CN112404370A - 一种旋转振动垂直直管通道制备半固态金属的装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种旋转振动垂直直管通道制备半固态金属的装置及其方法，旋转套为中空圆套管且外圆一端设有从动带轮，旋转套外圆与承载支架内孔之间设有滚动轴承；电机安装在承载支架上，主动带轮安设于设置在承载支架顶部垂直直管与电机之间工型安装架上，主动带轮与旋转套的从动带轮由同步齿形带连接为一个旋转副；本发明制备的半固态金属金相结构为细小而均匀的球状或颗粒状的非枝晶组织，致使半固态金属的性能有较大提高，致使得到理想半固态金属的浇注温度区间变宽50％以上，提高了实际生产的可操控性和半固态浆料组织的一致性，也有利于成形较大型的零件。

Description

一种旋转振动垂直直管通道制备半固态金属的装置及其方法

技术领域

本发明属于半固态金属成形技术领域，特别提供了一种旋转振动垂直直管通道制备半固态金属的装置及其方法。

背景技术

中国专利ZL200410009296.X、ZL200410009295.5和文献“InfluenceofprocessparametersonmicrostructureofsemisolidA356alloyslugcastthroughverticalpipe(YANGXiao-rong,MAOWei-min,PEISheng.TransNonferrousMetSocChina,2008,18(1):99-103)”提出了半固态金属的垂直直管通道浇注制备技术。在垂直直管通道浇注制备技术中，首先将金属液的温度控制在预定的浇注过热度，然后将金属液浇注到一个垂直直管通道中，金属液顺序向下流过垂直直管通道；在金属液流经垂直直管通道时，垂直直管通道不断传热，引起接触通道内壁的金属液层的过冷，因而该过冷金属液会沿着垂直直管通道内壁发生初生晶粒的形核和长大；在这些初生晶粒形核和长大的过程中，初生晶粒根部产生溶质富集，同时初生晶粒又承受金属液的连续冲刷，部分初生晶粒会不断发生游离而离开垂直直管通道内壁并进入金属熔体中；由于金属熔体不断向垂直直管通道内壁散热和流动熔体的混合作用，最初浇入的过热金属熔体会逐渐进入整体过冷状态，从垂直直管通道内壁游离并进入金属熔体中的大量初生晶粒会存活下来；金属熔体中的这些大密度的存活下来的初生晶粒会发生溶质场和温度场的相互干涉，从而抑制枝晶生长，这些初生晶粒逐渐长大为球状；当金属熔体到达垂直直管通道出口处时，金属熔体已经处于固液两相区，内部包含有大量游离的球状初生晶粒，这就是半固态金属。这种半固态金属可以直接进行流变压铸成形、或流变挤压成形、或流变锻造成形，也可以将这些半固态金属收集到一个容器中，再经过适当的冷却凝固，可进一步提高半固态金属中的固相分数，用于流变成形高致密性的零件。总之，从上述制备技术的总体上看，垂直直管通道浇注制备技术的过程比较简单，是一种低成本的半固态金属的制备方法。

上述技术存在的不足之处是：当直管长度一定时，浆料晶粒尺寸和圆整度对过热度非常敏感，金属液过热度略微升高，得到浆料晶粒尺寸和圆整度就会出现明显变化甚至恶化现象，主要原因是得到理想半固态浆料的有效浇注温度区间相对较小，降低了实际生产的可操控性和半固态浆料组织的一致性；特别在制备大型坯料时所用金属液较多，其流过垂直直管时间增加，传给管的热量也相应地比制备小型坯料的要多，因为直管不能及时地将热量散发出去，会使得管壁附近的过冷度减小，靠近管壁形成的晶核数量减少；随着形核密度的减小，晶核间距增大，晶核间相互抑制作用减弱，晶粒有机会长大。同样，随着浇注时间延长，管壁温度升高，对金属液过冷度也大大减小，因此不容易形核，且形成枝晶组织。

发明内容

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

本发明的目的在于提供一种制备半固态金属的旋转振动垂直直管通道的装置及其方法，利用旋转振动促进垂直直管通道内金属液的冷却、形核和晶粒细化，增强垂直直管通道制备半固态金属的能力，提高实际生产过程的可操控性和半固态金属组织性能的一致性，有利于浇注较大型的零件。

本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种旋转振动垂直直管通道制备半固态金属的装置，包括电机、承载支架、旋转套、垂直直管，电机安装在承载支架上，主动带轮安设于设置在承载支架顶部垂直直管与电机之间工型安装架上；旋转套为中空圆套管且外圆上设有从动带轮，旋转套外圆与承载支架内孔之间设有滚动轴承；主动带轮与旋转套的从动带轮由同步齿形带连接为一个旋转副，电机输出轴末端通过联轴器与主动带轮传动连接；连接轴套将垂直直管固定在旋转套的内孔中；在垂直直管外圆出料端安装有旋转物体温度测量探头，用拧紧螺钉限位在承载支架上；浇包设置在垂直直管的上方，过热金属液浇入旋转的垂直直管内孔通道中，变成半固态金属浆料落入收集容器中。

进一步的，所述的联轴器包括上固定盘、下固定盘以及数个扭力带，主动带轮上的轴底端与上固定盘固定连接，电机输出轴末端与下固定盘固定连接，扭力带沿着下固定盘顶部靠近其边缘的位置圆周间距排设，其一端与下固定盘固定连接，其另外一端与上固定盘固定连接，旋转套安设于工型安装架顶部靠近垂直直管位置的内表面，旋转套的外表面与工型安装架的内表面过盈配合，电机带动下固定盘转动，并带动扭力带旋转，自带动上固定盘转动，扭力带在初次转动时会绞合在一起后带动上固定盘转动，随着转速的提高，其扭力带中间位置相互分离且远离，整个传动过程会产生振动，并将振动传递给工型安装架，继而传递给垂直直管内，振动可以有效的将管内先结晶长大的树枝晶震碎，进一步增加了溶体内的异质形核，细化晶粒。

进一步的，所述的垂直直管的内孔直径与长度之比为1：20，不满足长度比会造成堵料以及晶体质量下降的问题。

进一步的，所述的垂直直管的材料为石墨管铜管。

还公开了一种旋转振动垂直直管通道制备半固态金属的装置制备半固态金属浆料的方法，具体步骤如下：

1)根据半固态金属的成分进行配料，并在熔化炉内进行熔化与精炼，得到过热金属液；

2)开启电源，电机转动，电机通过联轴器带动主动带轮转动，主动带轮通过同步齿形带带动旋转套的从动带轮旋转，从而带动固定在旋转套内孔中的垂直直管旋转；通过控制器调节垂直直管的转速，转速范围为100-149r/min或者151-249r/min或者251-500r/min；

3)浇包将过热金属液浇注到旋转振动的垂直直管通道中，金属液过热度区间为金属液相线之上0-250℃；流动的过热金属液在垂直直管通道内旋转、激冷、搅拌、振动；

4)收集半固态金属：过热金属液经过垂直直管通道变成半固态金属浆料，落入收集容器中，冷却后即为半固态金属。

所述的半固态金属可以是铝合金、镁合金或锌合金的一种。

由该方法所制备的所述的半固态金属及其产品，如汽车轮毂、汽车空调压缩机斜盘、转向节、发动机连杆等。

本发明的原理是：旋转振动式直管浇注法是在直管法的基础上增加了旋转振动装置，直管的高速旋转使流经管壁的金属液在离心力的作用下充分与管壁接触，由管壁的碰撞、剪切、激冷以及振动作用产生大量的非匀质晶核。旋转直管内的金属液在重力和管壁黏附力的作用下向下掉落，这种方式增加金属液与管壁碰撞剪切的时间；且金属液能够与管壁充分紧密接触，从而管壁能够更加充分的吸收金属液的热量，当金属液温度较高时亦能具有较高的形核率。直管旋转的速度越快，与管壁接触的金属液量越多，异质形核越多；同时高速旋转产生的剪切力与直管的机械振动频率，随转速与振动频率的增加对金属液进行更加充分的搅拌与振动，使正在生长的枝晶臂碎断，这些破碎的枝晶臂起到了晶核的增殖作用，金属液中均匀分散的晶核和碎断的枝晶臂，使金属液热流梯度相对较小，且整体趋于一致，合金固相晶粒比较容易发生细化和球化，因此在较高转速条件下，即使浇注温度较高也能得到细小球形的半固态金属组织，所得的合金固相晶粒平均直径为30um。

与已有的技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本装置结构简单；但在本装置的作用下，促进了垂直直管通道内壁金属液初生晶粒的形核和游离，增加了金属液中初生晶粒的密度，制备的半固态金属金相结构为细小而均匀的球状或颗粒状的非枝晶组织，使半固态金属的性能有较大提高，抗拉强度可提高22％左右；

2、通过调整转速，使得到理想半固态金属的浇注温度区间变宽50％以上，提高了实际生产的可操控性和半固态浆料组织的一致性，也有利于成形较大型的零件。

3、通过联轴器包括上固定盘、下固定盘以及数个扭力带，主动带轮上的轴底端与上固定盘固定连接，电机输出轴末端与下固定盘固定连接，扭力带沿着下固定盘顶部靠近其边缘的位置圆周间距排设，其一端与下固定盘固定连接，其另外一端与上固定盘固定连接，旋转套安设于工型安装架顶部靠近垂直直管位置的内表面，旋转套的外表面与工型安装架的内表面过盈配合，电机带动下固定盘转动，并带动扭力带旋转，自带动上固定盘转动，扭力带在初次转动时会绞合在一起后带动上固定盘转动，随着转速的提高，其扭力带中间位置相互分离且远离，整个传动过程会产生振动，并将振动传递给工型安装架，继而传递给垂直直管内，振动可以有效的将管内先结晶长大的树枝晶震碎，进一步增加了溶体内的异质形核，细化晶粒。

附图说明

图1为本发明主视局部剖视结构示意图；

图2为本发明图1中A的结构放大示意图；

图3是采用垂直直管通道法浇注温度为670℃制备的半固态ZL101合金的显微组织金相照片；

图4是采用旋转垂直直管通道法浇注温度为670℃制备的半固态ZL101合金的显微组织金相照片。

图中：1、电机；2、主动带轮；3、同步齿形带；4、设备承载支架；5、过热金属液；6、浇包；7、连接轴套；8、垂直直管通道；9、滚动轴承；10、旋转套；11、旋转物体温度测量探头；12、拧紧螺钉；13、半固态金属；14、收集容器；15、工型安装架；16、上固定盘；17、下固定盘；18、扭力带。

具体实施方式

根据下述实施例，可以更好地理解本发明。

实施例

参照图1和图2。

本发明的一种旋转振动垂直直管通道制备半固态金属的装置，包括电机1、承载支架4、旋转套10、垂直直管8，电机1安装在承载支架4上，主动带轮2安设于设置在承载支架4顶部垂直直管8与电机1之间工型安装架15上；旋转套10为中空圆套管且外圆上设有从动带轮，旋转套10外圆与承载支架4内孔之间设有滚动轴承9；主动带轮2与旋转套10的从动带轮由同步齿形带3连接为一个旋转副，电机1输出轴末端通过联轴器与主动带轮2传动连接；连接轴套7将垂直直管8固定在旋转套10的内孔中；在垂直直管8外圆出料端安装有旋转物体温度测量探头11，用拧紧螺钉12限位在承载支架4上；浇包6设置在垂直直管8的上方，过热金属液5浇入旋转的垂直直管8内孔通道中，变成半固态金属13浆料落入收集容器14中。

本发明的特点还在于：

所述的联轴器包括上固定盘16、下固定盘17以及数个扭力带18，主动带轮2上的轴底端与上固定盘16固定连接，电机1输出轴末端与下固定盘17固定连接，扭力带18沿着下固定盘17顶部靠近其边缘的位置圆周间距排设，其一端与下固定盘17固定连接，其另外一端与上固定盘16固定连接，旋转套10安设于工型安装架15顶部靠近垂直直管8位置的内表面，旋转套10的外表面与工型安装架15的内表面过盈配合，电机带动下固定盘转动，并带动扭力带旋转，自带动上固定盘转动，扭力带在初次转动时会绞合在一起后带动上固定盘转动，随着转速的提高，其扭力带中间位置相互分离且远离，整个传动过程会产生振动，并将振动传递给工型安装架，继而传递给垂直直管内，振动可以有效的将管内先结晶长大的树枝晶震碎，进一步增加了溶体内的异质形核，细化晶粒。

所述的垂直直管8的内孔直径与长度之比为1:20，不满足长度比即便有振动的辅助下料效果也会造成堵料以及晶体质量下降的问题。

所述的垂直直管8的材料为石墨管或钢管。

本实施例中，采用旋转垂直直管通道制备半固态金属的装置制备半固态金属的方法，具体步骤如下：

1)根据半固态金属13的成分进行配料，并在熔化炉内进行熔化与精炼，得到过热金属液；所述的半固态金属是选用ZL101A铝合金(即亚共晶Al-7wt％Si-0.45wt％Mg铝合金，相当于美国牌号A356铝合金)；

2)开启电源，电机1转动，电机1通过联轴器带动主动带轮2转动，主动带轮2通过同步齿形带3带动旋转套10的从动带轮旋转，从而带动固定在旋转套10内孔中的垂直直管8旋转；通过控制器调节垂直直管8的转速，转速范围为100-149r/min或者151-249r/min或者251-500r/min，随着转速不断的提高联轴器产生的振动幅度减少，振动频率增高，可根据半固态金属晶粒等级的需求，适应性调节使用；

3)浇包6将过热金属液5浇注到旋转的垂直直管8通道中，金属液过热度区间为金属液相线之上0-250℃；流动的过热金属液5在垂直直管8通道内旋转、激冷、搅拌；

4)收集半固态金属13：过热金属液5经过旋转的垂直直管8通道变成半固态金属13浆料，落入收集容器14中，冷却后即为半固态金属13。

该旋转的垂直直管8通道的材质可以是非金属或金属，具体为石墨管或铜管；在浇注过热金属液时，该旋转的垂直直管通道的温度低于该金属液的固相线温度。

所述的收集容器14可以是坯料成型模具或流变成形设备，当其为流变成形设备时，半固态金属13浆料流入流变成形设备中再流变成形；当其为坯料成型模具时，半固态金属13浆料冷却后就是半固态金属坯料。

本发明中液态金属的过热度、通道直径和旋转速度、振动频率存在适当的匹配关系，即通道直径越小或旋转速度、振动频率越低，过热度就越低，反之，过热度就越高。过热度的具体工艺参数应由对具体设备进行试验后来确定，确保液态金属从通道流出时其温度在液相线以下。

如要获得相同的晶粒度，采用旋转振动垂直直管通道法制备的半固态ZL101合金，金属液过热度区间为金属液相线之上0-55℃，浇注温度区间为615-670℃；如采用垂直直管通道法制备的半固态ZL101合金，金属液过热度区间为金属液相线之上0-35℃，浇注温度区间为615-650℃，可见，浇注温度区间变宽50％以上。

图3是采用垂直直管通道法浇注温度为670℃制备的半固态ZL101合金的显微组织金相照片，图4是采用旋转振动垂直直管通道法浇注温度为670℃制备的半固态ZL101合金的显微组织金相照片。由图3与图4比较可见，采用旋转振动垂直直管通道法制备的半固态ZL101合金组织为细小、均匀的颗粒状非枝晶组织，较相同条件下的垂直直管法制备的半固态ZL101合金组织有明显改善，晶粒尺寸减小一倍以上；采用旋转振动垂直直管通道法制备的半固态ZL101合金，其抗拉强度为σb＝330MPa,相同状态下的垂直直管法制备的半固态ZL101合金,其抗拉强度为σb＝270MPa，提高了22％左右；这种高抗拉强度的半固态ZL101合金可制作汽车轮毂、汽车空调压缩机斜盘、转向节、发动机连杆等产品。

Claims (7)

1.一种旋转振动垂直直管通道制备半固态金属的装置，其特征在于：包括电机(1)、承载支架(4)、旋转套(10)、垂直直管(8)，电机(1)安装在承载支架(4)上，主动带轮(2)安设于设置在承载支架(4)顶部垂直直管(8)与电机(1)之间工型安装架(15)上；旋转套(10)为中空圆套管且外圆上设有从动带轮，旋转套(10)外圆与承载支架(4)内孔之间设有滚动轴承(9)；主动带轮(2)与旋转套(10)的从动带轮由同步齿形带(3)连接为一个旋转副，电机(1)输出轴末端通过联轴器与主动带轮(2)传动连接；连接轴套(7)将垂直直管(8)固定在旋转套(10)的内孔中；在垂直直管(8)外圆出料端安装有旋转物体温度测量探头(11)，用拧紧螺钉(12)限位在承载支架(4)上；浇包(6)设置在垂直直管(8)的上方，过热金属液(5)浇入旋转的垂直直管(8)内孔通道中，变成半固态金属(13)浆料落入收集容器(14)中。

2.根据权利要求1所述的一种旋转振动垂直直管通道制备半固态金属的装置，其特征在于：所述的联轴器包括上固定盘(16)、下固定盘(17)以及数个扭力带(18)，主动带轮(2)上的轴底端与上固定盘(16)固定连接，电机(1)输出轴末端与下固定盘(17)固定连接，扭力带(18)沿着下固定盘(17)顶部靠近其边缘的位置圆周间距排设，其一端与下固定盘(17)固定连接，其另外一端与上固定盘(16)固定连接，旋转套(10)安设于工型安装架(15)顶部靠近垂直直管(8)位置的内表面，旋转套(10)的外表面与工型安装架(15)的内表面过盈配合。

3.根据权利要求2所述的一种旋转振动垂直直管通道制备半固态金属的装置，其特征在于：所述的垂直直管(8)的内孔直径与长度之比为1:20。

4.根据权利要求1所述的一种旋转振动垂直直管通道制备半固态金属的装置，其特征在于：所述的垂直直管(8)的材料为石墨管或钢管。

5.根据权利要求1所述的一种旋转振动垂直直管通道制备半固态金属的装置及其方法，其特征在于具体步骤如下：

1)根据半固态金属(13)的成分进行配料，并在熔化炉内进行熔化与精炼，得到过热金属液；

2)开启电源，电机(1)转动，电机(1)通过联轴器带动主动带轮(2)转动，主动带轮(2)通过同步齿形带(3)带动旋转套(10)的从动带轮旋转，从而带动固定在旋转套(10)内孔中的垂直直管(8)旋转；通过控制器调节垂直直管(8)的转速，转速范围为100-149r/min或者151-249r/min或者251-500r/min；

3)浇包(6)将过热金属液(5)浇注到旋转的垂直直管(8)通道中，金属液过热度范围为金属液相线之上0-250℃；流动的过热金属液(5)在垂直直管(8)通道内旋转、激冷、搅拌；

4)收集半固态金属(13)：过热金属液(5)经过垂直直管(8)通道变成半固态金属(13)浆料，落入收集容器(14)中，冷却后即为半固态金属(13)。

6.根据权利要求5所述的一种旋转振动垂直直管通道制备半固态金属的装置及其方法，其特征在于所述的半固态金属(13)可以是铝合金、镁合金或锌合金的一种。

7.根据权利要求5所述的一种旋转振动垂直直管通道制备半固态金属的装置及其方法，其特征在于由该方法所制备的所述的半固态金属(13)及其产品。

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