本發(fā)明涉及一種制備半固態(tài)漿料的方法及裝置，屬于材料科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

半固態(tài)成形技術(shù)自從上世紀(jì)七十年代被Spencer D B和Flemings M C等學(xué)者發(fā)現(xiàn)以來，受到國內(nèi)外研究學(xué)者的廣泛關(guān)注。半固態(tài)成形技術(shù)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(guān)鍵都是獲得具有細(xì)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(xì)小球形或近球形的漿料直接鑄成坯料，然后根據(jù)需要量進(jìn)行切割，把切割好的坯料放入加熱爐中進(jìn)行二次加熱，到固液區(qū)間內(nèi)某一溫度進(jìn)行保溫，最后再進(jìn)行壓鑄、擠壓或鍛造等工藝，獲得優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)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(diǎn)，限制了其在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用。而流變成形則是把漿料直接進(jìn)行擠壓等工序，獲得合格的產(chǎn)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(xué)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(shù)，由于具有工藝流程短，效率高，生產(chǎn)成本低等一系列優(yōu)點(diǎn)，在一些公司得到了應(yīng)用，如意大利的Stampal公司；但該工藝在連續(xù)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(xù)金屬液的冷卻能力，使組織不均勻。2007年，南昌大學(xué)楊湘杰等人提出旋轉(zhuǎn)傾斜圓筒式制漿設(shè)備，利用傾斜圓筒的轉(zhuǎn)動，使金屬液與轉(zhuǎn)筒不同部位接觸，避免同一個(gè)地方長時(shí)間接觸，避免形成凝固層，使組織均勻，并申請相關(guān)專利，但該工藝一旦掛料，就很難清理。2010年，昆明理工大學(xué)周榮鋒等人發(fā)明了轉(zhuǎn)棒誘導(dǎo)形核設(shè)備，利用內(nèi)通循環(huán)冷卻水的豎直轉(zhuǎn)棒直接使金屬液在棒表面進(jìn)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(yōu)質(zhì)的半固態(tài)漿料，并獲得相關(guān)專利，目前，該工藝還處在研究當(dāng)中。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了進(jìn)一步提高半固態(tài)合金漿料組織的均勻性以及制漿工藝的可持續(xù)性，本發(fā)明通過改變加壓板上的壓力，調(diào)節(jié)噴嘴的流量及金屬溶體噴出的形式，獲得極大的過冷度進(jìn)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(yīng)用前景。

本發(fā)明提供一種制備半固態(tài)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(hù)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(huán)水冷卻，制備得到半固態(tài)漿料。

所述惰性氣體為氮?dú)饣驓鍤狻?/p>

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(fā)明的另一目的在于提供利用上述方法制備半固態(tài)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(huán)水箱11、振動電機(jī)12、電機(jī)控制器13、連接桿14，噴鑄容器8外部設(shè)有加熱元件5，噴鑄容器8上設(shè)有支架4，支架4將噴鑄容器8進(jìn)行固定，噴鑄容器8入口端設(shè)有加壓板7，用于給噴鑄容器8內(nèi)部的金屬溶體加壓，噴鑄容器8出口端設(shè)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(shè)有循環(huán)水箱11，循環(huán)水箱11通過連接桿14與振動電機(jī)12連接，振動電機(jī)12還與電機(jī)控制器13連接。

所述連接桿14為伸縮桿，便于調(diào)節(jié)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(shè)有坩堝2，坩堝2外部設(shè)有保溫元件3，可將坩堝2收集的半固態(tài)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(shè)備相連，如連鑄設(shè)備或流變設(shè)備。

所述冷卻板10為銅合金板。

所述循環(huán)水箱11內(nèi)的循環(huán)水流量為1L/min-100L/min，振動電機(jī)12的振動頻率為10Hz-150Hz。

本發(fā)明的具體工藝過程為：將金屬在噴鑄容器8中進(jìn)行熔煉，待金屬溶體獲得一定的過熱度后進(jìn)行精煉并保溫一定時(shí)間，設(shè)定好循環(huán)水箱11內(nèi)的循環(huán)水流量和振動電機(jī)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(hù)下直接從噴嘴9噴鑄到冷卻板10表面，經(jīng)快速激冷作用，金屬溶體內(nèi)部獲得大量形核，然后在振動電機(jī)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(nèi)，完成半固態(tài)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(jìn)入下一工序設(shè)備。

本發(fā)明的有益效果：

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

（2）本發(fā)明加壓板上的壓力、冷卻板長度及振動電機(jī)的頻率等參數(shù)可以根據(jù)不同的工況進(jìn)行調(diào)整，獲得最優(yōu)參數(shù)進(jìn)而獲得優(yōu)質(zhì)的漿料或產(chǎn)品。

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

（4）本發(fā)明在惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行，有效的避免金屬的氧化或夾渣。

（5）本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)簡單、成本低、效率高、可連續(xù)制備半固態(tài)漿料，而且與成形設(shè)備相結(jié)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(fā)明實(shí)施例1制備半固態(tài)漿料的裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例1制備的A356合金的半固態(tài)漿料的顯微組織圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例2制備的ZCuSn10P1合金的半固態(tài)漿料的顯微組織圖；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例2制備的ZCuSn10P1合金零件；

圖5是本發(fā)明實(shí)施例3制備的Al-25Si合金的半固態(tài)漿料的顯微組織圖；

圖中：1-半固態(tài)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(huán)水箱，12-振動電機(jī)，13-電機(jī)控制器，14-連接桿。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

實(shí)施例1

本實(shí)施例制備半固態(tài)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(huán)水箱11、振動電機(jī)12、電機(jī)控制器13、連接桿14，噴鑄容器8外部設(shè)有加熱元件5，加熱元件5為加熱線圈，噴鑄容器8上設(shè)有支架4，支架4將噴鑄容器8進(jìn)行固定，噴鑄容器8入口端設(shè)有加壓板7，用于給噴鑄容器8內(nèi)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(shè)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(hù)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(huán)水箱11，循環(huán)水箱11通過連接桿14與振動電機(jī)12連接，連接桿14為伸縮桿，便于調(diào)節(jié)循環(huán)水箱11上的冷卻板10與地面之間的夾角，振動電機(jī)12還與電機(jī)控制器13連接，冷卻板10下端設(shè)有坩堝2，坩堝2外部設(shè)有保溫元件3，可將得到的半固態(tài)漿料1保溫待用，其中保溫元件3為保溫爐。

本實(shí)施例制備A356合金的半固態(tài)漿料，具體包括如下步驟：

（1）調(diào)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(jī)12的頻率調(diào)整為50Hz，循環(huán)水箱11內(nèi)的循環(huán)水流量為20L/min，打開加熱元件5和保溫元件3的電源開關(guān)，保溫元件3的保溫溫度設(shè)置為590℃；

（2）將金屬在噴鑄容器8中進(jìn)行熔煉，待金屬溶體6達(dá)到780℃后進(jìn)行精煉并保溫30min，然后關(guān)閉加熱元件5，把金屬溶體6溫度降為640℃進(jìn)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(hù)氛圍下直接噴鑄到冷卻板10表面，經(jīng)快速激冷作用，金屬溶體6內(nèi)部大量形核，然后在振動電機(jī)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(nèi)，完成半固態(tài)漿料1的制備，保溫元件3的保溫溫度為590℃，將漿料進(jìn)行保溫待用。

圖2為本實(shí)施例制備到的A356合金的半固態(tài)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(zhuǎn)化為橢圓狀或近球狀，此時(shí)晶粒等效直徑在60μm左右，形狀因子0.78，適合半固態(tài)流變成形。

實(shí)施例2

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

本實(shí)施例于制備ZCuSn10P1合金的半固態(tài)漿料，具體包括如下步驟：

（1）調(diào)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(jī)12的頻率調(diào)整為150Hz，循環(huán)水箱11內(nèi)的循環(huán)水流量為100L/min，打開加熱元件5和保溫元件3的電源開關(guān)，保溫元件3的保溫溫度設(shè)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(jìn)行熔煉，待金屬熔體6達(dá)到1200℃后進(jìn)行精煉并保溫20min，然后關(guān)閉加熱元件5把金屬溶體6溫度降為1080℃進(jìn)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?dú)獗Ｗo(hù)氛圍下直接噴鑄到冷卻板10表面，經(jīng)快速激冷作用，金屬溶體6內(nèi)部大量形核，然后在振動電機(jī)12的振動作用下帶有大量晶核的金屬溶體6流入流變設(shè)備結(jié)合進(jìn)行擠壓，半固態(tài)漿料1直接制備成零部件。

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

實(shí)施例3

本實(shí)施例制備半固態(tài)漿料的裝置與實(shí)施例1相同。

本實(shí)施例于制備Al-25Si合金的半固態(tài)漿料，具體包括如下步驟：

（1）調(diào)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(jī)12的頻率調(diào)整為10Hz，循環(huán)水箱11內(nèi)的循環(huán)水流量為1L/min，打開加熱元件5和保溫元件3的電源開關(guān)，保溫元件3的保溫溫度設(shè)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(jìn)行熔煉，待金屬熔體6達(dá)到850℃后進(jìn)行精煉并保溫20min，然后關(guān)閉加熱元件5把金屬溶體6溫度降為785℃進(jìn)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?dú)獗Ｗo(hù)氛圍下直接噴鑄到冷卻板10表面，經(jīng)快速激冷作用，金屬溶體6內(nèi)部大量形核，然后在振動電機(jī)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(shí)施例制備得到的Al-25Si合金的半固態(tài)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(fù)雜形狀轉(zhuǎn)全部轉(zhuǎn)化為細(xì)小塊狀，由液相包裹，在成形時(shí)具有良好的固液協(xié)同性。

本發(fā)明制備半固態(tài)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(diào)節(jié)，冷卻板10的長度在50mm-1000mm調(diào)節(jié)，根據(jù)需要設(shè)定保溫元件3的溫度，保證坩堝2內(nèi)溫度在100℃-1500℃，根據(jù)需要設(shè)置循環(huán)水箱11內(nèi)的循環(huán)水流量在1L/min-100L/min之間，振動電機(jī)12的振動頻率在10Hz-150Hz之間，設(shè)置加壓板7的壓力在0.01-1Mpa之間，均可以獲得很好半固態(tài)漿料。

盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實(shí)施例作了詳細(xì)介紹，但是本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式，在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具備的知識范圍內(nèi)，還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下作出各種變化。