CN111069566B - 一种铝/镁合金半固态浆料原位制备与成型方法及装置 - Google Patents
一种铝/镁合金半固态浆料原位制备与成型方法及装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种铝/镁合金半固态浆料原位制备与成型方法及装置，所述装置包括挤压铸造机和设置在挤压铸造机内的带有半固态浆料原位加热系统的模具，所述模具包括上模、下模、侧模和其形成的模具型腔，所述上模的中心处设置有连通模具型腔的半固态坯料原位加热腔，所述半固态坯料/浆料原位加热腔的外侧设置有原位加热系统。其成型方法包括：A、半固态坯料的装载；B、半固态浆料的制备；C、半固态浆料的挤压铸造成型；D、开模取出铸件。该方法能够有效的减少半固态浆料传递过程的热量损失，提高半固态浆料成型性和工艺稳定性，缩短半固态浆料电磁感应加热制备所需要的时间，显著降低挤压铸造机的设备成本，同时更利于实现机械化和安全生产。
Description
技术领域
本发明属于金属半固态加工技术领域，具体涉及到一种铝/镁合金半固态浆料原位加热制备及挤压铸造成型方法及装备。
背景技术
金属半固态加工技术是介于传统固态加工技术(如挤压、锻造、轧制)和液态成型(如铸造)之间的一种新型加工成型方法。由于半固态金属同时含有液态金属和固态金属，与固态加工相比，半固态加工成型阻力较小，能够成型更加复杂的形状；与液态成型相比，半固态加工时合金温度较低抗氧化能力显著提高，收缩类缺陷含量显著下降，且半固态金属粘度较大成型时不易卷入气体；半固态金属凝固时释放的结晶潜热总量较低，模具寿命显著提升。因此，金属半固态加工具有铸造缺陷少、气孔率低、模具寿命高、易于加工成型等特点，一经提出，便受到研究者的推崇。然而，金属半固态加工在实际生产中的应用仍然很少，这主要是由于半固态加工工艺窗口较小、控制难度较高。研究表明，半固态浆料(半固态)液相率为40-60％时，拥有最佳的成型性，而40-60％液相率对应的温度窗口通常较小，半固态浆料制备、加工成型过程需要精确控制，微小的工艺波动都可能引起半固态浆料液相率的显著变化，从而导致成型缺陷产生。如，在铝合金半固态压铸时，一旦半固态浆料在压铸过程中热量损失较大，即会产生冷隔、浇不足等铸造缺陷。
金属半固态成型包括流变成型和触变成型两种方式。流变成型是指将金属熔体降温至半固态温度区间，通过变质处理、剧烈搅拌、振动等方式制备半固态浆料，然后将半固态浆料直接用于成型。触变成型是先将半固态浆料凝固成锭坯，获得半固态坯料(固态)，然后按需要切割成段后二次加热获得半固态浆料，再将半固态浆料输送到成型设备上加工成型。两种方法工业生产中都有应用，各有特色。流变制浆与成型同步完成，成本较低；触变成型将制浆过程与半固态成型过程分开，成本较高，但更易于显微组织调控与生产环境控制。
触变成型是最早获得工业应用的半固态加工技术，整个加工过程包括(1)半固态坯料制备、(2)二次加热、(3)加工成型三个工序，其中半固态坯料制备(工序1)通常单独进行，完成后根据后续需要切割成特定尺寸的铸锭，然后将铸锭(半固态坯料)加热到特定的温度，保温一段时间后获得半固态浆料(工序2)，最后将半固态浆料输送到成型设备中加工成型(工序3)，即工序2二次加热和工序3加工成型先后顺序完成，半固态浆料在工序2和工序3传递过程中的热量损失决定着半固态触变成型部件的品质，热量损失越小越有利于半固态成型。
由于半固态浆料易变形，无法采用工具直接夹持，通常需要先用容器盛放半固态浆料，成型前再将半固态浆料从容器中取出放入模具中，然后加工成型。半固态浆料转移过程中存在热量损失，如容器在转移过程中的通过热辐射、空气对流损失热量，半固态浆料从容器中倒出或者顶出时存在热量损失，半固态浆料进入模具与模具接触通过热传导损失热量，半固态浆料进入模具到成型之间的等待时间越长热量损失越大；一旦半固态浆料的热量损失超过一定限额，其成型性能就会受到影响，从而导致铸造缺陷的产生，如冷隔、浇不足。这些热量损失又不能通过增加过热来弥补：增加过热会导致半固态浆料中液相率超过60％，进而会在加热过程中产生“象足”、在后续加工成型中产生固液相分离等缺陷。因此，半固态触变成型工艺中，制浆完成后如何将半固态浆料在转移过程中的热量损失控制在一个可以接受的范围内，是触变成型成败的关键。
关于半固态浆料制备的专利较多，然而关于如何有效减少半固态浆料在传递过程中的热量损失的专利很少。如北京有色研究总院发明的“半固态金属坯料全自动连续式二次加热装置”(CN201310521522.1)很好的解决了触变成型过程中如何连续、稳定供应半固态浆料的技术难题，但该专利未涉及到半固态坯料从制浆设备到成型设备之间的转移问题。金雅豪精密金属科技(东莞)有限公司发明的“铝合金半固态坯料连续加热压铸成型的装置”(CN201821950985.4)通过直线送料器、隧道加热炉、溜槽实现铝合金半固态坯料的加热与转移，但并未提及如何有效减少铝合金半固态浆料从加热炉出来之后在溜槽等待过程中以及铝合金半固态浆料进入压室后、成型前的热量损失问题，这两个过程中热量损失显然会影响铝合金半固态浆料的成型性能。因此，如何减少半固态浆料制浆后转移过程中的热量损失目前没有特别有效的解决方案。
电磁感应加热因具有加热速率快、节能环保、可以实现梯度加热等优点，已经广泛用于工业生产，如铝合金型材挤压前的铸锭加热。然而，由于电磁感应加热存在“集肤效应”，加热时铸锭表面的温度显著高于心部，即电磁感应加热铸锭时温度存在严重的不均匀性。这种加热的不均匀性显著降低了电磁感应加热速率，即为了获得均匀的温度，需要较长的铸锭加热温度，如“半固态金属坯料全自动连续式二次加热装置”(CN201310521522.1)公开的制备方法需要10分钟获得理想的半固态浆料。为了提高电磁感应加热的速率、缩短电磁感应加热的时间，需要更加高效的加热方法。
发明内容
针对现有技术的缺陷，为了有效减少半固态浆料在转移过程中的热量损失、提高半固态浆料制备过程中电磁感应加热的效率，本发明的目的是提供一种铝/镁合金半固态浆料原位加热制备和挤压铸造成型方法及装置。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明提供了一种铝/镁合金半固态浆料原位加热制备和挤压铸造成型装置，包括挤压铸造机和设置在挤压铸造机内的带有半固态浆料原位加热系统的模具，所述带有半固态浆料原位加热系统的模具包括上模、下模、侧模和其形成的模具型腔，所述上模的中心处设置有连通模具型腔的半固态坯料原位加热腔，所述半固态坯料/浆料原位加热腔的外侧设置有原位加热系统；
所述挤压铸造机包括上油缸、下油缸和侧油缸，所述上油缸连接有上油缸冲头，下油缸连接有下油缸冲头，上油缸冲头和下油缸冲头分别设置在半固态坯料/浆料原位加热腔的上方和下方；所述侧油缸与相应的侧模连接。
优选地，所述半固态坯料/浆料原位加热腔的下方设置有托板，所述托板与下油缸冲头相连且两者之间设置有硬质石棉板；所述下模上设置有托板槽，托板槽内表面形状与托板外表面形状相同。
优选地，所述托板的中心和边缘分别设置有温度传感器；所述边缘设置的温度传感器位于边缘10mm处。所述温度传感器使用前表面喷涂胶体石墨，且温度传感器位于后续成型过程中半固态浆料不流动的部位；所述温度传感器的直径为8mm、高度为8mm。
优选地，所述原位加热系统包括从内到外依次设置的陶瓷纤维内胆、电磁感应线圈和石棉层。所述陶瓷纤维内胆与电磁感应线圈的中心轴重合，陶瓷纤维内胆位于电磁感应线圈内。所述陶瓷纤维内胆为绝缘体，加热时，电磁感应线圈对陶瓷纤维内胆中的铝/镁合金半固态坯料、托板、上油缸冲头进行加热，不会对陶瓷纤维内胆进行加热，陶瓷纤维内胆在加热过程中起到保温和约束半固态浆料变形的作用。
优选地，所述陶瓷纤维内胆、石棉层通过定位环与上模进行定位连接。
优选地，所述挤压铸造机还包括平行设置支架上的上油缸底座、开合模底座、上模底座、工作平台、下油缸底座，所述上油缸底座与上油缸连接，开合模底座与上模底座之间设置有与支架平行的成型导杆，下油缸底座与下油缸连接；
所述上模的上方连接上模底座，上模底座上设置有加热控制柜，所述加热控制柜与原位加热系统中的电磁感应线圈连接，并随上模底座同向同速运动；
所述侧模设置在工作平台的两端，下模设置在工作平台上方；所述侧油缸设置在侧模的外侧，并通过成型导杆与侧模连接。
优选地，所述加热控制柜通过分段变功率控温对加热过程进行控制的方法如下：
B1、当半固态坯料外表面温度T0≤T40时：当0<T1≤T40时，采用全功率加热半固态坯料；当T40<T1≤T50时，10±2％功率加热；当T50<T1≤T55时，5±2％功率加热；当T1>T55时，停止加热；
B2、当半固态坯料外表面温度T0介于T40～T50之间时(T40<T0≤T50)：当0<T1≤T40时，20±2％功率加热；当T40<T1≤T50时，10±2％功率加热；当T50<T1≤T55时，5±2％功率加热；当T1>T55时，停止加热；
B3、当半固态坯料外表面温度T0介于T50～T55之间时(T50<T0≤T55)时：当0<T1≤T55时，5±2％功率加热；当T1>T55时，停止加热；
B4、当半固态坯料外表面温度T0>T55时，停止加热；
B5、半固态坯料中心温度T1达到T55±2℃的累积时间≥60秒即完成半固态浆料的制备工作，即得到液相率为54～60％的半固态浆料；
所述外表面温度T0由设置在边缘的温度传感器监测，中心温度T1由设置在中心处的温度传感器监测，T40为35～45％液相率(35％≤x≤45％)中某一液相率对应的温度，T50为45～54％液相率(45％<x<54％)中某一液相率对应的温度，T55为54～60％液相率(54％≤x≤60％)中某一液相率对应的温度。
本发明还提供了一种基于前述装置的铝/镁合金半固态浆料原位加热制备和挤压铸造成型方法，包括以下步骤：
A、半固态坯料的装载：带有半固态浆料原位加热线圈系统的模具合模后，将托板上行至其上表面与上模座板上表面齐平，放入预热后的铝/镁合金半固态坯料，然后托板下行运动至原位加热系统的下表面，同时上油缸冲头下行运动到原位加热系统的上表面；至此，铝/镁合金半固态坯料处于半固态坯料原位加热腔中，即原位加热系统的加热区域；
B、半固态浆料的制备：启动原位加热系统，根据合金液相率与温度变化曲线，通过温度传感器进行外表面和中心双点控温，采用分段变功率控温的加热法通过原位加热系统对铝/镁合金半固态坯料进行加热获得半固态浆料；
C、半固态浆料的挤压铸造成型：步骤B完成后，托板下行，上油缸冲头稍作延迟后以相同速率下行；托板下行至与托板槽重合后停止下行，而上油缸冲头继续下行，将半固态浆料压入模具型腔中，完成半固态浆料挤压铸造成型；
D、待铸件完全凝固后，打开模具，取出铸件。
优选地，步骤A中，所述铝/镁合金半固态坯料的预热温度为固相线以下5～15℃；所述铝/镁合金半固态坯料通过人工或者机械手放入半固态浆料原位加热制备系统中；
所述铝/镁合金选自A356.2和AZ91D的一种；
所述铝/镁合金半固态坯料采用电磁搅拌半连续铸造制备或者热挤压制备，晶粒尺寸细小。
优选地，步骤B中，所述分段变功率控温的加热法为分段变功率控温加热方法，包括：
当半固态坯料外表面温度T0≤T40且中心温度T1≤T40时，采用全功率加热半固态坯料；
当半固态坯料外表面温度T40<T0≤T50且中心温度T40<T1≤T50时，采用10±2％～20±2％功率加热半固态坯料；
当半固态坯料外表面温度T50<T0≤T55且中心温度T50<T1≤T55时，采用低于10％功率加热半固态坯料；
当中心温度T1>T55时，停止加热。
更优选地，步骤B中，所述分段变功率控温的加热法的具体控制方法如下：
B1、当半固态坯料外表面温度T0≤T40时：当0<T1≤T40时，采用全功率加热半固态坯料；当T40<T1≤T50时，10±2％功率加热；当T50<T1≤T55时，5±2％功率加热；当T1>T55时，停止加热；
B2、当半固态坯料外表面温度T0介于T40～T50之间时(T40<T0≤T50)：当0<T1≤T40时，20±2％功率加热；当T40<T1≤T50时，10±2％功率加热；当T50<T1≤T55时，5±2％功率加热；当T1>T55时，停止加热；
B3、当半固态坯料外表面温度T0介于T50～T55之间时(T50<T0≤T55)时：当0<T1≤T55时，5±2％功率加热；当T1>T55时，停止加热；
B4、当半固态坯料外表面温度T0>T55时，停止加热；
B5、半固态坯料中心温度T1达到T55±2℃的累积时间≥60秒即完成半固态浆料的制备工作，即得到液相率为54～60％的半固态浆料；
所述外表面温度T0由设置在边缘的温度传感器监测，中心温度T1由设置在中心处的温度传感器监测，T40为35～45％液相率(35％≤x≤45％)中某一液相率对应的温度，T50为45～54％液相率(45％<x<54％)中某一液相率对应的温度，T55为54～60％液相率(54％≤x≤60％)中某一液相率对应的温度；
所述全功率的功率范围为60～100KW。所述采用的全功率大小与铸锭直径大小有关：铸锭直径150～200mm时，采用功率80～100KW；铸锭直径100～150mm时，采用功率60～80KW。
优选地，步骤C中，所述半固态浆料压入型腔中的下油缸冲头压力为10～30MPa。进一步增大冲头压力将加大半固态合金成型时固液分离类缺陷形成的可能性。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明技术方案半固态浆料传递过程热量损失小。本发明中，由于半固态浆料传递时间短，且与半固态浆料接触的模具与半固态浆料温差较小，能够有效的减少半固态浆料传递过程中的热量损失。以托板下行速率0.2m/s计算，从半固态浆料制备完成到开始半固态挤压铸造，整个时间间隔<2秒；在半固态浆料制备过程中，除半固态坯料外，上油缸冲头、托板、上模底部也同时被电磁场加热，所以，在半固态浆料转移过程中，与半固态浆料接触的托板、上模底部都具有较高的温度，半固态浆料在传递过程中(托板下行的过程中)的热量损失非常小，有效的解决了半固态浆料制浆后转移过程中热量损失较大的行业性技术难题。
(2)本发明技术方案制备的半固态浆料的成型能力与工艺稳定性优于传统方法。由于半固态浆料在传递过程中的热量损失得到了有效控制，与常规半固态成形过程相比，本发明成型方法中半固态浆料挤压铸造时，由冲头、压室传热所导致的半固态浆料热量损失显著减小，半固态浆料挤压铸造前的温度下降很小，因此半固态浆料填充模具型腔的能力与充型后补缩能力都得到了有效的提高，且整个成型方法可重复性高。
(3)本发明技术方案采用外表面和中心双点控温的分段变功率加热法原位制备半固态浆料，所需要的时间在现有技术基础上进一步缩短。“半固态金属坯料全自动连续式二次加热装置”(CN201310521522.1)公开的方法需要10分钟加热时间获得半固态浆料；采用本发明技术方案，直径为200mm-高度为150mm的A365.2铸锭6分钟即可获得液相率为55％的半固态浆料，半固态制浆时间缩短40％以上。
(4)本发明技术方案可有效降低挤压铸造设备的制造成本。由于半固态浆料在传递过程中的热量损失得到了有效控制，半固态浆料挤压铸造时，液相率较高且温度均匀，成型时流动阻力较小，可以采用较小压力完成挤压铸造，因此，挤压铸造设备可以选用较小吨位的成型上油缸和铸造机框架，显著降低了挤压铸造机的制造成本。
(5)本发明技术方案便于实现机械化，便于减少人工操作带来的工艺误差，能够显著降低铸件制造过程中人工体力消耗，更有利于实现安全生产。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明采用的铝/镁合金半固态浆料原位加热制备与挤压铸造成型装置原理示意图；
图2为铝/镁合金半固态浆料原位加热制备和挤压铸造成型原理示意图：其中图2(a)半固态坯料装载与原位加热；图2(b)半固态浆料制备后托板下行复位，半固态浆料运送至模具型腔中；图2(c)半固态浆料挤压铸造成型；
图3为下油缸托板处示意图；
其中，1-上油缸底座；2-开合模底座；3-电磁加热控制柜；4-侧油缸；5-下油缸底座；6-下油缸；7-下油缸冲头；8-半固态坯料/半固态浆料；9-上油缸冲头；10-上油缸；11-成型导杆；12-上模底座；13-工作平台；14-托板；15-热电偶；16-硬质石棉板；17-连接加热控制柜；18-上模；19-石棉层；20-电磁感应线圈；21-陶瓷纤维内胆；22-侧模；23-模具型腔；24-下模；25-托板槽。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
本例为采用铝/镁合金半固态浆料原位加热制备和挤压铸造成型方法制备A356.2铝合金汽车轮毂。采用的装置示意图如图1和图3所示，过程原理示意图如图2所示。
所述铝/镁合金半固态浆料原位加热与挤压铸造成型装置，包括挤压铸造机和设置在挤压铸造机内的带有半固态浆料原位加热系统的模具，所述带有半固态浆料原位加热系统的模具包括上模18、下模24、侧模22和其形成的模具型腔23，所述上模18的中心处设置有连通模具型腔的半固态坯料原位加热腔，所述半固态坯料/浆料原位加热腔的外侧设置有原位加热系统；
所述挤压铸造机包括上油缸10、下油缸6和侧油缸4，所述上油缸10连接有上油缸冲头9，下油缸6连接有下油缸冲头7，上油缸冲头9和下油缸冲头7分别设置在半固态坯料/浆料原位加热腔的上方和下方；所述侧油缸4与相应的侧模22连接。
所述半固态坯料/浆料原位加热腔的下方设置有托板14，所述托板14与下油缸冲头7相连且两者之间设置有硬质石棉板16；所述下模24上设置有托板槽25，托板槽25内表面形状与托板14外表面形状相同。
所述托板14的中心和边缘分别设置有温度传感器；所述边缘设置的温度传感器位于边缘10mm处。所述温度传感器使用前表面喷涂胶体石墨，且温度传感器位于后续成型过程中半固态浆料不流动的部位；所述温度传感器的直径为8mm、高度为8mm。
所述原位加热系统包括从内到外依次设置的陶瓷纤维内胆21、电磁感应线圈20和石棉层19。
所述陶瓷纤维内胆21、石棉层19通过定位环与上模18进行定位连接。
所述挤压铸造机还包括平行设置支架上的上油缸底座1、开合模底座2、上模底座12、工作平台13、下油缸底座5，所述上油缸底座1与上油缸10连接，开合模底座2与上模底座12之间设置有与支架平行的成型导杆11，下油缸底座5与下油缸6连接；
所述上模18的上方连接上模底座12，上模底座12上设置有加热控制柜17，所述加热控制柜17与原位加热系统中的电磁感应线圈20连接，并随上模底座12同向同速运动；
所述侧模22设置在工作平台13的两端，下模24设置在工作平台13上方；所述侧油缸4设置在侧模22的外侧，并通过成型导杆11与侧模22连接。
所述半固态坯料8为直径200mm高150mm的A356.2铝合金锭，其采用电磁搅拌半连续铸造制备，坯料底面距离外表面10mm处和中心处预留圆孔，用于对接温度传感器。所述温度传感器为热电偶15。
采用上述装置制备A356.2铝合金汽车轮毂的具体步骤如下：
步骤1：半固态坯料的装载：16寸铝合金汽车轮毂模具在350吨挤压铸造机上油缸10和侧油缸4的作用下完成模具合模，轮毂模具由上下、左右模具组成，模具初始温度为250～300℃。模具合模后，托板14上行至其上表面与上模底座12上表面齐平，通过机械手放入事先预热的铝合金半固态坯料8(固态)，坯料质量为轮毂毛坯总质量的105±2％，坯料预热温度为550°±5℃，然后托板14下行至电磁感应线圈20下表面，同时上油缸冲头9运动到电磁感应线圈20上表面，至此，半固态坯料8(固态)处于电磁感应线圈20加热区域。
步骤2：半固态浆料的制备：使用80KW中频感应加热(1～10KHZ)电源，对预热后的铝/镁合金半固态坯料(固态)进行加热；半固态坯料底面距离外表面10mm处和中心处预留
的圆孔，用于对接托板14上的热电偶15
其中外表面的热电偶为主控温热电偶T0，中心处的热电偶为次控温热电偶T1；A356.2铝合金40％液相率温度T40为573℃，50％液相率温度T50为576℃，55％液相率温度T55为582℃。
具体加热方法如下：
(1)当半固态坯料8外表面温度T0≤573℃时：当0<T1≤573℃时，采用全功率加热半固态坯料；当573℃<T1≤576℃时，10％功率加热；当576℃<T1≤582℃时，5％功率加热；当T1>582℃时，停止加热；
(2)当半固态坯料8外表面温度T0介于573℃～576℃之间时(573℃<T0≤576℃)：当0<T1≤573℃时，20％功率加热；当573℃<T1≤576℃时，10％功率加热；当576℃<T1≤582℃时，5％功率加热；当T1>582℃时，停止加热；
(3)当半固态坯料8外表面温度T0介于576℃～582℃之间时(576℃<T0≤582℃)时：当0<T1≤582℃时，5％功率加热；当T1>582℃时，停止加热；
(4)当半固态坯料外表面温度T0>582℃时，停止加热；
(5)半固态坯料中心温度T1达到582±2℃的累积时间≥60秒即完成半固态浆料的制备工作，即得到液相率为55％的半固态浆料。
步骤3：半固态浆料8的挤压铸造成型：待A356.2半固态浆料8(半固态)完成制备后，托板14以0.4m/s的速率下行，延迟0.1秒后上油缸冲头9以同样的速率下行，待托板14下行至与托板槽25重合后停止下行，而上油缸冲头9继续下行，将半固态浆料8压入模具型腔23中，完成A356.2轮毂的半固态挤压铸造成型。从半固态浆料制备完成到开始半固态挤压铸造，整个时间周期<2秒。
步骤4：待铸件完全凝固后，上油缸冲头回位，打开模具，托板上行，顶出铸件。
A356.2铝合金半固态坯料(固态)采用电磁搅拌半连续铸造制备，晶粒尺寸仅为100～150μm。制备得到的A356.2铝合金轮毂轮辐中心处的晶粒尺寸仅为150～250μm，与常规低压铸造A356.2铝合金轮毂(轮辐中心处晶粒尺寸为700～1000μm)相比，晶粒尺寸显著细化，轮毂轮辐处的强塑性均得到显著提升。
实施例2
本例为采用铝/镁合金半固态浆料原位加热制备和挤压铸造成型方法制备AZ91D镁合金汽车轮毂。
采用的设备与实施例1相同。AZ91D半固态坯料直径200mm高150mm，采用电磁搅拌半连续铸造制备。
具体制备步骤如下：
步骤1：半固态坯料的装载：16寸镁合金汽车轮毂模具在350吨挤压铸造机油缸的作用下完成模具合模，轮毂模具由上下、左右部分模具组成，模具初始温度为300～350℃。模具合模后，托板上行至其上表面与上模座板上表面齐平，通过机械手放入事先预热的镁合金半固态坯料(固态)，坯料质量为轮毂毛坯总质量的105±2％，坯料预热温度为430±5℃，然后托板下行至电磁感应线圈下表面，同时上油缸冲头运动到电磁感应线圈上表面，至此，半固态坯料(固态)处于电磁感应线圈加热区域。
步骤2：半固态浆料的制备：使用80KW中频感应加热(1～10KHZ)电源，将预热后的铝/镁合金半固态坯料(固态)进行加热；半固态坯料底面距离外表面10mm处和中心处预留
的圆孔，用于对接托板上的热电偶
其中外表面热电偶为主控温热电偶T0，中心处热电偶为次控温热电偶T1；AZ91D镁合金40％液相率温度T40为556℃，50％液相率温度T50为568℃，55％液相率温度T55为573℃。
具体加热方法如下：
(1)当半固态坯料外表面温度T0≤556℃时：当0<T1≤556℃时，采用全功率加热半固态坯料；当556℃<T1≤568℃时，10％功率加热；当568℃<T1≤573℃时，5％功率加热；当T1>573℃时，停止加热；
(2)当半固态坯料外表面温度T0介于556℃～568℃之间时(556℃<T0≤568℃)：当0<T1≤556℃时，20％功率加热；当556℃<T1≤568℃时，10％功率加热；当568℃<T1≤573℃时，5％功率加热；当T1>573℃时，停止加热；
(3)当半固态坯料外表面温度T0介于568℃～573℃之间时(568℃<T0≤573℃)时：当0<T1≤573℃时，5％功率加热；当T1>573℃时，停止加热；
(4)当半固态坯料外表面温度T0>573℃时，停止加热；
(5)半固态坯料中心温度T1达到573±2℃的累积时间≥60秒即完成半固态浆料的制备工作，即得到液相率为55％的半固态浆料。
步骤3：半固态浆料的挤压铸造成型：待AZ91D半固态浆料(半固态)完成制备后，托板以0.4m/s的速率下行复位，延迟0.1秒后上油缸冲头以同样的速率下行，待下行至与托板槽重合后停止下行，而上油缸冲头继续下行，将半固态浆料压入模具型腔中，完成AZ91D轮毂的半固态挤压铸造成型。从半固态浆料制备完成到开始半固态挤压铸造，整个时间周期<2秒。
步骤4：待铸件完全凝固后，上油缸冲头回位，打开模具，托板上行，顶出铸件。
AZ91D镁合金半固态坯料(固态)采用电磁搅拌半连续铸造制备，晶粒尺寸仅为50～100μm。制备AZ91D镁合金轮毂轮辐中心处的晶粒尺寸为100～200μm，与常规低压铸造AZ91D镁合金轮毂(轮辐中心处处晶粒尺寸为400～600μm)相比，晶粒尺寸显著细化，轮毂轮辐处的强塑性均得到显著提升。
实施例3
采用实施例1所示的设备和方法对直径为200mm-高度为150mm的A365.2铸锭进行半固态浆料的原位加热制备半固态浆料，6分钟即可获得液相率为55％的半固态浆料。而现有装置(CN201310521522.1中公开的半固态金属坯料全自动连续式二次加热装置)公开的半固态浆料
制备时间为10分钟，可见采用本发明设备的半固态浆料制浆时间缩短了40％以上。
实施例4
采用实施例1所示的设备和方法对直径为200mm-高度为150mm的A365.2铸锭进行半固态浆料的原位加热制备半固态浆料与轮毂挤压铸造成型，不同之处仅在于：本实施例中，采用A356.2铝合金35％液相率温度T40为573℃，46％液相率温度T50为575℃，54％液相率温度T55为581℃。
本实施例制备的A356.2铝合金轮毂轮辐中心处的晶粒尺寸为150～250μm，与常规低压铸造相比，A356.2铝合金轮毂轮辐处晶粒尺寸显著细化，轮辐处的强塑性均得到显著提升。
实施例5
采用实施例1所示的设备和方法对直径为200mm-高度为150mm的A356.2铸锭进行半固态浆料的原位加热制备半固态浆料与轮毂挤压铸造成型，不同之处仅在于：本实施例中，采用A356.2铝合金45％液相率温度T40为573℃，53％液相率温度T50为579℃，60％液相率温度T55为586℃。
本实施例制备的A356.2铝合金轮毂轮辐中心处的晶粒尺寸为150～250μm，与常规低压铸造相比，A356.2铝合金轮毂轮辐处晶粒尺寸显著细化，轮辐处的强塑性均得到显著提升。
对比例1
本对比例与实施例1的采用的装置及制备方法基本相同，不同之处仅在于减少控制温度数量，控制温度仅保留液相率50％对应温度T50和液相率55％对应温度T55，所述具体加热方法如下：
(1)当半固态坯料外表面温度T0≤576℃(T50)时：当0<T1≤576℃时，采用全功率加热半固态坯料；当576℃<T1≤582℃(T55)时，10％功率加热；当T1>582℃时，停止加热；
(2)当半固态坯料外表面温度T0介于576℃～582℃之间(576℃<T0≤582℃)时：当0<T1≤582℃时，5％功率加热；当T1>582℃时，停止加热；
(2)当半固态坯料外表面温度T0>582℃时，停止加热；
(4)半固态坯料中心温度T1达到582±2℃的累积时间≥60秒即完成半固态浆料的制备工作，即得到液相率为55％的半固态浆料。
采用减少控制温度数量的做法时，第一个控温点设置过高，如本实施例中的576℃(液相率50％)，由于热电偶测温存在时间上的滞后，而电磁感应加热是一种非常高效的加热方法，当热电偶感检测到的温度为576℃时，铸锭表面的实际温度已经达到586～591℃，此时铸锭表面已经进入可以在重力下流动的高液相率阶段(液相率60～63％)：液相率过高会导致挤压时固液分离现象的发生，形成宏观偏析，宏观偏析会导致轮毂性能的急剧下降，导致产品报废。
对比例2
本对比例与实施例1的采用的装置及制备方法基本相同，不同之处仅在于减少控制温度数量，控制温度仅保留液相率40％对应温度T40和液相率55％对应温度T55，所述具体加热方法如下：
(1)当半固态坯料外表面温度T0≤573℃(T40)时：当0<T1≤573℃时，采用全功率加热半固态坯料；当573℃<T1≤582℃(T55)时，10％功率加热；当T1>582℃时，停止加热；
(2)当半固态坯料外表面温度T0介于573℃～582℃之间(573℃<T0≤582℃)时：当0<T1≤582℃时，5％功率加热；当T1>582℃时，停止加热；
(2)当半固态坯料外表面温度T0>582℃时，停止加热；
(4)半固态坯料中心温度T1达到582±2℃的累积时间≥60秒即完成半固态浆料的制备工作，即得到液相率为55％的半固态浆料。
采用减少控制温度数量的做法时，第一个控温点设置在液相率35％～45％，第二个控温点设置在目标值(本实施例中的液相率55％)时，虽然进入高液相率(>60％)的风险显著降低，但达到目标液相率所需要的时间显著增加。如本对比例中，半固态浆料加热所需时间由本专利申请中的分段变功率控温法的5～6min提升到9～10min，加热效率显著下降，加热时间上与现有方法(“半固态金属坯料全自动连续式二次加热装置”(CN201310521522.1))相当，不具有显著的进步性。
综上所述，与现有技术相比，本发明所提供的铝/镁合金半固态浆料原位加热制备和挤压铸造成型方法能够有效的减少半固态浆料传递过程的热量损失、提高半固态浆料成型性和工艺稳定性，缩短半固态浆料电磁感应加热制备所需要的时间，可以采用更小吨位的挤压铸造机从而显著降低设备成本，同时，本发明技术方案更利于实现机械化和安全生产。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，以上实施例仅用于说明本发明，而并不用于限制本发明的保护范围。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的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种铝/镁合金半固态浆料原位加热制备和挤压铸造成型装置，其特征在于，包括挤压铸造机和设置在挤压铸造机内的带有半固态浆料原位加热系统的模具，所述带有半固态浆料原位加热系统的模具包括上模、下模、侧模和其形成的模具型腔，所述上模的中心处设置有连通模具型腔的半固态坯料原位加热腔，所述半固态坯料/浆料原位加热腔的外侧设置有原位加热系统；
所述挤压铸造机包括上油缸、下油缸和侧油缸，所述上油缸连接有上油缸冲头，下油缸连接有下油缸冲头，上油缸冲头和下油缸冲头分别设置在半固态坯料/浆料原位加热腔的上方和下方；所述侧油缸与相应的侧模连接；
所述半固态坯料/浆料原位加热腔的下方设置有托板，所述托板与下油缸冲头相连且两者之间设置有硬质石棉板；所述下模上设置有托板槽，托板槽内表面形状与托板外表面形状相同。
2.根据权利要求1所述的铝/镁合金半固态浆料原位加热制备和挤压铸造成型装置，其特征在于，所述托板的中心和边缘分别设置有温度传感器；所述边缘设置的温度传感器位于边缘10mm处。
3.根据权利要求1所述的铝/镁合金半固态浆料原位加热制备和挤压铸造成型装置，其特征在于，所述原位加热系统包括从内到外依次设置的陶瓷纤维内胆、电磁感应线圈和石棉层。
4.根据权利要求3所述的铝/镁合金半固态浆料原位加热制备和挤压铸造成型装置，其特征在于，所述陶瓷纤维内胆、石棉层通过定位环与上模进行定位连接。
5.根据权利要求1所述的铝/镁合金半固态浆料原位加热制备和挤压铸造成型装置，其特征在于，所述挤压铸造机还包括平行设置支架上的上油缸底座、开合模底座、上模底座、工作平台、下油缸底座，所述上油缸底座与上油缸连接，开合模底座与上模底座之间设置有与支架平行的成型导杆，下油缸底座与下油缸连接；
所述上模的上方连接上模底座，上模底座上设置有加热控制柜，所述加热控制柜与原位加热系统中的电磁感应线圈连接，并随上模底座同向同速运动；
所述侧模设置在工作平台的两端，下模设置在工作平台上方；所述侧油缸设置在侧模的外侧，并通过成型导杆与侧模连接。
6.一种基于权利要求1所述装置的铝/镁合金半固态浆料原位加热制备和挤压铸造成型方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、半固态坯料的装载：带有半固态浆料原位加热线圈系统的模具合模后，将托板上行至其上表面与上模座板上表面齐平，放入预热后的铝/镁合金半固态坯料，然后托板下行运动至原位加热系统的下表面，同时上油缸冲头下行运动到原位加热系统的上表面；至此，铝/镁合金半固态坯料处于半固态坯料原位加热腔中，即原位加热系统的加热区域；
B、半固态浆料的制备：启动原位加热系统，根据合金液相率与温度变化曲线，通过温度传感器进行外表面和中心双点控温，采用分段变功率控温的加热法通过原位加热系统对铝/镁合金半固态坯料进行加热获得半固态浆料；
C、半固态浆料的挤压铸造成型：步骤B完成后，托板下行，上油缸冲头稍作延迟后以相同速率下行；托板下行至与托板槽重合后停止下行，而上油缸冲头继续下行，将半固态浆料压入模具型腔中，完成半固态浆料挤压铸造成型；
D、待铸件完全凝固后，打开模具，取出铸件。
7.根据权利要求6所述的铝/镁合金半固态浆料原位加热制备和挤压铸造成型方法，其特征在于，步骤A中，所述铝/镁合金半固态坯料的预热温度为固相线以下5～15℃；所述铝/镁合金半固态坯料通过人工或者机械手放入半固态浆料原位加热制备系统中；
所述铝/镁合金选自A356.2和AZ91D的一种；
所述铝/镁合金半固态坯料采用电磁搅拌半连续铸造制备或者热挤压制备，晶粒尺寸细小。
8.根据权利要求6所述的铝/镁合金半固态浆料原位加热制备和挤压铸造成型方法，其特征在于，步骤B中，所述分段变功率控温的加热法的具体控制方法如下：
B1、当半固态坯料外表面温度T0≤T40时：当0<T1≤T40时，采用全功率加热半固态坯料；当T40<T1≤T50时，10±2％功率加热；当T50<T1≤T55时，5±2％功率加热；当T1>T55时，停止加热；
B2、当半固态坯料外表面温度T0满足T40<T0≤T50时：当0<T1≤T40时，20±2％功率加热；当T40<T1≤T50时，10±2％功率加热；当T50<T1≤T55时，5±2％功率加热；当T1>T55时，停止加热；
B3、当半固态坯料外表面温度T0满足T50<T0≤T55时：当0<T1≤T55时，5±2％功率加热；当T1>T55时，停止加热；
B4、当半固态坯料外表面温度T0>T55时，停止加热；
B5、半固态坯料中心温度T1达到T55±2℃的累积时间≥60秒即完成半固态浆料的制备工作，即得到液相率为54～60％的半固态浆料；
所述外表面温度T0由设置在边缘的温度传感器监测，中心温度T1由设置在中心处的温度传感器监测，T40为35～45％液相率中某一液相率对应的温度，T50为45～54％液相率中某一液相率对应的温度，T55为54～60％液相率中某一液相率对应的温度；
所述全功率的功率范围为60～100KW。
9.根据权利要求6所述的铝/镁合金半固态浆料原位加热制备和挤压铸造成型方法，其特征在于，步骤C中，所述半固态浆料压入型腔中的上油缸冲头压力为10～30MPa。
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