CN104988343B - 一种气冷多管搅拌制备轻合金半固态浆料的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种气冷多管搅拌制备轻合金半固态浆料的装置及方法，所述装置包括容置轻合金熔体的坩埚、气冷多管搅拌机构和升降机构，气冷多管搅拌机构包括搅拌机构和供气机构，其中，搅拌机构由设于升降台上的搅拌电机、多管搅拌杆和伞齿轮传动组组成，多管搅拌杆通过轴承支撑定位；供气机构由导气管和供气装置组成，导气管的一端与供气装置结合，另一端插入多管搅拌杆内，由导气管通入的气体充斥于多根搅拌管内。本发明结构简单，使用方便，效率高，安全可靠、适用合金范围广，特别适合于大容积半固态合金浆料的制备，熔体温度，搅拌速度，搅拌管数量、内径和壁厚，搅拌时间、气体通入量可做到精确控制，易于工业化推广和应用。

Description

一种气冷多管搅拌制备轻合金半固态浆料的装置及方法

技术领域

本发明属于半固态金属加工领域，具体涉及一种气冷多管搅拌制备轻合金半固态浆料的装置及方法。

背景技术

20世纪70年代初，美国麻省理工学院M.C.Flemings等研究人员发明了半固态金属成形技术，从此，半固态金属浆料的制备和成形引起了世界各国学者的普遍关注和研究。半固态浆料的制备是半固态金属加工技术的基础与关键，据文献“Behavior of metalalloys in the semisolid state”(M.C.Flemings,Metall Trans,1991,22A:957-981)、“Method and apparatus for shaping semisolid metals”(A.Mitsuru,S.Hiroto,H.Yasunori,et al,EP Patent,0745694A1,1996)、“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)、“半固态金属及合金浆料或坯料的制备方法”(毛卫民，中国专利，200410009296.X,2004)、《金属材料半固态加工理论与技术》(康永林，毛卫民，胡壮麒著，科学出版社，2004)和《金属半固态加工技术》(谢水生，李兴刚，王浩，张莹，冶金工业出版社，2012)报道，获取半固态合金浆料有多种方法，如单螺旋搅拌法、双螺旋搅拌法、电磁搅拌法、气泡搅拌法、低过热度浇注和弱机械搅拌法、紊流效应法、化学晶粒细化法、超声波处理法、喷射沉积法、冷却斜槽法、连续流变转换法、旋转热焓平衡法等。但为了降低半固态金属浆料的制备成本和实现稳定连续可靠的工业化生产，各国学者、研究人员以及工业界仍在不断努力和探索，试图找到新的半固态金属浆料的制备技术。

文献“Semi-solid processing of engineering alloys by a twin-screwrheo-moulding process.”(S.Ji,Z.Fan and M.J.Bevis,Mater Sci&Eng,2001,299A:210-217)提出：双螺旋机械搅拌设备主要包括液态镁合金供料机构、双螺旋机械搅拌机构和中央控制机构，液态镁合金一旦进入搅拌系统，一边被双螺旋搅拌杆强烈剪切，一边被冷却到预期的固相分数，当镁合金半固态浆料到达输送阀时，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。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。在双螺旋机械搅拌设备中，一般不特别设置用于半固态浆料制备的气冷多管搅拌装置来快速冷却熔体和促进熔体形核，只需将过热合金熔体平稳导入双螺旋机械搅拌筒中即可。但该方法的不足之处是双螺旋结构存在螺杆工况差，消耗高，寿命短，仅适合于镁合金半固态浆料的制备，且清理拆卸麻烦的问题。

美国专利US4434837提出了流变铸造法(新MIT法)，又称为“旋转冷却针法”，该技术的核心思想为：将低过热度的合金液浇注到制备坩埚中，利用镀膜的铜棒对合金液进行短时弱机械搅拌，使合金熔体冷却至液相线温度以下，然后移走搅拌铜棒，让半固态合金熔体冷却至预定温度，从而获得较为理想的半固态浆料。在MIT工艺的设备中，不特别设置用于半固态浆料制备的气冷多管搅拌装置，只需将带有冷却作用的镀膜铜棒插入低过热度的熔体中进行短时弱机械搅拌即可。但该方法效率低，不适合制备大容积半固态浆料和难以实现半固态金属浆料的稳定快速制备。

欧洲专利EP 0745691A1提出了New Rheocasting技术，简称NRC，其技术路线为：首先将低过热的合金熔体流过一个倾斜板上，形成含有大量初生固相核心的半固态浆料，然后浇入浆料收集坩埚内，通过控制冷却强度使浆料中的初生固相以球形方式成长，再对半固态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。在NRC工艺设备中，不特别设置用于镁铝等轻合金半固态浆料制备的气冷多管搅拌装置，即不利用气体冷却多搅拌管法来加速冷却和促进熔体形核，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，但该方法容易造成倾斜板表面粘料，需要不断清理，费时费力且浪费合金。

文献“A Novel Technique to Produce Metal Slurries for Semi-Solid MetalProcessing”(J.Wannasin,R.A.Martinez,M.C.Flemings,Proceedings of the 9th onSemi-solid Processing of Alloys and Composites,Pusan,Korea,2006,366-369)提出：泰国Songkla大学的Wannasin、Martinez等提出了一种气泡扰动制备半固态金属浆料的新方法，其技术路线为：在合金熔体冷却过程中，将石墨壁上开有许多小孔的石墨搅拌杆浸入低过热度的合金熔体中，将气体通过石墨棒的小孔导入合金熔体中，在熔体浮力和旋转的石墨搅拌杆产生的离心力作用下，气泡将在熔体中上升并做螺旋形轨迹的运动，对熔体产生强对流弱搅拌作用，当合金熔体温度降至半固态温度区间时便可获得半固态浆料。在气泡扰动制备半固态浆料的工艺设备中，不特别设置用于半固态浆料制备的气冷多管搅拌装置，即不利用气体冷却多管法来加速熔体冷却和促进熔体形核，只需将带有许多小孔的石墨搅拌杆浸入到低过热度的合金熔体中并同时往石墨棒中通入气体，待合金熔体降至半固态温度区间即可。但该方法会导致部分气泡滞留在合金熔体中，石墨棒的小孔容易堵塞，需要频繁清理，且不适合制备大容积半固态浆料。

此外还有熔体分散混合制浆装置(专利申请号：200620018003.9)、镁合金不等径弯道挤压-剪切诱导等温球晶化半固态坯复合制备法(专利申请号：03132471.1)、悬挂锥桶式半固态金属浆料制备装置(专利申请号：200810114097.3)、球状初晶半固态金属浆料或连铸坯料的制备方法和装置(专利申请号：00109540.4)、一种制备半固态合金的波浪型倾斜板振动装置及制备方法(专利申请号：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半固态浆料快速制备的气冷多管搅拌装置，即不利用气冷多管法来达到加速冷却和促进熔体形核的目的。

需要指出，以上各种制备半固态合金浆料的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，提高效率，推动半固态金属加工技术的工业化应用。

发明内容

本发明的目的在于解决现有半固态浆料制备装置存在的结构复杂、连续工作可靠性差、效率低、清理维修繁琐、大容积半固态浆料制备和工业化推广难等问题，提供一种气冷多管搅拌制备轻合金半固态浆料的装置及方法，在合金熔体凝固的过程中，多管搅拌和多管冷却的复合作用加速熔体冷却，促进熔体形核，从而获得液相基体中均匀分布着一定比例的近球状初生固相的半固态浆料。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种气冷多管搅拌制备轻合金半固态浆料的装置，其特征在于，包括容置轻合金熔体的坩埚、气冷多管搅拌机构和升降机构，所述升降机构设于坩埚的上方，包括升降台、固设于升降台上的轴承座、设于轴承座内的轴承；

所述气冷多管搅拌机构包括搅拌机构和供气机构，其中，所述搅拌机构由设于升降台上的搅拌电机、多管搅拌杆、设于搅拌电机和多管搅拌杆之间的伞齿轮传动组组成，所述多管搅拌杆由多根连通的搅拌管组成，其通过所述轴承支撑定位；

所述供气机构由导气管和设于升降台上的供气装置组成，所述导气管的一端与供气装置结合，另一端插入多管搅拌杆内，由导气管通入的气体充斥于多根所述搅拌管内。

其中，所述坩埚内设于热电偶，用于监测坩埚内生成的半固态浆料的温度。

优选的，所述多管搅拌杆由至少2根搅拌管组成，其搅拌转速为0～1000r/min。

其中，所述多管搅拌杆上设有进气口和出气口，所述进气口和出气口均高于坩埚内的轻合金熔体液面。

进一步，所述搅拌管内径为5～100mm，壁厚为1～20mm，材质为不锈钢、铸铁、石墨或镀膜铜合金。

其中，所述导气管内通入的气体为空气，气体流量为0～1000L/min，气体通入多管搅拌杆后分散至各搅拌管，通过各搅拌管顶部的出气口逸出，气体不进入轻合金熔体。

本发明还提供一种气冷多管搅拌制备轻合金半固态浆料的方法，利用上述的气冷多管搅拌制备轻合金半固态浆料的装置，包括如下步骤：

(1)制备高于轻合金液相线温度10～50℃的合金熔体：将轻合金锭放进预热温度为200～400℃的坩埚电阻炉内，待轻合金锭升温至高于液相线温度60～120℃、完全熔化后进行精炼，用钟罩将烘干后的六氯乙烷压入轻合金熔体底部，六氯乙烷的加入量为轻合金熔体总量的0.3％～0.8％，轻轻摇动，除去轻合金熔体内的气体，然后对轻合金熔体除渣、精炼处理，最后将轻合金熔体降温至高于液相线温度10～50℃保温；

(2)制备轻合金半固态浆料：将步骤(1)所得轻合金熔体倒入坩埚内，气冷多管搅拌机构在升降机构的带动下下降，至多管搅拌杆插入轻合金熔体且其进气口和出气口均位于轻合金熔体的液面上方，开启搅拌机构，搅拌转速为0～1000r/min，同时经导气管向多管搅拌杆内通入空气，气体流量为0～1000L/min，通气搅拌10～30s后，至轻合金熔体温度处于半固态温度区间，停止通气搅拌，轻合金半固态浆料制备完成，气冷多管搅拌机构在升降机构的带动下上升，至多管搅拌杆离开轻合金半固态浆料。

本发明实现了轻合金半固态浆料的快速制备，工作稳定可靠，是一种先进的半固态浆料制备装置，相对于现有技术，具有以下优点：

1、本发明提供的气冷多管搅拌制备轻合金半固态浆料的装置，结构简单，使用方便，效率高，安全可靠、适用合金范围广，特别适合于大容积半固态浆料的制备，熔体温度、搅拌速度、搅拌管数量、搅拌管内径、搅拌管壁厚、搅拌时间和气体通入量可做到精确控制，易于工业化推广和应用。

2、气冷多管搅拌机构增大了与轻合金熔体的接触面积，在持续气冷过程中，加速轻合金熔体冷却，促进轻合金熔体形核，同时由于多管搅拌作用，轻合金熔体的温度场和浓度场可以更加快速的达到均匀一致，在获得的半固态浆料中，初生固相形貌圆整、分布和大小均匀。

3、通气冷却多搅拌管，气体不与轻合金熔体接触，不会造成部分气体滞留在半固态浆料中，更不会造成堵料、积料问题。

4、气体为空气，大大降低了制浆成本，同时具有环境友好特征。

5、该设备取消了复杂的低过热度浇注，大大降低了液相线浇注的难度，易于控制；取消了传统的双螺旋搅拌，解决了双螺旋结构存在螺杆工况差，消耗高，寿命短，清理拆卸麻烦，适用合金范围窄的问题；取消了倾斜板浇注和各种浇道浇注，避免了倾斜板及浇道表面粘料的难题，不需频繁清理，省时省力。

附图说明

图1为本发明中气冷多管搅拌制备轻合金半固态浆料的装置的结构示意图；

图2为本发明中多管搅拌杆的结构示意图；

图3为本发明中气冷多管搅拌制备轻合金半固态浆料的方法的流程图；

图4为气冷多管搅拌机构内部气体流动示意图；

图5为实施例一中用普通搅拌机构、气冷单管搅拌机构和气冷多管搅拌机构制备A380铝合金半固态浆料的对比；

图6为本发明实施例二中A356铸造铝合金半固态浆料金相显微组织；

图7为本发明实施例三中7075变形铝合金半固态浆料金相显微组织。

附图标记说明：

1、搅拌电机；

2、升降台；

3、供气装置；

4、导气管；

5、伞齿轮传动组；

6、轴承；

7、轴承座；

8、多管搅拌杆；

9、坩埚；

10、轻合金浆料；

11、热电偶；

12、轻合金熔体。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

如图1所示，一种气冷多管搅拌制备轻合金半固态浆料的装置，包括容置轻合金熔体12的坩埚9、气冷多管搅拌机构和升降机构，所述升降机构设于坩埚9的上方，包括升降台2、固设于升降台2上的轴承座7、设于轴承座7内的轴承6。

所述气冷多管搅拌机构包括搅拌机构和供气机构，其中，所述搅拌机构由设于升降台2上的搅拌电机1、多管搅拌杆8、设于搅拌电机1和多管搅拌杆8之间的伞齿轮传动组5组成，所述多管搅拌杆8由至少2根下端连通的搅拌管组成(见图2)，其通过所述轴承6支撑定位。

所述多管搅拌杆8的搅拌转速为0～1000r/min。

所述多管搅拌杆8上设有进气口和出气口，所述进气口和出气口均高于坩埚内的轻合金熔体液面。

所述搅拌管内径为5～100mm，壁厚为1～20mm，材质为不锈钢、铸铁、石墨或镀膜铜合金。

所述供气机构由导气管4和设于升降台2上的供气装置3组成，所述导气管4的一端与供气装置3结合，另一端插入多管搅拌杆8内，由导气管4通入的气体充斥于多根所述搅拌管内，如图4所示。

所述坩埚9内设于热电偶11，用于监测坩埚9内生成的半固态浆料10的温度。

所述导气管4内通入的气体为空气，气体流量为0～1000L/min。气体经进气口通入多管搅拌杆8后分散至各搅拌管，通过各搅拌管顶部的出气口逸出，气体不进入轻合金熔体。

本发明还提供一种气冷多管搅拌制备轻合金半固态浆料的方法，利用上述的气冷多管搅拌制备轻合金半固态浆料的装置，包括如下步骤：

(1)制备高于轻合金液相线温度10～50℃的合金熔体：将轻合金锭放进预热温度为200～400℃的坩埚电阻炉内，待轻合金锭升温至高于液相线温度60～120℃、完全熔化后进行精炼，用钟罩将烘干后的六氯乙烷压入轻合金熔体底部，六氯乙烷的加入量为轻合金熔体总量的0.3％～0.8％，轻轻摇动，除去轻合金熔体内的气体，然后对轻合金熔体除渣、精炼处理，最后将轻合金熔体降温至高于液相线温度10～50℃保温；

(2)制备轻合金半固态浆料：如图3(a)所示，将步骤(1)所得轻合金熔体倒入坩埚内，气冷多管搅拌机构在升降机构的带动下下降，至多管搅拌杆插入轻合金熔体且其进气口和出气口均位于轻合金熔体的液面上方(见图3(b))，开启搅拌机构，搅拌转速为0～1000r/min，同时经导气管向多管搅拌杆内通入空气，气体流量为0～1000L/min，通气搅拌10～30s后，至轻合金熔体温度处于半固态温度区间，停止通气搅拌，轻合金半固态浆料制备完成，气冷多管搅拌机构在升降机构的带动下上升，至多管搅拌杆离开轻合金半固态浆料，如图3(c)。

下面结合三个具体实施例对本发明进行详细描述：

实施例1：普通搅拌机构、气冷单管搅拌机构和气冷多管搅拌机构制备A380铝合金半固态浆料的对比，步骤如下：

(1-1)试验用A380压铸铝合金的液相线和固相线温度分别为585℃和504℃，将铝合金锭放入到预热温度为250℃的坩埚电阻炉内，待铝合金液温度升温到690℃后进行精炼，用钟罩将烘干后的六氯乙烷压入铝合金液底部，加入量为铝合金液总重量的0.5％，轻轻摇动，进行熔体除气、除渣精炼处理，最后将铝合金熔体降温至610℃后保温。

(1-2)制备装置中多管搅拌杆的搅拌速度400r/min，导气管内空气通入量300L/min，导气管内径10mm，搅拌管为3根，搅拌管壁厚5mm，搅拌管内径26mm，将6.5kg A380铝合金熔体，倒入坩埚内，气冷多管搅拌机构在升降机构的带动下下降，至多管搅拌杆插入轻合金熔体且其进气口和出气口均位于轻合金熔体的液面上方，开启搅拌机构，通气搅拌26s后，轻合金熔体温度降至570℃，停止通气搅拌，A356铝合金半固态浆料制备完成，其浆料显微组织如图5(a)所示，平均晶粒尺寸为63μm，形貌呈近球状。

(1-3)为了对比，气冷单管搅拌机构被用于制备相同质量的半固态浆料，熔体温度610℃，搅拌杆转速为400r/min，导气管内空气通入量300L/min，导气管内径10mm，搅拌管壁厚5mm，搅拌管内径26mm，轻合金熔体温度降至570℃需要34s，制备的浆料显微组织如图5(b)所示，平均晶粒尺寸为81μm，形貌呈近球状和蔷薇状。

(1-4)为了对比，普通实心搅拌杆被用于制备相同质量的A380铝合金半固态浆料，熔体温度610℃，搅拌杆直径为36mm，搅拌杆转速为400r/min，轻合金熔体温度降至570℃需要40s，制备的浆料显微组织如图5(c)所示，平均晶粒尺寸为93μm，形貌呈蔷薇状。

实施例2：制备A356铸造铝合金半固态浆料，步骤如下：

(2-1)试验用A356铸造铝合金的液相线和固相线温度分别为615℃和556℃，将铝合金锭放入到预热温度为300℃的坩埚电阻炉内，待铝合金液温度升温到700℃后进行精炼，用钟罩将烘干后的六氯乙烷压入铝合金液底部，加入量为铝合金液总重量的0.5％，轻轻摇动，进行熔体除气、除渣精炼处理，最后将铝合金熔体降温至650℃后保温。

(2-2)制备装置中多管搅拌杆的搅拌速度400r/min，导气管内空气通入量400L/min，导气管内径10mm，搅拌管为3根，搅拌管壁厚5mm，搅拌管内径26mm，将8kg A356铝合金熔体，倒入坩埚内，气冷多管搅拌机构在升降机构的带动下下降，至多管搅拌杆插入轻合金熔体且其进气口和出气口均位于轻合金熔体的液面上方，开启搅拌机构，通气搅拌20s后，至轻合金熔体温度处于半固态温度区间，停止通气搅拌，A356铝合金半固态浆料制备完成，其浆料显微组织如图6所示，平均晶粒尺寸为52μm，形貌呈近球状。

实施例3：制备7075变形铝合金半固态浆料，步骤如下：

(3-1)试验用7075变形铝合金的液相线和固相线温度分别为635℃和477℃，将铝合金锭放入到预热温度为300℃的坩埚电阻炉内，待铝合金液温度升温到720℃后进行精炼，用钟罩将烘干后的六氯乙烷压入铝合金液底部，加入量为铝合金液总重量的0.5％，轻轻摇动，进行熔体除气、除渣精炼处理，最后将合金熔体降温至660℃后保温。

(3-2)制备装置中多管搅拌杆的搅拌速度300r/min，导气管内空气通入量300L/min，导气管内径10mm，搅拌管为3根，搅拌管壁厚5mm，搅拌管内径26mm，将5.5kg A356铝合金熔体，倒入坩埚内，气冷多管搅拌机构在升降机构的带动下下降，至多管搅拌杆插入轻合金熔体且其进气口和出气口均位于轻合金熔体的液面上方，开启搅拌机构，通气搅拌15s后，至轻合金熔体温度处于半固态温度区间，停止通气搅拌，7075铝合金半固态浆料制备完成，其浆料显微组织如图7所示，平均晶粒尺寸为63μm，形貌呈近球状。

本发明提供的气冷多管搅拌制备轻合金半固态浆料的装置，结构简单，使用方便，效率高，安全可靠、适用合金范围广，特别适合于大容积半固态浆料的制备，熔体温度、搅拌速度、搅拌管数量、搅拌管内径、搅拌管壁厚、搅拌时间和气体通入量可做到精确控制，易于工业化推广和应用。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种气冷多管搅拌制备轻合金半固态浆料的装置，其特征在于，包括容置轻合金熔体的坩埚、气冷多管搅拌机构和升降机构，所述升降机构设于坩埚的上方，包括升降台、固设于升降台上的轴承座、设于轴承座内的轴承；

所述气冷多管搅拌机构包括搅拌机构和供气机构，其中，所述搅拌机构由设于升降台上的搅拌电机、多管搅拌杆、设于搅拌电机和多管搅拌杆之间的伞齿轮传动组组成，所述多管搅拌杆由多根连通的搅拌管组成，其通过所述轴承支撑定位；

所述供气机构由导气管和设于升降台上的供气装置组成，所述导气管的一端与供气装置结合，另一端插入多管搅拌杆内，由导气管通入的气体充斥于多根所述搅拌管内；

其中，所述坩埚内设有热电偶；

其中，所述多管搅拌杆由至少2根搅拌管组成，其搅拌转速为0～1000r/min。

2.根据权利要求1所述的气冷多管搅拌制备轻合金半固态浆料的装置，其特征在于，所述多管搅拌杆上设有进气口和出气口，所述进气口和出气口均高于坩埚内的轻合金熔体液面。

3.根据权利要求1所述的气冷多管搅拌制备轻合金半固态浆料的装置，其特征在于，所述搅拌管内径为5～100mm，壁厚为1～20mm，材质为不锈钢、铸铁、石墨或镀膜铜合金。

4.根据权利要求1所述的气冷多管搅拌制备轻合金半固态浆料的装置，其特征在于，所述导气管内通入的气体为空气，气体流量为0～1000L/min。

5.一种气冷多管搅拌制备轻合金半固态浆料的方法，利用如权利要求1～4中任一项所述的气冷多管搅拌制备轻合金半固态浆料的装置，其特征在于，包括如下步骤：

(1)制备高于轻合金液相线温度10～50℃的合金熔体：将轻合金锭放进预热温度为200～400℃的坩埚电阻炉内，待轻合金锭升温至高于液相线温度60～120℃、完全熔化后进行精炼，用钟罩将烘干后的六氯乙烷压入轻合金熔体底部，六氯乙烷的加入量为轻合金熔体总量的0.3％～0.8％，轻轻摇动，除去轻合金熔体内的气体，然后对轻合金熔体除渣、精炼处理，最后将轻合金熔体降温至高于液相线温度10～50℃保温；

(2)制备轻合金半固态浆料：将步骤(1)所得轻合金熔体倒入坩埚内，气冷多管搅拌机构在升降机构的带动下下降，至多管搅拌杆插入轻合金熔体且其进气口和出气口均位于轻合金熔体的液面上方，开启搅拌机构，搅拌转速为0～1000r/min，同时经导气管向多管搅拌杆内通入空气，气体流量为0～1000L/min，通气搅拌10～30s后，至轻合金熔体温度处于半固态温度区间，停止通气搅拌，轻合金半固态浆料制备完成，气冷多管搅拌机构在升降机构的带动下上升，至多管搅拌杆离开轻合金半固态浆料。