CN105014020A - 一种制备大直径半固态合金坯料的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种制备大直径半固态合金坯料的装置和方法,所述装置包括用于承载合金熔体的倒料坩埚、制浆室、搅拌杆、导气管,倒料坩埚与制浆室的上端衔接;搅拌杆设于制浆室内,其外壁与制浆室内壁之间形成半固态合金浆料的容腔;搅拌杆为中空结构,其内插设导气管;制浆室的底部为浆料出口,下方结合有用于承载半固态合金坯料的大直径收集坩埚。本发明可通过调节搅拌杆外壁与制浆室内壁之间的间距、导气管内的通气量和搅拌杆的搅拌速度来使合金熔体得到强烈搅拌和快速冷却,制备的半固态浆料直接由制浆室底部的浆料出口流出,且浆料流出速度可通过轴向移动搅拌杆来做到精确控制,半固态浆料制备的容积不受制浆室的尺寸限制,浆料制备效率高。

Description

一种制备大直径半固态合金坯料的装置和方法
技术领域
本发明属于半固态合金加工领域,具体涉及一种制备大直径半固态合金坯料的装置和方法。
背景技术
自从二十世纪七十年代美国麻省理工学院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。半固态金属成形技术分为流变成形和触变成形,其中半固态触变成形技术是一种继承了铸、锻工艺综合优点的精密、近净成形技术。与传统液态压铸相比,触变成形具有成形温度低、产品精度高、模具寿命长、组织优良且力学性能高等优势。与固态锻造相比,触变成形可以用更小的力、更低的成本成形形状复杂、力学性能相当的零件。
半固态触变成形的技术路线为:半固态坯料制备、二次加热至固-液温度区间、触变成形。其中半固态合金坯料的制备是半固态触变成形技术最为关键的一步,因为半固态合金坯料的制备决定和影响着整个成形过程,对成形产品的最终微观组织形貌和力学性能至关重要。
目前,半固态触变成形技术领域内制备半固态合金坯料的主要方法有电磁搅拌法、机械搅拌法和应变诱导-熔化激活法等。电磁搅拌技术包括交流感应行波电磁场搅拌制备半固态合金坯料、永久磁铁旋转法搅拌制备半固态合金坯料、无芯感应熔化法搅拌制备半固态合金坯料等,虽然这些方法具有浆料洁净度高、设备自动化高的优点,但是由于电磁在合金表面产生集肤效应而使其在制备大直径半固态坯料方面受到限制,一般采用电磁搅拌方法制备的半固态合金坯料直径小于150mm。传统的机械搅拌法虽然能够制备规格较大的半固态合金坯料,但是由于合金熔体需要较长时间才能降至半固态温度区间,造成制坯速度慢效率低。由于大尺寸半固态坯料塑性变形力大,变形困难,因此应变 诱导-熔化激活法也很难制备出大体积半固态合金坯料。另外,目前以上三种制备半固态合金坯料的设备往往存在设备复杂、制坯成本较高的问题,这也进一步制约了半固态合金坯料的批量制备。随着半固态成形技术的广泛应用,大直径半固态合金坯料的需求量越来越大,为了能够连续快速批量制备出质量优异的大直径半固态合金坯料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,试图发明出新的大直径半固态合金坯料的制备技术。
发明内容
本发明的目的在于解决了现有半固态坯料制备装置存在的结构复杂、连续工作可靠性差、坯料制备尺寸小、难以工业化推广的问题,提供了制备半固态合金坯料的装置和方法,通过大直径收集坩埚与连铸设备的结合实现大直径半固态合金坯料的生产。
为解决上述技术问题,本发明的实施例提供一种制备大直径半固态合金坯料的装置,包括用于承载合金熔体的倒料坩埚、制浆室、搅拌杆、导气管,所述倒料坩埚与制浆室的上端衔接;
所述搅拌杆设于制浆室内,其外壁与制浆室内壁之间形成半固态合金浆料的容腔;
所述搅拌杆为中空结构,其内插设导气管;
所述制浆室的底部为浆料出口,浆料出口的下方结合有用于承载半固态合金坯料的大直径收集坩埚。
上述的制备大直径半固态合金坯料的装置也可以采用下述结构:所述制浆室的浆料出口的下方还可以结合有连铸机,所述连铸机包括与浆料出口结合的中间包以及依次设于中间包下方的结晶器、冷却装置和牵引机构。
其中,所述制浆室内靠近浆料出口处插设有热电偶,用于监测半固态合金浆料的温度。
其中,所述制浆室的上部为柱形、下部为锥形,上下部连接处的夹角为100~170°;
所述制浆室的高度为200~2000mm,所述浆料出口的内径为10~100mm;
所述搅拌杆外壁与制浆室内壁之间的间距为3~200mm,搅拌杆的最底端至制浆室最底端的距离为0~200mm。
其中,所述搅拌杆的内径为10~100mm,壁厚为1~15mm;
所述搅拌杆的转速为0~2000r/min。
其中,所述导气管、搅拌杆和制浆室三者的中心线重合;
所述导气管内气体流量为0~2000L/min,导气管的内径为5~80mm,导气管外壁与搅拌杆内壁之间的间距为2~80mm,导气管的最底端到搅拌杆底部的距离为10~200mm。
其中,所述大体积收集坩埚的内径为150~1000mm;
所述大直径收集坩埚的最顶端至制浆室最底端的距离为-100~300mm。
优选的,所述结晶器内径为150~800mm,冷却装置为均布于结晶器出口处四周的若干冷却水喷嘴。
其中,所述导气管内注入的气体为空气,气体温度为室温。
本发明还提供一种制备大直径半固态合金坯料的方法,利用上述制备半固态合金坯料的装置,包括如下步骤:
(1)制备高于合金液相线温度5~150℃的合金熔体:将合金锭放进预热温度为200~400℃的坩埚电阻炉内,待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合金熔体底部,六氯乙烷的加入量为合金熔体总量的0.3%~0.8%,轻轻摇动,除去合金熔体内的气体,然后对合金熔体除渣、精炼处理,最后将合金熔体降温至高于液相线温度10~50℃保温;
(2)合金熔体的冷却:将步骤(1)得到的合金熔体通过倒料坩埚浇入到制浆室内,在搅拌杆的通气搅拌下快速冷却且保证内部温度场均匀,通过调节搅拌杆外壁与制浆室内壁之间的间距、导气管内的通气量和搅拌杆的搅拌速度来控制合金熔体的冷却速度,当合金熔体流动至制浆室底部的浆料出口处时,合金熔体的温度降至半固态温度,形成组织细小圆整的半固态合金浆料;
(3)获得半固态合金坯料:通过轴向移动搅拌杆来控制半固态合金浆料 的流出速度,步骤(2)中的半固态合金浆料经浆料出口流进大直径收集坩埚,自然冷却后得到半固态合金坯料;
或半固态合金浆料经浆料出口流入连铸机的中间包内,然后在结晶器、冷却装置的牵引机构的共同作用下连铸成半固态合金坯料。
本发明实现了大直径半固态合金坯料的连续快速制备,连续工作稳定可靠,是一种先进的大直径半固态合金坯料制备装置及方法,相对于现有技术,具有以下优点:
1、半固态合金坯料制备装置结构简单紧凑,操作方便,易于和制坯设备结合,可快速连续生产大直径半固态合金坯料,特别适合于工业化推广和应用。
2、可通过调节搅拌杆外壁与制浆室内壁之间的间距、导气管内的通气量和搅拌杆的搅拌速度来使合金熔体得到强烈搅拌和快速冷却,制备的半固态浆料直接由制浆室底部的浆料出口流出,且浆料流出速度可通过轴向移动搅拌杆来做到精确控制,半固态浆料制备的容积不受制浆室的尺寸限制;相比于现有半固态浆料制备技术,效率高;由于持续搅拌和通气,快速制备的半固态合金浆料具有均匀的温度场和浓度场,持续流入大直径收集坩埚自然冷却成半固态坯料。该装置可改善大直径坯料成分、组织和性能不均匀的现象,减小坯料开裂现象,提高坯料表面质量、力学性能和成材率,降低大直径半固态坯料的生产成本。
3、导气管内通入的冷却气体为空气,大大降低了制浆成本。
4、适用合金范围广,适合于镁合金、铝合金、锌合金及其复合材料大直径半固态坯料的连续快速制备。
附图说明
图1为本发明中其中一种制备大直径半固态合金坯料的装置的结构示意图;
图2为本发明中另一种制备大直径半固态合金坯料的装置的结构示意图。
附图标记说明:
1、合金熔体; 
2、倒料坩埚; 
3、制浆室; 
4、搅拌杆; 
5、导气管; 
6、半固态合金浆料;
7、热电偶; 
8、大直径收集坩埚;
9、半固态合金坯料;
10、中间包; 
11、结晶器; 
12、冷却装置; 
13、牵引机构。 
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,一种制备大直径半固态合金坯料的装置,包括用于承载合金熔体1的倒料坩埚2、制浆室3、搅拌杆4、导气管5,所述倒料坩埚2与制浆室3的上端衔接。
所述搅拌杆4设于制浆室3内,其外壁与制浆室3内壁之间形成环形的半固态合金浆料6的容腔。
所述搅拌杆4为中空结构,其内插设所述导气管5。
所述制浆室3的底部为浆料出口,浆料出口的下方结合有用于承载半固态合金坯料9的大直径收集坩埚8。
所述制浆室3内靠近浆料出口处插设有热电偶7,用于监测半固态合金浆料6的温度。
所述制浆室3的上部为柱形、下部为锥形,上下部连接处的夹角为100~170°;制浆室3的高度为200~2000mm,所述浆料出口的内径为 10~100mm。
所述搅拌杆4外壁与制浆室3内壁之间的间距为3~200mm,搅拌杆4的最底端至制浆室3最底端的距离为0~200mm。
所述搅拌杆4的内径为10~100mm,壁厚为1~15mm;搅拌杆4的转速为0~2000r/min。
所述导气管5、搅拌杆4和制浆室3三者的中心线重合;导气管5内通入室温的空气,气体流量为0~2000L/min,导气管5的内径为5~80mm,导气管5外壁与搅拌杆4内壁之间的间距为2~80mm,导气管5的最底端到搅拌杆4底部的距离为10~200mm。
所述大直径收集坩埚8的内径为150~1000mm;大直径收集坩埚8的最顶端至制浆室3最底端的距离为-100~300mm。
制备半固态合金坯料的装置也可以采用如图2所示结构,该结构的上部分与图1所示结构相同,不同之处为:所述制浆室3的浆料出口的下方结合有连铸机,所述连铸机包括与浆料出口结合的中间包10以及依次设于中间包10下方的结晶器11、冷却装置12和牵引机构13。
优选的,所述结晶器11内径为150~800mm,冷却装置12为均布于结晶器11出口处四周的若干冷却水喷嘴。
本发明还提供一种制备大直径半固态合金坯料的方法,利用上述的制备半固态合金坯料的装置,包括如下步骤:
(1)制备高于合金液相线温度5~150℃的合金熔体:将合金锭放进预热温度为200~400℃的坩埚电阻炉内,待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合金熔体底部,六氯乙烷的加入量为合金熔体总量的0.3%~0.8%,轻轻摇动,除去合金熔体内的气体,然后对合金熔体除渣、精炼处理,最后将合金熔体降温至高于液相线温度10~50℃保温;
(2)合金熔体的冷却:将步骤(1)得到的合金熔体通过倒料坩埚浇入到制浆室内,在搅拌杆的通气搅拌下快速冷却且保证内部温度场均匀,通过调节搅拌杆外壁与制浆室内壁之间的间距、导气管内的通气量和搅拌杆的搅拌速度 来控制合金熔体的冷却速度,当合金熔体流动至制浆室底部的浆料出口处时,合金熔体的温度降至半固态温度,形成组织细小圆整的半固态合金浆料;
(3)获得半固态合金坯料:通过轴向移动搅拌杆来控制半固态合金浆料的流出速度,步骤(2)中的半固态合金浆料经浆料出口流进大直径收集坩埚,自然冷却后得到大直径半固态合金坯料;
或半固态合金浆料经浆料出口流入连铸机的中间包内,然后在结晶器、冷却装置的牵引机构的共同作用下连铸成大直径半固态合金坯料。
下面以两个具体实施例对本发明的技术方案进行详细描述:
实施例1:制备大直径半固态A380铝合金坯料,步骤如下:
(1-1)试验用压铸A380铝合金的液相线和固相线温度分别为596℃和521℃,将A380铝合金锭放入到预热温度为300℃的坩埚电阻炉内,待合金温度升温到680℃、完全熔化后进行精炼,用钟罩将烘干后的六氯乙烷压入熔体底部,加入量为合金液总重量的0.5%,轻轻摇动,进行合金熔体除气、除渣精炼处理,最后将合金熔体降温至620℃后保温。
(1-2)设定本实施例中半固态合金坯料制备装置的制浆室内壁和搅拌杆外壁之间形成的环形缝隙宽度为50mm,制浆室上下部连接处形成的夹角为135°,制浆室底部的浆料出口内径为40mm,制浆室高度800mm,搅拌杆最底端到制浆室最底端的距离为40mm;搅拌杆壁厚4mm,搅拌杆内腔直径50mm,搅拌杆转速800r/min;导气管外壁与搅拌杆内壁之间形成的缝隙宽度为10mm,导气管内径20mm,气体通入量500L/min;大直径收集坩埚内径500mm,高500mm,大直径收集坩埚的最顶端到制浆室的最底端距离为100mm。将步骤(1-1)中熔炼好的合金熔体通过倒料坩埚浇入到制浆室内,合金熔体在流动过程中受到通气搅拌杆的强烈搅拌和快速冷却,当合金熔体流动到制浆室的底部时,温度降至半固态温度区间,形成半固态合金浆料,制备好的半固态浆料经浆料出口直接流进大直径收集坩埚,冷却得到大直径半固态A380铝合金坯料。
实施例2:制备大直径半固态7075铝合金坯料,包括如下步骤:
(2-1)试验用7075铝合金的液相线和固相线温度分别为635℃和477℃, 将7075铝合金锭放入预热温度为350℃的坩埚电阻炉内,待7075铝合金温度升温至720℃、完全熔化后进行精炼,用钟罩将烘干后的六氯乙烷压入熔体底部,加入量为合金液总重量的0.5%,轻轻摇动,进行合金熔体除气、除渣精炼处理,最后将合金熔体降温至660℃后保温。
(2-2)设定本实施例中半固态合金坯料制备装置的制浆室内壁和搅拌杆外壁之间形成的环形缝隙宽度为70mm,制浆室上下部连接处形成的夹角为120°,制浆室底部的浆料出口内径为60mm,制浆室高度1200mm,搅拌杆最底端到制浆室最底端的距离为50mm;搅拌杆壁厚5mm,搅拌杆内腔直径70mm,搅拌杆转速1200r/min;导气管外壁与搅拌杆内壁之间形成的缝隙宽度为12mm,导气管内径40mm,空气通入量800L/min;中间包内径为500mm,结晶器内经为300mm。将步骤(2-1)中熔炼好的合金熔体倒入制浆室内,合金熔体在流动过程中受到通气搅拌杆的强烈搅拌和快速冷却,快速降至半固态温度区间,形成半固态合金浆料,半固态合金浆料经制浆室出口流入其下方的中间包内,然后在连铸机的结晶器、冷却水喷嘴、牵引机构的共同作用下连铸成半固态7075铝合金坯料。
本发明可通过调节搅拌杆外壁与制浆室内壁之间的间距、导气管内的通气量和搅拌杆的搅拌速度来使合金熔体得到强烈搅拌和快速冷却,制备的半固态浆料直接由制浆室底部的浆料出口流出,且浆料流出速度可通过轴向移动搅拌杆来做到精确控制,半固态浆料制备的容积不受制浆室的尺寸限制;制备的半固态合金浆料持续流入大直径收集坩埚或连接连铸机制备大直径半固态坯料。该装置可改善大直径坯料成分、组织和性能不均匀的现象,减小坯料开裂现象,提高坯料表面质量、力学性能和成材率,进而减少制备过程中的能耗和降低坯料成本。
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 (10)

1.一种制备大直径半固态合金坯料的装置,其特征在于,包括用于承载合金熔体的倒料坩埚、制浆室、搅拌杆、导气管,所述倒料坩埚与制浆室的上端衔接;
所述搅拌杆设于制浆室内,其外壁与制浆室内壁之间形成半固态合金浆料的容腔;
所述搅拌杆为中空结构,其内插设导气管;
所述制浆室的底部为浆料出口,浆料出口的下方结合有用于承载半固态合金坯料的大直径收集坩埚。
2.根据权利要求1所述的制备大直径半固态合金坯料的装置,其特征在于,所述制浆室的浆料出口的下方还可以结合有连铸机,所述连铸机包括与浆料出口结合的中间包以及依次设于中间包下方的结晶器、冷却装置和牵引机构。
3.根据权利要求1所述的制备大直径半固态合金坯料的装置,其特征在于,所述制浆室内靠近浆料出口处插设有热电偶。
4.根据权利要求1所述的制备大直径半固态合金坯料的装置,其特征在于,所述制浆室的上部为柱形、下部为锥形,上下部连接处的夹角为100~170°;
所述制浆室的高度为200~2000mm,所述浆料出口的内径为10~100mm;
所述搅拌杆外壁与制浆室内壁之间的间距为3~200mm,搅拌杆的最底端至制浆室最底端的距离为0~200mm。
5.根据权利要求1所述的制备大直径半固态合金坯料的装置,其特征在于,所述搅拌杆的内径为10~100mm,壁厚为1~15mm;
所述搅拌杆的转速为0~2000r/min。
6.根据权利要求1所述的制备大直径半固态合金坯料的装置,其特征在于,所述导气管、搅拌杆和制浆室三者的中心线重合;
所述导气管内气体流量为0~2000L/min,导气管的内径为5~80mm,导气管外壁与搅拌杆内壁之间的间距为2~80mm,导气管的最底端到搅拌杆底部的距离为10~200mm。
7.根据权利要求1所述的制备大直径半固态合金坯料的装置,其特征在于,所述大体积收集坩埚的内径为150~1000mm;
所述大直径收集坩埚的最顶端至制浆室最底端的距离为-100~300mm。
8.根据权利要求2所述的制备大直径半固态合金坯料的装置,其特征在于,所述结晶器内径为150~800mm,所述冷却装置为均布于结晶器出口处四周的若干冷却水喷嘴。
9.根据权利要求1或6所述的制备大直径半固态合金坯料的装置,其特征在于,所述导气管内注入的气体为空气,气体温度为室温。
10.一种制备大直径半固态合金坯料的方法,利用如权利要求1~9中任一项所述制备半固态合金坯料的装置,其特征在于,包括如下步骤:
(1)制备高于合金液相线温度5~150℃的合金熔体:将合金锭放进预热温度为200~400℃的坩埚电阻炉内,待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合金熔体底部,六氯乙烷的加入量为合金熔体总量的0.3%~0.8%,轻轻摇动,除去合金熔体内的气体,然后对合金熔体除渣、精炼处理,最后将合金熔体降温至高于液相线温度10~50℃保温;
(2)合金熔体的冷却:将步骤(1)得到的合金熔体通过倒料坩埚浇入到制浆室内,在搅拌杆的通气搅拌下快速冷却且保证内部温度场均匀,通过调节搅拌杆外壁与制浆室内壁之间的间距、导气管内的通气量和搅拌杆的搅拌速度来控制合金熔体的冷却速度,当合金熔体流动至制浆室底部的浆料出口处时,合金熔体的温度降至半固态温度,形成组织细小圆整的半固态合金浆料;
(3)获得半固态合金坯料:通过轴向移动搅拌杆来控制半固态合金浆料的流出速度,步骤(2)中的半固态合金浆料经浆料出口流进大直径收集坩埚,自然冷却后得到半固态合金坯料;
或半固态合金浆料经浆料出口流入连铸机的中间包内,然后在结晶器、冷却装置的牵引机构的共同作用下连铸成半固态合金坯料。
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