CN103341612B - 一种摇摆搅拌装置制备半固态浆料和流变成形设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种摇摆搅拌装置制备半固态浆料和流变成形设备，属于半固态金属加工技术领域。该装置由摇摆升降杆、摇摆动力装置、合金熔体、固定搅拌杆、支架、浇勺、搅拌室、小浇口、坩埚、加热元件、压铸机及压室、半固态浆料、压射冲头、挤压机及压室、挤压冲头等组成。本发明利用冷却和搅拌的原理，合金熔体由于摇摆升降杆的作用，在搅拌室内产生流动，并受到固定搅拌杆的搅拌作用促进合金熔体形核，制备半固态浆料，此设备与压铸机、挤压机或锻造机等成形设备很容易实现流变成形。本发明构造简单、投资少，生产成本低，连续制备工作稳定可靠，非常适合半固态金属浆料或坯料的制备与成形生产。

Description

一种摇摆搅拌装置制备半固态浆料和流变成形设备

技术领域

本发明属于半固态金属加工技术领域,特别提供了一种摇摆搅拌装置制备半固态浆料和流变成形的设备。

背景技术

自从20世纪70年代初期，美国麻省理工学院M C Flemings等研究人员创立了金属半固态成形的概念，半固态金属浆料的制备和成形技术作为一种新型的技术引起了世界各国的广泛关注。据文献“Behavior of metal alloys in the semisolid state”(M C Flemings, Metall Trans, 1991,22A:957-981)、“一种悬挂锥筒式半固态金属浆料制备及输送装置”（康永林，中国专利，200810114097.3，2008）和《金属材料半固态加工理论与技术》（专著：康永林，毛卫民，胡壮麒，科学出版社，2004）报道，获得半固态金属浆料的方法很多，如机械搅拌法、电磁搅拌法、应变引起的熔体激活法、晶粒细化和重熔法、紊流效应法、单螺旋搅拌法、双螺旋搅拌法、低过热度倾斜板浇铸法、熔体混合法、气泡搅拌法等。同样，上述文献也提出了许多半固态金属浆料的流变成形方法，如传统机械搅拌式流变成形、压射室制备浆料式流变成形、单螺旋机械搅拌流变成形、双螺旋机械搅拌式流变成形、低过热度倾斜板浇注式流变成形、CRP（Continuous Rheoconversion process）式流变成形、SEED（Swirled Enthalpy Equilibation Device）式流变成形等。但为了降低半固态金属浆料的制备与成形成本，世界各国的学者、专家和工业界仍在不断努力，试图提出新的半固态金属浆料或坯料的制备技术。

文献“semi-solid processing of engineering alloys by a twin-screw rheomolding process.”(S Ji, Z Fan and M J Bevis, Mater Sci & Eng, 2001, 299A: 210-217)提出： 双螺旋机械搅拌流变射铸的设备主要包括液态镁合金供料机构、双螺旋机械搅拌机构、压射机构和中央控制机构。在双螺旋机械搅拌流变射铸的设备中，一般不含有用于半固态浆料制备的摇摆搅拌装置，只需将过热合金熔体平稳导入双螺旋机械搅拌桶中即可。供料机构能够保证向双螺旋机械搅拌机构提供温度合适和数量合适的液态镁合金；液态镁合金一旦进入搅拌***，一般被双螺旋搅拌桶强烈的剪切，一边被快速冷却到预期的固相分数；当半固态镁合金浆料到达输送阀时，初生固相已经转变为球状颗粒，并均匀分布在低熔点的液相中；当输送阀打开时，半固态镁合金浆料进入压室，被压入模具型腔，并在模具中完全凝固，最终形成机械零件。但这种双螺旋机械搅拌流变射铸设备仅适合于镁合金的半固态流变成形。

中国专利200810114097.3提出了一种悬挂锥桶式半固态金属浆料制备装置，利用浇勺或供料装置把液态金属浇入到制浆装置，合金液在通过内外锥桶之间的缝隙时受到强烈的剪切搅拌作用，最终制备出组织细小圆整的半固态浆料；在该半固态浆料设备中，一般不含有用于半固态浆料制备的摇摆搅拌装置，只需将过热金属液体浇入锥筒内即可。

欧洲专利EP 0745691A1提出了New Rheocasting 技术，简称NRC。在NRC技术汇总，首先降低浇注金属液的过热度，将金属液教主到一个倾斜平板（或倾斜圆管、或倾斜半圆管）上，金属熔体流入手机坩埚，再经过适当地冷却凝固，这是的半固态金属熔体中的金属浆料进行温度调整，以获得尽可能均匀的温度场或固相分数，最终获得半固态金属浆料，再将该半固态金属奖励进行流变压铸或锻造，就可成形各种另在。在New Rheocasting 工艺的设备中，一般不含有用于半固态浆料制备的摇摆搅拌装置，只需将过热金属熔体平稳地浇倒倾斜平板（倾斜圆管、或倾斜半圆管）上即可。

中国专利 200710176136.8提出了一种半固态金属浆料的制备和流变成形的设备，将过热熔体浇入由倾斜管和垂直管组成的斜直复合管通道来浇注金属液，促进该金属液的冷却和形核，制备半固态金属浆料与流变成形。在该技术的设备中，一般不含有用于半固态浆料制备的摇摆搅拌装置，只需将过热金属熔体浇入到斜直浇道即可。

此外还有熔体分散混合制浆装置（专利：200620018003.9）；不等径弯道挤压-剪切诱导等温球晶化半固态坯复合制备法（专利：03132471.1）；剪切低温浇注式半固态浆料制备装置（专利： 200810107252.9）；低过热度加弱电磁搅拌制浆技术（专利：00109540.74）；波浪型倾斜版振动制浆装置（专利：200710011510.9）；一种轻合金半固态浆料制备装置（专利201120425807.1）等等。在以上技术的设备中，都没有特别设置用于制备镁铝等轻合金半固态浆料的摇摆搅拌装置，即不利用摇摆搅拌装置来达到冷却和搅拌合金熔体促进形核。

以上各种制备半固态合金浆料的装置和方法各有自己的特点，但也都存在各自的不足，大多数还只是停留在实验室研究阶段，仍需提出新的制浆装置和技术，以便简化工艺，降低成本，逐步推动半固态金属加工技术的工业应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种半固态浆料的制备与流变成形的设备。该装置利用冷却和搅拌的原理，合金熔体由于摇摆升降杆的作用，在搅拌室内产生流动，并受到固定搅拌杆的搅拌作用促进合金熔体形核，半固态浆料制备好后从浇口流出。此设备与压铸机、挤压机或锻造机等成形设备很容易实现流变成形。

本发明的技术方案是：一种摇摆搅拌装置制备半固态浆料和流变成形设备，由摇摆升降杆、合金熔体、固定搅拌杆、支架、浇勺、搅拌室、小浇口、坩埚、加热元件、压铸机及压室、半固态浆料、压射冲头、挤压机及压室和挤压冲头组成；所述摇摆升降杆与搅拌室外壁相接，所述固定搅拌杆通过支架与搅拌室连接，坩埚与加热元件结合；由摇摆升降杆，固定搅拌杆、支架、搅拌室、小浇口和搅拌动力装置组成的摇摆搅拌装置与压铸机及压室结合实现流变压铸；由摇摆升降杆，固定搅拌杆、支架、搅拌室、小浇口和搅拌动力装置组成的摇摆搅拌装置摇摆搅拌装置与挤压机及压室结合实现流变挤压。

半固态浆料摇摆搅拌装置可以直接跟压铸机及压室10进行结合实现流变压铸，制备好的半固态浆料11进入压铸机及压室10后， 压射冲头12根据工艺参数将半固态浆料11压入型腔进行充型，得到半固态产品零件；同时也可以将制备坩埚8与压铸机及压室10结合，将制备坩埚8内的半固态浆料11倒入压铸机压室10后，压射冲头12将半固态浆料11压入型腔充型。

半固态浆料摇摆搅拌装置可以直接跟挤压机及压室13结合实现流变挤压成形，制备好的半固态浆料11进入挤压机及压室13后，挤压冲头14根据工艺参数将半固态浆料11压入型腔进行充型，得到半固态挤压零件；同时也可以将制备坩埚8与挤压机及压室13结合，将制备坩埚8内的半固态浆料11倒入挤压机压室13后，挤压冲头14将半固态浆料11压入型腔充型。

摇摆搅拌装置的结构见图1和图2， 摇摆升降杆1对称分布在搅拌室6的两侧，下端连接有摇摆动力装置，方式包括但不限于圆周式、往复式、摇摆式等。对称分布的摇摆升降杆1使搅拌室6来回往复摇摆使合金熔体流动。摇摆的频率为10~120次/分钟。固定搅拌杆3固定在搅拌室6的内部，搅拌杆由一定数量的等高柱体组成，柱体高100~1000mm柱体底部距搅拌室6底部10~200mm。柱体横截面的形状包括并不限于圆形、方形、三角形、椭圆。柱体的材质包括并不限于钢、陶瓷、石墨、铜。搅拌室6的材质包括并不限于钢、石墨、陶瓷、铜；搅拌室6内部形状包括并不限于半圆、半椭圆、矩形、三角形；搅拌室6的内壁涂刷陶瓷涂料，涂料的厚度为0.1~2mm；或搅拌室6的内壁装有防腐蚀和防粘内衬；金属熔体2的温度范围为金属液相线温度-50°~200°；搅拌室6和固定搅拌杆3的温度低于该金属熔体的固相线温度。

本发明的优点在于：将过热度为-50℃~200℃的金属液浇入搅拌室，该过热金属受到器壁和搅拌杆的冷却作用，同时又在摇摆的作用下，熔体在搅拌室内产生流动和搅拌，促进合金熔体形核，制备半固态浆料，浆料制备好后从小浇口流出，此设备与压铸机、挤压机或锻造机等成形设备很容易实现流变成形。

本设备取消了复杂的电磁搅拌或机械搅拌装置，也取消了复杂的低过热度浇注，也大大降低了液相线浇注的难度，大大减少了制备能耗，同样可获得优良的半固态金属浆料，明显降低了半固态金属浆料的制备成本。设备构造简单、投资少、铸件、挤压件或锻件的生产成本低，非常适合半固态金属的流变成形及坯料的生产。

附图说明

图1为摇摆搅拌装置制备轻合金半固态浆料示意图。

图2为摇摆搅拌装置侧面图。

图3为摇摆搅拌装置与压铸机结合示意图。

图4为摇摆搅拌装置与挤压机结合示意图。

图中：1摇摆升降杆、2合金熔体、3固定搅拌杆、4支架、5浇勺、6搅拌室、7小浇口、8坩埚、9加热元件、10压铸机及压室、11半固态浆料、12压射冲头、13挤压机及压室、14挤压冲头。

具体实施方式

下面结合实例对本发明的结构及实施效果做进一步的说明。

如图1所示，本发明一种摇摆搅拌装置制备半固态浆料和流变成形设备，该设备由摇摆升降杆1、固定搅拌杆3、支架4、浇勺5、搅拌室6和小浇口7组成的搅拌装置、坩埚8、加热元件9、压铸机及压室10和压射冲头12组成流变压铸成形设备和挤压机及压室13和挤压冲头14组成的流变挤压成型设备；

其中，摇摆连接杆1对称分布在所述搅拌室6的两侧，所述摇摆连接杆1的上端与所述搅拌室6的外壁固接，所述摇摆连接杆1的下端与所述摇摆动力装置固接，所述摇摆动力装置15通过所述摇摆连接杆1驱动所述搅拌室6做圆周式、往复式或摇摆式运动，所述固定搅拌杆3设置在所述搅拌室6的中心位置，通过所述支架4与所述搅拌室6固接，所述搅拌室6一侧的侧边上设有小浇口7。

实例1：

（1）试验用ZL101A铝合金的液相线为615℃，将合金在坩埚电阻炉内熔化，待合金温度达到720℃左右时，用钟罩将烘干后的六氯乙烷压入熔体低部（加入量为合金液总重量的0.5%），并轻轻摆动，进行合金熔体的除气、除渣精炼处理，最后将合金熔体温度降至630℃保温。

（2）设定本发明装置摇摆搅拌装置的搅拌室和搅拌杆温度为200℃，摇摆的频率为30次/分钟，将上一步骤熔炼好的合金熔体用浇勺5浇入摇摆搅拌装置的搅拌室6内，在摇摆动力装置的驱动下，搅拌室6受到两侧摇摆升降杆1的作用下产生摇摆，搅拌室6的摇摆带动搅拌室内的合金熔体产生运动，同时通过支架4固定的固定搅拌杆3对熔体产生搅拌作用，该过热熔体受到器壁和固定搅拌杆3的冷却作用，同时又在摇摆的作用下，熔体在搅拌室内产生流动和搅拌，促进合金熔体形核，浆料制备好后从小浇口7流入坩埚8内，浆料的温度处于半固态区间，其液相集体中均匀分布着一定比例的球状初生固相。

实例2：

（1）试验用A356铝合金的液相线温度为615℃，将铝合金锭料放入到预热温度为400℃的坩埚电阻炉内，待合金液温度达到700℃后精炼，用钟罩将烘干后的六氯乙烷压入熔体低部（加入量为合金液总重量的0.5%），并轻轻摆动，进行合金熔体的除气、除渣精炼处理，最后将合金熔体温度降至640℃保温。

（2）设定本发明装置摇摆搅拌装置的搅拌室和搅拌杆温度为250℃，摇摆的频率为60次/分钟，将上一步骤熔炼好的合金熔体2浇入摇摆搅拌装置的搅拌室6内，在该过热金属受到器壁和固定搅拌杆3的冷却作用，同时又在摇摆的作用下，熔体在搅拌室6内产生流动和搅拌，促进合金熔体2形核，半固态浆料制备好后从小浇口7直接流入压铸机及压室10，通过压射冲头12进行流变压铸成形。

Claims (4)

1.一种摇摆搅拌装置制备半固态浆料和流变成形设备，其特征在于由摇摆升降杆（1）、合金熔体（2）、固定搅拌杆（3）、支架（4）、浇勺（5）、搅拌室（6）、小浇口（7）、坩埚（8）、加热元件（9）、压铸机及压室（10）、半固态浆料（11）、压射冲头（12）、挤压机及压室（13）和挤压冲头（14）组成；所述摇摆升降杆（1）与搅拌室（6）外壁相接，所述固定搅拌杆（3）通过支架（4）与搅拌室（6）连接，坩埚（8）与加热元件（9）结合；由摇摆升降杆（1），固定搅拌杆（3）、支架（4）、搅拌室（6）、小浇口（7）和搅拌动力装置组成的摇摆搅拌装置与压铸机及压室（10）结合实现流变压铸；由摇摆升降杆（1），固定搅拌杆（3）、支架（4）、搅拌室（6）、小浇口（7）和搅拌动力装置组成的摇摆搅拌装置摇摆搅拌装置与挤压机及压室（13）结合实现流变挤压。

2.根据权利要求1所述的摇摆搅拌装置制备半固态浆料和流变成形设备，其特征在于：摇摆升降杆（1）使搅拌室来回往复摇摆使合金熔体流动；摇摆升降杆（1）对称分布在搅拌室（6）的两侧，下端连接有摇摆动力装置，方式包括圆周式、往复式或摇摆式；摇摆的频率为10~120次/分钟。

3.根据权利要求1所述的摇摆搅拌装置制备半固态浆料和流变成形设备，其特征在于：所述固定搅拌杆（3）由一定数量的等高柱体组成，所述柱体高度为100~1000mm，柱体底部距搅拌室（6）底部10~200mm；所述柱体横截面的形状为圆形、方形、三角形或椭圆；柱体的材质为钢、陶瓷、石墨或铜。

4.按照权利要求1或2所述的摇摆搅拌装置制备半固态浆料和流变成形设备，其特征在于：所述搅拌室（6）的材质为钢、石墨、陶瓷或铜；搅拌室（6）截面形状为半圆、半椭圆、矩形或三角形；搅拌室（6）的内壁涂刷有陶瓷涂料，所述陶瓷涂料的厚度为0.1~2mm；或搅拌室（6）的内壁装有防腐蚀和防粘内衬；搅拌室（6）和固定搅拌杆（3）的温度低于该金属熔体的固相线温度。