CN103173638A - 低过热度高效激冷制备半固态金属浆料的方法及装置 - Google Patents

低过热度高效激冷制备半固态金属浆料的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低过热度高效激冷制备半固态金属浆料的方法及装置,所述装置包括与制备坩埚配合的定量取汤机,制备坩埚内设有测量金属液温度的温度传感器,还包括浆料制备系统、倾倒系统和控制系统,所述控制系统控制所述浆料制备系统与所述倾倒系统;所述浆料制备系统包括第一支撑架和设在所述第一支撑架上的升降机构、旋转机构和激冷系统;所述的激冷系统包括带盲孔的空心棒,空心棒内通入用于输送冷媒的气管;所述的空心棒连接所述的旋转机构和升降机构;所述倾倒系统连接所述的制备坩埚,以倾倒所述的制备坩埚内的金属液。本发明投资少、生产效率高。

Description

低过热度高效激冷制备半固态金属浆料的方法及装置
技术领域
[0001] 本发明涉及一种低过热度高效激冷制备半固态金属浆料的方法及装置。
背景技术
[0002] 在半固态金属(或合金)成型技术中,具有球状初生相的半固态金属浆料或坯料的制备处于最核心的位置。降低浆料的制备成本并缩短其工艺流程是目前乃至今后若干年里半固态金属成型技术的发展方向,而在线快速制备浆料是该技术工程化和产业化关注的焦点。
[0003]目前,现有半固态金属浆料的制备方法(包括制浆的专门装置或设备)主要有以下几种:机械搅拌法、电磁搅拌法、倾斜板法、液相线铸造法、化学晶粒细化法、旋转滚筒法、超声波处理法、喷射沉积法、阻尼管法、蛇形通道法、金属熔体混合法等等。其中,能够或者正在产业化或商业化的半固态金属成型设备却鲜见媒体报道,大多数还处于研发和试制阶段。
[0004] 机械搅拌法几乎可以制备所有的半固态金属浆料或坯料,但这种制备方法的主要缺点是:搅拌室和搅拌棒寿命短、金属熔体容易受污染等,所以机械搅拌法也仅仅应用在镁合金的半固态浆料或坯料的制备当中。电磁搅拌法+连续铸造法是目前研究得最成功的一种方法,在实际半固态金属触变成形应用中仍然占据主导地位。这种制备方法的主要缺点是:电磁搅拌中的电磁效率很低,电磁能耗很高,因此半固态金属坯料的制备成本较高,而且还需要专门的电磁搅 拌设备。倾斜板法就是将一定过热度的液态金属浇注到具有一定倾斜角的冷却平板上,在倾斜板的下端放置浆料的收集坩埚,这种方法是利用倾斜板的激冷作用来制备半固态金属浆料,但金属液容易在倾斜板的表面结壳。液相线铸造法就是使金属温度在液相线附近进行浇注,利用瞬间大量异质形核来制备半固态浆料,该方法对其它控制形核法的发明具有重要启发意义。化学晶粒细化法,由于形核剂的加入通常都是以杂质的形式存在,因而改变了金属的性质,并且增加了工艺操作程序以及提高了生产成本等,因此该技术的应用也将受到限制。旋转滚筒法同时具有机械搅拌和滚筒内壁激冷的效果,半固态浆料质量优良,但鲜见生产应用的媒体报道。超声波处理法,其基本原理是利用超声波扰动金属的凝固过程,细化金属晶粒,获得球状初生晶的半固态金属浆料。喷射沉积法,该方法是采用高压惰性气体将金属熔体流雾化成大量的细小溶滴,这些小溶滴在高速气流的作用下定向飞行一段距离并迅速冷却,在其未完全凝固前撞击到基板上,由于撞击产生的剪切力足以打碎溶滴内部形成的枝晶,致使凝固后的材料具有细小晶粒,与其它几种方法相比,喷射沉积法成本较高,只适用于制备特殊要求的大尺寸坯料。阻尼管法和蛇形通道法都是利用管道内壁的激冷作用来制备半固态浆料,但用于生产还鲜见媒体报道。总之,这些方法中除了机械搅拌法、电磁搅拌法和倾斜板法比较成熟外,其它方法或生产成本较高、或本身仍需产业化论证,同时也鲜见专业化的设备报道。
发明内容[0005] 为了克服现有半固态金属浆料制备方法中存在的生产成本高、缺少产业化论证且工艺流程太长等的缺点,本发明提供一种能够在线快速定量制备中等或低固相分数的低过热度高效激冷制备半固态金属浆料的方法及装置。
[0006] 本发明采用的技术方案是:
[0007] 低过热度高效激冷制备半固态金属浆料的方法,其特征在于:所述方法的步骤是:
[0008] (I)确定金属熔炼的温度:熔炼时将液态金属的过热度控制在5(T70°C范围内,然后对液态金属进行精炼,精炼后静置、扒渣和测含气量,最后将液态金属的过热度控制在1(T30°C范围内;
[0009] (2)定量取汤:汤勺预热,根据铸件、集渣包、浇注系统和料饼的重量总和来确定取汤量,将取好的汤倒入事先预热好的制备坩埚中;
[0010] (3)制备半固态浆料:当制备坩埚盛好给定的汤料后,启动浆料制备系统开关使空心棒下降至制备坩埚中,此时空心棒开始旋转,同时将冷媒通入空心棒激冷;当制备坩埚中液态金属的温度下降到设定的温度时,从液态金属中撤出空心棒;浆料制备完毕;
[0011] (4)倾倒和压射:启动倾倒开关,制备坩埚在推出机构的作用下,将半固态浆料直接倒入事先预热好的压室,然后直接压射。
[0012] 进一步,步骤(2)中所述制备坩埚的预热温度为35(T450°C。
[0013] 本发明使用上述所述的方法的专用装置,包括与制备坩埚配合的定量取汤机,制备坩埚内设有测量金属液温度的温度传感器,其特征在于:还包括浆料制备系统、倾倒系统和控制系统,所述控制系统控制所述浆料制备系统与所述倾倒系统;
[0014] 所述浆料制备系统包括第一支撑架和设在所述第一支撑架上的升降机构、旋转机构和激冷系统;所述的激冷系统包括带盲孔的空心棒,空心棒内通入用于输送冷媒的气管;所述的空心棒连接所述的旋转机构和升降机构;
[0015] 所述倾倒系统连接所述的制备坩埚,以倾倒所述的制备坩埚内的金属液;
[0016] 所述的温度传感器向所述的控制系统输出金属液的温度值,所述的升降机构、旋转机构、气管的开关、倾倒系统均连接所述的控制系统;当所述的空心棒下降进入金属液时,控制系统开启所述的气管的开关,向空心棒内通入冷媒,同时控制系统启动旋转机构,令空心棒旋转,防止激冷晶在空心棒表面停留结壳;当金属液温度达到预定值时,所述的控制系统向旋转机构和升降机构发出指令,空心棒自动停止旋转且上移至初始位置,同时控制系统向倾倒系统发出倾倒制备坩埚的指令。
[0017] 进一步,所述控制系统包括控制柜和设在所述控制柜内的温度显示器、交流变压器、变频器、电磁控制阀、接触器、PLC控制器和开关;所述温度显示器、交流变压器、变频器、电磁控制阀、接触器和开关均与所述PLC控制器连接;所述温度显示器显示温度传感器感应到的温度;所述变频器调节所述空心棒的转速;所述电磁控制阀分别用于控制所述升降机构和所述推出机构的运动;所述开关包括浆料制备系统的开关、气管的开关和倾倒开关。
[0018] 进一步,所述的倾倒系统包括第二气缸、连杆和轴承座,所述轴承座固定在第二支撑架上,所述第二支撑架设在底座上;所述第二气缸一端安装在所述底座上,另一端与所述连杆一端铰接,所述连杆另一端安装在所述轴承座的转动轴上且通过轴承对其进行支承;所述制备坩埚设置在所述轴承座的转动轴上且通过第二气缸作用带动所述连杆运动从而带动转动轴转动使所述制备坩埚倾斜将液体金属倒入压铸机的压室内;所述第二气缸的活塞运动由所述控制柜内的电磁控制阀控制,所述电磁控制阀进排气由所述PLC控制器控制。
[0019] 进一步,所述空心棒上端设置有夹头,所述夹头的上端安装有空心管,所述空心管的上端安装有固定轴承,所述固定轴承上安装有托板;所述气管的另一端穿过所述空心管且设在所述空心管的外部。
[0020] 进一步,所述升降机构包括第一气缸和导柱,所述第一气缸通过螺钉联接在所述第一支撑架上,所述第一气缸的进气和排气均由所述控制柜内的电磁控制阀控制,所述电磁控制阀进排气由所述PLC控制器控制。
[0021] 进一步,所述旋转机构包括电机、驱动齿轮、从动齿轮和固定轴承,所述电机安装固定在电机架上,所述电机架固定安装在托板上,所述电机架与所述第一气缸的活塞连接,由所述活塞推动所述第 一气缸上下运动;所述托板的两端分别与所述导柱的下端连接,所述导柱通过导向套与所述第一支撑架连接;所述电机轴的末端设有所述驱动齿轮,所述驱动齿轮与所述从动齿轮相互啮合,所述驱动齿轮在所述电机作用下转动,带动所述从动齿轮转动从而使所述空心棒旋转。
[0022] 进一步,所述温度传感器为一镍鉻-镍硅型热电偶。
[0023] 进一步,在所述连杆下方的所述第二支撑架上设有限制所述连杆运动的限位架。
[0024] 本发明所述浆料制备系统运行时,打开浆料制备系统的开关,第一气缸的活塞下行推动空心棒进入制备坩埚的铝液中时,电机将通过齿轮组合传动带动空心棒转动,同时气管将通入压缩空气。事前将温度显示器的设定值设定到浆料所需温度值,当铝液成为半固态浆料并达到设定温度的值时,由PLC控制器发出指令并传输给电磁控制阀,此时第一气缸活塞开始上升、同时电机停止转动,最后关闭浆液制备系统开关,此时,制浆过程完成。
[0025] 本发明所述倾倒系统运行时,第二气缸的活塞通过连杆推动制备坩埚转动。PLC控制器同时将指令传给电磁控制阀,电磁控制阀控制第二气缸的活塞运动,当浆料制备完毕时,打开倾倒开关,制备坩埚中的半固态浆料就会倾倒出,等浆料倒完后,关闭倾倒开关,制备坩埚又回到水平位置。
[0026] 本发明的有益效果体现在:
[0027] (I)半固态金属浆料的制备系统和倾倒系统安装在压铸机压室入料口的上方,占用空间很小,可以将制备好的浆料立即倾倒压铸,省却了浆料的输送过程,使浆料的温度可控;
[0028] (2)在制备浆料时,使用冷却介质对空心棒进行强制冷却,金属熔体因而能够形成更多的初生晶核,并通过空心棒旋转产生的离心力使初生晶核游离到整个金属熔体内部,从而提高了金属熔体内部的晶核密度,同时也减小了初生晶粒尺寸,铸件的力学性能因此得到提闻;
[0029] (3)无需对压铸机进行改造,具有投资少、生产效率高、容易实现自动化或人机一体化生产。
附图说明[0030] 图1是本发明浆料制备系统结构示意图。
[0031] 图2是本发明倾倒系统结构示意图。
[0032] 图3是本发明夹头结构示意图。
[0033] 图4是本发明限位架结构示意图。
[0034] 图5是本发明连杆结构示意图。
[0035] 图6是本发明导柱结构示意图。
具体实施方式
[0036] 参照图1至图6,低过热度高效激冷制备半固态金属浆料的方法,所述方法的步骤是:
[0037] (I)确定金属熔炼的温度:熔炼时将液态金属的过热度控制在5(T70°C范围内,然后对液态金属进行精炼,精炼后静置、扒渣和测含气量,最后将液态金属的过热度控制在1(T30°C范围内;
[0038] (2)定量取汤:汤勺预热,根据铸件、集渣包、浇注系统和料饼的重量总和来确定取汤量,将取好的汤倒入事先预热好的制备坩埚21中;
[0039] (3)制备半固态浆料:当制备坩埚21盛好给定的汤料后,启动浆料制备系统开关使空心棒10下降至制备坩埚21中,此时空心棒10开始旋转,同时将冷媒通入空心棒10激冷;当制备坩埚21中液态金属的温度下降到设定的温度时,从液态金属中撤出空心棒;浆料制备完毕;
[0040] (4)倾倒和压射:启动倾倒开关,制备坩埚在推出机构的作用下,将半固态浆料直接倒入事先预热好的压室,然后直接压射。
[0041] 进一步,步骤(2)中所述制备坩埚21的预热温度为35(T450°C。
[0042] 本发明使用上述所述方法的专用装置,包括与制备坩埚21配合的定量取汤机,制备坩埚内设有测量金属液温度的温度传感器14,还包括浆料制备系统、倾倒系统和控制系统,所述控制系统控制所述浆料制备系统与所述倾倒系统;
[0043] 所述浆料制备系统包括第一支撑架3和设在所述第一支撑架3上的升降机构、旋转机构和激冷系统;所述的激冷系统包括带盲孔的空心棒10,空心棒10内通入用于输送冷媒的气管15 ;所述的空心棒10连接所述的旋转机构和升降机构;
[0044] 所述倾倒系统连接所述的制备坩埚21,以倾倒所述的制备坩埚21内的金属液;
[0045] 所述的温度传感器向所述的控制系统输出金属液的温度值,所述的升降机构、旋转机构、气管的开关、倾倒系统均连接所述的控制系统;当所述的空心棒10下降进入金属液时,控制系统开启所述的气管的开关,向空心棒内通入冷媒,同时控制系统启动旋转机构,令空心棒旋转,防止激冷晶在空心棒表面停留结壳;当金属液温度达到预定值时,所述的控制系统向旋转机构和升降机构发出指令,空心棒自动停止旋转且上移至初始位置,同时控制系统向倾倒系统发出倾倒制备坩埚的指令。
[0046] 进一步,所述控制系统包括控制柜和设在所述控制柜内的温度显示器、交流变压器、变频器、电磁控制阀、接触器、PLC控制器和开关;所述温度显示器、交流变压器、变频器、电磁控制阀、接触器和开关均与所述 PLC控制器连接;所述温度显示器显示温度传感器感应到的温度;所述变频器调节所述空心棒10的转速;所述电磁控制阀分别用于控制所述升降机构和所述推出机构的运动;所述开关包括浆料制备系统的开关、气管的开关和倾倒开关。
[0047] 进一步,所述的倾倒系统包括第二气缸18、连杆19和轴承座20,所述轴承座20固定在第二支撑架16上,所述第二支撑架16设在底座17上;所述第二气缸18 —端安装在所述底座17上,另一端与所述连杆19 一端铰接,所述连杆19另一端安装在所述轴承座20的转动轴上且通过轴承对其进行支承;所述制备坩埚21设置在所述轴承座20的转动轴上且通过第二气缸18作用带动所述连杆19运动从而带动转动轴转动使所述制备坩埚21倾斜将液体金属倒入压铸机的压室内;所述第二气缸18的活塞运动由所述控制柜内的电磁控制阀控制,所述电磁控制阀进排气由所述PLC控制器控制。
[0048] 进一步,所述空心棒10上端设置有夹头11,所述夹头11的上端安装有空心管13,所述空心管13的上端安装有固定轴承12,所述固定轴承12上安装有托板7 ;所述气管15的另一端穿过所述空心管13且设在所述空心管13的外部。
[0049] 进一步,所述升降机构包括第一气缸I和导柱2,所述第一气缸I通过螺钉联接在所述第一支撑架3上,所述第一气缸I的进气和排气均由所述控制柜内的电磁控制阀控制,所述电磁控制阀进排气由所述PLC控制器控制。
[0050] 进一步,所述旋转机构包括电机5、驱动齿轮8、从动齿轮9和固定轴承12,所述电机5安装固定在电机架6上,所述电机架6固定安装在托板7上,所述电机架6与所述第一气缸I的活塞连接,由所述活塞推动所述第一气缸I上下运动;所述托板7的两端分别与所述导柱2的下端连接,所述导柱2通过导向套4与所述第一支撑架3连接;所述电机5的轴的末端设有所述驱动齿轮8,所述驱动齿轮8与所述从动齿轮9相互啮合,所述驱动齿轮8在所述电机5作用下转动,带动所述从动齿轮9转动从而使所述空心棒10旋转。
[0051] 进一步,所 述温度传感器14为一镍鉻-镍硅型热电偶。
[0052] 进一步,在所述连杆19下方的所述第二支撑架16上设有限制所述连杆运动的限位架22。
[0053] 本发明所述浆料制备系统运行时,打开浆料制备系统的开关,第一气缸的活塞下行推动空心棒进入制备坩埚的铝液中时,电机将通过齿轮组合传动带动空心棒转动,同时气管将通入压缩空气。事前将温度显示器的设定值设定到浆料所需温度值,当铝液成为半固态浆料并达到设定温度的值时,由PLC控制器发出指令并传输给电磁控制阀,此时第一气缸活塞开始上升、同时电机停止转动,最后关闭浆液制备系统开关,此时,制浆过程完成。
[0054] 本发明所述倾倒系统运行时,第二气缸的活塞通过连杆推动制备坩埚转动。PLC控制器同时将指令传给电磁控制阀,电磁控制阀控制第二气缸的活塞运动,当浆料制备完毕时,打开倾倒开关,制备坩埚中的半固态浆料就会倾倒出,等浆料倒完后,关闭倾倒开关,制备坩埚又回到水平位置。
[0055] 本说明书实施例所陈述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举,本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式,本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (10)

1.低过热度高效激冷制备半固态金属浆料的方法,其特征在于:所述方法的步骤是: (1)确定金属熔炼的温度:熔炼时将液态金属的过热度控制在5(T70°C范围内,然后对液态金属进行精炼,精炼后静置、扒渣和测含气量,最后将液态金属过热度控制在1(T30°C范围内; (2)定量取汤:汤勺预热,根据铸件、集渣包、浇注系统和料饼的重量总和来确定取汤量,将取好的汤倒入事先预热好的制备坩埚中; (3)制备半固态浆料:当制备坩埚盛好给定的汤料后,启动浆料制备系统开关使空心棒下降至制备坩埚中,此时空心棒开始旋转,同时将冷媒通入空心棒激冷;当制备坩埚中液态金属的温度下降到设定的温度时,从液态金属中撤出空心棒;浆料制备完毕; (4)倾倒和压射:启动倾倒开关,制备坩埚在推出机构的作用下,将半固态浆料直接倒入事先预热好的压室,然后直接压射。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于:步骤(2)中所述制备坩埚的预热温度为35(T450°C。
3.使用权利要求1所述的方法的专用装置,包括与制备坩埚配合的定量取汤机,制备坩埚内设有测量金属液的温度的温度传感器,其特征在于:还包括浆料制备系统、倾倒系统和控制系统,所述控制系统控制所述浆料制备系统与所述倾倒系统; 所述浆料制备系统包括第一支撑架和设在所述第一支撑架上的升降机构、旋转机构和激冷系统;所述的激冷系统包括带盲孔的空心棒,空心棒内通入用于输送冷媒的气管;所述的空心棒连接所述的旋转机构和升降机构; 所述倾倒系统连接所述的制备坩埚,以倾倒所述的制备坩埚内的金属液; 所述的温度传感器向所述的控制系统输出金属液的温度值,所述的升降机构、旋转机构、气管的开关、倾倒系统均连接所述的控制系统;当所述的空心棒下降进入金属液时,控制系统开启所述的气管的开关,向空心棒内通入冷媒,同时控制系统启动旋转机构,令空心棒旋转,防止激冷晶在空心棒表面停留结壳;当金属液温度达到预定值时,所述的控制系统向旋转机构和升降机构发出指令,空心棒自动停止旋转且上移至初始位置,同时控制系统向倾倒系统发出倾倒制备坩埚的指令。
4.如权利要求3所述的专用装置,其特征在于:所述控制系统包括控制柜和设在所述控制柜内的温度显示器、交流变压器、变频器、电磁控制阀、接触器、PLC控制器和开关;所述温度显示器、交流变压器、变频器、电磁控制阀、接触器和开关均与所述PLC控制器电连接;所述温度显示器显示温度传感器感应到的温度;所述变频器调节所述空心棒的转速;所述电磁控制阀分别用于控制所述升降机构和所述推出机构的运动;所述开关包括浆料制备系统的开关、气管的开关和倾倒开关。
5.如权利要求4所述的专用装置,其特征在于:所述的倾倒系统包括第二气缸、连杆和轴承座,所述轴承座固定在第二支撑架上,所述第二支撑架设在底座上;所述第二气缸一端安装在所述底座上,另一端与所述连杆一端铰接,所述连杆另一端安装在所述轴承座的转动轴上且通过轴承对其进行支承;所述制备坩埚设置在所述轴承座的转动轴上且通过第二气缸作用带动所述连杆运动从而带动转动轴转动使所述制备坩埚倾斜将液体金属倒入压铸机的压室内;所述第二气缸的活塞运动由所述控制柜内的电磁控制阀控制,所述电磁控制阀进排气由所述PLC控制器控制。
6.如权利要求5所述的专用装置,其特征在于:所述空心棒上端设置有夹头,所述夹头的上端安装有空心管,所述空心管的上端安装有固定轴承,所述固定轴承上安装有托板;所述气管的另一端穿过所述空心管且设在所述空心管的外部。
7.如权利要求6所述的专用装置,其特征在于:所述升降机构包括第一气缸和导柱,所述第一气缸通过螺钉联接在所述第一支撑架上,所述第一气缸的进气和排气均由所述控制柜内的电磁控制阀控制,所述电磁控制阀进排气由所述PLC控制器控制。
8.如权利要求7所述的专用装置,其特征在于:所述旋转机构包括电机、驱动齿轮、从动齿轮和固定轴承,所述电机安装固定在电机架上,所述电机架固定安装在托板上,所述电机架与所述第一气缸的活塞连接,由所述活塞推动所述第一气缸上下运动;所述托板的两端分别与所述导柱的下端连接,所述导柱通过导向套与所述第一支撑架连接;所述电机的轴的末端设有所述驱动齿轮,所述驱动齿轮与所述从动齿轮相互啮合,所述驱动齿轮在所述电机作用下转动,带动所述从动齿轮转动从而使所述空心棒旋转。
9.如权利要求8所述的专用装置,其特征在于:所述温度传感器为一镍鉻-镍硅型热电偶。
10.如权利 要求9所述的专用装置,其特征在于:在所述连杆下方的所述第二支撑架上设有限制所述连杆运动的限位架。
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