本發明涉及一種制備半固態漿料的方法及裝置，屬于材料科學技術領域。

背景技術：

半固態成形技術自從上世紀七十年代被Spencer D B和Flemings M C等學者發現以來，受到國內外研究學者的廣泛關注。半固態成形技術主要分為觸變成形與流變成形兩大類，但不論觸變成形還是流變成形，其關鍵都是獲得具有細小球形或近球形初生相且分布均勻的漿料組織。

觸變成形是把具有細小球形或近球形的漿料直接鑄成坯料，然后根據需要量進行切割，把切割好的坯料放入加熱爐中進行二次加熱，到固液區間內某一溫度進行保溫，最后再進行壓鑄、擠壓或鍛造等工藝，獲得優質的產品。但觸變成形工藝由于需要二次加熱程序，流程長，耗能多，成本高等缺點，限制了其在實際生產中的應用。而流變成形則是把漿料直接進行擠壓等工序，獲得合格的產品，減少了二次保溫工程，大大縮短了工序流程，降低了成本，受到了廣大學者的廣泛研究。1996年，日本UBE公司公開的低過熱度傾斜板澆注式的漿料制備技術，由于具有工藝流程短，效率高，生產成本低等一系列優點，在一些公司得到了應用，如意大利的Stampal公司；但該工藝在連續使用過程中，流動的金屬液會在冷卻板表面形成凝固層，大大降低對后續金屬液的冷卻能力，使組織不均勻。2007年，南昌大學楊湘杰等人提出旋轉傾斜圓筒式制漿設備，利用傾斜圓筒的轉動，使金屬液與轉筒不同部位接觸，避免同一個地方長時間接觸，避免形成凝固層，使組織均勻，并申請相關專利，但該工藝一旦掛料，就很難清理。2010年，昆明理工大學周榮鋒等人發明了轉棒誘導形核設備，利用內通循環冷卻水的豎直轉棒直接使金屬液在棒表面進行類螺旋式鋪展，形成薄壁液膜，利用激冷作用大量形核，獲得優質的半固態漿料，并獲得相關專利，目前，該工藝還處在研究當中。

技術實現要素：

為了進一步提高半固態合金漿料組織的均勻性以及制漿工藝的可持續性，本發明通過改變加壓板上的壓力，調節噴嘴的流量及金屬溶體噴出的形式，獲得極大的過冷度進而獲得大量形核，而且在振動作用下，金屬溶體不會在冷卻板表面形成凝固層，具有良好的應用前景。

本發明提供一種制備半固態漿料的方法，具體步驟是：將金屬熔煉后，金屬溶體在壓力作用、惰性氣體保護下利用噴嘴噴鑄在傾斜的冷卻板上，冷卻板邊振動邊用循環水冷卻，制備得到半固態漿料。

所述惰性氣體為氮氣或氬氣。

所述壓力為0.01-1Mpa。

所述冷卻板傾斜后與水平面形成的銳角為10-80°。

本發明的另一目的在于提供利用上述方法制備半固態漿料的裝置，包括支架4、加熱元件5、加壓板7、噴鑄容器8、噴嘴9、冷卻板10、循環水箱11、振動電機12、電機控制器13、連接桿14，噴鑄容器8外部設有加熱元件5，噴鑄容器8上設有支架4，支架4將噴鑄容器8進行固定，噴鑄容器8入口端設有加壓板7，用于給噴鑄容器8內部的金屬溶體加壓，噴鑄容器8出口端設有噴嘴9，用于將金屬溶體噴出，噴嘴9連有惰性氣體噴出裝置，噴嘴9與冷卻板10相對，冷卻板10傾斜放置，冷卻板10底部設有循環水箱11，循環水箱11通過連接桿14與振動電機12連接，振動電機12還與電機控制器13連接。

所述連接桿14為伸縮桿，便于調節冷卻板10與地面之間的夾角。

所述加壓板7與噴鑄容器8為小間隙配合，配合緊密。

所述冷卻板10的長度為50mm-1000mm。

所述冷卻板10下端設有坩堝2，坩堝2外部設有保溫元件3，可將坩堝2收集的半固態漿料保溫在100℃-1500℃，保存待用，或冷卻板10下端直接與下一工序設備相連，如連鑄設備或流變設備。

所述冷卻板10為銅合金板。

所述循環水箱11內的循環水流量為1L/min-100L/min，振動電機12的振動頻率為10Hz-150Hz。

本發明的具體工藝過程為：將金屬在噴鑄容器8中進行熔煉，待金屬溶體獲得一定的過熱度后進行精煉并保溫一定時間，設定好循環水箱11內的循環水流量和振動電機12的振動頻率，然后在噴鑄容器8中對加壓板7施加壓力，金屬溶體在惰性氣體保護下直接從噴嘴9噴鑄到冷卻板10表面，經快速激冷作用，金屬溶體內部獲得大量形核，然后在振動電機12的振動作用下，帶有大量晶核的金屬溶體從冷卻板10上流入具有保溫功能的坩堝2內，完成半固態漿料的制備，或者帶有大量晶核的金屬溶體從冷卻板10上直接進入下一工序設備。

本發明的有益效果：

（1）本發明可以獲得具有近球形或顆粒狀的半固態漿料，漿料中的微觀組織均勻細小。

（2）本發明加壓板上的壓力、冷卻板長度及振動電機的頻率等參數可以根據不同的工況進行調整，獲得最優參數進而獲得優質的漿料或產品。

（3）本發明在不加入孕育劑的情況下獲得優質純凈的半固態漿料，有利于金屬的回收及再利用。

（4）本發明在惰性氣體保護下進行，有效的避免金屬的氧化或夾渣。

（5）本發明裝置結構簡單、成本低、效率高、可連續制備半固態漿料，而且與成形設備相結合，可以直接獲得坯料或者零件，降低坯料儲存等工藝的成本。

附圖說明

圖1是本發明實施例1制備半固態漿料的裝置結構示意圖；

圖2是本發明實施例1制備的A356合金的半固態漿料的顯微組織圖；

圖3是本發明實施例2制備的ZCuSn10P1合金的半固態漿料的顯微組織圖；

圖4是本發明實施例2制備的ZCuSn10P1合金零件；

圖5是本發明實施例3制備的Al-25Si合金的半固態漿料的顯微組織圖；

圖中：1-半固態漿料，2-坩堝，3-保溫元件，4-支架，5-加熱元件，6-金屬溶體，7-加壓板，8-噴鑄容器，9-噴嘴，10-冷卻板，11-循環水箱，12-振動電機，13-電機控制器，14-連接桿。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細說明。

實施例1

本實施例制備半固態漿料的裝置，如圖1所示，包括坩堝2、保溫元件3、支架4、加熱元件5、加壓板7、噴鑄容器8、噴嘴9、冷卻板10、循環水箱11、振動電機12、電機控制器13、連接桿14，噴鑄容器8外部設有加熱元件5，加熱元件5為加熱線圈，噴鑄容器8上設有支架4，支架4將噴鑄容器8進行固定，噴鑄容器8入口端設有加壓板7，用于給噴鑄容器8內部的金屬液加壓，加壓板7與噴鑄容器8為小間隙配合，配合緊密，噴鑄容器8出口端設有噴嘴9，用于將金屬溶體6噴出，噴嘴9連有惰性氣體噴出裝置，用于提供保護氣體，噴嘴9與冷卻板10相對，冷卻板10為銅合金板，冷卻板10底部固定連接有循環水箱11，循環水箱11通過連接桿14與振動電機12連接，連接桿14為伸縮桿，便于調節循環水箱11上的冷卻板10與地面之間的夾角，振動電機12還與電機控制器13連接，冷卻板10下端設有坩堝2，坩堝2外部設有保溫元件3，可將得到的半固態漿料1保溫待用，其中保溫元件3為保溫爐。

本實施例制備A356合金的半固態漿料，具體包括如下步驟：

（1）調整連接桿14的伸縮量，使冷卻板10傾斜后與水平面形成的銳角為45°，噴嘴9正對冷卻板10長度從下至上100mm，振動電機12的頻率調整為50Hz，循環水箱11內的循環水流量為20L/min，打開加熱元件5和保溫元件3的電源開關，保溫元件3的保溫溫度設置為590℃；

（2）將金屬在噴鑄容器8中進行熔煉，待金屬溶體6達到780℃后進行精煉并保溫30min，然后關閉加熱元件5，把金屬溶體6溫度降為640℃進行保溫，在噴鑄容器8中對加壓板7施加1MPa壓力，金屬溶體6在氬氣保護氛圍下直接噴鑄到冷卻板10表面，經快速激冷作用，金屬溶體6內部大量形核，然后在振動電機12的振動作用下帶有大量晶核的金屬溶體6流入具有保溫功能的坩堝2內，完成半固態漿料1的制備，保溫元件3的保溫溫度為590℃，將漿料進行保溫待用。

圖2為本實施例制備到的A356合金的半固態漿料的顯微組織圖，由圖中可知，初生α-Al由粗大的枝晶狀全部轉化為橢圓狀或近球狀，此時晶粒等效直徑在60μm左右，形狀因子0.78，適合半固態流變成形。

實施例2

本實施例制備半固態漿料的裝置與實施例1相同，只是在冷卻板10下端直接與流變設備相連，半固態漿料直接制備成零部件，而沒有設置坩堝2和保溫元件3。

本實施例于制備ZCuSn10P1合金的半固態漿料，具體包括如下步驟：

（1）調整連接桿14的伸縮量，使冷卻板10傾斜后與水平面形成的銳角為10°，噴嘴9正對冷卻板10長度從下至上50mm，振動電機12的頻率調整為150Hz，循環水箱11內的循環水流量為100L/min，打開加熱元件5和保溫元件3的電源開關，保溫元件3的保溫溫度設置為950℃；

（2）將采用中頻爐熔煉制備的ZCuSn10P1合金（液相溫度線1020.7℃，固相線溫度830.4℃）低過熱度金屬溶體混合均勻；將所得金屬溶體6倒在噴鑄容器8中進行熔煉，待金屬熔體6達到1200℃后進行精煉并保溫20min，然后關閉加熱元件5把金屬溶體6溫度降為1080℃進行保溫，在噴鑄容器8中對加壓板7施加0.6MPa壓力，金屬溶體6在氮氣保護氛圍下直接噴鑄到冷卻板10表面，經快速激冷作用，金屬溶體6內部大量形核，然后在振動電機12的振動作用下帶有大量晶核的金屬溶體6流入流變設備結合進行擠壓，半固態漿料1直接制備成零部件。

如圖3所示為本實施例制備得到的ZCuSn10P1合金的半固態漿料的顯微組織圖，從圖中可知，初生α-Cu由粗大的枝晶轉全部轉化為等軸晶，等軸晶由液相包裹，在成形時具有良好的固液協同性；圖4為本實施例制備得到的零部件的實物圖，圖中可知零件表面光滑，無裂紋，達到使用的外觀要求。

實施例3

本實施例制備半固態漿料的裝置與實施例1相同。

本實施例于制備Al-25Si合金的半固態漿料，具體包括如下步驟：

（1）調整連接桿14的伸縮量，使冷卻板10傾斜后與水平面形成的銳角為80°，噴嘴9正對冷卻板10長度從下至上120mm，振動電機12的頻率調整為10Hz，循環水箱11內的循環水流量為1L/min，打開加熱元件5和保溫元件3的電源開關，保溫元件3的保溫溫度設置為680℃；

（2）將采用中頻爐熔煉制備的Al-25Si合金（液相溫度線775℃，固相線溫度564℃）低過熱度金屬溶體混合均勻；將所得金屬溶體6倒在噴鑄容器8中進行熔煉，待金屬熔體6達到850℃后進行精煉并保溫20min，然后關閉加熱元件5把金屬溶體6溫度降為785℃進行保溫，在噴鑄容器8中對加壓板7施加0.01MPa壓力，金屬溶體6在氮氣保護氛圍下直接噴鑄到冷卻板10表面，經快速激冷作用，金屬溶體6內部大量形核，然后在振動電機12的振動作用下帶有大量晶核的金屬溶體6流入保溫坩堝待用。

如圖5所示為本實施例制備得到的Al-25Si合金的半固態漿料的顯微組織圖，從圖中可知，初生Si由粗大的塊狀、長桿狀、星狀、羽毛狀等復雜形狀轉全部轉化為細小塊狀，由液相包裹，在成形時具有良好的固液協同性。

本發明制備半固態漿料的裝置的冷卻板10與水平面形成的銳角可以在10-80°自由調節，冷卻板10的長度在50mm-1000mm調節，根據需要設定保溫元件3的溫度，保證坩堝2內溫度在100℃-1500℃，根據需要設置循環水箱11內的循環水流量在1L/min-100L/min之間，振動電機12的振動頻率在10Hz-150Hz之間，設置加壓板7的壓力在0.01-1Mpa之間，均可以獲得很好半固態漿料。

盡管本發明的內容已經通過上述優選實施例作了詳細介紹，但是本發明并不限于上述實施方式，在本領域普通技術人員所具備的知識范圍內，還可以在不脫離本發明宗旨的前提下作出各種變化。