一种能细化高硅铝合金初生硅的半固态流变压铸方法及其装置

摘要

本发明提供了一种能细化高硅铝合金初生硅的半固态流变压铸方法，并提供了一种采用上述方法的生产装置以及一种控制形核器。其中，所述半固态流变压铸方法采用过热处理+惰性气体保护+快速冷却+永磁搅拌的方法，用以细化初生硅并制备半固态浆料，并将得到的半固态浆料进行流变压铸。该方法避免铝液在高温下吸气，且减轻了易烧损元素的烧损，有效抑制初生硅长大，使初生硅的尺寸足够小，同时也可以改善α(Al)的尺寸，铝液亦不会产生氧化夹杂；使用该方法制备的高硅铝合金半固态浆料更加优质，且生产效率高。

说明书

技术领域

本发明涉及铝合金材料领域，尤其涉及一种能细化高硅铝合金初生硅的半固 态流变压铸方法，并提供了一种采用上述方法的生产装置以及一种控制形核器。

背景技术

铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、 机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。

高硅铝合金因其密度小、强度高、耐磨性好、耐腐蚀、铸造性能良好和热膨 胀系数小等许多优点而得到广泛的应用。高硅铝合金中初生硅尺寸比较粗大，必 须经过变质处理使初生硅尺寸减小到一定尺寸后，铸件性能才能够得到发挥。目 前，初生硅的变质处理方法一般为两种：变质剂法和温度处理法。其中，温度处 理法就是将铝液加热到足够高的温度，使固相硅完全溶解，这种处理方法能够使 初生硅尺寸更小。但是，铝液加热到足够高的温度后不但容易吸气，容易氧化的 元素，例如镁元素容易烧损，所以，在实际生产中如何使足够高温的高硅铝合金 铝液不吸气，而且铝液凝固后初生硅尺寸足够小，是高硅铝合金生产铸件的一个 难题。

中国发明专利CN103060629B提供了一种高硅铝合金的变质处理方法，该 方法将10～20wt％的高硅铝合金，加热熔化并保持660℃～700℃的低温；将 80～90wt％的高硅铝合金，加热熔化后，快速升温进行过热处理，将其倒入保持 低温的高硅铝合金中进行铸造；其中采用80～90wt％的800～900℃铝液与 10～20wt％的660～700℃铝液混合的办法来细化高硅铝合金中的初生硅，但是 这种方法得到的铝液含气量很高，而且在保温过程中，混合后的铝液所含的硅还 会继续增大。

中国发明专利CN101603162B提供了一种高硅铝合金或其它含第二硬脆相 合金的物理法变质工艺，其同样采用将成分不同与温度不同的两种合金熔体按比 例混合的方法，以形成另一种所要求成分的熔体，再将混合后的熔体进行过热处 理，使得熔体中含有的第二粗大硬脆相得到细化或变质；然而，该方法仍然存在 铝液含气量很高且其中的硅继续增大的问题。

由此可见，现有技术中的多种高硅铝合金的温度变质处理方法大都存在上述 技术问题，因此，研发出一种能细化高硅铝合金初生硅的半固态流变压铸方法是 半固态铝合金成型领域的重要课题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，发明人拟采用一种过热处理+惰性气 体保护+快速冷却+永磁搅拌的方法来细化初生硅并制备半固态浆料，并将得到 的半固态浆料进行流变压铸。

本发明的第一方面，提供了一种能细化高硅铝合金初生硅的半固态流变压铸 方法，包括以下步骤：

(1)熔化高硅铝合金原材料并补充容易烧损的元素：先试验并计算铝液过热到 液相线温度以上250～300℃时易烧损元素的烧损量，然后依据此烧损量补充容 易烧损的元素到铝液中；

(2)精炼：将铝液过热到液相线温度以上90～120℃精炼；

(3)倒入定量炉：将精炼后的铝液倒入预热后的定量炉并盖好炉盖；

(4)通入氩气：将定量炉盖顶部的阀门打开，同时打开氩气瓶的阀门，直至炉 内的空气完全排尽为止，最后关闭炉盖顶部的阀门和氩气瓶的阀门；

(5)过热：将炉内铝液过热到液相线温度以上250～300℃；

(6)保温：将炉内铝液在液相线温度以上250～300℃情况下保温0.5～1小时；

(7)控制形核：用定量泵通过升液管将过热的高温铝液输送至控制形核器，控 制形核器将高温铝液快速冷却至半固态温度区并完成半固态浆料制备；

(8)流变压铸：将得到的半固态浆料直接流变压铸；

其中，所述控制形核器包括：“Z”字形的输送管道，供铝液通过并用于快速 冷却铝液，所述输送管道沿其径向由内向外依次为石墨衬套、不锈钢内衬、冷却 水夹层、不锈钢外套；贴近所述不锈钢外套设置的永久磁钢，固定在永久磁钢固 定圈上，所述永久磁钢固定圈与轴承相连，而所述轴承被连接在轴承固定支撑座 上；电机和传动带，所述电机驱动所述传动带，以驱动永久磁钢固定圈并转动永 久磁钢，用于进行无接触搅拌；

其中，所述“Z”字形的输送管道分为三段，第一段和第三段管道竖直向下， 而第二段管道与水平面呈一倾斜角α。

优选地，在上述方法中，所述步骤(7)中，通过调节所述倾斜角α、冷却 水的流量、永久磁钢的转速以控制形核和半固态浆料的温度，使得经过处理后的 铝熔体温度控制在液相线温度以下5～20℃之间。

进一步优选地，在上述方法中，所述冷却水与所述铝液逆流换热。

进一步优选地，在上述方法中，所述易烧损元素为镁元素。

本发明的第二方面，提供了一种采用上述方法的生产装置，包括：熔化炉， 精炼炉，定量炉，压铸室，及其相应的管道和/或阀门；其特征在于，所述生产 装置还包括：用于向定量炉中充氩气的氩气瓶，供铝液排出定量炉的升液管和定 量泵，用于无接触搅拌和快速冷却铝液的控制形核器；其中，所述控制形核器包 括：“Z”字形的输送管道，供铝液通过并用于快速冷却铝液，所述输送管道沿其 径向由内向外依次为石墨衬套、不锈钢内衬、冷却水夹层、不锈钢外套；贴近所 述不锈钢外套设置的永久磁钢，固定在永久磁钢固定圈上，所述永久磁钢固定圈 与轴承相连，而所述轴承被连接在轴承固定支撑座上；电机和传动带，所述电机 驱动所述传动带，以驱动永久磁钢固定圈并转动永久磁钢，用于进行无接触搅拌； 其中，所述“Z”字形的输送管道分为三段，第一段和第三段管道竖直向下，而 第二段管道与水平面呈一倾斜角α。

优选地，所述不锈钢内衬和所述不锈钢外套均采用314奥氏体不锈钢制成； 所述永久磁钢的材质为钕铁硼，牌号为N42。

本发明的第三方面，提供了一种控制形核器，包括：“Z”字形的输送管道， 所述输送管道沿其径向由内向外依次为石墨衬套、不锈钢内衬、冷却水夹层、不 锈钢外套；贴近所述不锈钢外套设置的永久磁钢，固定在永久磁钢固定圈上，所 述永久磁钢固定圈与轴承相连，而所述轴承被连接在轴承固定支撑座上；电机和 传动带，所述电机驱动所述传动带，以驱动永久磁钢固定圈并转动永久磁钢，用 于进行无接触搅拌；

其中，所述“Z”字形的输送管道分为三段，第一段和第三段管道竖直向下， 而第二段管道与水平面呈一倾斜角α。

本发明采用上述技术方案，与现有技术相比，具有如下优势与技术效果：

(1)采用氩气保护条件下的过热处理来细化初生硅，既克服了铝液在高温 下吸气的难题，又减轻了易烧损元素的烧损。

(2)通过控制形核的办法来降低铝液温度并制备半固态浆料，使铝液通过 形核通道时被强力搅拌，可以有效抑制初生硅长大，使初生硅的尺寸足够小，同 时也可以改善α(Al)的尺寸，铝液也不会产生氧化夹杂。这种“过热处理+惰 性气体保护+快速冷却+永磁搅拌”的方法制备的高硅铝合金半固态浆料更加优 质。

(3)从高温过热铝液到半固态浆料的时间很短(即快速冷却)，生产效率高 效，而且采用定量泵可以定量输出铝液，可以直接将半固态浆料进行流变压铸。

附图说明

图1为本发明所述的能细化高硅铝合金初生硅的半固态流变压铸方法的流程框 图；

图2为本发明所述的生产装置的一个具体实施方式的结构示意图；其中，1—铝 液；2—阀门；3—氩气瓶；4—升液管；5—定量泵；6—控制形核器；7—永久 磁钢；8—冷却水；9—进水口；10—出水口；11—压铸室；

图3为本发明所述的控制形核器的剖视图；其中，61—石墨衬套；62—不锈钢 内衬；63—冷却水夹层；64—不锈钢外套；7—永久磁钢；65—永久磁钢固定圈 (A3钢)；66—轴承；67—轴承固定支撑座；68—传动带；69—电机；

图4为图3中所示控制形核器的A-A剖面图；其中，7—永久磁钢；61—石墨衬 套；62—不锈钢内衬；63—冷却水夹层；64—不锈钢外套；65—永久磁钢固定 圈(A3钢)；

图5为实施例1中制得的压铸件的金相组织图；

图6为实施例2中制得的压铸件的金相组织图。

具体实施方式

本发明的第一方面，提供了一种能细化高硅铝合金初生硅的半固态流变压铸 方法，包括以下步骤：

(1)熔化高硅铝合金原材料并补充容易烧损的元素：先试验并计算铝液过热到 液相线温度以上250～300℃时易烧损元素的烧损量，然后依据此烧损量补充容 易烧损的元素到铝液中；

(2)精炼：将铝液过热到液相线温度以上90～120℃精炼；

(3)倒入定量炉：将精炼后的铝液倒入预热后的定量炉并盖好炉盖；

(4)通入氩气：将定量炉盖顶部的阀门打开，同时打开氩气瓶的阀门，直至炉 内的空气完全排尽为止，最后关闭炉盖顶部的阀门和氩气瓶的阀门；

(5)过热：将炉内铝液过热到液相线温度以上250～300℃；

(6)保温：将炉内铝液在液相线温度以上250～300℃情况下保温0.5～1小时；

(7)控制形核：用定量泵通过升液管将过热的高温铝液输送至控制形核器，控 制形核器将高温铝液快速冷却至半固态温度区并完成半固态浆料制备；

(8)流变压铸：将得到的半固态浆料直接流变压铸；

其中，所述控制形核器包括：“Z”字形的输送管道，供铝液通过并用于快速 冷却铝液，所述输送管道沿其径向由内向外依次为石墨衬套、不锈钢内衬、冷却 水夹层、不锈钢外套；贴近所述不锈钢外套设置的永久磁钢，固定在永久磁钢固 定圈上，所述永久磁钢固定圈与轴承相连，而所述轴承被连接在轴承固定支撑座 上；电机和传动带，所述电机驱动所述传动带，以驱动永久磁钢固定圈并转动永 久磁钢，用于进行无接触搅拌；

其中，所述“Z”字形的输送管道分为三段，第一段和第三段管道竖直向下， 而第二段管道与水平面呈一倾斜角α。

在一个优选实施例中，所述步骤(7)中，通过调节所述倾斜角α、冷却水 的流量、永久磁钢的转速以控制形核和半固态浆料的温度，使得经过处理后的铝 熔体温度控制在液相线温度以下5～20℃之间。

在一个进一步优选的实施例中，在上述方法中，所述冷却水与所述铝液逆流 换热。

在一个进一步优选的实施例中，在上述方法中，所述易烧损元素为镁元素。

本发明的第二方面，提供了一种采用上述方法的生产装置，包括：熔化炉， 精炼炉，定量炉，压铸室11，及其相应的管道和/或阀门；其特征在于，所述生 产装置还包括：用于向定量炉中充氩气的氩气瓶3，供铝液排出定量炉的升液管 4和定量泵5，用于无接触搅拌和快速冷却铝液的控制形核器6；其中，所述控 制形核器包括：“Z”字形的输送管道，供铝液通过并用于快速冷却铝液，所述输 送管道沿其径向由内向外依次为石墨衬套61、不锈钢内衬62、冷却水夹层63、 不锈钢外套64；贴近所述不锈钢外套设置的永久磁钢7，固定在永久磁钢固定 圈65上，所述永久磁钢固定圈65与轴承66相连，而所述轴承66被连接在轴 承固定支撑座67上；电机69和传动带68，所述电机驱动所述传动带，以驱动 永久磁钢固定圈并转动永久磁钢，用于进行无接触搅拌；其中，所述“Z”字形 的输送管道分为三段，第一段和第三段管道竖直向下，而第二段管道与水平面呈 一倾斜角α。

在一个优选实施例中，所述不锈钢内衬和所述不锈钢外套均采用314奥氏体 不锈钢制成；所述永久磁钢的材质为钕铁硼，牌号为N42。

本发明的第三方面，提供了一种控制形核器，包括：“Z”字形的输送管道， 所述输送管道沿其径向由内向外依次为石墨衬套61、不锈钢内衬62、冷却水夹 层63、不锈钢外套64；贴近所述不锈钢外套设置的永久磁钢7，固定在永久磁 钢固定圈65上，所述永久磁钢固定圈65与轴承66相连，而所述轴承66被连 接在轴承固定支撑座67上；电机69和传动带68，所述电机驱动所述传动带， 以驱动永久磁钢固定圈并转动永久磁钢，用于进行无接触搅拌；

其中，所述“Z”字形的输送管道分为三段，第一段和第三段管道竖直向下， 而第二段管道与水平面呈一倾斜角α。

针对本发明所述的能细化高硅铝合金初生硅的半固态流变压铸方法，现通过 以下实施例对其作进一步解释和说明，但本发明并不限于以下实施例：

实施例1

实施本发明所述的能细化高硅铝合金初生硅的半固态流变压铸方法，包括以 下步骤：

(1)将A390铝合金100Kg在熔化炉中熔化，补充0.2Kg工业镁块；

(2)将铝液加热到750℃～760℃精炼；

(3)倒入定量炉：将精炼后的铝液倒入已经预热到730℃的定量炉并盖好炉盖；

(4)通入氩气：将定量炉炉盖顶部的阀门打开，同时打开氩气瓶的阀门，持续 3分钟后关闭炉盖顶部的阀门和氩气瓶的阀门；

(5)过热：将炉内铝液在30分钟左右加热到920℃；

(6)保温：将炉内铝液在920℃时保温45分钟；

(7)控制形核：用定量泵通过升液管将A390铝液输送至控制形核器，制备半 固态浆料。倾斜角α为30度，冷却水的流量为100L/min，永久磁钢的转速为 900r/min。

(8)流变压铸：将得到半固态浆料直接流变压铸。

从控制形核器流出的铝液温度为630℃，压铸件的金相组织如图5所示，初 生硅的尺寸为10～20μm。

实施例2

实施本发明所述的能细化高硅铝合金初生硅的半固态流变压铸方法，包括以 下步骤：

(1)将Al-22％Si的铝合金100Kg在熔化炉中熔化，补充0.2Kg工业镁块；

(2)将铝液加热到750℃～760℃精炼；

(3)倒入定量炉：将精炼后的铝液倒入已经预热到730℃的定量炉并盖好炉盖；

(4)通入氩气：将定量炉炉盖顶部的阀门打开，同时打开氩气瓶的阀门，持续 3分钟后关闭炉盖顶部的阀门和氩气瓶的阀门；

(5)过热：将炉内铝液在30分钟左右加热到920℃；

(6)保温：将炉内铝液在920℃时保温45分钟；

(7)控制形核：用定量泵通过升液管将A390铝液输送至控制形核器，制备半 固态浆料。倾斜角α为30度，冷却水的流量为100L/min，永久磁钢的转速为 900r/min。

(8)流变压铸：将得到半固态浆料直接流变压铸。

从冷却器流出的铝液温度为635℃，压铸件的金相组织如图6所示，初生硅 的尺寸为10～25μm。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只作为范例，本发明并不 限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对该实用进行的 等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围 下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。