CN103341596B - 一种分流汇合浇道制备半固态浆料和流变成形设备 - Google Patents

Abstract

一种分流汇合浇道制备半固态浆料装置和流变成形设备，属于半固态金属加工技术领域。该装置由浇口杯、金属熔体、分流汇合浇道、石墨板、冷却和加热元件、制备坩埚、温度控制器、加热器、压铸机及压室、压射冲头、挤压铸造机及压室、压射冲头、锻造机及下模和上模组成。本发明利用分流汇合通道来达到冷却和搅拌合金熔体促进熔体形核，制备半固态浆料，制备好的半固态浆料与压铸机、挤压机锻造机结合进行流变成形。本发明构造简单、投资少，生产成本低，连续制备工作稳定可靠，非常适合半固态金属浆料或坯料的制备与成形生产。

Description

一种分流汇合浇道制备半固态浆料和流变成形设备

技术领域

本发明属于半固态金属加工技术领域,特别提供了一种分流汇合浇道制备半固态浆料和流变成形的设备。

背景技术

自从20世纪70年代初期，美国麻省理工学院MCFlemings等研究人员创立了金属半固态成形的概念，半固态金属浆料的制备和成形技术作为一种新型的技术引起了世界各国的广泛关注。据文献“Behaviorofmetalalloysinthesemisolidstate”(MCFlemings,MetallTrans,1991,22A:957-981)、“一种悬挂锥筒式半固态金属浆料制备及输送装置”（康永林，中国专利，200810114097.3，2008）和《金属材料半固态加工理论与技术》（编著：康永林，毛卫民，胡壮麒，科学出版社，2004）报道，获得半固态金属浆料的方法很多，如机械搅拌法、电磁搅拌法、应变引起的熔体激活法、晶粒细化和重熔法、紊流效应法、单螺旋搅拌法、双螺旋搅拌法、低过热度倾斜板浇铸法、熔体混合法、气泡搅拌法等。同样，上述文献也提出了许多半固态金属浆料的流变成形方法，如传统机械搅拌式流变成形、压射室制备浆料式流变成形、单螺旋机械搅拌流变成形、双螺旋机械搅拌式流变成形、低过热度倾斜板浇注式流变成形、CRP（ContinuousRheoconversionprocess）式流变成形、SEED（SwirledEnthalpyEquilibationDevice）式流变成形等。但为了降低半固态金属浆料的制备与成形成本，世界各国的学者、专家和工业界仍在不断努力，试图提出新的半固态金属浆料或坯料的制备技术。

文献“semi-solidprocessingofengineeringalloysbyatwin-screwrheomoldingprocess.”(SJi,ZFanandMJBevis,MaterSci&Eng,2001,299A:210-217)提出：双螺旋机械搅拌流变射铸的设备主要包括液态镁合金供料机构、双螺旋机械搅拌机构、压射机构和中央控制机构。在双螺旋机械搅拌流变射铸的设备中，一般不特别设置用于镁铝等轻合金熔体浇注的分流汇合通道，即不利用分流汇合通道来达到冷却和搅拌合金熔体促进形核，只需将过热合金熔体平稳导入双螺旋机械搅拌桶中即可。供料机构能够保证向双螺旋机械搅拌机构提供温度合适和数量合适的液态镁合金；液态镁合金一旦进入搅拌系统，一般被双螺旋搅拌桶强烈的剪切，一边被快速冷却到预期的固相分数；当半固态镁合金浆料到达输送阀时，初生固相已经转变为球状颗粒，并均匀分布在低熔点的液相中；当输送阀打开时，半固态镁合金浆料进入压室，被压入模具型腔，并在模具中完全凝固，最终形成机械零件。但这种双螺旋机械搅拌流变射铸设备仅适合于镁合金的半固态流变成形。

文献“TheContinuousRheoconversionProcess(CRP):ANovelSSMApproach.”(PanQY,FindonM,ApelianD,Proceedingsofthe8thInternationalConferenceonSemi-SolidProcessingofAlloysandComposites,Limassol,Cyprus,2004,106-118.)中提出了一种连续制备半固态浆料装置，利用两个预热的通道将位于两个容器中的低过热度合金（相同成分或者不同成分）液导入反应器，在反应器内部产生两股合金熔体的强烈紊流、碰撞、混合，同时合金熔体向反应器传热并逐渐凝固，最终制备出颗粒圆整均匀的半固态金属浆料。在该半固态浆料设备中，不特别设置用于镁铝等轻合金熔体浇注的分流汇合通道，即不利用分流汇合通道来达到冷却和搅拌合金熔体促进形核。该装置的缺点是反应器结构较复杂，通道和反应器容易粘挂浆料，需要及时清理，清理难度较大。

中国专利200810107252.9提出了一种半固态合金浆料的制备与成形的方法，将高过热度合金熔体浇入一个可绕中心轴线回转式摆动的冷却通道，流入浆料收集器中，获得含有大量自由晶的低固相率的半固态浆料，然后将半固态浆料转移至压铸机的压射室或挤压铸造机的压射室，使半固态浆料在压力下成形。在该半固态浆料设备中，不特别设置用于镁铝等轻合金熔体浇注的分流汇合通道，即不利用分流汇合通道来达到冷却和搅拌合金熔体促进形核，只需将过热金属液体浇入回转式摆动的冷却通道内即可。

欧洲专利EP0745691A1提出了NewRheocasting技术，简称NRC。在NRC技术汇总，首先降低浇注金属液的过热度，将金属液教主到一个倾斜平板（或倾斜圆管、或倾斜半圆管）上，金属熔体流入手机坩埚，再经过适当地冷却凝固，这是的半固态金属熔体中的金属浆料进行温度调整，以获得尽可能均匀的温度场或固相分数，最终获得半固态金属浆料，再将该半固态金属奖励进行流变压铸或锻造，就可成形各种另在。在NewRheocasting工艺的设备中，不特别设置用于镁铝等轻合金熔体浇注的分流汇合通道，即不利用分流汇合通道来达到冷却和搅拌合金熔体促进形核，只需将过热金属熔体平稳地浇倒倾斜平板（倾斜圆管、或倾斜半圆管）上即可。

中国专利200710176136.8提出了一种半固态金属浆料的制备和流变成形的设备，将过热熔体浇入由倾斜管和垂直管组成的斜直复合管通道来浇注金属液，促进该金属液的冷却和形核，制备半固态金属浆料与流变成形。在该技术的设备中，不特别设置用于镁铝等轻合金熔体浇注的分流汇合通道，即不利用分流汇合通道来达到冷却和搅拌合金熔体促进形核，只需将过热金属熔体浇入到斜直浇道即可。

此外还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）；一种轻合金半固态浆料制备装置（专利201120425807.1）等等。在以上技术的设备中，都没有特别设置用于镁铝等轻合金熔体浇注的分流汇合通道，即不利用分流汇合通道来达到冷却和搅拌合金熔体促进形核。

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

本发明的目的在于提供一种半固态浆料的制备与流变成形的设备。该装置利用分流汇合通道对合金熔体进行冷却和混合，促进合金熔体的冷却和形核，制备半固态金属浆料，并结合各种成形设备进行流变成形。

本发明由浇勺、金属熔体、分流汇合浇道、石墨板、制备坩埚、加热器、加热元件、冷却元件、支撑架、压铸机及压室、压射冲头、挤压铸造机及压室、挤压冲头等组成；见图1、图2、图3、图4。支撑架与石墨板衔接，分流汇合浇道嵌入到石墨板内，分流汇合浇道与制备坩埚衔接，制备坩埚与温度控制器结合，温度控制器与加热元件相连，对制备坩埚的温度进行控制。分流汇合浇道可以单模使用，也可以采用对称双模组合使用，具体应用见实例2。

分流汇合浇道可以直接跟压铸机及压室进行结合实现流变压铸，制备好的半固态浆料进入压铸机及压室后，压射冲头根据工艺参数将半固态浆料压入型腔进行充型，得到半固态产品零件；同时也可以将制备坩埚与压铸机及压室结合，将制备坩埚内的半固态浆料倒入压铸机压室后，压射冲头将半固态浆料压入型腔充型。

分流汇合浇道可以直接跟挤压机及压室结合实现流变挤压成形，制备好的半固态浆料进入挤压机及压室后，挤压冲头根据工艺参数将半固态浆料压入型腔进行充型，得到半固态挤压零件；同时也可以将制备坩埚与挤压机及压室结合，将制备坩埚内的半固态浆料倒入挤压机压室后，挤压冲头将半固态浆料压入型腔充型。

分流汇合浇道的结构见图1和图2，分流汇合浇道的侧面有通孔，嵌有加热元件和冷却元件；温度控制器与加热元件和冷却元件相结合，所述分流汇合浇道制备半固态浆料和流变成形设备还设有一温度控制箱，所述温度控制箱与加热元件和冷却元件结合用于控制石墨板的温度，与加热器结合用于控制制备坩埚的温度；或分流汇合浇道与制备坩埚相结合；分流汇合通道的冷却元件由循环水冷却套、或气流冷却套、或机油冷却套组成；加热元件有电阻加热丝或电阻加热管组成。分流汇合浇道的截面为半圆、或圆、椭圆、矩形、三角形等；分流汇合浇道的材质为石墨、或陶瓷、或铜合金、或不锈钢；分流汇合浇道的内壁涂刷陶瓷涂料，涂料的厚度为0.1~2mm。分流汇合浇道的分流浇道的数量包括但不限于2、4、6、8。分流汇合浇道的长度包括但不限于200~1500mm，石墨板与地平线的夹角为10~90°，分流汇合浇道的内径在5~100mm之间；金属熔体的温度范围为金属液相线温度-50℃~200℃；分流汇合浇道的温度低于该金属熔体的固相线温度。

本发明的优点在于：将过热度为-50℃~200℃的金属液浇入分流汇合浇道，该过热金属液沿着该分流汇合浇道的支浇道向下流动，然后汇合流入制备坩埚中，以此强化该金属液的激冷和大量增加结晶核心，可获得更加优良的半固态金属浆料；同时控制该金属浆料的后续冷却过程或温度场，准确控制半固态金属浆料的固态分数，然后将该固相分数的半固态金属浆料直接送至压铸机、挤压铸造机或锻造机进行流变成形；或将该半固态浆料完全凝固成坯料，用于该金属的半固态触变成形；或直接将分流汇合浇道与压铸机、挤压铸造机或锻造机结合，半固态浆料直接进入成形设备成形。

本设备取消了复杂的电磁搅拌或机械搅拌装置，也取消了复杂的低过热度浇注，也大大降低了液相线浇注的难度，大大减少了制备能耗，同样可获得优良的半固态金属浆料，明显降低了半固态金属浆料的制备成本。设备构造简单、投资少、铸件、挤压件或锻件的生产成本低，非常适合半固态金属的流变成形及坯料的生产。

附图说明

图1为分流汇合浇道制备半固态浆料装置结构示意图；

图2为分流汇合浇道制备半固态浆料装置侧视图；

图3为分流汇合浇道与压铸机结合示意图；

图4为本发明的分流汇合浇道与挤压机结合示意图。

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：

图1为分流汇合浇道制备半固态浆料装置结构示意图；图2为分流汇合浇道制备半固态浆料装置侧视图；如图所示：

本发明所述分流汇合浇道制备半固态浆料和流变成形设备由浇勺1、金属熔体2、分流汇合浇道3、石墨板4、制备坩埚5、加热器6、加热元件7、冷却元件8、支撑架9、压铸机及压室10、压射冲头12、挤压铸造机及压室13、挤压冲头14等组成。支撑架9与石墨板4衔接，分流汇合浇道3与制备坩埚5衔接，制备坩埚5与加热器6相衔接，分流汇合半固态浆料制备装置与压铸机及压室10结合，分流汇合半固态浆料制备装置与挤压铸造机及压室13结合实现流变成形。分流汇合浇道可以单模使用，也可以采用对称双模组合使用，具体应用见实例2。

图3为分流汇合浇道与压铸机结合示意图；图4为本发明的分流汇合浇道与挤压机结合示意图；如图所示：分流汇合浇道3可以直接跟压铸机及压室10进行结合实现流变压铸，制备好的半固态浆料11进入压铸机及压室10后，压射冲头12根据工艺参数将半固态浆料11压入型腔进行充型，得到半固态产品零件；同时也可以将制备坩埚5与压铸机及压室10结合，将制备坩埚5内的半固态浆料11倒入压铸机压室10后，压射冲头12将半固态浆料11压入型腔充型。

分流汇合浇道3可以直接跟挤压机及压室13结合实现流变挤压成形，制备好的半固态浆料11进入挤压机及压室13后，挤压冲头14根据工艺参数将半固态浆料11压入型腔进行充型，得到半固态挤压零件；同时也可以将制备坩埚5与挤压机及压室13结合，将制备坩埚5内的半固态浆料11倒入挤压机压室13后，挤压冲头14将半固态浆料11压入型腔充型。

分流汇合浇道3的结构见图1和图2，分流汇合浇道3的侧面有通孔，嵌有加热元件7和冷却元件8；温度控制器与加热元件7和冷却元件8相结合，或分流汇合浇道与制备坩埚相结合；分流汇合通道3的冷却元件8由循环水冷却套、或气流冷却套、或机油冷却套组成；加热元件7有电阻加热丝或电阻加热管组成。分流汇合浇道3的截面为半圆、或圆、椭圆、矩形、三角形等；分流汇合浇道3的材质为石墨、或陶瓷、或铜合金、或不锈钢；分流汇合浇道3的内壁涂刷陶瓷涂料，涂料的厚度为0.1~2mm。分流汇合浇道3的分流浇道的数量包括但不限于2、4、6、8。分流汇合浇道3的长度包括但不限于200~1500mm，石墨板4与地平线的夹角为10~90°，分流汇合浇道3的内径在5~100mm之间；金属熔体2的温度范围为金属液相线温度-50℃~200℃；分流汇合浇道3的温度低于该金属熔体的固相线温度。

实例1：

（1）试验用ZL101A铝合金的液相线为615℃，将合金在坩埚电阻炉内熔化，待合金温度达到720℃左右时，用钟罩将烘干后的六氯乙烷压入熔体低部（加入量为合金液总重量的0.5%），并轻轻摆动，进行合金熔体的除气、除渣精炼处理，最后将合金熔体温度降至630℃保温。

（2）设定本发明装置分流汇合浇道温度为200℃，分流汇合浇道与地平线的夹角为45°，将上一步骤熔炼好的合金液通过进料口浇入到分流汇合通道内，合金熔体沿浇道壁从上向下流动，先分流后汇合，在筒壁的充分冷却下，熔体的温度降到液相线下，初生晶核数量增加并生长为球形，制备好的浆料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。

实例2：

（1）试验用A356铝合金的液相线温度为615℃，将铝合金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700℃后精炼，用钟罩将烘干后的六氯乙烷压入熔体低部（加入量为合金液总重量的0.5%），并轻轻摆动，进行合金熔体的除气、除渣精炼处理，最后将合金熔体温度降至640℃保温。

（2）将两个分流汇合浇道半模组合，设定分流汇合浇道温度为150℃，分流汇合浇道与地平线的夹角为60°，将上一步骤熔炼好的合金液通过进料口浇入到分流汇合通道内，合金熔体沿浇道壁从上向下流动，先分流后汇合，在筒壁的充分冷却下，熔体的温度降到液相线下，初生晶核数量增加并生长为球形，制备好的浆料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。制备好的半固态浆料直接流入压铸机料室内，进行流变压铸成形。

Claims (5)

1.一种分流汇合浇道制备半固态浆料和流变成形设备，其特征在于：由浇勺（1）、金属熔体（2）、分流汇合浇道（3）、石墨板（4）、制备坩埚（5）、加热器（6）、加热元件（7）、冷却元件（8）、支撑架（9）、压铸机及压室（10）、半固态浆料（11）、压射冲头（12）、挤压铸造机及压室（13）、挤压冲头（14）组成；分流汇合浇道（3）与石墨板（4）相结合，石墨板（4）侧面有通孔，嵌有加热元件（7）和冷却元件（8），支撑架（9）与石墨板（4）衔接，制备坩埚（5）与加热器（6）相衔接，所述分流汇合浇道制备半固态浆料和流变成形设备还设有一温度控制箱，所述温度控制箱与加热元件（7）和冷却元件（8）结合用于控制石墨板（4）的温度，与加热器（6）结合用于控制制备坩埚（5）的温度；或分流汇合浇道（3）与制备坩埚（5）衔接；或分流汇合浇道（3）与压铸机压室（10）相结合，压室（10）与压射冲头（12）相结合，实现流变压铸成形；或分流汇合浇道（3）与挤压铸造机压室（13）相结合，压室（13）与挤压冲头（14）相结合，实现流变挤压成形。

2.根据权利要求1所述的分流汇合浇道制备半固态浆料和流变成形设备，其特征在于：分流汇合浇道（3）的分流浇道的数量为2、4、6或8；分流汇合浇道（3）的长度为200~1500mm，石墨板（4）与地平线的夹角为10~90°，分流汇合浇道（3）的内径在5~100mm之间；金属熔体（2）的温度范围为金属液相线温度-50℃~200℃；分流汇合浇道（3）的温度低于该金属熔体的固相线温度。

3.按照权利要求1或2所述的分流汇合浇道制备半固态浆料和流变成形设备，其特征在于：分流汇合浇道（3）的截面为半圆、圆、椭圆、矩形或三角形；分流汇合浇道（3）的材质为石墨、陶瓷、铜合金或不锈钢；分流汇合浇道（3）的内壁涂刷陶瓷涂料，涂料的厚度为0.1~2mm。

4.按照权利要求1所述的分流汇合浇道制备半固态浆料和流变成形设备，其特征在于：分流汇合通道（3）的冷却元件（8）是循环水冷却套、气流冷却套或机油冷却套；加热元件（7）由电阻加热丝或电阻加热管组成。

5.按照权利要求1或2或4所述的分流汇合浇道制备半固态浆料和流变成形设备，其特征在于：分流汇合浇道为单模使用，或采用对称双模组合使用。