CN102834203A - 制造模铸部件的方法 - Google Patents
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Abstract
在一种制备由铝合金制成的模铸部件的方法中，所述铝合金在混合和捏合器（30）中暴露于高剪切力下，所述混合和捏合器（30）具有包含工作空间（34）——其被内部壳套（32）包围——以及蜗杆轴（36）的壳体（31），所述蜗杆轴（36）在内部壳套（32）中围绕纵轴（x）旋转并沿着纵轴（x）方向往复平移运动并且具有捏合刀（38），以及捏合柱（38），所述捏合柱（38）固定于内部壳套（32）并且伸至所述工作空间（34），其中液体铝合金从所述壳体（31）的一端注入工作空间（34），在壳体（31）的另一端作为具有预定固含量的部分固体铝合金从工作空间（34）中移出，转移到模铸机器（10）的填充室（12）并且通过活塞（20）引入铸造模具，其中通过以目标方式冷却和加热所述工作空间（34）而将工作空间（34）中的铝合金的固含量调节至预定的固含量。
Description
本发明涉及一种制造由铝合金制成的模铸部件的方法。
由于不断增长的对减轻重量的需求，由铝合金制成的模铸部件正在更频繁地被使用，尤其是用于汽车工业。出于铸造技术的原因，通常壁厚约2mm的铸造部件不能通过常规模铸方法下冲（undershot），例如对于空间构架结构的节点而言。使用触变铸造（thixocasting）或流变铸造（rheocasting）用部分固体的金属熔体填充模铸模具可得到对模具更好的填充，从而可能进一步降低铸件壁的厚度至约1mm。然而，随着壁厚的减小，减少的力吸收能力逐渐成为限制因素。这个缺点本身可以通过向铝合金基体中加入纳米颗粒来抵消。然而，缺少合适的节省成本地制造以纳米颗粒加强的铝合金的方法以及将其制备成用于模铸的部分固体的金属熔体的方法。
本发明的目的是提供一种在开篇中提及类型的方法，以此方法，部分固体的铝合金熔体可以连续地以节省成本的方式提供，并进一步加工形成模铸部件。本发明的另一个目的是提供一种制造以纳米颗粒加强并且由铝合金制成的模铸部件的方法，以此方法，部分固体的铝合金熔体可以在所述方法中典型的剪切力作用下以具有高度细分散的纳米颗粒的方式连续地以节省成本的方式提供，并进一步加工形成模铸部件。
根据本发明，第一个目的以这样的方式实现：铝合金在混合和捏合器中暴露于高剪切力下，所述混合和捏合器具有包含工作空间——其被内部壳套包围——以及蜗杆轴和捏合柱的壳体（housing），所述蜗杆轴在内部壳套中围绕纵轴旋转并沿着纵轴方向往复平移运动并且具有捏合刀，所述捏合柱固定于内部壳套并且伸至所述工作空间，其中液体铝合金从所述壳体的一端注入工作空间，在壳体的另一端作为具有预定固含量的部分固体铝合金从工作空间中移出，转移到模铸机器的填充室并且通过活塞引入铸造模具，其中通过以目标方式冷却和加热所述工作空间而将工作空间中的铝合金的固含量调节至预定的固含量。此处，存在于捏合过程中的部分固化相态中的高剪切力连续地粉碎所形成的树枝状分支，这导致增加的模铸部件的延展性。高的压缩力另外导致更强的传热，这最终使得可更精确地调节铝合金中的固含量。
根据本发明，第二个目的以这样的方式实现：纳米颗粒在混合和捏合器中与铝合金混合并通过高剪切力而精细地分散于所述铝合金中，所述混合和捏合器具有包含工作空间——其被内部壳套包围——以及蜗杆轴和捏合柱的壳体，所述蜗杆轴在内部壳套中围绕纵轴旋转并在纵轴方向上往复平移运动并且具有捏合刀，所述捏合柱固定于内部壳套并且伸至所述工作空间，其中液体铝合金和纳米颗粒从壳体的一端注入工作空间，在壳体的另一端作为具有预定固含量且纳米颗粒精细地分散于铝合金中的部分固体铝合金从工作空间中移出，转移到模铸机器的填充室并且通过活塞引入铸造模具，其中通过以目标方式冷却和加热所述工作空间而将工作空间中的铝合金的固含量调节至预定的固含量。此处，存在于捏合过程中的部分固化相态中的高剪切力，除了粉碎所形成的树枝状分支和由此得到的更高延展性之外，可精细地分散纳米颗粒，这是其增加强度效果所需的。
所述内部壳套被一个外部壳套包围是有利的，从而形成了优选为空心圆柱形式的中间空间，冷和/或热的气体通过该中间空间进行传导以冷却和加热所述工作空间。空气——优选压缩空气——优选通过中间空间进行传导以用于冷却，热气——优选燃烧气体——优选通过中间空间进行传导以用于加热。
所述气体优选地通过中间空间以与铝合金传输方向逆流的方式进行传导。
铝合金的固含量优选设定为40至80%，特别是设定为高于50%。
在本发明方法的一个优选实施方案中，所述部分固体铝合金作为部分固体金属线从工作空间中移出。持续涌出的部分固体金属线被分成部分固体金属部分，然后该部分固体金属部分被转移到模铸机器的填充室中。
所述合金中纳米颗粒的含量优选为约0.1至10重量%。合适的节省成本的纳米颗粒优选由热解法二氧化硅（例如
）组成。然而，也可以使用其他纳米颗粒，例如已知的碳纳米管(CNT)以及其他的例如由已知的
方法制备的并且由金属和半金属氧化物制成的纳米尺度的颗粒，所述金属和半金属氧化物例如氧化铝(Al2O3)、二氧化钛(TiO2)、氧化锆(ZrO2)、氧化锑(III)、氧化铬(III)、氧化铁(III)、氧化锗(IV)、氧化钒(V)或氧化钨(VI)。
通过以下对优选的示例性实施方案的描述并参考附图，本发明的其他优点、特征和细节将更清楚，所述附图仅用于阐述而不应被理解为具有限制作用。在图中，示意性地：
图1示出了通过具有上游混合和捏合器的模铸机器的纵剖面；
图2示出了通过混合和捏合器部分的纵剖面；
图3示出了通过图1所示的混合和捏合器的截面；
图4示出了产物流中特征性的剪切和拉伸流场，由捏合刀经过捏合柱引起；
图5示出了用图1的装置连续生产用于模铸的部分固体原材料。
如图1所示，一个用于模铸任选地以纳米颗粒加强的且由铝合金制成的模铸部件的设备，具有模铸机器10和位于模铸机器10的上游的混合和捏合器30。
模铸机器10——在图中仅部分表示——是市售可得的常规用于模铸铝合金的机器，并尤其具有填充室12，其连接于铸造模具的固定侧18，具有开口16用于接收待通过活塞20从填充室12挤出并引入铸造模具的模具腔14的金属。
混合和捏合器30在图2和3中详细示出。这种混合和捏合器的基本设计已知于，例如，CH-A-278575。所述混合和捏合器30具有包含工作空间34的壳体31，所述工作空间被内部壳套32包围并且其中安装有蜗杆轴36，其围绕纵轴x旋转并且在内部壳套32内沿着纵轴x方向往复平移运动。蜗杆轴36在圆周方向上被断开，从而形成各捏合刀38。从而在各个捏合刀38之间形成轴向通过开口40。捏合柱42从内部壳套32的内侧伸至工作空间34。壳体侧的捏合柱42啮合入排列在主轴或蜗杆轴36的捏合刀38的轴向通过开口40。与蜗杆轴36同心排布的传动轴44在端部伸出内部壳套32并连接到用于实施蜗杆轴36的旋转运动的驱动单元（图中未示出）。与蜗杆轴36配合用于实施蜗杆轴36的平移运动的设备也未在图中示出。
混合和捏合器30的圆柱形内部壳套32——其限定工作空间34——被圆柱形外部壳套46包围。内部壳套32和外部壳套46形成双层护套，从而围出一个空心圆柱形式的中间空间48。
用于将液体铝合金和任选的纳米颗粒注入工作空间34的进入口50位于壳体31的靠近蜗杆轴36的驱动侧的一端。尽管图中只示出了一个进入口50，但也可以提供两个独立的用于铝合金和用于纳米颗粒的进入口。原则上，也可以甚至在将液体铝合金引入捏合和混合器30之前将纳米颗粒与金属混合。用于移出任选地纳米颗粒分散于其中的部分固体铝合金的出口52位于内部壳套32的远离蜗杆轴36的驱动侧的一端。
用于将冷或热气体引入中间空间48的入口54、56在外部壳套46上位于壳体31的远离蜗杆轴36驱动侧的一端。相应地，用于将气体从中间空间48中排出的出口58、60位于壳体31的靠近蜗杆轴36驱动侧的一端。为了确保气体——其均匀分布在内部壳套32的周围——从入口54、56向出口58、60的最大通流，从而均匀地从工作空间34释放热量或均匀地向工作空间34引入热量，入口和出口54、56和58、60分别如图3所示排布成均匀地围绕外部壳套46的圆周分布。
图4以示意图的方式示出了产物流P的特征性的剪切和拉伸流场，其在根据现有技术形成的混合和捏合器30的情况中由捏合刀38经过捏合柱42而引起。捏合刀38旋转的方向由弯曲箭头A示意性地指出，而捏合刀38的平移运动由双头箭头B表示。捏合刀38的旋转运动表示其尖端切开产物流P，如箭头C、D所示。在捏合柱42和捏合刀38的主面39——其朝向捏合柱42——之间具有间隙41，其宽度根据蜗杆轴36的旋转和平移运动而变化，捏合刀38经过捏合柱42。产物流P在该间隙41中出现剪切过程，如箭头E所示。产物流P膨胀并且在捏合柱42的上游和下游处重新取向，如旋转箭头F、G所示。如开篇中已经提及的，捏合刀38和捏合柱42具有最大的汇合，并且由此产生对于每个剪切循环而言由于各捏合刀38在一条线上的正弦轴向运动而在物流P中的最大剪切率。
在下文中，以示例的方式，参考图1和2对用于模铸任选地以纳米颗粒加强的且由铝合金制成的模铸部件的机器的运行模式作更详细的描述。
将一种保持在合金液相线温度以上的铝合金熔体通过进入口50以计量形式单独地或与纳米颗粒一起注入工作空间34。部分固化的铝合金与纳米颗粒在捏合刀38与捏合柱42之间的压紧导致施加高剪切力，这导致树枝状分支的粉碎并使以附聚物形式存在的纳米颗粒精细地分散。有效的均匀混合是通过结合径向和纵向的混合效果而实现的。通过控制流经内部壳套32和外部壳套46之间的中间空间48的冷和热气体的流动，来调节工作空间34中铝合金的固含量，使其在金属通过出口52而移出时在所需的范围内。
通过测量金属熔体在捏合和混合器中的粘度改变来调节所需的铝合金固含量。所述粘度——其随着部分固体铝合金固含量的增加而增加——可以例如通过测量蜗杆轴36的驱动轴44处的旋转阻力而确定。通过测定针对经限定的固含量的旋转阻力，可以指定适当的设定点值，通过控制流经内部壳套32和外部壳套46之间的中间空间48的冷和热气体的流动将经测量的实际值调整至所述设定点值。
具有所需固含量并任选含有细分散的纳米颗粒的铝合金通过进入口16引入模铸机器10的填充室12，通过活塞20以已知的方式间歇地从填充室12注入铸造模具的模具腔14。
参考图5，下文以示例的方式，对连续生产用于模铸任选地以纳米颗粒加强并由铝合金制成的模铸部件的部分固体棒状原材料提供了更详细的解释。保留上文参考图1和2所解释的运行模式。
具有所需固含量并任选地含有细分散的纳米颗粒的铝合金连续地通过出口52以部分固体金属线70的形式喷出。部分固体金属部分72由部分固体金属线70切割成指定长度而得到，例如使用旋转刀。所述部分固体金属部分72通常各自对应生产单个的模铸部件所需的金属量，并且在每次冲模中被分别转移至模铸机器10的填充室12中，通过活塞20以已知的方式间歇地从填充室12注入铸造模具的模具腔14。
部分固体金属线70通常在水平方向的蜗杆轴36的纵轴x方向上离开混合和捏合器30，但是另一个（例如垂直）出口方向也是可以想到的。金属线70的截面由出口52的截面决定，并且通常是圆形的。部分固体金属部分72可以例如用钳子夹住并转移到模铸机器10的填充室12中。
Claims (10)
1.一种制备由铝合金制成的模铸部件的方法，其特征在于
所述铝合金在混合和捏合器（30）中暴露于高剪切力下，所述混合和捏合器（30）具有包含工作空间（34）——其被内部壳套（32）包围——以及蜗杆轴（36）和捏合柱（42）的壳体（31），所述蜗杆轴（36）在内部壳套（32）中围绕纵轴（x）旋转并沿着纵轴（x）方向往复平移运动并且具有捏合刀（38），所述捏合柱（42）固定于内部壳套（32）并且伸至所述工作空间（34），其中液体铝合金从所述壳体（31）的一端注入工作空间（34），在壳体（31）的另一端作为具有预定固含量的部分固体铝合金从工作空间（34）中移出，转移到模铸机器（10）的填充室（12）并且通过活塞（20）引入铸造模具，其中通过以目标方式冷却和加热所述工作空间（34）而将工作空间（34）中的铝合金的固含量调节至预定的固含量。
2.权利要求1的方法，其特征在于内部壳套（32）被外部壳套（46）包围，从而形成优选为空心圆柱形式的中间空间（48），使冷和/或热气体通过中间空间（48）传导以冷却和加热工作空间（34）。
3.权利要求2的方法，其特征在于使空气——优选压缩空气——通过中间空间（48）传导以用于冷却，使热气——优选燃烧气体——通过中间空间（48）传导以用于加热。
4.权利要求2或3的方法，其特征在于所述气体以与铝合金传输方向逆流的方式通过中间空间（48）进行传导。
5.权利要求1至4中任一项的方法，其特征在于为了设定所需的固含量，测定铝合金在工作空间（34）中的粘度并通过以目标方式冷却和加热工作空间（34）而将其调节至预定值。
6.权利要求1至5中任一项的方法，其特征在于铝合金的固含量设定为40至80%，优选设定为高于50%。
7.权利要求1至6中任一项的方法，其特征在于部分固体铝合金作为部分固体金属线（70）从工作空间（34）中移出，所述部分固体金属线（70）被分成部分固体金属部分（72），部分固体金属部分（72）被转移到模铸机器（10）的填充室（12）中。
8.权利要求1至7中任一项的方法，其特征在于为了制造以纳米颗粒加强的模铸部件，纳米颗粒在混合和捏合器（30）中通过高剪切力与铝合金混合并精细地分散于所述铝合金中，其中液体铝合金和纳米颗粒在壳体（31）的一端注入工作空间（34），并且在壳体（31）的另一端作为具有预定固含量并且纳米颗粒精细地分散于所述铝合金中的部分固体铝合金从工作空间（34）中移出。
9.权利要求8的方法，其特征在于所述纳米颗粒在合金中的含量为0.1至10体积%。
10.权利要求9的方法，其特征在于所使用的纳米颗粒为热解法二氧化硅、碳纳米管(CNT)以及其他的金属和半金属氧化物的纳米尺度颗粒，所述金属和半金属氧化物例如氧化铝(Al2O3)、二氧化钛(TiO2)、氧化锆(ZrO2)、氧化锑(III)、氧化铬(III)、氧化铁(III)、氧化锗(IV)、氧化钒(V)或氧化钨(VI)。
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