CN105665654B - 一种强化冷却搅拌制备半固态浆料方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种强化冷却搅拌制备半固态浆料方法，将过热的合金熔体置于坩埚或浇包中，通过升降装置将内部通有循环冷却介质的旋转搅拌轴下降到合金熔体内，通过搅拌带动合金熔体对流热交换，循环冷却介质不停的冷却旋转搅拌轴，搅拌固定时间或熔体将至设定温度，升高旋转搅拌轴，制备出半固态浆料并成型铸锭；将含有半固态浆料的浇包靠近成形设备，并将半固态浆料倒入成形设备的型腔或料室进行成形；取出成型件并将坩埚或者浇包移回原位置并盛取过热合金熔体进行下次半固态浆料制备。本发明还提供了实现上述方法的装置。本发明既能够单次制备大体积半固态浆料，又可以持续不断的批量制备半固态浆料，并结合压铸、轧制、模锻等常规成形设备制备流变成形件。

Description

一种强化冷却搅拌制备半固态浆料方法和装置

技术领域

本发明涉及一种复合搅拌半固态浆料连续制备装置和方法，属于半固态金属加工技术领域。

背景技术

自从20世纪70年代初期，美国麻省理工学院M C Flemings等研究人员创立了金属半固态成形的概念，半固态金属浆料的制备和成形技术作为一种新型的技术引起了世界各国的广泛关注。半固态加工是利用金属从液态向固态转变或从固态向液态转变（即液固共存）过程中所具有的特性进行成形的方法，这一新的成形方法综合了凝固加工和塑性加工的长处，即加工温度比液态低，充型平稳，对模具热冲击小；变形抗力比固态小，从而有利于成形较复杂的零件并减少功耗，提高生产效率。

半固态成形技术主要包括触变成形和流变成形。触变成形工艺是将制备的半固态浆料先铸造成坯料，经二次加热后，再进行成形加工，其工艺的可控性强、过程稳定且易操作，但工艺流程长，能耗大，成本较高。流变成形工艺由制备的半固态浆料进行流变成形加工，具有生产流程短、相对成本低、设备简单等特点，近年来受到国内外普遍重视，发展迅速。不论是触变成形还是流变成形，都包含有半固态制浆及半固态成形两部分。

半固态浆料的制备是金属半固态技术的基础与关键。目前制备半固态浆料的方法有很多，可以分为搅拌法、超声振动法、通道或板浇注法、熔体分散混合法、应变诱发熔体激活法等几大类。这些方法基本都是依靠扰动和降温的基本原理来制备，它们都有自己的优缺点和适用范围。其中，机械搅拌法以其简单灵活、效率高、成本低廉，是制造企业最愿意接受的制备方法。随着研发水平的逐渐提高，国内外先后研发的成套的机械搅拌类装置和工艺有：日本的单螺旋搅拌法（US: 5865240），英国布鲁内尔大学的双螺旋搅拌工艺（US:6745818）、北京科技大学开发的锥筒式搅拌装置（专利：200810114097.3）等。他们的特点都是从进料口浇入过热合金熔体，在搅拌室内降温的同时受到单个或多个螺杆的搅拌或挤压作用来制备半固态浆料，制备好后流入成形设备成形。优点是结构简单制备成本低，缺点是过冷熔体在搅拌器上冷凝挂料，多次制备后需要拆卸清理，而设备笨重拆卸不便，同时对操作者要求较高，很难进行工业推广。之后北京科技大学开发了强制对流搅拌设备及工艺（专利201120425807.1），其装置是通过在搅拌室内加入石墨内衬并使用大螺旋叶片作为搅拌器，设备结构大大简化，更加轻便紧凑，拆卸也相对简单，稳定性相对更好。但是挂料问题也依然存在，需要定期进行清理。此外这类依靠复杂搅拌器强烈搅拌的机械搅拌制备方法会使熔体卷入气体，但卷入气体是否能完全逸出也是一个潜在问题。

发明内容

针对现有搅拌技术和装置存在的问题，本发明提供了一种强化冷却搅拌制备半固态浆料的方法和装置，采用降低复杂搅拌器的强烈搅拌作用，同时增加搅拌轴的冷却作用，在简化设备结构的同时增加其冷却形核制备能力，增加设备和工艺稳定性，解决现有技术中制备半固态浆料的装置容易挂料、熔体中易卷入气体、制备耗时长及工艺不稳定等的技术问题。

本发明是将内部通水冷却轧辊的原理引入旋转搅拌轴中，与传统搅拌制备半固态浆料技术有机集成而提出来的。在旋转搅拌轴的内部引入冷却通道，结合旋转接头实现冷却介质从旋转搅拌轴的单侧进出对搅拌轴进行冷却；通过内部通有循环冷却水的旋转搅拌轴对过热合金熔体进行搅拌，一方面旋转搅拌轴与熔体热交换，使温度和成分相对均匀并具有一定的过冷度，使熔体形核长大，同时通过冷却介质将旋转搅拌轴的热量带走，使搅拌轴能够跟熔体持续热交换，增大过冷度，增加形核率，从而制备出良好的半固态浆料。在此基础上开发一种强化冷却搅拌制备半固态浆料方法和装置，将冷却介质在搅拌轴内部循环冷却与搅拌制备半固态浆料方法有机集成，既能够单次制备大体积半固态浆料，又可以适合结合压铸、轧制、模锻等常规设备进行流变成形，批量持续不断的制备半固态铸锭。解决现有机械搅拌类设备依靠复杂搅拌器制备半固态浆料存在的卷气及挂料清理问题，解决制备半固态浆料工艺不稳定及制备大体积熔体时间长、及与成形设备结合不易结合等问题。

一种强化冷却搅拌制备半固态浆料方法，其特征在于：将过热的合金熔体（7）置于坩埚或浇勺（6）中，通过升降装置将内部通有循环冷却介质的旋转搅拌轴（4）下降到合金熔体内（7），通过搅拌带动合金熔体（7）对流热交换，循环冷却介质不停的冷却旋转搅拌轴（4），在搅拌一定时间或搅拌到一定熔体温度后制备出半固态浆料；升高旋转搅拌轴（4），将含有半固态浆料的坩埚或浇勺（6）靠近成形设备，并将半固态浆料倒入型腔或料室进行成形；取出制备好的成型件并将坩埚或浇勺（6）移回原位置并盛取过热合金熔体（7）进行下次半固态浆料制备。

一种强化冷却搅拌装置，其特征在于：强化冷却搅拌装置由旋转接头(1)、传动齿轮(2)、轴承(3)、旋转搅拌轴(4)、冷却内管(5)、坩埚(6)、合金熔体(7)、晶粒(8)、冷却介质进管(9)、冷却介质出管(10)等组成；旋转搅拌轴(4)与轴承(3)相连，轴承（3）与轴承座两联；旋转搅拌轴（4）与传动齿轮（2）相连，传动齿轮（2）与齿轮或电机（未画出）相连；旋转接头（1）与冷却介质进管（9）、冷却介质出管（10）、旋转搅拌轴（4）和冷却内管（5）固定相连，冷却内管（5）置于旋转搅拌轴（4）内部，之间存在一定空隙；冷却介质从冷却介质进管（9）流入旋转接头（1），经过冷却内管（5）流入旋转搅拌轴（4）内部，并通过冷却内管（5）与旋转搅拌轴（4）间空隙进入旋转接头（1），最终从冷却介质出管（10）流出。

所述的旋转接头（1）可以为复合内管固定式和复合内管旋转式，通过旋转接头（1）向旋转搅拌轴（4）内通入冷却介质对其进行冷却，冷却介质从搅拌轴同侧流出，冷却介质可以是压缩气体、水、油、氮气等。

所述的旋转搅拌轴（4）可以是单根搅拌杆，下部没有搅拌叶片或桨叶等搅拌器；也可以存在搅拌叶片或桨叶或其他形式复杂搅拌器。螺旋搅拌轴（4）和坩埚或浇包（6）表面涂有耐火涂层或涂料，防止氧化、反应及粘料。

所述的强化冷却搅拌装置安装有闭环反馈控制系统，并可与成形设备控制系统结合联动控制升降、移动、旋转等操作，实现智能化或自动化制备成形。

本发明的优点在于：

1.强化冷却搅拌制备方法不存在复杂搅拌设备的挂料清理问题，减轻潜在卷气问题，引入旋转搅拌轴内部冷却循环通道，增大旋转搅拌轴的换热效率并使温度保持在相对低位，有助于提高多次制备半固态浆料效率和单次制备半固态浆料体积。

2.强化冷却搅拌方法具有制备效率高、生产成本低、工艺稳定、通用性强，可以用于各种金属材料的半固态浆料的制备，尤其是铝、镁等轻合金材料的半固态浆料制备。

3.强化冷却搅拌制备装置结构简单、灵活性高、操作和维修方便、易实现自动控制，非常适合结合压铸、挤压等成形设备实现流变成形制备半固态成型件。

附图说明

图1为本发明的强化冷却搅拌制备半固态浆料装置示意图。其中(1)为旋转接头，(2)为传动齿轮，(3)为轴承，(4)为旋转搅拌轴，(5)为冷却内管，(6)为坩埚或浇包，(7)为合金熔体，(8)为晶粒，(9)为冷却介质进管，(10)为冷却介质出管。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，凡是根据本发明技术实质对以下实施例所作的任何简单修改、变更及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

实例1：

本例中，旋转接头（1）采用复合内管固定式，强制冷却搅拌设备与压铸机相结合进行流变压铸成型件制备。首先调整旋转搅拌轴（4）到合适转速，打开循环冷却水，水从冷却介质进管（9）进入，经过冷却内管（5），再通过冷却内管（5）与旋转搅拌轴（4）间的缝隙，最终从冷却介质出管（10）流出；压铸机机械手臂控制坩埚或浇包（6）盛取熔炼炉内的铝合金熔体（过热度0~100℃），并移动到固定位置；利用升降装置控制旋转搅拌轴（4）下降到浇包中合金熔体液面下一定深度并对合金熔体进行搅拌；当搅拌固定时间或熔体达到设定温度（液相线以下0~100℃）时，制备好半固态熔体；之后升降装置将旋转搅拌轴（4）升起，压铸机机械手臂将坩埚或浇包（6）移动到压铸机压射室附近并将半固态浆料倒入其中，压铸机冲头将半固态浆料压射入模具中成形，之后等待合金液凝固降温并取出成型件；同时接卸手臂将料包移动到熔炼炉附近，准备下一次盛取合金熔体。

实例2：

本例中，旋转接头（1）采用复合内管旋转式，冷却内管随旋转搅拌轴（4）进行旋转，强制冷却搅拌设备与模锻机相结合进行半固态模锻成型件的制备。首先调整旋转搅拌轴（4）到合适转速，通入冷却气体，冷却气体从冷却介质进管（9）进入，经过冷却内管（5），再通过冷却内管（5）与旋转搅拌轴（4）间的缝隙，最终从冷却介质出管（10）排出；利用机械手臂控制坩埚或浇勺（6）盛取熔炼炉内的轻合金熔体（过热度0~100℃），并移动到固定位置；利用升降装置控制旋转搅拌轴（4）下降到浇包中合金熔体液面下一定深度并对合金熔体进行搅拌；当搅拌固定时间或熔体达到设定温度时（液相线以下0~100℃），制备好半固态熔体；之后升降装置将旋转搅拌轴（4）升起，机械手臂将坩埚或浇勺（6）移动到模锻机附近并将半固态浆料倒入下模具（温度100~300℃）中并移动到熔炼室附近，模锻机上模具下压，等待合金液凝固降温并取出半固态模锻成型件；之后坩埚或浇勺（6）（6）或浇包盛取合金熔体进行下一个半固态成型件的制备。

Claims (4)

1.一种强化冷却搅拌制备半固态浆料方法，其特征在于：将过热的合金熔体（7）置于坩埚或浇勺（6）中，通过升降装置将内部通有循环冷却介质的旋转搅拌轴（4）下降到合金熔体（7）内，旋转接头（1）与冷却介质进管、冷却介质出管、冷却内管结合在搅拌轴内形成封闭的循环通道，实现搅拌的同时，冷却介质单侧双向流入流出旋转搅拌轴（4），利用冷却介质在封闭循环通道内持续冷却旋转搅拌轴（4），在搅拌一定时间或达到设定熔体温度后，控制升降装置升高旋转搅拌轴（4），将含有半固态浆料的坩埚或浇勺（6）靠近成形设备，并将半固态浆料倒入型腔进行成形，取出制备好的成型件，将坩埚或浇勺（6）移回原位置并盛取过热合金熔体（7）进行下次半固态浆料制备；所述冷却介质为液体介质；所述冷却介质从冷却介质进管（9）流入旋转接头（1），经过冷却内管（5）流入旋转搅拌轴（4）内部，并通过冷却内管（5）与旋转搅拌轴（4）间空隙返回，最终从冷却介质出管（10）流出，实现冷却介质单侧双向流入流出搅拌轴，同时满足旋转和密封效果，从而在封闭循环通道内对旋转搅拌轴（4）持续冷却；所述旋转搅拌轴（4）下部有搅拌叶片，表面涂有耐火涂料。

2.根据权利要求1所述强化冷却搅拌制备半固态浆料方法，其特征在于：还安装有闭环反馈控制系统，并可与成形设备控制系统结合联动控制升降、平移和旋转操作，实现智能化或自动化制备成形。

3.一种强化冷却合金熔体的搅拌装置，其特征在于：由旋转接头(1)、冷却介质进管(9)、冷却介质出管(10)、旋转搅拌轴(4)、冷却内管(5)、传动齿轮(2)、轴承(3)组成，用来持续给合金熔体降温；所述旋转接头（1）与冷却介质进管（9）、冷却介质出管（10）、旋转搅拌轴（4）和冷却内管（5）固定相连，冷却内管（5）置于旋转搅拌轴（4）内部，之间存在一定空隙，形成供冷却介质流动的封闭循环冷却通道；所述冷却介质从冷却介质进管（9）流入旋转接头（1），经过冷却内管（5）流入旋转搅拌轴（4）内部，并通过冷却内管（5）与旋转搅拌轴（4）间空隙进入旋转接头（1），最终从冷却介质出管（10）流出，使冷却介质在封闭循环通道内持续冷却旋转搅拌轴（4）；在实现旋转搅拌的同时，冷却介质从单侧双向流入流出旋转搅拌轴，从而强化或持续冷却合金熔体；所述冷却介质为液体介质；所述旋转搅拌轴（4）下部有搅拌叶片；搅拌轴（4）和坩埚或浇包（6）表面涂有耐火涂料；所述旋转搅拌轴(4)与轴承(3)相连，轴承（3）与轴承座相联；旋转搅拌轴（4）与传动齿轮（2）相连，传动齿轮（2）与齿轮或电机相连；还安装有闭环反馈控制系统，并可与成形设备控制系统结合联动控制升降、平移和旋转操作，实现智能化或自动化制备成形。

4.根据权利要求3所述的一种强化冷却合金熔体的搅拌装置，其特征在于：所述旋转接头（1）为双向流通复合内管固定式或双向流通复合内管旋转式，结合旋转搅拌轴（4）、冷却介质进管（9）、冷却介质出管（10）及冷却内管（5）组合形成供冷却介质流动的封闭循环冷却通道，实现冷却介质单侧双向进出搅拌轴，同时满足旋转和密封的效果；所述循环冷却介质为水、油。