一种适用于高性能小型件半固态成形的工艺

技术领域

本发明属于半固态成形技术领域，特别是涉及一种适用于高性能小型件半固态成形的工艺。

背景技术

半固态成形技术是上世纪70年代美国麻省理工学院M.C. Flemings等人发明的一种节能环保的先进金属成形工艺。金属半固态浆料的制备是半固态成形技术的基础与关键。目前，半固态浆料的制备方法多种多样，如机械搅拌法、双螺旋搅拌法、电磁搅拌法、超声波搅拌法、冷却斜槽法、强力剪切法等，但上述方法一般都针对中型体积或较大型体积半固态浆料的制备，难以制备高品质小体积半固态浆料，这些方法在制备小体积半固态浆料，尤其单次制备体积<500cm

现有技术中的半固态流变的压铸方法来制备小体积半固态浆料，通过带有初生晶的金属液进入压室后，在浇流道里压射冲头的推动下依次经低速压射阶段和高速压射阶段形成半固态浆料；该方法对成形设备性能要求高，目前市面上不少成形设备满足不了所述的匀加速压射精度，且浆料内部易产生部分由于预结晶形成的不规则大晶粒。

现有技术中的半固态浆料制备和压铸一体化的流变压铸方法是通过设计浇注温度、浇注速度、浇注高度、压室充满度、停留时间、充填速度、增压时间、浇注系统和排溢系统，实现了浇注时合金为液态，而铸件微观组织为半固态组织；尽管该方法使得制浆和压铸无缝衔接，完成半固态浆料制备和压铸一体化，但该方法存在下述一些不足，1)不仅大幅降低生产效率，且不符合实际生产，不好控制，难以工业化应用，将过热度直接调整到5~25℃会由于局部过冷直接产生枝晶，且舀料勺静态下舀取低过热度合金液会由于边壁过冷和温度场不均匀生成粗大不规则晶粒，且始终伴随于熔体和后续半固态浆料，另外黏度大、易粘料、浇注困难；2)用浇勺定量匀速浇入压铸机的压室，通过“提高浇注高度的目的是增加铝液的势能；当浇注到压室后，增加正在浇注的铝液对已经浇注到压室的铝液的冲击力，提高压室内铝液的自搅拌能力，使不同时间浇注到压室的铝液达到热量对流和混合搅拌的作用”，利用浇注过程强烈冲击剪切搅拌，极易造成浆料卷气氧化严重，且进入压室的合金液会在压室壁面导热快，产生粗大预结晶，严重影响最终半固态浆料组织均匀性，混入大量粗大树枝晶，同时造成充型时补缩不足。3)由于该方法浇注易紊流振荡，且浇注速度较快，浇注完毕后需在压室停留一段时间，通过压室对铝液激冷使合金液降温，才能形成半固态浆料，不仅降低成形效率，且由于先前步骤引起熔体温度差异大及压室散热较快造成浆料内部温度场和成分场的不均匀会进一步加剧，使得晶粒在停留时间变得粗大和不规则，难以形成均匀细小圆整的初生晶，蔷薇晶和树枝晶较多，大大影响成形件力学性能，致使该方法未能得到应用。

综上看出，现有几种小体积半固态浆料制备方法虽有特点，但也都存在明显不足和缺陷，因此仍需开发新的适合于小体积高品质半固态浆料制备和高性能小型件半固态成形的系统和工艺，以提高浆料制备效率、制备品质和应用可行性，降低浆料制备成本和门槛，从而推动高性能小型件半固态产业化。

发明内容

本发明的目的在于解决现有小体积半固态浆料制备工艺不稳定、控制难、效率低、浆料品质差、与实际生产脱节、应用推广难等问题，提供了一种适用于高性能小型件半固态成形的系统和工艺，即采用高导热材料制成的舀料勺从保温炉舀取高温合金液后，在转移到压室的过程中，导热性能优异的舀料勺使小体积高温合金液快速降温至近液相线，同时在转移过程中，通过机械手控制使舀料勺轻微循环摆动，使合金液内部产生微对流，不仅可匀化合金液的成分场和温度场，抑制由于低过热而引起的局部过冷和局部枝晶产生，而且可降低低温合金液粘度，利于后续合金液倒入压室，同时不会产生氧化夹杂和卷气，使合金液保持良好品质；接着将低过热合金液小流速倒入压室，通过浇注速度与浇注高度匹配引起的微对流及在低导热高温压室流动引起的微剪切动态过程中使低过热合金液降温至固液相线温度之间来制备小体积半固态浆料，由于压室温度高、导热差、浆料在压室冷却速率小，温度场和成分场均匀，抑制预结晶组织生成和初生晶的蔷薇化和枝晶化，因此所制备的小体积浆料中初生晶细小圆整且分布均匀，避免浆料组织中掺杂着粗大不规则预结晶及由于压室导热快而引起的初生晶择优生长而变成的蔷薇晶和树枝晶；待低过热合金液全部倒入压室后(与此同时，半固态浆料制备完毕)，随即使浆料在成形设备压力作用下填充模具模腔，并保压，凝固，开模，取件，获得小型高性能半固态成形件。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种适用于高性能小型件半固态成形的系统和工艺，所述成形系统包括：

保温炉，用于盛放和保温高温合金液；

舀料勺，用于舀取保温炉内的合金熔体并转移到成形设备的压室内；所述舀料勺由高导热材质制成，用于使高温合金液在转移过程中快速降温到近液相线；

机械手，与舀料勺衔接，用于控制舀料勺舀取合金液、转移合金液、摆动合金液和倒出合金液；

压室，用于半固态浆料制备和存放；

成形设备，用于将压室内的半固态浆料通过冲头打入模具的模腔；

模腔，为半固态浆料最后凝固空间，用于获得所需结构特征半固态成形件；

本发明的另一目的是提供一种采用上述的一种适用于高性能小型件半固态成形的工艺，所述工艺具体包括以下步骤：

S1) 通过舀料勺从保温炉内舀取高温合金液；

S2)再将高温合金液进行转移，在高温合金液转移过程中，控制舀料勺按照一定摆动角度进行周期性摆动，使舀料勺内高温合金液快速降温至近液相线，形成近液相线合金液；

S3) 将近液相线温度的合金液置于成形设备的压室的垂直上方，控制浇注高度和速度，倒入压室内，以一定的冷却速率对近液相线温度的合金液冷却，形成半固态浆料；

S4）当压室内获得的半固态浆料固相率体积分数为5~50%时，将压室内半固态浆料在成形设备压力作用下填充模具模腔，保压，凝固，开模，取件，获得高性能半固态成形件。

进一步，所述的合金液包括铝合金、镁合金、铜合金及其复合材料；

进一步，所述的成形设备包括压铸机、液态挤压机。

进一步，所述舀料勺由导热系数>100W/(m.K)的高导热材质制成，或者由内部涂敷/嵌入>100W/(m.K)高导热材质的铸钢制成。

进一步，所述S2)中舀料勺轻微摆动的方式包括左右循环摆动、前后循环摆动、左右前后循环摆动，每一循环摆动时间为2~6s，摆角5~60°。

进一步，所述S3)中低导热材质制成的压室，具体材质为导热系数<25W/(m.K)的低导热陶瓷，或者在常规压室内部涂敷/嵌入导热系数<25W/(m.K)的低导热陶瓷。

进一步，所述S4)中半固态浆料在填充模具模腔过程中的慢压射速度为0.1~0.3m/s，快压射速度为20~80m/s。

进一步，所述S4)中高性能半固态成形件的力学性能优异，与传统液态成形件相比，其抗拉强度提高>20%，屈服强度提高>20%，伸长率提高>40%。

进一步，该工艺每一半固态成形周期时间为20~60s，与传统液态成形相当。

本发明的有益效果是：

(1)在高导热舀料勺舀取小体积高温合金液转移压室的过程中，合金液快速降温的同时，由于舀料勺的轻微循环摆动，使合金液内部产生微对流，既可以匀化合金液的成分场和温度场，抑制由于低过热而引起合金液局部过冷和局部枝晶产生，而且这种动态微对流可减小低过热合金液粘度，利于后续合金液顺利倒入压室，另外这种微对流不会像强烈剪切或搅拌工艺一样而产生氧化、夹杂和卷气，使合金液保持优异的纯净度、均匀度和流动性，利于控制，为后续即将的高品质浆料制备提供良好基础；

(2)在小体积半固态浆料制备过程中，通过浇注速度与浇注高度匹配引起的微对流及在低导热高温压室(低导热材质制成的压室，散热少，蓄热能力强，压室温度350~500℃，流动性好)流动引起的微剪切动态过程中使低过热合金液降温至固液相线温度之间来制备小体积半固态浆料，需要注意的是，这里的浇注速度与浇注高度总体均较小，不会引起冲击紊流、搅拌对流和液体飞溅而氧化卷气和带入夹杂物；另外，由于压室温度高、导热差、浆料在压室冷却速率较小，温度场和成分场均匀，抑制压室壁面预结晶组织生成和由于温度场和成分场不均匀而引起的初生晶蔷薇化和枝晶化，因此所制备的小体积浆料中初生晶细小圆整、分布均匀且含气量极低，不会存在其它制备工艺所制备小体积半固态浆料组织中掺杂着粗大不规则预结晶及由于压室导热快和温度场与成分场不均匀而引起的初生晶择优生长而演变成的蔷薇晶和树枝晶；

(3)压室内的半固态浆料微观组织、温度场和成分场和粘度均匀，流动性较好，且不存在蔷薇晶和树枝晶，因此利于后续成形，成形工艺参数与传统成形一致，不需要调整或修改成形工艺参数(包括压室充满度、压室停留时间、充填速度等)和模具设计(浇注系统、排溢系统等)，省时省力；

(4)工艺流程与传统液态成形(液态压铸、液态挤压)一致，也不需额外提供制浆装置，浇注即制浆，浇注完毕即制浆完毕，流程连贯不停留，工艺简单易控制，成本低，每一半固态成形周期时间仅为20~60s，特别适于小型件产业化制备；

(5)半固态成形件组织细小圆整且致密，无氧化夹杂，成形件孔隙率体积分数<0.5%，可进行高温热处理强化和焊接，且成形件具有出色的力学性能，与传统液态成形件相比，其抗拉强度提高>20%，屈服强度提高>20%，伸长率>40%。

附图说明

图1为本发明一种适用于高性能小型件半固态成形的工艺流程图。

图2为本发明具体实施方式的实施例1中的制备的A356铝合金半固态压铸力学拉伸件实物图。

图3为本发明具体实施方式的实施例1中的A356铝合金半固态成形件的微观组织图。

图4为本发明具体实施方式的实施例2中的Al-8Si铝合金半固态成形件的微观组织图。

图5为本发明具体实施方式的对比例1中的A356铝合金半固态成形件的微观组织图。

图6为本发明具体实施方式的对比例2中的Al-8Si铝合金半固态成形件的微观组织图。

图7为本发明具体实施方式的对比例3中的A356铝合金半固态成形件的微观组织图。

图8为本发明具体实施方式的对比例4中的A356铝合金半固态成形件的微观组织图。

图9为本发明具体实施方式的对比例5中的A356铝合金半固态成形件的微观组织图。

图中：

1、机械手；2、舀料勺；3、保温炉；4、合金液；5、压室；6、半固态浆料；7、成形设备；8、模具；9、模腔；10、冲头；11、成形件

具体实施方式

为使本发明拟解决的工艺方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

如图1所示，本发明一种适用于高性能小型件半固态成形的工艺，所述工艺采用的设备的结构为：机械手1，舀料勺2，保温炉3，合金液4，压室5，半固态浆料6，成形设备7，模具8，模腔9，冲头10，成形件11；所述的机械手1与舀料勺2衔接以带动舀料勺工作移动。

所述的合金液4包括铝合金、镁合金、铜合金及其复合材料；

所述的成形设备7包括压铸机、液态挤压机。

具体步骤为：

S1)机械手1带动舀料勺2从保温炉3内舀取小体积高温合金液4，舀取的合金液4体积为20~400cm

S2)在机械手1将合金液4转移倒入压室5过程中，高导热材质制作的舀料勺2使高温合金液4快速降温至近液相线，同时在合金液4转移过程中，通过机械手1控制使舀料勺2轻微摆动，促使合金液4内部产生微对流抑制局部过冷和局部枝晶产生，图1中的（b）；

S3)将近液相线温度的合金液4倒入压室5，此时合金液4的温度高于合金的液相线0~10℃，在浇入压室5过程中，通过控制浇注速度和浇注高度及独特压室5环境(材质、温度、导热及储热)产生的动态微对流及流动微剪切制备半固态浆料6，浇注速度为15~37cm

S4)将压室5内半固态浆料6在成形设备7的压力作用下由冲头10填充入模具8的模腔9，保压，凝固，开模，取件，获得高性能半固态成形件11,图1中的(d)。

具体工艺为，所述工艺具体包括以下步骤：

S1) 通过舀料勺从保温炉内舀取高温合金液；

S2)再将高温合金液进行转移，在高温合金液转移过程中，控制舀料勺按照一定摆动角度进行周期性摆动，使舀料勺内高温合金液快速降温至近液相线，形成近液相线合金液；

S3) 将近液相线温度的合金液置于成形设备的压室的垂直上方，控制浇注高度和速度，倒入压室内，以一定的冷却速率对近液相线温度的合金液冷却，形成半固态浆料；

S4）当压室内获得的半固态浆料固相率体积分数为5~50%时，将压室内半固态浆料在成形设备压力作用下填充模具模腔，保压，凝固，开模，取件，获得高性能半固态成形件。

所述S1）中的所述舀料勺的舀取合金液体积为20~400cm

所述舀料勺采用导热系数>100W/(m.K)的高导热材质制成，或内部涂敷/嵌入导热系数>100W/(m.K)的高导热材质的铸钢制成。

所述S2）中所述周期性摆动的方式为左右循环摆动、前后循环摆动或左右前后依次循环摆动，每一循环摆动时间为2~6s，摆角的角度为5~60°；

所述近液相线温度为高于合金的液相线0.1~10℃。

所述S3）中浇注高度与浇注速度的比值为3~8：1；

所述冷却速率控制在0.1~2.5℃/s；

所述压室采用低导热材质制成，或在传统的压室内部涂敷/嵌入低导热材质。

所述高性能半固态成形件与采用传统技术成型的高性能半固态成形件的抗拉强度提高>20%，屈服强度提高>20%，伸长率>40%。

所述的成形设备为压铸机或液态挤压机。

所述合金液为铝合金、镁合金、铜合金或其复合材料。

所述高导热材质为石墨、BeO、AlN或SiC。

所述低导热系数<25W/(m.K)的低导热陶瓷。

所述S4)中半固态浆料在填充模具模腔过程中的慢压射速度为0.1~0.3m/s，快压射速度为20~80m/s；

每一半固态成形周期时间为20~60s。

上述工艺每一半固态成形周期时间为20~60s，与传统液态成形相当；所制备的高性能半固态成形件11的力学性能优异，与传统液态成形件相比，其抗拉强度提高>20%，屈服强度提高>20%，伸长率>40%。

实施例1：采用本发明制备质量为0.4kg(体积为150cm

S1）机械手1带动高导热SiC陶瓷制成的舀料勺从保温炉舀取温度为660℃的A356铝合金液0.4kg (体积为150cm

S2）在机械手1将铝合金液转移倒入温度为400℃的压室过程中，通过机械手控制使舀料勺轻微左右方向循环摆动，每一循环摆动时间为3s，摆角45°，9秒后铝合金液温度下降至620℃；

S3）将近液相线温度的铝合金液倒入压室制备半固态浆料，铝合金液的浇注速度为20cm

S4）压室内半固态浆料在压铸机压力作用下，被冲头打入模具模腔进行填充(慢压射速度0.2m/s，快压射速度35m/s)，70MPa下保压3s后开模，取件，获得A356铝合金半固态压铸力学拉伸件，其实物图如图2所示，微观组织如图3所示，上述半固态成形周期时间共为41s。

实施例2：采用本发明制备质量为0.22kg(体积为83cm

S1）机械手带动高导热SiC陶瓷制成的舀料勺从保温炉舀取温度为670℃的Al-8Si铝合金液0.22kg(体积为83cm

S2）在机械手将铝合金液转移倒入温度为450℃的压室过程中，通过机械手控制使舀料勺轻微前后方向循环摆动，每一循环摆动时间为6s，摆角10°，7秒后铝合金液温度下降至625℃；

S3）将近液相线温度的铝合金液倒入压室制备半固态浆料，铝合金液的浇注速度为15cm

S4）压室内半固态浆料在压铸机压力作用下，被冲头打入模具模腔进行填充(慢压射速度0.25m/s，快压射速度30m/s)，50MPa下保压1.5s后开模，取件，获得Al-8Si铝合金半固态压铸手机支架件，其微观组织如图4所示，上述半固态成形周期时间共为32s。

对比例1：采用传统压铸工艺制备A356铝合金拉伸试棒，舀料勺为常规铸钢材料，压室为常规H13钢材料，浇注温度660℃，浇注方法与常规压铸一致(浇注时间1.5s)，熔体质量0.4kg(体积为150cm

对比例2：采用传统压铸工艺制备Al-8Si铝合金手机支架，舀料勺为常规铸钢材料，压室为常规H13钢材料，浇注温度670℃，熔体质量0.22kg(体积为83cm

对比例3：除了舀料勺在转移合金液的过程中未循环摆动(铝合金液温度下降至620℃再倒入压室)，其它与实施例1相同，倒料时存在着部分合金液粘度大，挂料的现象，A356铝合金成形件的微观组织如图7所示。

对比例4：除了在A356铝合金液浇注过程中的浇注速度为50cm

对比例5：除了压室为常规H13钢材料，其它与实施例1相同，A356铝合金成形件的微观组织如图9所示。

将上述实施例1-2制备的小型铝合金半固态成形件和对比例1-5压铸的铝合金成形件做对比，分别测定各铝合金成形件的微观组织和力学拉伸性能，具体结果见表1：

由表1可看出，与对比例1-5的铝合金成形小型件相比，本发明半固态成形铝合金小型件不仅微观组织细小、圆整、均匀，而且成形件孔隙率少、致密度高、力学拉伸性能优异。因此本发明一种适用于高性能小型件半固态成形的系统和工艺具有广阔的应用范围和良好的经济效益和社会效益。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。