CN101497129A - 镁合金半固态注射成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种镁合金半固态注射成形方法，其特征在于：在金属粉末混合装置中对镁合金切屑和镁(铝)合金球形金属粉末进行混合，通入氩气进行保护，将混合均匀的金属粉末送入注射机加料斗中；经螺杆定量供给装置定量送入金属套筒中；在金属套筒装置内采用螺旋输送杆对金属粉末施以剪切力，将镁合金切屑完全熔化，镁(铝)合金球形金属粉末表面达到微熔状态，形成固液混合状态；利用往复螺杆式注射机将半固态浆料射出至一模具内成形产品。其制备的高固相体积分数半固态镁合金，固相颗粒形态良好，近似球形；可以制成形状复杂的零部件；产品质量高，可以进行热处理；其加工装置结构紧凑，易于加工制造，使用和维护方便。

Description

镁合金半固态注射成形方法

技术领域

本发明涉及一种镁合金半固态注射成形方法，特别是涉及一种镁合金半固态浆料制备及其成形方法，属于金属加工工艺领域。

背景技术

目前，金属半固态触变加工技术的生产过程采取的工艺路线是，以电磁搅拌或是机械搅拌+连续铸造的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，耗能高，且工艺过程难以有效控制，成本较高，在一定程度上限制了半固态工艺的大范围应用。

与上述工艺过程相反，镁合金半固态注射成形由于工艺过程的稳定性、可一步成型等优点具有良好的应用前景。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，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

目前的注射成形工艺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)半固态浆料是由未熔化的切屑形成的，在半固态浆料的制备过程中固相经历了高温过程，固相内部会发生晶粒长大和晶界熔化，严重影响了材料的机械性能和抗腐蚀能力。此外在浆料中的固相成分太高的情况下，固相形态差，而且固相内枝晶可能会退化不充分，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等问题；

(2)完全采用枝晶屑料还存在着充填密度低的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种镁合金半固态注射成形的方法，利用镁合金切屑和镁(铝)合金球形金属粉末熔化速度的差异，采用金属切屑和球形金属粉末的混合金属粉末制备半固态浆料，其中镁合金切屑不仅能够采用亚共晶合金，而且能够采用共晶合金，扩大了半固态合金的加工范围；即高固相体积分数的镁和镁铝合金半固态注射成形方法，显著提高镁合金半固态成品率及产品质量。

本发明的另一个目的在于提供一种用于镁合金半固态注射成形方法的装置，该装置结构紧凑，易于加工制造，使用和维护方便。

本发明的技术方案是这样实现的：镁合金半固态注射成形方法，其特征在于具体步骤如下：

第一步 在金属粉末混合装置中对按照比例加入的镁合金切屑和镁(铝)合金球形金属粉末进行混合，在混合过程中通入氩气进行保护，将混合均匀的金属粉末送入注射机加料斗中；

第二步 料斗中的金属粉末经螺杆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金属粉末施以剪切力，并通过剪切过程中的温度调整，将镁合金切屑完全熔化，镁(铝)合金球形金属粉末表面微熔状态，形成为固液混合状态；

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。

本发明中所叙述的镁(铝)合金球形金属粉末由气体雾化方法制备成尺寸为10-30μm的球形金属颗粒，内部晶粒尺寸为3-8μmm；镁合金切屑由镁合金铸锭切削制成，其空间形态为扭曲的柱状长方体，尺寸为(1-1.5)mm×(1-1.5)mm×(2-3)mm，整个切屑具有强烈的加工硬化。

本发明中所述的半固态浆料的固相体积分数为0-60％、初生相晶粒的大小及组织结构可由镁合金切屑和镁(铝)合金球形金属粉末加入比例，螺旋输送杆转动产生的搅拌剪切强度以及加热器共同进行控制和调整。

本发明中所叙述的镁合金切屑和镁(铝)合金球形金属粉末既可以采用同一化学成分的镁合金，也可以采用不同化学成分的镁合金，还可以采用镁合金切屑和铝合金球形金属粉末组合；即在半固态成型过程中可以利用镁合金切屑和镁(铝)合金球形金属粉末化学成分和合金种类的不同而形成的熔点差，增大半固态加工的温度区间，提高工艺稳定性能；

用于镁合金半固态注射成形方法的装置，由金属粉末定量给料装置，金属粉末混合装置和注射机组成，其特征在于：金属粉末定量给料装置中的镁合金切屑和镁(铝)合金球形金属粉末由存储料斗经螺杆定量给料装置进入金属粉末混合装置；金属粉末混合装置由金属粉末搅拌容器、搅拌螺杆、与搅拌螺杆相连的变频驱动电机、与金属粉末搅拌容器相连的保护气体输入管、进料口和出料口组成；搅拌容器上部开有进料口，下部开有出料口；搅拌螺杆设在金属粉末搅拌容器内；注射机由内部的螺旋输送杆和套筒组成，螺旋输送杆由旋转和注射机构驱动，套筒的外围装有加热器；注射机加料斗与金属套筒装置之间装有螺旋定量供给装置和保护气体输入管，注射机加料斗一端斗与金属粉末混合装置的出料口相连，另一端与套筒相通；金属套筒的出料口穿过静模板与模具相连。

本发明所叙述的注射机内的外部加热为3段式分段式加热，并附加有一个半固态浆料保温段；第一段加热温度为：480-510℃，第二段加热温度为：510-582℃，第三段加热温度为：588-616℃，半固态浆料保温段温度为：599-616℃；每个加热段由1-3个加热器组成，每个加热器均可以独立控制。

本发明所叙述的保护气体为氩气。

本发明的积极效果是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.采用本发明提供的方法可以制备高固相体积分数的半固态镁合金，其固相体积分数可在0-60％之间任意调节，且固相颗粒形态良好，近似球形；

2.所制备的半固态浆料的固相体积分数、基体晶粒的大小及组织结构均可由镁合金切屑和镁(铝)合金球形金属粉末的比例、螺旋输送杆转动产生的搅拌剪切强度以及加热器的加热温度共同控制和调整；

3.可近净成形形状复杂的零部件；

4.成形制品质量高，无气孔、偏析等缺陷，可以进行热处理；

5.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方法的简图

图3是本发明的金属粉末混合装置的简图

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的描述：

实施例1：同一化学成分的镁合金切屑和镁合金球形金属粉末

如图1-3所示，采用镁合金切屑和镁合金球形金属粉末，其中镁合金切屑为：AZ91合金(要求尺寸为(1.2)mm×(1.2)mm×(2.5)mm的金属切屑的含量大于70％，其余切屑尺寸为(1-1.5)mm×(1-1.5)mm×(2-3)mm)，镁合金球形金属粉末为AZ91合金(尺寸为20μm金属粉末含量在70％以上，其余粉末尺寸为10-30μm)；固相率控制在25％，镁合金切屑和镁合金球形金属粉末重量比例为70∶30；

螺杆定量输送器4、5将按照设定的重量比例70：30将镁合金切屑3和镁合金球形金属粉末6分别由存储料斗1、2由入口加入金属粉末混合装置7，在电机驱动的螺杆搅拌器作用下，镁合金切屑3和镁合金球形金属粉末6均匀混合，混合金属粉末8通过出料口进入注射成形机的加料斗9，金属粉末混合装置的工作在氩气保护下进行，氩气通过气体保护进口进入装置11，对其中的金属粉末进行保护，以防止其氧化；进入注射机加料斗的混合金属粉末在螺杆定量装置10控制下，混合金属粉末进入注射搅拌一体化套筒13。套筒13内部装有螺旋输送杆12，混合金属粉末在螺旋输送杆12的驱动下在套筒13中前进，套筒13的外围设有加热器14，可对套筒13的不同部位进行三段加热和1段保温(第一段15加热温度为：480-490℃，第二段16加热温度为：510-566℃，第三段17加热温度为：588-599℃半固态浆料保温段18温度为：599℃)，保证金属粉末到达套筒13末端时形成含一定比例固相的半固态浆料；混合金属粉末通过套筒13时，在三段加热和螺杆的剪切作用下镁合金切屑完全熔化，镁合金球形金属粉末表面微熔，形成半固态浆料。在螺旋输送杆12的输送作用下，半固态浆料到达套筒13末端(靠近模具一侧)，进入半固态浆料保温段18，并积累至设定量，在注射螺杆12的作用下充满模具19型腔，并在压力作用下凝固成形，形成产品20。

实施例2：不同化学成分的镁合金切屑和镁合金球形金属粉末

采用镁合金切屑和镁合金球形金属粉末，其中镁合金切屑为：AZ91合金(尺寸为(1.2)mm×(1.2)mm×(2.5)mm的金属切屑的含量大于70％，其余切屑尺寸为(1-1.5)mm×(1-1.5)mm×(2-3)mm)，镁合金球形金属粉末：AM50合金(尺寸20μm金属粉末含量在70％以上，其余粉末尺寸为10-30μm)；

固相率控制在35％，镁合金切屑和镁合金球形金属粉末重量比例为65：35；

螺杆定量输送器4、5将按照设定的重量比例65：35将镁合金切屑3和镁合金球形金属粉末6分别由存储料斗1、2由入口加入金属粉末混合装置7，在电机驱动的螺杆搅拌器作用下，镁合金切屑3和镁合金球形金属粉末6均匀混合，混合金属粉末8通过出料口进入注射成形机的加料斗9，金属粉末混合装置的工作在氩气保护下进行，氩气通过气体保护进口进入装置11，对其中的金属粉末进行保护，以防止其氧化；进入注射机加料斗的混合金属粉末在螺杆定量装置10控制下，混合金属粉末8进入注射搅拌一体化套筒13。套筒13内部装有螺旋输送杆12，混合金属粉末8在螺旋输送杆的驱动下在套筒13中前进，套筒12的外围设有加热器14，可对套筒13的不同部位进行三段段加热和1段保温(第一段15加热温度为：490-510℃，第二段16加热温度为：510-566℃，第三段17加热温度为：593-610℃半固态浆料保温段18温度为：600℃)，保证金属粉末到达套筒13末端时形成含一定比例固相的半固态浆料；混合金属粉末通过套筒13时，在三段加热和螺杆的剪切作用下镁合金切屑完全熔化，镁合金球形金属粉末表面微熔，形成半固态浆料。在螺旋输送杆的输送作用下，半固态浆料到达套筒13末端(靠近模具一侧)，进入半固态浆料保温段18，并积累至设定量，在注射螺杆12的作用下充满模具型腔并在压力作用下凝固成形，形成产品(20)。

实施例3：镁合金切屑和铝合金球形金属粉末

采用镁合金切屑和铝合金球形金属粉末，其中镁合金切屑为：AZ91合金(尺寸为(1.2)mm×(1.2)mm×(2.5)mm的金属切屑的含量大于70％，其余切屑尺寸为(1-1.5)mm×(1-1.5)mm×(2-3)mm)，铝合金球形金属粉末：纯铝(尺寸为尺寸20μm金属粉末含量在70％以上，其余粉末尺寸为10-30μm)；固相率控制在43％，镁合金切屑3和铝合金球形金属粉末6重量比例为67：43；螺杆定量输送器4、5将按照设定的重量比例67：43将镁合金切屑3和镁合金球形金属粉末6分别由存储料斗1、2由入口加入金属粉末混合装置7，在电机驱动的螺杆搅拌器作用下，镁合金切屑3和铝合金球形金属粉末6均匀混合，混合金属粉末8通过出料口进入注射成形机的加料斗9，金属粉末混合装置的工作在氩气保护下进行，氩气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；进入注射机加料斗的混合金属粉末8在螺杆定量装置控制下，混合金属粉末8进入注射搅拌一体化套筒13。套筒13内部装有螺旋输送杆12，混合金属粉末在螺旋输送杆12的驱动下在套筒13中前进，套筒13的外围设有加热器14，可对套筒13的不同部位进行三段段加热和1段保温(第一段15加热温度为：500-510℃，第二段16加热温度为：538-582℃，第三段17加热温度为：593-616℃半固态浆料保温段18温度为：616℃)，保证金属粉末到达套筒13末端时形成含一定比例固相的半固态浆料；混合金属粉末8通过套筒13时，在三段加热和螺杆的剪切作用下镁合金切屑完全熔化，铝合金球形金属粉末表面微熔，形成半固态浆料。在螺旋输送杆12的输送作用下，半固态浆料到达套筒13末端(靠近模具一侧)，进入半固态浆料保温段，并积累至设定量，在注射螺杆12(同上)的作用下充满模具型腔并在压力作用下凝固成形，形成产品20。

Claims (9)

1、镁合金半固态注射成形方法，其特征在于具体步骤如下：

第一步 在金属粉末混合装置中对按照比例加入的镁合金切屑和镁(铝)合金球形金属粉末进行混合，在混合过程中通入氩气进行保护，将混合均匀的金属粉末送入注射机加料斗中；

第二步 料斗中的金属粉末经螺杆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金属粉末施以剪切力，并通过剪切过程中的温度调整，将镁合金切屑完全熔化，镁(铝)合金球形金属粉末表面达到微熔状态，形成固液混合状态；

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方法，其特征在于所述的镁(铝)合金球形金属粉末由气体雾化方法制备成尺寸为10-30μm的球形金属颗粒，内部晶粒尺寸为3-8μmm；镁合金切屑由镁合金铸锭切削制成，其空间形态为扭曲的柱状长方体，尺寸为(1-1.5)mm×(1-1.5)mm×(2-3)mm，整个切屑具有强烈的加工硬化。

3、根据权利要求1所述的镁合金半固态注射成形方法，其特征在于所述的半固态浆料的固相体积分数为0-60％、初生相晶粒的大小及组织结构可由镁合金切屑和镁(铝)合金球形金属粉末加入比例，螺旋输送杆转动产生的搅拌剪切强度以及加热器共同进行控制和调整。

4、根据权利要求1所述的镁合金半固态注射成形方法，其特征在于所述的镁合金切屑和镁(铝)合金球形金属粉末既可以采用同一化学成分的镁合金，也可以采用不同化学成分的镁合金，还可以采用镁合金切屑和铝合金球形金属粉末组合；即在半固态成型过程中可以利用镁合金切屑和镁(铝)合金球形金属粉末化学成分和合金种类的不同而形成的熔点差，增大半固态加工的温度区间，提高工艺稳定性能。

5、根据权利要求1所述的镁合金半固态注射成形方法，其特征在于所述的镁合金切屑和镁(铝)合金球形金属粉末的特征在于由于加工硬化和颗粒形状的差别，在相同温度的条件下，镁合金切屑的熔化速度大于镁(铝)合金球形金属粉末.

6、根据权利要求1所述的镁合金半固态注射成形方法，其特征在于所述的镁合金切屑和镁(铝)合金球形金属粉末的特征在于螺杆的剪切作用下，由于形状的差异切屑所受到的摩擦力远大于球形金属粉末.

7、用于镁合金半固态注射成形方法的装置，由金属粉末定量给料装置，金属粉末混合装置(7)和注射机(21)组成，其特征在于：金属粉末定量给料装置中的镁合金切屑和镁(铝)合金球形金属粉末由存储料斗(1)、(2)经螺杆定量给料装置(4)、(5)进入金属粉末混合装置(7)；金属粉末混合装置(7)由金属粉末搅拌容器(25)、搅拌螺杆(27)、与搅拌螺杆(27)相连的变频驱动电机(26)、与金属粉末搅拌容器(25)相连的保护气体输入管(24)、进料口(23)和出料口(28)组成；搅拌容器上部开有进料口(23)，下部开有出料口(28)；搅拌螺杆设在金属粉末搅拌容器(25)内；注射机(21)由内部的螺旋输送杆(12)和套筒(13)组成，螺旋输送杆(12)由旋转和注射机构驱动(22)，套筒(13)的外围装有加热器(14)；注射机加料斗(9)与金属套筒(13)装置之间装有螺旋定量供给装置(10)和保护气体输入管(11)，注射机加料斗(9)一端斗与金属粉末混合装置(7)的出料口相连，另一端与套筒(13)相通；金属套筒(13)的出料口穿过静模板与模具(19)相连。

8、根据权利要求5所述的用于镁合金半固态注射成形方法的装置，其特征在于所述的注射机内的外部加热为3段式分段式加热，并附加有一个半固态浆料保温段；第一段(15)加热温度为：480-510℃，第二段(16)加热温度为：510-582℃，第三段(17)加热温度为：588-616℃，半固态浆料保温段(18)温度为：599-616℃；每个加热段由1-3个加热器组成，每个加热器均可以独立控制。

9、根据权利要求5所述的用于镁合金半固态注射成形方法的装置，其特征在于所述的保护气体为氩气。

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