CN105855489B - 一种液态金属多线槽连续成形装置的连续成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液态金属多线槽连续成形装置与连续成形方法。一种液态金属多线槽连续成形装置包括挤压轮和进料靴，挤压轮和进料靴安装在机架上，进料靴弧形槽末端的模座上安装有挤压模具和挡料鼻；挤压轮包括挤压轮冷却系统和挤压轮表面环状凹形轮槽；进料靴包括进料靴冷却系统、预热系统和进料靴弧形槽；进料靴弧形槽与挤压轮表面环状凹形轮槽之间形成进料型腔。液态金属多线槽连续成形方法，包括浇注、冷却、挤压成形。本发明可以同时生产2～15根产品，在不增加设备数量的条件下，多轮槽的设备提高效率2‑15倍，降低了生产成本，易于大规模工业化生产，且可用于纯金属和铝合金、锌合金、镁合金、锡合金、铜合金等合金属的高效率、连续化生产。

Description

一种液态金属多线槽连续成形装置的连续成形方法

技术领域

本发明属于液态金属材料加工技术领域，尤其是一种液态金属多线槽连续成形装置的连续成形方法。

背景技术

液态金属连续铸挤与连续流变挤压均属于液态金属直接成形的短流程加工技术。其原理是将金属料注入到由带有环状凹形轮槽的挤压轮与带有弧形槽的进料靴所构成的封闭型腔中，在环状凹形轮槽摩擦力的作用下，型腔中的金属不断向出口处被拖动，并在型腔中不断凝固，然后金属料在环状凹形轮槽出口演变为固态金属或者半固态金属，最后固态金属或者半固态金属在型腔出口经过安装在进料靴挤压型腔中的挤压模具，被挤压成管、棒、线、型材等合金产品。在挤压模具中以固态形式挤压成形的称为连续铸挤，以半固态金属形式挤压成形的称为连续流变挤压。这两种成形方法实现了各种类型合金产品从液态金属一步直接加工成形，具有短流程、低成本的鲜明特点，是有色金属加工领域的先进技术。

虽然连续铸挤和连续流变挤压技术具有设备紧凑、节约能源、成品率高、流程短、生产成本低等优点，但已有的液态金属连续铸挤与连续流变挤压成形方法中，挤压轮只有单个轮槽，也就是说只有单个型腔，导致生产效率低，严重限制了液态金属短流程加工技术的推广应用。

发明内容

综上所述，本发明提供一种液态金属多线槽连续成形装置的连续成形方法，所述的成形装置的连续成形方法是通过在连续铸挤与连续流变挤压设备的挤压轮表面上设计2～15个环状凹形轮槽来提高液态金属成形生产效率，与单个环状凹形轮槽的连续铸挤与连续流变挤压设备相比，能提高生产效率2～15倍。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种液态金属多线槽连续成形装置，所述的成形装置包括挤压轮和进料靴，其中挤压轮和进料靴安装在机架上，进料靴弧形槽末端的模座上安装有挤压模具和挡料鼻；挤压轮包括挤压轮冷却系统和挤压轮表面环状凹形轮槽；进料靴包括进料靴冷却系统、预热系统和进料靴弧形槽；进料靴弧形槽与挤压轮表面环状凹形轮槽之间形成进料型腔；所述的挤压轮冷却系统包括挤压轮冷却水孔、挤压轮冷却水通道、空心轴、轴外进水通道、轴内出水通道，挤压轮冷却水孔通过挤压轮冷却水通道与空心轴连通；所述的进料靴冷却系统包括进料靴冷却水孔和进料靴冷却水通道；所述的进料靴预热系统可以通过进料靴加热孔对进料靴进行预热。

进一步，所述的挤压轮直径在80～2000mm，挤压轮材质采用合金钢或钛铝合金。

进一步，所述的挤压轮表面环状凹形轮槽为环形，轮槽宽度为5～1000mm，轮槽深度为5～100mm，该轮槽的截面形状为弧形或多边形，在挤压轮表面设置的环状凹形轮槽有2～15条。

进一步，所述的进料靴为整体式或组合式，整体式进料靴为1个靴块，靴块朝向挤压轮的表面上对应有2～15个进料靴弧形槽，分别与挤压轮表面环状凹形轮槽一一对应，构成2～15个进料型腔，对于组合式进料靴，独立的进料靴有2～15个，每个独立的进料靴朝向挤压轮的表面有1个进料靴弧形槽，每个独立的进料靴分别对应于挤压轮表面的2～15个环状凹形轮槽中的1个，共构成2～15个进料型腔，进料靴带有进料靴型腔，进料靴型腔位置与个数与挤压轮环状凹形轮槽的位置与个数一一对应。

进一步，所述的挡料鼻伸入挤压轮表面环状凹形轮槽中，挡料鼻与挤压轮表面环状凹形轮槽形状相配合，挡料鼻与挤压轮表面环状凹形轮槽的个数一一对应，挡料鼻完全封闭轮槽断面，阻挡金属料在进料型腔出口位置沿挤压轮表面环状凹形轮槽继续流动，强迫金属料发生转角变形从而进入挤压成形型腔。

进一步，所述的挤压模具为空心型材模具、包覆材模具、扩展挤压模具、组合模具或实心杆材模具，可生产包覆材、管、棒、线、型材产品，挤压模具与挤压轮表面环状凹形轮槽的个数一一对应。

进一步，所述的进料靴与挤压轮的包角为45～270°。

一种液态金属多线槽连续成形方法，包括如下步骤：

第一步：浇注，将熔炼好的金属液浇注到进料型腔入口；

第二步：冷却，通过挤压轮冷却系统、进料靴冷却系统和挤压模具冷却系统使金属液冷却，金属发生动态凝固和流动；

第三步：挤压成形，完全凝固或半凝固的金属最后通过挤压模具挤压成形，同时制备出2～15根产品。

进一步，所述的金属液为全液态金属料或具有一定固相率的半固态金属料。

进一步，所述的连续成形方法可用于纯金属和铝合金、锌合金、镁合金、锡合金、铅合金、铜合金金属的高效率、连续化生产。

本发明相比现有技术的有益效果：

本发明装置可以同时生产2～15根产品，与单个轮槽的设备相比，在不增加设备数量的条件下，多个轮槽的设备提高生产效率2～15倍，降低了生产成本，易于大规模工业化生产，可用于纯金属和铝合金、锌合金、镁合金、锡合金、铅合金、铜合金金属的高效率、连续化生产。具体来说：

（1）本发明装置与单个轮槽的连续铸挤装置或连续流变挤装置相比，本发明装置挤压轮表面环状凹形轮槽数量增加到2～15个，可同时制备2～15根产品，生产效率提高2～15倍。

（2）本发明装置可以同时生产多种产品，通过更换不同孔型的模具，可以同时生产包覆材、管材、棒材、线材和型材。

（3）本发明方法整个制备过程是连续的，流程短、能耗低、成本低，制品可以无限长。

附图说明

图1 是本发明装置的工作原理示意图。

图2 是本发明装置中挤压轮的结构示意图。

图3是本发明装置中进料靴的结构示意图。

图4是连续流变挤压Al-0.12Sc-0.04Zr(wt.%)合金杆产品照片图。

图5是连续流变挤压Al-0.12Sc-0.04Zr(wt.%)合金杆金相组织显微照片图。

图6是本发明装置中组合式进料靴示意图。

图7是本发明装置中整体式进料靴示意图。

图中：1-金属料；2-进料靴冷却水孔；3-进料靴加热孔；4-进料靴；5-挤压模具；6-挡料鼻；7-挤压轮；8-挤压轮表面环状凹形轮槽；9-挤压轮冷却水孔；10-挤压轮冷却水通道；11-轴外进水通道；12-轴端盖；13-轴内出水通道；14-空心轴；15-进料靴弧形槽；16-模座。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步地详细描述。

如图1、图2、图3所示，一种高效率液态金属多线槽连续成形装置，所述的成形装置包括挤压轮7和进料靴4，其中挤压轮7和进料靴4安装在机架上，进料靴弧形槽15末端的模座16上安装有挤压模具5和挡料鼻6；挤压轮7包括挤压轮冷却系统和挤压轮表面环状凹形轮槽8；进料靴4包括进料靴冷却系统、进料靴预热系统和进料靴弧形槽15；进料靴弧形槽15与挤压轮表面环状凹形轮槽8之间形成进料型腔；所述的挤压轮冷却系统包括挤压轮冷却水孔9、挤压轮冷却水通道10、空心轴14、轴外进水通道11、轴端盖12、轴内出水通道13，挤压轮冷却水孔9通过挤压轮冷却水通道10与空心轴14连通，轴端盖12带有进水孔；所述的进料靴冷却系统包括进料靴冷却水孔2和进料靴冷却水通；道所述的进料靴预热系统可以通过进料靴加热孔3对进料靴4进行预热。

所述的挤压轮7直径在80～2000mm，挤压轮7材质采用合金钢或钛铝合金；

所述的挤压轮表面环状凹形轮槽8为环形，轮槽宽度为5～1000mm，轮槽深度为5～100mm，该轮槽的截面形状为弧形或多边形，在挤压轮表面设置的环状凹形轮槽有2～15条；

所述的进料靴4为整体式或组合式，整体式进料靴为1个靴块，靴块朝向挤压轮的表面上对应有2～15个进料靴弧形槽15，分别与挤压轮表面环状凹形轮槽8一一对应，构成2~15个进料型腔，对于组合式进料靴，独立的进料靴有2～15个，每个独立的进料靴朝向挤压轮的表面有1个进料靴弧形槽15，每个独立的进料靴分别对应于挤压轮表面的2～15个环状凹形轮槽中的1个，共构成2～15个进料型腔；

所述的料鼻6伸入挤压轮表面环状凹形轮槽8中，挡料鼻6与挤压轮表面环状凹形轮槽8形状相配合，挡料鼻6与挤压轮表面环状凹形轮槽8的个数一一对应，挡料鼻6完全封闭轮槽断面，阻挡金属料1在进料型腔出口位置沿挤压轮表面环状凹形轮槽8继续流动，强迫金属料1发生转角变形从而进入挤压成形型腔；

挤压模具5为空心型材模具、包覆材模具、扩展挤压模具、组合模具或实心杆材模具，可生产包覆材、管、棒、线、型材产品，挤压模具5与挤压轮表面环状凹形轮槽8的个数一一对应；

所述的进料靴4与挤压轮7的包角为45～270°。

一种高效率液态金属多线槽连续成形方法，包括如下步骤：

第一步：浇注，将熔炼好的金属料1浇注到进料型腔入口；

第二步：冷却，通过挤压轮冷却系统、进料靴冷却系统和挤压模具冷却系统使金属液冷却、凝固，金属发生动态凝固和流动；

第三步：挤压成形，完全凝固或半凝固的金属最后通过挤压模具5挤压成形。

一种高效率液态金属多线槽连续成形方法可用于纯金属和铝合金、锌合金、镁合金、锡合金、铅合金、铜合金金属的高效率、连续化生产。

实施例1：

采用本发明装置制备Al-0.12Sc-0.04Zr（wt.%）导电杆，挤压轮采用3条轮槽的挤压轮，进料靴采用整体式进料靴，挤压模具采用实心杆材挤压模具，杆材制品直径为10mm，在本发明装置的出口位置采用在线淬火，在线淬火温度为350℃。

以工业纯铝、铝钪中间合金Al-2.1Sc（wt.%）和铝锆中间Al-4.6Zr（wt.%）合金为原料，制备Al-0.12Sc-0.04Zr（wt.%）合金杆，制备方法如下：

实验前，将原料在150±5℃条件下烘干30min；

将烘干后的工业纯铝用电阻炉熔化，待熔体升温至730℃时，加入称量好的铝钪中间合金和铝锆中间合金，并缓慢搅拌，熔炼过程中熔体需用惰性气体进行保护，待熔体温度升至740℃时，用六氯乙烷进行除气除渣和精炼，静置5min，用扒渣勺扒去表面浮渣，待熔体温度回升至730℃时，保温静置10min，获得的铝合金熔体成分为Sc 0.12%（wt.%），Zr 0.04%（wt.%），余量为Al；

将进料靴预热至90℃，工作辊预热至80℃，挤压模具预热至120℃，并用红外测温仪进行测量；

将预热好的部件安装完成，启动本发明装置，依次调整轮靴间隙为3mm、转速30r/min和冷却水流量15L/min，待机器稳定后即可进行连续流变挤压成形；

将准备好的熔体浇注到进料型腔入口，浇注温度为730℃，动态凝固的金属最后通过挤压模具可以同时制备出3根Al-0.12Sc-0.04Zr（wt.%）合金杆，生产效率明显提高，如图4、图5所示，制备的合金杆表面质量良好，该合金杆金相组织为等轴晶，晶粒平均直径200μm。

实施例2：

采用本发明装置制备Al-6Si（wt.%）合金杆，挤压轮采用3条轮槽的挤压轮，进料靴采用整体式进料靴，挤压模具采用实心杆材挤压模具，杆材制品直径为10mm，发明装置出口位置采用在线淬火，在线淬火温度为350℃。

以工业纯铝、铝硅中间合金Al-9Si（wt.%）合金为原料，制备Al-6Si（wt.%）合金杆，制备方法如下：

实验前，将原料在150±5℃条件下烘干30min；

将烘干后的工业纯铝用电阻炉熔化，待熔体升温至730℃时，加入称量好的铝硅中间合金，并缓慢搅拌，熔炼过程中熔体需用惰性气体进行保护，待熔体温度升至760℃时，用六氯乙烷进行除气除渣和精炼，静置5min，用扒渣勺扒去表面浮渣，待熔体温度升至750℃时，保温静置10min，获得的铝合金熔体成分为Si 6%（wt.%），余量为Al；

将进料靴预热至120℃，工作辊预热至90℃，挤压模具预热至120℃，并用红外测温仪进行测量；

将预热好的部件安装完成，启动所述液态金属成形装置，依次调整辊靴间隙为3mm、转速20r/min和冷却水流量15L/min，待机器稳定后即可进行连续流变挤压成形。

将准备好的熔体浇注到进料型腔入口，浇注温度为750℃，动态凝固的金属最后通过挤压模具可以同时制备出3根Al-6Si（wt.%）合金杆，生产效率明显提高。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种液态金属多线槽连续成形装置的连续成形方法，其特征在于：所述的成形装置包括挤压轮和进料靴，其中挤压轮和进料靴安装在机架上，进料靴弧形槽末端的模座上安装有挤压模具和挡料鼻；挤压轮包括挤压轮冷却系统和挤压轮表面环状凹形轮槽；进料靴包括进料靴冷却系统、预热系统和进料靴弧形槽；进料靴弧形槽与挤压轮表面环状凹形轮槽之间形成进料型腔；所述的挤压轮冷却系统包括挤压轮冷却水孔、挤压轮冷却水通道、空心轴、轴外进水通道、轴内出水通道，挤压轮冷却水孔通过挤压轮冷却水通道与空心轴连通；所述的进料靴冷却系统包括进料靴冷却水孔和进料靴冷却水通道；所述的进料靴预热系统可以通过进料靴加热孔对进料靴进行预热；

所述的挤压轮直径在80～2000mm，挤压轮材质采用合金钢或钛铝合金；

所述的挤压轮表面环状凹形轮槽为环形，轮槽宽度为5～1000mm，轮槽深度为5～100mm，该轮槽的截面形状为弧形或多边形，在挤压轮表面设置的环状凹形轮槽有2～15条；

所述的进料靴为整体式或组合式，整体式进料靴为1个靴块，靴块朝向挤压轮的表面上对应有2～15个进料靴弧形槽，分别与挤压轮表面环状凹形轮槽一一对应，构成2～15个进料型腔，对于组合式进料靴，独立的进料靴有2～15个，每个独立的进料靴朝向挤压轮的表面有1个进料靴弧形槽，每个独立的进料靴分别对应于挤压轮表面的2～15个环状凹形轮槽中的1个，共构成2～15个进料型腔，进料靴带有进料靴型腔，进料靴型腔位置与个数与挤压轮环状凹形轮槽的位置与个数一一对应；进料靴与挤压轮的包角为45～270°；

所述的挡料鼻伸入挤压轮表面环状凹形轮槽中，挡料鼻与挤压轮表面环状凹形轮槽形状相配合，挡料鼻与挤压轮表面环状凹形轮槽的个数一一对应，挡料鼻完全封闭轮槽断面，阻挡金属料在进料型腔出口位置沿挤压轮表面环状凹形轮槽继续流动，强迫金属料发生转角变形从而进入挤压成形型腔；

所述的挤压模具为空心型材模具、包覆材模具、扩展挤压模具、组合模具或实心杆材模具，可生产包覆材、管、棒、线、型材产品，挤压模具与挤压轮表面环状凹形轮槽的个数一一对应；

所述连续成形方法包括如下步骤：

第一步：浇注，将熔炼好的金属液浇注到进料型腔入口；

第二步：冷却，通过挤压轮冷却系统、进料靴冷却系统和挤压模具冷却系统使金属液冷却，金属发生动态凝固和流动；

第三步：挤压成形，完全凝固或半凝固的金属最后通过挤压模具挤压成形，同时制备出2～15根产品；

所述的金属液为全液态金属料或具有一定固相率的半固态金属料；

所述的成形方法可用于纯金属和铝合金、锌合金、镁合金、锡合金、铅合金、铜合金金属的高效率、连续化生产。