CN100515622C - 镁合金半固态注射成形方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种金属成形技术中金属半固态浆料制备方法和装置，属于金属加工工艺领域。其目的在于提供一种可以降低原材料成本，提高成品率及产品质量的镁合金半固态注射成形方法和装置。注射成形的方法包括金属粉末进行混合；气体保护；定量供给；在集注射、搅拌、输送功能为一体的金属套筒装置内将金属粉末转变为固液混合状态；半固态注射成形。注射成形装置由金属粉末混合装置和注射机两部分组成，金属粉末混合装置由金属粉末搅拌容器和金属粉末存储容器组成；注射机包括一集注射、搅拌、输送功能为一体的金属套筒装置，它由套筒和内部的螺旋输送杆组成，套筒的外围装有可对套筒的不同部位进行温度控制的冷却器和加热器。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属成形技术中金属半固态浆料制备方法及成形的装置，属于金属加工工艺领域。
背景技术
目前，金属半固态加工技术的生产过程采取的工艺路线是，以电磁搅拌连续铸造等方法制备金属半固态坯料，根据零件要求将坯料定尺切割成锭料，把锭料放入二次加热设备进行二次加热部分重熔，待锭料恢复到半固态状态时，将其放入压铸机的压室中进行半固态压铸成形。该工艺的加工流程较长，工艺较复杂，需要二次加热，且工艺过程难以有效控制，成本较高，在一定程度上限制了该工艺技术的大范围应用。与之相反，由于工艺过程的稳定性以及可控性，镁合金注射成形的应用前景良好。
注射成形是一种新的金属成形技术，其工艺过程是先将合金原料转化成一种在连续液相金属中弥散着球形或类球形金属颗粒的半固态浆料，然后再将此浆料注射到模具内成形。与传统的高压压铸工艺相比，经注射成形的零件具有如下的优点：1)无气孔，因为半固态浆料具有非牛顿粘性(即粘性与切变速率成反比)；2)收缩率小，因为浆料中含有固相成分，因此充模温度较低。由于半固态浆料的腐蚀性要比液态金属小，注射成形还可以增加诸如模具、螺旋输送杆和套筒等工具部件的使用寿命。一般来说，注射成形要比传统压铸技术更适用于制造具有更高强度、更好韧性和更高尺寸精度的优质模铸件。近年来，注射成形已经在多种工业部门中获得日益广泛的应用，特别是用来制造各类镁合金制品。事实上，美国金属协会已于最近将注射成形技术列为制造镁合金制品的技术标准之一
在本发明之前，注射成形是借助于一种在美国专利号5040589中所描述的与普通尼龙注塑机结构相类似的设备来完成的。在此工艺过程中，屑状原料被投放到内部安装有旋转螺旋输送杆的外热式套筒中并在那里被加热到其固相线和液相线之间的某一温度。处于半熔融状态的原料在被旋转螺旋输送杆搅拌推进的同时也被转化为含有退化树枝晶粒的半固态浆料并被收集在注射喷嘴和螺旋输送杆顶端之间的空间内。当收集的浆料足够多时，螺旋输送杆被快速推进并将浆料射注进一模腔内。
尽管现有的注射成形方法和设备已被成功地使用着，但还具有下述的不足和缺陷：
(1)半固态浆料是直接由枝晶屑料生成的(也称“一步”法，参见美国专利号4694882)。但是在搅拌不足，屑料中的枝晶太过完整，或浆料中的固相成分太高的情况下，枝晶可能会退化的不充分。这会导致在铸件中，特别是在薄壁件中，生成缩孔缺陷以及尺寸稳定性差；
(2)枝晶屑料由专用设备加工，存在着成本高，尺寸稳定性差，且充填密度低的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服已有镁合金半固态注射成形方法及设备存在的上述不足和缺陷，提供一种可以降低原材料成本，提高成品率及产品质量的镁合金半固态注射成形方法和装置。
本发明的上述目的是这样实现的，结合附图说明如下：
一种镁合金半固态注射成形的方法，具体步骤是：
第一步在金属粉末混合装置中对金属粉末进行混合，并通入保护气体对该粉末混合装置中的镁合金粉末进行保护，将混合均匀的镁合金粉末送入注射机加料斗中；
第二步料斗中的金属粉末经定量供给装置定量送入金属套筒中；
第三步在集注射、搅拌、输送功能为一体的金属套筒装置内，采用螺旋输送杆对金属套筒中的镁合金粉末施以剪切力，在此剪切过程中通过温度调整，将镁合金粉末转变为固液混合状态半固态浆料；
第四步利用注射机将上述的半固态浆料射出至一模具内成形，形成半固态注射成形产品。
所说的金属粉末由气体雾化方法制备成尺寸为50-700μm；合金粉末可以采用单独制备或采用由几种合金粉末经机械搅拌而成的混合粉末，并可以加入预合金粉增强合金粉末的流动性。
所说的半固态浆料的固相体积分数、初生相晶粒的大小及组织结构可由螺旋输送杆转动产生的搅拌剪切强度以及加热器和冷却器共同控制和调整。
一种用于镁合金半固态注射成形方法的装置，包括金属粉末混合装置和注射机两部分组成，其特征在于所说的金属粉末混合装置4由金属粉末搅拌容器21和其下方的金属粉末存储容器24组成；所说的注射机16包括一集注射、搅拌、输送功能为一体的金属套筒装置12，它由套筒和内部的螺旋输送杆13组成，螺旋输送杆13由旋转机构15驱动，套筒的外围装有可对套筒的不同部位进行温度控制的冷却器11和加热器10；在注射机加料斗7与金属套筒装置12之间装有可振动的定量供给装置8，金属粉末存储容器24内的金属粉末6通过气体输送泵25注入注射机加料斗7内；金属套筒装置12套筒的出料口穿过静模板与模具17相连。
所说的金属粉末搅拌容器21上设有金属粉末加入口20和通入保护气体9的气体保护进口22。
所说的金属粉末搅拌容器21内采用由搅拌电机19驱动的叶片式搅拌器23。
所说的注射机16内的螺旋输送杆13将金属套筒装置12分为三个区域，两端为混合区，中间为螺旋段，区域I设在靠近注射机加料斗7的部位，区域III设在靠近模具17处的喷嘴段。
所说的保护气体9可选氮气、氩气或六氟化硫中的任一种气体，或几种构成混合气体。
所说的模具17装有加热装置，并配有抽真空接口。
本发明提供的方法和装置，可实现镁合金的半固态成形。这是一种先进的镁合金成形技术，具有如下优点：
1.采用本发明提供的金属粉末混合装置制备镁合金粉末，可免除预先熔炼制备镁合金的过程，并且扩大了粉末原材料的使用范围。
2.螺旋输送杆的两端设有混合区，缩短了工艺流程，并能更有效地控制产品质量。
3.所制备的半固态浆料的固相体积分数、初生相晶粒的大小及组织结构均可由螺旋输送杆转动产生的搅拌剪切强度以及加热器和冷却器共同控制和调整。
4.可近净成形形状复杂的零部件；
5.成形制品质量高，无气孔、偏析等缺陷，可以进行热处理；
6.装置结构紧凑，易于加工制造，使用和维护方便。
附图说明
图1是本发明各主要组成单元之间运作关系框图。
图2是本发明所设计的镁合金半固态注射成形装置的简图。
图3是本发明所设计的金属粉末混合装置的简图。
图4是本发明成形设备用螺杆的简图。
图中1.镁粉存储桶 2.铝粉存储桶 3.其他合金粉末存储桶 4.金属粉末混合装置5.镁合金粉末存储桶 6.金属粉末 7.注射机加料斗 8.定量供给装置 9.保护气体 10.加热器 11.冷却器 12.金属套筒 13.螺旋输送杆 14.螺旋输送杆前端 15.旋转机构16.注射机 17.模具 18.半固态注射成形件 19.搅拌电机 20.金属粉末加入口 21.金属粉末搅拌容器 23.叶片式搅拌器 24.金属粉末存储容器 26.开关
具体实施方式：
下面结合附图所示实施例对本发明的镁合金半固态注射成形方法和装置作进一步的详细说明。
本发明的镁合金半固态注射成形方法包括以下步骤：
(1)可以采用单独制备的合金粉末，也可以采用由几种合金粉末经机械搅拌混合而成的粉末，并可加入预合金粉增强合金粉末的流动性；
(2)采用金属粉末混合装置，将按照设定比例称取的不同重量的金属粉末由入口加入金属粉末搅拌容器，在其中电机驱动的叶片式搅拌器作用下，对金属粉末进行搅拌和混合，达到预定时间后，金属粉末搅拌容器至金属粉末存储容器之间的开关打开，金属粉末进入金属粉末存储容器，并由气体输送泵送至注射机加料斗。整个金属粉末混合装置的工作在气体保护下进行，保护气体通过气体保护进口进入装置，对其中的金属粉末进行保护，以防止其氧化；
(3)进入注射机加料斗的金属粉末经过加料斗的振动，增加金属粉末的紧实度，同时，在定量装置控制下，金属粉末进入注射搅拌一体化套筒；
(4)套筒由外筒和内部的螺旋输送杆组成，金属粉末在螺旋输送杆的驱动下在套筒中前进，套筒的外围设有冷却器和加热器，可对套筒的不同部位进行温度控制，保证金属粉末到达套筒末端时形成含一定比例固相的半固态浆料；
(5)金属粉末通过套筒时，在两端设有混合区的螺旋输送杆所施加的搅拌剪切作用下，充分混合并达到均热。靠近注射机加料斗的螺杆混合区将金属粉末初步混合、预热；在螺杆的螺旋段，初步混合后的金属粉末被加热至半固态，并且在剪切力的作用下充分搅拌；在靠近模具段的混合区域主要用于使温度场均匀化，并对混合浆料实施进一步搅拌。
(6)在螺旋输送杆的输送作用下，半固态浆料到达套筒末端(靠近模具一侧)，积累至设定量时，在注射机作用下充满模具型腔并在压力作用下凝固成形。
(7)在金属粉末混合装置及套筒内均通有保护气体，保护气体有三种：氮气、氩气或六氟化硫任选其一，或几种构成混合气体。
在上述方法中，对于原材料，既可以直接采用镁合金粉，又可以采用几种合金粉经机械搅拌形成合金粉末，合金粉末紧实度高；另一方面，半固态浆料的固相体积分数、初生相晶粒的大小及组织结构可由螺旋输送杆转动产生的搅拌剪切强度以及加热器和冷却器共同控制和调整。
本发明的镁合金半固态注射成形装置是：
参照图2，本发明所提出的半固态注射成形装置主要包括有：一金属粉末混合装置4，在保护气体作用下，将混合均匀的金属粉末送入注射机加料斗7中；一定量供给装置8，将注射机加料斗7中的金属粉末经该装置定量送入金属套筒12中；金属套筒12集注射、搅拌、输送功能为一体，金属粉末在其中转变为半固态浆料；一由旋转机构15驱动的螺旋输送杆13，对金属套筒12中的金属粉末施以剪切力，在此剪切过程中通过温度调整，使金属粉末保持半固态；一套加热器10和一套冷却器11，对由金属粉末至半固态浆料的过程实施温度控制，保证在螺旋输送杆前端14处的浆料呈现液固两相混合；一注射机16，将半固态浆体射出至模具17内成形，形成半固态注射成形件18。
参照图3，本发明所提出的金属粉末混合装置4，主要包括：金属粉末搅拌容器21、金属粉末存储容器24及叶片式搅拌器23；从镁粉存储桶1、铝粉存储桶2、其他合金粉末存储桶3中按照设定比例称取适量的金属粉末，由金属粉末加入口20投入金属粉末搅拌容器21中，在搅拌电机19的驱动下，叶片式搅拌器23对几种混合金属粉末27进行搅拌和混合，达到预定时间后，金属粉末搅拌容器21至金属粉末存储容器24之间的开关26打开，混合充分的金属粉末进入金属粉末存储容器24中，随后经由气体输送泵25将混合充分的金属粉末6作为注射机的原材料，送至注射机加料斗7中。整个粉末混合装置的工作在保护气体下进行，保护气体9通过气体保护进口22进入装置。本发明的另一种供料方式是由镁合金粉末存储桶5通过气体输送泵向注射机加料斗7直接加入所需成份的镁合金粉末。
参照图4，是本发明提供的注射机用螺旋输送杆13的简图。螺旋输送杆分为I、II、III三个区域，区域I为靠近注射机加料斗7的部位，在该区域由加料斗7进入的金属粉末6经过混合，并初步预热。区域II为螺旋段，在该阶段，经初步混合的金属粉末被加热至半固态，并且在剪切力的作用下充分搅拌。靠近喷嘴段的混合区域III主要用于使温度场均匀化，并对混合浆料实施进一步搅拌。
参照图2，经金属粉末混合装置4所制备的混合金属粉末或经镁合金粉末存储桶5送出的金属粉末6经气体输送泵25进入注射机加料斗7，经注射机加料斗7振动增加金属粉末的紧实度，在定量供给装置8控制下，金属粉末进入注射搅拌一体化金属套筒12中，金属粉末在通过套筒时，首先在螺旋输送杆13的搅拌下充分混合，当加热至固液两相区时，受到高剪切速率的搅拌剪切，在靠近套筒末端的混合区，螺旋输送杆再次搅拌混合熔体，获得温度控制均匀的半固态浆料(半固态浆料的固相体积分数、初生相晶粒的大小及组织结构由螺旋输送杆转动产生的搅拌剪切强度以及加热器和冷却器共同控制和调整)，待半固态浆料在套筒末端14积累到所需量，在螺旋输送杆13的注射作用下充满模具型腔，并在压力作用下凝固成产品。
本发明的主要特点如下：金属粉末代替枝晶屑料方法独特，金属粉末的预混合方式独特，可免除预先熔炼制备镁合金的过程，并且扩大了粉末原材料的使用范围；通过螺旋输送杆转动产生的搅拌剪切强度以及加热器和冷却器共同作用，获得半固态浆体，同时，可以控制和调整所制备浆料的固相体积分数、初生相晶粒的大小及组织结构。在螺旋输送杆的两端设有混合区，缩短了工艺流程，并能更有效地控制产品质量。对半固态浆料直接注射成形，从而提高生产效率，提高制品质量，降低生产成本。
Claims (8)
1、一种镁合金半固态注射成形的方法，其特征在于采用50-700μm镁合金粉末，其步骤是：
第一步 在金属粉末混合装置中对所述的镁合金粉末进行混合，并通入保护气体对该粉末混合装置中的镁合金粉末进行保护，将混合均匀的镁合金粉末送入注射机加料斗中；
第二步 料斗中的镁合金粉末经定量供给装置定量送入金属套筒中；
第三步 在集注射、搅拌、输送功能为一体的金属套筒装置内，采用螺旋输送杆对金属套筒中的镁合金粉末施以剪切力，在此剪切过程中通过温度调整，将镁合金粉末转变为固液混合状态半固态浆料；
第四步 利用注射机将上述的半固态浆料射出至一模具内成形，形成半固态注射成形产品。
2、根据权利要求1所述的镁合金半固态注射成形的方法，其特征在于所说的半固态浆料的固相体积分数、初生相晶粒的大小及组织结构可由螺旋输送杆转动产生的搅拌剪切强度以及加热器和冷却器共同控制和调整。
3、如权利要求1所述的一种镁合金半固态注射成形方法所采用的装置，包括金属粉末混合装置和注射机两部分组成，其特征在于所说的金属粉末混合装置(4)由金属粉末搅拌容器(21)和其下方的金属粉末存储容器(24)组成；所说的注射机(16)包括一集注射、搅拌、输送功能为一体的金属套筒装置(12)，它由套筒和内部的螺旋输送杆(13)组成，螺旋输送杆(13)由旋转机构(15)驱动，套筒的外围装有可对套筒的不同部位进行温度控制的冷却器(11)和加热器(10)；在注射机加料斗(7)与金属套筒装置(12)之间装有可振动的定量供给装置(8)，金属粉末存储容器(24)内的金属粉末(6)通过气体输送泵(25)注入注射机加料斗(7)内；金属套筒装置(12)套筒的出料口穿过静模板与模具(17)相连。
4、根据权利要求3所述的镁合金半固态注射成形装置，其特征在于所说的金属粉末搅拌容器(21)上设有金属粉末加入口(20)和通入保护气体(9)的气体保护进口(22)。
5、根据权利要求3所述的镁合金半固态注射成形装置，其特征在于所说的金属粉末搅拌容器(21)内采用由搅拌电机(19)驱动的叶片式搅拌器(23)。
6、根据权利要求3所述的镁合金半固态注射成形装置，其特征在于所说的注射机(16)内的螺旋输送杆(13)将金属套筒装置(12)分为三个区域，两端为混合区，中间为螺旋段。
7、根据权利要求4所述的镁合金半固态注射成形装置，其特征在于所述的保护气体(9)选择氮气、氩气或六氟化硫中的任一种气体，或几种构成混合气体。
8、根据权利要求3所述的镁合金半固态注射成形装置，其特征在于所述的模具(17)装有加热装置，并配有抽真空接口。
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