0.3％，进行合金熔液的除气、除渣精炼处理；

(4)在温度为675℃时，静置10min后，浇注到与水平面成45°，长度为400mm，并在振幅分别为1.4mm、1.5mm、1.6mm，相应频率分别为47r/s、52r/s、55r/s，振动状态下的波浪型金属板5上，得到的组织如图5所示。

实施例3：本例的装置与实施例1相同，采用该装置制备Al6Si2Mg合金半固态浆料和坯料的制备工艺，包括如下步骤：

(1)将工业纯铝和工业Al-Si合金放在箱式电阻炉中的坩埚里加热，经熔化后，用控温柜控制熔液温度；

(2)当熔液温度达到750℃时，停止加热，将重量百分比为2％的纯Mg用铝箔包裹并烘干压入到Al-Si合金熔液中，进行加热熔化；

(3)全部熔化反应后，停止加热，待熔液温度降至720℃时，将百分比为0.5％的除渣剂C₂Cl₆用铝箔包裹并烘干后压入熔液底部，进行合金熔液的除气、除渣精炼处理；

(4)在温度为675℃时，静置10min后，浇注到与水平面成45°，长度为400mm，并在振幅分别为1.4mm、1.5mm、1.6mm，相应频率分别为47r/s、52r/s、55r/s，振动状态下的波浪型金属板5上，得到的组织如图5所示。

实施例4：本发明的波浪型倾斜板振动装置，如图1、图2所示，包括支架7、波浪型金属板5、凸轮振动机构6、水冷铜模3、电动机2和调频装置，支架7上固定有中间包8，与支架7平行固定有支板9，支板9侧为水冷铜模3，在支板9和支架7间安装有用于固定波浪型金属板5的固定板10，固定板10通过弹簧4连接波浪型金属板5的托架11，在波浪型金属板5的托架11上固定有凸轮机构6，凸轮机构6与电机2通过带胶管的钢丝绳软连接，电机与调压器连接实现波浪型倾斜板的调频。

本例的波浪型金属板5带有加热装置，其材质为紫铜，其中波峰间距为30mm，波峰与波谷距离为10mm。凸轮振动机构6及调频装置与实施例1相同。在与固定板10连接的支架7上开有定位孔，固定板10一端安装有转轴，通过转轴与支板9连接，另一端置于支架7的定位孔中。用于调节波浪型金属板5的倾斜角度，调节的角度范围在30°～60°之间。

采用本发明装置制备AZ91D镁合金半固态浆料和坯料的制备工艺，包括如下步骤：

(1)将不锈钢坩埚预热到500℃～530℃；

(2)在预热后的不锈钢坩埚内充满氩气，然后将配好纯度为99.95％的工业纯镁加入到不锈钢坩埚内，并在流量为5L/min，压力为14MPa氩气的保护下进行加热；

(3)用JWK-702精密温度控制柜控制熔液温度，待温度达到650℃，即有镁液产生时，将重量百分比为1％阻燃金属钙加入并升温到720℃时，并将预热干燥后的重量百分比分别为工业纯铝9.5％、锌0.9％、锰0.4％元素加入其中，进行熔化反应；

(4)当合金全部熔化后，搅拌使其混合均匀，静置30min后，将重量百分比为0.5％的除渣剂C₂Cl₆压入溶液中进行除渣，在680℃静置10min后，浇注到与水平面成45°，长度为400mm，并在振幅分别为0.15mm、1.4mm、1.6mm，相应频率分别为26r/s、47r/s、55r/s，振动状态下的波浪型金属板5上，得到的组织如图6所示。

实施例5：本例的装置与实施例4相同，采用该装置制备AZ91D镁合金半固态浆料和坯料的制备工艺，包括如下步骤：

(1)将不锈钢坩埚预热到500℃～530℃；

(2)在预热后的不锈钢坩埚内充满氩气，然后将配好纯度为99.95％的工业纯镁加入到不锈钢坩埚内，并在流量为5L/min，压力为14MPa氩气的保护下进行加热；

(3)用JWK-702精密温度控制柜控制熔液温度，待温度达到650℃，即有镁液产生时，将重量百分比为0.8％阻燃金属钙加入并升温到720℃时，并将预热干燥后的重量百分比分别为工业纯铝9％、锌0.7％、锰0.2％元素加入其中，进行熔化反应；

(4)当合金全部熔化后，搅拌使其混合均匀，静置30min后，将重量百分比为0.4％的除渣剂C₂Cl₆压入溶液中进行除渣，在680℃静置10min后，浇注到与水平面成45°，长度为400mm，并在振幅分别为0.15mm、1.4mm、1.6mm，相应频率分别为26r/s、47r/s、55r/s，振动状态下的波浪型金属板5上，得到的组织如图6所示。

实施例6：本例的装置与实施例4相同，采用该装置制备AZ91D镁合金半固态浆料和坯料的制备工艺，包括如下步骤：

(1)将不锈钢坩埚预热到500℃～530℃；

(2)在预热后的不锈钢坩埚内充满氩气，然后将配好纯度为99.95％的工业纯镁加入到不锈钢坩埚内，并在流量为5L/min，压力为14MPa氩气的保护下进行加热；

(3)用JWK-702精密温度控制柜控制熔液温度，待温度达到650℃，即有镁液产生时，将重量百分比为0.5％阻燃金属钙加入并升温到720℃时，并将预热干燥后的重量百分比分别为工业纯铝8.5％、锌0.45％、锰0.17％元素加入其中，进行熔化反应；

(4)当合金全部熔化后，搅拌使其混合均匀，静置30min后，将重量百分比为0.3％的除渣剂C₂Cl₆压入溶液中进行除渣，本例除渣剂C₂Cl₆为0.3％，在680℃静置10min后，浇注到与水平面成45°，长度为400mm，并在振幅分别为0.15mm、1.4mm、1.6mm，相应频率分别为26r/s、47r/s、55r/s，振动状态下的波浪型金属板5上，得到的组织如图6所示。

实施例7：本发明的波浪型倾斜板振动装置，如图1、图2所示，包括支架7、波浪型金属板5、凸轮振动机构6、水冷铜模3、电动机2和调频装置，支架7上固定有中间包8，与支架7平行固定有支板9，支板9侧为水冷铜模3，在支板9和支架7间安装有用于固定波浪型金属板5的固定板10，固定板10通过弹簧4连接波浪型金属板5的托架11，在波浪型金属板5的托架11上固定有凸轮机构6，凸轮机构6与电机2通过带胶管的钢丝绳软连接，电机与调压器连接实现波浪型倾斜板的调频。

本例的波浪型金属板5材质为不锈钢，其中波峰间距为60mm，波峰与波谷距离为20mm。波浪型金属板带有冷却水箱。凸轮振动机构6及调频装置与实施例1相同。在与固定板10连接的支板9上开有定位孔，固定板10一端安装有转轴，通过转轴与支架7连接，另一端置于支板9的定位孔中。用于调节波浪型金属板5的倾斜角度，调节的角度范围在30°～60°之间。

采用本发明装置制备1Cr18Ni9Ti不锈钢半固态浆料和坯料的制备工艺，包括如下步骤：

(1)将1Cr18Ni9Ti不锈钢在中频熔炉1600℃熔化。

(2)熔融的合金在1600℃静置30min后，浇注到与水平面成45°，长度分别为300mm，450mm，600mm波浪型金属板5上，合金在重力作用下发生流动，并在流动过程中不断散失热量，同时不断形核与凝固，控制在40％～60％的固相率下进入水冷铜模3，得到的组织如图7所示。

Claims (8)

1、一种制备半固态合金的波浪型倾斜板振动装置，包括支架、水冷铜模、电动机和调频装置，支架上固定有中间包，与支架平行固定有支板，支板侧为水冷铜模，其特征在于还包括有波浪型金属板、凸轮振动机构、固定板和弹簧，在支板和支架间安装有固定板，固定板通过弹簧连接波浪型金属板的托架，在波浪型金属板的托架上固定有凸轮机构，电动机分别与凸轮机构和调压器连接。

2、根据权利要求1所述的一种制备半固态合金的波浪型倾斜板振动装置，其特征在于所述的波浪型金属板波峰间距范围为30mm～60mm，波峰与波谷的距离范围为10mm～20mm。

3、根据权利要求1或2所述的一种制备半固态合金的波浪型倾斜板振动装置，其特征在于所述的波浪型金属板材质为紫铜或不锈钢，带有冷却水箱或带有加热装置。

4、根据权利要求1所述的一种制备半固态合金的波浪型倾斜板振动装置，其特征在于所述的凸轮振动机构包括偏心凸轮和轴承座，偏心凸轮通过电动机转轴与波浪型倾金属板托架上的轴承座连接，偏心凸轮上开有多个圆孔。

5、根据权利要求1所述的一种制备半固态合金的波浪型倾斜板振动装置，具特征在于所述的与固定板连接的支板或支架上开有定位孔，固定板一端安装有转轴，通过转轴连接，另一端置于支板或支架的定位孔中，调节波浪型金属板的角度范围在30°～60°之间。

6、采用如权利要求1所述的一种制备半固态合金的波浪型倾斜板振动装置制备Al6Si2Mg合金半固态浆料和坯料的方法，其特征在于包括如下步骤：

第一步：将工业纯铝和工业Al-Si合金放在箱式电阻炉中的坩埚里加热，经熔化后，用控温柜控制熔液温度；

第二步：当熔液温度达到750℃时，停止加热，将重量百分比为1.8％～2的纯Mg用铝箔包裹并烘干压入到Al-Si合金熔液中，进行加热熔化；

第三步：全部熔化反应后，停止加热，待熔液温度降至720℃时，将百分比为0.3％～0.5％的除渣剂C₂Cl₆用铝箔包裹并烘干后压入熔液底部，进行合金熔液的除气、除渣精炼处理；

第四步：在温度为675℃时，静置10min后，浇注到振动状态下的波浪型金属板上，即得到Al6Si2Mg合金半固态浆料和坯料组织。

7、采用如权利要求1所述的一种制备半固态合金的波浪型倾斜板振动装置制备AZ91D镁合金半固态浆料和坯料的方法，其特征在于包括如下步骤：

第一步：将不锈钢坩埚预热到500℃～530℃；

第二步：在预热后的不锈钢坩埚内充满氩气，然后将纯度为99.95％的工业纯镁加入到不锈钢坩埚内，并在流量为5L/min，压力为14MPa氩气的保护下进行加热；

第三步：用温控柜控制熔液温度，待温度达到650℃，即有镁液产生时，将阻燃金属钙加入并升温到720℃时，并将预热干燥后重量为8.5％～9.5％的工业纯铝、0.45％～0.9％锌、0.17％～0.4％锰元素加入其中，进行熔化反应；

第四步：当合金全部熔化后，搅拌使其混合均匀，静置30min后，将重量百分比为0.3％～0.5％的除渣剂C₂Cl₆压入溶液中进行除渣，在680℃静置10min后，浇注到振动状态下的波浪型金属板上，即得到AZ91D镁合金半固态浆料和坯料组织。

8、采用如权利要求1所述的一种制备半固态合金的波浪型倾斜板振动装置制备1Cr18Ni9Ti不锈钢半固态浆料和坯料的方法，其特征在于包括如下步骤：

第一步：将1Cr18Ni9Ti不锈钢在中频熔炉1600℃熔化；

第二步：熔融的合金在1600℃静置30min后，浇注到波浪型金属板上，合金在重力作用下发生流动，同时不断形核与凝固，40％～60％的固相率下进入水冷铜模，即得到1Cr18Ni9Ti不锈钢半固态浆料和坯料组织。

Images