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

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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:l)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)收縮率小,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,生成縮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
6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10-30pm的球形金属颗粒,内部晶粒尺寸为3-8umm; 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) mmX (1-1.5)鍾X (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
7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:480-51(TC,第二 段加热温度为..510-582",第三段加热温度为:588-616°C,半固态 浆料保温段温度为:599-616°C;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) mmX (1.2),X (2.5)mrn 的金属切屑的含量大于70%,其余切屑尺寸为(1-1. 5)mmX (1-1. 5)咖 X(2-3)mm),镁合金球形金属粉末为AZ91合金(尺寸为20um金属 粉末含量在70%以上,其余粉末尺寸为10-30 u m);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;
9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 IO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:480-49(TC,第二 段16加热温度为:510-566°C,第三段17加热温度为:588-599。C半 固态浆料保温段18温度为:599°C),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,形成半固态桨料。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),进入半固态桨料保温 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)咖X(1.2)mmX(2.5)鹏的金属切屑的含量 大于70%,其余切屑尺寸为(1-1.5) raraX(l-1.5)腿X(2-3)腿),镁 合金球形金属粉末:AM50合金(尺寸20 ii m金属粉末含量在70%以上, 其余粉末尺寸为10-30ii m );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:490-51(TC, 第二段16加热温度为:510-566°C ,第三段17加热温度为:593-610°C 半固态浆料保温段18温度为:60(TC),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) mmX (1. 2)mmX (2. 5)mm的金属切屑的含量 大于70%,其余切屑尺寸为(1-1.5) mmX(l-1.5)咖X(2-3)咖),铝合金球形金属粉末:纯铝(尺寸为尺寸20ym金属粉末含量在7(F。以 上,其余粉末尺寸为10-30ym );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°C,第二段16加热温度为:538-582°C, 第三段17加热温度为:593-616。C半固态浆料保温段18温度为: 616'C),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。
12

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 10-30um的球形金属颗粒,内部晶粒尺寸为3-8umm;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)mmX (1-1. 5)mmX (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迸行控制和调 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:480-51(TC, 第二段(16)加热温度为:510-582°C,第三段(17)加热温度为: 588-616°C,半固态浆料保温段(18)温度为:599-616°C;每个加热 段由l-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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