[发明专利]半液体金属处理和感应设备及其使用方法

说明书

相关申请的交叉参考

本申请主张2007年10月12日在美国提出的美国临时专利申请No. 60/979,511的优先权，其全部内容都通过参考包含在这里。

技术领域

本发明总体上涉及一种关于熔化的和/或半熔化的金属的处理设备和方 法；尤其涉及一种用于至少部分地监视和/或控制熔化的和/或半熔化的材料的 加热、冷却和/或搅动的设备和方法；更具体地涉及一种用于至少部分地监视 和/或控制熔化的和/或半熔化的材料的加热、冷却和/或搅动，并且感应熔化的 和/或半熔化的材料的状态的设备和方法；进一步具体地涉及一种用于至少部 分地监视和/或控制熔化的和/或半熔化的材料的加热、冷却和/或搅动，感应熔 化的和/或半熔化的材料的状态，并且提供将熔化的和/或半熔化的材料传送到 成型设备的装置的设备和方法。

背景技术

金属处理和成型是重要的工业处理。通常期望能够从处于熔化状态但不完 全是液体的金属成型或铸造出金属产品。同时，还期望控制所选择的金属性能， 诸如粘性等。一种用于控制金属性能的已知处理包括利用搅动装置剪切(shear) 熔化的合金，同时在合金的半固态温度范围(即处于液态温度和固态温度之间 的温度)内逐渐冷却金属，并且在上述时间内材料会具有变化的固体部分(fs， solidsfraction)，但是与液体相比更趋向于固体。液态温度是混合物(诸如金 属合金)的成分可处在液体状态下的最低温度。在液态温度之下，混合物将会 部分地或完全地成为固体。固态温度是混合物(诸如金属合金)的成分可处在 固体状态下的最高温度。在固态温度之上，某些或全部的混合物将会变为固体 状态。

当混合物的熔化温度下降到液态温度以下时，上述类型的金属处理会引起 混合物开始成核，由此妨碍了分支(dendritic)(即，材料中的针状水晶结构) 的正常形成。在上述类型的金属处理过程中并且当半固体金属处在特定的固体 部分状态时，多成分合金材料具有如下结构，即包括固态的、类似球体的、由 共晶液体(即，包括较低熔化点成分的液体)所包围的“α颗粒”(即，具有 较高熔化点主要成分的固体颗粒)。如此，在混合物的成型过程中，半固体材 料，其在下面将被称为“SSM”，具有能使混合物如同半刚性块被处理的粘性。 上述半刚性块的混合物可被在层流条件下注入到铸型当中，这与传统的完全熔 化合金成型和注入处理中作为特征的湍流是不同的。

在层流条件下将SSM注入到铸型当中可消除在生产拉模铸造(die casting)、金属型铸造(permanentmoldcasting)和其他铸造方法中的传统熔化 金属处理相关的许多共有缺陷。这些缺陷包括收缩多孔性、氧化物的形成和气 体多孔性。这些缺陷中的每一种缺陷都可造成成型的混合物的变差的机械性 能，诸如较低的强度、降低的疲劳寿命、和/或铸造可满足热处理的变差的能 力，其中热处理典型地用于优化铸造产品的强度和使用寿命。

包括对熔化的合金的剪切的上述处理的另一有利特点在于，在处理了 SSM之后，可允许材料完全地固化，并且在随后的再次加热时，材料可保持 处在半固体温度范围内的、类似球体的“α颗粒”SSM结构。考虑到在大体 积条型(bar)铸造操作中可生成具有SSM结构的金属原料，故上述随后的再 次加热处理被广泛采用并且也是优选的。条型件可被方便地运送到生产车间， 被切割成任意的大小，并且随后再次加热到成型或铸造操作的制备过程所需的 半固体条件。然而，考虑到再次加热SSM并且铸造处理后的条型件所需的装 备相关的成本，上述处理是昂贵的，并且不能回收再次利用处理后的材料，而 且维持SSM结构的同时会造成现场的零碎废弃(scrapped)。

主要是由于不需要价格昂贵的再次加热装备，因此与再次加热处理相比 较，现场对标准的金属原材料进行SSM材料的熔化、冷却和处理可使得装备 和材料回收利用方面非常经济，并且如果在加热或成型处理过程中发生中断， 则会造成没有被维持为处理材料的大量材料变得不可使用。利用标准的燃烧炉 和熔化金属传送装备来执行上述标准的金属生产处理。可方便地回收利用零碎 废弃的金属，并且如果需要还可将其再次处理成现场的SSM条件。现场处理 单元会花费一些成本，但是这与再次加热所需的专用装备所需的总成本相比通 常显著地减少。