CN110343917A - 间断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
本发明提供用硅粉间断制备液态高硅铝合金或者高硅铝合金半固态浆料的工艺，以铝液和硅粉为原料，其中硅粉占总量的22‑70％，间断制备液态高硅铝合金或者高硅铝合金半固态浆料，将铝液和硅粉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。其用硅粉间断制备液态高硅铝合金或者高硅铝合金半固态浆料的设备，用于间断制备液态高硅铝合金或者高硅铝合金半固态浆料，包括进料组件、制浆机、保温炉、保温炉盖、输出管以及冷却装置，所述制浆机穿过保温炉盖伸入保温炉内，所述输出管一端伸入温炉内，所述冷却装置设置于保温炉底部，进料组件包括硅粉进料装置以及铝水进料装置，硅粉进料装置与铝水进料装置分别将硅粉与铝液加入保温炉内。
Description
技术领域
本发明涉及轻合金制备工艺的技术领域，特别是间断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，并且地球上硅、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间断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用硅粉间断制备液态高硅铝合金或者高硅铝合金半固态浆料的工艺，以铝液和硅粉为原料，其中硅粉占总量的22-70％，间断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：启动保温炉；
B：将保温炉的温度预热至指定温度：800-1230℃；
C、按照比例将铝液通过进料口加入保温炉内，并将硅粉加入料斗后用密封盖盖好；
D、启动氩气发生装置，氩气通过输料管的入口进入，利用氩气将料斗中的硅粉通过制浆机的通道逐渐进入铝液中；
E、启动制浆机，利用制浆机03进行制浆，当硅粉进料达到一定比例时就形成高硅铝合金液，氩气微泡上浮时又将合金液中的气体及夹渣除掉。
进一步的，还包括如下步骤，
F：混合到了预定时间，设置于保温炉下方的冷却水环工作，并通冷却水环吸收大量结晶潜热，同时制浆机内的转子依旧高速旋转形成的强剪切力既细化了液团也细化了由于降温而形成的晶粒使铝在硅中的分布更加均匀；
G：当温度降到当需要的固相率时，停止冷却水环工作，同时通过压力把制好的浆料通过输出管送到用户端使用，其中，所述固相率范围为0.05-0.5。
进一步的，所述压力通过压力泵或者气压系统产生并把它输送到用户。
进一步的，还包括步骤H：当保温炉中的浆料输出完成后，重复步骤B-G。
本发明的目的之二在于提供用硅粉间断制备液态高硅铝合金或者高硅铝合金半固态浆料的设备，用于间断制备液态高硅铝合金或者高硅铝合金半固态浆料，包括进料组件、制浆机、保温炉、保温炉盖、输出管以及冷却装置，所述制浆机穿过保温炉盖伸入保温炉内，所述输出管一端伸入温炉内，所述冷却装置设置于保温炉底部；
所述进料组件包括硅粉进料装置以及铝水进料装置，所述硅粉进料装置与铝水进料装置分别将硅粉与铝液加入保温炉内，所述制浆机内部设置与硅粉进料装置连通的通道。
进一步的，所述硅粉进料装置包括氩气发生装置、输料管、料斗，所述输料管一端与氩气发生装置连接，另一端与通道连通，所述料斗设置于输料管上，料斗底部与输料管连通。
进一步的，所述硅粉进料装置还包括与料斗配合的密封盖以及设置于料斗上的振动器，所述输料管倾斜或垂直设置。
进一步的，所述铝水进料装置包括设置于保温炉盖上的进料口以及设置于进料口上的铝水进料盖。
进一步的，所述制浆机底部以及输出管一端靠近保温炉底部设置，所述冷却装置采用冷却水环。
进一步的，所述输料管上设置电磁阀用于控制氩气的供给状态。
进一步的，所述料斗与电磁阀之间的输料管上设置通气管，通气管一端与输料管连接，另一端与料斗的上端连接。
本发明是用硅粉间断制备液态高硅铝合金或者高硅铝合金半固态浆料的工艺，同时把粉末状的硅粉和液态的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。同时本发明的用硅粉间断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。
标号说明：
01-保温炉，02-保温炉盖，03-制浆机，04-进料组件，05-输出管，06-冷却装置，07-控制系统，08-用户端，09-排气电磁阀，30-硅粉进料装置，31-氩气发生装置，32-输料管，33-料斗，34-密封盖，35-振动器，36-电磁阀，37-通气管，40-铝水进料装置，41-进料口，42-铝水进料盖。
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
间断制备液态高硅铝合金或者高硅铝合金半固态浆料的工艺，以铝液和硅粉为原料，其中铝液占总量的30％，间断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：启动保温炉01；
B：将保温炉01的温度预热至指定温度：1230℃；
C、按照比例将铝液通过进料口41加入保温炉01内，并将硅粉加入料斗33后用密封盖 34盖好；
D、启动氩气发生装置31，氩气通过输料管32的入口进入，利用氩气将料斗33中的硅粉通过制浆机03的通道逐渐进入铝液中；
E、启动制浆机03，利用制浆机03进行制浆，当硅粉进料达到一定比例时就形成高硅铝合金液，氩气微泡上浮时又将合金液中的气体及夹渣除掉；
F：混合到了预定时间，此时可通过输送管直接输出液态高硅铝合金供用户端08使用或者设置于保温炉01下方的冷却水环工作，并通冷却水环吸收大量结晶潜热，同时制浆机03 内的转子依旧高速旋转，既细化了液团也细化了由于降温而形成的晶粒使铝在硅中的分布更加均匀；
G：当温度降到当需要的固相率时，停止冷却水环工作，同时通过压力把制好的浆料通过输出管05送到用户端08使用，其中压力通过压力泵或者气压系统产生，其中，固相率范围为0.05-0.5。
H：当保温炉01中的浆料输出完成后，重复上述液态高硅铝合金或者高硅铝合金半固态浆料的步骤。
具体的，步骤D与步骤E可同时启动氩气发生装置31与制浆机03，或者先启动氩气发生装置31后短时间内启动制浆机03，硅粉与氩气均可通过通道进入铝液。
半固态浆料是在金属凝固过程中制浆机03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保温炉01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。
实施例2
间断制备液态高硅铝合金或者高硅铝合金半固态浆料的工艺，以铝液和硅粉为原料，其中铝液占总量的70％，间断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：启动保温炉01；
B：将保温炉01的温度预热至指定温度：840℃；
C、按照比例将铝液通过进料口41加入保温炉01内，并将硅粉加入料斗33后用密封盖 34盖好；
D、启动氩气发生装置31，氩气通过输料管32的入口进入，利用氩气将料斗33中的硅粉通过制浆机03的通道逐渐进入铝液中；
E、启动制浆机03，利用制浆机03进行制浆，当硅粉进料达到一定比例时就形成高硅铝合金液，氩气微泡上浮时又将合金液中的气体及夹渣除掉；
F：混合到了预定时间，此时可通过输送管直接输出液态高硅铝合金供用户端08使用或者设置于保温炉01下方的冷却水环工作，并通冷却水环吸收大量结晶潜热，同时制浆机03 内的转子依旧高速旋转，既细化了液团也细化了由于降温而形成的晶粒使铝在硅中的分布更加均匀；
G：当温度降到当需要的固相率时，停止冷却水环工作，同时通过压力把制好的浆料通过输出管05送到用户端08使用，其中压力通过压力泵或者气压系统产生，其中，固相率范围为0.05-0.5。
H：当保温炉01中的浆料输出完成后，重复上述液态高硅铝合金或者高硅铝合金半固态浆料的步骤。
具体的，步骤D与步骤E可同时启动氩气发生装置31与制浆机03，或者先启动氩气发生装置31后短时间内启动制浆机03，硅粉与氩气均可通过通道进入铝液。
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的间断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。
请参阅图1，间断制备液态高硅铝合金或者高硅铝合金半固态浆料的设备，用于间断制备液态高硅铝合金或者高硅铝合金半固态浆料，包括进料组件04、制浆机03、保温炉01、保温炉盖02、输出管05以及冷却装置06，制浆机03穿过保温炉盖02伸入保温炉01内，且制浆机03底部靠近保温炉01底部设置，输出管05一端伸入保温炉01内，且靠近保温炉01 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端08使用，其另一端与用户端08连接，保温炉01冷却装置06设置于保温炉01底部，冷却装置06采用冷却水环，保温炉盖02上还设置有排气电磁阀09，当制备完成后，用于将保温炉01内的气体排出。
进料组件04包括硅粉进料装置30以及铝水进料装置40，硅粉进料装置30与铝水进料装置40分别将硅粉与铝液加入保温炉01内。
其中，铝水进料装置40包括设置于保温炉盖02上的进料口41以及设置于进料口上的铝水进料盖42，铝液通过进料口41进入保温炉01内，铝水进料盖42对进料口41起到防护、保温与密封作用；硅粉进料装置30包括氩气发生装置31、输料管32、料斗33，输料管32 一端与氩气发生装置31连接，另一端与通道连通，料斗33设置于输料管32上，料斗33底部与输料管32连通。且硅粉进料装置30还包括与料斗33配合的密封盖34以及设置于料斗 33上的振动器35，输料管32倾斜或者垂直设置，便于硅粉进入保温炉01内。优选的，在输料管32上设置电磁阀36用于控制氩气的供给状态，且在料斗33与电磁阀36之间的输料管 32上设置通气管37，通气管37一端与输料管32连接，另一端与料斗33的上端连接，便于对料斗33内通入氩气，提高硅粉的进料速度。
所述制浆机03采用外购装置，并在其内部设置与硅粉进料装置30连通的通道，制浆机 03内部的通道与输料管32连通，并且通道为密封性通道，即硅粉进料装置30、通道以及保温炉01几者之间可形成一密闭空间。或者可将制浆机03单独设置与保温炉盖02上，硅粉进料装置30的输料管32穿过保温炉盖02并延伸抵近保温炉01底部。
还包括控制系统07，用于控制设备的运行，且保温炉01控制系统07设置于保温炉01 上。
本发明的设备分别利用利用硅粉进料装置30以及铝水进料装置40进料，并通过制浆机03进行制浆
综上所述，本发明是用硅粉间断制备液态高硅铝合金或者高硅铝合金半固态浆料的工艺，同时把粉末状的硅粉和液态的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。同时本发明的用硅粉间断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 (10)
1.间断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，以铝液和硅粉为原料，其中硅粉占总量的22-70％，间断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：启动保温炉；
B：将保温炉的温度预热至指定温度：800-1230℃；
C、按照比例将铝液通过进料口加入保温炉内，并将硅粉加入料斗后用密封盖盖好；
D、启动氩气发生装置，氩气通过输料管的入口进入，利用氩气将料斗中的硅粉通过制浆机的通道逐渐进入铝液中；
E、启动制浆机，利用制浆机03进行制浆，当硅粉进料达到一定比例时就形成高硅铝合金液，氩气微泡上浮时又将合金液中的气体及夹渣除掉。
2.根据权利要求1所述的间断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，还包括如下步骤，
F：混合到了预定时间，设置于保温炉下方的冷却水环工作，并通冷却水环吸收大量结晶潜热，同时制浆机内的转子依旧高速旋转形成的强剪切力既细化了液团也细化了由于降温而形成的晶粒使铝在硅中的分布更加均匀；
G：当温度降到当需要的固相率时，停止冷却水环工作，同时通过压力把制好的浆料通过输出管送到用户端使用，其中，所述固相率范围为0.05-0.5。
3.根据权利要求2所述的间断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，所述压力通过压力泵或者气压系统产生，并将它输送到用户。
4.根据权利要求2所述的间断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，还包括步骤H：当保温炉中的浆料输出完成后，重复步骤B-G。
5.间断制备液态高硅铝合金或者高硅铝合金半固态浆料的设备，用于间断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，包括进料组件、制浆机、保温炉、保温炉盖、输出管以及冷却装置，所述制浆机穿过保温炉盖伸入保温炉内，所述输出管一端伸入温炉内，所述冷却装置设置于保温炉底部；
所述进料组件包括硅粉进料装置以及铝水进料装置，所述硅粉进料装置与铝水进料装置分别将硅粉与铝液加入保温炉内，所述制浆机内部设置与硅粉进料装置连通的通道。
6.根据权利要求5所述的间断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，所述硅粉进料装置包括氩气发生装置、输料管、料斗，所述输料管一端与氩气发生装置连接，另一端与通道连通，所述料斗设置于输料管上，料斗底部与输料管连通。
7.根据权利要求6所述的间断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，所述硅粉进料装置还包括与料斗配合的密封盖以及设置于料斗上的振动器，所述输料管倾斜或垂直设置。
8.根据权利要求6所述的间断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，所述输料管上设置电磁阀用于控制氩气的供给状态；所述料斗与电磁阀之间的输料管上设置通气管，通气管一端与输料管连接，另一端与料斗的上端连接。
9.根据权利要求5所述的间断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，所述铝水进料装置包括设置于保温炉盖上的进料口以及设置于进料口上的铝水进料盖。
10.根据权利要求6所述的间断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，所述制浆机底部以及输出管一端靠近保温炉底部设置，所述冷却装置采用冷却水环。
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