复合变质细化和电磁搅拌制备汽车铝车轮用半固态浆料的方法和装置

摘要

一种复合变质细化和电磁搅拌制备汽车铝车轮用半固态浆料的方法和装置，将过热度为100～120℃合金转入中转包，以高纯氮气和喷吹装置依次加入细化变质剂处理；细化剂为Al-Zr-B-O中间合金，粒度150～200um；变质剂为Al-Sr-RE多元合金，粒度200～250um；静止5～8分钟当温度在液相线以上40～50℃时倒入电磁搅拌坩埚，坩埚放入电磁搅拌器内，通过坩埚外围搅拌器和中心搅拌器进行复合搅拌；其中外围搅拌器频率10～20赫兹、功率12千瓦、速率300～500rmp、时间2～3min；中心搅拌器频率5～15赫兹、功率1～2千瓦、速率300～800rmp、时间2～3min，当熔体温度降至液相线以下10-15℃停止搅拌即可得到近球晶组织半固态铝合金浆料，该方法解决了浆料不均匀与制浆效率低的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及半固态材料技术领域，具体地说涉及一种复合变质细化和电磁搅拌制备 汽车铝车轮用半固态浆料的方法和装置。

背景技术

半固态是指合金内既存在球形固相又存在流体液相的二相状态。半固态成形技术是 20世纪70年代初美国麻省理工学院的M.C.Flemings教授和D.B.Spencer博士首先提出 的一种金属成形的新方法，它是将金属或合金在固相线与液相线温度区间时对其施以剧 烈的搅拌作用，充分破碎枝状的初生固相，得到一种均匀悬浮着一定球状初生固相的固 -液混和浆料，然后进行加工的一种新工艺。与普通压铸工艺相比，采用半固态成形工 艺加工铝合金汽车车轮具有如下优点：和液态铸造相比，半固态存在较丰富的固相质点， 在凝固过程中形成发散的颗粒状组织形态，避免了普通铸造容易形成的粗大晶的形成， 提高了铸件的内在品质；半固态产品表面几乎无针孔，一般铸造轮圈常见的厚断面部位 的缩孔缺陷，在半固态成形的铝轮毂中较为少见；材料强度高，可有效实施轻量化；成 形温度低于液态浇注温度，减小了对压铸模具的热冲击，延长了模具寿命；材料利用率 大辐度提高，产品加工余量减少，可实现产品的近净成形；减轻了成形抗力，可成形复 杂零件的毛毛坯；品质高于低压铸造，价格低于锻造。正是由于以上突出的种种优点， 金属半固态成形技术被誉为“21世纪最有发展前景的绿色工业技术”。

半固态合金成形技术通常分为流变成形和触变成形两大类。不管是流变成形还是触 变成形，制备细小、等轴的半固态浆料是半固态技术中最核心的部分。目前半固态浆料 的制备方法主要有电磁搅拌法、机械搅拌法、近液相线浇注法、喷射成积法等；机械搅 拌法虽然是最早出现的一种方法，但由于效率低、搅拌装置损耗太大、容易污染金属等 问题的存在，因此没有工业化应用的前景；近液相线浇注法要求浇注温度非常接近液相 线温度，工艺控制非常困难，因此操作难度很大；喷射成积法只能制备较小零件，并且 制备成本很高；而电磁搅拌法由于非接触、可精确设计等种种优点一直被认为是最有工 业化前景的方法，但由于电磁搅拌的趋肤效应的存在，电磁搅拌是被施加在制浆室的外 部，不仅使半固态制浆时间长、效率低，而且使制浆室中心部和边部的搅拌不均匀；因 此行业内迫切需要寻找一种提高制浆效率并使浆料均匀化的技术。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述浆料制备过程中的不足之处，提供一种制浆效率高 并可促使浆料均匀化的技术，具体地说提供一种复合变质细化和电磁搅拌制备汽车铝车 轮用半固态浆料的方法和装置。

该方法从促进晶粒形核、提高制浆效率入手，采用“熔体复合细化变质处理+复合 电磁搅拌”的技术，解决以往半固态浆料制备过程中质量与效率的问题，具体过程为：

1、原材料熔化

选用合金锭，采用以天然气为燃料的熔炼炉加热溶化，制备过热合金，过热合金 的温度为液相线温度以上100～120℃；在熔炼炉保温室进行喷粉精炼，使其净化、温度 均匀，并且保持化学成分均匀、恒定、偏析小；然后保温静止，等待使用。

2、对净化后的合金熔体进行复合细化与复合变质处理

将净化后的熔体转入保温中转包，进行熔体细化、变质处理。熔体处理所需细化剂 与变质剂的技术要求如下：细化剂用Al-Zr-B-O多元中间合金微细粉末，粒度在150～ 200um；变质剂采用Al-Sr-RE多元合金，粒度在200～250um。在合金熔体温度保持在 液相线温度以上100～120℃时，加入中间合金粉末，采用专用的喷吹装置，以高纯氮气 为载体，使用石墨转子将细化剂与变质剂喷吹到熔体中，顺序为先加入细化剂后加入变 质剂，二者加入时间间隔3～5分钟；其中氮气压力0.2～0.3Mpa、氮气流量0.8～1.5m²/h、石墨转子转速650～800转/分，转子下端距保温中转包底部100～120mm，喷吹时间 视细化量和变质剂量而定；细化、变质处理完毕后，合金熔体静止5～8分钟，将熔体 温度调整至液相线以上40～50℃区间并保温。

3、复合电磁搅拌方法制备半固体铝合金浆料

将以上处理后的低过热度熔体倒入搅拌坩埚，把坩埚放入电磁搅拌器内，采用复合 电磁搅拌方法开始电磁搅拌制备半固态浆料。所谓复合电磁搅拌，即通过熔体外围搅拌 器和熔体中心搅拌器的进行搅拌。

该过程主要技术要求：

3.1在处理后的低过热度熔体倒入搅拌坩埚前，将搅拌坩埚预热至500～550℃。

3.2把坩埚放入电磁搅拌器内之前3～6秒开启熔体外围搅拌器

电磁搅拌频率：10～20赫兹；

电磁搅拌功率：12千瓦；

搅拌速率为：300～500rmp；

搅拌时间为：2～3min

3.3将外围套有石墨管的中心搅拌器置入熔体的中心部位，石墨管距坩埚底部 100～120mm，在置入前3～6秒开启搅拌器；

电磁搅拌频率：5～15赫兹；

电磁搅拌功率：1～2千瓦；

搅拌速率为：300～800rmp；

搅拌时间为：2～3min

3.4当搅拌过程中熔体温度降至液相线以下10-15℃，即停止搅拌，此时即可得到 近球晶组织半固态铝合金浆料。

本发明的具体优点：

1、本发明所涉及的熔体复合细化变质处理技术有助于获得近球状的共晶体，使浆 料在进行搅拌前就已经形成大量有效的形核核心，从而缩短电磁搅拌的时间，提高制浆 的效率。

2、复合电磁搅拌技术有效解决了传统电磁搅拌工艺因制浆室体积较大、中心局部搅 拌不均匀的现象，确保在较低的过冷度下实现整个熔体同时形核结晶，从而获得均匀的 半固态浆料，使成分偏析现象大大降低。

3、由于经过复合细化、变质处理及复合电磁搅拌的半固态浆料较传统的电磁搅拌枝 晶更细小，浆料流动性相对传统工艺制作的半固态浆料好很多，对压铸工序制作复杂产 品造型提供良好的充型能力，产品合格率高。

4、该发明制浆工艺简单、设备价格低廉、实用性强。

附图说明：

图1是施加复合细化变质处理的保温中转包结构示意图。

图2是施加复合电磁搅拌处理的电磁搅拌坩埚结构示意图。

图3是经过处理的半固态浆料的金相组织图。

具体的实施方式

首先选用合金锭，采用以天然气为燃料的熔炼炉加热溶化，制备过热合金，过热合 金的温度为液相线温度以上110℃；在熔炼炉保温室进行喷粉精炼，使其净化、温度均 匀，并且化学成分均匀、恒定、偏析小；然后保温静止，等待使用

其次对净化后的合金熔体进行复合细化与复合变质处理，如图1所示的复合细化变 质处理的保温中转包，包括挡板(1)、石墨转子(2)、导管(3)、石墨转子驱动马达(4)、 石墨转子叶片(5)、保温中转包加热电阻(6)、石墨转子升降驱动马达(7)、进气导管 (8)、储存罐(9)、驱动马达连接导线(10)、控制柜(11)，将过热度为液相线温度以 上110℃溶液倒入保温中转包，开启氮气，将石墨转子(2)浸入熔体中，石墨转子(2) 距中转包底110mm，开启石墨转子驱动马达(4)，先加入粒度在150um的Al-Zr-B-O多 元中间合金进行细化，3分钟后加入粒度为200um的Al-Sr-RE多元合金进行变质；细 化、变质处理完毕后，合金熔体静止5分钟，将熔体温度调整至液相线以上40℃并保温。

再次对细化变质的合金进行复合电磁搅拌以制备半固体铝合金浆料，如图2所示的 电磁搅拌坩埚：包括外围电磁搅拌器(12)、加热电阻丝(13)、中心电磁搅拌器(14)、 石墨管(15)、石墨管升降驱动马达(16)、电控柜(17)；在低过热度熔体倒入电磁搅 拌坩埚前将先坩埚预热至530℃，在电磁搅拌钳锅放入电磁搅拌器内腔之前3秒开启熔 体外围搅拌器(12)，然后将电磁搅拌钳锅放入电磁搅拌器内腔，进行外围电磁搅拌， 选择外围电磁搅拌频率15赫兹、电磁搅拌功率12千瓦、搅拌速率为300rmp、搅拌时间 为2min；同时将外围套有石墨管(15)的中心电磁搅拌器(14)置入熔体的中心部位， 置入前3秒开启中心电磁搅拌器(14)，石墨管(15)距坩埚底部100mm，中心电磁搅拌 器(14)的电磁搅拌频率15赫兹、搅拌功率2千瓦、搅拌速率为300rmp、搅拌时间为 2min，当溶液温度下降到600度时停止搅拌，即可获得图3所示的细小均匀的半固态浆 料。