环缝式电磁搅拌制备半固态合金流变浆料或坯料的方法.pdf

一种环缝式电磁搅拌法制备半固态金属或合金浆料或坯料的方法，简称“环缝式电磁搅拌法”，将高于其液相线温度5～100℃的液态金属或合金液浇入制浆室内侧壁和内部冷却控制器外壁之间形成的环形缝隙中。金属或合金液在电磁感应旋转搅拌器的作用下受到强烈的搅拌。同时，外部冷却控制器和内部冷却控制器中通入的冷却介质可使浆料的温度场更加均匀，从而得到细小均匀的半固态组织。其特征在于：制浆室内侧壁和内部冷却控制器外壁之间形成的环形缝隙宽度为3-100mm。制备过程中，外部冷却控制器和内部冷却控制器中通入冷却介质，均匀浆料的温度场。这种制备方法将使浆料受到的搅拌力场和温度场更加均匀，从而得到优质的半固态浆料。该方法制备工艺简单，操作方便，半固态组织形态优良，均匀细小、制备成本低，非常适合半固态铝及铝合金、镁及镁合金及其他金属及合金或复合材料浆料或坯料的制备。

1.  一种环缝式电磁搅拌法制备半固态金属或合金的浆料或坯料的方法，其特征在于：在所采用的制浆室内设置可通入冷却介质的内部冷却控制器，内部冷却控制器的外壁与制浆室的内侧壁之间形成环形间隙，在该制浆室的外周由里到外依次设置有外部冷却控制器、保温材料、电磁搅拌器，将高于其液相线温度5～100℃的液态金属或合金液浇入制浆室内侧壁和内部冷却控制器外壁之间形成的环形缝隙中，并开启电磁搅拌器对环形缝隙中的液态金属或合金液进行搅拌，进行半固态浆料制备，同时分别向外部冷却控制器和内部冷却控制器中通入的室温温度的冷却介质，其冷却速度为1～150℃/min，使得制备半固态浆料的温度场更加均匀，从而得到细小均匀的半固态浆料组织，并使半固态浆料的温度控制在低于其液相线温度而高于其固相线温度之间。

2.  按照权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的制浆室内侧壁和内部冷却控制器外壁之间形成的环形缝隙宽度为3-200mm。

3.  按照权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的制浆室为一圆筒形容器，所述的外部冷却控制器为环绕着圆筒形容器外周的螺旋管，其两端设有冷却介质的进口和出口，冷却介质的流量为0～200升/min，且≠0。

4.  按照权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的内部冷却控制器为其内通有冷却介质的冷却通道，冷却通道是由中心管和其外套管组成，中心管的上口为冷却介质输入口，中心管的下口与外套管相通，中心管构成冷却介质输入通道；外套管的上口为冷却介质输出口，外套管构成冷却介质输出通道，冷却介质的流量为0～200升/min，且≠0。

5.  按照权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的电磁搅拌器采用感应交流旋转电磁搅拌器，频率为5～100Hz。

6.  按照权利要求1所述的方法，其特征在于：在半固态浆料制备过程中，半固态浆料内外温差控制在±3℃以内，所述的半固态浆料内外温差为处于内部冷却控制器外壁的半固态浆料的温度和处于制浆室内侧壁的半固态浆料的温度之差。

7.  按照权利要求1所述的方法，其特征在于：所制备的半固态浆料为半固态铝浆料、半固态铝合金浆料、半固态镁浆料和半固态镁合金浆料中的一种。

8.  按照权利要求7所述的方法，其特征在于：将半固态浆料在制浆室内完全凝固，即可获得半固态铝坯料、半固态铝合金坯料、半固态镁坯料和半固态镁合金坯料中的任意一种坯料，该坯料可作为半固态触变成形的原始坯料。

9.  按照权利要求1所述的方法，其特征在于：在制备半固态浆料过程中，向制浆室内侧壁和内部冷却控制器外壁之间形成的环形缝隙中通入避免或减少金属或合金氧化的保护气体，该保护气体为氩气、氮气或氦气。

10.  按照权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的制浆室、内部冷却控制器和外部冷却控制器的材质均为非金属或无磁金属。

环缝式电磁搅拌制备半固态合金流变浆料或坯料的方法
技术领域
本发明属于半固态金属加工技术领域，涉及一种半固态金属或合金浆料或坯料的制备方法。适用于制备半固态金属或合金浆料或坯料。
背景技术
自从二十世纪七十年代美国麻省理工学院的Flemings教授发明了半固态金属成形技术以来，半固态金属浆料的制备和成形技术作为一种新型的技术立即引起了世界各国的广泛关注，纷纷投入大量的人力、物力和财力对此技术进行相关的研究和开发，目前许多金属浆料的制备方法已经发明出来，主要有电磁搅拌法；机械搅拌法；变形应变激活法；超声波振动法；喷射沉积法、单/双螺旋搅拌法；低过热度浇注和弱电磁搅拌法；低过热度倾斜板浇注法，熔体混合法等多种制浆方法。而在这些制备方法中，电磁搅拌法由于具有不污染合金、合金浆料纯净，控制参数易于调节，可以连续生产流变浆料或连续铸锭等优点，已经投入商业化生产且获得了较大范围的应用，成为目前生产半固态金属及合金浆料或坯料的主要制备方法。但是由于电磁感应趋肤效应的存在，使浆料内部所受的电磁搅拌力存在明显的区另，浆料表层受到的搅拌力大而内部小。而且由于浆料的散热主要通过表层传出，导致浆料内部的温度场分布也不均匀，浆料表层温度低而内部温度高。这些因素导致制备的半固态浆料组织分布不均匀，表层为较小的粒状或蔷薇状，而内部往往为较为粗大的蔷薇晶或树枝晶，浆料或坯料组织较差。影响了该技术应用范围的进一步扩大或竞争力的提高。因此目前半固态制浆行业普遍将电磁感应存在的趋肤效应看作为一种不利的因素而极力加以避免，制浆生产中也往往采用降低电磁搅拌频率、增加电磁场的趋肤深度的手段来克服趋肤效应对浆料组织的不利影响，试图获得较为理想的半固态浆料组织。但是这会造成制浆设备庞大，投资成本很高，浆料制备成本也很高。
在电磁搅拌制备半固态金属及合金浆料或坯料的方法中，美国4434837号专利和4229210都公开了几种制备半固态金属及合金浆料和坯料的电磁搅拌方法，其主要原理是利用强烈的电磁搅拌打碎初生枝晶，抑制初生晶粒向枝晶状生长，从而制备出球状或粒状初生晶粒的半固态金属及合金浆料。在上述专利公开的有关电磁搅拌方法中，未提到浆料内部的冷却，也未提出获得均匀浆料温度场的方法。但是在采用上述专利公开的电磁搅拌方法制备半固态浆料时，浆料温度场的分布不均匀，浆料的外层散热快，而浆料内部中心散热慢，导致初生晶粒在空间和时间上的产生存在明显的差别，浆料外层初生晶粒先析出，而浆料内部初生晶粒后析出，这样最终会导致浆料组织的不均匀性，对于大尺寸和大规格的浆料或坯料更为如此。而且由于电磁感应磁场的趋肤效应，使磁场强度从浆料的外缘到中心呈指数式递减，导致浆料的外层受到的搅拌作用强，而在浆料的中心受到的搅拌作用很弱，因此在采用此方法得到的浆料或坯料组织中，组织分布很不均匀，外层细小，而内层粗大，且组织形态也不相同，外层的初生晶粒呈球状或粒状，而中心呈树枝晶或蔷薇状，因此采用上述方法制备的半固态浆料或坯料的尺寸也受到了限制，很难制备出优质的半固态金属及合金浆料或坯料。
中国专利200410090636.6也提出了一种施加复合电磁搅拌连续制备半固态金属浆料的方法，该方法的主要原理是：先将熔炼合格的过热金属液连续不断地浇入到一个预热的中间包内，对中间包内的金属液施加电磁搅拌，使其在均匀冷却条件下温度接近液相线温度；然后，中间包内的金属液体经与之相连的导流管导出，同时在倒流管外施加强烈电磁搅拌和冷却，来获得等轴、细化、均质的半固态金属浆料。采用上述方法制备半固态金属浆料，可解决现有技术中由于单纯静置保温控制浇注金属液体接近液相线温度难操作性以及由此带来的金属液体过热度太低时流动性变差的技术难题，也可避免了由于现有技术中制浆室尺寸较大、金属液体搅拌不均匀导致冷却不均匀及凝固组织不均匀的问题。在该方法中，采用了复合电磁搅拌技术，未提及如何获得均匀的温度场和搅拌力场的措施。但是在采用该方法制备半固态金属浆料时，虽采用了强烈的复合电磁搅拌技术有助于半固态合金浆料的流动，但是浆料温度场的不均匀性和浆料组织的不均匀性仍然明显存在，无法生产优质的半固态合金浆料或坯料。
总之，目前国内外采用的电磁搅拌方法制备半固态金属及合金浆料或坯料的设备及方法中，即使采用低频搅拌等多种措施，也由于趋肤效应和浆料固有的散热特性的存在，浆料的温度场分布和组织分布仍存在较大的不均匀性，不易生产出优质的半固态浆料或坯料，限制了该技术的进一步发展和应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种制备半固态金属或合金浆料或坯料的方法，通过该方法得到的半固态浆料组织均匀，细小，形态好，有利于生产出合格优质的半固态金属或合金坯料或浆料。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种环缝式电磁搅拌制备半固态金属或合金的浆料或坯料的方法，简称“环缝式电磁搅拌法”，其特征在于：在所采用的制浆室内设置可通入冷却介质的内部冷却控制器，内部冷却控制器的外壁与制浆室的内侧壁之间形成环形缝隙，在该制浆室的外周由里到外依次设置有外部冷却控制器、保温材料、电磁搅拌器，将高于其液相线温度5～100℃的液态金属或合金液浇入制浆室内侧壁和内部冷却控制器外壁之间形成的环形缝隙中，并开启电磁搅拌器对环形缝隙中的液态金属或合金液进行搅拌，进行半固态浆料制备，同时分别向外部冷却控制器和内部冷却控制器中通入的室温温度的冷却介质，其冷却速度为1～150℃/min，使得制备的半固态浆料温度场更加均匀，从而得到细小均匀的半固态浆料组织，并使半固态浆料的温度控制在低于其液相线温度而高于其固相线温度之间。
半固态浆料的温度区间是金属或合金熔体的固相线和液相线之间的温度区间，也即半固态浆料的温度是低于液相线温度而高于固相线温度的，半固态浆料温度的确定是根据所成形的零件的复杂程度和操作过程中的具体情况来决定的，如果零件复杂，为了充填完整，则所需的半固态浆料的温度较高；如果零件简单，所需的半固态浆料的温度可低一点。因此半固态浆料的温度是根据零件的复杂程度和操作过程中的具体情况来确定的，对于不同的零件不同的合金，半固态浆料的温度是不同的。
在本发明的方法中，所述的制浆室内侧壁和内部冷却控制器外壁之间形成的环形缝隙宽度为3-200mm。
在本发明的方法中，所述的制浆室为一圆筒形容器，所述的外部冷却控制器为环绕着圆筒形容器外周的螺旋管，其两端设有冷却介质的进口和出口，冷却介质的流量为0～200升/min，且≠0。
在本发明的方法中，所述的内部冷却控制器为其内通有冷却介质的冷却通道，冷却通道是由中心管和其外套管组成，中心管的上口为冷却介质输入口，中心管的下口与外套管相通，中心管构成冷却介质输入通道；外套管的上口为冷却介质输出口，外套管构成冷却介质输出通道，冷却介质的流量为0～200升/min，且≠0。
在本发明的方法中，所述的电磁搅拌器采用感应交流旋转电磁搅拌器，频率为5～100Hz。
在本发明的方法中，在半固态浆料制备过程中，半固态浆料内外温差控制在±3℃以内，所述的半固态浆料内外温差为处于内部冷却控制器外壁的半固态浆料的温度和处于制浆室内侧壁的半固态浆料的温度之差。
在本发明的方法中，所制备的半固态浆料为半固态铝浆料、半固态铝合金浆料、半固态镁浆料和半固态镁合金浆料中的一种。
在本发明的方法中，将半固态浆料在制浆室内完全凝固，即可获得半固态铝坯料、半固态铝合金坯料、半固态镁坯料和半固态镁合金坯料中的任意一种坯料，该坯料可作为半固态触变成形的原始坯料。
在本发明的方法中，在制备半固态浆料过程中，向制浆室内侧壁和内部冷却控制器外壁之间形成的环形缝隙中通入避免或减少金属或合金氧化的保护气体，该保护气体为氩气、氮气或氦气。
在本发明的方法中，所述的制浆室、内部冷却控制器和外部冷却控制器的材质均为非金属或无磁金属。
为了克服电磁感应趋肤效应的不利影响，本发明在制浆室内设置可通入冷却介质的内部冷却控制器，内部冷却控制器的外壁与制浆室的内侧壁之间形成环形间隙，可使半固态合金熔体在电磁搅拌力的作用下在此缝隙中进行较为强烈的搅拌，同时内部冷却控制器中通入的冷却介质可使浆料的散热更加均匀，温度场的分布也更加均匀，得到的浆料组织分布也更为理想。
为此可将一定过热度的液态金属及合金浇入环形空隙内，金属及合金熔体在电磁搅拌力的作用下进行强烈的搅拌。同时，在内部冷却控制器和制浆室的共同冷却作用下浆料的温度场更加均匀，这样浆料受到的搅拌力场和温度场将更加均匀，从而得到优质的半固态浆料，然后将此半固态浆料直接移送到压铸机或锻造机、挤压机成形；或将得到的半固态浆料完全凝固成坯料，再将该坯料重新加热至半固态区间，然后将坯料移送至压铸机或锻造机、挤压机成形。该制备工艺简单，操作方便，半固态组织形态优良、制备成本低，非常适合半固态金属及合金浆料或坯料的制备。
本发明具体的制备工艺如下：
1、产生一定过热度的金属及合金熔体，该熔体的温度控制在液相相温度以上5～100℃，将该熔体浇入制浆室内壁和内部冷却控制器外壁之间形成的环形空隙内。
2、制浆室的形状为圆筒形，内部冷却控制器的形状为中空的底部密封的直管状，外部冷却控制器的形状为螺旋管。制浆室、内部冷却控制器和外部冷却控制器的材质为非金属或无磁金属。制浆室内壁和内部冷却管外壁之间形成的环形空隙宽度为3～200mm。
3、电磁搅拌器采用感应交流旋转电磁搅拌器，频率为5～100Hz。
4、制浆室外部设置外部冷却控制器，外部冷却控制器和内部冷却控制器通入的冷却介质为室温空气、氮气、氩气或室温冷水，流量为0～200升/min，且≠0。
5、浇注后，金属及合金浆料在环形缝隙中进行强烈的搅拌，同时在内部冷却控制器和外部冷却控制器的冷却作用下浆料温度逐渐降低，调节冷却介质的流量，使浆料的冷却速度为1～150℃/min，且≠0。使半固态铝及铝合金或镁及镁合金的温度场均匀，控制半固态浆料的内外温度差不超过±3℃。
6、在制备过程中，可通入保护气体避免或减少金属及合金的氧化，该保护气体可为氩气、氮气、氦气等保护气体。
7、待浆料温度达到预定的温度后，立即将此浆料移送到压铸机或锻造机、挤压机成形，或将浆料在制浆室内完全凝固，即可获得特制的半固态铝及铝合金或镁及镁合金坯料，该坯料可作为半固态触变成形的原始坯料。
与现有技术相比，本发明的优点是：与常规的电磁搅拌方法相比，该发明避免了电磁感应趋肤效应带来的不利影响，浆料受到的搅拌力和温度场更加均匀。该发明将浆料全部集中在较窄的缝隙内域进行搅拌，浆料受到的搅拌更为剧烈，强度更大，浆料受到的搅拌更为均匀，克服常规的电磁搅拌导致的浆料内外搅拌不均，组织不均匀等问题。此外通过设置内部冷却控制器与外部冷却控制器，使半固态合金浆料的温度场均匀，得到的半固态浆料组织均匀，细小，形态好，而且内部冷却控制器的直径大小可自由选择，这样可自由调整内部冷却控制器和制备坩埚内壁之间的距离，有利于浆料获得更大的剪切速率，获得细小均匀的组织。此外，该发明工艺简单、操作方便，投资成本低。企业在生产中只要采用工频就可进行电磁搅拌，而不需要采用低频搅拌，也不需要变频系统，克服目前的电磁搅拌装置采用变频系统带来的结构庞大复杂，投资成本高等缺点，可显著降低半固态合金浆料或坯料的制备成本，最终会降低半固态铸件的生产成本，增强半固态铸件的竞争力和扩大半固态铸件的应用范围。
该发明既适合于铝基合金及其复合材料半固态浆料或坯料的制备，也适合于镁基合金、铜基合金、锌基合金、铁基合金和其他有色金属合金及其复合材料半固态浆料或坯料的制备。
附图说明
图1是本发明采用的制浆装置结构示意图。
图2是本发明制备的半固态A357铝合金浆料边部的淬火组织，浅色区域为球状初生的α-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A357铝合金浆料中部的淬火组织，浅色区域为球状初生的α-Al，深色区域为凝固的共晶液体。
图4是本发明制备的半固态A357铝合金浆料中心的淬火组织，浅色区域为球状初生的α-Al，深色区域为凝固的共晶液体。
具体实施方式
本发明的制备半固态金属流变浆料或坯料的主要实施方式为：
如图1所示，内部冷却控制器1为其内通有冷却介质的冷却通道，冷却通道是由中心管和其外套管组成，中心管的上口为冷却介质输入口，中心管的下口与外套管相通，中心管构成冷却介质输入通道；外套管的上口为冷却介质输出口，内部冷却控制器1内部可通入冷却介质。外部冷却控制器3是一螺旋管，管上开有多个分布均匀的小孔，其置于制浆室4的外部保温材料5的内部且距制浆室外壁一定距离，外部冷却控制器3内部也可通入冷却介质。制浆室是4是圆筒形的容器，其放置于保温材料内部形成一个封闭的空腔。内部冷却控制器1置于制浆室4的中心。内部冷却控制器1的内侧壁和外部冷却控制器3的外壁之间形成一个环形的缝隙。电磁搅拌器2置于保温材料5的外部。
利用感应加热炉熔化A357铝合金熔体，A357铝合金的液相线温度是613℃。将熔体温度控制在650℃。制浆室为圆筒形不锈钢容器，内部冷却控制器采用高纯石墨制作，内部冷却控制器的外直径为40mm，制浆室的内壁直径为80mm，这样制浆室内侧壁和内部冷却控制器外壁之间形成的环形缝隙尺寸为20mm。将制浆室和内部冷却控制器置于保温炉中预热至200℃并快速取出安放完毕后，将过热的铝合金熔体浇入环形缝隙内进行强烈搅拌，搅拌器的输入名义功率为1200W，搅拌频率为50Hz。内部冷却控制器和外部冷却控制器中输入的冷却介质为室温空气，流量均为30升/min，浆料内外温差可控制在±3℃。当浆料温度冷却至600时，则可得到固相分数约为0.35的半固态A357铝合金浆料，浆料组织如图2、图3和图4所示。图2是本发明制备的半固态A357铝合金浆料边部的淬火组织，浅色区域为球状初生的α-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A357铝合金浆料中部的淬火组织，浅色区域为球状初生的α-Al，深色区域为凝固的共晶液体；图4是本发明制备的半固态A357铝合金浆料中心的淬火组织，浅色区域为球状初生的α-Al，深色区域为凝固的共晶液体。此时可将该浆料直接移送到压铸机或锻造机、挤压机成形。或在制浆室内完全凝固下来，作为触变成形用的原始坯料。