CN101670425B - 一种制备金属半固态浆料的方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种金属材料的半固态加工的方法和相应的装置，属于金属加工的近终成形技术领域。本发明是采用圆形料筒与相应的圆柱形冲头配合的柱塞式射料机构，通过压力作用使金属熔体从圆形料筒经过转弯流经截面积小于圆形料筒的扁平通道，金属熔体在压力作用下，流经方向改变、截面尺寸减小的通道而产生强烈的剪切、激冷，促使先共晶相快速形核长大并被破碎细化，获得高质量的金属半固态浆料。本发明的方法和装置可满足短流程制备无氧化、质量良好的金属半固态浆料，同时可实现金属液的准确定量和温度控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属材料的半固态加工的方法和装置，属于金属加工的近终成形技术领域。
背景技术
在金属凝固过程中，在固液两相共存温度区间进行剧烈搅拌、或改变金属的热状态、或加入晶粒细化剂、或进行快速凝固，得到一种液态金属母液中均匀悬浮着一定球状初生固相的固液混合浆料，这种半固态金属浆料具有流变特性，即在外力作用下半固态金属浆料具有很好的流动性，易于通过普通加工方法制成产品，采用这种即非完全液态，又非完全固态的金属浆料加工成形的方法，称为半固态金属加工技术(Semi-Solid Metal forming，简称SSM)。
半固态金属加工技术是一种高效节能的近终成形新技术，与过热液态金属铸造相比，半固态金属含有一定体积分数的球状初生固相，半固态金属成形零件致密、力学性能高、机械加工量少、模具寿命长；与固态金属锻造相比，半固态金属含有一定体积分数的液相，半固态金属成形零件复杂、易于近终成形(Net-shape)、机械加工量少。因此，半固态金属工艺的主要优点有：(1)产品晶粒细化，没有粗大的树枝状结晶，可消除内部裂纹、孔隙、成分偏析等铸造缺陷，铸件致密度高，质量均匀；(2)减轻了铸造装置和模具的热负荷，可延长设备寿命和大幅度提高生产率；(3)能直接加工成接近最终形状的制品；(4)与现行工艺相比，半固态加工技术可大幅度缩减制造工序，且生产率高、便于实现自动化等。由于具有以上优点，半固态金属成形技术研究及应用引起世界各国的高度重视，涌现了机械搅拌法、电磁搅拌法、应变诱发熔体激活法、等温热处理法、固液混合铸造法、冷却斜槽法(倾斜板法)等各种各样的浆料制备方法。
但是上述单一的方法存在金属液容易被氧化、温度控制要求苛刻、定量不方便、流程长等问题。针对上述问题本发明提出了一种短流程、防止氧化、定量方便、温度控制方便、适于压铸或挤压铸造金属半固态流变成形的浆料制备方法和装置。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种制备金属半固态浆料的方法及其装置，可满足短流程制备无氧化、质量良好的金属半固态浆料，同时可实现金属液的准确定量和温度控制。
解决本发明的技术问题所采用的制备金属半固态浆料的方法是：通过压力 作用使金属熔体从圆形料筒经过转弯流经截面积小于圆形料筒的扁平通道，在金属熔体内部形成细小圆整的先共晶相，获得金属半固态浆料。
所述的圆形料筒与扁平通道的转弯角度为可调整90°～120°，扁平通道工作温度为50℃～250℃，且整个压力制备金属半固态浆料过程在密封状态进行。
本发明所述方法的具体工艺步骤为：(1)将圆柱形冲头送入到圆形料筒中间位置，开启圆形料筒的加热元件，预热至150℃～300℃，预热过程中喷洒涂料；(2)将扁平冲头送入到扁平通道中间位置，开启扁平通道的加热元件，预热至50℃～250℃，预热过程中喷洒涂料；(3)将铰接的两半扁平通道合型；(4)将定量好的金属液通过圆形料筒的料口倒入其中，开启圆柱形冲头，将金属熔体挤入扁平通道内；(5)待金属熔体全部压入扁平通道内，启动扁平冲头，制备出固相分数在0.1～0.9之间的金属半固态浆料，并将扁平通道内的浆料全部送入压铸机的料室或挤压铸造机的模具内。
本发明所采用的相应装置的结构为：金属液的入料端设置圆形料筒与相应的圆柱形冲头配合的柱塞式射料机构，圆形料筒的末端连接截面积小于圆形料筒的扁平通道，且二者成90°～120°夹角，扁平通道的入口端配置有扁平冲头，扁平通道的出口端连接压铸机的料室或挤压铸造机的模具。
本发明装置的扁平通道在垂直于短轴方向分为两半，通过铰链将两半连接起来，从而方便清理通道和在通道内喷洒涂料，且扁平通道的截面宽度方向与圆形料筒的径向一致。
在所述的制备金属半固态浆料的装置中，圆形料筒和扁平通道的壁上都分别设置有加热元件和冷却元件。圆形料筒和扁平通道的壁上的加热元件采用电阻加热元件，冷却元件采用冷却水通道。
本发明所述装置的圆形料筒的内径等于扁平通道的宽，扁平通道的厚等于3mm～6mm，扁平通道的长度为300mm～500mm。
本发明的有益效果是：
(1)在压力作用下，圆柱形冲头和扁平冲头能够将金属熔体全部挤出进入下一道成形工序，不会在通道内中粘连而残留，实现金属熔体的准确定量；
(2)在压力作用下，金属熔体首先在料筒内就被强制过冷，促使初生相形核；
(3)变通道角(90°～120°)对在压力作用下流动的金属熔体产生强烈的剪切作用，可进一步促进形核，同时破碎初生相；
(4)金属熔体在压力作用下，流经尺寸较小的扁平通道内被再次过冷、剪切，初生相进一步大量形核、破碎细化；
(5)半固态浆料在压力作用下流动而得，通过调节通道的温度，固相分数能够在0.1～0.9之间进行控制，尤其在高固相分数的浆料制备方面具有显著的优势；
(6)圆柱形料筒、扁平通道背面均设置冷却和加热装置，通过调节冷却水流量和加热电流，达到方便、准确控制浆料制备温度；
(7)将本装置安装在压力铸造机或挤压铸造机的进料系统上端，能够实现短流程半固态流变压力铸造或挤压铸造成形；
(8)由于浆料靠压力送入压铸机或挤压铸造机的进料系统，在不改变上述设备的结构条件下，能够方便实现高固相分数半固态金属的压铸和挤压铸造流变成形；
(9)整个浆料的制备过程都在密闭的系统中进行，能够有效防止金属熔体被氧化。
附图说明
图1为本发明制备金属半固态浆料的装置结构示意图，
图2为本发明制备金属半固态浆料的装置的扁平通道示意图，
图3采用本发明方法获得的Al-Si合金半固态组织显微对比图像。
在图1、2中各标号依次表示：圆柱形冲头1、料筒料口2、圆形料筒3、料筒加热元件4、料筒冷却元件5、扁平冲头6、左半扁平通道7、左半扁平通道冷却元件8、左半扁平通道加热元件9、右半扁平通道10、右半扁平通道加热元件11、右半扁平通道冷却元件12、压铸机冲头13、压铸机料室14、压铸机料口15。
在图3中，(a)为铸态组织显微图像，(b)为半固态组织显微图像。可见变通道角对先共晶α和过共晶Si相产生了显著的细化和球化效果，同时对共晶α和共晶Si都有很大程度的细化和球化。
具体实施方式
实施例
参见图1、2，本发明的装置包括通道系统、温度控制系统及辅助装置三大部分。其中通道系统由圆柱形冲头1、、扁平冲头6、左半扁平通道7、右半扁平通道10组成，圆形料筒3与相应的圆柱形冲头1配合成为柱塞式射料机构，而扁平冲头6与左半扁平通道7和右半扁平通道10配合成为另一柱塞式射料机构。温度控制系统由料筒加热元件4、左半扁平通道加热元件9和右半扁平通道加热元件11、料筒冷却元件5、左半扁平通道冷却元件8和右半扁平通道冷却元件12组成，这些加热和冷却元件均分别设置在圆形料筒和扁平通道的外壁中。辅助装置由提供压力的液压系统、温度监测和记录系统、装置的固定等系统、压铸机冲头13和压铸机料室14组成。圆形料筒3和扁平通道7和10的壁上的加热元件采用电阻加热元件，冷却元件则都采用冷却水通道。圆形料筒3的内径等于两半组合成的扁平通道之宽，扁平通道的厚等于3mm～6mm，扁平通道的长度为300mm～500mm。扁平通道和圆形料筒3之间互成90°～120°的角度采用螺栓连接装配在一起，可获得最佳剪切、破碎细化效果。
本装置浆料制备的操作程序为，(1)将圆柱形冲头1送入到料筒圆形3中间位置，然后开启料筒3的料筒加热元件4对料筒进行预热至150～300℃，预热过程中喷洒涂料。(2)将扁平冲头6送入到左半扁平通道7和右半扁平通道10组装成的通道中间位置，然后开启扁平通道的加热元件9和11，将其预热至50～250℃，预热过程中对其喷洒涂料。(3)左半扁平通道7和右半扁平通道10。(4)用给汤勺将定量好的金属液通过料筒料口2倒入圆形料筒3内，然后开启圆柱形冲头1将金属熔体挤入扁平通道内。(5)待金属熔体全部压入扁平通道内，启动扁平冲头6，将扁平通道6内的浆料通过冷室压铸机料口14全部送入冷室压铸机的料室15或挤压铸造机的模具内，进行压力铸造或挤压铸造成形。
Claims (6)
1.一种制备金属半固态浆料的方法，其特征是：通过压力作用使金属熔体从圆形料筒经过转弯流经截面积小于圆形料筒的扁平通道，在金属熔体内部形成细小圆整的先共晶相，获得金属半固态浆料，圆形料筒与扁平通道的转弯角度为90°～120°，扁平通道工作温度为50℃～250℃，且整个压力制备金属半固态浆料过程在密封状态进行。
2.根据权利要求1所述的制备金属半固态浆料的方法，其特征是具体工艺步骤为：⑴将圆柱形冲头送入到圆形料筒中间位置，开启圆形料筒的加热元件，预热至150℃～300℃，预热过程中喷洒涂料；⑵将扁平冲头送入到扁平通道中间位置，开启扁平通道的加热元件，预热至50℃～250℃，预热过程中喷洒涂料；⑶将铰接的两半扁平通道合型；⑷将定量好的金属液通过圆形料筒的料口倒入其中，开启圆柱形冲头，将金属熔体挤入扁平通道内；⑸待金属熔体全部压入扁平通道内，启动扁平冲头，制备出固相分数在0.1～0.9之间的金属半固态浆料，并将扁平通道内的浆料全部送入压铸机的料室或挤压铸造机的模具内。
3.一种制备金属半固态浆料的装置，其特征是：金属液的入料端设置圆形料筒与相应的圆柱形冲头配合的柱塞式射料机构，圆形料筒的末端连接截面积小于圆形料筒的扁平通道，且二者成90°～120°夹角，扁平通道的入口端配置有扁平冲头，扁平通道的出口端连接压铸机的料室或挤压铸造机的模具，圆形料筒和扁平通道的壁上都分别设置有加热元件和冷却元件。
4.根据权利要求3所述的制备金属半固态浆料的装置，其特征是：扁平通道在垂直于短轴方向分为两半，通过铰链将两半连接起来，且扁平通道的截面宽度方向与圆形料筒的径向一致。
5.根据权利要求3或4所述的制备金属半固态浆料的装置，其特征是：圆形料筒的内径等于扁平通道的宽，扁平通道的厚等于3 mm ～6mm，扁平通道的长度为300 mm～500mm。
6.根据权利要求3或4所述的制备金属半固态浆料的装置，其特征是：圆形料筒和扁平通道的壁上的加热元件采用电阻加热元件，冷却元件采用冷却水通道。
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| Date | Code | Title | Description |
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20120321 Termination date: 20140701 |
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| EXPY | Termination of patent right or utility model |