一种高质、高效制备半固态铝合金浆料的装置及方法
技术领域
本发明涉及半固态金属加工领域,特别提供一种高质、高效制备半固态铝合金浆料的装置及方法。
背景技术
半固态铸造技术由于其绿色环保、能有效降低生产成本,受到国内外广大学者和厂家的青睐,被公认为21世纪最有前途的加工技术。在欧美等国家已经采用半固态铸造技术进行了商业化生产,制造的零部件被广泛应用于汽车、电子通讯等领域;我国在半固态铸造技术的研究仍处在实验室阶段,而且主要集中于半固态金属浆料制备的研究。
半固态金属浆料的制备是半固态成形技术的基础和关键,它要求浆料原始组织为细小、均匀的球形非枝晶组织。针对半固态浆料的制备,国内外学者己做了大量的研究工作,提出了许多工艺方法,目前已有很多方法用于获得该组织,如机械搅拌法、电磁搅拌法、应变诱导熔体活化法(SIMA)、等温处理法、切变—冷却轧制法、被动搅拌法、电磁脉冲放电法、晶粒细化剂法及喷射沉积铸造法等,其中机械搅拌法和电磁搅拌是最为普遍采用的方法。
即使国内外目前存在多种半固态金属浆料制备装置及方法,但普遍存在制浆设备复杂、生产成本较高、浆料质量较差的问题,导致半固态铸造技术难以在我国获得大工业化应用。因此,迫切需要开发一种低成本、高效率、可制备无氧化、夹渣的高质量半固态金属浆料的装置及浆料制备方法。
发明内容
为了解决半固态金属浆料制造成本高、效率低、质量不稳定等问题,本发明提供一种高质、高效制备半固态铝合金浆料的装置及浆料制备方法。
本发明采用的技术方案是:
一种高质、高效制备半固态铝合金浆料的装置,其特征在于:所述装置包括搅拌装置、坩埚5以及电阻炉6;
其中,搅拌装置包括无极调速电动机1、联接底座2、升降块3、坩埚盖4、多孔均流器7、氩气输送管8、稳流器9以及搅拌桨10;
搅拌桨10与无极调速电动机1相连,无极调速电动机1固定在联接底座2上;联接底座2、升降块3、多孔均流器7及氩气输送管8均与坩埚盖4相联接;多孔均流器7为中空结构,稳流器9和搅拌桨10均位于多孔均流器7内;搅拌桨10的杆部贯穿稳流器9,稳流器9固定在升降块3上,并利用升降块3进行升降;氩气输送管8的一端位于坩埚5内,另一端穿过坩埚盖4暴露在空气中;
坩埚5位于电阻炉6内,坩埚盖4紧扣在坩埚5和电阻炉6之间的间隙内。
本发明所述装置,其特征在于:所述多孔均流器7、搅拌桨10及稳流器9均为石墨材质。
本发明所述装置,其特征在于:所述多孔均流器7的轮廓尺寸是坩埚5内径的0.4~0.5,其侧壁的上部和下部均开设有通孔,其底部与坩埚5底部的距离是整个合金熔体液面高度的1/3~1/4,顶部端面与坩埚5上表面平齐。所述多孔均流器7下部的通孔用于使合金熔体受到径向剪切力时被甩入到多孔均流器7及坩埚5之间的空隙中;上部的通孔用于使向上运动的合金回流至多孔均流器7内,保证合金熔体的循环运动且不使液面产生较大的漩涡,减小卷气的发生。因此,采用本装置制备的半固态铝合金浆料不会发生卷气现象,也不会破坏铝合金浆料表面的氧化膜,几乎不产生夹杂缺陷。
作为优选的技术方案,所述多孔均流器7为一个中空的长方体,其横截面为一个倒有圆角的正方形;多孔均流器7上端面带有法兰,其侧壁的上端开设有1个氩气管接入口71以及2个方槽72(两个方槽72对称设置,用于稳流器9的升降),使用时,它们始终处于合金熔体液面的上方;在长方体侧壁的中下部开设有三层通孔73,每层通孔73的数量为8个,其中4个通孔73分布于圆角面上,另外4个通孔73分布于周向四个面上,使用时,最上层的通孔73中间部位与合金熔体液面平齐,底部两层通孔73的位置与搅拌桨10叶片在同一高度,此三层通孔73主要作为合金熔体流动的通道,保证合金熔体整体温度迅速均匀,其中底部的两层通孔73用于均流器内合金熔体流出,而最上层的通孔73用于合金熔体流入到均流器内。通孔73的外形为腰形,最上层通孔73的长度为整个多孔均流器7高度的1/6~1/5,宽度为通孔73所在平面宽度的1/4~1/3;底部两层通孔73的轮廓尺寸是一致的,其长度为整个多孔均流器7高度的1/11~1/10,宽度为通孔73所在平面宽度的1/6~1/5。
本发明所述装置,其特征在于:所述稳流器9其外轮廓尺寸是多孔均流器7内径的0.8~0.9,稳流器9中间设有通孔,该通孔的直径是搅拌桨10的杆部直径的1.5~2倍;稳流器9高度是多孔均流器7高度的1/4~1/3,使用时,其底部与合金熔体液面平齐。该稳流器9可以进行升降,同时可以保证合金熔体液面不产生紊流及漩涡,处于平稳状态,从而避免合金熔体产生卷气。
作为优选的技术方案,所述稳流器9为中心设有通孔的长方体,该长方体四周均倒有圆角;稳流器9侧壁上端设有两个螺纹孔91(对称设置,用于升降块3的固定),其直径为所在平面宽度的0.15~0.2;稳流器9的上端面及底面均为平面。
本发明所述装置,其特征在于:所述搅拌桨10为集下压及上翻式的多层搅拌桨,剪切能力强,且可以使合金熔体在多孔均流器7内外进行径向及纵向流动,保证了合金熔体温度快速降低并整体均匀,为本发明获得细小圆整的半固态铝合金浆料提供保障。作为优选的方案,所述搅拌桨10带有三层叶片,其上数第一层及第三层叶片是下压式的,而中间层叶片是上翻式的;所有叶片旋转半径是多孔均流器7内径的0.45~0.65,厚度可根据合金熔体的重量进行调整。所述搅拌桨10第一层叶片设在多孔均流器7顶部通孔及第二层通孔之间,即搅拌桨10第一层叶片对应的多孔均流器7部位不能开设通孔。
本发明还提供了采用所述装置制备半固态铝合金浆料的方法,其特征在于,具体步骤如下:
1)、合金熔体温度的确定:在熔炼时,将铝或铝合金熔体的温度控制在合金液相线以上50~80℃范围内;然后对合金熔体进行精炼、细化变质,并进行扒渣处理,最后将坩埚5中的铝合金熔体温度控制在合金液相线以上5~25℃范围内,并进行密闭保温;
2)、半固态铝合金浆料的制备:将附带有多孔均流器7及稳流器9的搅拌桨10伸入到铝或铝合金熔体中并启动无级调速电动机1进行搅拌,同时向氩气输送管8中通入氩气保护合金熔体,搅拌时间在15s~5min。
步骤2)中,合金熔体受到搅拌桨10、多孔均流器7及稳流器9的激冷作用,在搅拌桨10、多孔均流器7及液面形成一定数量的晶核;同时,由于搅拌桨10的下压作用使合金熔体沿着多孔均流器7下部的通孔流出,从通孔流出的合金熔体受到坩埚5内壁、多孔均流器7的挤压及坩埚5底部熔体反射向上推力作用下向上流动并从多孔均流器7上部通孔进入多孔均流器7中,从而将表层过冷的熔体带入中心高温熔体中,而中心温度高的熔体流到表层,一方面加剧了中心部位熔体的冷却,另一方面又加热了表层金属熔体;经过多次合金熔体循环运动,促进了整个合金熔体温度快速均匀及晶核的快速增殖,最终使整个合金中温度趋于均匀。另外,由于搅拌桨10的强烈搅拌作用,造成合金熔体发生强烈对流,最初在搅拌桨10、多孔均流器7及液面间生成的晶粒被对流作用带到合金熔体中,成为结晶核心,使得合金熔体中的晶核数量增加;强烈的对流作用又使得晶粒处于不停的运动状态,让晶粒的长大没有特定的择优方向,晶粒在整个熔体当中分布的也很均匀,这就为获得圆整、均匀的组织创造了有利的条件。此外,剧烈的搅拌作用使初生的大量自由枝晶被打断,打断的枝晶在熔体的冲刷以及与坩埚5、搅拌桨10、多孔均流器7、碎晶之间的摩擦、剪切作用下,逐渐变钝变圆而成为球状晶;即使初生枝晶没有被打断,由于在高温下,塑性好,因此,在剧烈的搅拌和液流的冲刷作用下,一方面,枝晶臂也可能会发生弯曲焊合而形成圆滑的颗粒;另一方面,若弯曲的枝晶臂没有焊合,弯曲的枝晶臂在根部的曲率半径小,根据金属凝固学原理,曲率半径小的枝晶其熔点要低于曲率半径大的枝晶;因此,弯曲的枝晶臂将在根部熔断而形成细小而圆整的颗粒;最终获得细小、分布均匀、球状组织的半固态铝合金浆料。
本发明所述制备半固态铝合金浆料的方法,其特征在于:在步骤1)及步骤2)整个搅拌过程,在多孔均流器7内、外部一直通有氩气,氩气的流量在2~5L/min,可以保护铝合金熔体、半固态浆料不产生氧化,从而为获得高质量半固态铝合金浆料提供保障。合金熔体的温度可以通过温度采集仪进行实时监控及数字显示。
本发明所述制备半固态铝合金浆料的方法,其特征在于:步骤2)中搅拌桨10的转速控制在60~700rpm,这样既可以保证合金熔体受到较强的剪切作用,又不产生较大的漩涡,避免合金熔体及半固态浆料引起卷气。
本发明所述制备半固态铝合金浆料的方法,其特征在于:步骤2)中无极调速电动机1、联接底座2、升降块3、多孔均流器7、氩气输送管8、稳流器9以及搅拌桨10可以看成一个整体的搅拌装置,当合金熔体搅拌完毕之后,直接将整个装置向上提起即可,不需要任何拆卸,整个装置结构紧凑且简单。
本发明的有益效果体现在:
本发明中的半固态铝合金浆料制备过程简单、稳定可控,整个制造过程流程短、效率高、浆料质量稳定、可操作性强、成本低。
本发明所述装置剪切能力强,可以制备不同重量、不同固相率、球状组织的半固态铝合金浆料,可以用于不同壁厚复杂的轻合金铸件的生产,适应性强。
本发明在制备过程中实现了气体保护,减少了该过程熔体表面氧化,解决了传统机械搅拌制备半固态铝合金浆料产生氧化、夹杂缺陷的问题,提高了半固态铝合金浆料的质量和性能。
本发明半固态铝合金浆料制备的过程中铝合金熔体及半固态浆料液面平稳,不会产生漩涡引起吸气,且剪切能力强,制备的半固态铝合金材料晶粒组织细小、圆整、球化,较大地提高了半固态铝合金浆料及复合材料熔体的质量和性能。
本发明所述装置的搅拌桨剪切作用强,制浆效率高、合金熔体对流强,易实现合金整个熔体温度均匀以及快速降低温度,解决了传统采用强制冷却方式均匀合金熔体温度带来的操作复杂、成本高等问题。
本发明对搅拌设备无任何特殊要求,常规搅拌铸造设备即可满足要求,具有投资少、生产效率高、容易实现自动化或人机一体化生产等优点。
附图说明
图1是高质、高效制备半固态铝合金浆料的装置整体结构正面示意图。
图2是高质、高效制备半固态铝合金浆料的装置A-A剖面结构示意图。
图3是高质、高效制备半固态铝合金浆料的装置整体结构侧面示意图。
图4是高质、高效制备半固态铝合金浆料的装置B-B剖面结构示意图。
图5是多孔均流器结构示意图a。
图6是多孔均流器结构示意图b。
图7是多孔均流器俯视图。
图8是稳流器结构示意图。
图9是稳流器剖视图。
图10是采用本发明装置及方法制备的半固态铝合金材料的显微组织示意图。
附图标记:1、无极调速电动机,2、联接底座,3、升降块,4、坩埚盖,5、坩埚,6、电阻炉,7、多孔均流器,8、氩气输送管,9、稳流器,10、搅拌桨,71、氩气管接入口,72、方槽,73、通孔,91、螺纹孔。
具体实施方式
下面结合实例对本发明的结果及实施效果做进一步说明:
如图1-9所示,本发明采用的装置包括搅拌装置、坩埚5以及电阻炉6;
其中,搅拌装置包括无极调速电动机1、联接底座2、升降块3、坩埚盖4、多孔均流器7、氩气输送管8、稳流器9以及搅拌桨10;
搅拌桨10与无极调速电动机1相连,并通过无极调速电动机1带动搅拌桨10转动,无极调速电动机1固定在联接底座2上;联接底座2、升降块3、多孔均流器7及氩气输送管8均与坩埚盖4相联接,其中多孔均流器7与坩埚盖4采用沉头六角螺栓连接固定;多孔均流器7为中空结构,稳流器9和搅拌桨10均位于多孔均流器7内;搅拌桨10的杆部贯穿稳流器9;升降块3未与坩埚盖4相联接的一端穿过多孔均流器7与位于其内部的稳流器9固定相连,当稳流器9需要上升或下降时,只需要调整升降块3的高度即可;氩气输送管8的一端位于坩埚5内与多孔均流器7相连通,另一端穿过坩埚盖4暴露在空气中;
所述多孔均流器7为一个中空的长方体,其横截面为倒有圆角的正方形,轮廓尺寸是坩埚5内径的0.4~0.5,其底部与坩埚5底部的距离是整个合金熔体液面高度的1/3~1/4,顶部端面与坩埚5上表面平齐;多孔均流器7上端面带有法兰,其侧壁的上端开设有1个氩气管接入口71以及2个方槽72(两个方槽72对称设置,用于稳流器9的升降),使用时,它们始终处于合金熔体液面的上方;在侧壁的中下部开设有三层通孔73,每层通孔73的数量为8个,其中4个通孔73分布于圆角面上,另外4个通孔73分布于周向四个面上,使用时,最上层的通孔73中间部位与合金熔体液面平齐,底部两层通孔73的位置与搅拌桨10叶片在同一高度。通孔73的外形为腰形,最上层通孔73的长度为整个多孔均流器7高度的1/6~1/5,宽度为通孔73所在平面宽度的1/4~1/3;底部两层通孔73的轮廓尺寸是一致的,其长度为整个多孔均流器7高度的1/11~1/10,宽度为通孔73所在平面宽度的1/6~1/5。
所述稳流器9为中心设有通孔的长方体,该长方体四周均倒有圆角,其外轮廓尺寸是多孔均流器7内径的0.8~0.9;稳流器9通孔的直径是搅拌桨10的杆部直径的1.5~2倍,其侧壁上端设有两个螺纹孔91(对称设置,用于升降块3的固定),其直径为所在平面宽度的0.15~0.2;稳流器9的上端面及底面均为平面,其底面与合金熔体液面平齐,高度是多孔均流器7高度的1/4~1/3。
所述搅拌桨10带有三层叶片,其上数第一层及第三层叶片是下压式的,而中间层叶片是上翻式的;所有叶片旋转半径是多孔均流器7内径的0.45~0.65。所述搅拌桨10第一层叶片对应的多孔均流器7部位不能开设通孔。
坩埚5位于电阻炉6内,坩埚盖4紧扣在坩埚5和电阻炉6之间的间隙内。
所述多孔均流器7、搅拌桨10及稳流器9均为石墨材质。
实施例1
本实施例为半固态ZL101A合金浆料的制备:ZL101A合金材料的成分为重量百分比Si:6.96%,Mg:0.35%,Ti:0.15%,Fe:0.1%,Ni:0.01%,Zn:0.01%,Cu:0.01%,Mn:0.01%,Sn:0.01%,其余为Al。ZL101A合金的液相线和固相线温度分别为615℃和560℃。
具体过程如下:
1)、将30Kg的ZL101A合金在坩埚5内熔化,当坩埚5中的铝合金熔体温度达到680℃左右时,加入变质剂,变质完成后再加入氩气进行精炼(加入量为合金液总重量的0.5%),氩气用钟罩压入铝合金液底部并轻轻摆动,使ZL101A合金液彻底沸腾起来。待到钟罩内不再有气泡冒出,用撇渣勺清渣干净,最后将坩埚5中的合金液温度降至635℃;
2)、将附带有多孔均流器7及稳流器9的搅拌桨10放入到ZL101A合金熔体中,当搅拌桨10完全浸放在合金熔体中时,启动无级调速电机1,并向氩气输送管8中通入氩气保护合金熔体。合金熔体由于稳流器9、多孔均流器7及搅拌桨10的迅速激冷作用下在其附近快速形核,该部分晶核由于搅拌桨10的剪切对流作用被带到合金熔体中分布均匀。另外,由于搅拌桨10的下压作用使合金熔体经过多孔均流器7进行径向及轴向循环往复运动,发生强烈的对流,使合金熔体整体温度迅速降低至液相线以下并达到均匀。这为自由晶核的快速增殖及存活提供了良好的环境,最终导致熔体内部产生大量晶核,并由于搅拌桨10的强烈剪切作用,逐渐演变成细小、球状的晶粒,获得半固态ZL101A合金浆料。
实施例2
本实施例为半固态ZL114A合金浆料的制备:ZL114A合金材料的成分为重量百分比Si:7.01%,Mg:0.55%,Ti:0.15%,Fe:0.08%,Ni:0.01%,Zn:0.01%,Cu:0.01%,Mn:0.01%,Sn:0.01%,其余为Al。ZL101A合金的液相线和固相线温度分别为615℃和560℃。
具体过程如下:
1)、将50Kg的ZL114A合金在坩埚5内熔化,当坩埚5中的铝合金熔体温度达到690℃左右时,加入变质剂,变质完成后再加入氩气进行精炼(加入量为合金液总重量的0.5%),氩气用钟罩压入铝合金液底部并轻轻摆动,使ZL1141A轻合金液彻底沸腾起来。待到钟罩内不再有气泡冒出,用撇渣勺清渣干净,最后将坩埚5中的合金液温度降至640℃;
2)、将附带有多孔均流器7及稳流器9的搅拌桨10放入到ZL101A合金熔体中,当搅拌桨10完全浸放在合金熔体中时,启动无级调速电机1,并向氩气输送管8通入氩气保护合金熔体。首先合金熔体由于稳流器9、多孔均流器7及搅拌桨10的迅速激冷作用下在其附近快速形核,该部分晶核由于搅拌桨10的剪切对流作用被带到合金熔体中分布均匀。另外,由于搅拌桨10的下压作用使合金熔体经过多孔均流器7进行径向及轴向循环往复运动,发生强烈的对流,使合金熔体整体温度迅速降低至液相线以下并达到均匀。这为自由晶核的快速增殖及存活提供了良好的环境,最终导致熔体内部产生大量晶核,并由于搅拌桨10的强烈剪切作用,逐渐演变成细小、球状的晶粒,获得半固态ZL114A合金浆料。
尽管这里己详细列出并说明了优选实施实例,但是本领域技术人员可知,可在不脱离本发明精髓的情况下进行各种结构调整和控制参数搭配,这些内容都被认为处于权利要求所限定的本发明的范围之内。