CN1168561C - 用于模制触变材料的抗热冲击的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于原料处理成一种触变状态的材料的设备。所述设备包括一个筒体，所述筒体具有一个第一部分、一个第二部分和喷嘴部分。所述第一部分、一个第二部分和喷嘴部分连接在一起并且包括相互配合的内表面，所述内表面限定了一个贯穿所述筒体的中心通道。所述第一部分是由第一种材料制成的，所述第二部分是由第二种材料制成的，所述喷嘴部分是由第三种材料制成的。所述第一种材料在抗热疲劳和热冲击方面的性能强于所述第二种材料，同时所述喷嘴部分包括一个衬套，所述衬套可防止热量输送到压模中，防止过大的模制压力和减小周期时间。所述设备还包括一个预热器，所述预热器能够在原料进入所述筒体之前对所述原料进行预热，还包括一个热量梯度监测系统、一种新的加强喷嘴结构和该设备的一种两极式实施例。

Description

用于模制触变材料的抗热冲击的设备

本发明涉及一种用于将触变材料模制成制品的设备。本发明特别涉及一种热效率高且抗热冲击性能好的用于将触变材料模制成制品的设备。

通常，在常温下具有枝晶组织的金属成分被熔化，接着经过高压的压铸工艺处理。由于铸件中存在气孔、浇注中存在熔体损耗、铸件中含有有杂质、浇注中产生过多的废品、耗能大、工作周期长、压模的使用寿命短以及压模结构的限制等因素的影响而使这些常规的压铸工艺的应用受到限制。另外，常规的工艺会促使各种微观缺陷(诸如气孔)的形成，这样，需要对铸件进行后续的加工并且应用于相对于机械性能比较保守的工艺设计中。

由于形成金属成分的工艺是已知的，这些金属成分在半固态下的微观结构是由圆形或球形的由一种连续液相包围的退化枝晶组织颗粒构成的。这与传统的由一种连续液相包围的枝晶组织的平衡微观结构是不同的。这些新结构具有非牛顿粘度、粘度和剪切率之间成相反关系，这些材料本身被称为触变材料。

用于形成触变材料的一种方法要求将金属成分或合金加热到一个在其液相线以上的温度，接着当将所述液体金属合金被冷却到在两相平衡区域中的一个温度时使其受到较高剪切率的剪切作用。在冷却过程中进行搅动的结果是该合金初始凝固相成核并生长成圆形的原始颗粒(与互连的枝晶颗粒相反)。这些原始颗粒是由不连续的退化枝晶球形颗粒构成并且被所述液体金属或合金的为凝固部分包围。

形成触变材料的另一种方法包括将金属成分或金属合金(以后就称为“合金”)加热到一个使大部分合金(但不是所有的)处于液态的温度。接着将所述合金输送到一个温度控制区域并且使其受到剪切。对所述材料的剪切作用所形成的搅动将一些枝晶颗粒转化成退化枝晶球形颗粒。在该方法中，最好是当开始搅动时，所述半固态金属所含的液相多于固相。

将合金转化成一种“铸态”的一种压铸技术是已知的。对于这种技术，将原料输送到一个往复式螺杆压射部件中，原料在所述往复式螺旋压射部件中从外部被加热并且在一个转动螺杆的作用下受到进行剪切。当所述材料被所述螺杆处理时，所述材料在所述筒体内向前移动。部分熔化和同时的剪切作用的结合产生了一种含有不连续退化枝晶球形颗粒的合金浆，换言之，半固态金属并具有触变性能。所述触变浆在螺杆的作用下被输送到所述筒体中的一个聚集区域，所述聚集区域位于压射喷嘴和螺杆尖端之间。当所述触变浆被输送到所述聚集区域中时，所述螺杆同时向着离开所述部件的喷嘴方向移动以控制一次压射的触变浆的量和限制在所述喷嘴和螺杆尖端之间的原料。利用控制在所述喷嘴中的一个固态金属堵头的凝固可防止所述触变浆从所述喷嘴尖端泄露或流出，所述堵头是通过控制所述喷嘴的温度而形成的。当适量的用于形成制品的触变浆聚集在所述聚集区域中后，快速地向前驱动所述螺杆并提供足够大的压力以迫使所述固态金属堵头离开所述喷嘴并进入到一个接收装置中，从而使所述触变浆被压射到所述压铸腔中以形成所需的固态制品。所述喷嘴中的堵头可防止所述触变浆氧化或在所述喷嘴的内壁上形成氧化物，否则，所述氧化物将被带入到最终的铸件中。所述堵头还在压射侧封闭了所述压铸腔，有助于所述压铸腔被抽真空并且进一步满足了所需铸件的复杂性和提高其质量。所述堵头还缩短了周期时间，否则如果使用了一种直浇道破坏方式，那么将会增加周期时间。所述接收装置包括了一个直浇道衬套，所述直浇道衬套使触变浆直接流入到压铸腔中并可以热的方式控制所述直浇道的凝固速度以减少周期时间并使所述设备更有效。

能够完成这些成形方法的设备的示例包括如在WO 97 21509 A(D2)和EP 0 761 344 A(D3)中所披露的设备。这些文献都披露了一种用于将材料处理成一种半固态材料并接着对所述材料进行压铸的设备。每一种设备包括一个剪切机构、一个压射缸和一个筒体。当所述材料通过所述筒体时，它们受到剪切作用和加热或冷却以使所述材料被处理成一种触变状态。所述材料被输送到一个压射缸中。当在压射缸中存在适量的材料时，一个压头前进迫使所述材料进入到一个压铸腔中。

在目前的触变模制设备中，所有对所述材料的加热都是在所述设备的筒体中进行的。材料进入所述筒体的处于低温的一端(冷端)，然后所述材料向前通过一系列加热区域，当材料通过所述加热区域时，其温度快速地并且至少是开始逐渐升高。所述加热区域的加热元件本身通常是电阻加热器或感应加热器，这些加热元件可或不可比在前的加热元件热。因此，沿着所述筒体的长度方向并且穿过所述筒体的厚度存在一个热量梯度。

用于触变材料的一种模制设备的常规筒体结构是一种长(长度可达110英寸(279.4厘米))且厚(外径可达11英寸(27.94厘米)，具有3至4英寸(7.62-10.16厘米)的壁厚)的整体式筒体。当这些设备的尺寸和生产能量提高时，所述筒体的长度和厚度也相应地增大。这样，使穿过所述筒体的热量梯度增大并且导致意想不到的后果。另外，目前用于制作这些筒体的主要材料为可锻合金718(所限定的成分：镍(加钴)50.00-55.00％；铬17.00-21.00％；其余为铁；其中含有铌(加钽)4.75-5.50％；钼2.80-3.30％；钛0.65-1.15％；铝，0.20-0.80；钴，最大为1.00；碳，最大为0.08；镁，最大为0.35；硅，最大为0.35；磷，最大为0.015；硫，最大为0.015；硼，最大为0.006；铜，最大为0.30)，这种材料的供应非常短缺(最小供应期为12个月)并且价格非常贵(每磅12美元(每千克26.43美元))。最近制成的600吨生产能力的筒体耗时1年，每一个的成本为150000美元。

经过获得合金718制作材料所需的长时间，获得这种制作材料的高成本以及制作所述筒体的长时间后，两个600吨筒体投入使用以模制触变材料，特别是镁合金。在不到一周的使用期内，所述触变模制设备大约使用了700-900个周期后，两个筒体都不能使用了。在本发明人对不能使用的筒体进行分析后，出人意料地发现，导致所述筒体失效的原因是在筒体的冷部分或端部处的热应力和特别是热冲击而导致的。如这里所用的，一个筒体的冷部分或端部是所述材料首先进入筒体中的部分或端部。在这个部分中，可以观察到最强烈的热量梯度，特别是在所述冷部分的中间温度区域中，该区域位于进料喉的下游。

在使用一个触变材料模制设备的过程中，小球状或碎屑状固态原料在大约为75°F(23.89℃)的常温下被输送到所述筒体中。这些触变材料模制设备的筒体由于长且厚，因此对其中的一种材料的加热效率较低。在输送“冷”原料时，所述原料在所述筒体的中间温度区域中被冷却在所述筒体的内表面上。但是，该区域的外表面不会受到所述原料的影响或冷却，这是因为加热器在其周围。因此，所测得的穿过所述筒体厚度的一个较大的热量梯度作用产生在所述筒体的该区域中。另外，沿着所述筒体的长度方向也产生一个热量梯度。在所述筒体的具有最高热量梯度的这个中间温度区域中发现，当加热器周期“断开”频繁地减少时，所述筒体被加热得越剧烈。

在所述筒体内，一个螺杆转动以剪切所述原料并且纵向地使所述原料通过所述筒体的各个加热区域，使所述原料的温度升高并且当所述原料到达所述筒体的热端或压射端时平衡在所需水平处。在所述筒体的热部分处，处理过的材料的温度在1050°-1100°F(565.6-593.3℃)的范围内。所述筒体在处理镁合金时所经受的最大温度在1140°F(615.6℃)的范围内。当所述原料被加热成一种具有触变性能的半固态时，所述筒体的内表面温度相应地升高。所述内表面温度升高是沿着所述筒体的整个长度上，包括较短的冷部分。

在足量的材料聚集在所述筒体的热部分中并且所述材料具有其触变性能以后，所述材料被压射到一个具有形状与所需制品相同的压模中。接着，在所述材料从所述筒体压射出以后，将另外的原料引入到所述筒体的冷部分中，再次降低所述内部的筒体表面温度。

如上所述，特别是在所述筒体的中间温度区域中，在所述触变材料模制设备的操作过程中，所述筒体的内表面经受了一次温度循环。可以看出，所述筒体的内表面和外表面之间的热量梯度大约为350℃。

由于所述合金718中所含有的镍会受到目前最常用的触变材料熔融镁的腐蚀，因此筒体衬有一个耐镁材料的套或衬以防止镁破坏所述合金718。几种这样的材料是Stellite 12(含30的铬，8.3的钨和1.4的碳；由Stoody-Doloro-Stellite Corp.生产)，PM 0.80合金(含0.8的碳，27.81铬，4.11的钨，其余为钴，并且具有0.66的氮)以及铌基合金(诸如Nb-30Ti-20W)。显然，筒体的热膨胀系数和衬必须是相互适应的以进行适当的机加工。

由于所述筒体中的热量梯度的循环周期大，因此所述筒体受到热疲劳和热冲击。这是本发明人所发现的导致所述筒体和筒体衬破裂的原因。当所述筒体衬破裂后，镁可渗入所述衬并破坏所述筒体。我们发现，筒体的破裂和所述筒体被镁破坏是导致上述筒体过早报废的原因。

根据上面的内容，显然需要一种改进的筒体结构，特别适用于大型触变材料模制设备的那些大热质的筒体。

因此，本发明的一个主要目的是提供一种能够满足上述要求的改进筒体结构以及一种用于触变材料模制设备本身的改进结构。

本发明的另一个目的是提供一种能够在上述操作条件下提高工作寿命的筒体结构。

本发明的另一个目的是提供一种能够在上述操作条件下不易受到热疲劳和热冲击的筒体结构。

本发明的另一个目的是提供一种比已知结构的成本低并且具有更易于得到材料的筒体结构。

本发明的另一个目的是提供一种用于产生具有触变性能的材料的新方法。

本发明的另一个目的是使触变模制设备的传热和生产率达到最佳。

本发明的另一个目的是减小提供所述设备的喷嘴传送到直浇道衬套的热量。

本发明的另一个目的是提高从直浇道通过所述设备的喷嘴输送到直浇道衬套的热量。

通过提供一种新的筒体、喷嘴、直浇道衬套和加热装置可达到上述和其它本发明目的。

本发明的一个方面是一种复合或三件式或三个部分的筒体结构，其中，所述筒体的一个部分是用于预备材料，另外两个部分是用于满足压射要求。这三个部分可被称为筒体的冷部分、热部分和输出喷嘴部分。根据本发明，所述筒体的冷部分和热部分是用不同的材料分别制成的并且在所述筒体的一个中央部分中连接在一起。所述热部分仍然由一种厚(因此具有高强度)、抗热疲劳、抗蠕变和抗热冲击的材料制成的，诸如合金718，这是由于温度控制是重要的。所述热部分的一种优选结构是使用一种在一种铌基合金的衬层中具有一个HIPPED的浇注微小颗粒合金718，所述铌基合金诸如Nb-30Ti-20W，以降低成本和更耐所述需要处理的材料的腐蚀。所述需要处理的材料可包括铝和镁。所述与筒体热部分相连的输出喷嘴的温度控制也是重要的，这是由于所述喷嘴和压模之间的热传导。在模制一个制品后，重要的是在所述喷嘴中形成一个固态堵头并且所述堵头的尺寸必须能够提供一种密封，但不能太大(长)以致于在下一个周期中需要过大的压力将所述堵头从喷嘴中清除。当所述堵头被冲击或压入到所述直浇道扩张的捕获腔中时，清除所述堵头的过大压力会使所述压型出现披缝(由于压型轻微分离而使在分型线处存在多余的材料)和渗漏(SSM材料通过止回阀回流或泄露)。当所述喷嘴的温度降得太低时所形成的喷嘴堵头尺寸是无法接收的。这可由使过热的材料流入到所述压型中的周期时间长以及喷嘴的冷却和/或具有较高温度分布的处理而导致的，在具有较高温度分布的处理中，流入到所述压型中的热量不能与流入到所述喷嘴中的热量保持平衡。

可利用一种破坏直浇道的操作方式避免上述的喷嘴问题，所述破坏直浇道的操作方式是在每一个压射后使喷嘴与直浇道。但是，根据本发明的一个方面，最好是制作一个直浇道衬套镶嵌件作为能够在所述喷嘴和压模之间提供一个隔热阻挡的装置。出人意料地发现，所述直浇道衬套镶嵌件能够减小所述喷嘴处的压力升高，从而无需一种直浇道破坏的操作方式和减少披缝缺陷。所述直浇道破坏的操作方式还会使所述设备的周期时间增加几秒。

与现有的结构不同，所述筒体的冷部分是由第二种材料制成的一个较薄(因此，圆周强度较低)的部分构成的。所述第二种材料价格比第一种材料便宜，并且具有较高的导热率，其热膨胀系数小于所述第一种材料。所述第二种材料相对于需要处理的触变材料具有良好的耐磨性和耐腐蚀性。用于所述筒体的冷部分的几种优选材料是不锈钢422、T-2888合金以及合金909，它们可衬有一种铌剂合金(诸如Nb-30Ti-20W)，对于处理铝和镁，还可对它们进行渗氮、硼化或硅化。

热效率高的设备的另一个方面是利用所述直浇道衬套的冷却以缩短周期时间和提高设备生产率。

本发明的另一个方面是无需在所述筒体的冷部分中使用一个衬。如上所述，一个衬用于现有结构中以防止半固态的镁或特别是半固态的镁的液相腐蚀所述筒体材料。实际上，所述镁腐蚀合金718中的含有的镍。在不锈钢422中，镍含量低于1％，这样与镁的反应可以忽略不计。另外，不锈钢422是具有0.2％碳的可硬化的马氏体不锈钢。利用在1900°F(1037.8℃)淬火和在1200°F(648.9℃)回火，不锈钢422可被硬化到洛氏硬度35(Rc)。另外，所述筒体的冷部分内的通道内表面可被渗氮，因此在筒体的高磨损环境下进一步提供好的耐磨性。这使所述筒体的冷部分可在没有以前所需要的一个衬的情况下被操作。在处理的材料是铝的情况下，需要一个上述的衬，并且可被渗氮、硼化或硅化。

另一种能够减少在所述筒体上的热冲击的变型筒体结构是一种外部具有一种强化纤维成分的筒体，特别是在所述筒体的冷部分中。所述强化纤维成分位于一个耐火隔热层和一个衬的外部。加热线圈或其它加热装置设置在所述强化纤维成分周围。所述筒体的热部分的结构与前面描述的相同。

在本发明的另一个方面，根据在所述筒体的内表面和外表面之间所测得的温度梯度控制所述筒体的温度。这与以前在所述筒体的内表面附近监测所述筒体的温度不同。以前，温度传感器设置在靠近所述筒体的内表面的位置处以监测所述内表面温度。在本发明中，温度传感器不仅设置在筒体的内表面附近，而且还设置在所述筒体的外表面附近。这样，可测得三个温度读数：(1)一个内表面温度；(2)一个外表面温度；(3)一个热量梯度温度或通过所述筒体厚度的ΔT，它是内部温度传感器和外部温度传感器的测量数值的差值。通过监测所述筒体所受到的热量梯度并且因此对温度进行调节，可对触变材料的处理进行更精确的控制，从而可避免因热疲劳和热冲击而导致的筒体失效。仅监测所述内表面温度不能控制或监测上述热环境。

本发明的另一个方面是使进入所述设备的原料的预热和形成触变材料的方法相结合。预热最好是在所述原料进入所述设备的保护性氛围内之后和所述原料进入所述筒体中之前进行的。预热仅使所述原料的温度升至大约700-800°F(371.1-426.7℃)。超过这个温度范围的预热会使所述原料熔化，因此应当避免。这样，可确保良好的剪切作用在所述材料上以提高其触变性能。

预热可通过多种方式来达到。一种方法是当原料通过与筒体的输入口相连的一个输送管道时对所述原料进行预热。当所述原料通过所述输送管道时，这可利用对原料进行微波加热来达到。或者，当所述原料在一个进料推进器的作用下从进料斗输送到所述输送管道时对所述原料进行预热。另一种方法是当所述原料仍然留在进料斗中时对其进行预热。可利用多种方法对所述原料进行加热，这些方法包括(但不限于)微波加热、使用带式加热器、使用红外加热器或使用加热管道或烟道，所述加热管道或烟道中具有来自一个流体源的循环流动的一种热流体、液体或气体。

在本发明的另一个方面，对所述筒体的热部分的结构进行改进以减小施加在密封件、螺栓和螺栓孔上的应力。这可通过将所述密封件、螺栓移到一个低压区域来达到，所述低压区域位于与所述螺杆相关联的止回阀的后部或上游并且位于所述筒体内。

在本发明的另一个方面中，所述触变模制设备的结构是低压冷部分与一个分开的热或高压压射筒体或缸体相连，所述分开的热或高压压射筒体或缸体本身传送一个高速压程。在这样一个两极式结构中，所述触变模制设备的处理或冷部分使输送到原料的热量达到最大以产生触变浆并接着将所述触变浆输送到所述压射或热部分，所述压射或热部分在将材料压射到压模的过程中使其强度达到最大。或者，可使用多个低压冷部分将所述材料输送到一个压射或热部分。这样一种结构对产生能力较高的设备是有益的，所述产生能力较高的设备具有一个大的压射或热部分。

本领域技术人员可通过下面结合附图对本发明的优选实施例的详细描述和后面的权利要求中容易地看出本发明的其它优点。

图1是本发明所涉及的一种触变材料模制设备的示意图；

图2是图1中的模制设备的筒体的另一个实施例的放大截面图；

图3是根据本发明的一个实施例示出具有所述强化纤维成分的结构的截面图；

图4是根据已知技术示出一个筒体的热部分结构的放大截面图；

图5是根据本发明的另一个方面示出一个筒体的热部分的放大截面图；

图6是根据本发明的另一个方面示出一种两极式(处理和压射)设备的示意图；

图7是一种两极式设备的另一个实施例的端部截面图，其中所述设备具有多个将原料输送给一个共用压射缸的挤压装置。

现参照附图，图1中示出了本发明所涉及的用于将一种金属材料处理成触变状态并对所述材料进行模制以形成模制的、压铸的或锻造的产品的机器或设备，该机器或设备由附图标记10表示。与常规的压铸和锻造机器不一样，本发明适于利用一种金属或金属合金(以后就称为“合金”)的固态原料。这样，在压铸和锻造过程中不需使用熔化炉以及没有了与使用熔化炉相关的限制。图中所示的本发明设备接收的是一种碎屑状或丸状的固态原料，这样形式的原料是较好的。所述设备10将所述固态原料转变成一种半固态的触变浆，然后利用喷射铸造、压铸或锻造的方法将所述半固态的触变浆制成一种制品。

可以预料，在本发明设备中所形成的制品与非触变模制制品或常规压铸制品相比，缺陷率大大地降低并且气孔大大地减少。众所周知，减少气孔可提高制品的强度和延展性。显然，减少铸造缺陷和减少气孔是人们所希望的。

图1中所示出的设备10包括一个与铸型16相连的筒体12。如下面详细描述的，所述筒体12包括一个冷部分或输入部分14和一个热部分或输出部分15以及一个输出喷嘴30。一个输入口18位于所述冷部分14中，一个输出口20位于所述热部分15中。所述输入口18用于接收来自一个给料装置22的颗粒状、丸状或碎屑状的固态合金原料(未示出)。所述原料最好为碎屑状并且其大小在4至20目。

适用于本发明设备10中的一种合金包括镁合金。但是，不应将本发明理解成仅限于镁合金，因为，我们相信，其它任何能够被处理成一种触变状态的金属或金属合金都可用于本发明，特别是铝基合金、锌基合金、钛基合金和铜基合金。

在所述给料斗22的底部处的原料通过一个输出口32被重力排放到一个可测定容积的给料装置38中。一个推进加料器(未示出)位于所述给料装置38内并且可被一个适合的驱动机构40以转动的方式被驱动，例如一个电动马达。所述推进加料器在给料装置38内转动以一种预定的速度推动原料并通过一个输送管道或进料喉42和所述输入口18将所述原料输送到所述筒体12中。

当所述筒体12接收到原料时，加热元件24将原料进行加热到一个预定的温度以使所述材料处于两相的状态。在所述两相区中，所述筒体12中的原料温度在合金的固相线温度和液相线温度之间，所述原料被部分熔化并且处于一种具有固相和液相的平衡状态。

利用各种类型的加热或冷却元件24设置温度控制装置以达到这种目的。图1中所示的加热/冷却元件24包括带式电阻加热器。在另一个结构中，也可使用一种感应加热线圈。所述带式电阻加热器24是较好，它们在操作中比较稳定，成本较低并且不会对加热速度或加热能力以及加热周期进行过分的限制。

通常可在所述加热元件24上安装一个绝热层或绝热套(未示出)以进一步有助于将热量传送到所述筒体12中。为了进一步使对外界环境的热量损耗最小，最好沿着所述筒体12的长度方向围绕所述筒体12外设一个壳体(未示出)。

以带式加热器24的形式的温度控制装置还设置在所述喷嘴30的周围(结合图4至图6)以用于控制所述喷嘴的温度并易于形成一个临界尺寸的合金固态堵头。所述堵头防止合金滴料或空气(氧气)或其它杂质回流到所述设备10的内部保护性氛围(通常氩气)中。当需要时，例如在利用真空进行模制中，这样一个堵头还有助于铸型16的抽真空。

该设备还可包括一个固定的台板和一个可移动的台板，每一个台板分别和一个固定半模16和一个可移动的半模相连。所述半模包括内表面，它们的内表面结合在一起限定了一个模腔100，所述模腔100的形状与需要模制的制品是相同的。利用一个内浇道、横浇道和直浇道将模腔100与所述喷嘴30连接在一起，所述内浇道、横浇道和直浇道用附图标记102表示。铸模26的操作是常规的，因此在这里不再详细地描述。

一个往复式螺杆26位于所述筒体12中并且在一个合适的驱动机构44的作用下按照与所述给料缸体44内的推进加料器类似的方式转动，所述驱动机构44例如一个电动马达，从而所述螺杆26上的叶片使合金受到剪切力的作用并且使所述合金在所述筒体12内向着输出口20的方向移动。所述剪切作用使合金被调整成一种触变浆，所述触变浆包括被液相包围的多个退化枝晶组织的小圆球。

在所述设备10的操作过程中，接通所述加热器24对所述筒体12进行充分加热到合适的温度或具有沿着所述筒体12的长度方向的合适的温度分布。通常，对于薄壁部件的成形，需要一种较高的温度分布，对于具有薄壁和厚壁的部件的成形，需要一种中间的温度分布，而对于厚壁部件的成形，需要一种较低的温度分布。当进行充分加热时，所述系统控制器34启动所述给料装置38的驱动机构40使所述给料装置38内的推进加料器转动。所述推进加料器将来自所述给料斗22的原料输送到所述进料喉42并使所述原料通过所述筒体12的输入口18进入到筒体12中。如下面将描述的，如果需要的话，可在所述给料斗22、给料装置38或进料喉42中对所述原料进行预热。

在所述筒体12中，所述原料与所述转动螺杆26接触，所述螺杆26是在驱动机构44的作用下转动的，而所述驱动机构44是由所述控制器44启动的。所述原料被输送到所述筒体12的孔46内并在所述螺杆26上的叶片28的作用下受到剪切。当所述原料通过所述筒体12时，由加热器24所提供的热量和所述剪切用作使所述原料的温度升至在其固相线温度和液相线温度之间的所需温度。在该温度范围内，所述固态原料转变为一种包括其一些成分的液相的半固态，在所述液相中存在其剩余成分的固相。所述螺杆26和叶片28连续转动，以一个足以防止半固态合金相对于固态颗粒枝晶生长的速度在所述半固态合金中产生剪切，从而形成了一种触变浆。

所述触变浆通过所述筒体12向前移动直至一定量的触变浆聚集在所述筒体12的前部21(积累区域)，所述前部21在所述螺杆26的尖端27的前面。利用控制器34使螺杆停止转动，接着所述控制器34为一个驱动器36发指令使所述螺杆26向前移动并迫使所述合金通过一个与所述输出口20相连的喷嘴30进入到铸模18中。所述螺杆初始加速到大约1至5英寸/秒的速度。一个止回阀31防止所述材料在螺杆26向前移动的过程中向后流向所述输入口18。这样可压实所述筒体12中的前部21中的压射料。较慢的速度可压实浆料并且挤压或迫使包括所述保护氛围的气体在内的多余气体从所述浆料中排出。在压实所述浆料之后，立刻迅速地增大所述螺杆26的速度，使所述压力升至足以将所述堵头从所述喷嘴30冲击或压入到一个用于捕获所述堵头的直浇道腔中的程度。当瞬时压力下降时，所述速度增加到一个预定的程度，在用于镁合金的情况下，通常在40至120英寸/秒(101.6-304.8厘米/秒)的范围内。当所述螺杆26达到使所述浆料完全充满铸模的位置时，所述压力再次上升，同时所述控制器34使所述螺杆26停止向前移动并使所述螺杆26开始回缩，同时所述螺杆26恢复转动并处理下一批用于模制的原料。所述控制器使速度分布具有较宽的选择范围，其中，在压射周期(可以短至25毫秒或长至200毫秒)中，可通过位置来改变压力/速度的关系。

当所述螺杆26停止向前移动并且所述铸模被充满时，位于所述喷嘴30内的一部分材料在所述喷嘴的尖端凝固成一个固态堵头。该堵头封闭了所述筒体12的内部并使所述铸模16被打开以取出被模制的制品。

在每一个制品的模制过程中，所述螺杆26的向前移动将使所述堵头被从所述喷嘴30压出并进入到所述用于捕获所述堵头并且在不干扰所述浆料经过横浇道和内浇道系统102流入到所述模腔100中的前提下接收所述堵头的直浇道腔中。在模制后，所述堵头保持在所述横浇道和内浇道系统102的凝固材料中，在一个后续的修整步骤中将这些凝固材料从所述制品上去除并回收。

由于喷嘴30和压型16之间的热传导，因此所述喷嘴30的温度控制是重要的。在模制一个制品之后，在所述喷嘴中形成一个固态堵头是重要的，所述堵头适于提供一个密封件，但是该密封件不能太大(长)以致于在下一个周期中需要过大的压力将其从该通道中清除。当所述堵头被冲击或压入到所述直浇道扩张的捕获腔中时，清除所述堵头的过大压力会使所述压型出现披缝(由于压型轻微分离而使在分型线处存在多余的材料)和渗漏(SSM材料通过止回阀回流或泄露)。当所述喷嘴30的温度降得太低时所形成的喷嘴堵头尺寸是无法接收的。这可由使过热的材料流入到所述压型中的周期时间长以及喷嘴30的冷却和/或通过喷嘴/衬套接合的过量热传导而导致的，在通过喷嘴/衬套接合的过量热传导中，流入到所述压型中的热量不能与流入到所述喷嘴30中的热量保持平衡。

上述喷嘴问题可通过制作一个直浇道衬套镶嵌件140以及利用一种导热率较低的材料制作所述喷嘴30来避免，所述直浇道衬套镶嵌件140在所述喷嘴30和压型16之间提供了一个隔热层。所述直浇道衬套镶嵌件140通常为环形，并且具有一个中心开口142，所述镶嵌件140在一侧上的外形适于安装所述喷嘴30的尖端146，这一侧由附图标记144表示。如图5中所示，所述直浇道衬套镶嵌件140安装在一个限定在一个衬套150中的环形座148内，所述衬套150自身安装在所述压型16中。所述衬套150包括限定一个中心区域152的部分，一个堵头捕获装置154安装在所述中心区域152内以“捕获”一个被清除的堵头。一个直浇道156以相互配合的方式限定在所述衬套150和所述捕获区域152之间。

令人惊奇地发现，一种由0.8％C PM Co合金制成的直浇道衬套镶嵌件140可使在所述喷嘴所见到的压力升高减小了50％(从每平方英寸6000磅(420千克/平方厘米)减小到从每平方英寸3000-4000磅(210-280千克/平方厘米))，从而减少了披缝缺陷和无需一种破坏直浇道的操作模式。利用立方晶体的稳定氧化锆以离子喷涂的方式镀覆在所述喷嘴衬套镶嵌件140的下游表面和周边可进一步降低热传导和降低压力的峰值。如果保持压紧状态，可使用立方晶体的稳定氧化锆的镶嵌件。也可使用其它耐热的导热率低的材料。

对于喷嘴30本身，它所用的材料是合金钢(诸如T-2888)、PM 0.8C合金和铌基合金，诸如Nb-30Ti-20W。在一种优选的结构中，所述喷嘴30是以单体的方式由上述合金中的一种制成的。在另一个优选实施例中，所述喷嘴30是由合金718和HIPPED制成的，并且具有一个由铌基合金或PM 0.8C合金制成的耐热表面。

还可使图5中的直浇道衬套150被进一步冷却以加速所述直浇道的凝固，从而缩短了周期时间并且提高了设备的生产能力。对于一种0.62磅重的丸状料，周期时间从28秒降至24秒。还可在不影响设备喷嘴或堵头的尺寸的情况下对所述直浇道进行单独冷却进一步降低周期时间。

本发明设备10的筒体12与以往的结构相比，不同之处在于，本发明所涉及的筒体12为三件式结构。所见到的以往筒体仅是一种具有衬或没有衬的整体式结构。如上所述，在生产能力较大的设备中，例如600吨的设备，这种整体式的筒体是昂贵的，制作时间很长，并且由于在制作时受到热疲劳和热冲击而过早地不能被使用。本发明中的筒体12克服了上述三个缺陷。

如图1和图2中所示，本发明的筒体12包括三个部分，它们分别被称为冷部分14、热部分15和所述筒体12的喷嘴30。如图2中所示，所述筒体12的冷部分14与热部分15接合以使一个连续的孔46是由所述冷部分14与热部分15的各自内表面48、50以相互配合的方式限定的。为了将这两个筒体部分14和15固定在一起，所述冷部分14设有一个径向的凸缘52，所述凸缘52中限定了一个安装孔54。具有相应螺纹的孔限定在所述筒体热部分15的配合部分58中。螺纹紧固件60穿过所述凸缘52中的孔54以螺纹连接的方式接合在所述具有螺纹的孔56中，从而将所述冷部分14与热部分15固定在一起。为了提高所述冷部分14与热部分15的接合能力，所述冷部分14与热部分15的形状是互补的，所述冷部分14形成有一个凸台62，而所述热部分15形成有一个凹槽64。通过使筒体在穿过所述厚度方向上和沿着其长度方向上所受到的热量梯度最小化，从而使本发明的筒体12克服了现有技术的缺陷。使筒体所受到的热量梯度最小化的一个重要因素是，包括中间加热区域17的所述筒体12的冷部分14是由一种与制成所述热部分15的材料不同的材料制成的。所述热部分15本身是由合金718制成的，这种具有高屈服强度的合金为所述热部分提供了较大的圆周强度(hoop strength)，圆周强度所处的位置是一个重要的涉及内容。但是，所述冷部分14不需要具有与所述热部分15相同的圆周强度，这是由于在模制过程中这部分受到的压力较小。因此，所述冷部分14相对于所述热部分15在其大部分长度上具有一个较小的直径或壁厚。如上所述，由于一定形状的圆周强度随着厚度的增加而增加，因此所述冷部分14的直径A和其壁厚(所述冷部分14的直径A与所述孔46的直径B的差值的一半)分别小于所述热部分15的直径C和其壁厚(直径C与直径B的差值的一半)。例如，对于600吨设备10的筒体12，直径A是7.5英寸(19.05厘米)、直径B是3.5英寸(8.89厘米)、直径C为10.875英寸(27.6厘米)，因此，所述冷部分14的壁厚为2英寸，所述热部分15的壁厚为3.662英寸(9.3厘米)。

形成所述筒体12的冷部分14的材料与形成所述热部分15的材料相比，最好导热率较高和热膨胀系数(TCE)较低。形成所述筒体12的冷部分的材料与形成所述热部分15的材料相比，最好具有易于得到的优点和价格优势。这样，所述筒体12的总成本会下降。一种优选的材料是不锈钢422。不锈钢422的TCE是11.9×10^-6/℃，其导热率为190Btu/in/ft²/hr/°F，而合金718的TCE是14.4×10^-6/℃，导热率为135Btu/in/ft²/hr/°F。不锈钢422的价格是每磅3.20美元(每千克7.05美元)并且易于得到，而合金718是缺乏的(大约12个月供应一次)，其价格大约是每磅12.00美元(每千克26.43美元)。

如图2中所示，所述筒体12的通道或孔48没有一个衬，作为另一个实施例，在图1中的筒体12设有一个衬66。图1中所示的衬66以预定的过盈配合量热压配合在所述筒体12内并且由一种能够抵抗在所述设备10中所处理合金的侵蚀的材料制成。在所处理的合金是镁合金的情况下，可使用钴铬合金制作所述衬66以防止镁侵蚀所述筒体内所含的镍。但是，由于所述筒体的冷部分14的镍含量低并且所处理的合金不会长时间滞留在所述冷部分14内，因此能够在所述冷部分中没有一个衬的情况下使所述设备10工作，这样在所述冷部分14中所出现腐蚀是微不足道的。为了进一步降低所述冷部分14中的腐蚀和磨损的影响，以从1900°F(1038℃)淬火并且在1200°F(649℃)回火的方式对所述冷部分14进行热处理，从而使其表面硬度达到31-35Rc。

另外，可对所述孔48进行表面渗氮处理以提高其硬度和耐磨度。

当所处理的合金是铝合金或锌铝合金时，在所述筒体12的两个部分14、15中应该使用一个铌基合金衬66(诸如Nb-30Ti-20W并且可被渗氮、硼化或硅化)。这样一种合金的热膨胀系数(TCE)是9×10^-6/℃，其导热率高达320Btu/in/ft²/hr/°F。这样，当HIPPED在高TCE合金(诸如422或细晶粒合金718)中时，在冷却过程中所产生的压应力和高导热率能够延长其使用寿命。在热压配合之后对筒体12和衬66进行中间消除应力退火可使尺寸稳定。

下面说明了在Nb-30Ti-20W、Nb-30Ti-20W(渗氮)和Nb-30Ti-20W(硅化)腐蚀方面的试验数据。对上述材料的试样称重，接着将所述试样作为一个浆与一个搅拌杆相连。所述搅拌杆降至在605-625℃的A356合金中并以每分钟200转的转速转动。在经过所需的试验时间后，还所述试样从A356合金中去除并再次称重。接着将腐蚀定义为一个重量损耗百分比。所述未经处理的Nb-30Ti-20W试样在46个小时后重量损耗了1.4％，在96个小时后重量损耗了4.6％。对于Nb-30Ti-20W(渗氮)，在24个小时后重量损耗了0.13％，在96个小时后重量损耗了0.20％。对于Nb-30Ti-20W(硅化)，在24个小时后重量损耗了0.07％，在96个小时后重量损耗了0.10％。对于硼化Nb-30Ti-20W的试样，其结果与渗氮和硅化的Nb-30Ti-20W的试样类似。

在不是按照比例画出的图3中示出了所述筒体的冷部分14的另一个实施例。在该实施例中，使用了一种由两部分组成的衬66′，所述衬66′的两个部分通过凸缘110用螺栓固定在一起以限定了所述内孔112，一个强化碳纤维复合外部114限定了所述筒体12的冷部分14。在复合外部114和所述衬66′之间设置了一个耐火隔热材料层116。感应线圈118或其它适合的加热装置缠绕在所述冷部分14周围并且可特别与所述衬66′相连以将热量输入到所述冷部分14中。用于强化碳纤维复合外部114的优选材料包括所有的碳纤维材料和绕丝材料。例如在热固性树脂和碳碳复合材料内埋入石墨。用于所述隔热层116的材料包括大部分耐火材料以及其它具有能够经受上述操作条件的温度和应力性能的材料。

本发明还包括一个能够降低施加在密封件、螺栓、螺栓孔以及用于使所述筒体12的热部分15和喷嘴50固定的凸缘处应力的方面。如图4中所示，在前面所述的结构中，所述螺杆26的尖端27和止回阀31位于所述密封件120的上游，所述密封件位于喷嘴30和热部分15之间。同样，用于将喷嘴30固定到所述筒体12的热部分的螺栓122、凸缘124和安装孔126也位于所述螺杆尖端27和止回阀31的下游。因此，当所述螺杆26向前移动以通过所述喷嘴30排出压射料时，所述密封件120、螺栓122、凸缘123和安装孔126都受到较高的压力。因此，如果该区域不得到适当的维护，那么密封件120可能被破坏。

如图5中所示，本发明克服了上述密封件120和位于该高压区域中的其它相关部件的问题。这是通过增大喷嘴30的轴向长度和减小所述筒体12的热部分15的长度，有效地将密封件120和相关部件的位置沿着所述螺杆26轴向地移动到在止回阀31上游的低压区域来达到。

为了将喷嘴30安装到所述热部分15上，凸缘124分别形成在这些部件上并且合适的孔126和螺栓122位于所述凸缘124中并以螺纹连接的方式相互接合在其中。或者，所述喷嘴30可形成有一个带有螺纹的部分以与所述热部分15的一个带有螺纹的部分配合或者可利用一个带有螺纹的挡圈与所述热部分15配合并且使喷嘴30随其固定。

这种喷嘴30的结构的另一个优点是由于减少了筒体材料的使用量而降低了筒体的成本。

为了进一步降低热疲劳和热冲击的影响，如图1中所示，在本发明的设备10中需要对原料进行预热。对于镁的原料最好仅加热到600°F(316℃)，而对于铝的原料最好加热到700-800°F(371-427℃)，该温度值低于这种合金成分的熔点温度。其它的材料同样被加热。这样，所述原料仍以固态形式被提供到筒体12中，当所述合金开始在筒体12内熔化时使所述螺杆26以良好的剪切方式前进。

可使用各种方法对原料进行预热。一种方法是在进料斗22的周围设置加热管道70。所述加热管道或烟道70中装有来自一个供给源的加热流体或气体。或者，可使用电阻加热器、感应加热器、红外加热器或其它类型的加热元件取代所述加热管道70。

也可不对所述进料斗22中的原料进行加热，而是利用带式加热器72、红外加热器、加热管道或烟道或者其它加热装置对进料装置38中的原料进行加热。作为另一种变型，可当原料通过所述输送管道或进料喉42进入所述筒体12时对所述原料进行加热。在所述进料喉42中对所述原料进行加热的一种方法是将所述进料喉42做成一个玻璃管道并且将已知设计形式的一种微波源或微波反应器74设置在所述玻璃管道的周围或附近。当原料向下通过所述玻璃进料喉42时，来自所述微波源74的微波利用微波加热的方式对所述原料进行预热。这种加热方式能够很容易地将所述原料的温度加热到大约750°F(399℃)。下面的表中示出了在不同的微波功率下各种试样的加热时间和温度并且表明了这种加热方法的效率。

试样	重量及氛围	所达到温度	时间	功率
					Comalco Al	67克(氩)	300°F(149℃)	4.5分	200W
Comalco Al	67克(氩)	364°F(184℃)	5.5分	200W
					Comalco Al	67克(氩)	730°F(388℃)	3分	508W
Comalco Al	67克(空气)	754°F(401℃)	6.45-9分	500W
					ACuZn5	～200克(氩)	212°F(100℃)	1.5分	200W
ACuZn5	～200克(氩)	460°F(238℃)	3分	200W

(Comalco Al：Comalco Aluminum Ltd.，Melborne，Australia；“ACuZn5”：商标名称“Accuzinc 5”，General Motors Corporation)

为了监测穿过所述筒体12的温度梯度，如图2中所示，温度传感器(热电偶)76设置在所述筒体12的内表面48、50和外表面78、80附近。控制器34可利用所述温度传感器之间的温度差来监测所述穿过筒体的温度梯度，从而使控制器可更精确地控制所述加热器24使所述加热器24输出的热量对筒体12上的热循环的影响达到最小，所述筒体12上的热循环是由原料(预热的或常温的)流入到所述冷部分14而产生的。

图6中示出了本发明的另一个实施例的设备10′，所述设备10′是一种两级式设备。所述设备10′的第一级130可使传递到所述原料中的传热和剪切达到最佳效果以将所述材料制备或处理成一种熔融或半固体状态。在第一级130中，当所述螺杆26使材料受到剪切并且纵向移动所述材料或泵送所述材料时，所述设备10′的各个部件遭受到高温和低压并且材料输送速度低。如图6中所示，与图2中所示的类似，所述第一级130包括所述筒体的一个冷部分14。因此，类似的元件用类似的附图标记表示。

所述设备10′的第二级132通过一个输送联接器137和一个阀138从所述第一级130接收已处理成半固体的材料，所述第二级132包括一个压射缸134和活塞136，所述活塞136具有一个活塞表面139。在第二级132中，所述压射缸134和所述设备10′的其它部件受到高压作用并且所述材料输送速度高，这是由于活塞136和活塞表面139的移动使所述材料通过一个喷嘴30压射到一个铸模(未示出)中而造成的。

一个护套141向着离开活塞表面139的方向从活塞136向外延伸。所述护套141可防止被处理的材料从所述输送联接器137落入到所述活塞136的后部。由于上述原因，形成所述活塞136、活塞表面139和护套141的材料最好包括铌基合金(包括Nb-30Ti-20W)、0.8C PM合金和其它类似的材料，这些部件整体可由上述材料制成或表面由上述材料构成。

所述第二级132通常(但不是必须的)需要来自加热器24的热量输出。所述第二级132中的温度必须是精确的，从而使喷嘴30(没有在图6中示出)和压模16(没有在图6中示出)之间的热传导在所述喷嘴中形成了合适的堵头。由于前面已经结合图5对在喷嘴30处的温度控制进行了描述，因此，上述对在喷嘴30处的温度控制同样也可用于本发明的两级式设备10′和其第二级132中。

对于所述原料的处理，所述第一级130可具有大于所述第二级132容积20至30倍的容积。由于所述第一级130没有受到与将所述材料压射到一个铸模中相关的高压作用，因此如果在所述第一级130中使用筒体衬时，可按照低强度、高导热率和低热膨胀系数的要求选择所述衬的材料。由于在本发明的这种设计形式中，所述第一级130的部件受到的热应力低并可降低所述第一级130的生产成本。由于在这种设计形式的第一级130中所受到压力较低并且所受到的冲击较小，因此可使用其它的材料制作所述第一级130。例如，在需要处理的材料是铝的情况下，可使用铌基合金(诸如Nb-30Ti-20W)形成耐铝的衬和其它各种部件，包括螺杆26、止回阀138、环、螺杆尖端和其它元件。这些部件的构成披露在1996年5月31日申请的未审查专利申请08/658,945中，这篇申请也是受让给本发明的受让人的，这篇申请的主题在这里作为参考。作为另一种变型，也可利用耐铝陶瓷和金属陶瓷制作所述第一级130的各个部件。以前，由于必须将高压力和高应力施加到这样的陶瓷和金属陶瓷上，因此它们是不实际的。可将上述两种材料(即陶瓷和铌基合金)作为一个表面层设置在其它不太昂贵的材料上或形成整个部件。

从图7的实施例中可以看出，本发明进一步详述了一种具有多个第一级130(仅示出了两个，也可具有多个)的两级式设备10′，所述多个第一级130将原料输送到一个共用的第二级132。这样，该实施例与前面所述的方法相比，提高所述第二级132的生产能力并且减少了周期时间。在材料方面，该两级式设备10′的构成与结合图6进行描述的内容相同。

如上所述，在所构成的一种两级式设备10′或单级式设备10中，利用微小颗粒浇注或粉末冶金(PM)技术制作各个部件以形成一个网状晶粒的超合金部件并且接着将一种铌基合金或钴基合金HIPPING到所述网状晶粒的部件，因此提供一个最终的部件，从而可进一步达到降低成本的目的。利用微小颗粒浇注或PM技术形成的网状晶粒部件使所述网状晶粒在HIPPING温度下更能抗晶粒生长，使所述晶粒尺寸保持在大约ASTM 5-6。可锻的超合金的晶粒生长至ASTM。利用一种微小颗粒浇注或一个PM技术生产网状晶粒部件并接着HIPPING所述部件，可降低加工成本。所形成的网状晶粒部件特别适于作为在一种单级式设备10的热部分中的部件或一种两级式设备10′的第二级中的部件。因此，这样的部件可用作一个筒体的所述热部分、在一个筒体的热部分和冷部分之间的一个联接器、在一个两级式设备上的输送部件、在所述两级式设备中第二级中的压射缸以及许多其它的单个部件。

本发明的上述各个方面结合能够形成一种可在克服现有已知系统中缺陷的条件下处理和模制触变材料的生产能力较大(400吨或更大)的设备10或生产速度快的小型设备。将这些特征结合在一起，所得到的一个设备10能够使热疲劳和热应力的影响达到最小，从而提供一种使用寿命较长的大型设备10。因此，还降低了筒体12中的总纵向应力。

尽管上面对本发明的优选实施例进行了详细描述，但是，显然可在不脱离由后面的权利要求书所限定的保护范围的情况下对本发明进行改进和变型。

Claims (80)

1.一种用于将一种金属原料处理成一种具有触变性能的熔融状态或半固态的设备，该设备(10)包括一个可转动的螺杆(26)，所述螺杆(26)位于一个筒体(12)内，所述筒体的周围具有加热装置(24)，所述原料被接收到所述筒体(12)中的温度低于所述原料从所述筒体(12)排出的温度，由于将附加的原料导入到所述筒体(12)中而使所述筒体(12)受到热循环的作用，所述设备包括：

一个筒体(12)，所述筒体具有一个冷部分(14)、一个热部分(15)、一个喷嘴部分(30)和用于将所述冷部分(14)连接(60)到所述热部分(15)上以及将所述热部分(15)连接(122)到所述喷嘴部分(30)上的连接装置(60，122)，所述喷嘴部分(30)具有一个尖端(146)，所述冷部分、热部分和喷嘴部分包括相互配合的内表面(48，50)，所述内表面(48，50)限定了一个贯穿所述筒体(12)的中心通道(46)，所述冷部分(14)还具有限定了所述通道的一个输入口(18)的部分，所述喷嘴部分具有限定了所述通道的一个输出口(20)的部分，所述冷部分(14)是由第一种材料制成的，所述热部分(15)是由第二种材料制成的，所述喷嘴部分(30)是由第三种材料制成的，一个喷嘴衬套(140)与所述喷嘴(30)的尖端(146)接合，所述喷嘴衬套(140)的导热率小于所述第三种材料，其特征在于，所述第一种材料的导热率大于所述第二种材料并且其热膨胀系数小于所述第二种材料，因此使所述第一种材料在抗热疲劳和热冲击方面的性能强于所述第二种材料。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述冷部分(14)在其至少一部分长度上具有一个壁厚，所述壁厚小于所述热部分(15)的一个壁厚。

3.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述冷部分(14)在其至少一部分长度上具有一个外径，所述外径小于所述热部分(15)的一个外径。

4.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述热部分(15)的圆周强度大于所述冷部分(14)的圆周强度。

5.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第二种材料的屈服强度大于所述第一种材料的屈服强度。

6.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第一种材料是一种镍基合金。

7.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第一种材料是一种合金钢。

8.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第二种材料是合金718。

9.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第二种材料是微小颗粒浇注合金718和PM合金718中的一种。

10.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第一种材料是不锈钢422。

11.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第一种材料是合金909。

12.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第一种材料是不锈钢T-2888。

13.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述冷部分(14)是经过热处理的。

14.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述冷部分(14)的内表面是经过表面硬化的。

15.如权利要求14所述的设备，其特征在于，所述冷部分(14)的内表面是经过渗氮的。

16.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备还包括一个位于所述通道内的衬(66′)，所述衬(66′)包括限定了贯穿所述衬的一个中心通道(112)的表面。

17.如权利要求16所述的设备，其特征在于，所述衬(66′)是由一种铌基合金制成的。

18.如权利要求16所述的设备，其特征在于，所述衬(66′)是由PM 0.8C合金制成的。

19.如权利要求16所述的设备，其特征在于，所述衬(66′)是由Nb-30Ti-20W制成的。

20.如权利要求16所述的设备，其特征在于，所述衬(66′)是经过渗氮的。

21.如权利要求16所述的设备，其特征在于，所述衬(66′)是经过硼化的。

22.如权利要求16所述的设备，其特征在于，所述衬(66′)是经过硅化的。

23.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述喷嘴(30)是整体式结构。

24.如权利要求23所述的设备，其特征在于，所述喷嘴(30)是由一种铌基合金制成的。

25.如权利要求23所述的设备，其特征在于，所述喷嘴(30)是由Nb-30Ti-20W制成的。

26.如权利要求23所述的设备，其特征在于，所述喷嘴(30)是由PM 0.8C合金制成的。

27.如权利要求23所述的设备，其特征在于，所述喷嘴(30)是由T-2888制成的。

28.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述喷嘴衬套(140)是由一种铌基合金制成的。

29.如权利要求28所述的设备，其特征在于，所述铌基合金是Nb-30Ti-20W。

30.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述喷嘴衬套(140)是由0.8C PM Co合金制成的。

31.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述喷嘴衬套(140)是由一种陶瓷制成的。

32.如权利要求31所述的设备，其特征在于，所述喷嘴衬套(140)具有至少一个由氧化锆(ZrO₂)制成的表面。

33.如权利要求31所述的设备，其特征在于，所述表面(144)在所述喷嘴(30)的尖端(146)的下游。

34.如权利要求28所述的设备，其特征在于，所述表面(144)是由立方晶体的稳定氧化锆制成的。

35.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第二种材料是微小颗粒浇注合金718和PM合金718中的一种，并且所述热部分(15)包括一个位于在所述通道内的衬(66′)，所述衬(66′)是由一种铌基合金制成的。

36.一种用于将一种金属原料处理成一种熔融状态或半固态的设备，所述设备(10)包括：

一个具有相对的冷端部(14)和热端部(15)的筒体(12)，一个限定了贯穿所述筒体(12)的一个中心通道(46)的内表面(48、50)，限定所述通道的一个输入口(18)并且位置靠近所述第一端部(14)的部分，限定所述通道的一个输出口(20)并且位置靠近所述第二端部(15)的部分，所述输出口(20)与一个具有一个喷嘴输入口和一个喷嘴输出口的喷嘴(30)相连；

一个通过所述输入口(18)与所述筒体(12)相连的进料装置(38)；

一个位于在所述通道内并且可与所述通道进行相对转动的螺杆(26)，所述螺杆(26)包括一个螺杆体(26)，所述螺杆体(26)上具有至少一个叶片(28)，所述叶片(28)围绕所述螺杆体(26)至少部分地限定了一个螺旋线以驱使所述原料通过所述筒体；驱动装置(44)，所述驱动装置(44)可以一定的速度使所述螺杆转动和剪切所述原料以便当所述原料处于一种半固态时足以防止枝晶组织完全形成，从而使所述原料得到处理；以及

加热装置(24)，所述加热装置(24)可通过所述筒体(12)将热量输送到所述原料中以使所述原料被加热到一个高于所述原料的至少一种组分的固相线温度的温度；其特征在于，

用于将所述原料预热到一个高于常温且低于所述原料中的任何一种组分的固相线温度的温度的预热装置，所述预热装置位于所述筒体的上游并且在将所述原料导入到所述筒体中之前对所述原料进行预热。

37.如权利要求36所述的设备，其特征在于，所述进料装置(38)包括一个进料斗(22)，并且当所述原料在所述进料斗(22)中时所述预热装置(30)能够对所述原料进行预热。

38.如权利要求36所述的设备，其特征在于，所述进料装置(38)包括一个可测定容积的进料装置(38)，并且当所述原料在所述可测定容积的进料装置(38)中时所述预热装置(72)能够对所述原料进行预热。

39.如权利要求36所述的设备，其特征在于，所述进料装置(38)包括一个与所述筒体(12)的输入口(18)相连的输送管道(42)，并且当所述原料在所述输送管道(42)中时所述预热装置(74)能够对所述原料进行预热。

40.如权利要求39所述的设备，其特征在于，所述输送管道(42)至少部分地由玻璃制成的。

41.如权利要求39所述的设备，其特征在于，所述预热装置(74)是一种微波加热器(74)。

42.如权利要求36所述的设备，其特征在于，所述预热装置(70)包括其中通有一种循环的加热流体的加热管道(70)。

43.如权利要求36所述的设备，其特征在于，所述预热装置(70)包括电阻加热器(70)。

44.一种用于将一种金属原料处理成一种熔融状态或半固态的设备，该设备(10)包括一个可转动的螺杆(26)，所述螺杆(26)位于一个筒体(12)内，所述设备(10)包括：

一个具有相对的冷端部(14)和热端部(15)的筒体(12)，一个限定了贯穿所述筒体(12)的一个中心通道(46)的内表面(48、50)，限定所述通道的一个输入口并且位置靠近所述第一端部的输入部分(18)，限定所述通道的一个输出口并且位置靠近所述冷端部(14)的输出部分，所述输出口与一个喷嘴(30)相连；

在所述筒体(12)的周围的加热装置(24)，所述原料被接收到所述筒中的温度低于所述原料从所述筒体排出的温度，由于将附加的原料导入到所述筒体中而使所述筒体受到热循环的作用，

与所述加热装置(24)相连的控制装置(34)，所述控制装置(34)可增大或减小从所述加热装置通过所述筒体输送到所述原料中的热量；其特征在于，

用于监测穿过所述筒体(12)壁厚的一个热量梯度的监测装置(76)，所述监测装置(76)与所述控制装置(34)相连并且将监测信号提供给所述控制装置，这样，如果所述热量梯度大于一个预定值，那么利用所述控制装置(34)使所述加热装置所输出的热量减少。

45.如权利要求44所述的设备，其特征在于，所述监测装置(76)包括一个设置在所述筒体(12)中并靠近所述内表面的温度传感器(76)。

46.如权利要求44所述的设备，其特征在于，所述监测装置(76)包括一个设置在所述筒体(12)中并靠近所述筒体的一个外表面的温度传感器(76)。

47.如权利要求44所述的设备，其特征在于，所述监测装置(76)包括至少一个设置在所述筒体中并靠近所述内表面的内部温度传感器(76)以及至少一个设置在所述筒体中并靠近所述筒体的一个外表面的外部温度传感器，可利用所述内部温度传感器的读数和外部温度传感器的读数之间的差测量所述热量梯度。

48.如权利要求47所述的设备，其特征在于，所述内部温度传感器和外部温度传感器(76)是成对设置的，每一对包括一个内部温度传感器和一个外部温度传感器。

49.如权利要求48所述的设备，其特征在于，所述加热装置(24)沿着所述筒体(12)的长度方向限定了多个加热区域，一对所述的内部温度传感器和外部温度传感器(76)被定位在所述多个加热区域中的一个中。

50.一种用于将一种金属原料处理成一种熔融状态或半固态材料并且将所述熔融状态或半固态材料压射到一个压模中的设备，所述设备(10)包括：

一个具有相对的冷端部(14)和热端部(15)的筒体(12)，一个限定了贯穿所述筒体(12)的一个中心通道(46)的内表面(48、50)，限定所述通道的一个输入口(18)并且位置靠近所述冷端部(14)的输入部分，限定所述通道的一个输出口(20)并且位置靠近所述热端部(15)的输出部分；

一个部分地位于所述通道内的螺杆(26)，所述螺杆(26)是可转动的并且可在所述通道(46)内纵向移动，所述螺杆包括一个止回阀(31)，所述止回阀使通过其中的熔融状态或半固态材料单向移动，所述止回阀(31)限定了所述止回阀的一个高压的下游侧和一个低压的上游侧；

用于使所述螺杆转动和使其纵向移动的驱动装置(44)；

一个喷嘴(30)，所述喷嘴具有一个尖端(146)，所述喷嘴尖端的位置与所述压模邻接，所述喷嘴包括限定了一个中心通道的部分，所述喷嘴的中心通道与所述筒体(12)的中心通道(46)相对应并且与之相符，所述螺杆(26)的一部分位于所述喷嘴(30)的中心通道内，所述喷嘴(30)还包括用于将所述喷嘴(30)安装到所述筒体(12)的热端部(15)上的安装装置(122、124、126)，所述安装装置包括所述喷嘴和所述筒体的第二端部上的以面与面的方式相互接触的表面，其特征在于。所述安装装置相对于所述螺杆的位置是这样的，即所述安装装置位于所述止回阀(31)的低压侧。

51.如权利要求50所述的设备，其特征在于，所述设备还包括位于所述喷嘴(30)的所述表面部分和所述筒体(12)的热端部(15)的表面部分之间的密封装置(120)，所述密封装置(120)位于所述止回阀(31)的低压侧。

52.如权利要求50所述的设备，其特征在于，所述螺杆(26)的止回阀(31)位于所述喷嘴(30)的中心通道内。

53.如权利要求50所述的设备，其特征在于，所述筒体(12)的冷端部(14)和热端部(15)分别由第一种材料和第二种材料制成，用于将所述冷端部(14)和热端部(15)连接在一起的连接装置(60)，所述冷端部和热端部包括以相互配合的方式限定所述贯通筒体(12)的通道(46)的表面(48、50)，所述输入口(18)限定在所述冷端部(14)中，所述输出口(20)限定在所述热端部(15)中，所述第一种材料的导热率大于所述第二种材料并且其热膨胀系数小于所述第二种材料，因此使所述第一种材料在抗热疲劳和热冲击方面的性能强于所述第二种材料。

54.如权利要求50所述的设备，其特征在于，所述设备包括一个直浇道衬套镶嵌件(140)，所述直浇道衬套镶嵌件(140)位于所述喷嘴(30)的尖端(146)和所述压模(16)之间，所述直浇道衬套镶嵌件(140)是一个隔热器以减少从所述喷嘴输送到所述压模的热量。

55.如权利要求54所述的设备，其特征在于，所述直浇道衬套镶嵌件(140)是由0.8C PM Co合金制成的。

56.如权利要求54所述的设备，其特征在于，所述直浇道衬套镶嵌件(140)是由一种陶瓷制成的。

57.如权利要求54所述的设备，其特征在于，所述直浇道衬套镶嵌件(140)的至少一个表面是由氧化锆制成的。

58.如权利要求54所述的设备，其特征在于，所述表面(144)在所述喷嘴尖端的下游。

59.如权利要求54所述的设备，其特征在于，所述表面(144)是由立方晶体的稳定氧化锆制成的。

60.一种用于将一种金属原料处理成一种熔融状态或半固态的两级式设备，所述设备(10′)包括：

一个第一处理级(130)，所述第一处理级(130)包括一个具有相对的第一端部和第二端部的筒体(12)，一个限定了贯穿所述筒体的一个中心通道(46)的内表面(48)，限定所述通道的一个输入口(18)并且位置靠近所述第一端部的部分，限定所述通道的一个输出口并且位置靠近所述第二端部的部分，所述筒体(12)是由第一种材料制成的，所述第一种材料具有使输送到所述原料中的热量达到最佳的一个第一导热率，一个位于在所述通道内并且可与所述通道进行相对转动的螺杆(26)，所述螺杆(26)包括一个螺杆体，所述螺杆体上具有至少一个叶片(28)，所述叶片(28)围绕所述螺杆体至少部分地限定了一个螺旋线以驱使所述原料通过所述筒体，驱动装置(44)，所述驱动装置(44)可以一定的速度使所述螺杆转动和剪切所述原料以便当所述原料处于一种半固态时足以防止枝晶组织完全形成，从而将所述原料处理成处于一种触变状态的材料，加热装置(24)，所述加热装置(24)可通过所述筒体将热量输送到所述原料中以使所述原料被加热到一个高于所述原料的至少一种组分的固相线温度的温度；

一个第二级(132)，所述第二级(132)包括一个压射缸(134)，所述压射缸(134)具有相对的第一端部和第二端部，一个限定了贯穿所述压射缸(134)的一个中心通道的内表面，限定所述通道的一个输入口的输入部分，限定所述通道的一个输出口并且位置靠近所述第二端部的输出部分，用于将所述材料保持在所述压射缸接收所述材料时的温度值的95-100％的温度下的装置；

排料装置(136)，所述排料装置(136)可将通过一个喷嘴(30)进入到所述压射缸内的材料以高压和高速的方式从所述压射缸排出，所述排料装置包括一个活塞(136)，所述活塞具有一个活塞表面(139)和一个驱动器；

所述喷嘴(30)与所述压射缸的第二端部相连，所述喷嘴包括限定了一个喷嘴通道的部分，所述喷嘴的中心通道与所述压射缸的中心通道相对应并且与之相符；

一个输送联接器(137)，所述输送联接器限定了一个贯通所述输送联接器的通道，所述联接器连接在所述第一筒体和所述第二筒体之间以将所述材料从所述第一筒体的输出口输送到所述第二筒体的输入口；以及

阀装置(138)，所述阀装置可使通过其中的材料单向移动；其特征在于，

所述压射缸(134)具有小于所述第一导热率的一个第二导热率并且具有比所述第一种材料更大的强度和更好的耐磨性以使所述压射缸在传热方面的强度和耐磨性达到最佳。

61.如权利要求60所述的设备，其特征在于，所述用于将所述材料的温度基本上保持在一个材料接收温度的装置包括设置在所述压射缸周围的绝热部分。

62.如权利要求60所述的设备，其特征在于，所述喷嘴(30)是第三种材料制成的，所述第三种材料具有小于所述第二导热率的一个第三导热率。

63.如权利要求60所述的设备，其特征在于，所述第一级(130)包括多个筒体和多个输送联接器，所述多个筒体通过多个输送联接器连接到所述第二级的压射缸中。

64.如权利要求60所述的设备，其特征在于，所述压射缸(134)、输送联接器(137)、活塞(136)、活塞表面(139)和喷嘴(30)中的至少一个衬有一种铌基合金。

65.如权利要求64所述的设备，其特征在于，所述铌基合金是Nb-30Ti-20W。

66.如权利要求64所述的设备，其特征在于，所述压射缸(134)、输送联接器(137)、活塞(136)、活塞表面(139)和喷嘴(30)中的至少一个衬有一种PM 0.8C合金。

67.如权利要求60所述的设备，其特征在于，所述压射缸(134)、输送联接器(137)、活塞(136)、活塞表面(139)和喷嘴(30)中的至少一个衬有一种渗氮材料。

68.如权利要求60所述的设备，其特征在于，所述压射缸(134)、输送联接器(137)、活塞(136)、活塞表面(139)和喷嘴(30)中的至少一个衬有一种硼化材料。

69.如权利要求60所述的设备，其特征在于，所述压射缸(134)、输送联接器(137)、活塞(136)、活塞表面(139)和喷嘴(30)中的至少一个衬有一种硅化材料。

70.如权利要求60所述的设备，其特征在于，所述压射缸(134)、输送联接器(137)、活塞(136)、活塞表面(139)和喷嘴(30)中的至少一个是由微小颗粒浇注合金718制成的。

71.如权利要求70所述的设备，其特征在于，所述压射缸(134)、输送联接器(137)、活塞(136)、活塞表面(139)和喷嘴(30)中的至少一个衬有一种铌基合金。

72.如权利要求71所述的设备，其特征在于，所述铌基合金是Nb-30Ti-20W。

73.如权利要求60所述的设备，其特征在于，所述阀装置(138)包括一个至少部分地由一种铌基合金制成的阀。

74.如权利要求73所述的设备，其特征在于，所述合金是Nb-30Ti-20W。

75.如权利要求60所述的设备，其特征在于，所述阀装置(138)包括一个至少部分地由PM 0.8C合金制成的阀。

76.如权利要求60所述的设备，其特征在于，所述活塞(136)包括一个向着离开所述活塞表面的方向向后延伸的活塞护套(141)。

77.如权利要求76所述的设备，其特征在于，所述活塞护套(141)是由一种铌基合金制成的。

78.如权利要求76所述的设备，其特征在于，所述活塞护套(141)是由Nb-30Ti-20W制成的。

79.如权利要求76所述的设备，其特征在于，所述活塞护套(141)是由0.8C PM合金制成的。

80.如权利要求60所述的设备，其特征在于，所述用于将所述材料的温度基本上保持在一个材料接收温度的装置包括设置在所述压射缸周围的加热器(24)。

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