CN104550937A - 一种密炼装置及其混炼方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种密炼装置及其混炼方法，密炼装置包括惰性气体保护箱、过渡室、密炼设备和电机；过渡室与惰性气体保护箱的一个侧壁连通设置，在过渡室上设置有可关闭的送料口；密炼设备放置在惰性气体保护箱的内部，密炼设备的密炼腔室适宜于与所述惰性气体保护箱的内部相连通；电机位于惰性气体保护箱外部，与密炼设备连接，用于驱动密炼设备工作。本发明提供的密炼装置中密炼设备位于惰性气体保护箱内，密炼操作过程在惰性气体保护箱所营造的惰性氛围下进行，适宜于金属粉末分批次添加物料进行混炼的工艺特点，有效将金属粉末的混炼过程与有氧环境相隔离，减少了混炼过程喂料的含氧量。

Description

一种密炼装置及其混炼方法

技术领域

本发明涉及一种密炼装置及其混炼方法，具体涉及一种特别适用于金属粉末混炼的密炼装置及方法。

背景技术

金属粉末注射成形技术(MIM)是将现代塑料注射成形技术引入粉末冶金领域而形成的一门新型近净成形技术，其结合了粉末冶金与塑料注射成形两大技术的优点，既突破了传统金属粉末模压成形工艺在产品形状上的限制，同时能大批量、高效率成形具有复杂形状的零件，具有常规粉末冶金、精密加工和精密铸造等加工方法无法比拟的优势。

MIM技术的工艺流程通常包括：金属粉末+粘结剂→混炼→注射成形→脱脂→烧结→后处理→成品。其中，混炼是MIM中一项非常重要的工序，混炼质量的优劣直接影响原料的流动性能，进而影响注射成形性能，乃至成品的致密度和使用性能。金属粉末混炼过程是金属粉末与粘结剂混合得到均匀喂料的过程，在金属粉末与粘结剂混合的过程中，过高的氧含量导致金属粉末颗粒表面形成氧化层，进而会对烧结后的金属制品的微观结构及力学性能产生影响，增加了烧结后金属制品的脆性。该过程中氧含量的控制对某些化学性质活泼的金属粉末(如钛合金、铝合金、钕铁硼等粉末)的注射成型效果影响尤其显著。

现有技术中，混炼过程最常用的设备为密炼机。如中国专利申请CN103418231A公开了一种金属粉末密炼装置，该装置包括密炼室及两个形状相同且平行设置于所述密炼室内的转子；两个转子的转向相反转速相同，转子包括转子本体及设置转子本体表面的第一螺旋突棱及第二螺旋突棱；第一螺旋突棱与第二螺旋突棱的螺旋方向相反；第一螺旋突棱自所述转子本体靠近所述密炼室壁的位置螺旋延伸至所述转子本体的中间位置；第二螺旋突棱自所述转子本体中间位置一直螺旋延伸到所述转子本体的端部位置。该技术方案使用了密炼设备作为混炼装置，得到的喂料含有的金属粉末与粘合剂混合更加均匀，相较于一般开炼设备在一定程度上隔绝了空气，但仍然未将混合过程有效的防氧化，金属粉末仍然在有氧氛围下与粘结剂混合。

中国专利申请CN103552167A公开了一种抽真空密炼机，该装置包括机架，机架的下部设置有密炼室，机架的上部设置有压料装置，密炼室连接有密炼装置，密炼室的上方设置有用于对密炼室进行抽真空的抽真空装置。该装置在使用时将密炼室抽真空，在一定程度上避免了金属粉末与空气的接触。但是该装置并不适用于金属粉末与粘结剂的混炼。因为金属粉末与粘结剂在混炼过程中需要分批次按不同顺序添加物料，即添加一种物料混炼一段时间后，再添加另一种物料进入密炼装置进行混炼，需要多次开关密炼装置，因此，利用该设备密炼金属粉末，不仅操作复杂、消耗巨大，而且在多次开关所述抽真空密炼机时，氧气进入密炼机内与喂料相接触，影响了喂料的防氧化程度。因此，为了保证材料的烧结性能以及烧结后金属制品的力学性能，如何将混炼过程中金属粉末与空气相隔离、有效减少喂料含氧量，且适于金属粉末混炼工艺是本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明解决的是金属粉末与粘结剂的混炼过程中，金属粉末容易被氧化，在金属颗粒表面形成氧化层，进而影响粉末烧结、烧结后金属制品脆性增加的技术问题，提供了一种有效减少混炼过程喂料含氧量、有效且易于操作的设备及方法。

本发明提供的技术方案具体如下：

一种密炼装置，包括：

惰性气体保护箱；

过渡室，与所述惰性气体保护箱的一个侧壁连通设置，在所述过渡室上设置有可关闭的送料口；

还设置有

密炼设备，放置在所述惰性气体保护箱的内部，所述密炼设备的密炼腔室适宜于与所述惰性气体保护箱的内部相连通；

电机，位于所述惰性气体保护箱外部，与所述密炼设备连接，用于驱动所述密炼设备工作。

在所述过渡室与所述惰性气体保护箱的侧壁的连通处设置有可开启和关闭的内门，所述内门在关闭时将所述过渡室与所述惰性气体保护箱分隔开。

在所述送料口处设置有可开启和关闭的外门；所述内门和外门是真空阀门。

与所述过渡室连通设置有抽真空装置。

所述密炼设备包括：

壳体，在所述壳体的内部设有密炼腔室，壳体表面设有与所述密炼腔室相通的料口，所述密炼腔室适宜于通过所述料口与所述惰性气体保护箱的内部相连通；在所述密炼腔室内设置有转子，在所述料口处设有用于密封所述料口的压锤；所述转子与所述电机连接，适宜于在电机在带动下进行转动；

导轨，所述导轨垂直设置在所述壳体的上部；

气缸，所述气缸与所述压锤连接，并适宜于沿所述导轨进行往复运动。

所述惰性气体保护箱设有PLC控制系统。

一种使用上述密炼装置的混炼方法，该方法包括：

(1)向所述惰性气体保护箱内部输送惰性气体，惰性气体进入并充满位于所述惰性气体保护箱内部的密炼设备的密炼腔室；

(2)将原料由所述过渡室的送料口放入所述惰性气体保护箱内；

(3)将所述惰性气体保护箱中的原料按照加料顺序放入所述密炼设备的密炼腔室中，在设定的密炼温度、时间及转子转速下进行密炼，得到喂料；

(4)完成密炼后，待喂料冷却时将所述喂料由所述过渡箱的送料口取出。

步骤(1)中将所述惰性气体保护箱内的气压与外界大气压的气压差维持在-10mbar～10mbar。

步骤(1)中所述惰性气体进入并充满所述密炼腔室后，控制所述惰性气体保护箱内的水氧指标均小于1ppm。

步骤(1)中,设置在所述过渡室与所述惰性气体保护箱的侧壁连通处的内门处于关闭状态，将所述过渡室与所述惰性气体保护箱分隔开。

步骤(2)中，关闭所述送料口后，开启抽真空装置对所述过渡室进行抽真空，然后向所述过渡室内充入惰性气体，该抽真空、充气过程循环2～3次后，使所述过渡室与所述惰性气体保护箱处于同样的环境，再将原料通过内门放入惰性气体保护箱内。

本发明提供的密炼装置包括惰性气体保护箱、过渡室、密炼设备和电机。过渡室与所述惰性气体保护箱的一个侧壁连通设置，在所述过渡室上设置有可关闭的送料口；所述密炼设备位于所述惰性气体保护箱内部；密炼设备的密炼腔室适宜于与所述惰性气体保护箱的内部相连通；所述电机位于所述惰性气体保护箱外部，与所述密炼设备连接，用于驱动所述密炼设备工作。本发明提供的密炼装置中密炼设备位于惰性气体保护箱内，密炼操作过程在惰性气体保护箱所营造的惰性氛围下进行，适宜于金属粉末的混炼，有效将金属粉末的混炼过程与有氧环境相隔离，减少了混炼过程喂料的含氧量。而且本发明提供的密炼装置可以使用现有技术的密炼设备，不限制密炼设备的种类、大小及转子的多样化，即本发明提供的密炼装置可以在现有的密炼设备上进行改造加工，在能有效降低混炼喂料含氧量的同时消耗经济、操作简单。

本发明提供的密炼装置混炼方法，包括如下步骤：(1)向所述惰性气体保护箱内部输送惰性气体，惰性气体进入并充满位于所述惰性气体保护箱内部的密炼设备的密炼腔室；(2)将原料由所述过渡室的送料口放入所述惰性气体保护箱内；(3)将所述惰性气体保护箱中的原料按照加料顺序放入所述密炼设备的密炼腔室中，在设定的密炼温度、时间及转子转速下进行密炼，得到喂料；(4)完成密炼后，待喂料冷却时将所述喂料由所述过渡箱的料口取出。本发明提供的方法中密炼操作过程在惰性气体保护箱所营造的惰性氛围下进行，即保证混炼工艺中金属粉末与粘结剂在分批次添加物料、混炼及卸料时均是在惰性气体的环境下进行，以达到控制喂料中氧含量的目的。

附图说明

图1是本发明所述密炼装置的俯视图；

图2是本发明所述密炼装置的结构示意图；

其中：附图标记为：

1—操作手套；2—惰性气体保护箱；3—过渡室；4—壳体；5—转子；6—电机；7—压锤；8—导轨；9—气缸

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

本实施例提供一种密炼装置，如图1、2所示，包括：惰性气体保护箱2、过渡室3、密炼设备和电机6。

其中，本实施例中惰性气体保护箱(以下简称保护箱)2为一个密闭的长方体箱，箱体由不锈钢板制成，其中正面箱壁具有一个由钢化玻璃制成的前视窗，操作者可以通过前视窗的观察完成操作。正面箱壁在前视窗下方密封设置两个操作口，在操作口上设有操作手套，操作者将手穿过操作手套完成箱体内的操作。

惰性气体保护箱2设有气体净化系统。气体净化系统是本领域常用的净化系统，例如，惰性气体保护箱2中的惰性气体和空气的混合气体在循环风机的作用下进入氧气净化设备中，经净化后的气体再循环进入惰性气体保护箱2，维持惰性气体保护箱内的水氧指标在适宜范围内。

惰性气体保护箱2设有PLC控制系统。

本实施例中过渡室3为一个密闭的不锈钢长方体箱，与所述惰性气体保护箱2的一个侧壁连通设置。过渡室3与惰性气体保护箱2的连接可以是不可拆卸连接，例如焊接；也可以是可拆卸连接，例如通过螺栓连接，连接处用密封圈密封。

在过渡室3上设置有可开启和关闭的送料口。本实施例中在过渡室3与惰性气体保护箱2的侧壁的连通处设置有可开启和关闭的内门，内门在关闭时将过渡室3与惰性气体保护箱2分隔开。过渡室3送料口处设置有可开启和关闭的外门，操作者通过外门将物料取出或放入过渡室3。作为可选择的实施方案，内门和外门是真空阀门。

过渡室3连接一抽真空装置。当需要向惰性气体保护箱内取放物料时，关闭过渡室3内门，打开过渡室3外门，将物料放入过渡室3或从过渡室3取出。取放物料结束后，再关闭过渡室3的外门，通过抽真空装置对过渡室3内抽真空，然后向过渡室3内充入惰性气体，该抽真空、充气过程循环2～3次，使过渡室3与保护箱2处于同样的环境，再打开内门，将物料放入保护箱2或从保护箱2取出。

密炼设备可以为本领域常用的密炼机，根据所需密炼的原料种类、多少等条件进行选择。密炼设备设于惰性气体保护箱2内部，根据操作方便等因素设置密炼设备的放置位置。本实施例中密炼设备包括壳体4、导轨8和气缸9；

在壳体4的内部设有密炼腔室，壳体4表面设有与密炼腔室相通的料口，密炼腔室适宜于通过料口与惰性气体保护箱2的内部相连通；在料口处设有用于密封料口的压锤7；在密炼腔室内设置有转子5，转子5与惰性气体保护箱2外部的电机6连接，电机6带动转子5转动；电机6与惰性气体保护箱2的连接处密封设置。

其中，密炼腔室为一空腔，是本领域的常用概念，喂料在密炼腔室内在转子5的带动下进行混炼。

导轨8垂直设置在壳体4的上部；气缸9与压锤7连接。气缸9沿着导轨8往复运动，抬起或降落压锤7，完成料口的开启和关闭工作。

密炼设备还可以配置冷却装置，用于加速冷却密炼腔室内物料的温度。

本实施例中设备间的连接处均密封设置，进一步的，设备间的连接处均用密封圈密封。

本实施例提供一种使用上述密炼装置的混炼方法，该方法采用的原材料：包括球形钛合金粉末和粘结剂PW、PE、SA。

该方法包括如下步骤：

(1)密炼设备的料口呈敞开状态，向惰性气体保护箱2内通入氩气，保证氩气充满整个保护箱2及密炼腔室并维持气压稳定。

(2)打开过渡室3的外门，将原料球形钛合金粉末和粘结剂(PW、PE和SA)放入过渡室3内；关闭过渡室3的外门，通过抽真空装置对过渡室3内抽真空，然后向过渡室3内充入氩气，该抽真空、充气过程循环2～3次，使过渡室3与保护箱2处于同样的环境，再将过渡室3内的原料放入惰性气体保护箱2内；

(3)通过惰性气体保护箱2的操作口操作密炼设备，将压锤7升起，向惰性气体保护箱2内加入球形钛合金粉末，设定密炼温度为150℃和转子转速30r/min，密炼设备开始密炼工作；

(4)当密炼腔室内温度升高到150℃时加入PE，待PE熔化后，开始冷却密炼设备；

(5)待密炼腔室内温度冷却至120℃时加入PW，然后降下压锤7，在该温度下密炼30min，再将压锤7升起；

(6)待密炼腔室内温度冷却至100℃时加入SA，降下压锤7，在该温度下密炼10min；

(7)升上压锤7，停止转子5运转，待密炼腔室内温度冷却至接近室温时，将混炼后得到的喂料通过过渡室3的料口取出。

其中，步骤(1)中，向惰性气体保护箱2中通入的惰性气体可以为常用的任意一种，例如氮气、氩气。

步骤(1)中，惰性气体保护箱2内充满氩气后，惰性气体保护箱2内的气压与外界大气压的气压差维持在-10mbar～10mbar；水氧指标均小于1ppm。

步骤(3)-步骤(6)中的密炼设备设定的温度、转子转速等工艺指标、原料的加料顺序是根据所述原料的种类、多少及喂料的需求等因素选择的。

作为本实施例可选择的实施方式，所述方法中的操作控制均为PLC控制，提高整个工艺流程指标设定的准确性。

将本实施例中步骤(7)所得钛合金喂料经注射成形、脱脂、烧结等工艺处理后制得合金成品。该合金成品相较于普通密炼工艺所得成品，氧含量降低500ppm～800ppm。

实施例2

本实施例提供一种密炼装置，如图1、2所示，包括：惰性气体保护箱2、过渡室3、密炼设备和电机6。过渡室3与惰性气体保护箱2的一个侧壁连通设置，在过渡室3上设置有可开启和关闭的送料口；当需要向惰性气体保护箱2内取放物料时，通过过渡室3的送料口将物料放入保护箱2或从保护箱2取出。密炼设备设于惰性气体保护箱2内部，密炼设备置于保护箱2的中间。密炼设备包括壳体4、导轨8和气缸9；在壳体4的内部设有密炼腔室，壳体4表面设有与密炼腔室相通的料口，密炼腔室适宜于通过料口与惰性气体保护箱2的内部相连通；在料口处设有用于密封料口的压锤7；在密炼腔室内设置有转子5，转子5与惰性气体保护箱2外部的电机6连接，电机6带动转子5转动；电机6与惰性气体保护箱2的连接处密封设置。导轨8垂直设置在壳体4的上部；气缸9与压锤7连接。气缸9沿着导轨8往复运动，抬起或降落压锤7，完成料口的开启和关闭工作。

本实施例提供一种使用上述密炼装置的混炼方法，该方法采用的原材料：包括球形6061铝合金粉末和粘结剂PW、PE、SA。

该方法包括如下步骤：

(1)密炼设备的料口呈敞开状态，向惰性气体保护箱2内通入氮气，保证氮气充满整个保护箱2及密炼腔室并维持气压稳定。

(2)将原料球形6061铝合金粉末和粘结剂(PW、PE和SA)通过过渡室3的送料口将原料放入惰性气体保护箱2内，关闭送料口；

(3)通过惰性气体保护箱2的操作口操作密炼设备，将压锤7升起，向惰性气体保护箱2内加入球形6061铝合金粉末，设定密炼温度为150℃和转子转速30r/min，密炼设备开始密炼工作；

(4)当密炼腔室内温度升高到150℃时加入PE，待PE熔化后，开始冷却密炼设备；

(5)待密炼腔室内温度冷却至120℃时加入PW，然后降下压锤7，在该温度下密炼30min，再将压锤7升起；

(6)待密炼腔室内温度冷却至100℃时加入SA，降下压锤7，在该温度下密炼10min；

(7)升上压锤7，停止转子5运转，待密炼腔室内温度冷却至接近室温时，将混炼后得到的喂料通过过渡室3的料口取出。

将本实施例中步骤(7)所得铝合金喂料经注射成形、脱脂、烧结等工艺处理后制得合金成品。该合金成品相较于普通密炼工艺所得成品，氧含量降低400ppm。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种密炼装置，其特征在于，包括：

惰性气体保护箱；

过渡室，与所述惰性气体保护箱的一个侧壁连通设置，在所述过渡室上设置有可关闭的送料口；

其特征在于，还设置有

密炼设备，放置在所述惰性气体保护箱的内部，所述密炼设备的密炼腔室适宜于与所述惰性气体保护箱的内部相连通；

电机，位于所述惰性气体保护箱外部，与所述密炼设备连接，用于驱动所述密炼设备工作。

2.根据权利要求1所述的密炼装置，其特征在于，在所述过渡室与所述惰性气体保护箱的侧壁的连通处设置有可开启和关闭的内门，所述内门在关闭时将所述过渡室与所述惰性气体保护箱分隔开。

3.根据权利要求2所述的密炼装置，其特征在于，在所述送料口处设置有可开启和关闭的外门；所述内门和外门是真空阀门。

4.根据权利要求3所述的密炼装置，其特征在于，与所述过渡室连通设置有抽真空装置。

5.根据权利要求1或2所述的密炼装置，其特征在于：所述密炼设备包括：

壳体，在所述壳体的内部设有密炼腔室，壳体表面设有与所述密炼腔室相通的料口，所述密炼腔室适宜于通过所述料口与所述惰性气体保护箱的内部相连通；在所述密炼腔室内设置有转子，在所述料口处设有用于密封所述料口的压锤；所述转子与所述电机连接，适宜于在电机在带动下进行转动；

导轨，所述导轨垂直设置在所述壳体的上部；

气缸，所述气缸与所述压锤连接，并适宜于沿所述导轨进行往复运动。

6.根据权利要求1所述的密炼装置，其特征在于：所述惰性气体保护箱设有PLC控制系统。

7.一种使用权利要求1所述密炼装置的混炼方法，该方法包括：

(1)向所述惰性气体保护箱内部输送惰性气体，惰性气体进入并充满位于所述惰性气体保护箱内部的密炼设备的密炼腔室；

(2)将原料由所述过渡室的送料口放入所述惰性气体保护箱内；

(3)将所述惰性气体保护箱中的原料按照加料顺序放入所述密炼设备的密炼腔室中，在设定的密炼温度、时间及转子转速下进行密炼，得到喂料；

(4)完成密炼后，待喂料冷却时将所述喂料由所述过渡箱的送料口取出。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：步骤(1)中将所述惰性气体保护箱内的气压与外界大气压的气压差维持在-10mbar～10mbar。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：步骤(1)中所述惰性气体进入并充满所述密炼腔室后，控制所述惰性气体保护箱内的水氧指标均小于1ppm。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：

步骤(1)中,设置在所述过渡室与所述惰性气体保护箱的侧壁连通处的内门处于关闭状态，将所述过渡室与所述惰性气体保护箱分隔开；

步骤(2)中，关闭所述送料口后，开启抽真空装置对所述过渡室进行抽真空，然后向所述过渡室内充入惰性气体，该抽真空、充气过程循环2～3次后，使所述过渡室与所述惰性气体保护箱处于同样的环境，再将原料通过内门放入所述惰性气体保护箱内。