CN112139472A - 快速制备半固态金属浆料的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种快速制备半固态金属浆料的装置及方法，它包括放置金属浆料的容器、驱动容器内金属浆料生产电磁搅拌的永磁搅拌机构以及用于冷却金属浆料的冷却机构。本发明的目的在于提供一种快速制备半固态金属浆料的装置，可使金属浆料得到均匀充分的冷却与搅拌，并制备出高质量的半固态金属浆料。本发明的优点在于：采用永磁铁产生磁力进行非接触式搅拌，节能、节约成本，使金属浆料不受污染，搅拌无死角。

Description

快速制备半固态金属浆料的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种快速制备半固态金属浆料的装置及方法。

背景技术

半固态制浆技术，是指金属在凝固过程中，进行剧烈搅拌控制固-液态温度区间得到一种液态金属母液中均匀地悬浮着一定固相组分的固液混合浆料(固相组分甚至可高达60％)，这种半固态金属浆料具有流变特性，即具有很好的流动性，易于通过普通铸造方法制成复杂产品。

从20世纪70年代美国麻省理工大学提出半固态成形技术以来，半固态制浆技术一直是研究和开发重点，近年来也得到快速发展。制浆的目的是为了打碎枝晶或小面化的晶体形态，获得球晶状，并控制冷却凝固过程中的晶体长大，从而获得具有良好流变特性的合金浆料。半固态成形技术打破了传统的枝晶凝固模式，使合金组织均匀，降低了铸件内部缺陷，提高了铸件的综合性能，在同等要求的条件下，还可适当的减小铸件壁厚，从而减轻铸件重量。

目前，关于半固态浆料的制备装置与工艺有很多，如机械搅拌法、电磁搅拌法、超声搅拌法、控制凝固法、应变激活工艺、粉末冶金法，但是现有这些半固态制浆装置和方法当中都存在的效率低、成本高、固相率难以控制等问题，使得半固态成型技术很难实现大规模工业化生产。

发明内容

本发明的目的在于提供一种快速制备半固态金属浆料的装置及方法，可使金属浆料得到均匀充分的冷却与搅拌，并制备出高质量的半固态金属浆料。

本发明的目的通过如下技术方案实现：一种快速制备半固态金属浆料的装置，它包括放置金属浆料的容器、驱动容器内金属浆料生产电磁搅拌的永磁搅拌机构以及用于冷却金属浆料的冷却机构；所述冷却机构包括冷却液输送芯以及传导密封件，所述冷却液输送芯竖向设置，其下段的外周壁设有环形冷却槽，所述传导密封件套设在冷却液输送芯的下段处，其内壁与环形冷却槽形成冷却通道，冷却液输送芯内还设有与冷却通道连通的进液通道以及出液通道；所述传导密封件位于容器的腔体内部，并且传导密封件的外周壁开设有若干竖向延伸的弧形扰流槽，所述弧形扰流槽以传导密封件中轴为中心呈环形对称分布。

较之现有技术而言，本发明的优点在于：

1.采用永磁铁产生磁力进行非接触式搅拌，节能、节约成本，使金属浆料不受污染，搅拌无死角。

2.质量高。因旋转离心力的作用，通常所采用的永磁搅拌方法往往会使浆料中心形成漩涡，使金属浆料当中容易卷入气体，并且形成的固体颗粒容易往容器内壁聚集，从而影响半固态浆料的品质，本发明在容器内部中心设置冷却机构，不仅可以提高浆料的冷却速度，还可以避免金属浆料中间形成漩涡，并且可以使固体颗粒在容器里内外侧跑动，从而制备出高质量的金属半固态浆料。

3.效率高。冷却机构采用液体循环冷却，冷却速度快，加上冷却头的独特结构设计和高效的永磁搅拌方法，使半固态制备效率大大提高，其制得3公斤的25％固相率的半固态铝合金浆料的最快时间为8秒。

4.制浆范围广。可制备5％-60％固相率的半固态金属浆料，制备的浆料重量范围为0.1-60公斤。

5.成本低。每公斤的制浆成本不高于0.1元，有利于大规模生产应用，促进铸造行业的发展。

近几年来，半固态制备工艺在世界上的应用越来越广泛，特别在我国，已经在应用规模上处理世界首位。目前市场上已经有几十种半固态制备方法，但是大多数方法不仅效率不高，而且制浆过程中很容易卷入气体和形成氧化皮等影响半固态浆料的物质。本发明正是很好的解决了上述的现有半固态制备技术存在的普遍难题，可以快速制得高质量的金属半固态浆料。可以很好推动我国在铸造行业的进一步发展，获得更高质量的铸件，提升汽车轻量化、航空航天、高铁、通讯等行业的技术水平。

附图说明

图1是本发明一种快速制备半固态金属浆料的装置实施例的结构示意图。

图2是图1的俯视图。

图3是通过本发明制得的铝合金半固态浆料，再经过压铸成形后的铸件金相组织图。

标号说明：1容器、11反射突起部、2永磁搅拌机构、21旋转桶、22永磁磁铁组、23电机、24传动齿轮组、3冷却机构、31冷却液输送芯、311环形冷却槽、312进液通道、313出液通道、32密封套、33冷却头、331弧形扰流槽、4气体保护机构、41吹气嘴、5金属浆料。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明内容进行详细说明：

如图1和2所示为本发明提供的一种快速制备半固态金属浆料的装置的实施例示意图。

一种快速制备半固态金属浆料的装置，它包括放置金属浆料的容器1、驱动容器1内金属浆料生产电磁搅拌的永磁搅拌机构2以及用于冷却金属浆料的冷却机构3；

所述冷却机构3包括冷却液输送芯31以及传导密封件，所述冷却液输送芯31竖向设置，其下段的外周壁设有环形冷却槽311。较佳的，冷却液输送芯31应位于容器1中心轴处。

所述传导密封件套设在冷却液输送芯31的下段处，其内壁与环形冷却槽311形成冷却通道，冷却液输送芯31内还设有与冷却通道连通的进液通道312以及出液通道313；

所述传导密封件位于容器1的腔体内部，并且传导密封件的外周壁开设有若干竖向延伸的弧形扰流槽331，所述弧形扰流槽331以传导密封件中轴为中心呈环形对称分布。

所述容器1的内周壁设有若干竖向延伸的反射突起部11，所述反射突起部11以传导密封件中轴为中心呈环形对称分布。

金属浆料在搅拌过程中会因离心力作用往外侧聚集，遇到反射突起部11后可将金属浆料反射流向中间的冷却机构3。

所述反射突起部11对应设置在两弧形扰流槽331中间区域的外侧。

所述传导密封件包括套设在环形冷却槽311外侧的密封套32以及连接在密封套32外侧的冷却头33；所述弧形扰流槽331设于冷却头33的外周壁上。

弧形扰流槽331为内凹的圆弧形槽体，反射突起部11为圆弧形凸起。

弧形扰流槽331和反射突起部11数量一致，并相互错开一定角度。

密封套32可将冷却头33上的热量快速吸收，并通过冷却通道内循环流动的冷却液迅速带走热量。

所述密封套32和冷却头33通过螺纹结构连接固定。

密封套32上下端口可通过焊接方式密封固定在冷却液输送芯31上。

所述冷却头33的材质为由立方氮化硼与氮化铝组成的复合材料，其导热系数可达110W/m·K以上，并且不粘料，不导磁。

所述冷却液输送芯31的材质为不导磁的不锈钢材料。

所述密封套32的材质为紫铜，不导磁。

容器1的材质为耐高温耐腐蚀的碳化硅陶瓷材料，不导磁，不粘料，保温效果好，使用寿命长。

本发明还包括气体保护机构4，所述气体保护机构4包括惰性气体供气源以及若干连接惰性气体供气源的吹气嘴41；所述吹气嘴41设于容器1的上方，其出气口朝向下侧的金属浆料表面。

吹气嘴41连接在环形不锈钢气管上，数量可设置6-10个。

各吹气嘴41以传导密封件中轴为中心呈环形对称分布。

吹气嘴41朝容器1内的金属浆料表面不停的吹惰性气体，保护金属浆料在搅拌过程中不吸入氧气，避免氧化皮的产生，以保证获得纯净的半固态金属浆料。

所述永磁搅拌机构2包括旋转桶21、设于旋转桶21内侧壁上的永磁磁铁组22、驱动旋转桶21转动的电机23以及连接电机23和旋转桶21的传动齿轮组24。

本发明的实施步骤如下：

1.将温度高于其液线相温度10-40℃的金属浆料装入容器1中。金属浆料为熔融合金，可以为铝合金、镁合金、锌合金或铜合金。

2.向冷却液输送芯内注入冷却液，对冷却头33进行冷却降温。

3.冷却机构3下降，进入容器内部中心，到达设定的深度停止不动，深度设定距离为冷却头33底部距容器1底部10-40mm。

4.气体保护机构4启动，往容器1内吹入惰性气体，使容器1内的金属浆料表面与空气隔离，避免金属浆料在搅拌过程中卷入空气。

5.永磁搅拌机构2启动，电机23带动旋转桶21高速旋转，转动速度设定为每分钟200至600转。旋转时间根据不同的固相率要求，可设定为5-50秒。

永磁磁铁组22在旋转桶21的带动下快速旋转，旋转过程中产生很强的旋转磁场，从而带动容器1内的金属浆料做旋转运动，起到搅拌金属浆料的作用。

液态金属的枝状晶组织在激烈的搅拌作用下被打断成近球状晶，金属浆料在旋转运动中会不断的接触到置于容器1中间的冷却头33，加速金属浆料的冷却速度，使得半固态组分的球状晶粒不容易变大，从而达到快速制备浆料的目的。

一般情况下，金属浆料在高速旋转过程中会因离心力作用往外甩，金属浆料(特别是金属浆料中的固体颗粒)会往容器1的内周壁聚集，为避免这种情况，本发明在容器1的内周壁设有若干竖向延伸的反射突起部11，并且在冷却头33的外周壁上设置弧形扰流槽331，

当高速旋转的金属浆料碰到反射突起部11后会往中间的冷却头33流动，金属浆料再碰到冷却头33的弧形扰流槽331时会再往外反射，再碰到容器1内壁的反射突起部11，又往冷却头33下一个弧形扰流槽331反射，从而使金属浆料得到均匀充分的冷却与搅拌，最终制备出高质量的半固态金属浆料。

6.搅拌完成，永磁搅拌机构2停止，冷却机构3上升回原点，容器1上升，移出旋转桶21，即制备出金属半固态浆料。

图3为铝合金半固态浆料压铸成形后的铸件金相照片，显示其球状晶组织分布均匀，平均直径不大于50um，其力学性能和导热率优于普通液态铝合金压铸成形后的铸件性能。

Claims (9)

1.一种快速制备半固态金属浆料的装置，其特征在于：它包括放置金属浆料的容器(1)、驱动容器(1)内金属浆料生产电磁搅拌的永磁搅拌机构(2)以及用于冷却金属浆料的冷却机构(3)；

所述冷却机构(3)包括冷却液输送芯(31)以及传导密封件，所述冷却液输送芯(31)竖向设置，其下段的外周壁设有环形冷却槽(311)，

所述传导密封件套设在冷却液输送芯(31)的下段处，其内壁与环形冷却槽(311)形成冷却通道，冷却液输送芯(31)内还设有与冷却通道连通的进液通道(312)以及出液通道(313)；

所述传导密封件位于容器(1)的腔体内部，并且传导密封件的外周壁开设有若干竖向延伸的弧形扰流槽(331)，所述弧形扰流槽(331)以传导密封件中轴为中心呈环形对称分布。

2.根据权利要求1所述的快速制备半固态金属浆料的装置，其特征在于：所述容器(1)的内周壁设有若干竖向延伸的反射突起部(11)，所述反射突起部(11)以传导密封件中轴为中心呈环形对称分布。

3.根据权利要求2所述的快速制备半固态金属浆料的装置，其特征在于：所述反射突起部(11)对应设置在两弧形扰流槽(331)中间区域的外侧。

4.根据权利要求2所述的快速制备半固态金属浆料的装置，其特征在于：所述传导密封件包括套设在环形冷却槽(311)外侧的密封套(32)以及连接在密封套(32)外侧的冷却头(33)；所述弧形扰流槽(331)设于冷却头(33)的外周壁上。

5.根据权利要求4所述的快速制备半固态金属浆料的装置，其特征在于：所述密封套(32)和冷却头(33)通过螺纹结构连接固定。

6.根据权利要求4所述的快速制备半固态金属浆料的装置，其特征在于：所述冷却头(33)的材质为由立方氮化硼与氮化铝组成的复合材料；所述冷却液输送芯(31)的材质为不导磁的不锈钢材料；所述密封套(32)的材质为紫铜。

7.根据权利要求2所述的快速制备半固态金属浆料的装置，其特征在于：它还包括气体保护机构(4)，所述气体保护机构(4)包括惰性气体供气源以及若干连接惰性气体供气源的吹气嘴(41)；所述吹气嘴(41)设于容器(1)的上方，其出气口朝向下侧的金属浆料表面。

8.根据权利要求7所述的快速制备半固态金属浆料的装置，其特征在于：各吹气嘴(41)以传导密封件中轴为中心呈环形对称分布。

9.根据权利要求1-8任意一项所述的快速制备半固态金属浆料的装置，其特征在于：所述永磁搅拌机构(2)包括旋转桶(21)、设于旋转桶(21)内侧壁上的永磁磁铁组(22)、驱动旋转桶(21)转动的电机(23)以及连接电机(23)和旋转桶(21)的传动齿轮组(24)。

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