CN111360214B - 低熔点合金半固态熔体制备工艺 - Google Patents

低熔点合金半固态熔体制备工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了低熔点合金半固态熔体制备工艺，包括以下步骤：a.合金熔炼；将低熔点合金进行加热熔炼成半固态熔体；b.熔体射出；将半固态熔体通过喷射管进行喷出，所述喷射管通过摆动机构带动摆动，使得半固态熔体由所述喷射管摆动喷出；c.熔体搅拌；喷射管喷出的半固态熔体进入搅拌仓内，所述搅拌仓呈螺旋形，所述搅拌仓自上至下依次设有第一温控区域、第二温控区域、第三温控区域和第四温控区域，其中，第一温控区域低于合金固相温度，第二温控区域高于合金液相温度，第三温控区域位于合金固相温度和合金液相温度之间，所述第四温控区域为常温。本发明工艺步骤简单，操作方便，而且半固态合金存在成分均匀、晶核圆整度好。

Description

低熔点合金半固态熔体制备工艺
技术领域
本发明涉及流变成形技术领域，特别涉及低熔点合金半固态熔体制备工艺。
背景技术
半固态合金是介于液态和固态之间的一类“软物质”，静止时像固体物质可以搬运，外力作用下像流体可以产生连续变形，其内部特征是（近）球状晶均匀悬浮于液相中。
制备半固态金属可采用环保型低熔点合金，低熔点合金指能够在100℃内进行液固相的转变。现有的低熔点半固态合金在制备时，需要通过多道工序，才能将固态合金制备成半固态合金，工序复杂，自动化程度低，每一工序均是通过人工进行操作，劳动强度大，耗时较长。而且现有的半固态熔体制备装置多采用机械搅拌、电磁搅拌以及超声波搅拌等方式。但机械搅拌产出的半固态熔体存在成分不均匀、晶核圆整度差等缺点，且制备装置不易清洗。电磁搅拌和超声波搅拌装置仍存在搅拌死区，合金利用率低且制备成本较高。
发明内容
针对现有技术的不足和缺陷，提供一种低熔点合金半固态熔体制备工艺，工艺步骤简单，操作方便，而且半固态合金存在成分均匀、晶核圆整度好。
为实现上述目的，本发明提供以下技术方案。
低熔点合金半固态熔体制备工艺，包括以下步骤：
a.合金熔炼；将低熔点合金进行加热熔炼成半固态熔体；
b.熔体射出；将半固态熔体通过喷射管进行喷出，使得半固态熔体由所述喷射管摆动喷出,喷射管喷出的半固态熔体进入搅拌仓上部的预形核区域内，半固态熔体内的晶核与预形核区域的内壁发生碰撞炸裂，在高速旋转融合下，晶核裂变速度加快，提高形核效率；
c.熔体搅拌；所述搅拌仓呈上大下小的螺旋状，且所述搅拌仓自预形核区域往下依次设有第一温控区域、第二温控区域、第三温控区域和第四温控区域，其中，第一温控区域低于合金固相温度，用于半固态熔体快速形核；第二温控区域高于合金液相温度，用于半固态熔体熔断晶核的晶状臂；第三温控区域位于合金固相温度和合金液相温度之间，用于调整半固态熔体晶核的圆整度；所述第四温控区域为常温，用于最后的合金成分稳定，使得半固态合金存在成分均匀、晶核圆整度好；
d.熔体制备完成；熔体从搅拌仓底部输出。
本发明的有益效果为：本发明的制备工艺，先将低熔点合金熔炼成半固态熔体，再通过喷射管喷出，通过摆动机构带动喷射管摆动，使得半固态熔体从多方向喷射至搅拌仓内，使得半固态熔体分散均匀，而且通过设置螺旋锥形的搅拌仓，能够解决搅拌死区问题且易于清洗，而且半固态熔体内的晶核与搅拌仓内壁发生碰撞炸裂，在高速旋转融合下，晶核裂变速度加快，提高形核效率，使半固态合金的精度和质量更高，而且半固态熔体进入搅拌仓后依次经过第一温控区域、第二温控区域、第三温控区域和第四温控区域，第一温控区域低于合金固相温度，用于半固态熔体快速形核，第二温控区域高于合金液相温度，用于半固态熔体熔断晶核的晶状臂第三温控区域位于合金固相温度和合金液相温度之间，用于调整半固态熔体晶核的圆整度，所述第四温控区域为常温，用于最后的合金成分稳定，使得半固态合金存在成分均匀、晶核圆整度好，而且本装置自动化程度高，操作方便。
作为本发明的一种改进，在步骤a中，将低熔点合金放置于坩埚内，通过加热元件对所述坩埚处进行加热从而对坩埚内的低熔点合金进行熔炼形成半固态熔体。
作为本发明的一种改进，在步骤c中，所述搅拌仓内壁锥度在20°至40°之间。
作为本发明的一种改进，所述低熔点合金为22Bi-8Sn-70In，在步骤c中：第一温控区域的温度范围为0-69℃；第二温控区域的温度范围为95-100℃；第三温控区域的温度范围为69-95℃；第四温控区域的温度范围为20-30℃。
附图说明
图1是本发明的工艺流程图
图2是本发明的整体结构示意图。
图3是本发明的熔体射出装置、熔体搅拌装置配合示意图。
图中，1、机架；2、坩埚；3、加热元件；4、输送泵；5、喷射管；6、搅拌仓；7、凸轮；8、电机；9、橡胶圈；10、球头；11、安装座；12、第一环形水道；13、第二环形水道；14、第三环形水道；15、第四环形水道；16、水箱；17、第一储水区；18、第二输水区；19、第三储水区；20、第四储水区。
具体实施方式
结合附图对本发明进一步阐释。
参见图1至图3所示的低熔点合金半固态熔体制备工艺，包括以下步骤：
a.合金熔炼；将低熔点合金进行加热熔炼成半固态熔体；具体而言，将低熔点合金放置于坩埚2内，坩埚2通过安装架设置于机架1上，通过加热元件3对所述坩埚2处进行加热从而对坩埚2内的低熔点合金进行熔炼形成半固态熔体。所述加热元件3为感应线圈，所述感应线圈绕设于所述坩埚2外周，通过向感应线圈通入交变中频电流，通过调节频率大小控制电流强弱使坩埚2内的固态合金内产生涡流，从而使固态合金升温并融化；本实施例中，所述低熔点合金为22Bi-8Sn-70In。
b.熔体射出；将半固态熔体通过喷射管5进行喷出，坩埚2底部设有出口，所述坩埚2的底部出口与输送泵4的输入端连通，通过设置输送泵4，便于将坩埚2内的半固态熔体抽出，再从喷射管5以一定的流速喷出，所述喷射管通过摆动机构带动摆动，使得半固态熔体由所述喷射管摆动喷出, 喷射管喷出的半固态熔体进入搅拌仓上部的预形核区域内，半固态熔体内的晶核与预形核区域的内壁发生碰撞炸裂，在高速旋转融合下，晶核裂变速度加快，提高形核效率,具体而言，摆动机构设置于机架1上，所述摆动机构包括凸轮7、驱动电机8，所述驱动电机8带动所述凸轮7转动，所述凸轮7侧壁与所述喷射管5相抵，所述凸轮7与所述喷射管5之间设有弹性连接件，通过设置摆动机构，驱动电机8带动凸轮7转动，从而使得凸轮7带动喷射管5摆动，从而使得半固态熔体从多方向喷射，使得半固态熔体分散均匀，所述摆动机构还包括安装座11、球头10和轴承，所述球头套设于所述喷射管的一端，所述轴承套设于所述喷射管的另一端，喷射管通过轴承设置于机架上，所述安装座11上设有与球头10配合的球槽，所述球头10转动安装于球槽内，所述喷射管5的输出端穿过所述球头10伸入所述搅拌仓6内。通过设置摆动机构，驱动电机8带动凸轮7转动，从而使得凸轮7带动喷射管5摆动，从而使得半固态熔体从多方向喷射至搅拌仓6内，使得半固态熔体分散均匀。通过设置球头10和定位座，喷射管在摆动时，带动球头摆动，通过球头转动安装于球槽内，球槽对球头的运动自由端进行限制，使得球头只能在预设的范围内转动，使得喷射管能够摆动规律、稳定，直接喷射至预形核区域内，而且轴承使得喷射管能够稳定转动。
c.熔体搅拌；喷射管喷出的半固态熔体进入搅拌仓内，所述搅拌仓呈螺旋形，所述搅拌仓自上至下依次设有第一温控区域、第二温控区域、第三温控区域和第四温控区域，其中，第一温控区域低于合金固相温度，第二温控区域高于合金液相温度，第三温控区域位于合金固相温度和合金液相温度之间，所述第四温控区域为常温，半固态熔体依次经过第一温控区域、第二温控区域、第三温控区域和第四温控区域；就本实施例而言：第一温控区域的温度范围为0-69℃；第二温控区域的温度范围为95-100℃；第三温控区域的温度范围为69-95℃；第四温控区域的温度范围为20-30℃。
d.熔体制备完成；熔体从搅拌仓底部输出。
本发明的制备工艺，先将低熔点合金熔炼成半固态熔体，再通过喷射管喷出，通过摆动机构带动喷射管摆动，使得半固态熔体从多方向喷射至搅拌仓内，使得半固态熔体分散均匀，而且通过设置螺旋锥形的搅拌仓，能够解决搅拌死区问题且易于清洗，而且半固态熔体内的晶核与搅拌仓内壁发生碰撞炸裂，在高速旋转融合下，晶核裂变速度加快，提高形核效率，使半固态合金的精度和质量更高，而且半固态熔体进入搅拌仓后依次经过第一温控区域、第二温控区域、第三温控区域和第四温控区域，第一温控区域低于合金固相温度，用于半固态熔体快速形核，第二温控区域高于合金液相温度，用于半固态熔体熔断晶核的晶状臂第三温控区域位于合金固相温度和合金液相温度之间，用于调整半固态熔体晶核的圆整度，所述第四温控区域为常温，用于最后的合金成分稳定，使得半固态合金存在成分均匀、晶核圆整度好，而且本装置自动化程度高，操作方便。
所述喷射管5的输出端内孔呈锥形，提高半固态熔体射出时的速度与强度；所述弹性连接件为橡胶圈9，所述喷射管5上设有第一连接凸起，所述凸轮7上设有第二连接凸起，所述橡胶圈9套设于第一连接凸起和第二连接凸起之间，通过设置橡胶圈9，使得当喷射管5向远离凸轮7旋转中心方向摆动时，喷射管5能够拉伸橡胶圈9，当喷射管5向靠近凸轮7旋转中心方向摆动时，橡胶圈9弹性复位，使得喷射管5与凸轮7侧壁能够始终紧密相抵，喷射管5能够往复摆动。本实施例中，喷射管5的摆动周期为4s，通过喷射管5的往复摆动，使得半固态熔体分散均匀。
在步骤c中，搅拌仓6设置于机架1上，所述搅拌仓6内壁锥度在20°至40°之间，通过设置螺旋锥形的混合仓，使得半固态熔体进入搅拌仓6后沿搅拌仓6的内壁螺旋下移，能够解决搅拌死区问题且易于清洗，而且半固态熔体内的晶核与混合仓内壁发生碰撞炸裂，在高速旋转融合下，晶核裂变速度加快，提高形核效率，使半固态合金的精度和质量更高。
所述搅拌仓6由上至下设有环绕所述搅拌仓6的第一环形水道12、第二环形水道13、第三环形水道14和第四环形水道15，通过向所述第一环形水道12、第二环形水道13、第三环形水道14和第四环形水道15分别注入相应温度的水，从而使得所述第一环形水道12、第二环形水道13、第三环形水道14和第四环形水道15形成第一温控区域、第二温控区域、第三温控区域和第四温控区域。由于本发明的制备装置，针对的是低熔点合金，即能够在100℃内进行液固相的转变，因此能够通过水温达到低熔点合金的高于合金液相温度。
所述搅拌仓6上设有位于所述第一环形水道12、第二环形水道13、第三环形水道14和第四环形水道15之间的真空腔，即第一环形水道12与第二环形水道13之间、第二环形水道13与第三环形水道14之间、第三环形水道14与第四环形水道15之间均设置有真空层，通过真空层将各个环形水道之间进行隔开，避免各个环形水道之间温度的传导。此外还可通过石棉将各个环形水道之间进行隔开。
搅拌仓6旁还设有水箱16，所述水箱16内设有相互隔离的第一储水区17、第二储水区、第三储水区19和第四储水区20，所述第一储水区17通过水管与所述第一环形水道12连通，所述第二储水区通过水管与所述第二环形水道13连通，所述第三储水区19通过水管与所述第三环形水道14连通，所述第四储水区20通过水管与所述第四环形水道15连通，所述第一储水区17、第二输水区18、第三储水区19和第四储水区20内分别设有加热线圈，并使用热电偶进行温度测量，保证温度使用在每一环形水道需求范围内，使用方便。
而且本发明中，所述熔体射出装置位于所述合金熔炼装置下方,便于所述合金熔炼装置熔炼后的半固态熔体流向所述熔体射出装置，所述熔体搅拌装置位于所述熔体射出装置旁侧，便于所述熔体射出装置将半固态熔体喷射至搅拌仓内，并且喷射的半固态熔体能够与搅拌仓的内壁发生碰撞，所述水箱16位于所述熔体射出装置下方，且同时位于所述熔体搅拌装置旁侧，便于水箱向搅拌仓供水，通过上述布置方式，使得结构更加紧凑。
以上所述仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。

Claims (4)

1.低熔点合金半固态熔体制备工艺，其特征在于：包括以下步骤：
a.合金熔炼；将低熔点合金进行加热熔炼成半固态熔体；
b.熔体射出；将半固态熔体通过喷射管进行喷出，使得半固态熔体由所述喷射管摆动喷出,喷射管喷出的半固态熔体进入搅拌仓上部的预形核区域内，半固态熔体内的晶核与预形核区域的内壁发生碰撞炸裂，在高速旋转融合下，晶核裂变速度加快，提高形核效率；
c.熔体搅拌；所述搅拌仓呈上大下小的螺旋状，且所述搅拌仓自预形核区域往下依次设有第一温控区域、第二温控区域、第三温控区域和第四温控区域，其中，第一温控区域低于合金固相温度，用于半固态熔体快速形核；第二温控区域高于合金液相温度，用于半固态熔体熔断晶核的晶状臂；第三温控区域位于合金固相温度和合金液相温度之间，用于调整半固态熔体晶核的圆整度；所述第四温控区域为常温，用于最后的合金成分稳定，使得半固态合金存在成分均匀、晶核圆整度好；
d.熔体制备完成；熔体从搅拌仓底部输出。
2.根据权利要求1所述的低熔点合金半固态熔体制备工艺，其特征在于：在步骤a中，将低熔点合金放置于坩埚内，通过加热元件对所述坩埚处进行加热从而对坩埚内的低熔点合金进行熔炼形成半固态熔体。
3.根据权利要求1所述的低熔点合金半固态熔体制备工艺，其特征在于：在步骤c中，所述搅拌仓内壁锥度在20°至40°之间。
4.根据权利要求1所述的低熔点合金半固态熔体制备工艺，其特征在于：所述低熔点合金为22Bi-8Sn-70In，在步骤c中：第一温控区域的温度范围为大于等于0℃，且小于69℃；第二温控区域的温度范围为大于95℃，且小于等于100℃；第三温控区域的温度范围为大于69℃，且小于95℃；第四温控区域的温度范围为20℃-30℃。
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