CN103586427B - 激冷机械搅拌制备镁合金液态/半固态熔体的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激冷机械搅拌制备镁合金液态/半固态熔体的方法及装置，在盛装液态/半固态熔体镁合金的容器内，采用旋转的搅拌器进行搅拌，搅拌器的叶片是两片或以上；在搅拌的同时，将冷却水经过搅拌器的搅拌轴内腔通入每片叶片的内部空腔，经每片叶片和搅拌轴内腔的冷却水的冷却作用，形成激冷与机械搅拌的处理方式，获得晶粒细化的镁合金。本专利将亚快速凝固细化镁合金晶粒与高速机械搅拌细化晶粒有机结合在一个工艺中，在S型搅拌桨的剪切作用及流动冷却水的激冷作用下，镁合金晶粒达到细化；是一种简单、效率高、连续生产、使用方便、应用广泛、适用的材料广泛的方法；节约了能源，提高了铸坯质量，细化了微观组织。

Description

激冷机械搅拌制备镁合金液态/半固态熔体的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种有色金属塑性成型技术，高强韧性镁合金或其它合金细晶材料的制备和型材的生产；尤其涉及激冷机械搅拌制备镁合金液态/半固态熔体的方法及装置。

背景技术

镁合金是一种最轻的工程结构金属材料，具有密度小、比强度高、良好的导电能力和电磁屏蔽性能、减振和阻尼性能好且容易回收利用等特点；镁合金广泛用于携带式的器械和汽车行业中，达到轻量化的目的。镁合金可应用于汽车、航空航天以及3C产品(家用电器、计算机、通信电子器件)等领域。例如：手机，笔记本电脑上的液晶屏幕的尺寸年年增大，在它们的枝撑框架和背面的壳体上使用了镁合金。镁合金的比重虽然比塑料重，但单位重量的强度和弹性率比塑料高。所以，在同样的强度零部件的情况下，镁合金的零部件能做得比塑料的薄而且轻。

但是，由于镁合金的密排六方结构使得它的塑性成型能力差，并且镁合金的强度低，抗腐蚀性能差，在一定的程度上限制了镁合金的广泛应用。目前，通过细化晶粒来改善其微观组织是一种有效的提高镁合金材料成型能力的方法。

在镁合金的熔炼工艺或合金化的过程中，需要加入合金元素，希望加入的合金元素能够混合均匀，同时希望获得组织细小均匀的金属固态/半固态坯料。目前多采用机械搅拌或人工搅拌的方法，将钢铁制的工具或搅拌器伸进熔炉进行搅拌，从而使得合金熔体旋转而 达到搅拌的目的。这种方式效率低，生产出的镁合金材料组织不均匀，晶粒粗大。

通过金属熔体预处理和凝固过程控制是实现凝固组织细化的主要途径。目前镁合金熔体预处理主要包括细化剂或变质剂的化学处理和施加外场的物理处理。 近年有不少针对Mg-Al系合金细化剂的研究工作，如通过添加碳酸盐或其它含碳化合物以形成Al₄C₃来细化Mg-Al系合金组织，但因劳动强度与熔体净化的难题未在生产中应用。通过添加RE、Sr、Ca等可实现Mg-Al系合金变质细化，但也带来合金组成改变以及成本增加等问题。 通过包括机械搅拌、交变电磁场、脉冲磁场和静电磁场、脉冲电流、超声场等物理场来处理金属熔体和控制凝固过程，可以实现凝固组织细晶化和均匀化等效果。

发明内容

针对现有镁合金机械搅拌技术的不足，本发明的主要目的在于细化镁合金材料微观组织、提高镁合金组织均匀性，提供一种激冷机械搅拌制备镁合金液态/半固态熔体的方法及装置。

本发明的技术方案如下：一种激冷机械搅拌制备镁合金液态/半固态熔体的方法，其特征在于：在盛装液态/半固态熔体镁合金的容器内，采用旋转的搅拌器进行搅拌，搅拌器的叶片是两片或以上；在搅拌的同时，将冷却水经过搅拌器的搅拌轴内腔通入每片叶片的内部空腔，经每片叶片的内部空腔和搅拌轴内腔的冷却水的冷却作用，形成激冷与机械搅拌的处理方式，获得晶粒细化的镁合金。

所述中空结构的叶片，其上、下端分别密封连接在搅拌轴的内腔的上、下部分，由依次连接的第一横段、向上延伸的上竖段、第一过渡段、向下延伸的下竖段、第二过渡段和第二横段构成，形成“S”型结构；其上端通过第一横段、下端通过第二横段分别连接在搅拌轴上；在叶片与搅拌轴之间形成一个空腔；搅拌轴的内腔的上、下部分之间，设置有堵头。

进一步的特征是：所述叶片为六片，作为搅拌桨均布在搅拌轴的周围。

一种激冷机械搅拌制备镁合金液态/半固态熔体的装置，其特征在于：储存冷却水的进水箱，经水管与设置在容器内的搅拌轴相密封连接，搅拌轴为空心结构，内腔作为水流通道与水管相连通；搅拌轴上设置的电动装置带动搅拌轴转动，产生搅拌作用；在搅拌轴上安装有两片以上的叶片，每片叶片为中空结构，其内部空腔与搅拌轴内部的内腔相连通，形成冷却水流动通道；从搅拌轴内腔上部通入的冷水从叶片的上端流入，从下端流出，再流入内腔的下部，最后流出搅拌轴；所述中空结构的叶片，其上、下端分别密封连接在搅拌轴的内腔的上、下部分，由依次连接的第一横段、向上延伸的上竖段、第一过渡段、向下延伸的下竖段、第二过渡段和第二横段构成，形成“S”型结构；其上端通过第一横段、下端通过第二横段分别连接在搅拌轴上；在叶片与搅拌轴之间形成一个空腔；搅拌轴的内腔的上、下部分之间，设置内径缩小的毛细管道，将内腔的上、下两部分连通。

本发明采用激冷机械搅拌技术制备镁合金液态/半固态熔体，显著改善现有镁合金熔体/半固态浆料的组织和质量，经凝固和塑性变形处理后得到晶粒细化镁合金棒材、带材、板材、型材等。可以获得高生产率，

利用亚快速凝固效应获得细晶组织，改善镁合金材料的成形性能与塑性，并提高后续塑性加工性能，该技术的核心是在液态/半固态浆料的形成过程中利用机械搅拌形成极高的剪切速率（可达4000s-1以上）和强烈的紊流，从而促进凝固过程的有效形核和球化生长，一方面高形核速率极大地细化半固态浆料组织，另一方面强紊流促进固相的球化生长。该方法是一种极端条件下的均匀细化组织的凝固技术。

    相对于现有技术，本发明的工艺方法，具有以下有益效果：

1、本专利将亚快速凝固细化镁合金晶粒（搅拌桨内部通冷却水，冷却方式为快速水冷）与高速机械搅拌细化晶粒有机结合在一个工艺中,该工艺中，盛装在连续铸造结晶器或坩埚中的镁合金高温熔体，在S型搅拌桨的剪切作用及流动冷却水的激冷作用下，镁合金晶粒达到细化。

2、为高性能镁合金材料的生产制备提供一种简单、效率高、连续生产、使用方便、应用广泛、适用的材料广泛的方法。

3、在同一台设备上同时完成了均匀搅拌和激冷冷却等工序，相比现有的机械搅拌工艺提高了效率，节约了能源，提高了铸坯质量，细化了微观组织。设备简单集中，投资少，污染少，占地面积小，建造速度快，生产成本低。设备结构与工艺很容易在工业上应用，可连续稳定进行生产，简化生产工艺，缩短生产周期，使生产效率大大提高，便于自动控制实现自动化。

4、激冷机械搅拌制备镁合金液态/半固态熔体的方法是镁合金机械搅拌技术的进一步发展，将液态金属激冷与机械搅拌技术合为一体。国际上尚未见到采用该技术进行镁合金材料制备的报道，也未相关发明专利。

5、本发明六片S型搅拌桨，提高了搅拌桨和熔体的接触面积，可有效的激冷，有效的扰动和剪切熔体。

6、本装置生产的镁合金材料强塑性好，提供的制备工艺简单，显著降低产品成本的同时具有环境友好特征，应用前景广阔。

附图说明

图1是本发明装置示意图；

图2 是本发明装置后续处理结构示意图；

图3是图1的局部图（“S型搅拌桨示意图”）；

图4是图1的局部剖视图。

具体实施方式

本发明激冷机械搅拌制备镁合金液态/半固态熔体的方法，其特征在于：

在盛装液态/半固态熔体镁合金的容器内（熔体室或结晶器），采用旋转的搅拌器进行搅拌，搅拌器的叶片是两片或以上；在搅拌的同时，将冷却水经过搅拌器的搅拌轴内腔通入每片叶片的内部空腔，经每片叶片的内部空腔和搅拌轴内腔的冷却水的冷却作用，形成激冷与机械搅拌的处理方式，获得晶粒细化的镁合金。

如图1、2、3、4所示，本发明激冷机械搅拌装置的结构，包括进水箱1，进水箱1储存温度较低的冷却水，如0℃以下、0℃、10℃、20℃、25℃等的水，具体的水温根据工艺要求确定；进水箱1经水管2与设置在容器3内的搅拌轴4相密封连接，搅拌轴4为空心结构，内部的内腔41作为水流通道；搅拌轴4上设置有现有技术的电动装置5，搅拌轴与电动装置5的转轴以配合相连接（如过盈配合或花键等连接），经电动装置5带动搅拌轴4转动，产生搅拌作用。在搅拌轴4上安装有两片以上的叶片6，通常为四片、或六片或八片，图中所示为对称布置的六片叶片，每片为S型搅拌桨， 六片叶片6作为搅拌桨均布在搅拌轴4的周围。每片叶片为中空结构，其内部空腔与搅拌轴4内部的内腔41相连通，形成冷却水流动通道；在内腔41内设置有堵块42，将内腔41分隔为上下两部分。从搅拌轴4内腔41上部通入的冷水从叶片6的上端流入，从下端流出，再流入内腔41的下部，最后流出搅拌轴4；可以在搅拌轴4下部设置储水箱，将冷却水存储在其内。

当然，根据实际需要，内腔41的上、下两部分之间，也可以设置内径缩小的毛细管道，将内腔41的上、下两部分连通，使搅拌轴4的这一段中也有冷却水流过，使整根搅拌轴4内部都有冷却水流动，能取得更优的冷却效果。

如图3所示，本发明的叶片6，为中空结构，其上、下端分别密封连接在搅拌轴4的内腔41的上、下部分。叶片6整体为S型，由依次连接的第一横段61、向上延伸的上竖段62、第一过渡段63、向下延伸的下竖段64、第二过渡段65和第二横段66构成，形成“S”型结构；第一横段61、上竖段62、第一过渡段63、下竖段64、第二过渡段65和第二横段66都是管状结构,其内部的空腔相连通；其上端通过第一横段61、下端通过第二横段66分别连接在搅拌轴4上。“S”型结构的叶片6，延长了冷却水的流道长度，增加了激冷效果，也增强了冷却的均匀性。在叶片6与搅拌轴4之间形成一个空腔67，这样能大幅度增加搅拌作用的均匀性，能有效防止靠近搅拌轴4的镁合金流体被大幅度、过渡搅拌，使整个容器3内的镁合金基本能搅拌均匀。

如图4所示，本发明空心的搅拌轴4内部的结构，在搅拌轴4的内腔41上，设置有堵块42，将内腔41分隔为上下两部分；即设置了堵块42的这一段搅拌轴是实心的，不通冷却水，使得从内腔41的上部分流入的冷却水只能分流到叶片6的上端（第一横段61流入），从下端流出（第二横段66流出），再流入内腔41的下部分；流出的水收集于储水箱中。

另外，另一种实施例中，搅拌轴4的内腔41的上、下部分之间，不设置了堵块42，设置内径缩小的毛细管道，将内腔的上、下两部分连通。

当搅拌装置中的水流达到平稳后，开始将镁合金熔体注入容器3内（熔体室），开动电动装置，使得搅拌轴4以及叶片6开始工作，产生搅拌作用的同时，对镁合金产生激冷冷却作用。

如图2所示，作为对容器3内处理后的金属液体的后续处理（铸造成型处理）的一种结构形式，在容器3内，设置了吸铸管7，吸铸管7的一端插入容器3内，将经过前述搅拌以及激冷冷却处理的镁合金液体在相连接的真空泵10的抽吸作用下，通过吸铸管7进入密闭铸型8内，在型腔内冷却成型，得到铸件；或者将吸铸管7的一端连接在容器3的下面，使经过前述搅拌以及激冷冷却处理的镁合金液体在重力作用下（或者泵的抽吸作用下），通过吸铸管7进入密闭铸型8内，在型腔内冷却成型，得到铸件。真空泵10前的管道设置有控制阀9，在真空泵10的抽吸作用下，使管道以及密闭铸型8中形成真空或半真空的负压状态，将金属液压入或吸入密闭铸型8内，由控制阀9对密闭铸型8进行气压控制以及铸造控制。

搅拌轴4和“S”型空心叶片6可以用热导率较强的紫铜制造，能保证热传导速度，保证激冷效果。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，尽管申请人参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种激冷机械搅拌制备镁合金液态/半固态熔体的装置，其特征在于：包括进水箱（1），储存冷却水的进水箱（1），经水管（2）与设置在容器（3）内的搅拌轴（4）相密封连接，搅拌轴（4）为空心结构，内部的内腔（41）作为水流通道与水管（2）相连通；搅拌轴（4）上设置的电动装置（5）带动搅拌轴（4）转动，产生搅拌作用；在搅拌轴（4）上安装有两片以上的叶片（6），每片叶片（6）为中空结构，其内部空腔与搅拌轴（4）内部的内腔（41）相连通，形成冷却水流动通道；从搅拌轴（4）的内腔（41）上部通入的冷却水从叶片（6）的上端流入，从下端流出，再流入内腔（41）的下部，最后流出搅拌轴（4）；

所述中空结构的叶片（6），其上、下端分别密封连接在搅拌轴（4）的内腔（41）的上、下部分，由依次连接的第一横段（61）、向上延伸的上竖段（62）、第一过渡段（63）、向下延伸的下竖段（64）、第二过渡段（65）和第二横段（66）构成，形成“S”型结构；其上端通过第一横段（61）、下端通过第二横段（66）分别连接在搅拌轴（4）上；在叶片（6）与搅拌轴（4）之间形成一个空腔（67）；搅拌轴（4）的内腔（41）的上、下部分之间，设置有堵头（42）。

2.根据权利要求1所述激冷机械搅拌制备镁合金液态/半固态熔体的装置，其特征在于：所述叶片（6）为六片，作为搅拌桨均布在搅拌轴（4）的周围。

3.一种激冷机械搅拌制备镁合金液态/半固态熔体的装置，其特征在于：包括进水箱（1），储存冷却水的进水箱（1），经水管（2）与设置在容器（3）内的搅拌轴（4）相密封连接，搅拌轴（4）为空心结构，内部的内腔（41）作为水流通道与水管（2）相连通；搅拌轴（4）上设置的电动装置（5）带动搅拌轴（4）转动，产生搅拌作用；在搅拌轴（4）上安装有两片以上的叶片（6），每片叶片（6）为中空结构，其内部空腔与搅拌轴（4）内部的内腔（41）相连通，形成冷却水流动通道；从搅拌轴（4）的内腔（41）上部通入的冷却水从叶片（6）的上端流入，从下端流出，再流入内腔（41）的下部，最后流出搅拌轴（4）；

所述中空结构的叶片（6），其上、下端分别密封连接在搅拌轴（4）的内腔（41）的上、下部分，由依次连接的第一横段（61）、向上延伸的上竖段（62）、第一过渡段（63）、向下延伸的下竖段（64）、第二过渡段（65）和第二横段（66）构成，形成“S”型结构；其上端通过第一横段（61）、下端通过第二横段（66）分别连接在搅拌轴（4）上；在叶片（6）与搅拌轴（4）之间形成一个空腔（67）；搅拌轴（4）的内腔（41）的上、下部分之间，设置内径缩小的毛细管道，将内腔（41）的上、下两部分连通。