CN100360261C - 成型低熔点金属合金的方法 - Google Patents

成型低熔点金属合金的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种成型在固-液共存温区内表现出触变性质的低熔点金属合金的方法。在所述方法中，使加热贮料筒的温度在成型操作开始时升高至液相线温度或更高。然后使在所述加热贮料筒中以固态残留的先前成型材料完全熔化。此后，降低加热贮料筒的温度至固-液共存温区。同时供应成型材料并进行临时成型。在温度达到固-液共存温区后，开始正式成型。通过本发明，解决了在注射成型开始时遇到的加热贮料筒中残留材料的问题。

Description

成型低熔点金属合金的方法
                        技术领域
本发明涉及使用在固-液共存温区表现出触变性质的金属原材料成型低熔点金属合金，例如镁合金、铝合金等的方法。
                        背景技术
成型镁合金的方法包括下列步骤：在液相线温度或者更高温度下将金属原材料熔化成液态合金；使所得的液态合金向下流到倾斜的冷却板上，快速冷却合金至半熔化的金属状态；在储罐中将半熔化的金属合金保持在固-液共存温区，形成具有触变性质的金属浆料(半固态)；浇铸所述金属浆料形成潜在具有触变性质的金属原材料；使用注入装置加热这种半熔化金属状态的金属原材料；并将加热的金属原材料注入铸模中，从而将材料成型成物品，同时积累加热的金属原材料。
此外，作为镁合金等的成型装置，公知以下装置：其包括具有端部开口喷嘴的圆筒外围加热装置，并且向装熔融金属的圆筒((heatingholding cylinder)加热贮料筒)中施用处于触变状态的金属材料，在其端部形成与所述喷嘴开口连接的计量室，当其中积累金属材料时其直径降低，然后在通过内部注射柱塞前后运动计量金属材料后，将金属材料注入铸模中。
上述的相关技术在日本特许公开(Laid-Open)专利申请第2001-252759号和第2003-200249号中公开。
在固-液共存温区表现出触变性质的半固态材料由于液相和细球形固相的共存而具有低粘度的流动性。因为在材料注入前必须保持触变性，所以这种半固态材料被加热至固-液共存温区。因为即便在固-液共存温区中的温度下，随着时间的推移固相生长，所以固相比例随着时间推移而增加并且固相的密度增加，从而导致流动性降低。因此，优选在允许的时间内完成积累的半固态材料的注入。
当完成所述半固态材料的成型操作而在成型结束后不排出所述材料时，固相继续生长，直至半固态材料达到固相线温度，因而半固态材料变成固体。即便固体再次被加热至固-液共存温区而成为半熔化的金属状态，因为曾经生长的固相不会变小，所以固体不会返回至原来的具有触变性的半固态材料，而是成为具有高粘度和极低流动性的半固态材料。因此，处于这种状态半固态材料的注入是不可能的。
为了解决这种问题，应该通过在成型结束时重复注入操作而排出残留的半固态材料。但是，即便在半固态状态重复残留半固态材料的注入，仍经常会有一部分材料粘附到加热贮料筒内壁表面、注射柱塞等上。所述粘附材料在固-液共存温区中下不会熔化。因此，当供应新材料而不除去粘附的材料，并且开始材料的成型操作时，会引起粘附的材料磨损注射柱塞、堵塞等情况。因此，载热的圆筒必须被加热至液相线温度或者更高温度，在开始成型前熔化并排出粘附的材料。
                        发明内容
本发明的目的是提供一种成型低熔点金属合金的新方法，其中即便在上述成型操作结束时残留的半固态材料仍以固态保留在加热贮料筒中，也可以通过使用简单的方法临时成型处于完全熔融金属状态的固体，来开始在固-液共存温区中表现出触变性质的金属材料的成型。
通过成型低熔点金属合金的方法可以实现本发明的目的，其包含下列步骤：使用在固-液共存温区表现出触变性质的金属原材料作为成型材料；加热所述成型材料至固-液共存温区，形成处于固相和液相共存状态的半固态材料；向加热贮料筒中供应所需量的所述半固态材料，并积累；以及通过从所述圆筒中一次注射而将所述半固态材料注入铸模中，其中加热贮料筒的温度在成型操作开始时升高至液相线温度或更高，完全熔化所述加热贮料筒中以固态残留的先前成型材料；供应所述成型材料并临时成型，同时降低加热贮料筒的温度至固-液共存温区；然后在温度达到固-液共存温区后，开始正式成型。可以在搅拌的同时实施残留材料的熔化。
根据本发明，因为加热贮料筒中以固体形式残留的先前成型材料在刚刚具有可以从加热贮料筒中除去的粘度的完全熔融金属状态时就被临时成型，所以材料不会粘附到加热贮料筒的内壁表面、注射柱塞等上，并且对于注射柱塞前后运动的流动阻力是极小的。结果，可以在较低的温度下除去所有成型材料。
此外，在本发明中在温度上升开始后供应成型材料并且在供应期间进行上述的临时成型。因此，当加热贮料筒的温度达到固-液共存温区时，熔融的残留材料被成型材料所替代，并且在温度达到固-液共存温区后立即开始正式成型。因此，可以进一步缩短成型的起动时间，并且与熔化且排出残留材料，然后设定成型温度并供应材料的情况相比，还降低了材料的损失。
                        附图说明
图1是可以采取根据本发明成型方法的金属成型机实施方案的垂直剖视图；及
图2是表示根据本发明成型方法的成型起动操作步骤的示意图。
                        具体实施方式
图1中的附图标记1表示金属成型机。金属成型机1包括在筒体21的末端带有喷嘴部件22的加热贮料筒2、用于短柱状成型材料M的熔化供应装置3，以及加热贮料筒2尾部上的注射驱动器4。
成型材料M包括通过快速冷却处于固-液共存温区的熔融金属和冷却包含细球形固相的半熔融合金而获得的柱状的固体铸件(也称作圆棒)，并且包括半固态形式的低熔点金属合金的金属原材料，其在固-液共存温区表现出触变性质。
加热贮料筒2包括装在筒体21中上侧的供应口中的熔化供应装置3，以及筒体外围上的带式加热器的加热装置24。将加热装置24的温度设在用作成型材料M的低熔点金属合金(例如镁合金和铝合金)的液相线温度和固相线温度之间的固-液共存温区内。
加热贮料筒2在筒体的尾部连接在承载部件23上，并且和注射驱动器4一起与水平面成45度角倾斜。在与位于倾斜放置的加热贮料筒2下面的喷嘴部件22的喷嘴开口相连通的端部内部形成计量室25。向计量室25中以可突伸和缩回的插入方式安装注射装置26的注射柱塞26a，其通过注射驱动器4进行伸缩运动。所述可突伸和缩回的注射柱塞26a在包埋有密封圈的外围上、在轴部分的周围上包括止回阀26c，并且止回阀26c和轴部分之间的空隙形成半固态材料M1的流道(未显示)。通过止回阀26c的尾端表面与注射柱塞尾部上密封圈之间的接触和分离来实施流道的打开与关闭。
注射装置26的杆26b可突伸和缩回地插入筒体中提供的搅拌装置28的中空旋转轴28b中，同时穿入筒体21上部的封闭件27中。此外，在旋转轴28b端部的周围安装多个搅拌叶片28a。
熔化供应装置通过封闭长管体一端的内径而形成底部，并且包括：熔化圆筒31，在其底部上装有熔融金属流通的小直径供应流道；安装在熔化圆筒31外围上带有多个分区的加热装置32，例如带式加热器、感应加热器等；以及与熔化圆筒31上部垂直连接的供应圆筒33。在加热装置32中，将用作成型材料M1的低熔点金属合金的温度设在液相线温度或更低温度下。
注意在成型材料是颗粒，例如碎片等的情况中，在供应管道43的上端安装料斗。
此外，通过将熔化圆筒31的底端插入筒体21上的材料供应开口中，并且将供应圆筒33连接到固定在承载部件23上的臂部件29上，使熔化供应装置3垂直安装在加热贮料筒2上，并且在加热贮料筒2的熔融金属的下部至内部，以及熔化圆筒31的上部空间分别安装惰性气体(例如氩气)填充管34a和34b。
在熔化供应装置3中，当用于多次注射的成型材料M从供应管道31的上部开口滴到熔化管道31的底表面上时，成型材料M通过来自熔化管道31外围的加热而熔化。但是，包括球形固相的成型材料M逐渐从供应通道31a流出，在完全熔化前以固相和液相共存的状态流入筒体21中，并且在加热至液相线温度的加热贮料筒2中积累为半固态材料M1。积累的半固态材料M1的温度被保持在固-液共存温区，直至在计量后半固态材料M1被注入模具。在成型材料M是镁合金(AZ 91D)的情况中，加热装置32的温度被设在560℃至590℃，并且加热贮料筒2的加热装置24被设在560℃至610℃。
注射柱塞26a在拉力作用下缩回，使一部分在加热贮料筒2中积累的半固态材料M1经过流道注入计量室25中，并且作为一次注射积累在计量室中。计量后，借助注射柱塞26a的受力突伸直接(或经过热流道)从喷嘴22向铸模(未显示)中注入半固态材料M1，形成所需形状的物品。
半固态材料M1的固相含量随温度不同而不同。但是，不管固相和液相共存温度之间的差值如何，随着时间推移球形固相逐渐长大，因此固相含量增加并且液相中的固相密度也增加。在上述镁合金中，在570℃保持合金30分钟后固相含量变为69％，并且尽管固相不断生长，但是超过200微米的固相是少量的，并且触变性质得以保持。当保持时间超过30分钟时，超过200微米的固相含量增加，达到75％甚至更多，因而流动性降低。
加热贮料筒2中积累的半固态材料M1与上述情况相同。如果积累时间在30分钟以内，可以顺利地借助注射柱塞26a的受力缩回进行计量和借助受力突伸将半固态材料注入铸模中，而没有任何问题。但是，当积累时间过去30分钟时，流动性降低，并且流道被大量生长的固相堵塞，以至于通过缩回注射柱塞26a向计量室25中送入半固态材料M1变的困难。因此，每次成型的半固态材料M1的计量变得不稳定，这会引起由于注入铸模中的半固态材料量的缺少而造成注射不足。
如果所述半固态材料M1不被排出，从而不在成型操作结束时除去，它会以固体形式(未显示)残留在加热贮料筒中。因为这种固体通过退火长成较大的晶体，晶体的结构是硬的并且晶体不能通过重新加热至位于固-液共存温区而得到利用。因此，需要在开始成型时除去所述固体，以便可以通过供应新的固体材料来成型。
图2表示从成型操作开始至正式成型开始的步骤。
首先，将残留有先前成型材料的加热贮料筒2的温度升高至液相线温度或者更高。对于残留材料为镁合金(AZ 91D)的情况，温度被升高到620℃至650℃，以至于残留材料被完全熔化。然后，验证在所述镁合金的熔化过程中是否需要搅拌。如果需要，旋转驱动搅拌装置27，进行搅拌，从而加速熔化并且实施氧化物在熔融材料中的分散。如果所有的残留材料都已完全熔化，将加热贮料筒2的温度降至固-液共存温区内(560℃至610℃)。
在温度开始降低后，开始成型材料的供应并启动临时成型。成型材料的供应通过用熔化圆筒31将成型材料M熔化成半固态材料M1来实施。通过重复地缩回注射装置26计量成型材料和突伸注射装置26将材料注入铸模(未示出)中，来实施临时成型，直至加热贮料筒2的温度达到固-液共存温区。因为降低温度的时间较长，所以通过临时成型从加热贮料筒的内部除去了所有在该时间内熔化的残留材料，以至于用连续供应的半固态材料M1替换所述材料。如果在半固态材料M1的替换后，加热贮料筒2的温度已经处于固-液共存温区，则开始正式成型。

Claims (2)

1、一种成型低熔点金属合金的方法，其包括下列步骤：
使用在固-液共存温区表现出触变性质的金属原材料作为成型材料；加热所述成型材料使其温度处于固-液共存温区，形成处于固相和液相共存状态的半固态材料；向加热贮料筒中供应所需量的所述半固态材料，并积累；并通过从所述加热贮料筒中一次注射而将所述半固态材料注入铸模中，
其中使加热贮料筒的温度在所有上述成型操作开始时升高至液相线温度或更高，使在所述加热贮料筒中以固态残留的先前成型材料完全熔化；供应所述成型材料并临时成型，同时降低加热贮料筒的温度至固-液共存温区；然后在温度达到固-液共存温区后，开始正式成型。
2、根据权利要求1的成型低熔点金属合金的方法，其中在搅拌所述材料的同时熔化所述残留材料。
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