CN102358922B

CN102358922B - 一种轻合金半固态浆料制备装置

Info

Publication number: CN102358922B
Application number: CN201110339603.0A
Authority: CN
Inventors: 康永林; 张帆; 张军; 周冰
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2011-11-01
Filing date: 2011-11-01
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2031-11-01
Also published as: CN102358922A

Abstract

一种轻合金半固态浆料制备装置，属于半固态金属加工技术领域。该装置由出料口1、石墨柱塞2、放料芯杆3、加热冷却元件4、不锈钢外筒5、石墨内衬6、搅拌螺旋杆7、保温层8、进料口9、石墨隔热环10、轴承座11、传动齿轮12、压簧调节手柄13、放料手柄14、轴承15、支架16等构成。本发明利用高速剪切变形原理，合金熔体在连续冷却过程中受到搅拌螺旋杆的作用产生强制对流，初生固相在剪切应力场作用下得到破碎、球化或直接生长为球形，从而制备出半固态合金浆料。本发明的优点在于：结构简单紧凑，操作方便，易于清理，控制精度高，连续工作稳定、可靠，易于实现轻合金半固态浆料制备到流变成形的一体化工艺过程。

Description

一种轻合金半固态浆料制备装置

技术领域

本发明属于半固态金属加工技术领域，特别是涉及一种制备轻合金半固态合金流变浆料或坯料的装置和方法。

背景技术

20世纪70年代初期，美国麻省理工学院M C Flemings等研究人员创立了金属半固态成形的概念、理论和技术（文献Spencer D B, Mehrabian R, Flemings M C. Reological behavior of Sn-15%Pb in the crystallization range. Metallurgical Transactions, 1972, 3(7):1925-1932）。半固态加工是利用金属从液态向固态转变或从固态向液态转变（即液固共存）过程中所具有的特性进行成形的方法，这一新的成形方法综合了凝固加工和塑性加工的长处，即加工温度比液态低，充型平稳，对模具热冲击小；变形抗力比固态小，从而有利于成形较复杂的零件并减少功耗，提高生产效率。

半固态金属加工应用范围广泛，凡具有固液两相区的金属或合金均可实现半固态加工，从研究的材料来看，可分为有色金属及其合金的低熔点材料半固态加工和钢铁材料等高熔点金属材料及复合材料的半固态加工，其应用领域也在逐年扩大；半固态金属加工技术还适用于多种加工工艺，如铸造、轧制、挤压和锻压等。因此80年代后期以来，该技术得到了以美国、日本等发达国家科技工作者的普遍承认和高度重视，在工艺实验和理论等方面开展了广泛的研究，成为当今金属加工的发展趋势。

优质半固态浆料的制备是半固态金属加工技术的前提和关键，目前，已有多种半固态浆料制备装置和方法，例如：英国专利UK 9922696 提出了双螺旋机械搅拌流变成形工艺；欧洲专利EP 0745691A1提出了New Rheocasting (NRC) 技术；美国专利US 6645323B2提出了Semi-solid Rheocasting (SSR) 流变成形工艺等。

国内对于半固态加工技术的研究工作开展较晚，但发展迅速。有色金属研究总院、哈尔滨工业大学、北京科技大学、上海大学、南昌大学、华中科技大学等许多科研院所和高校，在半固态金属成形理论、浆料流变行为、成形工艺等方面进行了深入的研究，并开发出各具特色的半固态浆料制备装置和方法，有代表性的有：熔体分散混合制浆装置（专利：200620018003.9）；不等径弯道挤压-剪切诱导等温球晶化半固态坯复合制备法（专利：03132471.1）；悬挂锥桶式半固态金属浆料制备装置（专利：200810114097.3）；低过热度加弱电磁搅拌制浆技术（专利：00109540.74）；波浪型倾斜版振动制浆装置（专利：200710011510.9）等等。

以上各种制备半固态合金浆料的装置和方法各有自己的特点，但也都存在各自的不足，大多数还只是停留在实验室研究阶段，仍需提出新的制浆装置和技术，以便简化工艺，降低成本，逐步推动半固态金属加工技术的工业应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有半固态浆料制备装置存在的设备复杂，连续工作可靠性差、控制精度低、清理维修繁琐的不足，提供一种用于轻合金半固态浆料制备的装置，该装置采用机械搅拌方式，使合金熔体在连续冷却过程中受到剪切搅拌的作用，从而形成强制对流，促进了合金熔体的非均质形核以及初生晶粒的游离，获得液相基体中均匀分布着一定比例的球状初生固相的半固态金属流变浆料。

本发明一种轻合金半固态浆料制备装置，包括合金熔体搅拌室及支架（16），所述合金熔体搅拌室安装在支架（16）上，其特征在于：

所述合金熔体搅拌室内安装有搅拌螺旋杆（7），所述搅拌螺旋杆（7）通过轴承（15）固定于轴承座（11）上，其纵向轴线与搅拌室轴线平行。

进一步的，所述合金熔体搅拌室由不锈钢外筒（5）、石墨内衬（6）和石墨柱塞（2）组成。

进一步的，所述合金熔体搅拌室的不锈钢外筒（5）外壁设置有加热冷却元件（4）和保温层（8），实现搅拌室温度的精确控制。

进一步的，所述搅拌螺旋杆（7）内部设置有通孔，一放料芯杆（3）置于其中，还包括一放料手柄（14），所述放料芯杆（3）在放料手柄（14）的带动下提升或下压石墨柱塞（2），完成放料、复位等动作。

进一步的，所述设备包括有出料口（1）和进料口（9），所述出料口（1）和进料口（9）都设置有柱塞。

进一步的，所述合金熔体搅拌室纵向轴线与水平线之间的倾斜角度α可通过支架（16）进行调整，调节范围30°～90°。

进一步的，所述搅拌螺旋杆（7）由调速电机通过传动齿轮（12）带动高速旋转，转速调节范围是0～800 rad/min。

本发明利用高速剪切变形原理，合金熔体在连续冷却过程中受到搅拌螺旋杆的作用产生强制对流，促进了其在搅拌筒壁上的非均质形核和晶粒游离，强制对流过程使合金熔体内部形成较强的剪切应力场，初生枝晶逐步得到破碎、球化，从而获得液相基体中均匀分布着一定比例的球状初生固相的半固态浆料，可将制备好的半固态浆料通过出料口直接输送至成形设备，制成半固态零件，从而实现从半固态浆料制备到流变成形的一体化过程。

本发明实现了轻合金半固态浆料的快速制备，连续工作稳定性高，是一种先进的半固态金属加工装置，其优点在于：

1、该装置结构简单紧凑，操作方便，易于清理，搅拌室温度、剪切强度、搅拌时间均可做到精确控制，便于不同种类、不同性能要求的轻合金半固态金属浆料的制备。

2、合金熔体在剪切搅拌过程中形成强制对流，剪切强度高，温度场、成分场可以很快达到均匀一致，获得的半固态浆料中，初生固相晶粒尺寸相近，球形度好且分布均匀。

3、制备半固态浆料过程中，强制对流的流动方式既保证了施加于合金熔体中足够的剪切强度，又减少了剪切搅拌过程中熔体的飞溅，从而减少了合金的吸气、氧化倾向；另外，搅拌过程中，设备进出口处都设有柱塞，合金熔体在搅拌时处于相对封闭的环境中，进一步减少了氧化，保证了半固态浆料的质量。

4、该装置与合金熔体接触的部分大都采用高纯石墨材料，石墨导热性好，表面光滑，与合金熔体亲和力小，剪切搅拌过程中不会出现结壳、积料等问题，保证了本发明装置长时间连续工作的可靠性。

5、该设备结构紧凑、体积小重量轻，通过使用不同结构的支架可以将半固态浆料出口尽量靠近成形设备，省去浆料输送过程，从而实现从合金熔体半固态浆料制备到流变成形的一体化工艺过程。

附图说明

图1为轻合金半固态浆料制备装置结构示意图；

图2为轻合金半固态浆料制备装置搅拌室结构示意图；

图3为搅拌室内合金熔体流动方式示意图；

图4为铝合金半固态浆料金相显微组织；

图5为镁合金半固态浆料金相显微组织；

具体实施方式

下面结合实例对本发明的结构及实施效果做进一步的说明：

实例1：

本实施实例为制备铝合金半固态浆料，所应用的材料为工业用ZL101A铝合金，其成分为（重量百分比）Si：6.93%，Mg：0.38%，Ti：0.15%，Fe：0.17%，Ni：0.05%，Zn：0.01%，Cu：0.01%，Mn：0.01%，Sn：0.01%，其余为Al。ZL101A合金的液相线和固相线温度分别为615℃和560℃。

具体过程如下：

1）将ZL101A铝合金在坩埚电阻炉内熔化，待合金温度达到720℃左右时，加入C₂Cl₆进行精炼（加入量为合金液总重量的0.5%），C₂Cl₆用钟罩压入铝合金液底部并轻轻摆动，使铝合金液彻底沸腾起来。待到钟罩内不再有气泡冒出，用撇渣勺清渣干净。将合金液温度降至630℃保温。

2）设定本发明装置搅拌室温度为590℃，开启调速电机使搅拌螺旋杆转速为600rad/min，石墨柱塞处于关闭状态，搅拌室轴线与水平线呈40°角，参数达到设定值后，将上一步骤熔炼好的合金液通过进料口浇入到本发明装置的搅拌室内，浇入合金量约为3公斤，合金熔体将在搅拌室底部做强制对流运动，合金熔体温度逐渐降低，初生晶粒形核长大，并在剪切应力场的作用下演变为球形，搅拌30s后，旋转放料把手，合金熔体从出料口处流出，此时，合金熔体温度处于半固态区间，其液相基体中均匀分布着一定比例的球状初生固相，铝合金半固态浆料制备完成。

制备的ZL101A铝合金半固态浆料显微组织见图4，可以看出，本发明装置制备的半固态浆料初生固相大小一致，平均晶粒尺寸为40μm左右，形貌圆整且分布均匀。

实例2：

本实施实例为制备镁合金半固态浆料，所应用的材料为工业用AZ91D合金，其成分为（重量百分比）Al：9.45%，Zn：0.66%，Mn：0.20%，Si：0.036%，Fe：0.0009%，Cu：0.0047%，Ni：0.001%，Be：0.0007%，其余为Mg。AZ91D合金的液相线和固相线温度分别为595℃和470℃。

具体过程如下：

1）首先将AZ91D锭料放入到预热温度为400℃的坩埚电阻炉内，待合金液温度达到720℃后精炼，熔炼过程中，炉内镁合金采用氩气和覆盖剂保护，清渣干净后，将合金液温度降至620℃保温。

2）设定本发明装置搅拌室温度为570℃，开启调速电机使搅拌螺旋杆转速为500rad/min，石墨柱塞处于关闭状态，搅拌室轴线与水平线呈50°角，参数达到设定值后，将上一步骤熔炼好的合金液通过进料口浇入到本发明装置的搅拌室内，浇入合金量约为2公斤，合金熔体将在搅拌室底部做强制对流运动，合金熔体温度逐渐降低，初生晶粒形核长大，并在剪切应力场的作用下演变为球形，搅拌60s后，旋转放料把手，合金熔体从出料口处流出，此时，合金熔体温度处于半固态区间，其液相基体中均匀分布着一定比例的球状初生固相，镁合金半固态浆料制备完成。

制备的AZ91D镁合金半固态浆料金相显微组织见图5，可以看出，本发明装置制备的半固态浆料初生固相大小一致，平均晶粒尺寸为46μm左右，形貌圆整且分布均匀。

尽管这里已详细列出并说明了优选实施实例，但是本领域技术人员可知，可在不脱离本发明精髓的情况下进行各种结构调整和控制参数搭配，这些内容都被认为处于权利要求所限定的本发明的范围之内。

Claims

1.一种轻合金半固态浆料制备装置，包括合金熔体搅拌室及支架（16），所述合金熔体搅拌室安装在支架（16）上，其特征在于：

所述合金熔体搅拌室内安装有单个搅拌螺旋杆（7），所述搅拌螺旋杆（7）通过轴承（15）固定于轴承座（11）上，其纵向轴线与搅拌室轴线平行；所述合金熔体搅拌室的不锈钢外筒（5）外壁设置有加热冷却元件（4）和保温层（8），实现搅拌室温度的精确控制；所述设备包括有出料口（1）和进料口（9），所述出料口（1）和进料口（9）都设置有柱塞；所述合金熔体搅拌室纵向轴线与水平线之间的倾斜角度α可通过支架（16）进行调整，调节范围30°～90°；所述搅拌螺旋杆（7）由调速电机通过传动齿轮（12）带动高速旋转，转速调节范围是0～800 rad/min；

所述合金熔体搅拌室由不锈钢外筒（5）、石墨内衬（6）和石墨柱塞（2）组成；

所述搅拌螺旋杆（7）内部设置有通孔，一放料芯杆（3）置于其中，还包括一放料手柄（14），所述放料芯杆（3）在放料手柄（14）的带动下提升或下压石墨柱塞（2），完成放料、复位动作。