CN111001779B - 一种无需半固态浆料转移直接制浆与成形的系统和工艺 - Google Patents

Abstract

本发明一种无需半固态浆料转移直接制浆与成形的系统和工艺，该装置由舀料勺，冷却结晶搅拌器，熔体扰动装置，热电偶，压铸机，压室和模腔组成；具体步骤为舀料勺舀取合金熔体后倒入压铸机压室，开启压室外侧的熔体扰动装置使靠近压室内壁的熔体产生扰动，与此同时，冷却结晶搅拌器插入压室内的熔体对其搅拌冷却，使熔体大量形核的同时创造均匀温度场和成分场，从而在压室内直接制备出半固态浆料，将浆料打入模腔获得高品质铸件。本发明采用结晶搅拌和熔体扰动复合工艺在压室内直接制备半固态浆料，浆料制备与成形均在成形系统内完成，解决了浆料在舀料勺内制备后黏度大难以倒入压室及输送过程中晶粒枝晶化问题，该工艺可控性强，应用前景广阔。

Description

一种无需半固态浆料转移直接制浆与成形的系统和工艺

技术领域

本发明属于半固态成形技术领域，特别是涉及一种无需半固态浆料转移直接制浆与成形的系统和工艺。

背景技术

半固态加工技术是20世纪70年代美国麻省理工学院M.C.Flemings等人发明的一种先进、节能、环保的金属成形工艺。半固态浆料的制备是半固态加工技术的基础与关键，半固态浆料的制备方法多样，如气泡搅拌法、分流汇合浇道法、低过热度浇注和弱机械搅拌法、双螺旋搅拌法、电磁搅拌法、超声波搅拌法、冷却斜槽法等。但上述方法一般都存在着工艺不稳定、浆料制备后由于黏度大难倒出、难以稳定制备出高品质半固态浆料的问题。为了实现半固态浆料的稳定制备和实现连续可靠的流变成形工业化生产，国内外研究人员、学者及有关工业界人士仍在不断努力探索，试图开发出新的半固态浆料制备工艺，以进一步推动半固态浆料的高效稳定制备。

中国专利03141281.5提出了“用于流变铸造的模铸法和设备”工艺，其工艺流程为给处于套筒中的浆料制造区施加电磁场，将熔融金属制造出半固态金属浆料，并将柱塞向铸模移动而将金属浆料推入模腔，该工艺未利用熔体扰动和熔体冷却结晶搅拌复合工艺使压室内的合金熔体快速降温并大量形核而变为半固态浆料，制浆效率慢，熔体内部形核少，且由于温度均匀性差导致初生固相枝晶化生长。

欧洲专利EP 0745691A1提出了New Rheocasting(NRC)工艺，其工艺流程为：将低过热度的合金熔体倒入倾斜板内，使其在倾斜板流动冷却过程中形成含有大量初生固相的半固态浆料，浆料流入收集坩埚后，通过控制冷却强度使浆料中的初生固相以球形方式成长，再对半固态浆料进行温度调整，以获得尽可能均匀的温度场，最终获得半固态浆料。在NRC工艺中，未采用熔体扰动和熔体冷却结晶搅拌复合工艺使压室内的合金熔体快速变为半固态浆料，而且制浆区与成形区相分离、难以将浆料制备与成形一体化衔接。

文献“薄壁铝合金滤波器散热壳体RSF半固态压铸工艺模拟”(张宇，王连登，许朋朋，特种铸造及有色合金，2016)提出一种RSF浆料快速制备方法，即通过控制熔体的焓熵来快速制取半固态浆料,以获得球状晶组织结构，但该方法对半固态浆料的制备存在着边部浆料受到的搅拌和扰动小，倒料时容易粘在舀料勺内壁的问题，未能实现在成形系统内直接制备半固态浆料与流变成形一体化。

值得注意的是，以上半固态浆料制备方法各有各的特点，但也都存在自身不足，因此仍需开发新的适合于半固态浆料高效稳定制备的新工艺，以提高浆料制备效率，降低浆料制备成本，从而推动半固态成形技术的产业化升级。

发明内容

本发明的目的在于解决现有半固态浆料制备工艺不稳定、效率低、浆料黏度大易粘料和工业化推广难等问题，提供了一种无需半固态浆料转移直接制浆与成形的系统和工艺，即将合金熔体倒入成型设备压室后，利用压室外侧的熔体扰动装置抑制压室壁面附近的晶粒枝晶生长及通过压室倒料口插入熔体内部的冷却结晶搅拌器使熔体内部快速冷却并大量形核，由于冷却结晶搅拌和扰动产生的对流使熔体内部的温度场和成分场较为均匀，破坏了枝晶生长环境，从而快速制备出内部含有大量细小且分布均匀的近球状或球状初生固相的半固态浆料。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种无需半固态浆料转移直接制浆与成形的系统，所述成形系统包括：

舀料勺，用于将熔炼炉内的合金熔体转移到成型设备的压室内；

熔体冷却结晶搅拌器，用于对所述成型设备的压室内合金熔体进行直接冷却搅拌；

熔体扰动装置，用于对所述成型设备的靠近压室边缘的合金熔体进行扰动搅拌；

热电偶，用于对压室内合金熔体温度变化进行监测；

成型设备，用于对经过复合搅拌处理后的合金熔体进行流变成形，获得高品质流变成形件。

进一步，所述舀料勺置于所述成型设备的压室的倒料口上方，所述热电偶和熔体冷却结晶搅拌器设置在所述压室的内部，所述熔体扰动装置设置在所述压室外侧壁的四周。

进一步，所述的熔体扰动装置包括机械扰动装置、电磁扰动装置或超声扰动装置；所述熔体扰动装置的数量为至少一个。

进一步，所述的熔体冷却结晶搅拌器包括机械搅拌装置或超声搅拌装置；所述熔体冷却结晶搅拌器的数量为至少一个；所述熔体冷却结晶搅拌器的结构为实心体或内部通入冷却介质的盲孔结构。

进一步，所述成型设备为压铸机或挤压铸造机。

本发明的另一目的是提供一种采用上述的一种无需半固态浆料转移直接制浆与成形的工艺，所述工艺具体包括以下步骤：

S1)通过舀料勺从熔炼炉内舀取合金熔体后通过倒料口倒入压室内，合金熔体温度高于其液相线5℃～300℃；

S2)对压室内的合金熔体采用间接搅拌和直接强冷搅拌；

S3)当合金熔体的温度降到预设的半固态浆料温度，停止直接强冷搅拌和间接搅拌，通过冲头将制备好的半固态浆料打入成型设备模腔进行流变成形，获得高品质流变成形件。

进一步，所述的合金熔体包括铝合金、镁合金、钢铁、高温合金、锡合金、锌合金、钛合金及其复合材料。

进一步，所述S2)中直接强冷搅拌和间接搅拌时间为5-40s，合金熔体的降温速率为0.3～6℃/s。

进一步，所述S2)间接搅拌为超声波搅拌时的功率为300～3000W；为电磁搅拌的电流为20～350A,频率为20～300Hz；为机械振动频率为20～1200Hz。

进一步，所述的直接强冷搅拌为机械搅拌时的转速为100～2000r/min；为超声波搅拌的功率为200～3000W。

本发明的有益效果是：

1、本发明的系统，浆料制备在成形系统内完成，避免了半固态浆料单独制备后由于黏度大难倒出、浆料转移过程中晶粒长大和枝晶化的问题，半固态浆料制备过程稳定高效，工业化推广和应用前景好。

2、熔体扰动避免了靠近压室内壁的合金熔体未受充分扰动而导致晶粒枝晶生长，熔体冷却结晶搅拌促使熔体内部快速降温和大量形核，同时压室内合金熔体的温度场和浓度场基本均匀一致，有利于制备出内部含有大量细小、圆整且分布均匀初生固相的半固态浆料。

附图说明

图1为本发明一种无需半固态浆料转移直接制浆与成形工艺的流程图。

图2为本发明中直接在成形系统内制备半固态浆料示意图。

图3为本发明中机械搅拌与电磁扰动复合工艺在压铸机压室内直接制备半固态浆料示意图。

图4为本发明中超声搅拌与电磁扰动复合工艺在压铸机压室内直接制备半固态浆料示意图。

图5为本发明中机械搅拌与机械扰动复合工艺在挤压铸造机压室内直接制备半固态浆料示意图。

图6为本发明中机械搅拌与超声扰动复合工艺在挤压铸造机压室内直接制备半固态浆料示意图。

图中：

1、舀料勺；2、熔炼炉；3、合金熔体；4、熔体搅拌器；5、熔体扰动装置；6、热电偶；7、半固态浆料；8、初生固相；9、压铸机；10、压室；11、倒料口；12、压铸件；13、挤压铸造机；14、模腔；15、冲头；16、冷却介质；17、机械搅拌器；18、电磁振动器；19、超声搅拌器；20、机械振动器；21、超声振动器。

具体实施方式

为使本发明拟解决的工艺方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

如图1所示，本发明一种无需半固态浆料转移直接制浆与成形的工艺：其结构为：

包括舀料勺1，熔炼炉2，合金熔体3，熔体冷却结晶搅拌器4，熔体扰动装置5，热电偶6，半固态浆料7，初生固相8，压铸机9，压室10，倒料口11，压铸件12，挤压铸造机13，模腔14，冲头15，冷却介质16；所述的熔体冷却结晶搅拌器4工作时通过压室10的倒料口11直接作用于压室10内的合金熔体3；所述的熔体扰动装置5工作时位于压室10侧壁；所述的热电偶6插入压室10内合金熔体3的内部。

所述的熔体冷却结晶搅拌器4可选用机械搅拌或超声搅拌；机械搅拌转速为100～2000r/min；熔体冷却结晶搅拌器4的数量包括但不限于1个；熔体冷却结晶搅拌器4的结构为实心体或内部通入冷却介质16的盲孔结构；

所述的熔体扰动装置5可选择机械扰动、电磁扰动或超声扰动；熔体扰动装置5的数量包括但不限于1个。

所述合金熔体3包括铝合金、镁合金、钢铁、高温合金、锡合金、锌合金、钛合金及其复合材料。

具体步骤为：

S1)舀料勺1从熔炼炉2内舀取合金熔体3后倒入压铸机9或挤压铸造机13的压室，合金熔体3温度高于其液相线5℃～300℃；

S2)启动熔体扰动装置5对压室10内壁的合金熔体3进行扰动处理抑制其枝晶生长；同时，将熔体冷却结晶搅拌器4通过压室10的倒料口11直接作用于压室10内的合金熔体3，对压室10内的合金熔体3进行搅拌和冷却，使熔体3内部快速降温、大量形核的同时创造较为均匀的温度场和成分场，从而在压室10内制备出内部含有大量近球状或球状初生固相8的半固态浆料7；

S3)当压室10内的半固态浆料7温度下降到预设温度时，通过冲头15将制备好的半固态浆料7打入压铸机9或挤压铸造机13的模腔14进行流变成形，获得高品质流变成形铸件。

实施例1：采用本发明制备质量为10kg的A380铝合金(液相线623℃，固相线565℃)半固态浆料7。

一种无需半固态浆料转移直接制浆与成形的系统和工艺，其具体制备过程如下：

(1-1)采用舀料勺1从熔炼炉2舀取10kg温度为660℃的A380铝合金熔体3后通过压铸机9压室10的倒料口11倒入压室10内。

(1-2)如图3所示，采用的熔体冷却结晶搅拌器4为机械搅拌器17；采用的熔体扰动装置5为电磁振动器18；具体的机械搅拌参数为机械搅拌器17外径20mm，搅拌速度200r/min；具体的电磁振动参数为功率10KW，频率20Hz；分别启动电磁振动器18和机械搅拌器17分别对压室10内的合金熔体3进行扰动抑制压室10壁面附近晶粒枝晶生长和使压室10内合金熔体3快速降温并大量形核。

(1-3)在机械搅拌和电磁扰动作用下，压铸机9压室10内的A380铝合金熔体3快速降温至半固态温度区间。

(1-4)当合金熔体3降温到预设的半固态温度590℃时，启动压铸机9冲头15，将压室10内的半固态浆料7填充到压铸机9的模腔14进行流变压铸成形，获得高品质压铸件12。

实施例2：采用本发明制备质量为20kg的ADC12铝合金(液相线604℃，固相线527℃)半固态浆料7。

一种无需半固态浆料转移直接制浆与成形的系统和工艺，其具体制备过程如下：

(1-1)利用舀料勺1从熔炼炉2舀取20kg温度为650℃的ADC12铝合金熔体3后通过压铸机9压室10的倒料口11倒入压室10内。

(1-2)如图4所示，采用的熔体冷却结晶搅拌器4为超声搅拌器19，超声搅拌器19的内部为通入冷却介质16的盲孔结构，冷却介质为气体，采用的熔体扰动装置5为电磁振动器18；具体的超声搅拌参数为超声功率10KW，超声频率为20kHz；具体的电磁振动参数为功率12KW，频率40Hz；分别启动电磁振动器18和超声搅拌器19分别对压室10内的合金熔体3进行扰动抑制压室10壁面附近晶粒枝晶生长和使压室10内合金熔体3快速降温并大量形核。

(1-3)在超声搅拌和电磁扰动作用下，压铸机9压室10内的ADC12铝合金熔体3快速降温至半固态温度区间。

(1-4)当合金熔体3降温到预设的半固态温度585℃时，将压室10内的半固态浆料7填充到压铸机9的模腔14进行流变压铸成形，获得高品质流变压铸件12。

实施例3：采用本发明制备质量为25kg的ZnAl9Cu2锌合金(液相线405℃，固相线345℃)半固态浆料7。

一种无需半固态浆料转移直接制浆与成形的系统和工艺，其具体制备过程如下：

(1-1)利用舀料勺1从熔炼炉2舀取25kg温度为460℃的ZnAl9Cu2锌合金熔体3后倒入挤压铸造机13的压室10内。

(1-2)如图5所示，采用的熔体冷却结晶搅拌器4为机械搅拌器17；采用的熔体扰动装置5为机械振动器20；具体的机械搅拌参数为搅拌速度100r/min,机械搅拌器17外径30mm；具体的机械振动参数为振动频率100Hz；分别启动机械振动器20和机械搅拌器17分别对挤压铸造机13压室10内的合金熔体3进行扰动处理抑制压室10壁面附近晶粒枝晶生长和使压室10内的合金熔体3快速降温并大量形核。

(1-3)在机械搅拌和机械振动的复合作用下，ZnAl9Cu2锌合金熔体3快速降温至半固态温度区间。

(1-4)当合金熔体3降温到预设的半固态温度355℃时，将压室10内的半固态浆料7填充到挤压铸造机13的模腔进行流变挤压成形，获得高品质流变成形件。

实施例4：采用本发明制备质量为40kg的A356铝合金(液相线616℃，固相线565℃)半固态浆料7。

一种无需半固态浆料转移直接制浆与成形的系统和工艺，其具体制备过程如下：

(1-1)利用舀料勺1从熔炼炉2舀取40kg温度为665℃的A356铝合金熔体3后倒入挤压铸造机13的压室10内。

(1-2)如图6所示，采用的熔体冷却结晶搅拌器4为机械搅拌器17，机械搅拌器17的内部为通入冷却介质16的盲孔结构，冷却介质为水，采用的熔体扰动装置5为超声振动器21；具体的超声振动参数为超声功率10KW，超声频率为20kHz；具体的机械搅拌参数为搅拌速度600r/min，机械搅拌器17外径为25mm，机械搅拌器17内腔通水量为0.5L/min；分别启动超声振动器22和机械搅拌器17分别对压室10内的合金熔体3进行扰动抑制压室10壁面附近晶粒枝晶生长和使压室10内合金熔体3快速降温并大量形核。

(1-3)在机械搅拌和超声扰动作用下，挤压铸造机13压室10内的A356铝合金熔体3快速降温至半固态温度区间。

(1-4)当合金熔体3降温到预设的半固态温度596℃时，将压室10内的半固态浆料7填充到挤压铸造机13的模腔进行流变挤压成形，获得高品质流变成形件。

以上对本申请实施例所提供的一种无需半固态浆料转移直接制浆与成形的系统和工艺，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。

Claims (5)

1.一种无需半固态浆料转移直接制浆与成形的系统的制浆与成形的工艺，其特征在于，所述系统包括：

舀料勺，用于将熔炼炉内的合金熔体转移到成型设备的压室内；

熔体冷却结晶搅拌器，用于对所述成型设备的压室内合金熔体进行直接冷却搅拌；

所述的熔体冷却结晶搅拌器为机械搅拌装置；所述熔体冷却结晶搅拌器的数量为至少一个；所述熔体冷却结晶搅拌器的结构为内部通入冷却介质的盲孔结构；

熔体扰动装置，用于对所述成型设备的靠近压室边缘的合金熔体进行扰动搅拌；所述的熔体扰动装置包括机械扰动装置或超声扰动装置；所述熔体扰动装置的数量为至少一个；

热电偶，用于对压室内合金熔体温度变化进行监测；

成型设备，用于对经过复合搅拌处理后的合金熔体进行流变成形，获得高品质流变成形件，其中，所述舀料勺置于所述成型设备的压室的倒料口上方，所述热电偶和熔体冷却结晶搅拌器设置在所述压室的内部，所述熔体扰动装置设置在所述压室外侧壁的四周，采用所述系统进行制浆与成形的工艺，具体包括以下步骤：

S1) 通过舀料勺从熔炼炉内舀取合金熔体后通过倒料口倒入压室内，合金熔体温度高于其液相线5 ℃~300 ℃；

S2）对压室内的合金熔体采用间接搅拌和直接强冷搅拌，启动熔体扰动装置对压室内壁的合金熔体进行扰动处理抑制其枝晶生长；同时，将熔体冷却结晶搅拌器通过压室的倒料口直接作用于压室内的合金熔体，对压室内的合金熔体进行搅拌和冷却，使熔体内部快速降温、大量形核的同时创造较为均匀的温度场和成分场，从而在压室内制备出内部含有大量近球状或球状初生固相的半固态浆料，其中，直接强冷搅拌和间接搅拌时间为5-40s，合金熔体的降温速率为0.3~6℃/s，

S3）当合金熔体的温度降到预设的半固态浆料温度，停止直接强冷搅拌和间接搅拌，通过冲头将制备好的半固态浆料打入成型设备的模腔进行流变成形，获得高品质流变成形件。

2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述成型设备为压铸机。

3.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述的合金熔体包括铝合金、镁合金、钢铁、锡合金、锌合金、钛合金及其复合材料。

4.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述S2）间接搅拌为超声波搅拌时的功率为300~3000W；为机械振动搅拌时的振动频率为20~1200Hz。

5.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述的直接强冷搅拌为机械搅拌时的转速为100~2000r/min。

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