[发明专利]离心激冷制备半固态合金的方法

说明书

技术领域

 本发明属于半固态金属加工技术领域，尤其涉及一种离心激冷制备半固态合金的方法。

背景技术

自20世纪70年代，Flemings教授创立了半固态金属成形的概念、理论和技术以来，半固态金属加工技术受到国际材料界的广泛关注，已成为当今最活跃的研究领域之一。这种方法不仅可以降低成本，提高铸件质量与成品率，同时具有高效、节能、利于环保的优点。目前一些发达国家已开始应用于汽车制造业、通讯、电器、计算机及其辅助设备领域、航空航天等领域，并具有广阔的发展前景。金属及合金半固态成形技术一般分两类，一类是半固态金属或合金触变成形，即先让球状初晶的金属或合金半固态浆料完全凝固成坯料，再对适当长度的坯料进行半固态重熔加热，将处于固液两相区的半固态坯料送至压铸机或锻造机进行成形；另一类是将球状初晶的金属或合金半固态浆料直接送至压铸机或锻造机进行直接成形，即流变成形。无论是流变成形还是触变成形，其中半固态(或称非枝晶组织)合金的制备是整个过程的基础与关键，其目的是获得适于半固态成型的初生相为球状或颗粒状的非枝晶组织，保证半固态金属材料的供给。国内外研究者在此方面作了大量研究工作，提出了许多制备方法与思想。其中主要包括：

①　机械搅拌法。此法是最早采用的方法，主要用于研究金属的流变学性质与流变铸造。美国专利第3902544、3948650和3954455号公开了几种制备金属半固态浆料的机械搅拌方法，该方法利用旋转叶片或搅拌棒将凝固中的初生固相枝晶打碎，获得球状或粒状初晶的金属半固态浆料。机械搅拌法存在下列缺点：1) 搅拌室和搅拌棒的寿命不长，金属更易于氧化和污染，金属内部质量很低；2）存在搅拌死角，影响浆料均匀性；3)设备笨重、操作困难、生产效率低，固相分数只能限定在30%～60%范围内。

②　电磁搅拌法。为了克服机械搅拌法的诸多缺点，发展了电磁搅拌法。美国专利第4229210、4434837号公开了几种制备金属半固态浆料或连铸坯料的电磁搅拌方法，利用强烈的电磁感应力抑制初生枝晶的析出，制备球状或粒状初晶半固态金属浆料，然后利用连铸技术生产出球状晶半固态金属的连铸坯料。电磁搅拌技术相对比较成熟，已在工业化生产得到了应用。但该制备方法中金属液的过热度一般都在50℃以上，要求必须进行强烈的电磁搅拌，即电磁搅拌所产生的剪切速率一般在500～1500s^-1，在这样的剪切速率下，被搅拌金属液的旋转速度很高，一般都超过500 r/min，这时才能获得细小和球状初晶的半固态金属浆料。如果剪切速率小于500s^-1，初晶的形态变差，多为蔷薇状初晶，而且连铸坯料表面的枝晶层较厚，这种坯料的触变性不良，不适于半固态成形。为了进行强烈的电磁搅拌，电磁搅拌设备庞大，投资过高，而且电磁搅拌功率很大、效率很低、耗能很大，因此球状或粒状初晶半固态金属连铸坯料的成本较高，不适用大规格(Φ＞150mm)坯料的制备，亦不能直接制成零件。

③　倾斜板技术（中国专利ZL 200410009295.5，ZL200710176134.9及ZL 02145565.5）。在非搅拌条件下，将略高于液相线温度的熔融金属倒在倾斜板上，由于倾斜板的冷却作用，在倾斜板上会有细小的晶粒形核长大，这些晶粒由于自重作用和熔融金属流体的冲击会从倾斜板上脱落、翻转并落入容器中，通过合理的控制容器温度，即可制得含有一定固相体积分数的半固态浆料，随后可进行流变成形和触变成形。该技术已由传统所用的平直冷却板发展到波浪形的斜板以及对倾斜板振动、加热等。目前该技术主要应用于铝合金和镁合金半固态浆料的制备。

④　阻尼冷管法（杨浩强.半固态镁合金浆料制备及连续铸轧过程的数值模拟研究[D]，博士学位论文，北京：北京有色金属研究总院，2006）。将液相线温度以上几度的合金熔体通过一个阻尼冷管，利用管子的阻尼搅拌作用获得理想的半固态浆料，获得的半固态浆料可直接进行流变铸造或流变成形，也可制成坯料，目前已连续铸轧出AZ91D镁合金板带。但该方法要求金属液的浇注温度非常接近该金属液的液相线温度，这使得金属熔体温度的控制变得十分困难；此外，该设备较为复杂，影响因素较多，获得半固态合金需要一定的压头高度，即熔体液面必须高度稳定，且具体的液面高度与合金及工艺要求相关，尚需实验验证，这一点在实验中很难控制，直接影响了此种方法的应用。