CN2471450Y - 半固态金属浆料的制备装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种半固态金属浆料的制备装置,由带加热炉的容积式计量给料器、搅拌筒、温度控制装置、储料室、减速分配齿轮箱和电机等组成。搅拌筒包括筒体和搅拌器,搅拌器由二个相互啮合的螺杆组成,螺杆由芯轴与多个不同导程、不同错列角的螺纹元件组成,螺杆的最大外径与筒体的内径之间的间隙为0.05mm—3mm之间。该装置的剪切速率可高达5000s^-1以上,得到半固态组织的颗粒细小均匀,并且操作十分方便。

Description

半固态金属浆料的制备装置

本实用新型属于半固态金属成形技术，具体涉及一种半固态金属浆料的制备装置。

金属材料的半固态成形技术是1990年以后被广泛关注的新型金属成形工艺。它的基本原理是：在液态金属的凝固过程中进行强烈的搅动，使普通铸造易于形成的树枝晶网络骨架被打碎而形成分散的颗粒状组织形态，从而制得半固态金属浆料，然后将其压铸成坯料或铸件。与传统的铸造或锻压工艺相比，半固态成形具有许多优点：(1)铸件气孔及凝固收缩大大减少，零件内在质量高；(2)能够加工较复杂的零件；(3)成形温度低(Al合金至少可降低120℃)，延长模具寿命，(4)能够实现近净形(near net-shape)制造；(5)通过材料替换能够减轻部件的重量；(6)生产效率高等，引起了世界各发达国家的广泛重视和研究。半固态金属成形工艺被认为是21世纪最具发展前途的近净成形技术之一。

美国Conell大学的K.K.Wang等学者发明了一种半固态金属流变注射成形机(见K.K.Wang，et al：Method and Apparatus for Injection Molding ofSemi-solid Metals，US 5501,266，1996.3.26)，该流变注射成形机由液态金属熔化及保护装置、单螺旋搅拌、搅拌筒体、冷却及加热装置、注射成形系统等部件组成。该实用新型的工作原理是：液态金属依靠重力从熔化及保温炉中进入搅拌筒体，然后在单螺旋的搅拌作用下(螺旋没有向下的推进压力)冷却至半固态，积累至一定量的半固态金属液后，由注射装置注射成形。但该设备存在着以下问题：由于该装置采用单螺旋搅拌，其产生的剪切速率不高，只有200s^-1左右；并且，搅拌单螺旋没有类似于泵的推进作用，故设备必须垂直安装，不便于操作。

本实用新型的目的是提供一种能克服上述缺陷的半固态金属浆料的制备装置，该装置能够获得对浆料的高剪切速率，从而得到颗粒细小均匀的半固态组织，并且该装置不必垂直安装。

为完成上述任务，本实用新型提供的半固态金属浆料的制备装置包括搅拌筒和包裹在搅拌筒外的温度控制装置，搅拌筒由筒体和搅拌器组成，搅拌筒的进料口装有容积式计量给料器，容积式计量给料器外包裹有加热炉，所述搅拌筒的出口端与带有加热与温度控制功能的储料室相连，其连接处装有控制阀，储料室的底部设有出料口；所述搅拌器由二个相互啮合的螺杆组成，螺杆由芯轴与多个不同导程、不同错列角的螺纹元件组成，螺杆的最大外径与筒体的内径之间的间隙为0.05mm-3mm之间，螺杆穿过水冷箱与减速分配齿轮箱相连，减速分配齿轮箱带动螺杆同速、同向旋转，减速分配齿轮箱由电机带动，减速分配齿轮箱通过油泵与油泵电机相连。

作为本实用新型的改进，上述搅拌器的筒体和温度控制装置均可采用分段组合式设计。

本实用新型是一种具有双螺杆结构的半封闭式搅拌装置，它采用特殊结构的搅拌器，能够获得对浆料的高剪切速率，从而得到颗粒细小均匀的半固态组织。组成搅拌器的螺杆的最高转速可达600～800转/分，可以在60～800转/分内连续可调，其剪切速率可高达5000s^-1以上，高于现有的其它搅拌方式。并用本实用新型装置运转平稳，操作方便可靠。

本装置主要用于镁合金的半固态浆料的制备，也可用于其它熔点低于700℃的非铁合金或非金属材料的制备，如Al合金，Sn-Pb合金，Zn合金，Bi合金，颗粒或晶须增强金属基复合材料，高分子混合物(复合材料)等。

采用分段控温方式，比较容易控制半固态浆料的固相分数。

下面结合附图对本实用新型作进一步详细的说明：

图1为半固态金属浆料的制备装置的结构示意图；

图2为搅拌器横截面示意图；

图3为螺纹元件外形示意图；

图4为Sn-15％Pb合金组织的显微组织比较，图4a为普通液态铸造组织，图4b为半固态铸造显微组织。

如图1所示，本实用新型装置包括搅拌筒6、容积式计量给料器7、半固态金属储料室2和减速分配齿轮箱10等部件。搅拌筒6由筒体16和搅拌器组成。如图2所示，搅拌器由二个螺杆17、18组成，螺杆17、18相互啮合。二个螺杆均由芯轴和多个螺纹元件组成，螺纹元件外形可如图3所示，该元件为不同导程、不同错列角的多种形式。螺杆17、18的芯轴与螺纹元件的联结最好为渐开线花键联结方式，可提高搅拌器的结构强度。螺杆17、18的最大外径与筒体16之间的间隙最好在0.05mm至3mm之间。容积式计量给料器7装在搅拌筒6的进料口，在筒体16的外壳上包裹有温度控制装置5，用于对搅拌筒体的金属液进行加热或冷却，在容积式计量给料器7的外面也包裹有加热炉8，该加热炉可以是电阻式加热保温炉，用于熔化金属或对加入的金属液进行保温。搅拌筒6的出口端与具有加热与温度控制功能的储料室2相连，其连接处装有控制阀3。当半固态金属浆料搅拌完成后可打开控制阀3，浆料流入储料室2，在储料室2的底部设有出口1，该出口可装有截止阀，也可直接与压铸机或其它成形机相连。搅拌器通过水冷箱9与减速分配齿轮箱10相连，电机12通过联轴器11与减速分配齿轮箱10相联，电机12通过减速分配齿轮箱10减速分配后带动螺杆17、18同速、同向旋转。油泵电机13通过油泵12也与减速分配齿轮箱10相连，可以避免油路阻塞及轴承发热，以保证整个装置连续安全地工作。

筒体16和温度控制装置5均可采用分段组合式设计，以便于制造、安装及调试，并且可以分段控制搅拌筒内的温度。

在搅拌筒上可开有通气口4，该通气口14与真空装置15相连，以便对搅拌筒6进行抽真空及排气处理。

在计量给料器7的液面或筒体16内，可通入保护性气体，以减少空气对金属液或金属浆料的氧化。保护气体可以是氩气(Ar)或氮气(N₂)。筒体16的材料要具有好的高温强度及耐磨性，可选用耐高温高强耐磨钢HD、H11、H13、H21，其它双金属材料或陶瓷材料，其内腔表面应具有抗腐蚀性。

半固态金属的制备操作温度取决于合金的液相线与固相线之间的温度区间，各种合金是不同的。如对于Mg-9％Al-0.6％Zn合金，液相线温度为595℃，固相线温度为470℃，温度期间为125℃。因此，半固态浆料制备时，合金液的浇入温度为610～710℃，在搅拌器中的温度为540～600℃。

图4a为Sn-15％Pb合金液态铸造的金相组织图，其显微组织为粗大的树枝状晶粒。图4b为本实用新型的半固态金属浆料的制备装置制造的Sn-15％Pb合金的半固态显微组织，没有树枝状晶体，而是比较圆整的、细小的晶粒组织，晶粒大小为30～50μm，半固态组织中的固相分数为20％。制备的条件为：主机转速300转/分，双螺杆搅拌的剪切速率为4500s^-1，合金液浇入温度240℃，搅拌控制温度203℃。通过将半固态浆料移送至紧连的压铸机，制造出了Sn-15％Pb合金试样。

如果转速提高至700转/分，配合适当的螺杆直径及间隙，其剪切速率可高达15000s^-1或更高。测试表明，该设备对Sn-15％Pb的半固态金属浆料，在剪切速率为200s^-1下，注射的流动速度达1.128×10^-4m³/s。

整个系统可以设置一套电气控制柜(图1中未表示)，调节控制电机的转速，设定加热及控制的温度，调节冷却速度，控制进料阀门等。同时，可以采用各种数字表显示主机转速、电流、温度等。电器控制还可以采用可编程控制器控制，实现机组所有运行参数的集中设定，调节控制和瞬间打印。

Claims (6)

1.一种半固态金属浆料的制备装置，包括搅拌筒和包裹在搅拌筒外的温度控制装置，所述搅拌筒由筒体和搅拌器组成，搅拌筒的进料口装有容积式计量给料器，容积式计时给料器外包裹有加热炉，所述搅拌筒的出料端与带有加热与温度控制功能的储料室相连，其连接处装有控制阀，储料室的底部设有出料口，其特征在于：所述搅拌器由二个相互啮合的螺杆(17、18)组成，螺杆(17、18)由芯轴与多个不同导程、不同错列角的螺纹元件组成，螺杆(17、18)的最大外径与筒体(16)的内径之间的间隙为0.05mm-3mm之间，螺杆(17、18)穿过水冷箱(9)与减速分配齿轮箱(10)相连，减速分配齿轮箱(10)带动螺杆(17、18)同速、同向旋转，减速分配齿轮箱(10)由电机(12)带动，减速分配齿轮箱(10)通过油泵(14)与油泵电机(13)相连。

2.根据权利要求1所述的半固态金属浆料的制备装置，其特征在于：所述筒体(16)为分段组合式设计。

3.根据权利要求1或2所述的半固态金属浆料的制备装置，其特征在于：所述温度控制装置(5)为分段组合式设计。

4.根据权利要求3所述的半固态金属浆料的制备装置，其特征在于：螺杆(17、18)的芯轴与螺纹元件的联结为渐开线花键联结方式。

5.根据权利要求3所述的半固态金属浆料的制备装置，其特征在于：所述筒体(16)上设有与真空装置(15)相连的通气口(4)。

6.根据权利要求4所述的半固态金属浆料的制备装置，其特征在于：所述筒体(16)上设有与真空装置(15)相连的通气口(4)。

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