CN1886216A - 用于制作半固态金属浆的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于制作半固态金属浆的方法和设备，更具体地说，涉及一种用于通过简单的加工过程制作具有均匀球形组织的半固态金属浆的方法和设备。方法包括如下步骤：将熔融金属注入到熔炉中；通过电磁搅拌器施加的电磁场搅拌熔炉中的熔融金属，以消除熔融金属中的温度差，同时抑制枝晶生长；在冷却部分进行快速冷却以消除从熔炉中排出的熔融金属的比热和潜热，以防止熔融金属在惰性气氛中氧化，同时防止在其中形成枝晶；以及储存通过倾斜定位的导向件落下的冷却的半固态金属浆，以便半固态金属浆均匀地分布在储浆容器中。

Description

用于制作半固态金属浆的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种用于制作半固态金属浆的方法和设备，更具体地说，涉及一种用于通过简单的加工过程制作具有均匀球形组织的半固态金属浆的方法和设备。

背景技术

总体上说，半固态金属成形技术是一种在液固相并存的温度范围内形成金属或金属基复合材料的方法。作为一种新技术，已经研究和开发了用于实际使用的半固态金属成形技术，其可以减少缺陷，同时尽可能增大用于在熔融状态中金属成型的铸造方法和用于在固体状态中金属成型的锻造方法的优点。为了有效地形成半固态金属，重要的是制作内部具有均匀分布的球形颗粒而没有枝晶的初生组织的浆。

因此，已经提出了利用半固态金属成形方法制作半固态金属浆的各种方法和设备。至于传统技术中的典型方法，在本领域中是熟知的，其中在熔融金属的凝固过程中通过利用机械或电磁搅拌的剪切应力将枝晶破坏成球形组织。

然而，根据用于制作半固态金属浆的传统方法和设备，剪切应力用于通过破坏枝晶来形成球形组织。也就是说，在传统方法和设备中，由于在一部分熔融金属具有低于金属的液相线下的温度之后，力如振动作用于枝晶，而且由于熔炉内温度的非均匀性，所以很难在初生凝固层和由其形成的金属基组织中实现完全均匀和微细的组织。另外，如果不能控制进入具有熔融金属的熔炉的喷射温度，则由于熔炉壁和熔炉中心之间的温度差，将使组织的不均匀性变得非常严重。

为了解决上述问题，传统技术之一包括：如图7中(a)所示，用于在倾斜而不施加搅拌力的状态下，将熔融金属注入熔炉的熔融金属注入过程110；如图7中(b)所示，为了减少熔融金属的外部和内部之间的温度差，通过在冷却熔炉中将冷却风吹到熔炉的外壁来冷却熔炉，从而在接触熔炉外壁的一部分熔融金属中形成枝晶的冷却过程120；如图7中(c)所示，用于利用高频波将熔炉加热到适合的温度，从而根据扩散原理的α相的生长过程，通过减少熔融金属的外部和内部之间的温度差，形成均匀组织的高频加热过程130；以及如图7中(d)所示，从熔炉中分离出制作的半固态金属浆，从而将半固态金属浆成型为所需形状。

然而，根据该方法，由于半固态金属浆通过几个步骤制作，因此，其很繁琐且耗费时间，从而显著地降低了半固态金属浆的生产率。

发明内容

因此，考虑到以上问题提出本发明，且本发明的目的之一在于提供一种用于通过简单的加工过程制作具有均匀球形组织的半固态金属浆的方法。

本发明的另一目的在于提供一种用于制作半固态金属浆的设备，设计为具有从供应熔融金属到半固态金属浆成形合为一体的简单结构，从而方便地制作具有均匀球形组织的半固态金属浆。

本发明的又一目的在于尽可能地降低注入到熔炉中的熔融金属的温度差。

本发明的再一目的在于更高效率地进行熔融金属的快速冷却。

本发明的还一目的在于均匀分布储浆容器中的浆。

根据本发明的一个方面，以上和其他目的可以通过提供用于制作具有均匀球形组织的半固态金属浆的方法实现，该方法包括如下步骤：将熔融金属注入到熔炉中；通过电磁搅拌器施加的电磁场搅拌熔炉中的熔融金属，以消除熔融金属中的温度差，同时抑制枝晶生长；在冷却部分进行快速冷却以消除从熔炉中排出的熔融金属的比热和潜热，以防止熔融金属在惰性气氛中氧化，同时防止在其中形成枝晶；以及储存通过倾斜定位的导向件落下的冷却半固态金属浆，以便半固态金属浆均匀地分布在储浆容器中。

该方法还包括，根据注入到熔炉中的熔融金属的温度和熔炉中的气体温度，利用温度控制器控制熔融金属内部温度的步骤。

根据本发明的另一方面，提供了用于制作具有均匀球形组织的半固态金属浆的设备，该设备包括：由高熔点材料形成的熔炉，该熔炉具有形成于其上部的壳体，使得熔融金属注入到该壳体中以及从壳体中排出；用于通过将电施加到熔炉的外侧产生电磁场的电磁搅拌器；用于快速冷却在熔炉的排出路径下方排出的熔融金属的冷却器；倾斜定位的导向件，以便冷却的浆沿导向件导入到配置于冷却器下方的支撑架；以及配置在导向件下方，用于均匀储存沿导向件下落的浆的储存部分。

设备还包括设置在熔炉中，用于根据注入到熔炉中的熔融金属的温度和熔炉中的气体温度，控制熔融金属内部温度的温度控制器。

温度控制器包括温度传感器，以及用于根据来自温度传感器的信号产生热的加热件。

冷却器包括限定在冷却器的内壁和外壁之间以便穿过冷却器的中心形成路径的空间，以及从外壁的一侧连接到空间的供给管，所述内壁上具有多个与空间连通的喷射孔。

电磁搅拌器可以配置到熔炉和冷却器的外部。

储存部分包括储浆容器和循环件，其中储浆容器用于容纳落入其中的浆，循环件用于循环浆，以便浆均匀储存在储浆容器内。

循环件可以通过输入程序以预定的轨迹循环储浆容器。

储浆容器可以由低导热率的陶瓷材料形成。

附图说明

下面将参照相应的附图对本发明进行具体说明，这将使本发明的以上和其他目的，特征和其他优点变得更加清晰和容易理解，其中；

图1是显示用于说明根据本发明制作半固态金属浆的方法的方框图；

图2是显示用于说明根据本发明制作半固态金属浆的设备的主要元件的纵向截面视图；

图3到6是显示通过根据本发明的方法和设备制作的几种半固态金属浆结构的光学显微图；

图7是显示说明用于制作半固态金属浆的传统方法的流程图。

具体实施方式

下面将参照相应的附图具体说明优选实施方式。

图1是显示用于说明根据本发明制作半固态金属浆的方法的方框图。

本发明的方法可以制作具有均匀和无方向的球形组织的半固态金属浆，该半固态金属浆对于形成复杂形状的可加工性、尺寸精度、成形性、热处理、与气孔缺陷相关的耐压性具有良好的试验结果，同时具有良好的生产率，且具有良好的耐磨性、延伸性、硬度和抗拉强度。

本发明的方法包括：步骤S1：通过熟知浇包的浇口将熔融金属注入到熔炉中；步骤S2：通过电磁搅拌器施加的电磁场搅拌熔炉中的熔融金属，从而消除熔融金属中的温度差，以便使熔融金属中的温度均匀分布，同时抑制枝晶生长；步骤S3：在冷却部分中进行快速冷却以消除从熔炉中排出的熔融金属的比热和潜热，以防止熔融金属在惰性气氛中氧化，同时防止在其中形成枝晶；以及步骤S4：储存经过倾斜定位的导向件下落的冷却的半固态金属浆，以便半固态金属浆均匀分布在储浆容器中。

本发明的方法还包括步骤S1a：根据注入到熔炉中的熔融金属的温度和熔炉中的气体温度，利用温度控制器控制熔融金属的内部温度。因此，由于可以通过步骤S1a控制熔融金属具有预定的温度，当再次向熔炉中注入熔融金属时，可以尽量减少初始热容量的损失。

图2是显示用于根据本发明制作半固态金属浆的设备的主要元件的纵向截面视图。

本发明的设备可以制作具有均匀和无方向的球形组织的半固态金属浆，该半固态金属浆对于形成复杂形状的可加工性、尺寸精度、成形性、热处理、与气孔缺陷相关的耐压性具有良好的试验结果，同时具有良好的生产率，且具有良好的耐磨性、延伸性、硬度和抗拉强度。

本发明的设备包括：由高熔点材料形成的熔炉10，该熔炉10具有形成于其上部的壳体1，熔融金属可以注入到该壳体1中以及从该壳体1中排出；典型的电磁搅拌器20，通过将电施加到熔炉的外侧来产生电磁场，以便使注入到熔炉中的熔融金属的温度均匀分布，同时抑制枝晶生长；冷却器30，用于快速冷却熔融金属，以便消除在熔炉10的排出路径12下方排出的熔融金属的比热和潜热，同时防止由于惰性气氛造成熔融金属氧化；倾斜定位的漏斗状导向件40，以便冷却的浆沿该导向件导入到配置于冷却器30下方的支撑架；以及配置在导向件40下方的储存部分50，用于均匀储存沿导向件下落的浆。

在优选方式中，设备还包括设置在熔炉10中的温度控制器60，用于根据注入到熔炉的熔融金属的温度和熔炉中的气体温度控制熔融金属的内部温度。为此，温度控制器60包括典型的温度传感器(未示出)，以及用于根据来自温度传感器的信号产生热的加热件(未示出)。

因此，温度控制器60使得能尽可能地减小熔炉(熔融金属被注入其中)内部的温度变化以及注入到熔炉中的熔融金属的温度变化，从而保持制作半固态金属浆的最佳条件。

具体地说，温度控制器60还起到当再次向熔炉中注入熔融金属时，尽量减少热容量初始损失的作用。

冷却器30包括限定在冷却器30的内壁34和外壁36之间的空间35，以便通过冷却器30的中心形成路径32，允许从熔炉的排出口排出的熔融金属穿过该路径32，该冷却器30还包括形成于外壁36的一侧并与该空间连通的供给管36a。在优选方式中，内壁34上形成有多个与空间35连通的喷射孔34a，以便向穿过路径32的熔融金属供应制冷剂，从而允许熔融金属被快速冷却。

电磁搅拌器20优选配置为环绕熔炉10和冷却器30的外部，然后通过电磁场产生搅拌力，从而不仅防止枝晶在熔炉内的熔融金属中形成，而且还防止在穿过冷却器的熔融金属中形成。

储存部分50包括储浆容器52和循环件54，其中储浆容器52用于容纳落入其中的浆，循环件54则利用熟知的转盘或者自动机器使浆循环，以便在储浆容器内均匀地储存浆。循环件54优选通过输入程序以预定的轨迹使储浆容器循环。

因此，可以提供浆在储浆容器内的均匀分布。

储浆容器52优选由热导率较低的陶瓷材料形成，从而尽量减少储存在储浆容器内的浆的温度变化。

图3到图6是熟知的光学显微图，用于显示通过本发明的方法和设备制作的几种半固态金属浆的组织，其中图3是显示浆的下部分组织的照片，图4是显示其上部分组织的照片，图5是显示其内部组织的照片，以及图6是显示其外部组织的照片。如图3到图6所示，应该清晰，半固态金属浆在浆的内和外部分以及从浆的下部分到上部分都具有均匀的球形组织。

因此，本发明不仅可以通过保持注入到熔炉中的熔融金属的恒定温度，同时通过电磁场在液相线温度下搅拌熔融金属，而保证了用于提供半固态金属浆的完全均匀和微细组织的条件，而且还保证了用于保持恒定温度，且在储存在储浆容器内的浆的内和外部分之间没有温度差的条件，从而可以在单个组合的设备内方便地制作半固态金属浆，同时通过简单的制作过程提供半固态金属浆的完全均匀的球形组织。

从以上说明可以清晰，根据本发明的方法和设备可以在单个组合设备内方便地制作半固态金属浆，同时通过简单的制作过程为半固态金属浆提供完全均匀的球形组织，从而尽可能地增加了具有均匀球形组织的半固态金属浆的生产率，同时显著减少了其制作成本。

此外，可以尽可能地减少注入到熔炉中的熔融金属的温度差，从而提供了制作半固态金属浆的最佳状态。

此外，可以通过利用套管型冷却器有效地进行熔融金属的快速冷却，从而防止熔融金属由于惰性气氛而氧化，同时抑制枝晶形成。

此外，可以通过储存部分的循环件保证储存在储浆容器内的浆的均匀分布。

虽然为了说明的目的已经公开了本发明的优选实施方式，但本领域的普通技术人员应该理解，在不脱离如附属权利要求所公开的本发明的范围和精神的前提下，可以作出各种改进、添加和替换。

权利要求书

(按照条约第19条的修改)

1.一种用于制作具有均匀球形组织的半固态金属浆的设备，该设备包括：

由高熔点材料形成的熔炉，该熔炉具有形成于其上部的壳体，以便熔融金属注入到壳体中以及从壳体中排出；

用于通过将电施加到熔炉的外侧产生电磁场的电磁搅拌器；

用于快速冷却从熔炉中排出的熔融金属的冷却器；

倾斜定位的导向件，以便冷却的浆沿该导向件被导向配置于冷却器下方的支撑架；以及

配置在导向件下方，用于均匀储存沿导向件下落的浆的储存部分；

其中，所述冷却器包括限定在冷却器的内壁和外壁之间以便穿过冷却器的中心形成路径的空间，以及形成于外壁的一侧并与所述空间连通的供给管，其中所述内壁上形成有多个与所述空间连通的喷射孔。

2.根据权利要求1所述的设备，还包括：

设置在熔炉中的温度控制器，用于根据注入到熔炉中的熔融金属的温度和熔炉中的气体温度，控制熔融金属的内部温度。

3.根据权利要求2所述的设备，其中温度控制器包括温度传感器，以及用于根据来自温度传感器的信号产生热的加热件。

4.根据权利要求1所述的设备，其中电磁搅拌器配置为环绕熔炉和冷却器的外部。

5.根据权利要求1所述的设备，其中储存部分包括储浆容器和循环件，其中储浆容器用于容纳落入其中的浆，循环件用于循环浆，以便浆均匀储存在储浆容器内。

6.根据权利要求5所述的设备，其中循环件通过输入程序以预定轨迹循环储浆容器。

7.根据权利要求5所述的设备，其中储浆容器由低导热率的陶瓷材料形成。

            根据PCT条约第19条修改的申明

修改权利要求3，将原权利要求6的内容合并到原权利要求3中；

删除原权利要求1、2和6；

原权利要求4、5、7至10没有改变；

这些修改的目的是为了限制本发明的保护范围，对说明书及其附图没有影响。

Claims (10)

1.一种用于制作具有均匀球形组织的半固态金属浆的方法，该方法包括：

将熔融金属注入到熔炉中；

通过电磁搅拌器施加的电磁场搅拌熔炉中的熔融金属，以消除熔融金属中的温度差，同时抑制枝晶生长；

在冷却部分进行快速冷却以消除从熔炉中排出的熔融金属的比热和潜热，以防止熔融金属在惰性气氛中氧化，同时防止在其中形成枝晶；以及

储存通过倾斜定位的导向件落下的冷却的半固态金属浆，以便半固态金属浆均匀地分布在储浆容器中。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：

根据注入到熔炉中的熔融金属的温度和熔炉中的气体温度，利用温度控制器控制熔融金属的内部温度。

3.一种用于制作具有均匀球形组织的半固态金属浆的设备，该设备包括：

由高熔点材料形成的熔炉，该熔炉具有形成于其上部的壳体，以便熔融金属注入到壳体中以及从壳体中排出；

用于通过将电施加到熔炉的外侧产生电磁场的电磁搅拌器；

用于快速冷却从熔炉中排出的熔融金属的冷却器；

倾斜定位的导向件，以便冷却的浆沿该导向件导入到配置于冷却器下方的支撑架；以及

配置在导向件下方，用于均匀储存沿导向件下落的浆的储存部分。

4.根据权利要求3所述的设备，还包括：

设置在熔炉中的温度控制器，用于根据注入到熔炉中的熔融金属的温度和熔炉中的气体温度，控制熔融金属的内部温度。

5.根据权利要求4所述的设备，其中温度控制器包括温度传感器，以及用于根据来自温度传感器的信号产生热的加热件。

6.根据权利要求3所述的设备，其中冷却器包括限定在冷却器的内壁和外壁之间以便穿过冷却器的中心形成路径的空间，以及形成于外壁的一侧并与所述空间连通的供给管，其中所述内壁上形成有多个与所述空间连通的喷射孔。

7.根据权利要求3所述的设备，其中电磁搅拌器配置为环绕熔炉和冷却器的外部。

8.根据权利要求3所述的设备，其中储存部分包括储浆容器和循环件，其中储浆容器用于容纳落入其中的浆，循环件用于循环浆，以便浆均匀储存在储浆容器内。

9.根据权利要求8所述的设备，其中循环件通过输入程序以预定轨迹循环储浆容器。

10.根据权利要求8所述的设备，其中储浆容器由低导热率的陶瓷材料形成。

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