專利名稱：一種制備半固態合金的波浪型傾斜板振動裝置及制備方法
技術領域：
本發明屬于制備半固態合金技術領域，特別是涉及一種制備半固態合金的波浪型傾斜板振動裝置及制備方法。
背景技術：
金屬半固態成形技術是1971年美國麻省理工學院Flemings教授首先提出的，它是在合金液固兩相區進行成形，節能節材、短流程。具有許多優點成形力小、能耗小，環保；容易近終形生產復雜零件；成分偏析少，明顯提高工具的壽命；可以生產粒子、纖維復合材料。被譽為最具前景的21世紀綠色加工技術，引起廣泛重視。
目前，國外投入商業化生產的半固態成形技術主要有螺旋機械攪拌技術、電磁攪拌技術、噴射沉積技術與應變誘導熔體活化技術等。在成形工藝方面，主要采用觸變成形。在半固態成形中，漿料制備、儲運輸送、固相率控制要求高，企業員工技術水平有限、企業也不愿投入較高成本利用尚不十分成熟的技術，成為阻礙該技術在全球大規模推廣的重要瓶頸。如何縮短工藝流程，開發方便快捷、易于實現工業化、低能耗、低成本的新技術是目前半固態成形技術重點研究內容之一。Molenaar等提出攪拌可以減小液-固界面前沿溶質的富集，以非枝晶狀生長，此后許多學者也都發現了熔體中非枝晶或球狀晶的直接生長的現象。Van等利用丁二腈-水透明模型合金進行攪拌實驗，也發現合金非枝晶凝固現象。強烈的對流形成一個相對均勻溫度場與成分場，熔體大量形核。長大過程中，強烈對流極大改善了傳熱和傳質過程，枝晶生長受強烈抑制。粒狀游離晶同時會發生自旋轉運動，使晶粒周圍環境趨于均勻，球狀生長。低溫澆注、攪拌等都可以引起這種條件。Fan Z等認為在高強度的剪切作用或者高強度紊流使熔體整體形核，提高了形核率，但是，如果在層流條件下，初生晶粒周圍的金屬液體滲入二次枝晶臂之間的深度有限，合金熔體仍以樹枝晶狀生長。但是在高剪切速率和高強度紊流作用下，初生晶粒周圍的金屬液體滲入二次枝晶臂之間的深度會增加，減薄了枝晶周圍熱擴散邊界層和溶質擴散邊界層的厚度，減弱了成分過冷，提高了枝晶臂根部和側面的生長速度，而枝晶尖端的生長速度不會提高。根據剪切速率或者紊流強度不同，晶粒生長成玫瑰狀或者球狀，在剪切速率或者紊流強度超過某一臨界值后，初生晶粒直接生長成球形。

發明內容
針對上述存在的問題，為了改善凝固組織和解決制備漿料過程時斜板表面凝固結殼問題，深入研究非枝晶組織形成機理，同時開發易于工業化的半固態成形技術，為高熔點的鋼鐵材料及易燃鎂合金的半固態成形開辟新途徑。本發明提供一種制備半固態合金的波浪型傾斜板振動裝置及制備方法，采用波浪型并施加振動的傾斜板，該振動裝置制備的半固態合金組織更細小、圓整，最細可達10μm，很好解決了斜板表面的凝固結殼問題。
本發明的波浪型傾斜板振動裝置包括支架、波浪型金屬板、凸輪振動機構、水冷銅模、電動機和調頻裝置，支架上固定有中間包，與支架平行固定有支板，支板側為水冷銅模，在支板和支架間安裝有固定板，固定板通過彈簧連接波浪型金屬板的托架，在波浪型金屬板的托架上固定有凸輪機構，電動機分別與凸輪機構和調壓器連接。
本發明波浪型金屬板根據制備不同的半固態材料，材質可采用紫銅、不銹鋼等不同的波浪型板，也可選用帶有冷卻水箱的波浪型板，其中波峰間距范圍為30mm～60mm，波峰與波谷距離范圍為10mm～20mm。凸輪振動機構包括偏心凸輪和軸承座，偏心凸輪通過電動機轉軸與波浪型傾金屬板托架上的軸承座連接，根據調節偏心凸輪的偏心距來調節振動的振幅。在與固定板連接的支板或支架上開有定位孔，固定板一端安裝有轉軸，通過轉軸連接，另一端置于支板或支架的定位孔中。可調節波浪型金屬板的傾斜角度，調節的角度范圍在30°～60°之間。
波浪型金屬板帶有加熱和冷卻系統，將熔融合金澆注到與水平線成一定傾角的波浪型金屬板表面，同時波浪型金屬板在電動機帶動下在垂直方向上進行小幅振動，熔融合金在重力作用下發生流動并與波浪形表面發生作用，并同時受到振動，熔體以高的形核率形核，并在碰撞剪切與振動條件下生長，通過控制澆注溫度、冷卻強度、波浪型金屬板傾角與振動頻率可獲得理想球形晶的半固態材料。采用該技術制備的半固態漿料中包含有細小的球化理想的固相顆粒組織。可以將制備的半固態金屬漿料鑄成錠坯，以供半固態觸變成形之用，也可以直接進行流變成形。
本發明的優點是制造成本低，工藝流程短，更容易實現工業化。提高了攪拌作用效果，制備的半固態合金組織優良，組織不但細小、圓整而且球化程度高，最細可達10μm。可制備高熔點半固態材料，實現高熔點鋼鐵材料的半固態成形。可采用封閉式的矩形斜板，保護后容易實現鎂合金半固態成形。


圖1是本發明的結構示意圖，圖2是圖1的左視圖，圖3是圖1中凸輪機構結構示意圖，圖4是圖3的剖視圖，
圖5是Al6Si2Mg半固態漿料顯微組織圖，其中(a)675℃ casting vib＝1.4mm，(b)675℃ casting vib＝1.5mm，(c)675℃ casting vib＝1.6mm；圖6是AZ91D鎂合金半固態漿料顯微組織圖，其中(a)680℃ casting vib＝0.15mm，(b)680℃ casting vib＝1.4mm，(c)680℃ casting vib＝1.6mm；圖7是1Cr18Ni9Ti不銹鋼半固態漿料顯微組織圖，其中(a)1600℃ casting L＝300mm，(b)1600℃ casting L＝450mm，(c)1600℃ casting L＝600mm；圖中1.基礎，2.電動機，3.水冷銅模，4.彈簧，5.波浪型金屬板，6.凸輪機構，7.支架，8.中間包，9.支板，10.固定板，11.托架，12.偏心凸輪，13.軸承座，14.凸輪軸。
具體實施例方式
實施例1如圖1、圖2所示，本發明的波浪型傾斜板振動裝置包括支架7、波浪型金屬板5、凸輪振動機構6、水冷銅模3、電動機2和調頻裝置，支架7通過地腳螺栓固定在水泥地上，在振動時防止共振的發生，其中共振的電壓為150V，支架7上固定有中間包8，與支架7平行固定有支板9，支板9側為水冷銅模3，在支板9和支架7間安裝有用于固定波浪型金屬板5的固定板10，固定板10通過彈簧4連接波浪型金屬板5的托架11，在波浪型金屬板5的托架11上固定有凸輪機構6，凸輪機構6與電機2通過帶膠管的鋼絲繩軟連接，電機與調壓器連接實現波浪型傾斜板的調頻。
本例的波浪型金屬板5材質為紫銅，其中波峰間距為45mm，波峰與波谷距離為15mm。波浪型金屬板5為常溫。電動機型號為SU-2的單相串激電動機，通過軟接觸與凸輪振動機構6的可調節式偏心凸輪12連接，凸輪振動機構6包括偏心凸輪12和軸承座13，偏心凸輪12通過電動機轉軸與波浪型傾金屬板5托架11上的軸承座13連接，偏心凸輪12上開有多個圓孔，根據調節偏心凸輪12的偏心距來調節振動的振幅。調頻裝置采用型號為12/250的調壓器來實現調頻和調振幅，其中頻率范圍為26HZ～65HZ，振幅范圍為0.1mm～2.5mm。在與固定板10連接的支板9上開有定位孔，固定板10一端安裝有轉軸，通過轉軸與支架7連接，另一端置于支板9的定位孔中。用于調節波浪型金屬板5的傾斜角度，調節的角度范圍在30°～60°之間。
采用本發明裝置制備Al6Si2Mg合金半固態漿料和坯料的制備工藝，包括如下步驟(1)將工業純鋁和工業Al-Si合金放在箱式電阻爐中的坩堝里加熱，經熔化后，用控溫柜控制熔液溫度；(2)當熔液溫度達到750℃時，停止加熱，將重量百分比為2％的純Mg用鋁箔包裹并烘干壓入到Al-Si合金熔液中，進行加熱熔化；(3)全部熔化反應后，停止加熱，待熔液溫度降至720℃時，將百分比為0.4％的除渣劑C2Cl6用鋁箔包裹并烘干后壓入熔液底部，進行合金熔液的除氣、除渣精煉處理；(4)在溫度為675℃時，靜置10min后，澆注到與水平面成45°，長度為400mm，并在振幅分別為1.4mm、1.5mm、1.6mm，相應頻率分別為47r/s、52r/s、55r/s，振動狀態下的波浪型金屬板5上，得到的組織如圖5所示。
實施例2本例的裝置與實施例1相同，采用該裝置制備Al6Si2Mg合金半固態漿料和坯料的制備工藝，包括如下步驟(1)將工業純鋁和工業Al-Si合金放在箱式電阻爐中的坩堝里加熱，經熔化后，用控溫柜控制熔液溫度；(2)當熔液溫度達到750℃時，停止加熱，將重量百分比為1.8％的純Mg用鋁箔包裹并烘干壓入到Al-Si合金熔液中，進行加熱熔化；(3)全部熔化反應后，停止加熱，待熔液溫度降至720℃時，將百分比為0.3％的除渣劑C2Cl6用鋁箔包裹并烘干后壓入熔液底部，本例除渣劑C2Cl6為0.3％，進行合金熔液的除氣、除渣精煉處理；(4)在溫度為675℃時，靜置10min后，澆注到與水平面成45°，長度為400mm，并在振幅分別為1.4mm、1.5mm、1.6mm，相應頻率分別為47r/s、52r/s、55r/s，振動狀態下的波浪型金屬板5上，得到的組織如圖5所示。
實施例3本例的裝置與實施例1相同，采用該裝置制備Al6Si2Mg合金半固態漿料和坯料的制備工藝，包括如下步驟(1)將工業純鋁和工業Al-Si合金放在箱式電阻爐中的坩堝里加熱，經熔化后，用控溫柜控制熔液溫度；(2)當熔液溫度達到750℃時，停止加熱，將重量百分比為2％的純Mg用鋁箔包裹并烘干壓入到Al-Si合金熔液中，進行加熱熔化；(3)全部熔化反應后，停止加熱，待熔液溫度降至720℃時，將百分比為0.5％的除渣劑C2Cl6用鋁箔包裹并烘干后壓入熔液底部，進行合金熔液的除氣、除渣精煉處理；(4)在溫度為675℃時，靜置10min后，澆注到與水平面成45°，長度為400mm，并在振幅分別為1.4mm、1.5mm、1.6mm，相應頻率分別為47r/s、52r/s、55r/s，振動狀態下的波浪型金屬板5上，得到的組織如圖5所示。
實施例4本發明的波浪型傾斜板振動裝置，如圖1、圖2所示，包括支架7、波浪型金屬板5、凸輪振動機構6、水冷銅模3、電動機2和調頻裝置，支架7上固定有中間包8，與支架7平行固定有支板9，支板9側為水冷銅模3，在支板9和支架7間安裝有用于固定波浪型金屬板5的固定板10，固定板10通過彈簧4連接波浪型金屬板5的托架11，在波浪型金屬板5的托架11上固定有凸輪機構6，凸輪機構6與電機2通過帶膠管的鋼絲繩軟連接，電機與調壓器連接實現波浪型傾斜板的調頻。
本例的波浪型金屬板5帶有加熱裝置，其材質為紫銅，其中波峰間距為30mm，波峰與波谷距離為10mm。凸輪振動機構6及調頻裝置與實施例1相同。在與固定板10連接的支架7上開有定位孔，固定板10一端安裝有轉軸，通過轉軸與支板9連接，另一端置于支架7的定位孔中。用于調節波浪型金屬板5的傾斜角度，調節的角度范圍在30°～60°之間。
采用本發明裝置制備AZ91D鎂合金半固態漿料和坯料的制備工藝，包括如下步驟(1)將不銹鋼坩堝預熱到500℃～530℃；(2)在預熱后的不銹鋼坩堝內充滿氬氣，然后將配好純度為99.95％的工業純鎂加入到不銹鋼坩堝內，并在流量為5L/min，壓力為14MPa氬氣的保護下進行加熱；(3)用JWK-702精密溫度控制柜控制熔液溫度，待溫度達到650℃，即有鎂液產生時，將重量百分比為1％阻燃金屬鈣加入并升溫到720℃時，并將預熱干燥后的重量百分比分別為工業純鋁9.5％、鋅0.9％、錳0.4％元素加入其中，進行熔化反應；(4)當合金全部熔化后，攪拌使其混合均勻，靜置30min后，將重量百分比為0.5％的除渣劑C2Cl6壓入溶液中進行除渣，在680℃靜置10min后，澆注到與水平面成45°，長度為400mm，并在振幅分別為0.15mm、1.4mm、1.6mm，相應頻率分別為26r/s、47r/s、55r/s，振動狀態下的波浪型金屬板5上，得到的組織如圖6所示。
實施例5本例的裝置與實施例4相同，采用該裝置制備AZ91D鎂合金半固態漿料和坯料的制備工藝，包括如下步驟(1)將不銹鋼坩堝預熱到500℃～530℃；(2)在預熱后的不銹鋼坩堝內充滿氬氣，然后將配好純度為99.95％的工業純鎂加入到不銹鋼坩堝內，并在流量為5L/min，壓力為14MPa氬氣的保護下進行加熱；(3)用JWK-702精密溫度控制柜控制熔液溫度，待溫度達到650℃，即有鎂液產生時，將重量百分比為0.8％阻燃金屬鈣加入并升溫到720℃時，并將預熱干燥后的重量百分比分別為工業純鋁9％、鋅0.7％、錳0.2％元素加入其中，進行熔化反應；(4)當合金全部熔化后，攪拌使其混合均勻，靜置30min后，將重量百分比為0.4％的除渣劑C2Cl6壓入溶液中進行除渣，在680℃靜置10min后，澆注到與水平面成45°，長度為400mm，并在振幅分別為0.15mm、1.4mm、1.6mm，相應頻率分別為26r/s、47r/s、55r/s，振動狀態下的波浪型金屬板5上，得到的組織如圖6所示。
實施例6本例的裝置與實施例4相同，采用該裝置制備AZ91D鎂合金半固態漿料和坯料的制備工藝，包括如下步驟
(1)將不銹鋼坩堝預熱到500℃～530℃；(2)在預熱后的不銹鋼坩堝內充滿氬氣，然后將配好純度為99.95％的工業純鎂加入到不銹鋼坩堝內，并在流量為5L/min，壓力為14MPa氬氣的保護下進行加熱；(3)用JWK-702精密溫度控制柜控制熔液溫度，待溫度達到650℃，即有鎂液產生時，將重量百分比為0.5％阻燃金屬鈣加入并升溫到720℃時，并將預熱干燥后的重量百分比分別為工業純鋁8.5％、鋅0.45％、錳0.17％元素加入其中，進行熔化反應；(4)當合金全部熔化后，攪拌使其混合均勻，靜置30min后，將重量百分比為0.3％的除渣劑C2Cl6壓入溶液中進行除渣，本例除渣劑C2Cl6為0.3％，在680℃靜置10min后，澆注到與水平面成45°，長度為400mm，并在振幅分別為0.15mm、1.4mm、1.6mm，相應頻率分別為26r/s、47r/s、55r/s，振動狀態下的波浪型金屬板5上，得到的組織如圖6所示。
實施例7本發明的波浪型傾斜板振動裝置，如圖1、圖2所示，包括支架7、波浪型金屬板5、凸輪振動機構6、水冷銅模3、電動機2和調頻裝置，支架7上固定有中間包8，與支架7平行固定有支板9，支板9側為水冷銅模3，在支板9和支架7間安裝有用于固定波浪型金屬板5的固定板10，固定板10通過彈簧4連接波浪型金屬板5的托架11，在波浪型金屬板5的托架11上固定有凸輪機構6，凸輪機構6與電機2通過帶膠管的鋼絲繩軟連接，電機與調壓器連接實現波浪型傾斜板的調頻。
本例的波浪型金屬板5材質為不銹鋼，其中波峰間距為60mm，波峰與波谷距離為20mm。波浪型金屬板帶有冷卻水箱。凸輪振動機構6及調頻裝置與實施例1相同。在與固定板10連接的支板9上開有定位孔，固定板10一端安裝有轉軸，通過轉軸與支架7連接，另一端置于支板9的定位孔中。用于調節波浪型金屬板5的傾斜角度，調節的角度范圍在30°～60°之間。
采用本發明裝置制備1Cr18Ni9Ti不銹鋼半固態漿料和坯料的制備工藝，包括如下步驟(1)將1Cr18Ni9Ti不銹鋼在中頻熔爐1600℃熔化。
(2)熔融的合金在1600℃靜置30min后，澆注到與水平面成45°，長度分別為300mm，450mm，600mm波浪型金屬板5上，合金在重力作用下發生流動，并在流動過程中不斷散失熱量，同時不斷形核與凝固，控制在40％～60％的固相率下進入水冷銅模3，得到的組織如圖7所示。
權利要求
1.一種制備半固態合金的波浪型傾斜板振動裝置，包括支架、水冷銅模、電動機和調頻裝置，支架上固定有中間包，與支架平行固定有支板，支板側為水冷銅模，其特征在于還包括有波浪型金屬板、凸輪振動機構、固定板和彈簧，在支板和支架間安裝有固定板，固定板通過彈簧連接波浪型金屬板的托架，在波浪型金屬板的托架上固定有凸輪機構，電動機分別與凸輪機構和調壓器連接。
2.根據權利要求1所述的一種制備半固態合金的波浪型傾斜板振動裝置，其特征在于所述的波浪型金屬板波峰間距范圍為30mm～60mm，波峰與波谷的距離范圍為10mm～20mm。
3.根據權利要求1或2所述的一種制備半固態合金的波浪型傾斜板振動裝置，其特征在于所述的波浪型金屬板材質為紫銅或不銹鋼，帶有冷卻水箱或帶有加熱裝置。
4.根據權利要求1所述的一種制備半固態合金的波浪型傾斜板振動裝置，其特征在于所述的凸輪振動機構包括偏心凸輪和軸承座，偏心凸輪通過電動機轉軸與波浪型傾金屬板托架上的軸承座連接，偏心凸輪上開有多個圓孔。
5.根據權利要求1所述的一種制備半固態合金的波浪型傾斜板振動裝置，具特征在于所述的與固定板連接的支板或支架上開有定位孔，固定板一端安裝有轉軸，通過轉軸連接，另一端置于支板或支架的定位孔中，調節波浪型金屬板的角度范圍在30°～60°之間。
6.采用如權利要求1所述的一種制備半固態合金的波浪型傾斜板振動裝置制備Al6Si2Mg合金半固態漿料和坯料的方法，其特征在于包括如下步驟第一步將工業純鋁和工業Al-Si合金放在箱式電阻爐中的坩堝里加熱，經熔化后，用控溫柜控制熔液溫度；第二步當熔液溫度達到750℃時，停止加熱，將重量百分比為1.8％～2的純Mg用鋁箔包裹并烘干壓入到Al-Si合金熔液中，進行加熱熔化；第三步全部熔化反應后，停止加熱，待熔液溫度降至720℃時，將百分比為0.3％～0.5％的除渣劑C2Cl6用鋁箔包裹并烘干后壓入熔液底部，進行合金熔液的除氣、除渣精煉處理；第四步在溫度為675℃時，靜置10min后，澆注到振動狀態下的波浪型金屬板上，即得到Al6Si2Mg合金半固態漿料和坯料組織。
7.采用如權利要求1所述的一種制備半固態合金的波浪型傾斜板振動裝置制備AZ91D鎂合金半固態漿料和坯料的方法，其特征在于包括如下步驟第一步將不銹鋼坩堝預熱到500℃～530℃；第二步在預熱后的不銹鋼坩堝內充滿氬氣，然后將純度為99.95％的工業純鎂加入到不銹鋼坩堝內，并在流量為5L/min，壓力為14MPa氬氣的保護下進行加熱；第三步用溫控柜控制熔液溫度，待溫度達到650℃，即有鎂液產生時，將阻燃金屬鈣加入并升溫到720℃時，并將預熱干燥后重量為8.5％～9.5％的工業純鋁、0.45％～0.9％鋅、0.17％～0.4％錳元素加入其中，進行熔化反應；第四步當合金全部熔化后，攪拌使其混合均勻，靜置30min后，將重量百分比為0.3％～0.5％的除渣劑C2Cl6壓入溶液中進行除渣，在680℃靜置10min后，澆注到振動狀態下的波浪型金屬板上，即得到AZ91D鎂合金半固態漿料和坯料組織。
8.采用如權利要求1所述的一種制備半固態合金的波浪型傾斜板振動裝置制備1Cr18Ni9Ti不銹鋼半固態漿料和坯料的方法，其特征在于包括如下步驟第一步將1Cr18Ni9Ti不銹鋼在中頻熔爐1600℃熔化；第二步熔融的合金在1600℃靜置30min后，澆注到波浪型金屬板上，合金在重力作用下發生流動，同時不斷形核與凝固，40％～60％的固相率下進入水冷銅模，即得到1Cr18Ni9Ti不銹鋼半固態漿料和坯料組織。
全文摘要
一種制備半固態合金的波浪型傾斜板振動裝置，屬于制備半固態合金技術領域。包括支架、波浪型金屬板、凸輪振動機構、水冷銅模、電動機和調頻裝置，支架上固定有中間包，與支架平行固定有支板，支板側為水冷銅模，在支板和支架間安裝有固定板，固定板通過彈簧連接波浪型金屬板的托架，在波浪型金屬板的托架上固定有凸輪機構，電動機分別與凸輪機構和調壓器連接。本發明的優點是制造成本低，工藝流程短，提高了攪拌作用效果，制備的半固態合金組織優良，組織不但細小、圓整而且球化程度高，最細可達10μm。可制備高熔點半固態材料，實現高熔點鋼鐵材料的半固態成形。
文檔編號B22D27/00GK101054636SQ200710011510
公開日2007年10月17日 申請日期2007年5月31日 優先權日2007年5月31日
發明者管仁國, 石路, 崔彤, 邢振環, 王超 申請人:東北大學