CN101618438A - 一种制备半固态合金流变浆料或坯料的装置 - Google Patents

Abstract

一种制备半固态金属及合金浆料的装置，主要由电磁搅拌器、保温层、外部冷却控制器、阀门、导流管、制备坩埚、保温坩埚盖、静置坩埚、熔化坩埚和热电偶，在制备坩埚的中部设有一内部冷却控制器，且内部冷却控制器的外壁与制备坩埚的内侧壁形成间隙。可以连接压铸机：压铸型定模、压铸型动模、压射室、冲头；连接挤压机：挤压模右型、挤压模左型、挤压筒、挤压杆；连接连铸机：中间包、结晶器、冷却水喷嘴、牵引机构；连接锻造机：锻造模具型腔和锻造模组成。其优点在于：设备结构简单，紧凑，投资成本少，实用性强，制备的浆料温度场和组织分布均匀，半固态合金浆料纯净，不卷气，自洁净性好，可生产大规格的半固态浆料或坯料，非常适合于半固态浆料或坯料的制备与成形。

Description

一种制备半固态合金流变浆料或坯料的装置

技术领域

本发明属于半固态金属加工技术领域，涉及一种制备半固态合金流变浆料或坯料的装置和方法。特别提供了一种可用来制备大规格半固态合金流变浆料或坯料的装置和方法。

背景技术

自从二十世纪七十年代美国麻省理工学院的Flemings教授发明了半固态金属成形技术以来，半固态金属浆料的制备和成形技术作为一种新型的技术立即引起了世界各国的广泛关注，纷纷投入大量的人力、物力和财力对此技术进行相关的研究和开发，目前许多金属浆料的制备方法已经发明出来，目前见诸于相关报道的主要有：电磁搅拌法；机械搅拌法；双螺旋搅拌法，单螺旋搅拌法；低过热度浇注和弱电磁搅拌法；气泡法，低过热度倾斜板浇注法，熔体混合法等制浆方法。同样的也开发出许多半固态合金的成形技术，主要的有：传统的机械搅拌式流变成形技术；双螺旋机械搅拌式流变成形技术；近液相线浇注式流变成形技术；低过热度倾斜板浇注式流变成形技术；低过热度浇注和弱电磁搅拌式流变成形技术；低过热度浇注和弱机械搅拌式流变成形技术等。而在上述发明的半固态浆料制浆方法和流变成形方法中，电磁搅拌浆料制备技术具有不污染合金、合金浆料纯净，控制参数易于调节，可以连续生产流变浆料或连续铸锭等优点，因此已经投入商业化生产且获得了较大范围的应用，成为目前生产半固态金属及合金浆料主要的制备方式，但是由于电磁感应趋肤效应的存在，使浆料内部所受的电磁搅拌力存在明显的区别，浆料表层受到的搅拌力大而内部小，导致制备的半固态浆料组织分布不均匀。因此目前半固态制浆行业普遍将电磁感应存在的趋肤效应看作为一种不利的因素而极力加以避免，制浆生产中也往往采用降低电磁搅拌频率、增加电磁场的趋肤深度的手段来克服趋肤效应对浆料组织的不利影响，试图获得较为理想的半固态浆料组织。

在电磁搅拌制备半固态金属及合金浆料或坯料的方法和设备中，美国4434837号专利和4229210都公开了几种制备半固态金属及合金浆料和坯料的电磁搅拌方法，其主要原理是利用强烈的电磁搅拌打碎初生枝晶，抑制初生晶粒向枝晶状生长，从而制备出球状或粒状初生晶粒的半固态金属及合金浆料。在上述专利公开的有关电磁搅拌方法和设备中，未提到浆料内部的冷却问题，也未提到内部冷却机构。但是在采用上述专利公开的电磁搅拌方法制备半固态浆料时，浆料温度场的分布不均匀，浆料的外层散热快，而浆料内部中心散热慢，导致初生晶粒在空间和时间上的产生存在明显的差别，浆料外层初生晶粒先析出，而浆料内部初生晶粒后析出，这样最终会导致浆料组织的不均匀性，对于大尺寸和大规格的浆料或坯料更为如此。而且由于电磁感应磁场的趋肤效应，使磁场强度从浆料的外缘到中心呈指数式递减，导致浆料的外层受到的搅拌作用强，而在浆料的中心受到的搅拌作用很弱，因此在采用此方法得到的浆料或坯料组织中，组织分布很不均匀，外层细小，而内层粗大，且组织形态也不相同，外层的初生晶粒呈球状或粒状，而中心呈树枝晶或蔷薇状，因此采用上述方法制备的半固态浆料或坯料的尺寸也受到了限制，很难制备出优质的大尺寸和大规格的半固态金属及合金浆料或坯料，对于半固态金属或合金棒料，直径一般不超过

150，因此如何克服电磁搅拌的上述缺点、制备出组织均匀、细小的半固态金属及合金浆料或坯料，尤其是制备出大规格大尺寸的半固态金属及合金浆料或坯料，将具有十分重要的意义和现实价值。

中国专利200420112702.0也提出了一种复合电磁搅拌法连续制备半固态金属浆料的装置，该装置的主要结构和原理是：在中间包内施加电磁搅拌，使中间包过热的液体整体均匀降温到液相线温度，在导流管外均施加强烈电磁搅拌，金属液流可获得充分快速的冷却，使形核数量大幅增加，凝固组织明显细化。采用上述设备制备半固态金属浆料，可解决现有技术中由于单纯静置保温控制浇注金属液体接近液相线温度难操作性以及由此带来的金属液体过热度太低时流动性变差的技术难题，也可避免了由于现有技术中制浆室尺寸较大、金属液体搅拌不均匀导致冷却不均匀及凝固组织不均匀的问题。在该设备中，采用了复合电磁搅拌技术，未提及到浆料的内部冷却机构。但是在采用该装置制备半固态金属浆料时，虽采用了强烈的复合电磁搅拌技术有助于半固态合金浆料的流动，但是浆料温度场的不均匀性和浆料组织的不均匀性仍然明显存在，同样也只能生产尺寸不大的半固态金属浆料或坯料，无法生产大规格的半固态合金浆料或坯料，而且该设备的电磁搅拌装备采用了变频装置，购置成本较高，结构复杂，因此也限制了该设备的推广应用，。

总之，目前国内外采用的电磁搅拌方法制备半固态金属及合金浆料或坯料的设备及装置中，即使采用低频搅拌等多种措施，也由于趋肤效应和浆料固有的散热特性的存在，浆料的温度场分布和组织的分布仍存在较大的不均匀性，不易生产出优质的半固态浆料或坯料，限制了该技术的进一步发展和应用，因此如何克服这些问题就成为目前扩大电磁搅拌技术制备半固态金属浆料应用范围的关键。

发明内容

与前述专利和目前采用的电磁搅拌方法中试图避免趋肤效应相反，本发明的目的是提供一种制备半固态金属流变浆料或坯料的装置，该装置充分利用了电磁搅拌的趋肤效应，通过该装置得到的半固态浆料组织均匀，细小，形态好，有利于生产出合格优质的大规格半固态合金坯料或浆料。

为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种制备半固态金属流变浆料或坯料的装置，该装置包括有制备坩埚，在该制备坩埚的外周由里到外依次设置有外部冷却控制器、保温系统、电磁搅拌器；在该制备坩埚上部设置静置坩埚，该静置坩埚通过其底部的导流管穿过制备坩埚上的保温盖与制备坩埚相通，在该静置坩埚上部设置有熔化坩埚；并在制备坩埚的底部设有导流管，所述的制备坩埚的底部的导流管和所述的熔化坩埚的底部的导流管均具有阀门；其特征在于：所述的制备坩埚的中部设有一内部冷却控制器，且内部冷却控制器的外壁与制备坩埚的内侧壁形成间隙。

本发明的制备半固态金属流变浆料或坯料的装置充分利用了电磁搅拌的趋肤效应，其主要原理是：根据电磁感应原理，磁场强度从浆料表面向里按指数曲线递减，越靠近浆料表面，磁感应强度越大，越靠近浆料内部，磁感应强度越小，在大于趋肤深度的部位，磁感应强度很小，也就是说为了使浆料受到较强的搅拌力，浆料内部区域的磁感应强度应足够的大，为此，可以将全部半固态合金熔体置于从浆料表面向里宽度不超过趋肤深度的区域内进行搅拌，也即搅拌区域为一狭长缝隙，使浆料形成一层厚度可适当调整的“薄膜”进行搅拌，该缝隙宽度最大为趋肤深度，当然为了达到强的搅拌强度，可进行调整缩小缝隙的宽度，缝隙越小，渗透入浆料内部的磁感应强度越强，搅拌越剧烈，搅拌也越均匀，然后将搅拌得到的半固态合金浆料储存下来进行流变成形，或制成坯料进行触变成性能。

根据该原理，本发明在制浆室中设置可通入冷却介质的内部冷却控制器，通过调整内部冷却控制器的外壁与制备坩埚的内侧壁之间形成的间隙，可使半固态合金熔体在电磁搅拌力的作用下在此缝隙中进行较为强烈的搅拌，同时内部冷却控制器中通入的冷却介质可使浆料的散热更加均匀，温度场的分布也更加均匀，得到的浆料组织分布也更为理想。

采用本发明的装置，可以克服目前的电磁搅拌装置采用变频系统带来的结构庞大复杂，投资成本高等缺点，在生产中只要采用工频就可进行电磁搅拌，而不需要采用低频搅拌，也不需要变频系统，这对降低企业的投资成本和降低半固态零部件的生产成本，扩大半固态的应用范围具有很大的现实意义和实用价值。

本发明的制备半固态流变浆料或坯料的装置的导流管可以连接压铸机、挤压机、连铸机、锻造机，进行流变压铸、流变挤压铸造、流变连铸、进行流变锻造，其连接方式如下：

本发明的制备半固态流变浆料或坯料的装置的导流管连接压铸机的结构如下：所述的制备坩埚底部的导流管连通压铸机的压射室，在压射室的一侧内设置冲头，压射室的另一侧连接压铸型定模和压铸型动模。

本发明的制备半固态流变浆料或坯料的装置的导流管连接挤压机的结构如下：所述的制备坩埚底部的导流管连通挤压机的挤压筒，挤压筒的一侧内设置挤压杆，挤压筒的另一侧连接挤压模右型和挤压模左型。

本发明的制备半固态流变浆料或坯料的装置的导流管连接连铸机的结构如下：所述的制备坩埚底部的导流管连通连铸机的中间包，中间包连通结晶器，在结晶器的出口外的四周均布若干个冷却水喷嘴，并在结晶器的出口外的下部装置有牵引机构。

本发明的制备半固态流变浆料或坯料的装置的导流管连接锻造机的结构如下：所述的制备坩埚底部的导流管连通锻造模中的锻造模型腔。

在本发明的制备半固态金属流变浆料或坯料的装置中，所述的内部冷却控制器为其内通有冷却介质的冷却通道，冷却通道是由中心管和其外套管组成，中心管的上口为冷却介质输入口，中心管的下口与外套管相通，中心管构成冷却介质输入通道；外套管的上口为冷却介质输出口，外套管构成冷却介质输出通道。

在本发明的制备半固态金属流变浆料或坯料的装置中，所述的冷却介质输入通道沿着径向方向的形状即中心管的横截面为圆形、椭圆形、方形或梯形；所述的冷却介质输入通道即中心管沿着轴向方向的形状为直管形状或弯曲管形状。

在本发明的制备半固态金属流变浆料或坯料的装置中，所述的冷却介质输出通道沿着径向方向的外观形状即外套管的横截面的外形为圆形、椭圆形、方形或梯形；所述的冷却介质输出通道即外套管沿着轴向方向的形状为直管形状、蛇形管形状、螺旋管形状、波浪管形状或其他弯曲管形状；或是外套管的内壁沿着轴向方向的形状为直管壁形状而其外壁沿着轴向方向的形状为螺旋形或波浪形。考虑到外套管制成蛇形管形状、螺旋管形状、波浪管形状或其他弯曲管形状，情况比较复杂，制作加工难度大；从制作方便上考虑，还是优选将外套管的内壁制成沿着轴向方向的形状为直管壁形状，而其外壁制成沿着轴向方向的形状为螺旋形或波浪形。

在本发明的制备半固态金属流变浆料或坯料的装置中，所述的冷却介质输入通道的材质为奥氏体不锈钢、钛、钼、钴、铬、镍、铜等非磁金属材料或石墨、陶瓷、刚玉等非金属材料；冷却介质输出通道的材质为奥氏体不锈钢、钛、钼、钴、铬、镍、铜等非磁金属材料或石墨、陶瓷、刚玉等非金属材料。在此说明，冷却介质输入通道和冷却介质输出通道的材质必须为无磁金属或非金属材料，主要是为了防止其对电磁场产生影响。

在本发明的制备半固态金属流变浆料或坯料的装置中，所述的冷却介质输入通道即中心管的内径为2～1000mm，冷却介质输出通道即外套管的内径为5～1000mm。

在本发明的制备半固态金属流变浆料或坯料的装置中，内部冷却控制器的外壁即冷却介质输出通道的外壁与制备坩埚的内侧壁之间形成的间隙为0.5～300mm。

在本发明的制备半固态金属流变浆料或坯料的装置中，所述的冷却介质输出通道的外壁沿着轴向方向的形状为螺旋形，其螺距为5～100mm，螺纹高为2～100mm。

在本发明的制备半固态金属流变浆料或坯料的装置中，所述的冷却介质输出通道的外壁沿着轴向方向的形状为波浪形，其波距为5～100mm，波纹高为2～100mm。

在本发明的制备半固态金属流变浆料或坯料的装置中冷却通道内通入的冷却介质为空气、氮气、氩气、自来水或其他冷却液体，冷却介质的温度为室温。

当内部冷却控制器中的冷却介质为气体的情况下，其进口压力为0.001MPa-0.5MPa，当内部冷却控制器中的冷却介质为液体的情况下，其进口压力为0.001MPa-1.2MPa；当外部冷却控制器中的冷却介质为气体的情况下，其进口压力为0.001MPa-0.5MPa，当外部冷却控制器中的冷却介质为液体的情况下，其进口压力为0.001MPa-1.2MPa。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1.充分利用了电磁感应的趋肤效应。将浆料全部集中在宽度为趋肤深度的薄层区域进行搅拌，浆料受到的搅拌更为剧烈，强度更大，浆料受到的搅拌更为均匀，克服常规的电磁搅拌导致的浆料内外搅拌不均，组织不均匀等问题。此外通过设置内部冷却控制器与外部冷却控制器，使半固态合金熔体的温度场均匀，得到的半固态浆料组织均匀，细小，形态好，而且内部冷却控制器的径向大小可自由选择，这样可自由调整内部冷却控制器和制备坩埚内壁之间的距离(即浆料厚度)，有利于浆料获得更大的剪切速率，获得细小均匀的组织。

2.可生产大规格的半固态合金浆料或坯料。本发明设置了内外部冷却控制器，既可使浆料得到强烈的电磁搅拌，浆料内部受到的搅拌力均匀，得到的浆料组织均匀，又可均衡半固态合金熔体的温度场，促进合金熔体大量形核，抑制树枝晶的形成或长大，最终形成半固态组织。同时，内部冷却控制器对受到搅动的合金熔体中起一定的搅拌作用，会促进初生晶粒的破碎、游离。通过上述措施，可使合金熔体的内部和外部均得到细小均匀的半固态组织，有利于生产出合格优质的大规格半固态合金坯料或浆料。

3.半固态合金浆料纯净。由于采用电磁搅拌器作为搅拌源，搅拌磁场产生的搅拌力作用在合金熔体上搅拌，可避免合金熔体的污染。

4.防止半固态合金熔体卷气。制备坩埚中的合金熔体处于相对密闭的状态，可防止半固态合金熔体的卷气，且设置的静置坩埚也可有效防止外界气体卷入制备坩埚中的合金熔体中，此外设置的内部冷却控制器可有效防止电磁搅拌磁场的运动导致合金熔体产生漩涡，合金熔体表面平缓，防止卷气。

5.熔体的自洁净性好，通过将内部冷却控制器冷却介质输出管道设置为螺旋型等形状，在电磁搅拌力的作用下，合金熔体逐步向坩埚底部汇集，可有效避免合金熔体在内部冷却控制器外壁和制备坩埚内壁的粘挂，减少清理工作量，提高合金利用率和制备坩埚、内部冷却控制器的寿命。

6.设备简单、紧凑，安装、操作方便，投资成本低，实用性强，应用范围广。与其他半固态成形方法和目前采用的常规的电磁搅拌法比较，该装置体积小，设备简单，投资成本低，企业在生产中只要采用工频就可进行电磁搅拌，而不需要采用低频搅拌，也不需要变频系统，克服目前的电磁搅拌装置采用变频系统带来的结构庞大复杂，投资成本高等缺点，可显著降低半固态合金浆料或坯料的制备成本，最终会降低半固态铸件的生产成本，增强半固态铸件的竞争力和扩大半固态铸件的应用范围，该发明既适合于铝基合金及其复合材料半固态浆料或坯料的制备，也适合于镁基合金、铜基合金、锌基合金、铁基合金和其他有色金属合金及其复合材料半固态浆料或坯料的制备。

附图说明

图1是制备半固态金属流变浆料或坯料的装置示意图。

图2是冷却介质输出通道的外壁沿着轴向方向的形状为直线形的内部冷却控制器的结构示意图。

图3是冷却介质输出通道的外壁沿着轴向方向的形状为波浪形的内部冷却控制器的结构示意图。

图4是冷却介质输出通道的外壁沿着轴向方向的形状为螺旋形的内部冷却控制器的结构示意图。

图5是装有压铸机的制备半固态金属流变浆料或坯料的装置示意图。

图6是装有挤压机的制备半固态金属流变浆料或坯料的装置示意图。

图7是装有连铸机的制备半固态金属流变浆料或坯料的装置示意图。

图8是装有锻造机的制备半固态金属流变浆料或坯料的装置示意图。

具体实施方式

图1是制备半固态金属流变浆料或坯料的装置示意图，如图1所示，该装置包括有制备坩埚6，在该制备坩埚6的外周由里到外依次设置有外部冷却控制器3、保温系统2、电磁搅拌器1；在该制备坩埚6上部设置静置坩埚11，该静置坩埚11通过其底部的导流管9穿过制备坩埚6上的保温盖8与制备坩埚6相通，在该静置坩埚11上部设置有熔化坩埚12；并在制备坩埚6的底部设有导流管5，所述的制备坩埚6的底部的导流管5和所述的熔化坩埚12的底部的导流管9均具有阀门4、10；所述的制备坩埚的中部设有一内部冷却控制器14，且内部冷却控制器14的外壁与制备坩埚6的内侧壁形成间隙，内部冷却控制器14的外壁并与制备坩埚6的底部的内壁形成空隙。且在制备坩埚6中设有热电偶13。

如图2～图4所示，图2～图4为内部冷却控制器14的结构示意图，内部冷却控制器14由冷却通道和冷却介质组成，冷却通道由冷却介质输入通道14-1和冷却介质输出通道14-2组成。冷却介质输入通道14-1为一中空底部开口的中心管，中心管的上口为冷却介质输入口，中心管沿着径向方向(截面)的形状可为圆形、椭圆形、方形，梯形或其他各种形状，中心管沿着轴向方向的形状为直管形状或弯曲管形状，其中，弯曲管形状如蛇形管形状。冷却介质输出通道14-2为一中空的底部密封的外套管，该外套管套在中心管的外部，中心管通过底部开口与外套管相通，外套管的上口为冷却介质输出口。外套管底部与侧壁可以制造为一体或通过焊接和其他方法等密封连接，冷却介质输出通道14-2沿着径向方向(截面)的外观形状即外套管的横截面的外形形状可为圆形、椭圆形、方形，梯形或其他各种形状，冷却介质输出通道即外套管沿着轴向方向的形状为直管形状、蛇形管形状、螺旋管形状、波浪管形状或其他弯曲管形状；或是外套管的内壁沿着轴向方向的形状为直管壁形状而其外壁沿着轴向方向的形状为螺旋形或波浪形。其中，在图2中，外套管沿着轴向方向的形状为直管形状；在图3中，外套管的内壁沿着轴向方向的形状为直管壁形状而其外壁沿着轴向方向的形状为波浪形；在图4中，外套管的内壁沿着轴向方向的形状为直管壁形状而其外壁沿着轴向方向的形状为螺旋形。

冷却介质输入通道14-1的材质可为钢、铜、钛、钨、钼铝或锌等非磁性金属材料或者石墨或陶瓷等非金属材料。冷却介质输出通道14-2的材质可为石墨或陶瓷等非金属材料。冷却介质输入通道14-1置于冷却介质输出通道14-2内，形成冷却介质冷却通道，冷却介质输入通道14-1与冷却介质输出通道14-2可采用螺栓连接、焊接或其他方法连接成一体。冷却介质可为空气、氮气、氩气等气体或水，冷却介质的温度为室温。冷却介质输入通道14-1的内径在2～200mm，冷却介质输出通道14-2的内径为5～300mm。对于形状为波浪型的冷却介质输出管道，其波距L为5～100mm，波纹高h为2～100mm，如图3所示；对于形状为螺旋形的冷却介质输出管道，其螺距L’为5～100mm，螺纹高h’为2～100mm，如图4所示。

外部冷却控制器3的主要功能是在冷却管道内通入冷却介质使合金熔体冷却到所需的温度，它主要由冷却管道和冷却介质组成，冷却管道为一中空的冷却管，冷却管截面形状可为圆形、椭圆形、方形、梯形或其他形状，冷却管沿着轴向方向的形状为直管形状、蛇形管形状、螺旋管形状、波浪管形状或其他弯曲管形状；或是冷却管的内壁沿着轴向方向的形状为直管壁形状而其外壁沿着轴向方向的形状为螺旋形或波浪形。冷却通道的材质可为钢、铜、铝、锌或镁等金属基材料或者陶瓷等非金属材料。冷却介质可为空气、氮气或氩气等的气体，冷却介质的温度为室温。外部冷却控制器11置于保温系统内部，环绕制备坩埚并距离制备坩埚一定距离(10mm～300mm)。

如图1所示，阀门4和阀门10的主要功能就是控制合金熔体的流动，阀门4控制半固态合金熔体7向导流管5的流动，而阀门10控制静置坩埚11中合金熔体向制备坩埚6的流动，阀门4和阀门10可采用手动或机械控制。

如图1所示，导流管5和导流管9的主要功能是导入合金熔体或半固态合金浆料，导流管5的上部与制备坩埚6连接；导流管9的上部与静置坩埚11连接，下部通入制备坩埚6中的半固态合金熔体7中，导流管5和9的外部缠绕加热器来控制导流管的温度。

制备坩埚6的主要功能是盛放合金熔体，制备坩埚的截面形状可为圆形、方形或椭圆形等各种形状，制备坩埚的材质可为石墨，铜或其他非磁金属或非金属。

电磁搅拌器1的主要功能是产生很强的电磁力搅动合金熔体，使合金熔体发生强烈的搅拌，电磁搅拌器可为旋转的电磁搅拌器、行波电磁搅拌器、复合电磁搅拌器和其他形式的电磁搅拌器。

如图5所示的是半固态金属和合金浆料流变压铸装备示意图，是将如图1所示的半固态流变浆料制备装置直接放置或固定在压铸机的上方连接而成的装备。压铸机由压铸型定模15、压铸型动模16、压射室17和冲头19组成。导流管5置于压射室17的上方以方便流变浆料流进压射室17。

如图6所示的是半固态金属和合金浆料流变挤压装备示意图，是将如图1所示的半固态流变浆料制备装置直接放置或固定在挤压机的上方连接而成的装备。挤压机由挤压模右型20、挤压模左型21、挤压筒22和挤压杆23组成。导流管5置于挤压筒22的上方以方便流变浆料流进挤压筒22。

如图7所示的是半固态金属和合金浆料连铸装备示意图，是将如图1所示的半固态流变浆料制备装置直接放置或固定在连铸机的上方连接而成的装备。连铸装备由中间包24、结晶器25、冷却水喷嘴26和牵引机构27组成。导流管5置于中间包24的上方以方便流变浆料流进中间包24，

如图8所示的是半固态金属和合金浆料流变锻造装备示意图，是将如图1所示的半固态流变浆料制备装置直接放置或固定在锻造机的上方连接而成的装备。锻造装备是由锻造模30及其内的锻造模具型腔29组成，其中导流管5置于锻造模具型腔29的上方以方便流变浆料流进锻造模具型腔29。

本发明的制备半固态金属流变浆料或坯料的装置的主要实施方式为：

参照图1、图2、图5，这是按上述技术特点提供的工艺流程及装置。过热的ZL101A铝合金熔体通过熔化坩埚12熔化，熔化坩埚12为电磁感应加热炉，保温性能良好，可保证ZL101A合金熔体有具有较高的控温精度，控温精度为±10℃，静置坩埚11为一保温性能优良的坩埚，下端开口与导流管9相连，静置坩埚11的底部开口且设置一阀门10，可控制静置坩埚内合金熔体向制备坩埚6中的流动，静置坩埚11可为制备坩埚6中提供足量的合金液，该静置坩埚11可保证合金熔体的温度在液相线以上30～200℃，控温精度在±10。导流管9的上部与静置坩埚11相连，下部开口通入制备坩埚6中的合金熔体中，导流管9的外部缠绕电阻加热器，该加热器将导流管的温度加热到400℃，制备坩埚6置于保温系统2内部，制备坩埚6的内径尺寸为80×160mm，制备坩埚上部设置隔热性能优良的坩埚盖8，内部冷却控制器14的冷却介质输出管道14-2采用如图2所示的结构，外径为

60mm，材质为石墨，预热温度300℃。内部冷却控制器14的冷却介质输出管道14-2的外壁与制备坩埚11的内侧壁距离为10mm。内部冷却控制器冷却介质输出管道14-2的底部与制备坩埚底部的内壁距离为40mm。内部冷却控制器14的冷却介质输入管道14-1的外径为

25，管道厚为3mm，材质为不锈钢，温度为室温。保温系统2是一中空且顶部与坩埚盖8连接的近乎密闭的筒式结构。其四周由良好的绝热材料组成，这一保温系统可保证制备坩埚中的合金熔体缓慢冷却，冷却速度为0.1～5℃/min，外部冷却控制器3环绕在制备坩埚6的外部且距制备坩埚外壁20mm，外部冷却控制器3的冷却管道壁上开设通气小孔，小孔直径为4mm，调节外部冷却控制器3的冷却介质流量可使制备坩埚外壁冷却速度为1～60℃/min，冷却介质采用室温空气。压铸机由压铸型定模15、压铸型动模16、压射室17和压射冲头19组成。导流管5与制备坩埚6下口相连，制备坩埚6下口设一阀门4，控制半固态合金熔体向压射室的流动。将一定量的670℃的ZL101A合金液浇入静置坩埚11中，盖上坩埚盖8，静置10～20s，打开阀门10，使过热的ZL101A合金液顺着导流管9流入制备坩埚中6，待流入的合金熔体量达到制备坩埚6容积的约2/3时，关闭阀门10，开启电磁搅拌器1，设置电磁搅拌器的名义功率为1300W，同时控制内部、外部冷却控制器14、3中的冷却介质的流量，使熔体的冷却速度为5℃/min，待热电偶13指示的温度为580～600℃，即可得到半固态ZL101A铝合金浆料，此时关闭电磁搅拌器1和内部、外部冷却控制器14、3，打开阀门4，将半固态ZL101A铝合金浆料7通过导流管5流入压射室17，导流管5的温度控制在500℃，压射室17和压射冲头19、压铸型定模15和压铸型动模16的预热温度为250℃，待开启阀门4约5s半固态浆料7全部流出后，关闭阀门4，同时压铸机冲头19将半固态浆料7压入压铸型型腔，加压成形约4～8s，然后取出压铸件，完成一次半固态ZL101A铝合金浆料的流变压铸，流变压铸的同时开启阀门10，将过热的ZL101A合金液流入制备坩埚6中，进入下一次流变压铸。

参照图1、图2、图6，这是按上述技术特点提供的工艺流程及装置。过热的ZL101A铝合金熔体通过熔化坩埚12熔化，熔化坩埚12为电磁感应加热炉，保温性能良好，可保证ZL101A合金熔体有具有较高的控温精度，控温精度为±10℃，静置坩埚11为一保温性能优良的坩埚，下端开口与导流管9相连，静置坩埚11的底部开口且设置一阀门10，可控制静置坩埚内合金熔体向制备坩埚6中的流动，静置坩埚11可为制备坩埚6中提供足量的合金液，该静置坩埚11可保证合金熔体的温度在液相线以上30～200℃，控温精度在±10。导流管9的上部与静置坩埚11相连，下部开口通入制备坩埚6中的合金熔体中，导流管9的外部缠绕电阻加热器，该加热器将导流管的温度加热到400℃，制备坩埚6置于保温系统2内部，制备坩埚6的内径尺寸为

80×160mm，制备坩埚上部设置隔热性能优良的坩埚盖8。内部冷却控制器14的冷却介质输出管道14-2采用如图2所示的结构，外径为

60mm，材质为石墨，预热温度300℃。内部冷却控制器冷却介质输出管道14-2的外壁与制备坩埚内侧壁距离为10mm。内部冷却控制器冷却介质输出管道14-2的底部与制备坩埚底部内壁距离为40mm。内部冷却控制器的冷却介质输入管道14-1的外径为

25，管道厚为3mm，材质为不锈钢，温度为室温。保温系统2是一中空且顶部与坩埚盖8连接的近乎密闭的筒式结构。其四周由良好的绝热材料组成，这一保温系统可保证制备坩埚中的合金熔体缓慢冷却，冷却速度为0.1～5℃/min，外部冷却控制器3环绕在制备坩埚6的外部且距制备坩埚外壁20mm，外部冷却控制器3的冷却管道壁上开设通气小孔，小孔直径为4mm，调节外部冷却控制器3的冷却介质流量可使制备坩埚外壁冷却速度为1～60℃/min，冷却介质采用室温空气。挤压机由挤压模右型20、挤压模左型21、挤压筒22和挤压杆23组成。导流管5与制备坩埚6下口相连，制备坩埚6下口设一阀门4，控制半固态合金熔体向压射室的流动。将一定量的670℃的ZL101A合金液浇入静置坩埚11中，盖上坩埚盖8，静置10～20s，打开阀门10，使过热的ZL101A合金液顺着导流管9流入制备坩埚中6，待流入的合金熔体量达到制备坩埚6容积的约2/3时，关闭阀门10，开启电磁搅拌器1，设置电磁搅拌器的名义功率为1300W，同时控制内部、外部冷却控制器中14、3的冷却介质的流量，使熔体的冷却速度为5℃/min，待热电偶13指示的温度为580～600℃，即可得到半固态ZL101A铝合金浆料，此时关闭电磁搅拌器1和内部、外部冷却控制器14、3，打开阀门4，将半固态ZL101A铝合金浆料7通过导流管5流入挤压筒22，导流管5的温度控制在500℃，挤压模右型20、挤压模左型21、挤压筒22和挤压杆23的预热温度为250℃，待开启阀门4约5s半固态浆料7全部流出后，关闭阀门4，同时挤压杆23将半固态浆料7压入挤压模右型20和挤压模左型21之间的型腔，加压成形约4～8s，然后取出挤压件，完成一次半固态ZL101A铝合金浆料的流变挤压铸造，流变挤压的同时开启阀门10，将过热的ZL101A合金液流入制备坩埚6中，进入下一次流变挤压铸造。

参照图1、图4、图7，这是按上述技术特点提供的工艺流程及装置。过热的ZL101A铝合金熔体通过熔化坩埚12熔化，熔化坩埚12为电磁感应加热炉，保温性能良好，可保证ZL101A合金熔体有具有较高的控温精度，控温精度为±10℃，静置坩埚11为一保温性能优良的坩埚，下端开口与导流管9相连，静置坩埚11的底部开口且设置一阀门10，可控制静置坩埚内合金熔体向制备坩埚中6的流动，静置坩埚11可为制备坩埚6中提供足量的合金液，该静置坩埚11可保证合金熔体的温度在液相线以上30～200℃，控温精度在±10。导流管9的上部与静置坩埚11相连，下部开口通入制备坩埚6中的合金熔体中，导流管9的外部缠绕电阻加热器，该加热器将导流管的温度加热到400℃，制备坩埚6置于保温系统2内部，上部设置隔热性能优良的坩埚盖8，制备坩埚6的内径尺寸为

80×480mm，内部冷却控制器14的冷却介质输出管道14-2采用螺旋形机构，如图4所示，材质为石墨，预热温度为300℃，螺距高L’为10mm，螺纹高h’为5mm，螺纹外壁与制备坩埚内侧壁距离为10mm。内部冷却控制器冷却介质输出管道14-2的底部与制备坩埚底部的内壁距离为40mm。内部冷却控制器的冷却介质输入管道14-1的外径为

25，管道厚为3mm，材质为不锈钢，温度为室温。保温系统2是一中空且顶部与坩埚盖8连接的近乎密闭的筒式结构。其四周由良好的绝热材料组成，这一保温系统可保证制备坩埚中的合金熔体缓慢冷却，冷却速度为5℃/min，外部冷却控制器3环绕在制备坩埚6的外部且距制备坩埚外壁20mm，外部冷却控制器3的冷却管道壁上开设通气小孔，小孔直径为4mm，调节外部冷却控制器3的冷却介质流量可使制备坩埚外壁冷却速度为5℃/min，冷却介质采用室温空气。连铸装备由中间包24、结晶器25、冷却水喷嘴26和牵引机构27组成。导流管5置于中间包24的上方，导流管5的直径为

72mm，中间包的内部尺寸为240×120×80mm，导流管5与制备坩埚6下口相连，制备坩埚6下口设一阀门4，控制半固态合金熔体向压射室的流动。将670℃的ZL101A合金液浇入静置坩埚11中，盖上坩埚盖8，静置10～20s，打开阀门10，使过热的ZL101A合金液顺着导流管9流入制备坩埚6与内部冷却控制器冷却介质输出管道14-2螺纹之间的间隙中，同时开启电磁搅拌器1，设置电磁搅拌器的名义功率为1300W，控制内部、外部冷却控制器中14、3中冷却介质的流量，使熔体的冷却速度为5℃/min，这样合金熔体在间隙中流动的同时将受到强烈的电磁搅拌作用，待热电偶13指示的合金浆料温度降低到600℃时，即可得到半固态ZL101A铝合金浆料7，这些铝合金浆料7通过导流管5流入中间包24，然后在连铸机的结晶器25、冷却水喷嘴26、牵引机构27的共同作用下连铸成半固态金属和合金坯料28。通过上述反复动作，将不断的得到半固态坯料28，这些坯料可作为触变成形用的半固态坯料。

参照图1、图2、图8，这是按上述技术特点提供的工艺流程及装置。过热的ZL101A铝合金熔体通过熔化坩埚12熔化，熔化坩埚12为电磁感应加热炉，保温性能良好，可保证ZL101A合金熔体有具有较高的控温精度，控温精度为±10℃，静置坩埚11为一保温性能优良的坩埚，下端开口与导流管9相连，静置坩埚11的底部开口且设置一阀门10，可控制静置坩埚内合金熔体向制备坩埚中6的流动，静置坩埚11可为制备坩埚6中提供足量的合金液，该静置坩埚11可保证合金熔体的温度在液相线以上30～200℃，控温精度在±10。导流管9的上部与静置坩埚11相连，下部开口通入制备坩埚6中的合金熔体中，导流管9的外部缠绕电阻加热器，该加热器将导流管的温度加热到400℃，制备坩埚6置于保温系统2内部，制备坩埚6的内径尺寸为

80×160mm，制备坩埚上部设置隔热性能优良的坩埚盖8。内部冷却控制器14的冷却介质输出管道14-2采用如图2所示的结构，外径为

60mm，材质为石墨，预热温度300℃。内部冷却控制器冷却介质输出管道14-2的外壁与制备坩埚内侧壁距离为10mm。内部冷却控制器冷却介质输出管道14-2的底部与制备坩埚底部的内壁距离为40mm。内部冷却控制器的冷却介质输入管道14-1的外径为

25，管道厚为3mm，材质为不锈钢，温度为室温。保温系统2是一中空且顶部与坩埚盖8连接的近乎密闭的筒式结构。其四周由良好的绝热材料组成，这一保温系统可保证制备坩埚中的合金熔体缓慢冷却，冷却速度为0.1～5℃/min，外部冷却控制器3环绕在制备坩埚6的外部且距制备坩埚外壁20mm，外部冷却控制器3的冷却管道壁上开设通气小孔，小孔直径为4mm，调节外部冷却控制器3的冷却介质流量可使制备坩埚外壁冷却速度为1～60℃/min，冷却介质采用室温空气。导流管5置于锻造模的上方利于浆料顺利流入锻造模30的型腔29。导流管5的上端与制备坩埚6下口相连，制备坩埚6下口设一阀门4，控制半固态合金熔体向锻造模型腔29的流动。将一定量的670℃的ZL101A合金液浇入静置坩埚11中，盖上坩埚盖8，静置10～20s，打开阀门10，使过热的ZL101A合金液顺着导流管9流入制备坩埚中6，待流入的合金熔体量达到制备坩埚6容积的约2/3时，关闭阀门10，开启电磁搅拌器1，设置电磁搅拌器的名义功率为1300W，同时控制内部、外部冷却控制器中14、3中冷却介质的流量，使熔体的冷却速度为5℃/min，待热电偶13指示的温度为590℃，即可得到半固态ZL101A铝合金浆料，此时关闭电磁搅拌器1和内部、外部冷却控制器3、14，打开阀门4，将半固态ZL101A铝合金浆料7通过导流管5流入锻造模型腔29，导流管5的温度控制在500℃，锻造模型腔29的预热温度为250℃，待开启阀门4约5s半固态浆料7全部流出后，关闭阀门4，同时锻造机的模具开始合型将半固态金属和合金浆料成形，加压成形约4～8s，然后取出锻造件，完成一次半固态ZL101A铝合金浆料的流变锻造，流变锻造的同时开启阀门10，将过热的ZL101A合金液流入制备坩埚6中，进入下一次流变锻造。

为实施该发明的装置既适合于铝基合金的半固态浆料的制备与成型，也适合于镁基合金、锌基合金、铜基合金、镍基合金、钴基合金和铁基合金及其复合材料的半固态浆料的制备与成形。

Claims (14)

1、一种制备半固态金属流变浆料或坯料的装置，该装置包括有制备坩埚，在该制备坩埚的外周由里到外依次设置有外部冷却控制器、保温系统、电磁搅拌器；在该制备坩埚上部设置静置坩埚，该静置坩埚通过其底部的导流管穿过制备坩埚上的保温盖与制备坩埚相通，在该静置坩埚上部设置有熔化坩埚；并在制备坩埚的底部设有导流管，所述的制备坩埚的底部的导流管和所述的熔化坩埚的底部的导流管均具有阀门；其特征在于：所述的制备坩埚的中部设有一内部冷却控制器，且内部冷却控制器的外壁与制备坩埚的内侧壁形成间隙。

2、按照权利要求1所述的制备半固态金属流变浆料或坯料的装置，其特征在于：所述的制备坩埚底部的导流管连通压铸机的压射室，在压射室的一侧内设置冲头，压射室的另一侧连接压铸型定模和压铸型动模。

3、按照权利要求1所述的制备半固态金属流变浆料或坯料的装置，其特征在于：所述的制备坩埚底部的导流管连通挤压机的挤压筒，挤压筒的一侧内设置挤压杆，挤压筒的另一侧连接挤压模右型和挤压模左型。

4、按照权利要求1所述的制备半固态金属流变浆料或坯料的装置，其特征在于：所述的制备坩埚底部的导流管连通连铸机的中间包，中间包连通结晶器，在结晶器的出口外的四周均布若干个冷却水喷嘴，并在结晶器的出口外的下部装置有牵引机构。

5、按照权利要求1所述的制备半固态金属流变浆料或坯料的装置，其特征在于：所述的制备坩埚底部的导流管连通锻造模中的锻造模型腔。

6、按照权利要求1-5中的任意一项所述的制备半固态金属流变浆料或坯料的装置，其特征在于：所述的内部冷却控制器为其内通有冷却介质的冷却通道，冷却通道是由中心管和其外套管组成，中心管的上口为冷却介质输入口，中心管的下口与外套管相通，中心管构成冷却介质输入通道；外套管的上口为冷却介质输出口，外套管构成冷却介质输出通道。

7、按照权利要求6所述的制备半固态金属流变浆料或坯料的装置，其特征在于：所述的冷却介质输入通道沿着径向方向的形状即中心管的横截面为圆形、椭圆形、方形或梯形；所述的冷却介质输入通道即中心管沿着轴向方向的形状为直管形状或弯曲管形状。

8、按照权利要求7所述的制备半固态金属流变浆料或坯料的装置，其特征在于：所述的冷却介质输出通道沿着径向方向的外观形状即外套管的横截面的外形为圆形、椭圆形、方形或梯形；所述的冷却介质输出通道即外套管沿着轴向方向的形状为直管形状、蛇形管形状，螺旋管形状、波浪管形状或其他弯曲管形状；或是外套管的内壁沿着轴向方向的形状为直管壁形状而其外壁沿着轴向方向的形状为螺旋形或波浪形。

9、按照权利要求6所述的制备半固态金属流变浆料或坯料的装置，其特征在于：所述的冷却介质输入通道的材质为奥氏体不锈钢、钛、钼、钴、铬、镍或铜等非磁金属材料，或者石墨、陶瓷或刚玉等非金属材料；冷却介质输出通道的材质为奥氏体不锈钢、钛、钼、钴、铬、镍或铜等非磁金属材料，或者石墨、陶瓷或刚玉等非金属材料。

10、按照权利要求6所述的制备半固态金属流变浆料或坯料的装置，其特征在于：所述的冷却介质输入通道即中心管的内径为2～1000mm，冷却介质输出通道即外套管的内径为5～1000mm。

11、按照权利要求6所述的制备半固态金属流变浆料或坯料的装置，其特征在于：内部冷却控制器的外壁即冷却介质输出通道的外壁与制备坩埚的内侧壁之间形成的间隙为0.5～300mm。

12、按照权利要求6所述的制备半固态金属流变浆料或坯料的装置，其特征在于：所述的冷却介质输出通道的外壁沿着轴向方向的形状为螺旋形，其螺距为5～100mm，螺纹高为2～100mm。

13、按照权利要求6所述的制备半固态金属流变浆料或坯料的装置，其特征在于：所述的冷却介质输出通道的外壁沿着轴向方向的形状为波浪形，其波距为5～100mm，波纹高为2～100mm。

14、按照权利要求6所述的制备半固态金属流变浆料或坯料的装置，其特征在于：冷却通道内通入的冷却介质为空气、氮气、氩气、自来水或其他冷却液体，冷却介质的温度为室温。

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