CN102284684B - 一种组合式弧面倾斜板半固态合金浆料制备装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种制备半固态合金浆料的组合式弧面倾斜板装置，属于材料科学技术领域。半固态弧面倾斜板装置包括固定套、支撑板、连接板、活动连接板。固定套与压铸机料筒相连接，支撑板通过连接板和活动连接板固定弧面倾斜板托架，连接轴与活动连接板之间固定螺纹伸缩机构。将低过热度熔体浇筑在半固态弧面倾斜板装置上，通过弧面倾斜板装置直接流入压铸机进行压铸。本发明能够将制浆和压铸两个阶段相衔接，装置简单、流程短、成本低、效率高；上下倾斜板所形成的温度梯度，能够制备更加优良的半固态浆料。
Description
技术领域
本发明涉及一种制备半固态合金浆料的组合式弧面倾斜板装置，属于材料科学技术领域。
背景技术
半固态金属(SSM)加工技术是上世纪70年代，由美国麻省理工学院Flemings领导的研究团队发现的，其原理是金属在凝固过程中，施以机械或电磁搅拌，使初生枝晶破碎，得到一种固相与液相共存的，初生固相细小、等轴且均匀悬浮于液相的固-液混合浆料（固相分数最高可达60%），然后铸造成型的加工方法。
该技术的核心在于使固-液混合浆料或坯料获得非枝晶、初生相球化或细化，浆料组织中一般包含有10~100μm的球形、近球形晶或等轴晶，与传统的合金中树枝晶相比，这种组织的合金表现出较小的流动阻力，因而具有良好的成形性能。半固态成形温度介于液相和固相之间，因而这种方式与传统成形方式有很大不同，同时又兼备液态成形和固态成形两者的优点，因而被誉为二十一世纪最有前途的金属成形方法。
目前，国外投入商业化生产的半固态成形技术主要有：机械搅拌技术、电磁搅拌技术、喷射沉积技术与应变诱导熔体活化技术等。在成形工艺方面主要采用触变成形，但是，经过多年的实践和研究发现采用触变铸造技术还存在一些不足： a、制坯成本高；b、二次加热过程能耗高；c、表面氧化严重；d、重熔后过高液相分数的坯料难以搬运：e、不利于成形薄壁复杂零件；f、锯屑不能及时回收，增加了成本。为了解决这些难题，同时扩大半固态铸造的应用范围，近年来，半固态流变成形技术又成为主攻方向，并且越来越受到重视，也出现了一些新的流变铸造技术。最早，MIT 的 Flemings 等人通过机械搅拌的方法制备了半固态浆料，在冷却到合适的固相分数时，直接送入压铸机压室进行流变压铸成形，分别研究了铝合金A380和铜合金905的流变压铸。但是由于浆料输送困难，因此一直没能得到实际应用。为了避免半固态浆料存储和输送带来的困难，日本日立公司Shibata等人提出了一种方案：利用立式压铸机的特点，在压射室中制备半固态浆料，然后直接压射成形。北京科技大学康永林等人开发了旋转锥筒制浆法，此方法是让一定温度的金属液通过两个特定温度的相对旋转的锥桶，在内外锥桶的剧烈剪切作用下，形成适合流变铸造的半固态浆料，但此技术还处于前期试验阶段。2001年，Martinez 和 Flemings 等人提出了一种新方法，该方法的思路是：将低过热度的金属液浇注到坩埚中，利用铜棒对其进行短时弱机械搅拌，使合金熔体冷却到液相线温度以下后，移走搅拌铜棒，让坩埚中的半固态合金熔体冷却到预定的温度或固相分数，最后，将坩埚中的半固态合金浆料倾入压铸机射室，进行流变压铸。 这种技术的关键在于：要快速地使合金熔体散去过热，并同时在合金熔体中产生低强度的循环流动，使合金熔体各处均处在形核和凝固中；一旦形成一定的初生晶核，就可以停止搅拌，初生晶粒就会转变为球状晶粒。到目前为止，半固态流变压铸得到实际应用的只有意德拉流变压铸技术，但是该技术属于专利技术，而且也存在一些不足，使用范围有限。世界各国学者也在不断开发新的流变压铸技术。我国北京科技大学和南昌大学分别开发了的半固态制浆设备，并进行了流变压铸试验，取得了一定的进展。但是，到目前为止，这些技术还处于试验研究阶段，原因主要是现有的流变压铸技术设备不能够很好的解决将浆料的制备和压铸过程相衔接的问题，浆料的储运输送困难，因而在实际生产推广时效果差，使实际的应用难以实现。
日本UBE公司提出Cooling Slope(倾斜板浇注法)制备铝合金和镁合金半固态坯料的新工艺，并在欧洲申请了专利。倾斜板一般是由合金钢或石墨制成，其内部通水冷却，表面喷涂一层氮化硼(B)，以防止半固态金属粘附在冷却斜板表面上。其原理为：将略高于液相线温度的熔融金属倒在冷却板上，由于倾斜板的冷却作用，在板壁上有细小的晶粒形核长大，金属流体的冲击和物体的自重作用使晶粒从板壁上脱落并翻转，以达到搅拌效果。在普通平直倾斜板的基础上，管仁国研发了波浪式倾斜板制备半固态浆料技术。在普通直管法的基础上，杨湘杰研发了转动输送管法制备半固态浆料技术。
总的来说，倾斜板（管）式流变压铸工艺具有流程短、成本低、效率高等优点，而且适合于高温合金半固态浆料的制备。但是，现有的倾斜板法多采用单板浇注，虽然采用波浪式结构等改进措施，但采用单一的倾斜板法制浆时，晶粒之间的碰撞、冲刷作用较弱，所得组织的细小均匀程度不够，影响了半固态浆料的组织性能，不利于较高固相率的合金浆料的制备。而采用本发明设计的组合式倾斜板制浆，合金液由上板流至下板时，在自身重力的作用下，晶粒之间的碰撞、冲刷作用显著提高，同时起到了紊流搅拌的效果，使得枝晶臂破碎，达到晶粒细化、球化的目的，能很好的解决上述问题。
发明内容
本发明提供一种组合式弧面倾斜板半固态合金浆料制备装置，用以制备更加均匀细小的半固态组织，并通过其与压铸机联合使用，实现流变压铸成型。
本发明的组合式弧面倾斜板半固态合金浆料制备装置，由固定套5（用于与压铸机料筒相连接，使用连接件12与13实现连接），左、右支撑板6，左、右连接板8与活动连接板4，上倾斜板托架3，下倾斜板托架1，上、下倾斜板9，前、后连接轴7和螺纹伸缩机构2组成；左、右两边的连接板8和活动连接板4均由两块相互铰链的分板组成，连接板8的分板长度大于活动连接板4的分板长度（使上、下倾斜板的倾斜方向相反），它们的端头分别与上倾斜板托架3和下倾斜板托架1端部铰链，而中间则相互铰链并通过前、后连接轴7连接；螺纹伸缩机构2的两端固定在前、后连接轴7上，上、下倾斜板9固定在上、下倾斜板托架3和1上，支撑板6的下部连于固定套5两边、上部经连接轴7与连接板8中部铰链。
所述螺纹伸缩机构包括螺杆10和双头螺套11，螺杆两端固定在前、后连接轴7上，双头螺套顺时针和逆时针旋转推动活动连接板。上、下倾斜板的倾斜方向相反，它们与水平线的倾斜夹角相等，夹角范围为15°~75°（通过双头螺套顺时针和逆时针的旋转来推动活动连接板，实现倾斜板的角度变换）。上倾斜板尾端与下倾斜板之间的垂直距离为20~50mm。上、下倾斜板为上表面横向内凹的弧面结构，弧面半径r为162~165mm，板长100~300mm、宽70~100mm。上、下倾斜板之间的距离，倾斜夹角，具体尺寸和弧面半径，根据合金成分和实际需要，在所给范围内进行选择。
所述倾斜板9内部具有加热和冷却系统，并能控制温度，均采用现有技术；倾斜板9表面采用不同材料，例如石墨或其他在高温情况下对金属熔体没有污染的材料。倾斜板托架3和下倾斜板托架1可以通过更换倾斜板9来调节倾斜板的尺寸。
本装置用于制备半固态合金浆料时，制备方法步骤如下：
（1）利用常规技术的熔炼方法制备低过热度熔体，熔体温度保持在液相线以上15~50℃，保温时间30~60min。
（2）采用上、下两块倾斜方向相反的斜板，控制上、下倾斜板温度保持在所要制备的合金的半固态温度区间，上倾斜板温度始终高于下倾斜板温度50~100℃，然后将步骤（1）中制备的低过热度熔体按1.6~2.2×10-5m3/s的浇注速度浇注入上倾斜板，使熔体顺着上倾斜板流下至下倾斜板，最后再流入压铸机。
本发明的原理是：由于上下两块倾斜板的冷却速率不同，当合金液流经上倾斜板时，板对合金液的冷却作用很大，使合金液温度很快降低到半固态温度区间，此时流至下倾斜板的半固态浆料固相分数较高，流动性较差。合金液流经下倾斜板后由于下倾斜板的弱激冷作用使得合金液的冷却速率降低，合金液的温度继续下降，固相率进一步提高，使得合金液的流动性能继续下降，但是由于下倾斜板（石墨板）与合金液的润湿性差，弥补了合金液的流动性不足，因此可以获得高固相分数的半固态浆料。与传统倾斜板浇注法制备铝合金半固态浆料的固相率为20%左右相比，此方法制备的铝合金半固态浆料的固相率能达到50%。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1. 采用组合式弧面倾斜板，上倾斜板温度高于下倾斜板温度，不仅对合金
液有较强的剪切作用，并且有利于提高合金液的固相分数，制备更加细小均匀的半固态组织。
2．这种制备方法适合于多种不同半固态温度的合金浆料的制备。
3. 上下弧面倾斜板可以任意调节角度和尺寸，可以依靠重力的作用提供对合金熔体不同大小的剪切力，适用于不同熔点范围的多种合金半固态浆料的制备。
4. 本装置通过固定套与压铸机连接，半固态浆料依靠重力的作用直接流入压铸机，可以实现半固态浆料的流变压铸成型。
5. 本发明可以缩短压铸的工艺流程，操作简单，易于工业化推广。
附图说明
图1是本发明主视示意图；
图2是本发明侧剖视图；
图3是本发明螺纹伸缩机构示意图；
图4是本发明螺纹伸缩机构剖面示意图；
图5是本发明固定套结构示意图；
图6是本发明半固态合金浆料制备方法示意图。
图中：1-下弧面倾斜板托架，2-螺纹伸缩机构，3-上弧面倾斜板托架，4-活动连接板，5-固定套，6-支撑板，7-连接轴，8-连接板，9-上、下弧面倾斜板，10-螺杆，11-双头螺套，12-连接件，13-连接件，14-浇杯，15-流量控制阀，16-坩埚，17-半固态金属液。
具体实施方法
以下结合附图和实施例对本发明作进一步阐述，但本发明的内容不限于所述范围。
实施例1：本组合式弧面倾斜板半固态合金浆料制备装置，由固定套5，左、右支撑板6，左、右连接板8与活动连接板4，上倾斜板托架3，下倾斜板托架1，上、下倾斜板9，前、后连接轴7和螺纹伸缩机2构组成；左、右两边的连接板8和活动连接板4均由两块相互铰链的分板组成，连接板8的分板长度大于活动连接板4的分板长度（使上、下倾斜板的倾斜方向相反），它们的端头分别与上倾斜板托架3和下倾斜板托架1端部铰链，而中间则相互铰链并通过前、后连接轴7连接；螺纹伸缩机构2的两端固定在前、后连接轴7上，上、下倾斜板9固定在上、下倾斜板托架3和1上，支撑板6的下部连于固定套5两边、上部经连接轴7与连接板8中部铰链。螺纹伸缩机构包括螺杆10和双头螺套11，螺杆两端固定在前、后连接轴7上；上、下倾斜板的倾斜方向相反，它们与水平线的倾斜夹角均为15°；上倾斜板尾端与下倾斜板之间的垂直距离为50mm；上、下倾斜板为上表面横向内凹的弧面结构，弧面半径r为162mm，板长100mm、宽70mm。
采用本装置对含锡40%的锡铅合金（液相线温度240℃，固相线温度183℃）进行制浆，浆料制备方法是：利用常规技术的熔炼方法制备含锡40%的锡铅合金的低过热度熔体，熔体温度保持在255℃，保温时间30min。上弧面倾斜板的温度控制在110℃，下弧面倾斜板的温度控制在60℃。将制备的锡铅合金熔体按1.6×10-5m3/s的浇注速度浇注入上倾斜板，熔体将顺着上倾斜板流下至下倾斜板，最后流入压铸机。
实施例2：
本组合式弧面倾斜板半固态合金浆料制备装置，由固定套5，左、右支撑板6，左、右连接板8与活动连接板4，上倾斜板托架3，下倾斜板托架1，上、下倾斜板9，前、后连接轴7和螺纹伸缩机2构组成；左、右两边的连接板8和活动连接板4均由两块相互铰链的分板组成，连接板8的分板长度大于活动连接板4的分板长度（使上、下倾斜板的倾斜方向相反），它们的端头分别与上倾斜板托架3和下倾斜板托架1端部铰链，而中间则相互铰链并通过前、后连接轴7连接；螺纹伸缩机构2的两端固定在前、后连接轴7上，上、下倾斜板9固定在上、下倾斜板托架3和1上，支撑板6的下部连于固定套5两边、上部经连接轴7与连接板8中部铰链。螺纹伸缩机构包括螺杆10和双头螺套11，螺杆两端固定在前、后连接轴7上；上、下倾斜板的倾斜方向相反，它们与水平线的倾斜夹角均为50°；上倾斜板尾端与下倾斜板之间的垂直距离为35mm；上、下倾斜板为上表面横向内凹的弧面结构，弧面半径r为163mm，板长200mm、宽80mm。
采用本装置对A356铝合金（液相线温度613℃。固相线温度：577℃）进行制浆，浆料制备方法是：利用常规技术的熔炼方法制备的A356铝合金低过热度熔体，熔体温度保持在630℃，保温时间40min。上弧面倾斜板的温度控制在300℃，下弧面倾斜板的温度控制在220℃。将制备的A356铝合金熔体按1.9×10-5m3/s的浇注速度浇注入上倾斜板，熔体将顺着上倾斜板流下至下倾斜板，最后流入压铸机。
实施例3：
本组合式弧面倾斜板半固态合金浆料制备装置，由固定套5，左、右支撑板6，左、右连接板8与活动连接板4，上倾斜板托架3，下倾斜板托架1，上、下倾斜板9，前、后连接轴7和螺纹伸缩机2构组成；左、右两边的连接板8和活动连接板4均由两块相互铰链的分板组成，连接板8的分板长度大于活动连接板4的分板长度（使上、下倾斜板的倾斜方向相反），它们的端头分别与上倾斜板托架3和下倾斜板托架1端部铰链，而中间则相互铰链并通过前、后连接轴7连接；螺纹伸缩机构2的两端固定在前、后连接轴7上，上、下倾斜板9固定在上、下倾斜板托架3和1上，支撑板6的下部连于固定套5两边、上部经连接轴7与连接板8中部铰链。螺纹伸缩机构包括螺杆10和双头螺套11，螺杆两端固定在前、后连接轴7上；上、下倾斜板的倾斜方向相反，它们与水平线的倾斜夹角均为75°；上倾斜板尾端与下倾斜板之间的垂直距离为20mm；上、下倾斜板为上表面横向内凹的弧面结构，弧面半径r为165mm，板长300mm、宽100mm。
采用本装置对过共晶高铬白口铸铁（液相线温度：1347℃。固相线温度：1288℃），浆料的制备方法是：利用常规技术的熔炼方法制备的过共晶白口铸铁低过热度熔体，熔体温度保持在1397℃，保温时间60min。上弧面倾斜板的温度控制在650℃，下弧面倾斜板的温度控制在550℃。将制备的A356铝合金熔体按2.2×10-5m3/s的浇注速度浇注入上倾斜板，熔体将顺着上倾斜板流下至下倾斜板，最后流入压铸机。
Claims (6)
1.一种制备半固态合金浆料的组合式弧面倾斜板装置，其特征在于：由固定套（5），左、右支撑板（6），左、右连接板（8）与活动连接板（4），上倾斜板托架（3），下倾斜板托架（1），上、下倾斜板（9），前、后连接轴（7）和螺纹伸缩机构（2）组成；左、右两边的连接板（8）和活动连接板（4）均由两块相互铰连的分板组成，连接板（8）的分板长度大于活动连接板（4）的分板长度，它们的端头分别与上倾斜板托架（3）和下倾斜板托架（1）端部铰连，而中间则相互铰连并通过前、后连接轴（7）连接；螺纹伸缩机构（2）的两端固定在前、后连接轴（7）上，上、下倾斜板（9）固定在上、下倾斜板托架和（3，1）上，支撑板（6）的下部连于固定套（5）两边、上部经连接轴（7）与连接板（8）中部铰连。
2.根据权利要求1所述的制备半固态合金浆料的组合式弧面倾斜板装置，其特征在于：螺纹伸缩机构包括螺杆（10）和双头螺套（11），螺杆两端固定在前、后连接轴（7）上。
3.根据权利要求1所述的制备半固态合金浆料的组合式弧面倾斜板装置，其特征在于：上、下倾斜板的倾斜方向相反，与水平线的倾斜夹角相等，夹角范围为15°～75°。
4. 根据权利要求1所述的制备半固态合金浆料的组合式弧面倾斜板装置，其特征在于：上倾斜板尾端与下倾斜板顶端之间的垂直距离为20～50mm。
5.根据权利要求1所述的制备半固态合金浆料的组合式弧面倾斜板装置，其特征在于：上、下倾斜板为上表面横向内凹的弧面结构，弧面半径r为162～165mm，板长100～300mm、宽70～100mm。
6.根据权利要求1～5任一项所述的制备半固态合金浆料的组合式弧面倾斜板装置，其特征在于：上、下倾斜板（9）内部具有能控制其温度的加热和冷却系统。
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