CN101010159A - 生产半固态金属浆料的设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于制备包括液相和固相的半固态金属浆料的坩埚。所述坩埚包括具有下边缘的侧壁、可接合在所述侧壁的下边缘上且与所述侧壁的下边缘可分离的密封板和用于将所述密封板保持在所述侧壁的下边缘上的夹持装置。还提供一种用于制备半固态浆料的方法。所述方法包括：提供包括具有下边缘的侧壁和密封板的坩埚并保持所述密封板与所述侧壁的下边缘相接触。接下来，在坩埚中充注熔融金属并冷却所述熔融金属从而产生半固态浆料。最后，松开所述侧壁的下边缘与所述密封板之间的接触并将半固态浆料从所述侧壁转移到铸造机中。

Description

生产半固态金属浆料的设备和方法

技术领域

本发明涉及熔融金属，特别是铝和铝合金，的半固态浆料的铸造。更具体而言，本发明涉及用于制备半固态浆料的设备以及制备上述浆料的“浆料按需制备(slurry on demand)”方法的应用。

背景技术

熔融金属的半固态浆料的铸造已进行了多年。铸造所述浆料的许多方法在本技术领域中是已公知的。这些方法通常涉及将在前制备的且经过调节的固体锭料重新加热至半固体状态，然后将所得到的浆料转移到铸型中。

然而，近年来，已经开发出一种铸造方法，其中半固态浆料是通过液态合金在坩埚内的受控冷却而制备得到的。然后，所述冷却形成的半固态浆料从坩埚中被转移到铸造机并进行铸造，而不需要使用中间固体锭料。这种手段已被称作“浆料按需制备”。

于2003年7月22日授权给Orii的美国专利6,595,266中描述了这样一种浆料按需制备系统，其中熔融合金在冷却板上通过，且随后被收集到坩埚中，在坩埚内，熔融合金在短时内保持处于半固态，从而允许产生优选的颗粒形态，然后再进行铸造。

于1996年4月12日公布的欧洲专利No.0 745 694(Adachi等)中描述了一种浆料按需制备系统，其中合金初始温度、晶粒细化剂含量和坩埚内的降温速度受到控制调节，从而产生所述浆料被压铸成型的所需形态。

于2002年8月6日授权给Doutre等的美国专利6,428,636中描述了这样一种浆料按需制备系统，其中熔融合金在具有特定热质量和温度的坩埚中被冷却至半固态温度范围内的一定温度，然后在将该半固态物质转移到铸型中之前排出一些过量的熔融合金。该后面的步骤导致所述半固态物质与坩埚壁分离，从而使得所述向铸造机的转移过程更具效率。在没有设置这种排出措施的坩埚中，常常会出现材料粘到坩埚壁上的问题，由此在应用坩埚之间就需要使用特定的清洗步骤。这样就会导致铸造周期更长并且增加了用于进行浆料制备和铸造的设备的复杂度。

从用于在浆料按需制备工艺中生产浆料的坩埚中完全且可靠地除去金属的能力是获得耐久性和效率的一项重要要求。在金属去除方面，例如在排出或减小金属对坩埚的附着力方面，获得的改进即便是在浆料转移相对高效的工艺中也是有益的。在这种情况下，用于排出液相的装置也得到清洗并且没有任何可能在之后发生固化并且造成开口堵塞的熔融金属是重要的。

因此，需要一种改进的坩埚设计和适于进行浆料按需制备处理的应用方法，所述浆料按需制备处理允许在清洗和/或重新磨光之间长期重复使用且保持金属在其整个使用过程中清洁。

发明内容

根据本发明的一个方面，由此提供一种用于制备包括液相和固相的半固态金属浆料的坩埚。所述坩埚包括具有下边缘的侧壁、可接合在所述侧壁的下边缘上且与所述侧壁的下边缘可分离的密封板和用于将所述密封板保持在所述侧壁的下边缘上的夹持装置。

根据本发明的另一个方面，提供一种用于制备包括液相和固相的半固态浆料的方法。所述方法包括：提供包括具有下边缘的侧壁和密封板的坩埚，保持所述密封板与所述侧壁的下边缘相接触，在坩埚中充注熔融金属，冷却所述熔融金属从而产生半固态浆料，松开所述侧壁的下边缘与所述密封板之间的接触，以及最后将半固态浆料从所述侧壁转移到铸造机中。

附图说明

下面，结合附图对本发明的优选实施例进行描述，其中：

图1是本发明的一个实施例的垂直剖视图，图中示出了坩埚的侧壁和密封板；

图2是图1所示实施例的详图，图中示出了插塞装置中的孔和芯塞；和

图3是支承板和密封板的垂直剖视图，图中示出了一种清洗所述孔的优选手段。

具体实施方式

参见图1，图中示出坩埚1被设计用以接收将要被冷却成为半固态金属浆料的熔融金属。坩埚1由呈端部开口管2形式的侧壁形成，所述端部开口管被搁放在密封板3上。可以采用任何合适的横截面形状，但是大体上的圆筒形状是特别优选的。管2被保持接触在密封板3上，从而在管2的下边缘4与密封板3的表面之间形成密封。

管2优选是略微呈锥形的，更优选典型地具有小于约5度的锥度，最优选为约1度的锥度。所述锥形可在任一方向上，但最优选地在接触密封板3的下边缘4处具有更大的直径。密封板3进而可被安装到构成坩埚1部分支座的更大的支承板5上。可采用本领域众所周知的多种手段，包括使用夹持装置14，保持管2与密封板3之间的压力。优选地，夹持装置14呈马蹄形夹具的形式，所述马蹄形夹具被连接到支承板5上且可被远程致动以旋转到并夹紧在环绕位于下边缘4上的管2的凸缘6上。对所述夹具的致动可以是气动的或液压的。

支承板5可受到远程控制以进行旋涡运动，由此搅动坩埚并增强熔融金属的冷却以形成半固态浆料。

密封板3可由耐火材料制成，且特别是由铝硅酸盐耐火材料板例如由Pyrotek Inc.生产的N-17^TM耐火材料板制成，或者可以是金属，例如钢、不锈钢或钛。

金属管2也可由耐火材料或金属制成，且优选由钢或不锈钢制成。在一个优选实施例中，基于用于将熔融金属冷却形成所需的半固态浆料稠度的预定的热容量和质量要求选择用作管2的材料和管的厚度以及密封板3的材料和尺寸。然而，还有可能是使用性能确定精确性较差的管和密封板，连同外部加热或冷却系统。密封板3或管2的任何金属表面上优选涂覆有适合的金属耐久涂层。这些涂层在本技术领域中是已公知的，并且对于铝合金而言，可包括云母涂料(mica wash)和氮化硼。可以使用任何其它的基于耐火材料的涂层和涂覆方法，包括作为头道底漆(wash coats)、喷涂涂层而施加的涂层，或通过等离子喷涂而施加的涂层。

参见图2，密封板3和支承板5上优选包含至少一个从其中穿过的孔10。孔10优选是呈锥形的，其在接近下边缘4的位置处直径较小且自那里加宽。孔10的直径优选为约3毫米至约5毫米。在孔10呈锥形的情况下，所述较小的直径优选为约3毫米至约5毫米。所使用的该特定直径取决于合金铸件和要进行制备的浆料装料的大小。密封板3优选可具有向上的锥型轮廓外形，从而增强了液态金属从孔10中的排出。芯塞11自支承板5的下侧配合在孔10内。芯塞11可选地被装配在供操纵芯塞11进出孔10用的枢转悬臂12上。该枢转悬臂12可受到远程致动从而对孔10进行插塞和去插塞，并且能够受到气动或液压致动。芯塞11可由本技术领域中已公知的任何适当的材料制成，从而能够耐受熔融金属，并且芯塞11优选由氮化硼制成。

在一种优选的操作模式中，管2首先被冷却至预定温度从而有助于熔融金属冷却形成半固态浆料。管2可被冷却至在室温到100-150℃范围内的一定温度。芯塞11被插入密封板3上的孔10中且管2被夹持装置14夹到密封板3上。典型地温度高于700℃的熔融金属被倒入坩埚1中，通过支承板5的移动，坩埚1受到搅动并且冷却以形成半固态浆料。所述半固态浆料包括液相和固相。为此，例如在美国专利6,428,636中教导的冷却工艺是特别优选的。

在一段预定的时间之后，其可以是依然进行搅动的时候，通过枢转悬臂12进行枢转，芯塞11从孔10中移出，并且一些液相被允许流出通过孔10。在排掉一些液相后，浆料中的固相分数增大，典型地从约35-40wt％增大到约45-55wt％。

虽然优选使用单个相对较大的孔10以排出一部分液相，但是坩埚1中浆料的半固态结构和触变性行为阻止固相流出，且仅液相被除去。如前文所述，所希望的是排掉一些液相，从而使得坩埚1中的半固态浆料与坩埚1的管2分离，由此易于将所述浆料转移到铸造机中。

一旦排掉了一些固相，夹持装置14松开管2并且包含半固态物质的管2被转移到常规压铸机的压射缸中，用于使所述浆料成形和固化。所述半固态浆料通过其下边缘4离开管2。可采用本领域已公知的任何手段，例如使用受到远程控制的机器人(图中未示出)转移所述管。

一旦管2已被松开并且从支承板5上被移除，就可以对密封板3的孔10中的任何熔融金属进行清洗，不然这些熔融金属将会积聚在孔10中并堵塞所述孔10。由于在孔10中不需要过滤元件等类似装置，因此几乎不存在用于累积熔融金属的表面区域，且任何较小的残留物的去除都快速完成。参见图3，优选可通过来自空气喷射装置8的压缩空气的简单喷发而清洗所述孔10。然后，孔10和密封板3准备被夹到管2上用于形成下一批半固态浆料。空气喷射装置8可选地被遥控移动至位于孔10下面的一定位置并且可受到遥控致动以输运压缩空气喷发流。空气喷射装置8的致动可以是气动的或液压的。

旋转的空气喷射装置(图中未示出)也可优选被用以吹掉任何熔融金属熔滴，所述熔滴在半固态浆料已被转移到铸造机上之后仍然可能附着到所述管上。

按照这种方式，用于将支承板5夹到管2上、搅动支承板5、松开管2与支承板5、将浆料转移到铸造机上、清洗密封板3上的孔10以及将管2重新夹到支承板5上等每一个步骤都可被定时、实现自动化和受到远程控制。

由于具有特定的设计特征，因此坩埚1，特别是以优选方式使用时，保持没有明显的残留物并且可得到连续使用，而不用在每个铸造周期中都停下用于进行机械清洗和重新涂镀。

以上对本发明的装置和方法的详细描述被用于解释说明本发明的主要实施例。本领域的技术人员应该理解：可对本发明的装置和方法作出多种变型并且可以使用多种其它可选的实施例。因此，应认识到：可在不偏离本发明的范围的条件下对本发明作出改变，本发明的范围仅由所附的权利要求书进行限定。

Claims (34)

1、一种用于制备包括液相和固相的半固态金属浆料的坩埚，所述坩埚包括：

a.具有下边缘的侧壁；

b.可接合在所述侧壁的下边缘上且与所述侧壁的下边缘可分离的密封板；和

c.用于将所述密封板保持在所述侧壁的下边缘上的夹持装置。

2、根据权利要求1所述的坩埚，其中所述密封板被固定到支承所述密封板和所述侧壁的支承板上。

3、根据权利要求2所述的坩埚，进一步包括至少一个离散的可插塞的孔，所述孔形成穿过所述密封板和所述支承板，允许从坩埚中排出至少一些液相。

4、根据权利要求2所述的坩埚，其中所述夹持装置被附接到所述支承板上。

5、根据权利要求4所述的坩埚，其中所述夹持装置包括附到所述支承板上且可松开地将所述密封板夹到所述侧壁上的马蹄形夹具。

6、根据权利要求5所述的坩埚，其中所述侧壁进一步包括邻近所述下边缘且通过所述夹持装置可接合从而允许将所述侧壁夹到所述密封板上的凸缘。

7、根据权利要求6所述的坩埚，其中所述夹持装置具有气动或液压致动装置。

8、根据权利要求7所述的坩埚，其中所述夹持装置具有允许遥控致动所述夹持装置的遥控致动装置。

9、根据权利要求1所述的坩埚，其中所述侧壁包括端部开口管。

10、根据权利要求9所述的坩埚，其中所述管呈锥形，在下边缘处具有更大的直径。

11、根据权利要求10所述的坩埚，其中所述管由耐火材料或金属制成。

12、根据权利要求11所述的坩埚，其中所述管由金属制成。

13、根据权利要求12所述的坩埚，其中所述金属是钢或不锈钢。

14、根据权利要求13所述的坩埚，其中所述金属上涂覆有保护涂层。

15、根据权利要求14所述的坩埚，其中所述保护涂层为云母涂料或氮化硼。

16、根据权利要求1所述的坩埚，其中所述密封板由耐火材料或金属制成。

17、根据权利要求16所述的坩埚，其中所述耐火材料是铝硅酸盐耐火材料板。

18、根据权利要求16所述的坩埚，其中所述金属选自包括钢、不锈钢和钛的物质组。

19、根据权利要求18所述的坩埚，其中所述金属上涂覆有保护涂层。

20、根据权利要求19所述的坩埚，其中所述保护涂层为云母涂料或氮化硼。

21、根据权利要求1所述的坩埚，其中所述密封板具有向上的锥型轮廓外形。

22、根据权利要求2所述的坩埚，其中所述至少一个孔呈锥形，在邻近所述侧壁的下边缘的位置处具有更小的直径。

23、根据权利要求22所述的坩埚，其中所述至少一个锥形孔的所述更小的直径为3毫米至5毫米。

24、根据权利要求23所述的坩埚，进一步包括用于插入所述至少一个孔中的至少一个芯塞。

25、根据权利要求24所述的坩埚，其中所述至少一个芯塞由耐受熔融金属的材料制成。

26、根据权利要求25所述的坩埚，其中所述至少一个芯塞由氮化硼制成。

27、根据权利要求26所述的坩埚，其中所述芯塞被装配在供操纵芯塞进出所述孔用的枢转悬臂上。

28、根据权利要求27所述的坩埚，其中所述枢转悬臂具有允许遥控致动所述臂进出所述孔的遥控致动装置。

29、根据权利要求28所述的坩埚，其中所述枢转悬臂具有气动或液压致动装置。

30、一种用于制备包括液相和固相的半固态浆料的方法，所述方法包括以下步骤：

a.提供包括具有下边缘的侧壁和密封板的坩埚；

b.保持所述密封板与所述侧壁的下边缘相接触；

c.在坩埚中充注熔融金属；

d.冷却所述熔融金属从而产生半固态浆料；

e.松开所述侧壁的下边缘与所述密封板之间的接触；以及

f.将半固态浆料从所述侧壁转移到铸造机中。

31、根据权利要求30所述的方法，进一步包括在熔融金属冷却后，通过所述坩埚的密封板中的至少一个离散的孔排出至少一些液相。

32、根据权利要求31所述的方法，进一步包括在松开所述密封板与所述侧壁的接触后，用压缩气体冲击流清洗所述至少一个离散的孔。

33、根据权利要求30所述的方法，进一步包括搅动所述坩埚内的熔融金属从而允许熔融金属得到冷却。

34、根据权利要求30所述的方法，进一步包括在用熔融金属充注所述坩埚前冷却所述侧壁。

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