CN111036862A - 强冷和复合搅拌工艺制备大体积半固态浆料的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种强冷和复合搅拌工艺制备大体积半固态浆料的方法和装置，具体步骤为容器从熔炼炉舀取合金熔体后，开启熔体扰动装置使靠近容器壁的熔体产生扰动，与此同时，开启熔体搅拌器对熔体进行搅拌和冷却处理，搅拌器内腔为盲孔结构，其内腔插入空心管，通过空心管对搅拌器内腔持续喷射冷却介质带走大量热量，从而对熔体强冷。在熔体扰动装置及熔体搅拌器产生的多向扰动及持续强冷复合条件下，熔体快速降温到半固态温度区间，由于多向扰动产生的对流抑制枝晶生长，从而快速获得半固态浆料。本发明解决了单一工艺制备大体积浆料时存在的熔体降温慢、容器边部熔体未受搅拌而粘料的难题。该工艺高效稳定，尤其适合于制备质量超过20kg的浆料。

Description

强冷和复合搅拌工艺制备大体积半固态浆料的方法和装置

技术领域

本发明属于金属半固态成形技术领域，特别是涉及一种强冷和复合搅拌工艺制备大体积半固态浆料的方法和装置。

背景技术

金属半固态加工技术是20世纪70年代发明的一种先进、节能环保的绿色成形工艺。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，如双螺旋搅拌法、气泡搅拌法、蛇形浇道法、低过热度浇注和弱机械搅拌法、电磁搅拌法、超声波处理法、喷射沉积法、冷却斜槽法等。但上述方法存在着工艺不稳定、难以持续稳定制备半固态浆料和不适合大体积半固态浆料制备的难题。为了实现大体积半固态浆料的制备和实现稳定连续可靠的工业化生产，国内外研究人员、学者及相关工业界人士仍在不断努力探索，试图开发新的制浆工艺，以进一步推动大体积浆料的高效稳定制备。

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，未采用复合工艺高效制备大体积半固态浆料，即不利用熔体搅拌装置、熔体扰动装置及合金颗粒熔化吸热的协同作用加速熔体降温和促进熔体温度场和成分场均匀来快速制备大体积半固态浆料。

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，但该方法对大体积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。

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大体积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

本发明公开了一种强冷和复合搅拌工艺制备大体积半固态浆料的方法和装置，以解决现有技术的上述以及其他潜在问题中任一问题。

本发明的技术方案，一种强冷和复合搅拌工艺制备大体积半固态浆料的方法，该方法具体包括以下步骤：

S1)将温度高于液相线5℃～300℃的大体积合金熔体置于容器中；

S2)然后对容器内的合金熔体采用直接强冷搅拌和间接搅拌；

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，得到固相率20％～60％的大体积半固态浆料，并将半固态浆料送往成形设备进行流变成形。

进一步，所述S1)中的合金熔体包括铝合金、镁合金、钢铁、锌合金、钛合金及其复合材料(铝合金的复合材料、镁合金的复合材料、钢铁的复合材料、锌合金的复合材料和钛合金的复合材料)。

进一步，所述S2)中直接强冷搅拌和间接搅拌时间为5-60s，合金熔体的降温速率为0.5～5℃/s。

进一步，所述S2)中的间接搅拌为扰动搅拌；所述扰动搅拌包括超声波搅拌、电磁搅拌或机械振动。

进一步，所述超声波搅拌的功率为300～3000W；所述电磁搅拌的电流为20～350A,频率为20～300Hz；所述机械振动频率为20～1200Hz。

进一步，所述的直接强冷搅拌包括机械搅拌和超声波搅拌；所述机械搅拌的转速为100～2000r/min；所述超声波搅拌的功率为200～3000W。

本发明的另一目的提供一种实现上述方法的持续强冷和多向扰动复合工艺制备大体积半固态浆料的装置，所述装置包括容器、熔体搅拌器、熔体扰动装置和热电偶；

其中，所述熔体扰动装置设置在所述容器外侧壁的四周，所述热电偶和熔体搅拌器设置在所述容器的内部；

所述熔体搅拌器包括空心搅拌器，冷却管和冷却介质供应装置；

所述冷却管置于所述空心搅拌器内部，且所述冷却管的侧壁上均设有若干冷却喷口，所述冷却管的一端与所述冷却介质供应装置连接。

进一步，所述熔体搅拌器的数量为至少一个；所述冷却介质包括水、气体、油或水溶液。

进一步，所述熔体扰动装置数量为至少一个。

一种大体积半固态浆料，所述大体积半固态浆料采用上述方法制备得到。

本发明实现了一种强冷和复合搅拌工艺制备大体积半固态浆料的方法和装置，浆料制备工艺稳定高效，成本低，是一种先进的大体积半固态浆料制备工艺，相比于现有的半固态浆料制备工艺，具有以下优点：

1、本发明提供了一种强冷和复合搅拌工艺制备大体积半固态浆料的方法和装置，浆料制备过程稳定高效，尤其适合于大体积半固态浆料的制备，工业化推广和应用前景好。

2、多向扰动可使容器内的合金熔体受到充分扰动，避免了靠近容器内壁的合金熔体未受充分扰动而导致边部浆料黏度大不容易倒入成形装备。

3、冷却介质对熔体搅拌器内腔的持续强冷加速大体积合金熔体冷却并促进合金熔体形核，同时由于多向扰动作用，容器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大体积半固态浆料，尤其适合于制备质量超过20kg的浆料。

附图说明

图1为本发明中一种强冷和复合搅拌工艺制备大体积半固态浆料的方法的流程图。

图2为本发明中的熔体搅拌器的结构示意图。

图3为本发明中持续强冷和多向扰动复合工艺制备大体积半固态浆料示意图。

图4为本发明中机械搅拌与电磁搅拌使合金熔体产生多向扰动及持续通气强冷复合工艺制备大体积半固态浆料示意图。

图5为本发明中超声搅拌与电磁搅拌使合金熔体产生多向扰动及持续通水强冷复合工艺制备大体积半固态浆料示意图。

图6为本发明中机械搅拌与机械振动使合金熔体产生多向扰动及持续通水强冷复合工艺制备大体积半固态浆料示意图。

图中：

1、熔炼炉；2、合金熔体；3、容器；4、热电偶；5、空心搅拌器；6、熔体扰动装置；7、熔体搅拌器；8、冷却介质；9、冷却装置供应装置；10、半固态浆料；11、初生固相，12.冷却喷口，13.冷却管。

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，本发明一种强冷和复合搅拌工艺制备大体积半固态浆料的方法，该方法具体包括以下步骤：

S1)将温度高于液相线5℃～300℃的大体积合金熔体置于容器中；

S2)然后对容器内的合金熔体采用直接强冷搅拌和间接搅拌，在间接搅拌和直接强冷搅拌产生的多向扰动及持续强冷的复合作用下，大体积合金熔体温度快速下降到预设的半固态浆料温度，并由于搅拌和扰动产生的对流使合金熔体内部的温度场和成分场较为均匀，抑制了枝晶生长；

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，得到固相率20％～60％的大体积半固态浆料，并将半固态浆料送往成形设备进行流变成形。

所述S1)中的合金熔体包括铝合金、镁合金、钢铁、锌合金、钛合金及其复合材料(铝合金的复合材料、镁合金的复合材料、钢铁的复合材料、锌合金的复合材料和钛合金的复合材料)。

所述S2)中直接强冷搅拌和间接搅拌时间为5-60s，合金熔体的降温速率为0.5～5℃/s。

所述S2)中的间接搅拌为扰动搅拌；所述扰动搅拌包括超声波搅拌、电磁搅拌或机械振动。

所述超声波搅拌的功率为300～3000W；所述电磁搅拌的电流为20～350A,频率为20～300Hz；所述机械振动频率为20～1200Hz。

所述的直接强冷搅拌包括机械搅拌和超声波搅拌；所述机械搅拌的转速为100～2000r/min；所述超声波搅拌的功率为200～3000W。

对于容器壁中心位置的合金熔体进行直接搅拌，对容器壁附近的合金熔体进行间接搅拌。

本发明的另一目的提供一种实现上述方法的强冷和复合搅拌工艺制备大体积半固态浆料的装置，所述装置包括容器3、熔体搅拌器6、熔体扰动装置7和热电偶4；

其中，所述熔体扰动装置设置在所述容器外侧壁的四周，所述热电偶和熔体搅拌器设置在所述容器的内部；

所述熔体搅拌器7包括空心搅拌器5，冷却管13和冷却介质供应装置9；

所述冷却管13置于所述空心搅拌器5内腔，且所述冷却管13的侧壁上均设有若干冷却喷口12，所述冷却管13的一端与所述冷却介质供应装置9连接。

所述熔体搅拌器7的数量为至少一个；所述冷却介质8包括水、气体、油或水溶液。

所述熔体扰动装置6的数量为至少一个，如图2所示。

一种大体积半固态浆料，所述大体积半固态浆料采用上述方法制备得到。

实施例1：采用本发明制备质量为60kg的A380铝合金(液相线623℃，固相线565℃)半固态浆料10。强冷和复合搅拌工艺制备大体积半固态浆料的过程如下：

(1-1)容器3为舀料勺，采用舀料勺从熔炼炉1舀取温度为680℃的A380铝合金熔体2(60kg)后移动到熔体扰动装置6的内部。

(1-2)如图4所示，采用的搅拌器7为机械搅拌器16，机械搅拌器数量为1个；采用的熔体扰动装置为电磁搅拌器17，电磁搅拌器17数量为3个；采用的冷却介质8为压缩空气18；具体的机械搅拌参数为机械搅拌器16外径100mm，搅拌速度800r/min；具体的电磁扰动参数为功率12KW，频率15Hz；启动机械搅拌器16和电磁搅拌器17分别对合金熔体2进行直接搅拌和使舀料勺3内壁附近的合金熔体2产生扰动，与此同时，打开冷却装置供应装置9通过空心管5持续的向机械搅拌器16的内腔喷射压缩空气18，压缩空气18的流量为3L/s。

(1-3)在机械搅拌和电磁搅拌产生的多向扰动及持续通气强冷的复合作用下，A380铝合金熔体2快速降温至半固态温度区间；

(1-4)当合金熔体2降温到预设的半固态温度600℃时，停止机械搅拌和电磁扰动处理，并将制备的大体积半固态浆料10倒入压铸机12压室13进行流变压铸成形，获得高品质压铸件14。

实施例2：采用本发明制备质量为85kg的ADC12铝合金(液相线604℃，固相线527℃)半固态浆料10。持续强冷和多向扰动复合工艺制备大体积半固态浆料及其流变压铸成形的制备过程如下：

(1-1)容器3为舀料勺，采用舀料勺从熔炼炉1舀取温度为650℃的ADC12铝合金熔体2(85kg)后移动到熔体扰动装置6的内部。

(1-2)如图5所示，采用的熔体搅拌器7为超声搅拌器19，超声搅拌器19数量为4个，采用的熔体扰动装置为电磁搅拌器17，电磁搅拌器17数量为4个，采用的冷却介质8为水20；具体的超声搅拌参数为超声功率6KW，超声频率为15kHz；具体的电磁扰动参数为功率10KW，频率50Hz；启动超声搅拌器19和电磁搅拌器17分别对合金熔体2进行直接搅拌和使舀料勺3内壁附近的合金熔体2产生扰动；与此同时，打开冷却装置供应装置9，通过空心管5持续的向机械搅拌器16的内腔喷水20，水流量为10ml/s,水20大量吸热而蒸发成水蒸气21逸出。

(1-3)在超声搅拌和电磁搅拌产生的多向扰动及持续通水强冷的复合作用下，ADC12铝合金熔体2快速降温至半固态温度区间。

(1-4)当合金熔体2降温到预设的半固态温度570℃时，停止超声搅拌和电磁扰动处理，并将制备的大体积半固态浆料10倒入压铸机12压室13进行流变压铸成形，获得高品质压铸件14。

实施例3：采用本发明制备质量为120kg的ZnAl9Cu2锌合金(液相线405℃，固相线345℃)半固态浆料10。持续强冷和多向扰动复合工艺制备大体积半固态浆料及其流变压铸成形的制备过程如下：

(1-1)容器3为舀料勺，采用舀料勺从熔炼炉1舀取温度为475℃的ZnAl9Cu2锌合金熔体2(120kg)后移动到熔体扰动装置6的内部。

(1-2)如图6所示，采用的熔体搅拌器7为机械搅拌器16，机械搅拌器16数量为2个；采用的熔体扰动装置为机械振动器22，机械振动器22数量为3个，采用的冷却介质8为水20；具体的机械搅拌参数为搅拌速度1000r/min,机械搅拌器16外径60mm；具体的机械振动参数为振动频率50Hz；启动机械搅拌器16和机械振动器22分别对合金熔体2进行直接搅拌和使舀料勺3内壁附近的合金熔体2产生扰动；与此同时，打开冷却介质供应装置9通过空心管5持续的向机械搅拌器16的内腔喷水20，水流量为6ml/s,水20大量吸热而蒸发成水蒸气22逸出。

(1-3)在机械搅拌和机械振动产生的多向扰动及持续通水强冷的复合作用下，ZnAl9Cu2锌合金熔体2快速降温至半固态温度区间；

(1-4)当合金熔体2降温到预设的半固态温度365℃时，停止机械搅拌和机械振动处理，并将制备的大体积半固态浆料10倒入压铸机12压室13进行流变压铸成形，获得高品质压铸件14。

以上对本申请实施例所提供的强冷和复合搅拌工艺制备大体积半固态浆料的方法和装置，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 (10)

1.一种强冷和复合搅拌工艺制备大体积半固态浆料的方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

S1)将温度高于液相线5℃～300℃的大体积合金熔体置于容器中；

S2)然后对容器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，得到固相率20％～60％的大体积半固态浆料，并将半固态浆料送往成形设备进行流变成形。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S1)中的合金熔体为铝合金、镁合金、钢铁、锌合金、钛合金及其复合材料。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S2)中直接强冷搅拌和间接搅拌时间为5-60s，合金熔体的降温速率为0.5～5℃/s。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S2)中的间接搅拌为扰动搅拌；所述扰动搅拌包括超声波搅拌、电磁搅拌或机械振动。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述超声波搅拌的功率为300～3000W；所述电磁搅拌的电流为20～350A,频率为20～300Hz；所述机械振动频率为20～1200Hz。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的直接强冷搅拌包括机械搅拌和超声波搅拌；所述机械搅拌的转速为100～2000r/min；所述超声波搅拌的功率为200～3000W。

7.一种如权利要求1所述的方法采用的强冷和复合搅拌工艺制备大体积半固态浆料的装置，其特征在于，所述装置包括容器、熔体搅拌器、熔体扰动装置和热电偶；

其中，所述熔体扰动装置设置在所述容器外侧壁的四周用于对容器内的合金熔体扰动搅拌，所述热电偶和熔体搅拌器设置在所述容器的内部，所述熔体搅拌器实现对容器内部的合金熔体进行直接搅拌；

所述熔体搅拌器包括空心搅拌器，冷却管和冷却介质供应装置；

所述冷却管置于所述空心搅拌器内部，且所述冷却管的侧壁上均设有若干冷却喷口，所述冷却管的一端与所述冷却介质供应装置连接。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述熔体搅拌器的数量为至少一个；所述冷却介质包括水、气体、油或水溶液。

9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述熔体扰动装置数量为至少一个。

10.一种大体积半固态浆料，其特征在于，所述大体积半固态浆料采用如权利要求1-6任意一项所述方法制备得到。

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