CN109967716B - 一种半固态金属浆料的复合制备工艺及设备 - Google Patents

一种半固态金属浆料的复合制备工艺及设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种半固态金属浆料的复合制备工艺及设备，将弱电磁搅拌装置与机械搅拌装置复合在一起制备半固态金属浆料，本发明与现有半固态金属浆料制备技术相比有以下优势：1.与旋转磁场电磁搅拌法相比可以实现电磁场的全覆盖，避免趋肤效应的产生，所需能耗低；2.与弱电磁搅拌法相比合金浆料受到的搅拌力增强，获得半固态金属浆料所需的时间缩短，效率提高；3.与机械搅拌法相比，没有机械搅拌器，避免了搅拌器被腐蚀、合金浆料被污染的缺点，同时浆料温度可控；4.结构简单，设备成本低，工艺控制灵活，操作方便；5.可用于重量超过5Kg的大型结构件的生产中，弥补大型结构件生产中半固态浆料制备效率低的问题。

Description

一种半固态金属浆料的复合制备工艺及设备
技术领域
本发明属于半固态金属加工技术领域，涉及一种半固态金属浆料的复合制备工艺及设备。
背景技术
半固态金属成形技术是一种综合了液态铸造流动性强和固态锻造力学性能高的金属零件先进成形方法，被誉为21世纪最具发展潜力的绿色制造工艺。该技术已逐步实现产业化，关键在于优质、低成本金属半固态球状晶粒材料的制备。
在所有发明的半固态金属材料的制备方法中，电磁搅拌法是最早应用于工业生产的方法，目前它在半固态金属成形工业应用中仍然占据主导地位。电磁搅拌法参数控制灵活，传统电磁搅拌装置利用旋转电磁场产生的电磁力破碎树枝晶、细化晶粒，进而获得具有球状晶粒组织的固-液两相混合浆料。然而，该电磁搅拌装置的磁场为旋转磁场，其磁感应强度沿坩埚直径方向衰减非常严重，在坩埚中心区域的磁感应强度几乎为0，导致坩埚中心存在搅拌盲区而使坯料中心的组织不能完全球化，同时，其电磁搅拌频率为30Hz-50Hz，电磁搅拌力大，使半固态浆料在搅拌过程中易出现液穴，将气体卷入金属浆料中，且该类电磁搅拌装置的能耗高。而弱电磁搅拌法则是利用改进的中频炉作为电磁搅拌装置，其磁场为垂直磁场，磁感应强度在坩埚直径方向衰减非常小，可以快速使金属熔化，电磁场可以覆盖整个坩埚且电磁强度均匀，可以获得均一性较好的半固态浆料，但其电磁搅拌频率范围为300Hz至10000Hz，产生的电磁搅拌力弱，制备半固态金属浆料所需搅拌时间较长。机械搅拌法是最早用于制备半固态金属浆料的方法。该方法利用旋转叶片或搅拌棒对合金液进行搅拌，以改变凝固过程中晶粒的生长方式。机械搅拌法操作方便，但它存在严重缺陷，如搅拌器腐蚀、浆料成分不纯净、气体卷入等。
因此，为了克服上述半固态金属浆料制备方法的缺点，亟需发明一种搅拌效果良好且效率高的半固态金属浆料制备方法及装置。
发明内容
为了克服现有电磁搅拌技术和机械搅拌技术的缺点，本发明的目的在于提供一种新的半固态金属浆料制备方法及设备，该设备结构简单，能耗低，故障率低，浆料的制备效率较高。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种半固态金属浆料的复合制备设备，包括浆料制备容器、弱电磁搅拌装置、机械搅拌装置，机械搅拌装置位于弱电磁搅拌装置的下方；弱电磁搅拌装置包括保温层、电磁感应线圈、控制装置，保温层的形状与浆料制备容器相适应，保温层上下相通，电磁感应线圈设置在保温层的外侧，控制装置包括电气控制装置和冷却装置，电气控制装置和冷却装置分别与电磁感应线圈连接；机械搅拌装置包括电机和浆料制备容器底座，电机位于浆料制备容器底座的下方，电机与浆料制备容器底座相连，浆料制备容器通过保温层的内部与浆料制备容器底座相连。
本发明的特点还在于，
进一步地，电磁感应线圈由中空管绕制而成。
进一步地，冷却装置为水冷装置或风冷装置。
进一步地，电机通过联轴器与浆料制备容器底座相连。
进一步地，浆料制备容器放入到浆料制备容器底座中，浆料制备容器的顶端高于保温层的顶端。
进一步地，还包括测温元件，测温元件为铂铑热电偶。
进一步地，浆料制备容器与浆料制备容器底座为可拆卸连接。
进一步地，浆料制备容器的下方设有不少于两个的对称容器凸起，浆料制备容器底座上设有与容器凸起相匹配的凹槽。
使用上述设备制备半固态金属浆料的复合工艺，过程包括以下步骤：
(1)将合金材料加热并转移到浆料制备容器中；
(2)将浆料制备容器穿过保温层的内部置于浆料制备容器底座上；
(3)启动电机，带动浆料制备容器做旋转运动；
(4)开启电气控制装置，控制电磁感应线圈的频率进而控制合金浆料的温度，同时打开冷却装置。
进一步地，该工艺具体是按照以下步骤进行的：
(1)将合金材料加热到液相线温度以上5-15℃后，转移到浆料制备容器中；
(2)将浆料制备容器穿过保温层的内部置于浆料制备容器底座上；
(3)启动电机，带动浆料制备容器做匀速、缓慢的旋转运动，进而使合金浆料在离心力的作用下也做旋转运动；
(4)通过测温元件测量合金浆料的温度，当合金浆料的温度降至半固态温度区间时，开启电气控制装置，控制电磁感应线圈的频率进而控制浆料的温度，同时打开冷却装置，设定合金浆料的温度，使其液相分数维持在0.7-0.9之间，将电磁感应线圈的频率设定在300Hz-500Hz之间；
(5)同时保持步骤3和步骤4，保持40s-180s，然后将浆料制备容器取出，将其内的半固态金属浆料浇注至压铸机型腔内进行零件成形。
本发明将弱电磁搅拌装置与机械搅拌装置复合在一起制备半固态金属浆料，利用中频垂直感应磁场在半固态温度区间对金属浆料搅拌的同时，电机通过联轴器带动浆料制备容器底座和浆料制备容器做缓慢匀速的旋转运动，使金属浆料中的树枝晶得到充分破碎，改变其晶粒的凝固方式，获得组织形态均一性好的半固态金属浆料。该工艺将中频磁场的高热效率及弱电磁力和机械搅拌法操作简单的优点相结合，通过中频电磁搅拌装置控制频率进而控制浆料的温度，并对浆料作用微弱的洛伦兹力，且本发明的机械搅拌法没有搅拌器，利用旋转运动产生的离心力破坏树枝晶的生长，有效避免了机械搅拌器腐蚀、浆料成分不纯净等问题。
本发明与现有半固态金属浆料制备技术相比有以下优势：
1.与旋转磁场电磁搅拌法相比可以实现电磁场的全覆盖，避免趋肤效应的产生，电磁搅拌装置所需能耗低；
2.与弱电磁搅拌法相比合金浆料受到的搅拌力增强，获得半固态金属浆料所需的时间缩短，效率提高；
3.与机械搅拌法相比，没有机械搅拌器，避免了搅拌器被腐蚀、合金浆料被污染的缺点，同时浆料温度可控；
4.结构简单，设备成本低，工艺控制灵活，操作方便；
5.可用于重量超过5Kg的大型结构件的生产中，弥补大型结构件生产中半固态浆料制备效率低的问题。
附图说明
图1是本发明半固态金属浆料的复合制备设备的结构示意图；
图2是本发明浆料制备容器的一种结构的主视图；
图3是本发明浆料制备容器的一种结构的立体图；
图4是本发明浆料制备容器底座的一种结构的主视图；
图5是本发明浆料制备容器底座的一种结构的立体图。
附图标记说明：
1.浆料制备容器，101.容器凸起，2.弱电磁搅拌装置，201.保温层，202.电磁感应线圈，203.电气控制装置，204.冷却装置，2041.冷却水塔，2042.循环水泵，205.测温元件，206.电磁感应线圈固定杆，207.压板，208.螺栓，209.接线端子，210.导线，211.冷却水管，3.机械搅拌装置，301.电机，302.浆料制备容器底座，3021.凹槽，303.联轴器，304.电机支撑板，4.支架。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的一个具体实施方式进行详细说明，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
一种半固态金属浆料的复合制备设备，如图1所示，包括浆料制备容器1、弱电磁搅拌装置2、机械搅拌装置3、支架4，机械搅拌装置3位于弱电磁搅拌装置2的下方，浆料制备容器1为坩埚，如图2和3所示；
弱电磁搅拌装置包括保温层201、电磁感应线圈202、电气控制装置203、冷却装置204、测温元件205、电磁感应线圈固定杆206、压板207、螺栓208，测温元件205为铂铑热电偶，电磁感应线圈202由中空管绕制而成，其截面为正方形，保温层201的形状与浆料制备容器1相适应，保温层201上下相通，压板207设置在保温层201顶端四周，电磁感应线圈202设置在保温层201的外侧，电磁感应线圈202被4根均匀分布在圆周方向的电磁感应线圈固定杆206通过螺钉固定在保温层201外表面，电磁感应线圈固定杆206下端焊接在支架4的顶端，上端与压板207接触，压板207通过螺栓208与支架4的顶端相连并对电磁感应线圈固定杆206施加力使其固定，电气控制装置203用于为电磁感应线圈202提供中频电源，冷却装置204包括用于对电磁感应线圈202进行冷却的冷却水塔2041和循环水泵2042，电磁感应线圈202的自由端设有接线端子209，电气控制装置203和接线端子209通过导线210连接，冷却水塔2041与电磁感应线圈202通过冷却水管211连接，弱电磁搅拌装置2工作时需接通冷却水，进行冷却水循环，弱电磁搅拌装置2通过电气控制装置203对磁感应频率及电流进行控制；
机械搅拌装置包括电机301、浆料制备容器底座302(如图4和5所示)、联轴器303和电机支撑板304，浆料制备容器底座302位于电机301的上方，电机支撑板304焊接在支架4上，电机301通过4个螺钉固定在电机支撑板304上，电机301的轴通过联轴器303与浆料制备容器底座302的轴相连，浆料制备容器1通过保温层201的内部与浆料制备容器底座302相连，浆料制备容器1的下方设有两个对称的容器凸起101，浆料制备容器底座302上设有与容器凸起101相匹配的凹槽3021，凹槽3021的宽度大于容器凸起101的宽度，两者为间隙配合，浆料制备容器底座302与浆料制备容器1通过“凸起-凹槽”连接，浆料制备容器1放入到浆料制备容器底座302中，浆料制备容器1的顶端高于压板207(4-5cm)，以便浆料制备容器1的放入和取出。
使用上述设备制备半固态金属浆料的复合工艺，过程包括以下步骤：
(1)首先使用电磁感应加热炉将合金材料加热到液相线温度以上5℃-15℃后，将合金液转移到浆料制备容器1中，浆料制备容器1的容量为5Kg-10Kg；
(2)将浆料制备容器1置于浆料制备容器底座302内，；
(3)启动电机301，带动浆料制备容器1做匀速、缓慢的旋转运动，进而使合金浆料在离心力的作用下也做旋转运动；
(4)通过测温元件205测量合金浆料的温度，当合金浆料的温度降至半固态温度区间时，打开电气控制装置203上的磁场启动按钮，控制电磁感应线圈202的频率进而控制合金浆料的温度，同时打开循环水泵2042，使冷却水塔2041内的冷却水进入到电磁感应线圈202内，根据合金浆料的液相分数与温度的关系，设定合金浆料的温度，使其液相分数维持在0.7-0.9之间，根据电磁力与电磁搅拌频率的关系，频率越低，电磁力越大，因此为了达到较强的搅拌效果，将中频电磁的搅拌装置的频率设定在300Hz-500Hz之间，此时弱电磁搅拌力和机械离心力同时对浆料进行作用；
(5)保持步骤3和步骤4，保持时间为40s-180s，将浆料制备容器1取出，将其内的半固态金属浆料浇注至压铸机型腔内进行零件成形。
以上所述仅为本发明的具体实施方式，不是全部的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种半固态金属浆料的复合制备设备，其特征在于，包括浆料制备容器(1)、弱电磁搅拌装置(2)和机械搅拌装置(3)，所述机械搅拌装置(3)位于所述弱电磁搅拌装置(2)的下方；
所述弱电磁搅拌装置(2)包括保温层(201)、电磁感应线圈(202)、控制装置，所述保温层(201)的形状与所述浆料制备容器(1)相适应，所述保温层(201)上下相通，所述电磁感应线圈(202)设置在所述保温层(201)的外侧，所述控制装置包括电气控制装置(203)和冷却装置(204)，所述电气控制装置(203)和所述冷却装置(204)分别与所述电磁感应线圈(202)连接；
所述机械搅拌装置(3)包括电机(301)和浆料制备容器底座(302)，所述电机(301)位于所述浆料制备容器底座(302)的下方，所述电机(301)与所述浆料制备容器底座(302)相连，所述浆料制备容器(1)通过所述保温层(201)的内部与所述浆料制备容器底座(302)相连。
2.根据权利要求1所述的一种半固态金属浆料的复合制备设备，其特征在于，所述电磁感应线圈(202)由中空管绕制而成。
3.根据权利要求1所述的一种半固态金属浆料的复合制备设备，其特征在于，所述冷却装置(204)为水冷装置或风冷装置。
4.根据权利要求1所述的一种半固态金属浆料的复合制备设备，其特征在于，所述电机(301)通过联轴器(303)与所述浆料制备容器底座(302)相连。
5.根据权利要求1所述的一种半固态金属浆料的复合制备设备，其特征在于，所述浆料制备容器(1)放入到所述浆料制备容器底座(302)中，所述浆料制备容器(1)的顶端高于所述保温层(201)的顶端。
6.根据权利要求1所述的一种半固态金属浆料的复合制备设备，其特征在于，还包括测温元件(205)，所述测温元件(205)为铂铑热电偶。
7.根据权利要求1所述的一种半固态金属浆料的复合制备设备，其特征在于，所述浆料制备容器(1)与所述浆料制备容器底座(302)为可拆卸连接。
8.根据权利要求7所述的一种半固态金属浆料的复合制备设备，其特征在于，所述浆料制备容器(1)的下方设有不少于两个的对称容器凸起(101)，所述浆料制备容器底座(302)上设有与所述容器凸起(101)相匹配的凹槽(3021)。
9.使用权利要求1所述的设备制备半固态金属浆料的复合工艺，其特征在于，过程包括以下步骤：
(1)将合金材料加热并转移到浆料制备容器(1)中；
(2)将浆料制备容器(1)穿过保温层(201)的内部置于浆料制备容器底座(302)上；
(3)启动电机(301)，带动浆料制备容器(1)做旋转运动；
(4)开启电气控制装置(203)，控制电磁感应线圈(202)的频率进而控制合金浆料的温度，同时打开冷却装置(204)。
10.根据权利要求9所述的工艺，其特征在于，该工艺具体是按照以下步骤进行的：
(1)将合金材料加热到液相线温度以上5-15℃后，转移到浆料制备容器(1)中；
(2)将浆料制备容器(1)穿过保温层(201)的内部置于浆料制备容器底座(302)上；
(3)启动电机(301)，带动浆料制备容器(1)做匀速、缓慢的旋转运动，进而使合金浆料在离心力的作用下也做旋转运动；
(4)通过测温元件(4)测量合金浆料的温度，当合金浆料的温度降至半固态温度区间时，开启电气控制装置(203)，控制电磁感应线圈(202)的频率进而控制合金浆料的温度，同时打开冷却装置(204)，设定合金浆料的温度，使其液相分数维持在0.7-0.9之间，将电磁感应线圈(202)的频率设定在300Hz-500Hz之间；
(5)同时保持步骤3和步骤4，保持40s-180s，然后将浆料制备容器(1)取出，将其内的半固态金属浆料浇注至压铸机型腔内进行零件成形。
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