CN113832365B - 一种适用于汽车轻量化半固态铝合金材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及铝合金制备技术领域，具体提供了一种适用于汽车轻量化半固态铝合金材料的制备方法，包括S1、选料；S2、送料；S3、熔炼；S4、搅拌，所述感应加热炉的上方设置有搅拌机构，所述搅拌机构包括动态扭矩传感器、中空搅拌棒和分散盘，旋转接头固定在所述中空搅拌棒的顶部并且连通所述中空搅拌棒；S5、加粉，所述旋转接头连通所述输送颗粒筒。本发明的有益效果是搅拌棒为中空结构，同时搅拌棒与输送颗粒筒连通，纳米级添粉末添加剂通过中空搅拌棒落入分散盘内，分散盘在搅拌半固态浆液的同时进行加粉，当纳米级添粉末添加剂从中空结构的搅拌棒内里落到分散盘中心，将纳米级添粉末添加剂在离心力的作用下，均匀的分散在浆液中。

Description

一种适用于汽车轻量化半固态铝合金材料的制备方法

技术领域

本发明涉及铝合金制备技术领域，尤其涉及一种适用于汽车轻量化半固态铝合金材料的制备方法。

背景技术

汽车轻量化是当前汽车行业的热点，轻量化效果最明显的方式是材料上实现轻量化，用于汽车轻量化的材料大致分为4种，高强钢，高强铝，高强镁，碳纤维增强复合材料。随着汽车行业对轻量化的研究与投资越发活跃,过去以钢铁为主流的车辆开发时代,逐步进入减少钢铁比重、增加相应轻量化材料的新时代。近几年来,由于铝合金与高强钢相比重量密度相差较大，制造成本比碳纤维低，与镁合金相比，有良好的力学性能与抗腐蚀性，易于加工等特点。早在1990年,汽车行业先进发达国家就已开始开发铝合金轻量车身并投入量产。但是目前，使用铝合金在已有生产设备的沿用以及成型、加工、结合技术方面的突破和材料费用上仍存在很多问题，我们必须寻找新能源汽车铝合金新型制备方式解决目前所面临的瓶颈问题。

早在1971年美国麻省理工学院等人就发明了一种搅动铸造新工艺制备半固态铝合金，其原理为在金属凝固过程中对半固态金属液进行强烈搅拌或振荡等，使树枝状初晶破碎成等轴颗粒状分布于液相，从而得到一种固液混合浆料，这也是最开始半固态制备的雏形。与此同时铝合金颗粒增强相等一系列问题备受大量研究者的关注，目前已有大量研究证明,颗粒增强铝基复合材料在继承铝合金密度小的同时,还具备了低成本、高强度、高刚度、铸造性能优良等优点,而这些优点使得铝合金具有非常高的研究价值；

长远看来,对于单一材料来说往往不能很好地满足诸多性能的要求，就需要把不同性能的材料组合起来，制备成复合材料，使材料间取长补短。当前的铝合金传统材料的技术要求还远远不够,为满足不断增长的汽车轻量化及安全性的需求,后仍需持续不断地研发新型材料,传统的半固态制备的机械搅拌按照液体固液相温度区间进行搅拌控制，这种控制不稳定，外界因素对搅拌时机与搅拌时间对搅拌影响较大，不能及时判断铝液固液相状态，导致晶粒粗大，不能有效的在半固态时打碎枝晶，同时在复合材料强化颗粒加入时，容易出现强化颗粒分布不均匀存在团聚现象，导致力学性能差，这些客观因素也是导致目前半固态制备量产最大的痛点。

本发明着重于实践，解决目前半固态搅拌方式的不稳定和增加非金属复合材料颗粒强化相的团聚问题，本发明通过大量实验，通过采用半固态同轴加粉搅拌法，依靠动态扭矩传感器进行实时判断，制备半固态铝基复合材料能有效地阻碍了裂纹的扩展和有效的打碎枝晶，使得铝合金的层错能较低,晶界扩散速率较高,在亚晶界上堆积的位错很容易被吸收,这样就加速了材料的动态再结晶的进程。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了解决不能及时判断铝液固液相状态进而有效的在半固态时进行搅拌和均匀添加粉末添加剂的问题，本发明提供了一种适用于汽车轻量化半固态铝合金材料的制备方法来解决上述问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种适用于汽车轻量化半固态铝合金材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、选料，选用铝合金锭作为铝基体，选用纳米级粉状添加剂作为复合材料；

S2、送料，将铝合金锭投入感应加热炉内，将纳米级粉状添加剂加入输送颗粒筒内；

S3、熔炼，将感应加热炉的温度设定为高于铝合金液相线的温度，向感应加热炉内通入保护气体进行熔炼保护，打开感应加热炉的加热开关进行加热，当感应加热炉内的温度达到铝合金液相线温度时，感应加热炉进入保温模式，加热速率变小进行缓慢加热，将铝合金锭熔炼成半固态浆液；

S4、搅拌，所述感应加热炉的上方设置有搅拌机构，所述搅拌机构包括搅拌电机、动态扭矩传感器、控制箱、齿轮箱、中空搅拌棒、旋转接头和分散盘，所述搅拌电机的输出轴通过动态扭矩传感器与齿轮箱内的主动齿轮的齿轮轴固定连接，所述中空搅拌棒安装在齿轮箱内的从动齿轮的中心，所述齿轮箱和搅拌电机滑动安装在线性导轨上，所述线性导轨通过升降电机进行驱动，所述动态扭矩传感器和升降电机与所述控制箱连接，所述旋转接头固定在所述中空搅拌棒的顶部并且连通所述中空搅拌棒，所述分散盘固定在所述中空搅拌棒的底部并且连通所述中空搅拌棒，当所述感应加热炉进入保温模式后，启动升降电机使齿轮箱和搅拌电机沿线性导轨移动，将中空搅拌棒和分散盘伸入感应加热炉内，之后搅拌电机启动带动中空搅拌棒和分散盘转动，对半固态浆液进行搅拌，在搅拌过程中通过动态扭矩传感器采集中空搅拌棒在搅拌时产生的扭矩值，再通过控制箱实时采集动态扭矩传感器的数据；

S5、加粉，所述旋转接头连通所述输送颗粒筒，所述输送颗粒筒内具有绞龙，所述绞龙通过伺服电机带动旋转，所述伺服电机与所述控制箱连接，当所述扭矩传感器采集到的扭矩值达到需要的数值时，控制箱启动伺服电机，伺服电机带动绞龙转动，将输送颗粒筒内的纳米级粉状添加剂输送至中空搅拌棒和分散盘中，并通过分散盘的转动将纳米级粉状添加剂混合在半固态浆液里面，当所述扭矩传感器采集到的扭矩值未达到需要的数值时，控制箱停止伺服电机从而停止向半固态浆液里添加纳米级粉状添加剂，此时中空搅拌棒和分散盘继续转动，实现对半固态铝合金材料的制备。

作为优选，在S1中，所述铝合金锭为Al-Si系铝合金，所述纳米级粉状添加剂为氧化铝或氧化锆。

作为优选，在S1中，所述铝合金锭为Al-Si-Cu系铝合金。

作为优选，在S4中，所述动态扭矩传感器的负载量程为1～10N，所述扭矩传感器可进行正向或反向扭矩信号输出，输出扭矩信号通过模拟量方式传输至控制箱，模拟量信号通常为0～5V、0～10V或4～20mA。

作为优选，在S4中，所述控制箱通过对升降电机进行控制，能够使中空搅拌棒和分散盘精确停留在半固态浆液的不同深度处或在感应加热炉内进行上下往复运动。

作为优选，在S4中，所述控制箱根据动态扭矩传感器的采集的扭矩值，对感应加热炉加热系统进行PID运算，调控感应加热炉的加热功率及加热速率。

作为优选，在S4中，所述中空搅拌棒的转速为50～200转/分钟。

作为优选，在S4中，所述分散盘的入口开设在中心部位，所述分散盘的出口设置有多个并且沿所述分散盘的圆柱面均匀分布。

本发明的有益效果是，其一，搅拌棒为中空结构，同时搅拌棒与输送颗粒筒连通，纳米级添粉末添加剂通过中空搅拌棒落入分散盘内，分散盘在搅拌半固态浆液的同时进行加粉，当纳米级添粉末添加剂从中空结构的搅拌棒内里落到分散盘中心，分散盘转动时，将纳米粉在离心力的作用下，均匀的分散在浆液中。控制箱可控制送粉量以及调整分散盘上下位置，进行均匀送粉，这样在半固态加粉更加均匀可靠；

其二，在铝合金熔炼过程中，半固态温度区间的判断主要依据为动态扭矩传感器，待浆液温度接近固相线时，中空搅拌棒开始搅拌，搅拌轮通过动态扭矩传感器将受力信息发送给控制箱，控制箱进行运算，当判断铝合金浆液达到一定粘稠度时，输送颗粒筒开始送粉。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明一种适用于汽车轻量化半固态铝合金材料的制备方法的流程图；

图2是本发明一种适用于汽车轻量化半固态铝合金材料的制备方法的最优实施例的整体结构示意图；

图3是本发明一种适用于汽车轻量化半固态铝合金材料的制备方法的最优实施例的齿轮箱的结构示意图；

图4是本发明一种适用于汽车轻量化半固态铝合金材料的制备方法的最优实施例的分散盘的结构示意图。

图中1、感应加热炉，2、连接扣，3、输送颗粒筒，4、搅拌电机，5、动态扭矩传感器，6、齿轮箱，7、升降电机，8、控制箱，9、中空搅拌棒，10、旋转接头，11、伺服电机，12、线性导轨，13、分散盘。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

如图1～4所示，本发明提供了一种适用于汽车轻量化半固态铝合金材料的制备方法的实施例，包括以下步骤：

S1、选料，选用铝合金锭作为铝基体，铝合金锭采用Al-Si系铝合金或Al-Si-Cu系铝合金，成品铝合金锭的使用，无需对铝合金进行二次精炼除气，选用纳米级粉状添加剂作为复合材料，纳米级粉状添加剂为氧化铝或氧化锆；

S2、送料，将铝合金锭投入感应加热炉1内，将纳米级粉状添加剂加入输送颗粒筒3内；

S3、熔炼，将感应加热炉1的温度设定为高于铝合金液相线的温度，向感应加热炉1内通入二氧化碳作为保护气体进行熔炼保护，防止铝溶液的表面的氧化燃烧，打开感应加热炉1的加热开关进行加热，当感应加热炉1内的温度达到铝合金液相线温度时，感应加热炉1进入保温模式，加热速率变小进行缓慢加热，将铝合金锭熔炼成半固态浆液，以选用Al-SI系铝合金A356.2的铝合金锭作为铝基体时为例，首先将感应加热炉1的温度设定为高于铝合金液相线5℃～10℃，当感应加热炉1内的温度传感器显示到达液相线温度时，加热速率变小缓慢加热，进入保温设置模式；

S4、搅拌，感应加热炉1的上方设置有搅拌机构，搅拌机构包括搅拌电机4、动态扭矩传感器5、控制箱8、齿轮箱6、中空搅拌棒9、旋转接头10和分散盘13，搅拌电机4的输出轴通过动态扭矩传感器5与齿轮箱6内的主动齿轮的齿轮轴固定连接，中空搅拌棒9安装在齿轮箱6内的从动齿轮的中心，齿轮箱6和搅拌电机4滑动安装在线性导轨12上，在其他的实施例中，也能够采用皮带轮组或链轮组代替齿轮箱6进行传动，线性导轨12通过升降电机7进行驱动，动态扭矩传感器5和升降电机7与控制箱8连接，动态扭矩传感器5的负载量程为1～10N，扭矩传感器可进行正向或反向扭矩信号输出，输出扭矩信号通过模拟量方式传输至控制箱8，模拟量信号通常为0～5V、0～10V或4～20mA，旋转接头10固定在中空搅拌棒9的顶部并且连通中空搅拌棒9，分散盘13固定在中空搅拌棒9的底部并且连通中空搅拌棒9，搅拌杆优先选用氮化硅、碳化硅材质或不锈钢材质，防止与纳米级粉状添加剂发生化学反应，分散盘13的入口开设在中心部位，分散盘13的出口设置有多个并且沿分散盘13的圆柱面均匀分布，使进入分散盘13的纳米级粉状添加剂能够均匀分散，当感应加热炉1进入保温模式后，启动升降电机7使齿轮箱6和搅拌电机4沿线性导轨12移动，将中空搅拌棒9和分散盘13伸入感应加热炉1内，控制箱8通过对升降电机7进行控制，能够使中空搅拌棒9和分散盘13精确停留在半固态浆液的不同深度处或在感应加热炉1内进行上下往复运动，之后搅拌电机4启动带动中空搅拌棒9和分散盘13转动，对半固态浆液进行搅拌，中空搅拌棒9的转速为50～200转/分钟，在搅拌过程中通过动态扭矩传感器5采集中空搅拌棒9在搅拌时产生的扭矩值，中空搅拌棒9在搅拌液态或半固态浆液时的扭矩值取决于浆料的粘稠度，而粘稠度为判断半固态固液相温度区间的主要依据，当粘稠度较大时则表示此时半固态浆液中的固相过多，当粘稠度较小时则表示此时半固态浆液中的液相过多，控制箱8实时采集动态扭矩传感器5的数据，根据动态扭矩传感器5的采集的扭矩值，对感应加热炉1加热系统进行PID运算，从而调控感应加热炉1的加热功率及加热速率，即通过提高感应加热炉1的加热功率及加热速率，减小半固态浆液中固相的产生，或者通过降低感应加热炉1的加热功率及加热速率，增加半固态浆液中固相的产生；

S5、加粉，旋转接头10连通输送颗粒筒3，输送颗粒筒3内具有绞龙，绞龙通过伺服电机11带动旋转，输送颗粒筒3和绞龙采用不锈钢制成，能够防止与纳米级粉状添加剂发生化学反应，伺服电机11通过连接扣2与搅拌电机4固定连接，伺服电机11与控制箱8连接，当扭矩传感器采集到的扭矩值达到需要的数值时，控制箱8启动伺服电机11并对伺服电机11的转速进行精确控制，实现对绞龙转速的控制，进而对输送颗粒筒3的送粉量进行精确控制，伺服电机11带动绞龙转动，将输送颗粒筒3内的纳米级粉状添加剂输送至中空搅拌棒9和分散盘13中，并通过分散盘13的转动将纳米级粉状添加剂混合在半固态浆液里面，当扭矩传感器采集到的扭矩值未达到需要的数值时，控制箱8停止伺服电机11从而停止向半固态浆液里添加纳米级粉状添加剂，此时中空搅拌棒9和分散盘13继续转动，例如当扭矩值过大时，则判断此时半固态浆液处于过于粘稠状态，不宜加入纳米级粉状添加剂，此时控制箱8停止伺服电机11从而停止添加纳米级粉状添加剂，而感应加热炉1则根据扭矩值提高感应加热炉1的加热功率进行加热，减少固相的产生，实现对半固态铝合金材料的制备。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (7)

1.一种适用于汽车轻量化半固态铝合金材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、选料，选用铝合金锭作为铝基体，选用纳米级粉状添加剂作为复合材料；

S2、送料，将铝合金锭投入感应加热炉内，将纳米级粉状添加剂加入输送颗粒筒内；

S3、熔炼，将感应加热炉的温度设定为高于铝合金液相线的温度，向感应加热炉内通入保护气体进行熔炼保护，打开感应加热炉的加热开关进行加热，当感应加热炉内的温度达到铝合金液相线温度时，感应加热炉进入保温模式，加热速率变小进行缓慢加热，将铝合金锭熔炼成半固态浆液；

S4、搅拌，所述感应加热炉的上方设置有搅拌机构，所述搅拌机构包括搅拌电机、动态扭矩传感器、控制箱、齿轮箱、中空搅拌棒、旋转接头和分散盘，所述搅拌电机的输出轴通过动态扭矩传感器与齿轮箱内的主动齿轮的齿轮轴固定连接，所述中空搅拌棒安装在齿轮箱内的从动齿轮的中心，所述齿轮箱和搅拌电机滑动安装在线性导轨上，所述线性导轨通过升降电机进行驱动，所述动态扭矩传感器和升降电机与所述控制箱连接，所述旋转接头固定在所述中空搅拌棒的顶部并且连通所述中空搅拌棒，所述分散盘固定在所述中空搅拌棒的底部并且连通所述中空搅拌棒，当所述感应加热炉进入保温模式后，启动升降电机使齿轮箱和搅拌电机沿线性导轨移动，将中空搅拌棒和分散盘伸入感应加热炉内，之后搅拌电机启动带动中空搅拌棒和分散盘转动，对半固态浆液进行搅拌，在搅拌过程中通过动态扭矩传感器采集中空搅拌棒在搅拌时产生的扭矩值，再通过控制箱实时采集动态扭矩传感器的数据；

S5、加粉，所述旋转接头连通所述输送颗粒筒，所述输送颗粒筒内具有绞龙，所述绞龙通过伺服电机带动旋转，所述伺服电机与所述控制箱连接，当所述扭矩传感器采集到的扭矩值达到需要的数值时，控制箱启动伺服电机，伺服电机带动绞龙转动，将输送颗粒筒内的纳米级粉状添加剂输送至中空搅拌棒和分散盘中，并通过分散盘的转动将纳米级粉状添加剂混合在半固态浆液里面，当所述扭矩传感器采集到的扭矩值未达到需要的数值时，控制箱停止伺服电机从而停止向半固态浆液里添加纳米级粉状添加剂，此时中空搅拌棒和分散盘继续转动，实现对半固态铝合金材料的制备；

在S1中，所述铝合金锭为Al-Si系铝合金，所述纳米级粉状添加剂为氧化铝或氧化锆。

2.如权利要求1所述的一种适用于汽车轻量化半固态铝合金材料的制备方法，其特征在于：在S1中，所述铝合金锭为Al-Si-Cu系铝合金。

3.如权利要求2所述的一种适用于汽车轻量化半固态铝合金材料的制备方法，其特征在于：在S4中，所述动态扭矩传感器的负载量程为1～10N，所述扭矩传感器可进行正向或反向扭矩信号输出，输出扭矩信号通过模拟量方式传输至控制箱，模拟量信号通常为0～5V、0～10V或4～20mA。

4.如权利要求3所述的一种适用于汽车轻量化半固态铝合金材料的制备方法，其特征在于：在S4中，所述控制箱通过对升降电机进行控制，能够使中空搅拌棒和分散盘精确停留在半固态浆液的不同深度处或在感应加热炉内进行上下往复运动。

5.如权利要求4所述的一种适用于汽车轻量化半固态铝合金材料的制备方法，其特征在于：在S4中，所述控制箱根据动态扭矩传感器的采集的扭矩值，对感应加热炉加热系统进行PID运算，调控感应加热炉的加热功率及加热速率。

6.如权利要求5所述的一种适用于汽车轻量化半固态铝合金材料的制备方法，其特征在于：在S4中，所述中空搅拌棒的转速为50～200转/分钟。

7.如权利要求6所述的一种适用于汽车轻量化半固态铝合金材料的制备方法，其特征在于：在S4中，所述分散盘的入口开设在中心部位，所述分散盘的出口设置有多个并且沿所述分散盘的圆柱面均匀分布。

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