[发明专利]制备金属部件的装置

说明书

本分案申请是基于申请号为200480008420.9(其国际申请号为PCT/US2004/006224)、申请日为2004年3月1日、发明名称为“制备金属合金的方法和装置”的中国专利申请的分案申请。

根据美国法典第35篇第119(e)条，本申请要求James A Yurko等于2003年3月4日申请的、名称为“PROCESS AND APPARATUSFOR PREPARING A METAL ALLOY”(制备金属合金的方法和装置)、申请号为60/451,748的优先权，本申请引用这一优先权文本的全部公开内容作为参考，根据美国法典第35篇第119(e)条，本申请还要求James A Yurko等于2003年6月6日、名称为“PROCESSAND APPARATUS FOR PREPARING A METAL ALLOY”(制备金属合金的方法和装置)、申请号为60/476,438的优先权，本申请引用这一优先权文本的全部公开内容作为参考。

技术领域

本发明涉及工业用金属成形领域，尤其是涉及一种由非树枝状、半固态金属浆形成金属部件的装置和方法。

背景技术

众所周知，多数金属合金成分呈树枝状固结。在合金成分冷却到液相温度之下时，其由晶核开始逐渐形成枝状或树状颗粒。同样众所周知，分割枝状颗粒或在固结期间阻止枝状生长以形成大体为球形或椭球形的非枝状的或退化的枝状颗粒具有某种优点。特别是，人们已经发现各种方法和物理性质优点可通过浇铸或者其它方法由非枝状、半固态的金属浆形成金属部件而获得。与含有枝状颗粒的半固态金属合金成分相比，半固态金属浆中的非枝状金属颗粒大大地降低了特定固体部分的粘度。粘度上的差别通常为几个数量级。

非枝状半固态金属成形的优点包括：较高速度的部件成形、高速的连续浇铸、较低的模具腐蚀、较少的能量损耗、改进的填模、减少的氧化物(其改善了最终金属部件的可加工性)、较少的滞留气体(从而降低其孔隙度)。由半固态浆浇铸或以其它方法形成金属部件的其它优点包括在形成金属部件期间具有较小的收缩、在成形金属部件中具有较少的孔隙和较小的孔隙度、较低和宏观偏析和较均匀的机械性质(如强度)。在浇铸或其它成形工艺中使用非枝状半固态合金成分形成较复杂的部件也是可能的。例如可形成具有较薄的外壁并提高了强度特性的部件。

通过在液态金属合金成分冷却到合金成分的液相温度以下的期间使用机械混合，已经制备了用于工业浇铸和其它金属成形工艺的非枝状半固态浆。现已使用的其它技术包括在冷却期间进行电磁搅拌(通常用于连续浇铸工艺)、在液态金属成分经过曲折的通道时冷却液态金属成分、在半固态温度区域进行长时热处理等。这些工艺是众所周知的并已经被很好地应用于各种工业上重要应用中。

最近，通过将过热的熔融合金倾注到相对较凉的容器(如熔炉或者模铸机的冷却室)中，产生了非枝状半固态浆。这些工艺依赖于在倾注过程中当合金接触容器壁时将合金成分从液相温度以上冷却到液相温度以下。这种工艺在形成非枝状半固态金属浆时是有效的；然而其具有工艺限制。首先，该工艺依赖于容器壁的排热。由于容器壁温度的改变和不连续的圆筒表面积使得利用这一技术来控制热量的去除变得困难。其次，通过倾注会发生对流；因此，如果在太高的温度下注入合金，对流力就会在合金通过液相而进行冷却之前消散，阻止了非枝状浆的形成。

工业品包括各种用于汽车应用的铝镁合金部件，如主制动气缸，以及用于转向和悬架系统的各种部件。其它实际或潜在的应用包括摇臂、发动机活塞、车轮、传动部件、燃料系统部件以及空调部件。

使用机械搅拌形成非枝状半固态金属浆的已知工艺存在一个问题，即搅拌器的表面会被金属浆中液态金属弄湿。因此，当将搅拌器从金属浆中移出时，一些金属浆中的液态金属会粘在搅拌器的表面。一些湿润或粘在搅拌器和/或容器表面的液态金属快速凝固并形成金属涂层，该涂层必须在搅拌器和/或容器再次用于制备更多的非枝状半固态金属液浆之前被去除。从搅拌器表面去除金属沉积物常常是困难的、耗时且成本较高，并且会导致较低的成品率。具有较低润湿性的材料通常不适用于处理液态金属合金成分(如因为它们在高温时缺少足够的与非枝状半固态金属浆的生产相关的机械性质)和/或不具有足够高的适于快速从非枝状半固态金属浆中快速除热的热传导率。通过在金属搅拌器的表面应用低润湿性的涂层可获得较低的润湿性。氮化硼涂层已经被用在搅拌器和/或容器表面以成功地降低润湿性而不降低其热传导率。然而，氮化硼涂层缺少结构强度并需要周期性地更换。