CN2688419Y - 带螺旋槽圆锥芯杆的阻尼冷管 - Google Patents

Abstract

一种带螺旋槽圆锥芯杆的阻尼冷管，包括有阻尼冷管，阻尼冷管的上方设有一盛装金属熔体的较大截面积的容器，阻尼冷管与容器连接的连接处为一个圆锥段，在圆锥段和阻尼冷管内设有带螺旋槽圆锥形芯杆，并在阻尼冷管的管壁安装了冷却水管和加热线圈。合金溶体(合金溶体在液相线温度以上几度)通过阻尼冷管，合金溶体在管壁的冷却下形成许多细小的晶核。晶核形成后，将迅速长大。合金熔体在阻尼冷管中的流动速度较快，将形核长大的细小的晶核冲刷下来，流入下面的容器。同时带螺旋槽圆锥芯杆可以对合金熔体产生搅拌作用，使获得的半固态浆料较为均匀。该阻尼冷管避免了高温熔体与空气接触而氧化，特别适用于镁合金。具有工艺简单、不需要外加动力、冷却强度可控性好的优点。

Description

带螺旋槽圆锥芯杆的阻尼冷管

技术领域

本实用新型涉及一种带螺旋槽圆锥芯杆的阻尼冷管。

背景技术

半固态金属加工技术(Semi-Solid Metal Forming or Semi-Solid Metal Process，简称SSM)是金属在凝固过程中，进行强烈搅拌或通过控制凝固条件，破碎所生成的树枝晶或抑制树枝晶的生成，获得具有等轴或近似于等轴、均匀、细小的初生相，初生相均匀分布于液相中的悬浮半固态浆料。此种浆料在外力的作用下，即使固相率达到60％仍具有较好的流动性。可以利用压铸、挤压、模锻等工艺进行加工成形。

半固态加工技术的工艺路线主要有两类：一类是将制备的半固态浆料在保持其半固态温度的条件下直接成形，通常被称为流变铸造或流变成形(Rheo-castingor Rheo-moulding)；另一类是将半固态浆料先制备成具有非枝晶组织的坯料。再根据产品尺寸下料，然后将坯料重新加热到半固态温度成形，通常被称为触变成形(Thixo-forming or Thixo-moulding)。对于触变成形，由于具有非枝晶组织的坯料重新加热到半固态时能保持一定的形状，便于输送，易于实现自动化。因此，触变成形工艺路线在工业中较早的得到了应用。对于流变铸造，由于将制备的半固态浆料直接成形，具有高效、节能、短流程的特点，近年来发展很快，这是半固态加工技术进一步推广应用的方向。

从1990年召开第一届半固态国际会议，至今已召开了七次专门国际会议。最近三届会议的特点是：1998年召开的第五届国际会议有大批工业界人士参加，将半固态加工技术的应用推向一个高潮；2000年召开的第六届半固态国际会议上出现了不少实用技术及方法；而在2002年召开的第七届半固态国际会议上涌现出了大批实用技术及方法，其中绝大部分是有关半固态金属浆料的制备新方法。同时，也将直接流变铸造或流变成形提到一个相当高的位置。

目前，工业上应用较为广泛的是触变成形工艺路线。而它存在一些不足，如流程较长。为此，如何进一步简化加工工艺流程和进一步降低加工成本，是促进半固态加工技术广泛的应用的基础。半固态金属浆料的制备是半固态加工技术的核心，因此近些年来，出现了许多制备半固态金属浆料的新工艺、新技术、新装置。在半固态金属浆料的制备方面，有双螺旋搅拌法、冷却斜槽法、控制冷却速度的近液相线铸造法、新MIT法、不同液体混合制备法等，下面主要介绍其中的两种方法：

(1)冷却斜槽法(Cooling Slope)

冷却斜槽是日本宇部株式会社开发新工艺，已在欧洲申请了专利。其原理为：将略高于液相线温度的熔融金属倒在冷却斜槽上，由于斜槽的冷却作用，在斜槽壁上有细小的晶粒形核长大，金属熔体的冲击使晶粒从斜槽壁上脱离进入容器。控制容器温度，即缓慢冷却，冷却到一定的半固态温度后保温，达到要求的固相体积分数，随后可进行流变成形或触变成形。

(2)“新MIT工艺”法是由MIT的Flemings等人提出，其工艺过程为：用带有冷却作用的搅拌器插入温度在液相线温度以上几度的合金溶体中，进行搅拌。搅拌数秒钟后，熔体温度降低到对应只有几个百分数的固相分数时，把搅拌器取出。合金溶体在液相线温度下，由于搅拌与冷却的共同作用，导致了熔体体积中合金晶粒的过冷形核，而且固相合金晶粒在熔体中分布均匀。再迅速冷却合金熔体，就能获得较理想的半固态浆料。

MIT最近的实验研究表明，影响形成非枝晶半固态浆料的重要因素是合金的快速冷却和热传导。在一定的搅拌速度下，能获得半固态组织，进一步提高搅拌速度对产生球形晶粒没有太大影响，而且当搅拌时间为2秒时就能产生非枝晶半固态浆料。当合金温度低于液相线温度时，搅拌对最终的微观组织没有太大影响。

上述两种方法及其设备的主要缺点是，高温熔体在搅拌过程中或在冷却斜槽上流动中易与空气接触，以及冷却强度不易控制从而影响产品的质量；此外，需要外加动力，加大生产成本。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种冷却强度可控性好、不需要外加动力、避免高温熔体与空气接触的带螺旋槽圆锥芯杆的阻尼冷管。该带螺旋槽圆锥芯杆的阻尼冷管能适应各种不同的合金溶体的要求和流量的需要而进行制备半固态合金浆料。

为实现上述目的，本实用新型采取以下设计方案：

一种带螺旋槽圆锥芯杆的阻尼冷管，包括有截面为圆形的阻尼冷管，该阻尼冷管的上方设有一个较大截面积的容器，盛装金属熔体的，该阻尼冷管与容器连接的连接处为一个圆锥段，在圆锥段和阻尼冷管内设有带螺旋槽圆锥形芯杆，该带螺旋槽圆锥形芯杆由圆锥段和圆柱段组成，阻尼冷管内径与芯杆的圆柱段的外径有一定的间隙，芯杆的圆锥段与阻尼冷管上方的圆锥段为有一个角度差，芯杆的圆锥段和圆柱段都具有螺旋槽，并在阻尼冷管的管壁安装了冷却水管和加热线圈。

本实用新型的带螺旋槽圆锥芯杆的阻尼冷管在使用过程中，使盛装在阻尼冷管上方容器中的合金溶体(合金溶体在液相线温度以上几度至十几度)通过该阻尼冷管。由于带螺旋槽圆锥芯杆的圆锥段支撑在阻尼冷管与容器连接处的圆锥段，合金溶体流动受阻，但圆锥芯杆带有螺旋槽，合金溶体通过螺旋槽向下流动。螺旋槽的槽截面积和芯杆圆柱段的直径与阻尼冷管内径之间的间隙都较小，合金熔体的流动速度较快。由于阻尼冷管周围设有冷却系统(即管壁中设有冷却管)，合金熔体通过阻尼冷管时被冷却，合金溶体在管壁的冷却下形成许多细小的晶核。晶核形成后，将迅速长大，由于合金熔体的冲击，使长大到一定尺寸的晶粒从管壁上脱离进入合金熔体。同时，带螺旋槽圆锥芯杆在合金熔体流动的反作用力下，在阻尼冷管中转动，带螺旋槽圆锥芯杆的转动对合金熔体起到搅拌作用，从而获得较均匀的半固态浆料。获得的半固态浆料流入下方的容器。流入下方的容器的半固态浆料，根据需要可以进行保护。半固态浆料可直接进行流变铸造或流变成形，也可制备成坯料。

同时，阻尼冷管管壁中也设有加热系统(即设有加热线圈)，可以进一步的有效地调节合金熔体的冷却速度。当合金溶体因冷却速度过大，而凝固在阻尼冷管管壁时，可启动加热系统，清除凝固在管壁的合金，保持系统的正常工作。

在本实用新型的带螺旋槽圆锥芯杆的阻尼冷管中，所述的芯杆的圆柱段与阻尼冷管的间隙根据合金熔体和管径而定，通常单边间隙在2-5mm范围内。

在本实用新型的带螺旋槽圆锥芯杆的阻尼冷管中，所述的芯杆的圆锥段的圆锥角比阻尼冷管上方的圆锥段的圆锥角小20°～50°。

在本实用新型的带螺旋槽圆锥芯杆的阻尼冷管中，所述的芯杆的圆锥段和圆柱段上的螺旋槽的升角度大于60°，螺旋槽的槽形和深度根据合金熔体的性质由实验决定。

在本实用新型的带螺旋槽圆锥芯杆的阻尼冷管中，所述的冷却水管和加热线圈呈内外排列，且冷却水管和加热线圈分两组或三组。每组冷却水管和加热线圈都可以独立控制。以便更好的调节沿阻尼冷管的轴线方向冷却速度或加热能力分布。由于阻尼冷管周围设有冷却系统(即管壁中设有冷却管)，而且冷却水管可分两组或三组。因此，可以有效地调节合金熔体的冷却速度，即调节出口处半固态浆料的固相体积分数。可以控制阻尼冷管下方的容器温度，进一步调节半固态浆料的固相体积分数，获得设定的固相体积分数。

在本实用新型的带螺旋槽圆锥芯杆的阻尼冷管中，阻尼冷管长度根据合金熔体的性质和阻尼冷管的直径确定，但阻尼冷管长度应大于300mm，阻尼冷管长度优选为300-800mm，芯杆的圆柱段的长度一般为阻尼冷管长度的1/3至1/2之间。

在本实用新型的带螺旋槽圆锥芯杆的阻尼冷管中，所述的加热线圈环绕在管壁内的里层，冷却管环绕在管壁内的外层。加热线圈的作用：一是能精确的调节冷却效果；二是能加热熔化和清理阻尼冷管中的残留合金。

在本实用新型的带螺旋槽圆锥芯杆的阻尼冷管中，带螺旋槽圆锥芯杆的材料为高强、耐热、耐磨材料，芯杆的材料密度大于合金熔体的密度，如采用钛合金材料。

在本实用新型的带螺旋槽圆锥芯杆的阻尼冷管中，对于制备铝合金半固态浆料，所述的芯杆的材料采用钛合金材料。

本实用新型的优点是：

1、合金熔体是在一个封闭的阻尼冷管中流动，避免了高温熔体与空气接触而氧化，特别适用于镁合金。采用本实用新型的带螺旋槽圆锥芯杆的阻尼冷管能有效的防止镁合金的燃烧和氧化。

2、带螺旋槽圆锥芯杆的阻尼冷管的结构能适应各种不同合金熔体的要求和流量的需要。

3、带螺旋槽圆锥芯杆的阻尼冷管是一个封闭的系统，它冷却强度可控性好。

4、带螺旋槽圆锥芯杆的阻尼冷管法具有冷却斜槽法的特点，不需要外加动力。

采用带螺旋槽圆锥芯杆的阻尼冷管进行制备半固态合金浆料的方法与“新MIT工艺”相比较，具有工艺简单的优点；与冷却斜槽法相比较，具有可控性好，金属熔体不与空气接触，而氧化的优点。

附图说明

图1为带螺旋槽圆锥芯杆的阻尼冷管的示意图

具体实施方式

如图1所示，本实施例的制备半固态合金浆料的方法是采用带螺旋槽圆锥芯杆的阻尼冷管。带螺旋槽圆锥芯杆的阻尼冷管包括有截面为圆形的阻尼冷管11，该阻尼冷管11的上方设有一个截面积较大的容器12，盛装金属熔体，该阻尼冷管11与容器12连接的连接处为一个圆锥段13，在圆锥段13和阻尼冷管11内设有带螺旋槽圆锥形芯杆14。该带螺旋槽圆锥形芯杆14由圆锥段和圆柱段组成，圆柱段的直径比阻尼冷管11内径一些，芯杆14的圆柱段与阻尼冷管的间隙根据合金熔体和管径而定，通常单边间隙在2-5mm范围内；芯杆14的圆锥段的圆锥角比阻尼冷管11上方的圆锥段的圆锥角小20°～50°；芯杆14的圆锥段和圆柱段都具有螺旋槽，芯杆14的圆锥段和圆柱段上的螺旋槽的升角度大于60°。阻尼冷管11长一般大于300mm，芯杆14的圆柱段的长度一般为阻尼冷管11长度的1/3至1/2之间。芯杆14的材料密度大于合金熔体的密度，如采用钛合金材料。并在阻尼冷管11的管壁安装了冷却水管2和加热线圈3，冷却水管2和加热线圈3呈内外排列，加热线圈3环绕在管壁内的里层，冷却管2环绕在管壁内的外层，且冷却水管2和加热线圈3分两组或三组。

如图1所示，本实用新型的带螺旋槽圆锥芯杆的阻尼冷管在使用过程中，由静置炉6或保温炉连续向容器12提供金属熔体，且使容器12中的合金熔体保持一定的高度，容器12中合金熔体的高度是阻尼冷管11中合金熔体流动的驱动力。盛装在阻尼冷管11上方容器12中的合金溶体(合金溶体在液相线温度以上几度)通过阻尼冷管11与容器12连接的连接处为一个圆锥段13、阻尼冷管11，由于圆锥段13、阻尼冷管11截面面积变小，合金熔体在阻尼冷管11中的流动速度较快。合金溶体通过阻尼冷管11时，合金溶体在管壁的冷却下形成许多细小的晶核。晶核形成后，将迅速长大，由于合金熔体的冲击，使长大到一定尺寸的晶粒从管壁上脱离进入合金熔体。同时带螺旋槽圆锥芯杆14可以对合金熔体产生搅拌作用，带螺旋槽圆锥芯杆14的材料密度比金属熔体的密度大一些，芯杆14在金属熔体的冲击下，由于带螺旋槽的斜面上的周向分力作用，使带芯杆14转动，从而起到对金属熔体的搅拌作用，获得较均匀的半固态浆料。由于阻尼冷管11的管壁中设有冷却水管2，而且冷却水管2分两组或三组。因此，可以有效地调节合金熔体的冷却速度，即调节出口处半固态浆料的固相体积分数。获得的半固态浆料流入下方的容器。

实施例1，带螺旋槽圆锥芯杆的阻尼冷管制备镁合金AZ91D半固态浆料。

如图1所示，AZ91合金液相线温度为596℃。合金在熔炼炉中熔炼后，合金熔体温度为740℃左右，熔体转入静置炉6内，进行精炼和除渣，精炼后的熔体温度为640℃左右，将熔体注入容器12，再流入阻尼冷管11。保持容器12中合金熔体的压头高度在600mm，容器12的规格为Φ500mm×750mm，并向容器12中通入少量的保护性气体。阻尼冷管11规格为Φ60mm×500mm，芯杆14的圆柱段与阻尼冷管11的内壁单边间隙为2mm，即圆柱段的直径为Φ56mm，阻尼冷管出口的流速大于18m/min。芯杆14圆锥段的圆锥角比冷管上方的圆锥段13的圆锥角小40°。圆锥芯杆的圆锥段和圆柱段螺旋槽的升角为60°，螺旋槽截面为梯形，圆锥芯杆14的材料采用钛合金材料。芯杆圆锥段高度为80mm，圆柱段的长度为200mm。获得初生相体积分数为12-20％的半固态浆料。进一步控制阻尼冷管下方的容器温度，可调节半固态浆料的固相体积分数为30％，然后进行流变成形。

实施例2，带螺旋槽圆锥芯杆的阻尼冷管制备铝合金AlSi7Mg半固态浆料。

如图1所示，AlSi7Mg合金液相线温度为635℃。合金在熔炼炉中熔炼后，合金熔体温度为750℃左右，熔体转入静置炉6内，进行精炼和除渣，精炼后的熔体温度为680℃左右，将熔体注入容器12，再流入阻尼冷管11。保持容器12中合金熔体的压头高度在550mm，容器12的规格为Φ500mm×750mm。阻尼冷管11规格为Φ60mm×500mm，芯杆14的圆柱段与阻尼冷管11的内壁单边间隙为2mm，即圆柱段的直径为Φ56mm，阻尼冷管出口的流速大于18m/min。芯杆14圆锥段的圆锥角比冷管上方的圆锥段13的圆锥角小40°。圆锥芯杆的圆锥段和圆柱段螺旋槽的升角为60°，螺旋槽截面为梯形，圆锥芯杆14的材料采用钛合金材料。芯杆圆锥段高度为80mm，圆柱段的长度为200mm。获得初生相体积分数为10-18％的半固态浆料。进一步控制阻尼冷管下方的容器温度，可调节半固态浆料的固相体积分数为30％，然后进行流变成形。

采用本实用新型的带螺旋槽圆锥芯杆的阻尼冷管制备半固态合金浆料，可直接进行流变铸造或流变成形，直接用于压铸、挤压或轧制；也可制备成坯料。

Claims (8)

1、一种带螺旋槽圆锥芯杆的阻尼冷管，其特征在于：包括有截面为圆形的阻尼冷管，该阻尼冷管的上方设有一盛装金属熔体的较大截面积的容器，该阻尼冷管与容器连接的连接处为一个圆锥段，在圆锥段和阻尼冷管内设有带螺旋槽圆锥形芯杆，该带螺旋槽圆锥形芯杆由圆锥段和圆柱段组成，圆柱段的直径与阻尼冷管内径为有间隙的配合，圆锥段与阻尼冷管上方的圆锥段为有角度差，芯杆的圆锥段和圆柱段都具有螺旋槽。在阻尼冷管的管壁安装了冷却水管和加热线圈。

2、根据权利要求1所述的带螺旋槽圆锥芯杆的阻尼冷管，其特征在于：所述的芯杆的圆柱段与阻尼冷管之间有间隙，单边间隙在2-8mm范围内。

3、根据权利要求1或2所述的带螺旋槽圆锥芯杆的阻尼冷管，其特征在于：所述的芯杆的圆锥段的圆锥角比阻尼冷管上方的圆锥段的圆锥角小20°～50°。

4、根据权利要求3所述的带螺旋槽圆锥芯杆的阻尼冷管，其特征在于：所述的芯杆的圆锥段和圆柱段上的螺旋槽的升角度大于60°。

5、根据权利要求1所述的带螺旋槽圆锥芯杆的阻尼冷管，其特征在于：所述的冷却水管和加热线圈呈内外排列，且冷却水管和加热线圈分两组或三组。

6、根据权利要求1所述的带螺旋槽圆锥芯杆的阻尼冷管，其特征在于：所述的阻尼冷管长为300-800mm，芯杆圆柱段的长度一般为阻尼冷管长度的1/3至1/2之间。

7、根据权利要求1所述的带螺旋槽圆锥芯杆的阻尼冷管，其特征在于：所述的芯杆的材料密度大于合金熔体的密度。

8、根据权利要求7所述的带螺旋槽圆锥芯杆的阻尼冷管，其特征在于：对于制备铝合金半固态浆料，所述的芯杆的材料采用钛合金材料。

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