[发明专利]金属合金半固态浆料的制备方法及装置

说明书

技术领域：

本发明涉及到金属特种成型工艺中金属合金半固态浆料的制备方法，包括熔融合金在容器中的冷却方法和搅拌方法，以便用更有效的方法在熔融合金中产生设定量的微小固态结晶颗粒，成为半固态浆料。

本发明还涉及到实施本方法的装置。

背景技术：

采用合金半固态浆料实现金属的铸造或锻造成型有许多优点，可实现复杂形状成型件的近终成型，成型件可获得球状显微组织，具有良好的机械性能，因成型温度低于液态金属而节约能量，而且可延长成型模具寿命。所以研制金属合金半固态浆料制备及成型技术是世界上各国同行关注的热点和焦点。

从机理上讲，制备金属合金半固态浆料有三方面的要点：一是要对熔液进行搅拌，可以是机械式或电磁式；二是要严格控制熔液的温度，以实现固相晶粒的按比例析出，防止晶粒以非球状方式长大；三是可以添加变质剂或细化剂，以增加熔液中形成晶核的数量。从目前已发表的专利来看，大部分是针对机理一和二的方法和相应的装置。以德国发明专利DE10 2004 032 443 A1为例，采用了在容器内设置螺旋的方法，螺旋转动实现机械搅拌，利用容器壁内置电热丝进行加热和温控。但从效果来看，若用一般螺旋的连续转动实现搅拌，其优点是可使得半固态浆料固相与液相混合均匀而且温度一致，装置简单和成本低。但螺旋的连续转动会造成熔液表面的翻腾，加剧熔液与空气的接触，造成氧化；螺旋的连续运动使熔液产生定向流动，不利于容器中心与内壁处熔液的交混，也不利于剪切从内壁面开始长大的枝晶。若改用电磁式搅拌，易实现均匀化，但熔液降温慢而效率低，装置复杂和成本高。至于对熔液的温度控制，目前都采用在容器外壁或壁内加装冷却管和加热丝的方法，温度控制要从容器壁慢慢渗透到熔液中心，效率低下而且造成晶粒粗大的倾向。

由此可见，目前的技术存在两大缺点。首先是机械和电磁搅拌方法各有利弊，前者搅拌效果好而剪切差，后者剪切好而搅拌差。其次是外部控制熔液温度的方法降温十分缓慢，造成晶粒长大，达不到半固态浆料的合理结构。

发明内容：

本发明提出：1)采用内置式温度控制为主的方式，实现熔液温度快速脉动式控制，使局部熔液的温度快速下降到共晶温度点附近，以促使晶核产生，再缓慢上升到液相平衡温度，以确保合金浆料中固液态相之间的比例。2)采用内置间歇对流式机械搅拌方式，在均匀熔液温度场的同时，用冲击的方式形成对浆料的剪切、摩擦和挤压复合作用，机械破坏先期形成的枝晶。

两种方法的集成使用，可使得温度处于接近共晶点的局部熔液产生大量的晶核并长大。又通过机械式冲击剪切、摩擦和挤压复合作用，迅速折切断枝晶，使晶粒呈球状。又由于强烈的熔液内部的对流式搅拌，温度较低的晶粒得到温度较高熔液的焓而升温，实现热交换。整个过程循环进行。

本发明专利的突出的实质性特点和显著的进步为：1)提出了脉动式控制金属合金浆料的温度的方法。温度在共晶温度和设定的液固相平衡温度之间脉动。降温时促进晶核的产生，升温时控制浆料中液固相之间的比例，最终在设定的液固相平衡温度时浆料达到预定的液固相比例要求。2)为实现本温度控制方法，采用传统的容器壁外冷却的同时，增加内置式冷却部件盘形管，在浆料靠近冷却部件而被冷却时，迅速产生大量晶核。3)增加了对浆料进行内置间歇式对流搅拌的方法。间歇式搅拌的间歇时间给晶核一定成长空间和时间，又由于突然进入剪切搅拌阶段，晶粒的枝状物极易剪切而折断，形成球状晶粒。内对流搅拌使得搅拌产生的剪切摩擦和挤压在浆料内部进行，表面看似平静，内部涌动翻腾，晶粒脱离冷却部件的表面，但不加剧浆料表面接触空气氧化。4)为实现本搅拌方法，在机械式搅拌器上设置有相位角为90°的螺旋片右旋和左旋各一片，螺旋角应大于30°。当主轴转动时，上端的右旋螺旋片推动浆料向下和向内部运动，下端的左旋螺旋片推动浆料向上向内部运动，使得剪切摩擦和挤压的效果充分集成，浆料混合处处均匀。

本发明提出的方法可广泛使用到各种金属合金半固态浆料的制备上去。

附图说明：

图1是本发明“金属合金半固态浆料制备方法及装置”的装置结构示意图。图中电动机为1，传动链条为2，止推轴承为3，容器盖为4，夹层冷却介质口为5，滑动轴承为6，液面最低高度线为7，容器内壁为8，容器外壁为9，主轴为10，左旋螺旋片为11，温度传感器为12，盘形管为13，右旋螺旋片为14，定位销为15，转动接头为16，盘形管冷却介质口为17。