CN112536430A - 一种连续搅拌装置及利用该装置制备半固态金属浆料或金属基复合浆料的方法 - Google Patents

Abstract

一种连续搅拌装置及利用该装置制备半固态金属浆料或金属基复合浆料的方法，涉及半固态金属浆料或金属基复合浆料制备技术领域。本发明的目的是要解决传统搅拌法制备半固态金属浆料或金属基复合浆料存在金属浆料制备与浆料浇铸、材料成型不能连续进行的问题。方法：将金属浆料加入到坩埚内，利用加热装置将金属浆料加热，同时启动电机带动搅拌杆转动，搅拌得到半固态金属浆料。将金属浆料加入到坩埚内，利用加热装置将金属浆料加热，同时启动电机带动搅拌杆转动，搅拌后向坩埚内加入增强颗粒，继续搅拌，得到金属基复合浆料。本发明可获得一种连续搅拌装置及利用该装置制备半固态金属浆料或金属基复合浆料的方法。

Description

一种连续搅拌装置及利用该装置制备半固态金属浆料或金属 基复合浆料的方法

技术领域

本发明涉及半固态金属浆料或金属基复合浆料制备技术领域，具体涉及一种连续搅拌装置及利用该装置制备半固态金属浆料或金属基复合浆料的方法。

背景技术

半固态金属成形是20世纪70年代新发现的一种凝固现象的应用，它不是利用凝固过程来控制组织的变化或缺陷的产生，而是通过半固态金属液产生的流变性和熔融性来控制制件的质量。它对解决传统压铸件缺陷多、寿命低、耗能大等问题具有重要作用，因此受到国内外有关学者的关注。

半固态成形包括流变成形和触变成形。将制得的半固态非枝晶浆料直接进行成形加工，称为流变成形(Rheoforming)；而将这种浆料先凝固成铸锭，再根据需要将金属铸锭分切成一定大小，使其重新加热至半固态温度区间而进行的加工成为触变成形(Thixoforming)。

流变成形，由于直接获得的半固态浆液的保存和输送很不方便，因此在实际应用中很少。但是与触变成形相比，流变成形更节省能源，流程更短，设备更紧凑，因此流变成形技术仍然是金属半固态成形加工技术的一个重要发展方向。镁合金流变成形的发展主要以射铸成形的发展为主，它类似于塑料注射成形法：开始将粉末状或块状金属通过料斗送入高温螺旋混合机加热至半融化状态后，以混料螺旋为活塞，通过喷嘴高速射入压铸模具内成形。美国Dow Chemical公司研制了镁合金的半固态触变成形工艺与设备，并于1991年实现商业化。美国contell大学的K.K.Wang等人、Kono Kaname、英国Brunel大学的Z，Fan，S.Jiand M.J.Bevis等人也在不同程度上研究开发了半固态金属流变注射成形机，其中包括螺旋搅拌流变成形机、叶片搅拌注射成形机和双螺杆半固态金属流变注射成形机。

触变成形与流变成形相比更为实际可行。与传统的压铸相比，触变注射成形无需液态金属熔炼和浇注等过程，从而使生产过程更加清洁、安全和节能。主要表现为单位成形件的原材料消耗大大减少、无爆炸危险、没有熔渣产生；成形过程中卷人的气体大幅度减少，零件空隙度小于0.069％，因此，成形件可以热处理，保证制件的质量；缩松少，致密度高，成品率可达50％或更高，而压铸只能达到35％；具有良好的耐蚀能力，机械性能高于或相当于压铸件。与传统压铸相比，工作温度约降低100℃，有利于提高压铸模寿命。生产过程具有良好的一致性，成形件尺寸精度高，可达到近终形或终形成形。触变成形根据其工艺过程可以分为非枝晶组织的制备、二次部分重熔及半固态触变成形三个过程。

半固态加工技术中的第一个重要工艺就是如何获得优质的非枝晶组织，即触变结构。目前用于非枝晶组织坯料生产的工艺主要有：

(1)机械搅拌法：最直接的枝晶破碎方法就是机械搅拌法，通过搅拌棒或者叶片对熔体直接施加搅拌，利用半固态金属流层速度不同产生的剪切力或者采用螺旋式搅拌器来强化凝固过程中金属液的流动使得枝晶折断、破碎、变形，从而形成弥散球状固相颗粒的半固态合金。它具有以下优点：1.设备构造简单、工艺参数容易控制；2.搅拌中可以获得很高的剪切速率，利于形成细小的近球形的微观结构。

(2)电磁搅拌法：是在机械搅拌法的原理上衍生的一种清洁、高效、灵活的方法。它利用电磁感应在凝固的金属液中产生感应电流，感应电流在外加磁场的作用下促使金属固液浆料激烈地搅动，使传统的枝晶组织转变为非枝晶组织，一般用于生产直径≯150mm的棒坯。该方法在很大程度上克服了机械搅拌的缺点，可实现连铸，生产效率高。

(3)应变诱发熔化激活法(SIMA法)：是预先连续铸造出晶粒细小的合金锭，再将合金铸锭进行足够的预形变，然后加热到半固态；在加热过程中，先发生再结晶，然后部分熔化，使初生相转变成颗粒状，形成半固态合金材料。此方法对制备较高熔点的非枝晶组织合金具有独特的优越性，但只能制<60mm的坯料。

(4)半固态等温热处理法(SSIT)：相对来说比较简单省时，在合金熔融状态时加入变质元素，进行常规铸造，然后把锭坯重新加热到固液两相区进行保温处理，最终获得具有触变性的非枝晶组织。它与SIMA法相比略去了预变形；与机械搅拌法和电磁搅拌法相比，该工艺略去了专门制备非枝晶组织的步骤，可以在半固态成形之前的二次加热中实现非枝晶化。

二次重熔过程是指将制好的半固态坯料重新加热到半固态温度形成非枝晶组织的过程。对于镁合金来说，二次重熔过程须在密闭条件或是气体保护条件下进行，否则镁合金表面大量的氧化会使合金性能降低，产生缺陷。

颗粒增强金属基复合材料有很多种各具特色的制备方法。按照颗粒的加入方式，颗粒增强金属基复合材料的制造工艺可以分为外加法和原位生成两种方法。外加法又发展了许多制备技术，根据工艺温度可以分为两类：液相工艺和固相工艺。

1、固相法：固相法是指基体处于固态制造金属基复合材料的方法。在某些方法中(如热压法)为了复合进行得更好，有时希望有少量液相存在，也即温度控制在基体合金的液相线和固相线之间。

固相法包括粉末冶金法、机械合金化、热轧法等。其中粉末冶金法又称固态金属扩散冶金法，是最早用来制造金属基复合材料的方法，此方法是将固体金属粉末和增强粒子机械混合，在一定的温度和压力下，金属在增强材料周围被迫流动扩散。粉末冶金法有以下几个优点：1.制备温度低于铸造法，因高温引起的界面反应少；2.可在同一零件的不同位置加入不同数量和品种的增强物，以得到不同的性能：3.增强物分布均匀，不易出现偏析或偏聚等现象。但是，粉末冶金工业中所必须进行的二次加工如挤压、轧制、锻造等使其应用受到了很大限制，工艺过于复杂、生产周期长，成本高，工件尺寸和形状有一定的限制，所以无法得到广泛应用。

2、液相法：液相法是指基体金属处于熔融状态下与固态的增强材料复合在一起的方法。为了改善液态金属基体对固态增强材料的润湿性，以及控制高温下增强材料与基体间的界面反应，可以采用加压浸渗、增强材料的表面处理以及基体中添加合金元素等措施。液相法包括真空压力浸渗法、挤压铸造法、搅拌铸造法、液相金属浸渗法和共喷沉积法等。其中，铸造法克服了固相法的一些缺点，它为扩大金属基复合材料的使用范围提供了巨大的便利，是适合工业规模生产铝基复合材料的主要方法，世界各国纷纷在这一方向的研究上花大力气，搅拌铸造法更是研究应用的热点。搅拌铸造是指将陶瓷颗粒等增强物加入高速搅拌的基体金属熔体从而形成复合材料的方法。它可以分为液相搅拌法和半固态合金铸造法两类，制成浆料后用离心铸造、挤压铸造或重力浇注等方法直接制成工件毛坯或制成铸锭。

液相搅拌法是通过高速旋转的搅拌器的桨叶搅动金属液，使其强烈流动，并形成以搅拌旋转轴为对称中心的漩涡，将颗粒加到漩涡中，依靠漩涡的负压抽吸作用，使颗粒进入金属液中，经过一段时间的强烈搅拌，颗粒便可逐渐地均匀分布在基体中，并与之复合在一起。升至一定温度后，浇入金属型，用挤压铸造等适当的铸造方法成型。用此法制造复合材料，工艺和设备都比较简单，生产成本低，可以用于大规模生产，但是由于在高速搅拌的漩涡中不可避免有气体和夹杂物混入，偏析与团聚现象也难以完全避免，而且颗粒的粒度及加入的数量都受到一定的限制。

半固态合金铸造法是指在制备颗粒增强复合材料时，利用半固态熔体的触变性，在粘度较高的液固两相熔体中边搅拌边加入增强体颗粒。此时，基体熔体处于激烈运动状态，加入物与基体相互碰撞使得表面得到活化，两者紧密结合，同时能防止粒子上浮或下沉。用此法可以制造出较好的复合材料，这种方法可以说是搅拌法的一种变化和改良。由于它是在半固态时进行搅拌，增强物加进去即使润湿不好也会因固相粒子的阻挡或滞留而不会结集和偏聚，仍能得到较好的分散。同时，由于采用了搅拌，所得到的组织也有别于一般制备方法。因此，这种方法得到了越来越多的重视，并被不少人采用。

3、原位生成法：顾名思义，即原位生成增强相，是在80年代出现的一种新型的制备复合材料的工艺。增强相可以以共晶的形式从基体中析出，也可以通过由加入元素或化合物之间的反应生成。前者得到定向凝固共晶复合材料，后者得到反应自生成复合材料。原位自生成复合材料中基体与增强相材料之问的相容性好，界面干净，结合牢固，特别是增强相与基体有共格或半共格关系时，能非常有效地传递应力，界面上不会生成不利于结合强度的反应产物，因此这种复合材料有比较优异的力学性能。目前，仍处于研究阶段。

综上所述，在这一系列的制备方法中，最有可能使颗粒增强铝基复合材料实现低成本、大规模工业生产的是铸造法，但是仍有很多地方需要进行改进，要解决一些技术上的关键问题，例如传统搅拌法制备半固态金属浆料或金属基复合浆料时，会存在金属浆料制备与浆料浇铸、材料成型不能连续进行，造成生产效率低、成本高的问题。

发明内容

本发明的目的是要解决传统搅拌法制备半固态金属浆料或金属基复合浆料存在金属浆料制备与浆料浇铸、材料成型不能连续进行，造成生产效率低、成本高的问题，而提供一种连续搅拌装置及利用该装置制备半固态金属浆料或金属基复合浆料的方法。

一种连续搅拌装置，包括电机、坩埚、搅拌杆和加热装置；所述坩埚为设置有环形通道的环形敞口装置，坩埚的外圆周面上设有出料口，坩埚的上方设置有电机，盖板上设有与电机尺寸相同的孔洞，盖板套装在电机上并覆盖在坩埚的上端，电机通过联轴器与搅拌杆连接，搅拌杆垂直伸入至坩埚的环形通道内，坩埚的表面设置有加热装置，所述加热装置与电源电连接。

利用连续搅拌装置制备半固态金属浆料的方法，按以下步骤完成：

将金属浆料加入到坩埚内，利用加热装置将金属浆料加热至580℃～620℃，同时启动电机带动搅拌杆转动，搅拌20min～30min后，得到半固态金属浆料。

利用连续搅拌装置制备金属基复合浆料的方法，按以下步骤完成：

将金属浆料加入到坩埚内，利用加热装置将金属浆料加热至580℃～620℃，同时启动电机带动搅拌杆转动，搅拌20min～30min后，向坩埚内加入增强颗粒，继续搅拌20min～30min，得到金属基复合浆料。

本发明的有益效果：

(1)本发明一种连续搅拌装置及利用该装置制备半固态金属浆料或金属基复合浆料的方法，通过设置连续搅拌装置，使半固态金属在搅拌驱动力的作用下沿着环形通道进行环形流动，同时在搅拌叶片的剪切应力作用下，可以连续制备出大批量的半固态金属浆料或金属基复合浆料，与压铸机、液压机等设备联合使用，实现浆料制备和在线浇铸、材料成型连续进行，实现零件的半固态在线流变铸造或者压力成形。

(2)本发明通过搅拌法制备半固态金属浆料或金属基复合浆料，实现搅拌作用连续进行，大批量在线制备金属浆料的同时，使增强相更容易混入金属液中，在制备金属浆料的同时，实现半固态金属浆料或者金属基复合浆料的实时浇铸，从而保证低成本、高效率的工业化连续生产，同时，设备结构简单，设备投资低。

本发明可获得一种连续搅拌装置及利用该装置制备半固态金属浆料或金属基复合浆料的方法。

附图说明

图1为实施例1一种连续搅拌装置的结构示意图，1为电机，2为盖板，3为环形通道，4为坩埚，5为电阻丝，6为搅拌杆，7为加热圈，8为出料口；

图2为实施例1一种连续搅拌装置的俯视图，1为电机，2为盖板，7为加热圈，8为出料口；

图3为实施例1一种连续搅拌装置的轴侧视图，1为电机，2为盖板，5为电阻丝，7为加热圈，8为出料口。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式一种连续搅拌装置，包括电机1、坩埚4、搅拌杆6和加热装置；所述坩埚4为设置有环形通道3的环形敞口装置，坩埚4的外圆周面上设有出料口8，坩埚4的上方设置有电机1，盖板2上设有与电机1尺寸相同的孔洞，盖板2套装在电机1上并覆盖在坩埚4的上端，电机1通过联轴器与搅拌杆6连接，搅拌杆6垂直伸入至坩埚4的环形通道3内，坩埚4的表面设置有加热装置，所述加热装置与电源电连接。

盖板2上设置的孔洞为阶梯型孔洞，上面为与电机1尺寸相同的凸台，下面为与电机1的搅拌杆6直径相同的孔洞。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点是：所述加热装置由电阻丝5和加热圈7组成，所述电阻丝5设置在坩埚4的内圆周面上，所述加热圈7缠绕在坩埚4的外圆周面上。

其他步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式利用连续搅拌装置制备半固态金属浆料的方法，按以下步骤完成：

将金属浆料加入到坩埚4内，利用加热装置将金属浆料加热至580℃～620℃，同时启动电机1带动搅拌杆6转动，搅拌20min～30min后，得到半固态金属浆料。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同点是：所述金属浆料由7075铝合金熔融制备。

其他步骤与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式三或四不同点是：所述金属浆料为液态或半固态。

其他步骤与具体实施方式三或四相同。

具体实施方式六：本实施方式利用连续搅拌装置制备金属基复合浆料的方法，按以下步骤完成：

将金属浆料加入到坩埚4内，利用加热装置将金属浆料加热至580℃～620℃，同时启动电机1带动搅拌杆6转动，搅拌20min～30min后，向坩埚4内加入增强颗粒，继续搅拌20min～30min，得到金属基复合浆料。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同点是：所述金属浆料由7075铝合金熔融制备。

其他步骤与具体实施方式六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式六或七不同点是：所述金属浆料为液态或半固态。

其他步骤与具体实施方式六或七相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式六至八之一不同点是：所述增强颗粒为SiC颗粒。

其他步骤与具体实施方式六至八相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式六至九之一不同点是：所述SiC颗粒与金属浆料的体积比为(0.2～0.3)：1。

其他步骤与具体实施方式六至九相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例1：如图1-图3所示，一种连续搅拌装置，包括电机1、坩埚4、电阻丝5、搅拌杆6和加热圈7；所述坩埚4为设置有环形通道3的环形敞口装置，坩埚4的外圆周面上设有出料口8，坩埚4的上方设置有电机1，盖板2上设有与电机1尺寸相同的孔洞，盖板2套装在电机1上并覆盖在坩埚4的上端，电机1通过联轴器与搅拌杆6连接，搅拌杆6垂直伸入至坩埚4的环形通道3内，所述电阻丝5设置在坩埚4的内圆周面上，所述加热圈7缠绕在坩埚4的外圆周面上，所述加热装置与电源电连接。

实施例2：利用连续搅拌装置制备半固态金属浆料的方法，按以下步骤完成：

将由7075铝合金熔融制备的金属浆料(液态或半固态)加入到坩埚4内，在电阻丝5和加热圈7的共同作用下，将金属浆料加热至580℃，在此温度下，金属浆料处于半固态温度状态，同时启动电机1带动搅拌杆6转动，使金属浆料在搅拌叶片的剪切作用下沿着环形通道3流动，搅拌25min后，使微观组织演化成球形的7075固相颗粒均匀的分布在7075铝合金液体中，得到半固态金属浆料。此时，可以通过坩埚4的出料口8将半固态金属浆料浇铸到相应的模具中，完成半固态金属的流变成形。

实施例3：利用连续搅拌装置制备金属基复合浆料的方法，按以下步骤完成：

将由7075铝合金熔融制备的金属浆料(液态或半固态)加入到坩埚4内，在电阻丝5和加热圈7的共同作用下，将金属浆料加热至580℃，在此温度下，金属浆料处于半固态温度状态，同时启动电机1带动搅拌杆6转动，使金属浆料在驱动力的作用下沿着环形通道3流动，使金属浆料在搅拌叶片的剪切作用下沿着环形通道3流动，搅拌25min后，使微观组织演化成球形的7075固相颗粒均匀的分布在7075铝合金液体中，再向坩埚4内加入SiC颗粒，继续搅拌25min，在搅拌叶片的搅拌作用下，使增强相颗粒均匀的分散，得到增强体均匀分散的金属基复合浆料，所述SiC颗粒与金属浆料的体积比为0.2：1。此时，可以通过坩埚4的出料口8将金属基复合浆料浇铸到相应的模具中，完成半固态金属的流变成形。

Claims (10)

1.一种连续搅拌装置，其特征在于它包括电机(1)、坩埚(4)、搅拌杆(6)和加热装置；所述坩埚(4)为设置有环形通道(3)的环形敞口装置，坩埚(4)的外圆周面上设有出料口(8)，坩埚(4)的上方设置有电机(1)，盖板(2)上设有与电机(1)尺寸相同的孔洞，盖板(2)套装在电机(1)上并覆盖在坩埚(4)的上端，电机(1)通过联轴器与搅拌杆(6)连接，搅拌杆(6)垂直伸入至坩埚(4)的环形通道(3)内，坩埚(4)的表面设置有加热装置，所述加热装置与电源电连接。

2.根据权利要求1所述的一种连续搅拌装置，其特征在于所述加热装置由电阻丝(5)和加热圈(7)组成，所述电阻丝(5)设置在坩埚(4)的内圆周面上，所述加热圈(7)缠绕在坩埚(4)的外圆周面上。

3.利用如权利要求1所述的连续搅拌装置制备半固态金属浆料的方法，其特征在于该制备方法按以下步骤完成：

将金属浆料加入到坩埚(4)内，利用加热装置将金属浆料加热至580℃～620℃，同时启动电机(1)带动搅拌杆(6)转动，搅拌20min～30min后，得到半固态金属浆料。

4.根据权利要求3所述的利用连续搅拌装置制备半固态金属浆料的方法，其特征在于所述金属浆料由7075铝合金熔融制备。

5.根据权利要求3所述的利用连续搅拌装置制备半固态金属浆料的方法，其特征在于所述金属浆料为液态或半固态。

6.利用如权利要求1所述的连续搅拌装置制备金属基复合浆料的方法，其特征在于该制备方法按以下步骤完成：

将金属浆料加入到坩埚(4)内，利用加热装置将金属浆料加热至580℃～620℃，同时启动电机(1)带动搅拌杆(6)转动，搅拌20min～30min后，向坩埚(4)内加入增强颗粒，继续搅拌20min～30min，得到金属基复合浆料。

7.根据权利要求6所述的利用连续搅拌装置制备金属基复合浆料的方法，其特征在于所述金属浆料由7075铝合金熔融制备。

8.根据权利要求6所述的利用连续搅拌装置制备金属基复合浆料的方法，其特征在于所述金属浆料为液态或半固态。

9.根据权利要求6所述的利用连续搅拌装置制备金属基复合浆料的方法，其特征在于所述增强颗粒为SiC颗粒。

10.根据权利要求6或9所述的利用连续搅拌装置制备金属基复合浆料的方法，其特征在于所述SiC颗粒与金属浆料的体积比为(0.2～0.3)：1。

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