CN103909267B - 基于超声振动的半固态金属粉末成形装置及成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超声振动的半固态金属粉末成形装置及成形方法。成形套筒与底板连接，支撑板通过支撑杆安装在成形套筒的正上方，坩埚放在支撑板上，超声变幅杆一端与升降板相连，另一端与坩埚上表面紧密接触。将半固态金属粉末放入坩埚中，调节升降板高度使超声变幅杆与坩埚上表面紧密接触。用电磁感应线圈对坩埚进行加热，并在感应加热过程中对坩埚施加超声振动。当半固态金属粉末达到固液共存状态时把半固态金属粉末导入成形套筒中，推动冲头冲压半固态金属粉末得到零件。本发明可有效抑制晶粒长大，细化晶粒，提高坯料微观结构均匀性和致密性，可提高成形零件的机械性能；可实现近净成形，减少后续处理，降低生产成本，提高生产效率。

Description

基于超声振动的半固态金属粉末成形装置及成形方法

技术领域

本发明涉及金属粉末微成形加工技术，尤其是涉及一种基于超声振动的半固态金属粉末成形装置及成形方法。

背景技术

金属粉末成形是一种节能、节材、高效、近净成形、少污染的先进制造技术，在超导材料、纳米材料、生物工程材料、超硬材料等现代高新技术领域中得到广泛的应用。粉末冶金是用金属粉末（或者金属粉末与非金属粉末的混合物）作为原料，经过成形和烧结制造金属材料、复合材料和功能材料等制品的工艺过程。粉末冶金法制造的产品应用范围十分广泛，从普通机械到精密仪器，从五金工具到大型机械，从电子工业到电机制造，从民用工业到军事工业等领域均能见到粉末成型工艺的身影。粉末冶金工艺过程主要包括装粉、压制、烧结和后处理等过程，其主要特点有：可生产用普通熔炼法无法生存的具有特殊性能的材料，如磁性材料、超导材料、热电材料。储氢材料等；产品的性能一般比普通熔炼法优越；可实现近净成形和自动化批量生产，节约金属材料，降低生产成本等。但传统粉末成形的缺点是工艺复杂、致密性差、制件的性能较差，而且压坯在搬运过程中可能会遭到损坏，影响最终成形零件的质量。

半固态成形是近年来兴起的一种介于铸造和锻造之间的工艺过程，是针对固液共存的半熔化或半凝固金属进行成形加工的工艺方法的总称。金属半固态成形技术可避免液态压铸成形时喷溅、紊流以及卷气等缺点，同时与固态锻造相比，更易于形成微细特征，成形力小，节省能源。因此，和传统成形工业相比，半固态成形具有一系列突出的优点，可用于生产形状复杂、高性能和高精度的微型零部件。半固态粉末成形是将传统粉末冶金法和半固态成形技术相结合的一种新型制造技术。中国发明专利（申请号201210013443.3）公开了一种用于双向压制的半固态金属粉末成形装置，该发明将半固态成形技术和粉末成形相结合，可实现近净成形，减少后续处理，降低生产成本。

超声振动在半固态成形中的应用直至上个世纪90年代才有学者开始探索。Gabathuler等（美国专利第5186236号）首次将超声振动引入到半固态连续铸造中，得到了初晶细小圆整的坯料。超声振动不仅能细化晶粒或得球状晶粒，还可去除坯料中的气体，改善坯料的致密性和均匀性。目前关于超声振动辅助金属微成形的装置和方法的报道已经很多，但还没有关于超声振动应用在半固态金属粉末成形中的报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于超声振动的半固态金属粉末成形装置及成形方法，不仅将粉末成形和半固态成形技术相结合，还将超声振动应用于半固态金属粉末二次加热过程中，可有效抑制晶粒长大，细化晶粒，提高坯料微观结构均匀性和致密性，可提高成形零件的机械性能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一、一种基于超声振动的半固态金属粉末成形装置：

水平放置的成形套筒下端焊接成形套筒底板，成形套筒底板与底座联接，支撑板通过底座四角上的支撑杆安装在成形套筒的正上方，导料管的一端与支撑板连接，导料管的另一端与成形套筒连接，坩埚放置在支撑板上，坩埚内的倾斜端出口与支撑板上的导料管连通，塞杆和热电偶分别从坩埚上端插入坩埚内，塞杆与倾斜端出口同轴安装，坩埚外绕有感应线圈，超声变幅杆的一端压在坩埚上表面，超声变幅杆的另一端通过法兰盘与升降板的一端联接，超声换能器同轴安装在超声变幅杆的另一端上，升降板的另一端与升降杆滑动连接，开口朝向升降杆一端的成形套筒的孔内装有冲头，成形套筒轴向装有第一加热棒和第一热电偶，冲头径向装有第二加热棒和第二热电偶，超声换能器与超声发生器连接，感应线圈、第一加热棒、第二加热棒、第一热电偶和第二热电偶均与温度控制器连接。

所述超声换能器1为压电式换能器，压电陶瓷材料为PZT-4，所述超声发生器3为型号SY-2000的超声波设备专用发生器。

二、一种基于超声振动的半固态金属粉末成形方法，该方法的步骤如下：

（1）降下塞杆堵住坩埚的出口，将常温下的半固态金属粉末导入到坩埚中，通过调节升降板高度，使超声变幅杆与坩埚上表面紧密接触；

（2）通过内嵌电加热棒对冲头和成形套筒预热并保持其温度为250~350℃；

（3）用感应加热线圈对半固态金属粉末进行加热，在加热过程中对坩埚施加超声振动，用热电偶测量对半固态金属粉末温度，控制半固态金属粉末固相分数至固液共存区；

（4）提起塞杆使半固态金属粉末通过导料套筒进入到成形套筒中，当半固态金属粉末全部或绝大部分导出坩埚后，停止感应加热并停止施加超声振动；

（5）推动端面带有微细结构特征的冲头并施加锻压载荷，完成半固态金属粉末的冲压成形过程。

所述施加超声振动的功率为200W，频率为20KHz，幅值为10μm。

所述半固态金属粉末为铝合金或镁合金粉末。

本发明具有的有益效果是：

该发明将超声振动应用于半固态金属粉末二次加热过程中，可有效抑制晶粒长大，细化晶粒，提高坯料微观结构均匀性和致密性，可提高成形零件的机械性能；可实现近净成形，减少后续处理，降低生产成本，提高生产效率。

附图说明

图1是本发明的装配结构原理图（感应加热过程）。

图2是本发明的装配结构原理图（半固态粉末流出过程）。

图3是本发明的装配结构原理图（冲压成形过程）。

图中：1.超声换能器，2.法兰盘，3.超声发生器，4.超声变幅杆，5.热电偶，6.塞杆，7.坩埚，8.温度控制仪，9.感应线圈，10.半固态金属粉末，11.螺母，12.支撑板，13.支撑杆，14.底座，15.螺钉，16.第一热电偶，17.第一加热棒，18.成形套筒，19.导料管，20.成形套筒底板，21.冲头，22.第二加热棒，23.第二热电偶，24.升降杆，25.升降板，26.螺钉。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1、图2所示，本发明在水平放置的成形套筒18下端焊接成形套筒底板20，成形套筒底板20通过螺钉与底座14联接，底座用螺钉15与地基连接，支撑板12通过底座14四角上的支撑杆安装在成形套筒18的正上方，支撑杆上端加工台阶和螺纹，用螺母11固定支撑板12。导料管19的一端与支撑板12连接，另一端与成形套筒18连接，装有半固态金属粉末10的坩埚7放置在支撑板12上，坩埚7内的倾斜端出口与支撑板12上的导料管19连通，所用坩埚7底部是倾斜的结构，可以加快半固态金属粉末流出速度。塞杆6和热电偶5分别从坩埚7上端插入坩埚7内，塞杆6与坩埚7倾斜端出口同轴安装，坩埚7外绕有感应线圈9，超声变幅杆4的一端压在坩埚7上表面，超声变幅杆4的另一端通过法兰盘2与升降板25的一端用螺钉26联接，超声换能器1同轴安装在超声变幅杆4的另一端上，升降板25的另一端与升降杆24滑动连接，开口朝向升降杆24一端的成形套筒18的孔内装有冲头21，冲头21安装在冲压机上。成形套筒18轴向装有第一加热棒17和第一热电偶16，冲头21径向装有第二加热棒22和第二热电偶23，超声换能器1与超声发生器3连接，感应线圈9、第一加热棒17、第二加热棒22、第一热电偶16和第二热电偶23均与温度控制器8连接。

所述超声换能器1为压电式换能器，压电陶瓷材料为PZT-4，所述超声发生器3为型号SY-2000的超声波设备专用发生器。

如图1、图2和图3所示，本发明提出的一种基于超声振动的办固态金属粉末成形方法的具体实施过程如下：

（1）如图1所示，降下塞杆堵住坩埚的出口，将常温下的半固态金属粉末导入到坩埚中，通过调节升降板高度，使超声变幅杆与坩埚上表面紧密接触；

（2）如图1所示，在成形装置中设置第一加热棒17和第二加热棒22分别对成形套筒18和冲头21加热，同时在装置中也设置第一热电偶16和第二热电偶23分别实时测量成形套筒18和冲头21的温度。将第一加热棒17和第一热电偶16以及第二加热棒22和第二热电偶23连接至多通道高精度温度控制仪8从而形成两个闭环温度控制系统，通过设定多通道温度控制仪8的控制温度和控制策略等相关参数，可以实现对成形套筒18和冲头21温度的实时反馈控制。成形套筒18和冲头21采用的材料为热作模具钢H13。在半固态金属粉末微成形之前对成形套筒18和冲头21进行预热并保持温度在300℃左右，这是因为在半固态金属粉末微成形过程中，如果成形套筒18和冲头21的温度与半固态金属粉末10的温度相比过低会造成半固态金属粉末在成形过程中温度下降过快，使半固态金属粉末迅速凝结，从而影响半固态金属粉末微结构的成形效果；温度如果过高，则会容易出现粘焊现象，加速模具磨损。因此控制成形套筒18和冲头21的温度在300℃左右；

（3）如图1所示，在成形套筒18和冲头21完成预热后，用感应线圈9对置于坩埚7中的固态金属粉末10进行加热，用热电偶5测量粉末温度，控制金属粉末的固相分数或液相分数至固液共存区。在加热过程中对坩埚施加超声振动（功率：200W，频率：20KHz，幅值：10μm），由于超声变幅杆4通过升降装置与坩埚紧密接触，从而保证了超声振动能量的有效传递。在半固态金属粉末加热过程中一直施加超声振动，使固态粉末向固液共存状态转化过程中能够得到较细较均匀的晶粒并提高其致密程度；

（4）如图2所示，当金属粉末达到固液共存状态时，提起塞杆使半固态金属粉末通过导料套筒迅速进入到成形套筒中，当金属粉末全部导出坩埚后，停止感应加热并停止施加超声振动；

（5）如图3所示，当半固态金属粉末完全进入到成形套筒后，推动端面带有微细结构特征的冲头并施加锻压载荷，完成半固态金属粉末的冲压成形过程。

Claims (5)

1.一种基于超声振动的半固态金属粉末成形装置，其特征在于：水平放置的成形套筒（18）下端焊接成形套筒底板（20），成形套筒底板（20）与底座（14）联接，支撑板（12）通过底座（14）四角上的支撑杆安装在成形套筒（18）的正上方，导料管（19）的一端与支撑板（12）连接，另一端与成形套筒（18）连接，坩埚（7）放置在支撑板（12）上，坩埚（7）内的倾斜端出口与支撑板（12）上的导料管（19）连通，塞杆（6）和热电偶（5）分别从坩埚（7）上端插入坩埚（7）内，塞杆（6）与坩埚（7）倾斜端出口同轴安装，坩埚（7）外绕有感应线圈（9），超声变幅杆（4）的一端压在坩埚（7）上表面，超声变幅杆（4）的另一端通过法兰盘（2）与升降板（25）的一端联接，超声换能器（1）同轴安装在超声变幅杆（4）的另一端上，升降板（25）的另一端与升降杆（24）滑动连接，开口朝向升降杆（24）一端的成形套筒（18）的孔内装有冲头（21），成形套筒（18）轴向装有第一加热棒（17）和第一热电偶（16），冲头（21）径向装有第二加热棒（22）和第二热电偶（23），超声换能器（1）与超声发生器（3）连接，感应线圈（9）、第一加热棒（17）、第二加热棒（22）、第一热电偶（16）和第二热电偶（23）均与温度控制器（8）连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于超声振动的半固态金属粉末成形装置，其特征在于：所述超声换能器（1）为压电式换能器，压电陶瓷材料为PZT-4，所述超声发生器（3）为型号SY-2000的超声波设备专用发生器。

3.用于权利要求1所述装置的一种基于超声振动的半固态金属粉末成形方法，其特征在于该方法的步骤如下：

（1）降下塞杆堵住坩埚的出口，将常温下的半固态金属粉末导入到坩埚中，通过调节升降板高度，使超声变幅杆与坩埚上表面紧密接触；

（2）通过内嵌电加热棒对冲头和成形套筒预热并保持其温度为250~350℃；

（3）用感应加热线圈对半固态金属粉末进行加热，在加热过程中对坩埚施加超声振动，用热电偶测量半固态金属粉末温度，控制半固态金属粉末固相分数至固液共存区；

（4）提起塞杆使半固态金属粉末通过导料套筒进入到成形套筒中，当半固态金属粉末全部或绝大部分导出坩埚后，停止感应加热并停止施加超声振动；

（5）推动端面带有微细结构特征的冲头并施加锻压载荷，完成半固态金属粉末的冲压成形过程。

4.根据权利要求3所述的一种基于超声振动的半固态金属粉末成形方法，其特征在于：所述施加超声振动的功率为200W，频率为20KHz，幅值为10μm。

5.根据权利要求3所述的一种基于超声振动的半固态金属粉末成形方法，其特征在于：所述半固态金属粉末为铝合金或镁合金粉末。