CN109082547B - 连续制备液态高硅铝合金或者高硅铝合金半固态浆料的工艺及其设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供连续制备液态高硅铝合金或者高硅铝合金半固态浆料的工艺，以铝液和硅液为原料，其中铝液占总量的20‑70％，连续制备液态高硅铝合金或者高硅铝合金半固态浆料，将铝液和硅液充分混合形成液态高硅铝合金或者将其冷却形成高硅铝合金半固态浆料。其连续制备液态高硅铝合金或者高硅铝合金半固态浆料的设备，包括制浆机、第一保温炉、保温炉盖、铝液供给装置、硅液供给装置、压力系统、输出管以及冷却装置，所述第一保温炉包括上部分以及下部分，所述冷却装置设置于上部分的区域，所述制浆机穿过保温炉盖伸入第一保温炉内下部分，所述输出管一端伸入保温炉内的上部分，位于冷却装置上方，所述压力系统分别与铝液供给装置以及硅液供给装置连接。
Description
技术领域
本发明涉及轻合金制备工艺的技术领域，特别是连续制备液态高硅铝合金或者高硅铝合金半固态浆料的工艺及其设备。
背景技术
高硅铝合金是由硅和铝组成的二元合金，是一种金属基热管理材料。高硅铝合金材料能够保持硅和铝各自的优异性能，并且硅、铝的含量相当丰富，硅粉的制备技术成熟，成本低廉，同时这种材料对环境没有污染，对人体无害。高硅铝合金密度在2.4～2.7g/cm3之间，热膨胀系数(CTE)在7-20ppm/℃之间，提高硅含量可使合金材料的密度及热膨胀系数显著降低。同时，高硅铝合金还具有热导性能好，比强度和刚度较高，与金、银、铜、镍的镀覆性能好，与基材可焊，易于精密机加工等优越性能，是一种应用前景广阔的电子封装材料,特别是在航天航空、空间技术和便携式电子器件等高技术领域。
现有的高硅铝合金复合材料制备方法主要有以下几种：
第一，熔炼铸造法：
熔炼铸造法设备简单、成本低及可实现大批量工业化生产，是合金材料最广泛的制备方法。利用常规铸造的高硅铝合金，Si的分布极不均匀，加工时易产生裂纹，材料存在严重的成分偏析，晶粒粗大，力学性能差等局限性，难以进行机械加工等后续处理。随着合金中硅含量的提高，问题更为突出，所以常规铸造很难制备高硅铝合金材料。
第二，浸渗法：
浸渗法分为压力浸渗法和无压浸渗法。压力浸渗法是通过机械加压或压缩气体加压，使得基体金属熔体浸入增强体间隙，可以解决增强材料和金属液不润湿而浸渗不完全等问题，但由于加压系统相对复杂，故限制其应用发展。
第三，粉末冶金：
粉末冶金法的主要工艺是使一定比例的铝粉和硅粉以及粘合剂均匀分散,通过干压、注射等方法使粉末混合成型,最后在保护气氛下烧结形成较为致密的材料。该法解决了硅颗粒与铝基体润湿性不好,硅颗粒难以加入熔体的问题,并且材料可以一次成形,少切削加工,克服了金属基复合材料难以加工的缺点。但是这种方法工艺复杂,难以进行精确控制,压型不致密,成本高。
第四，真空热压法：
真空热压法是指加压成型和加压烧结同时进行的一种烧结工艺,其优点是：(1)粉末容易塑性流动和致密化；(2)烧结温度和烧结时间短；(3)致密度高。一般工艺为：在真空条件下,将粉末装在模腔内,在加压的同时使粉末加热,经过较短时间的加压形成致密均匀的材料。但是由于自身工序复杂，可操作性差，限制了该技术在高硅铝合金制备中的应用。
第五，急速冷却/喷射沉积：
急速冷却/喷射沉积技术是为了克服工序复杂，氧化严重等问题，与粉末冶金等技术相抗衡而发展起来的一种快速凝固技术。由于这种工艺具有其它工艺无法比拟的优势，近年来发展迅速。急速冷却/喷射沉积具有以下优点：(1)无宏观偏析；(2)细小而均匀的等轴晶显微组织；(3)细小的初生沉淀相；(4)氧含量低；(5)热加工性能得到改善。
有鉴于此，本发明人专门设计了连续制备液态高硅铝合金或者高硅铝合金半固态浆料的工艺及其设备，本案由此产生。
发明内容
本发明的目的之一在于提供连续制备液态高硅铝合金或者高硅铝合金半固态浆料的工艺，以铝液和硅液为原料，其中铝液占总量的20-70％，连续制备液态高硅铝合金或者高硅铝合金半固态浆料，包括如下步骤，
A：启动制浆机，并保持制浆机始终运行；
B：将保温炉的温度预热至指定温度：800-1430℃；
C：按照比例将铝液供给装置和硅液供给装置中的铝液和硅液利用压力系统持续加入第一保温炉内；
D：设置于保温炉内的制浆机内的转子高速旋转形成的负压，将铝液供给装置以及硅液供给装置送来的密度小的铝液和密度大的硅液同时从制浆机底部的吸料口吸进制浆腔内，制浆腔内的叶片高速旋转同时带动铝液和硅液高速转动，形成两者的混合液；
E：制浆腔内的混合液高速转动同时，通过定子上的若干小孔射出去又被底部的吸料口吸进来重新射出达到使两种液体充分的混合，混合2-5分钟，使硅液、铝液以更小的液团相互融合；
F：随着铝液供给装置和硅液供给装置中的铝液和硅液持续进入保温炉内，使硅液、铝液以更小的液团相互融合的混合液上升到保温炉内的上部分。
进一步的，还包括如下步骤，
G：混合液上升至保温炉上部分，设置于保温炉上部分的冷却水环工作，并通冷却水环吸收大量结晶潜热；
H：当混合液温度降到当一定的固相率时，形成浆料同时通过输出管送到用户使用，其中，所述固相率范围为0.05-0.5。
进一步的，所述液团大小与混合时间成反比。
本发明的目的之二在于提供连续制备液态高硅铝合金或者高硅铝合金半固态浆料的设备，用于连续制备液态高硅铝合金或者高硅铝合金半固态浆料，其特征在于，包括制浆机、第一保温炉、保温炉盖、铝液供给装置、硅液供给装置、压力系统、输出管以及冷却装置，所述第一保温炉包括上部分以及下部分，所述冷却装置设置于上部分的区域，所述制浆机穿过保温炉盖伸入第一保温炉内下部分，所述输出管一端伸入保温炉内的上部分，位于冷却装置上方，所述压力系统分别与铝液供给装置以及硅液供给装置连接；
所述制浆机包括驱动机构和制浆机构，所述制浆机构包括定子、转子以及叶片，所述定子内部中空，且所述装置设置于定子内部，所述转子底部与定子之间形成制浆腔，所述叶片与转子连接，位于制浆腔内，该制浆机构伸入到第一保温炉中的下部分进行制浆，所述驱动机构带动转子在定子内部旋转；所述定子底部设有与制浆空腔连通的吸料口，并在该制浆空腔中的定子侧壁上开设有小孔；所述驱动机构带动转子转动，其叶片旋转形成负压使混合液从吸料口进入制浆腔内，并从小孔射出到定子外部。
进一步的，所述铝液供给装置包括第二保温炉以及铝液传送管，所述铝液传送管一端升入第二保温炉内，且抵靠第二保温炉底部设置，另一端升入第一保温炉内的下部分底部，所述压力系统为第二保温炉提供压力。
进一步的，所述硅液供给装置包括第三保温炉以及硅液传送管，所述硅液传送管一端升入第三保温炉内，且抵靠第三保温炉底部设置，另一端升入第一保温炉内的下部分底部，所述压力系统为第三保温炉提供压力。
进一步的，所述转子与定子之间的最小间隙为1～2000微米。
进一步的，所述小孔的孔径轴线与转子旋转的轴线向下形成20～80°夹角，其孔径为0.1-20毫米，且所述小孔至少设置两个。
进一步的，所述叶片有2～16片。
进一步的，所述制浆机底部靠近第一保温炉下部分的底部设置，所述输出管一端靠近第一保温炉上部分的底部设置，所述冷却装置采用冷却水环。
本发明是用连续制备液态高硅铝合金或者高硅铝合金半固态浆料的工艺，同时把液态的硅液和铝液均匀的混合形成共存的液态高硅铝合金或者通过冷却降温形成液固共存晶粒很细的高硅铝合金半固态浆料，可供高压铸造、挤压铸造、低压铸造、重力铸造使用；本发明在给出了高硅铝合金的简单方便的制备工艺又扩大了它的应用范围的同时又提高了它的机械性能。同时本发明的连续制备液态高硅铝合金或者高硅铝合金半固态浆料的设备，可快速实现液态高硅铝或者高硅铝合金半固态浆料的制备，不仅结构简单，还可大大提高制备效率，降低制备成本。
附图说明
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。
图1是本发明设备的结构示意图；
图2是本发明制浆机的结构示意图。
标号说明：
01-制浆机，02-保温炉盖，03-保温炉，04-冷却装置，05-输出管，06-铝液供给装置，07-硅液供给装置，08-压力系统，10-制浆机构，11-定子，111-制浆腔，112-吸料口，113-小孔，12-转子，13-叶片，20-驱动机构，21-马达，22-第一转轮，23-传动带，24-第二转轮，25-转轴，26-轴承，30-铝液，31-第二保温炉，32-铝液传送管，40-硅液，41-第三保温炉，42-硅液传送管。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
连续制备液态高硅铝合金或者高硅铝合金半固态浆料的工艺，以铝液30和硅液40为原料，其中铝液30占总量的22％，连续制备液态高硅铝合金或者高硅铝合金半固态浆料，包括如下步骤，
A：启动制浆机01，并保持制浆机01始终运行；
B：将保温炉的温度预热至指定温度：1430℃；
C：按照比例将铝液供给装置06和硅液供给装置07中的铝液30和硅液40利用压力系统持续加入第一保温炉03内(液态下，同温度时硅的密度大于铝的密度)；
D：设置于保温炉内的制浆机01内的转子12高速旋转形成的负压，将铝液供给装置06以及硅液供给装置07送来的密度小的铝液30和密度大的硅液40同时从制浆机01底部的吸料口112吸进制浆腔111内，制浆腔111内的叶片13高速旋转同时带动铝液30和硅液40高速转动，形成两者的混合液；
E：制浆腔111内的混合液高速转动同时，通过定子11上的若干小孔113射出去又被底部的吸料口112吸进来重新射出达到使两种液体充分的混合，混合5分钟，使硅液40、铝液30以更小的液团相互融合，液团大小与混合时间成反比；
F：随着铝液供给装置06和硅液供给装置07中的铝液30和硅液40持续进入保温炉内，使硅液40、铝液30以更小的液团相互融合的混合液上升到保温炉内的上部分；
G：混合液上升至保温炉上部分，此时可通过输送管直接输出液态高硅铝合金供用户使用或者设置于保温炉上部分的冷却水环工作，并通冷却水环吸收大量结晶潜热；
H：当混合液温度降到当一定的固相率时，形成浆料同时通过输出管05送到用户使用，其中，所述固相率范围为0.05-0.5。
半固态浆料是在金属凝固过程中进行强烈搅拌使其枝晶破碎，得到一种均匀悬浮一些近似球形固相颗粒的固液混合浆料。其流动性良好，可用于高压铸造、挤压铸造。填充时气体不易卷入，它的成形温度低，模具寿命长，变形阻力小，生产效率高；成形时施以高压使已凝固的金属产生朔性变形，未凝固的在高压下继续凝固因而制件缩孔缩松少、组织致密、机械性能高于普通铸件接近锻件、可进行热处理、无冒口补缩、金属利用率高。它适合薄、厚壁件的生产也适合各种结晶温度间隔较宽的任何合金材料的成型。
使用此工艺制备的液态高硅铝合金或者高硅铝合金半固态浆料生产的产品性能等有如下优点：
1、生产效率高；
2、工艺简单，高硅铝合金的混制与半固态制浆在同一第一保温炉03内完成；
3、节能环保；
4、高硅铝合金的硅、铝的分散度及半固态浆料内晶粒大小是可控的；
5、因为是半固态浆料成型时凝固快可有效地克服偏析问题，使铸件的机械性能更好；
6、设备及产品成本低；
7、可连续制浆进一步提高生产效率。
实施例2
连续制备液态高硅铝合金或者高硅铝合金半固态浆料的工艺，以铝液30和硅液40为原料，其中铝液30占总量的70％，连续制备液态高硅铝合金或者高硅铝合金半固态浆料，包括如下步骤，
A：启动制浆机01，并保持制浆机01始终运行；
B：将保温炉的温度预热至指定温度：800℃；
C：按照比例将铝液供给装置06和硅液供给装置07中的铝液30和硅液40利用压力系统08持续加入第一保温炉03内(液态下，同温度时硅的密度大于铝的密度)；
D：设置于保温炉内的制浆机01内的转子12高速旋转形成的负压，将铝液供给装置06以及硅液供给装置07送来的密度小的铝液30和密度大的硅液40同时从制浆机01底部的吸料口112吸进制浆腔111内，制浆腔111内的叶片13高速旋转同时带动铝液30和硅液40高速转动，形成两者的混合液；
E：制浆腔111内的混合液高速转动同时，通过定子11上的若干小孔113射出去又被底部的吸料口112吸进来重新射出达到使两种液体充分的混合，混合2分钟，使硅液40、铝液30以更小的液团相互融合，液团大小与混合时间成反比；
F：随着铝液供给装置06和硅液供给装置07中的铝液30和硅液40持续进入保温炉内，使硅液40、铝液30以更小的液团相互融合的混合液上升到保温炉内的上部分；
G：混合液上升至保温炉上部分，此时可通过输送管直接输出液态高硅铝合金供用户使用或者设置于保温炉上部分的冷却水环工作，并通冷却水环吸收大量结晶潜热；
H：当混合液温度降到当一定的固相率时，形成浆料同时通过输出管05送到用户使用，其中，所述固相率范围为0.05-0.5。
本实施例的优点与实施例1相同。
将本申请中的实施例1与实施例2的连续制备液态高硅铝合金或者高硅铝合金半固态浆料的工艺及其设备而制成的液态高硅铝合金或者高硅铝合金半固态浆料通过高压铸造制成零件与现有技术制成的与上述相同零件的机械性能对比结果如下表：
| 机械性能 | |
| 实施例1 | 良好 |
| 实施例2 | 良好 |
| 现有技术 | 一般 |
由上表可知，采用本申请的工艺步骤的实施例1与实施例2，较现有技术在机械性能上更佳，且有较大的改善。
实施例3
请参阅图1，连续制备液态高硅铝合金或者高硅铝合金半固态浆料的设备，用于连续制备液态高硅铝合金或者高硅铝合金半固态浆料，包括制浆机01、第一保温炉03、保温炉盖02、铝液供给装置06、硅液供给装置07、压力系统08、输出管05以及冷却装置04，第一保温炉03包括上部分以及下部分，上部分与下部分为从上到下逐步减小的阶梯状，冷却装置04设置于上部分的区域，制浆机01穿过保温炉盖02伸入第一保温炉03内下部分，输出管05一端伸入保温炉内的上部分，位于冷却装置04上方，压力系统08分别与铝液供给装置06以及硅液供给装置07连接；制浆机01底部靠近第一保温炉03下部分的底部设置，便于将底部的液体或者混合液更好的吸入制浆机01内混合，输出管05一端靠近第一保温炉03上部分的底部设置，便于将制备完成的混合液或者浆料完全的输出给用户使用，冷却装置04采用冷却水环。
铝液供给装置06包括第二保温炉31以及铝液传送管32，铝液传送管32一端升入第二保温炉31内，且抵靠第二保温炉31底部设置，另一端升入第一保温炉03内的下部分底部，压力系统08为第二保温炉31提供压力，便于将铝液30持续的从第二保温炉31内送入第一保温炉03内，以保证连续制浆。
硅液供给装置07包括第三保温炉41以及硅液传送管42，硅液传送管42一端升入第三保温炉41内，且抵靠第三保温炉41底部设置，另一端升入第一保温炉03内的下部分底部，压力系统08为第三保温炉41提供压力，便于将硅液40持续的从第三保温炉41内送入第一保温炉03内，以保证连续制浆。
压力系统08采用CLP-13型液面加压控制系统，将加压速率设定好使之满足高硅铝合金的铝液30和硅液40的比例，且利用泵设定好输出管05输出混合液或者浆料的流量，保证铝液传送管32以及硅液传送管42送入第一保温炉03内的铝液30和硅液40的流量之和能维持第一保温炉03内的液面恒定。
请参阅图2，制浆机01包括驱动机构20和制浆机构10，制浆机构10包括定子11、转子12以及叶片13，定子11内部中空，且装置设置于定子11内部，转子12与定子11之间的最小间隙为1～2000微米，转子12底部与定子11之间形成制浆腔111，叶片13与转子12连接，位于制浆腔111内，叶片13有2～16片；该制浆机构10伸入到第一保温炉03中进行制浆，驱动机构20带动转子12在定子11内部旋转；定子11底部设有与制浆空腔连通的吸料口112，并在该制浆空腔中的定子11侧壁上开设有小孔113，小孔113的孔径轴线与转子12旋转的轴线向下形成20～80°夹角，其孔径为0.1-20毫米，具体孔径和角度可根据第一保温炉03大小进行设置，以调整混合液从小孔113射出的范围，从而保证第一保温炉03的混合液均得到充分混合，小孔113的数量可根据需要进行设置，优选的小孔113至少设置两个，并且小孔113以转子12旋转轴25线为中轴相互对称，以均匀、充分的射出混合液，小孔113可更多设置以遍布整个制浆部，可以提高混合效率；驱动机构20带动转子12转动，其叶片13旋转形成负压使混合液从吸料口112进入制浆腔111内，并从小孔113射出到定子11外部。
驱动机构20包括马达21、第一转轮22、第二转轮24、传动带23和转轴25，马达21的输出端连接第一转轮22，传动带23分别连接第二转轮24，第二转轮24与转轴25连接，转轴25通过轴承26与转子12顶部固定连接。马达21工作带动第一转轮22转动，从而通过传动带23向转轴25传输动力，使转轴25旋转，进而带动转子12的叶片13相对定子11转动。叶片13可根据需要设置，优选2～16片。由驱动机构20带动转子12叶片13转动从小孔113射出的大量混合液，向下倾斜第一保温炉03底，这些混合液又被散射泵底部孔吸回，重新混合后射出，又进一步强化对悬浮晶粒的混合效果。
本发明利用转子12叶片13转动形成负压将混合液吸入到定子11的制浆腔111中进行充分混合，并从小孔113将混合液射出，使混合液回到第一保温炉03中，再从吸料口112不断吸入，反复循环，不断混合；因而对悬浮晶粒的混合效率更高，并由于温度造成的比重差使制备好的浆料积聚在第一保温炉03上部分的底便于采集输送。
综上所述，本发明是用连续制备液态高硅铝合金或者高硅铝合金半固态浆料的工艺，同时把液态的硅液和铝液均匀的混合形成共存的液态高硅铝合金或者通过冷却降温形成液固共存晶粒很细的高硅铝合金半固态浆料，可供高压铸造、挤压铸造、低压铸造、重力铸造使用；本发明在给出了高硅铝合金的简单方便的制备工艺又扩大了它的应用范围的同时又提高了它的机械性能。同时本发明的连续制备液态高硅铝合金或者高硅铝合金半固态浆料的设备，可快速实现液态高硅铝或者高硅铝合金半固态浆料的制备，不仅结构简单，还可大大提高制备效率，降低制备成本。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.连续制备液态高硅铝合金或者高硅铝合金半固态浆料的工艺，其特征在于，以铝液和硅液为原料，其中铝液占总量的20-70％，连续制备液态高硅铝合金或者高硅铝合金半固态浆料，包括如下步骤，
A：启动制浆机，并保持制浆机始终运行；
B：将保温炉的温度预热至指定温度：800-1430℃；
C：按照比例将铝液供给装置和硅液供给装置中的铝液和硅液利用压力系统持续加入第一保温炉内的下部分；
D：设置于保温炉内的制浆机内的转子高速旋转形成的负压，将铝液供给装置以及硅液供给装置送来的密度小的铝液和密度大的硅液同时从制浆机底部的吸料口吸进制浆腔内，制浆腔内的叶片高速旋转同时带动铝液和硅液高速转动，形成两者的混合液；
E：制浆腔内的混合液高速转动同时，通过定子上的若干小孔射出去又被底部的吸料口吸进来重新射出达到使两种液体充分的混合，混合2-5分钟，使硅液、铝液以更小的液团相互融合；
F：随着铝液供给装置和硅液供给装置中的铝液和硅液持续进入保温炉内，使硅液、铝液以更小的液团相互融合的混合液上升到保温炉内的上部分；
G：混合液上升至保温炉上部分，设置于保温炉上部分的冷却水环工作，并通冷却水环吸收大量结晶潜热；
H：当混合液温度降到当一定的固相率时，形成浆料同时通过输出管送到用户使用，其中，所述固相率范围为0.05-0.5。
2.根据权利要求1所述的连续制备液态高硅铝合金或者高硅铝合金半固态浆料的工艺，其特征在于，所述液团大小与混合时间成反比。
3.连续制备液态高硅铝合金或者高硅铝合金半固态浆料的设备，用于连续制备液态高硅铝合金或者高硅铝合金半固态浆料，其特征在于，包括制浆机、第一保温炉、保温炉盖、铝液供给装置、硅液供给装置、压力系统、输出管以及冷却装置，所述第一保温炉包括上部分以及下部分，所述冷却装置设置于上部分的区域，所述制浆机穿过保温炉盖伸入第一保温炉内下部分，所述输出管一端伸入保温炉内的上部分，位于冷却装置上方，所述压力系统分别与铝液供给装置以及硅液供给装置连接；
所述制浆机包括驱动机构和制浆机构，所述制浆机构包括定子、转子以及叶片，所述定子内部中空，且所述转子设置于定子内部，所述转子底部与定子之间形成制浆腔，所述叶片与转子连接，位于制浆腔内，该制浆机构伸入到第一保温炉中的下部分进行制浆，所述驱动机构带动转子在定子内部旋转；所述定子底部设有与制浆空腔连通的吸料口，并在该制浆空腔中的定子侧壁上开设有小孔；所述驱动机构带动转子转动，其叶片旋转形成负压使混合液从吸料口进入制浆腔内，并从小孔射出到定子外部。
4.根据权利要求3所述的连续制备液态高硅铝合金或者高硅铝合金半固态浆料的设备，其特征在于，所述铝液供给装置包括第二保温炉以及铝液传送管，所述铝液传送管一端升入第二保温炉内，且抵靠第二保温炉底部设置，另一端升入第一保温炉内的下部分底部，所述压力系统为第二保温炉提供压力。
5.根据权利要求3所述的连续制备液态高硅铝合金或者高硅铝合金半固态浆料的设备，其特征在于，所述硅液供给装置包括第三保温炉以及硅液传送管，所述硅液传送管一端升入第三保温炉内，且抵靠第三保温炉底部设置，另一端升入第一保温炉内的下部分底部，所述压力系统为第三保温炉提供压力。
6.根据权利要求3所述的连续制备液态高硅铝合金或者高硅铝合金半固态浆料的设备，其特征在于，所述转子与定子之间的最小间隙为1～2000微米。
7.根据权利要求3所述的连续制备液态高硅铝合金或者高硅铝合金半固态浆料的设备，其特征在于，所述小孔的孔径轴线与转子旋转的轴线向下形成20～80°夹角，其孔径为0.1-20毫米，且所述小孔至少设置两个。
8.根据权利要求3所述的连续制备液态高硅铝合金或者高硅铝合金半固态浆料的设备，其特征在于，所述叶片有2～16片。
9.根据权利要求3所述的连续制备液态高硅铝合金或者高硅铝合金半固态浆料的设备，其特征在于，所述制浆机底部靠近第一保温炉下部分的底部设置，所述输出管一端靠近第一保温炉上部分的底部设置，所述冷却装置采用冷却水环。
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