[发明专利]一种制备半固态金属的振动垂直直管通道方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于半固态金属成形技术领域，特别提供了一种制备半固态金属的振动垂直直管通道方法及装置。

背景技术

20世纪70年代初，美国麻省理工学院（MIT）的Flemings等人发明了半固态金属成形技术，引起各国学者和工业界的广泛关注，随后各国学者对此进行了深入和广泛的基础理论和技术研究。由研究和实际应用可知，在半固态金属成形技术中，半固态金属的制备始终处于关键位置。据文献“Behavior of metal alloys in the semisolid state”（M C Flemings, Metall Trans，1991，22A:957-981）、“半固态金属浆料先进制备技术的研究进展”（毛卫民，铸造，2012，61(8): 1-13）和《半固态金属成形技术》（毛卫民，北京：机械工业出版社，2004.6）报道，获得半固态金属的方法很多，如机械搅拌法、电磁搅拌法、应变引起的熔体激活法（strain induced melt activation，简称为SIMA）、紊流效应法、单螺旋搅拌法、双螺旋搅拌法、低过热度倾斜板浇注法、低过热度浇注和弱电磁搅拌法、压室电磁搅拌法、低过热度浇注和弱机械搅拌法、连续流变转换法（Continuous rheoconversion process，简称CRP）、偏旋热焓平衡法（Swirled enthalpy equilibration device，简称为SEED）、旋转倾斜圆管法、波浪板形浇注法、超声振动法、控制浇注高度法、自孕育法、气泡搅拌法、倒锥形通道浇注法、蛇形通道浇注法、转桶机械剪切法、环状电磁搅拌法等。但是，为了降低半固态金属的制备成本或者为了改善半固态金属的制备工艺过程，世界各国的学者和专家仍然不断探索新的半固态金属的制备方法和制备装置。

中国专利ZL200410009296.X、ZL200410009295.5和文献“Influence of process parameters on microstructure of semisolid A356 alloy slug cast through vertical pipe（YANG Xiao-rong, MAO Wei-min, PEI Sheng. Trans Nonferrous Met Soc China, 2008, 18(1): 99-103）”提出了半固态金属的垂直直管通道浇注制备技术。在垂直直管通道浇注制备技术中，首先将金属液的过热度控制到预定的浇注过热度，然后将金属液浇注到一个垂直直管通道中，金属液顺序向下流过垂直直管通道的内壁；在金属液流经垂直直管通道时，金属液会向垂直直管通道不断传热，引起接触通道内壁的金属液层的过冷，因而该过冷金属液会沿着垂直直管通道内壁发生初生晶粒的形核和长大；在这些初生晶粒形核和长大的过程中，初生晶粒根部产生溶质富集，同时初生晶粒又承受金属液的连续冲刷，部分初生晶粒会不断发生游离而离开垂直直管通道内壁并进入金属熔体中；由于金属熔体不断向垂直直管通道内壁散热和流动熔体的混合作用，最初浇入的过热金属熔体会逐渐进入整体过冷状态，从垂直直管通道内壁游离并进入金属熔体中的大量初生晶粒会存活下来；金属熔体中的这些大密度的存活下来的初生晶粒会发生溶质场和温度场的相互干涉，从而抑制枝晶生长，这些初生晶粒逐渐长大为球状；当金属熔体到达垂直直管通道出口处时，金属熔体已经处于固液两相区，内部包含有大量游离的球状初生晶粒，这就是半固态金属。这种半固态金属可以直接进行流变压铸成形、或流变挤压成形、或流变锻造成形，也可以将这些半固态金属收集到一个容器中，再经过适当的冷却凝固，可进一步提高半固态金属中的固相分数，用于流变成形高致密性的零件。总之，从上述制备技术的总体上看，垂直直管通道浇注制备技术的过程比较简单，是一种低成本的半固态金属的制备方法。但在半固态金属制备过程中，由于沿着垂直直管通道内壁形核的初生晶粒不能发生全部游离，剩余晶粒会不断长大，常常会堵塞垂直直管通道，被迫终止半固态金属的制备过程，降低了垂直直管通道的每次制备的半固态金属容量，不利于流变成形较大的零件。在半固态金属制备过程中，即使不会完全堵塞垂直直管通道，也会在垂直直管通道内产生大量挂料，挂料数量可占浇注金属重量的10%～

20%，这大大增加了清理挂料的难度，也大大增加了金属回炉的数量和熔化能耗。因此，需要采取新的措施或方法大幅度减慢垂直直管通道挂料的速度，大幅度减少垂直直管通道内壁的挂料数量，以便简化清理工艺和降低清理工作难度及金属的回炉数量，也有利于流变成形较大型的零件。

 

发明内容