CN101391294B

CN101391294B - 一种悬挂锥桶式半固态金属浆料制备及输送装置

Info

Publication number: CN101391294B
Application number: CN2008101140973A
Authority: CN
Inventors: 康永林; 杨柳青; 张帆; 陶涛; 丁瑞华
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2008-05-30
Filing date: 2008-05-30
Publication date: 2010-10-27
Anticipated expiration: 2028-05-30
Also published as: CN101391294A

Abstract

一种悬挂锥桶式半固态金属浆料制备及输送装置，属于半固态金属加工技术领域。该装置由调速电机1、升降机构2、通气管3、连接装置4、压铸机压射室5、通气口6、传动锥齿轮7、心轴8、联轴器9、通气管10、浇勺11、内锥桶12、外锥桶13、加热及冷却元件14、法兰盘15等构成。在半固态金属浆料制备时，利用剪切变形原理，使液态金属通过旋转的刻有特定沟槽的内外锥桶之间的缝隙时形成的剧烈剪切作用，来达到形成细而均匀的半固态金属浆料的目的，并将制备的半固态金属浆料通过连接装置输送到压铸机压射室来实现流变压铸成形。本发明的优点在于：设备结构简单紧凑，重量轻；温度控制精度较高；操作方便可靠，易于实现从半固态金属浆料的制备、输送到压铸成形；便于维护和修理以及工业化的连续生产。

Description

一种悬挂锥桶式半固态金属浆料制备及输送装置

技术领域

本发明属于半固态金属加工技术领域，提供了一种悬挂锥桶式半固态金属浆料制备及输送装置。

背景技术

半固态金属加工技术，是将正在凝固的金属或合金进行强力的剪切搅拌，或控制固-液态温度区间，得到一种液态金属母液中均匀地悬浮着一定固相组分的固液混合浆料(固相组分甚至可达60％)，采用这种既非完全液态，又非完全固态的金属浆料制备及成形的方法，就称为半固态金属加工技术。该技术打破了传统的枝晶凝固模式，金属浆料中既含有一定体积比率的球状初生固相，又含有一定比率的液相，因此，半固态金属成形具有其独特明显的优势：

与传统液态成形工艺，如与普通铸造相比，半固态金属加工具有以下特点：①充形平稳，无湍流和喷溅。铸件内部气孔、偏析等缺陷少；②制品具有非枝晶结构，组织致密，力学性能高，能接近或达到锻压件的性能；④由于金属坯料部分凝固，因而凝固收缩小，成形零件尺寸精度高，能实现近终成形；⑤成形温度低，半固态合金成形时，已经释放了部分结晶潜热，因而减轻了对模具的热冲击，使模具寿命大幅度提高；⑥凝固时间短，能缩短产品的生产周期，有利于提高生产效率。

前些年北京科技大学康永林等学者利用液态金属通过旋转的斜锥形内外桶之间的缝隙形成剧烈剪切应力场作用的原理，发明了一种有独特结构的转筒式半固态金属浆料制备成形机，可用来对镁、铝等低熔点合金进行半固态浆料制备与成形。但该装置在长期使用过程中发现有如下问题：①装置内外桶温差较大，温度控制精度较低；②出料口与挤压缸连接处由于温度梯度较大，往往容易堵塞，造成整个设备不能正常工作，且清理和维护难度较大、周期较长；③装置噪声大，生产效率不高。

发明内容

本发明的目的是提供一种能克服装置内外桶温差较大、温度控制精度低，出料口与挤压缸连接处容易堵塞、清理和维护难度较大、周期较长，装置噪声大，生产效率不高等缺陷的半固态金属浆料制备及输送装置。

一种悬挂锥桶式半固态金属浆料制备及输送装置，主要由调速电机1、升降机构2、通气管3、连接装置4、压铸机压射室5、通气口6、传动锥齿轮7、心轴8、联轴器9、通气管10、浇勺11、内锥桶12、外锥桶13、加热及冷却元件14、法兰盘15等构成。调速电机1可进行无极调速，转速范围：0～900rad/min；内锥桶12的转速通过调速电机1带动传动锥齿轮7来实现；内锥桶12与外锥桶13之间的缝隙可以调整升降机构2来实现，调整范围：3mm～6mm；加热及冷却元件14装在外锥桶13外壁，通过温度控制装置(图中未标出)的控制来保证外锥桶13保持恒定的温度；在外锥桶13内壁刻有一定角度旋转的螺旋沟槽(角度范围：α＝30～60°)，内锥桶12外壁相互配合有相同角度旋转的螺旋凸纹；内外锥桶设计有一定的锥度(锥度范围β＝0～45°)，不仅能够方便的调节内外锥桶间隙，而且提高了它的使用效率及寿命；连接装置4与法兰盘15和压室5相连，且外壁装有加热元件。设备整体结构呈垂直布置，通过保温盖浇注口将液态金属注入内、外锥桶之间缝隙，进行半固态金属浆料的制备，然后将制备的浆料由底部法兰盘通过连接装置输送到压铸机压室，完成压铸成形。

本发明利用高速剪切变形原理，通过调整内外锥桶间隙和内锥桶转速，使液态金属在凝固过程中发生剧烈的剪切变形，可制备出组织均匀细小的半固态浆料。本装置克服普通流变法生产半固态浆料的保存和输送难度较大的限制，利用传统磨盘转动时形成的强烈剪切应力场的原理，靠刻有凸纹及沟槽的内外锥桶的相对转动使液态金属产生较大的剪切速率，使液态金属在凝固过程中形成细小而均匀圆整的半固态金属浆料，并同时将制备的半固态金属浆料通过连接装置输送到压铸机压射室，然后压铸成形，最终实现了从半固态浆料制备到流变压铸成形一体化过程。

与原来装置相比，该设备在整体结构上做了如下较大的变化：

1、内锥桶通过升降机构悬挂在外锥桶内部，可根据实验要求调节升降机构，方便的提升或降低内锥桶高度；

2、内锥桶中间及保温盖上设置有导气通道，半固态浆料制备过程中，保护气体从通气管3和通气口6分别进入浆料剪切装置，从而形成较好的气体保护氛围，有效的防止合金浆料在制备过程中的氧化燃烧；

3、加热及冷却元件在外锥桶壁的合理布置，并且通过较高精度的温度控制装置调节，从而使得半固态浆料制备过程中，合金熔体保持恒定的温度；

4、设计了从半固态浆料制备装置底部法兰盘到压铸机压室的合理连接装置，保证制备的半固态浆料能够在保持温度不变的情况下瞬间通过连接装置进入压射室进行压铸成形。

本发明实现了半固态金属浆料制备、输送到压铸一体化成形工艺过程，是一种先进的半固态金属加工及输送装置，其优点在于：

1、装置结构简单紧凑，重量轻，操作方便可靠，易于实现从半固态金属浆料的制备、输送到压铸成形；

2、采用了较高精度的温度控制装置及先进的加热、冷却元件，半固态金属浆料在整个制备以及输送过程中散热量极少，较容易的控制了半固态浆料的固相分数。

3、设计更为合理，便于维护和修理以及工业化的连续生产，具有较强的实用性。

附图说明

图1为悬挂锥桶式半固态金属浆料制备及输送装置总体结构示意图。

图2为内、外锥桶装配横截面示意图。

图3为有一定锥度并带有螺旋凸纹的内锥桶示意图。

图4为外锥桶外壁加热、冷却元件分布示意图。

图5为流变压铸成形件。

图6为金相显微组织。

图7为扫描电镜照片。

具体实施方式

下面根据附图并结合实例对本发明的结构及实施效果作进一步的的说明。

一种悬挂锥桶式半固态金属浆料制备及输送装置，由调速电机1、升降机构2、通气管3、连接装置4、压铸机压射室5、通气口6、传动锥齿轮7、心轴8、联轴器9、通气管10、浇勺11、内锥桶12、外锥桶13、加热及冷却元件14、法兰盘15等构成。调速电机1可进行无极调速，转速范围：0～900rad/min；内锥桶12的转速通过调速电机1带动传动锥齿轮7来实现；内锥桶12与外锥桶13之间的缝隙可以调整升降机构2来实现，调整范围：3mm～6mm；加热及冷却元件14装在外锥桶13外壁，通过温度控制装置(图中未标出)的控制来保证外锥桶13保持恒定的温度；连接装置4与法兰盘15和压室5相连，且外壁装有加热元件。在外锥桶内壁刻有45°角度旋转的螺旋沟槽，内锥桶外壁相互配合有相同角度旋转的螺旋凸纹；内外锥桶设计有7°的锥度。本设备主要用于镁合金的半固态浆料制备及输送，也可用于其它低熔点合金和颗粒增强金属基复合材料的半固态浆料制备实验。

在实验过程中，使用浇勺或者通过自动供料装置首先把液态金属通过保温盖浇口浇入半固态设备内外锥桶之间的缝隙，由于内锥桶与外锥桶的相对高速转动形成的剪切应力场使液态金属在固液相区间发生强烈的剪切变形，从而制得颗粒细小圆整的半固态浆料，剪切时间大约5-8s，然后浆料从底部法兰盘通过连接装置输送到压铸机压射室进行压铸成形，最终制备出半固态流变压铸近终成形件。在半固态浆料制备及流变压铸成形过程中，从半固态设备顶部通气口6以及保温盖通气管3通入氩气对合金熔体进行保护，防止熔体的氧化和燃烧。

半固态浆料的制备温度取决于合金固液相区间以及半固态设备的工作特点，如：对于AZ91D镁合金，液相线为595℃，固相线为470℃。根据半固态设备特点，浆料制备时合理的剪切温度为550～590℃。

图5为通过力学性能模具制备的AZ91D镁合金半固态流变压铸成形件，制备条件为：剪切温度590℃，调速电机转速600rad/min，内外锥桶间隙4mm，剪切时间5s，模具预热温度150～200℃。图6、图7为这个工艺条件下压铸成形件的微观组织，从图中可以看出制备的AZ91D镁合金半固态组织主要由细小圆整且均匀分布的先析出固相颗粒组成。

Claims

1.一种悬挂锥桶式半固态金属浆料制备及输送装置，其特征在于：半固态金属浆料制备及输送装置采用悬挂锥桶式结构，由调速电机(1)、升降机构(2)、第一通气管(3)、连接装置(4)、压铸机压射室(5)、通气口(6)、传动锥齿轮(7)、心轴(8)、联轴器(9)、第二通气管(10)、浇勺(11)、内锥桶(12)、外锥桶(13)、加热及冷却元件(14)、法兰盘(15)构成，利用浇勺把液态金属浇入到半固态金属浆料制备装置；内锥桶通过升降机构悬挂在外锥桶内部，液态金属在通过内、外锥桶之间的缝隙时受到强烈的剪切搅拌作用，最终制备出组织细小圆整的半固态金属浆料；内、外锥桶间隙的大小通过升降机构(2)来调整，内锥桶(12)由调速电机(1)通过传动锥齿轮带动转动，外锥桶(13)外壁装有加热及冷却元件(14)，通过温度控制装置的控制来保证半固态金属浆料在制备过程中的温度恒定；在半固态金属浆料制备装置底部法兰盘(15)与压铸机压射室之间有一个连接装置(4)，制备的半固态金属浆料最后通过连接装置(4)输送到压铸机压射室，完成压铸成形。

2.根据权利要求1所述的半固态金属浆料制备及输送装置，其特征在于：内、外锥桶间的缝隙通过调整升降机构来实现，间隙调整范围：3mm～6mm；通过调速电机的带动，内锥桶能转动并且转速能调整；剪切速率的大小通过调整调速电机转速和内、外锥桶间隙来控制。

3.根据权利要求1或2所述的半固态金属浆料制备及输送装置，其特征在于：在外锥桶内壁刻有一定角度旋转的螺旋沟槽，角度范围：α＝30～60°，内锥桶外壁相互配合有相同角度旋转的螺旋凸纹；当内锥桶高速旋转时，内外锥桶之间产生很大的剪切应力场，从而制备出细小、均匀、圆整的半固态金属浆料。

4.根据权利要求1或2所述的半固态金属浆料制备及输送装置，其特征在于：内、外锥桶设计有一定的锥度，锥度β＝7°。