CN111151724A - 一种随流半固态成形方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种随流半固态成形装置，包括：料筒、压头、流道和温控***；所述料筒是一个圆桶形的空腔，料筒的一端与模具相连接，所述压头是圆柱体，压头的直径比料筒的内径小0.2～1.0mm，长度50～120mm，压头的一端通过一个连接杆与加压油缸的活塞杆连接，压头的另一端伸入料筒内，能够在料筒内运动自如，所述流道的一端与料筒连通，并与料筒的轴线形成20～90°的夹角，流道的另一端与模具腔连通，所述温控***包括：加热元件及其温度调控仪表，控温精度为±1℃，加热元件与流道的形状相适应，绕在流道和料筒的外部。

Description

一种随流半固态成形方法及其装置
技术领域
本发明涉及金属材料半固态加工领域，尤其涉及半固态挤压铸造技术领域，具体为一种随流半固态成形方法及其装置。
背景技术
现有技术中，半固态加工技术都是首先利用专门的设备进行半固态熔体或坯料的制备，然后将半固态熔体浇注或转移到压射筒内，利用压铸机、模锻机或轧机等压制成型，或者将事先制好的半固态坯料加热到固液共存的熔融态后放入模具内，利用压铸机、模锻机或轧机等压制成型。前者称为半固态流变成形，后者称为半固态触变成形。在半固态流变成形过程中，半固态熔体的制备和浇注过程都会受到大气的污染，包括氧化、卷气等，导致半固态流变成形零件内的氧化夹杂和气孔缺陷在所难免，零件的质量和性能难以稳定。
发明内容
为了解决现有半固态成形技术中半固态熔体的制备与成形分步进行，带来了氧化卷气以及生产效率低、成本高的问题，提出了一种随流半固态成形方法及其装置。
本发明提供了一种半固态流变成型的新方法，称为随流半固态成形，这种方法将在合金熔体流入模腔的过程实时制成半固态熔体，将半固态熔体的制备、浇注和成形无缝衔接，集成在一步中完成，省去了半固态熔体的浇注和转移步骤，有效解决了现有半固态加工存在氧化夹杂和气孔缺陷、质量和性能稳定性较差、成本高的问题。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种随流半固态成形装置，包括：料筒1、压头3、流道7和温控***10；
所述料筒1是一个圆桶形的空腔，料筒1的一端与模具相连接，
所述压头3是圆柱体，压头3的直径比料筒1的内径小0.2～1.0mm，长度为50～120mm，压头3的一端通过一个连接杆与加压油缸4的活塞杆连接，压头3的另一端伸入料筒1内，能够在料筒1内运动自如，
所述流道7的一端与料筒1连通，并与料筒1的轴线形成20～90°的夹角，流道7的另一端与模具腔5连通，
所述温控***10包括：加热元件9及其温度调控仪表，控温精度为±1℃，加热元件9与流道7的形状相适应，绕在流道7和料筒1的外部。
在上述方案的基础上，所述料筒1由保温材料制成，料筒1的温度为TL～TS+20℃，其中TL为合金液相线温度，TS为合金固相线温度；保温材料为泡沫氧化铝、硅藻土或铝矾土等。
在上述方案的基础上，所述流道7采用模具钢、陶瓷或石墨等材料制成，流道7的表面粗糙度为6.3-25μm，流道7的形状为管状、盘状或锥形，流道7的横截面厚度为10～100mm；流道7的温度在合金的固相线与液相线温度之间。
在上述方案的基础上，所述流道7采用模具钢制成，表面涂有形核涂料8，所述形核涂料8由粒度100-300目的陶瓷颗粒、粘结剂和悬浮剂组成。
一种随流半固态成形方法，应用上述的随流半固态成形装置，包括如下步骤：
S1调温：调整料筒1和合金液2的温度，使料筒1的温度在TL～TS+20℃，将合金液2转入料筒1内，所述合金液2包括：铝合金、镁合金、铜合金或锌合金等，所述合金液2的温度为TL+0～10℃；
S2通保护气体6：模具腔5内通氮气或氩气等不与合金液2反应和溶解的保护气体6，气体压力大于0.1MPa；
S3随流制备：启动成形设备的加压油缸4，通过压头3将料筒1内的合金液2推入流道7，合金液2在流道7内的平均流速为10-100mm/s，在合金液2流经流道7的过程，合金液2与流道7内壁或形核涂料8接触，形成离散的微小晶体，微小晶体在合金熔体流动的切应力作用下被剥离，混入合金熔体内，使合金熔体逐步变为含有2～30％细小晶体颗粒的固液混合物，即半固态合金熔体；
S4凝固成形：半固态合金熔体被压入安装在成形设备上的模具腔5内，继续加压直至半固态合金熔体完全凝固成形。
在上述方案的基础上，所述成形设备包括：压铸机、挤压铸造机或模锻机。
本发明的有益效果：
(1)高效：在合金液流经流道进入模腔的过程，制成了含有一定固相的半固态合金熔体(浆料)，不需要专门的工序制备半固态浆料，只需数秒的时间，制备效率极高；
(2)清洁：合金液在料筒内静置，可以使其中的气体排出；在随后进入模腔的过程在气氛保护下进行，没有大气的氧化和卷渣的危险，所以，半固态熔体清洁。
(3)低成本：省去了专门的半固态熔体制备和浇注转移工序，所以成本显著降低。其工艺成本与低压铸造相当。
(4)组织细密：经过流道的合金液变成了含有晶核或细微晶体的固液混合物，进入模腔后又有高压压制，所以内部组织细小致密，没有缩松和缩孔缺陷，综合性能优异；
(5)适用范围广：本发明适用于铝合金、铜合金、锌合金、镁合金、钢铁等材料的半固态挤压铸造、半固态压铸以及半固态模锻。
附图说明
图1为本发明一种随流半固态流变成形装置示意图。
1-料筒，2-合金液，3—压头，4-加压油缸，5—模具腔，6-保护气体，7-流道，8-形核涂料，9-加热元件，10-控温***。
具体实施方式
结合附图1对本发明的技术方案进行详细完整描述。
一种随流半固态成形装置，包括：料筒1、压头3、流道7和温控***10；
所述料筒1是一个圆桶形的空腔，料筒1的一端与模具相连接，
所述压头3是圆柱体，压头3的直径比料筒1的内径小0.2～1.0mm，长度为50～120mm，压头3的一端通过一个连接杆与加压油缸4的活塞杆连接，压头3的另一端伸入料筒1内，能够在料筒1内运动自如，
所述流道7的一端与料筒1连通，并与料筒1的轴线形成20～90°的夹角，流道7的另一端与模具腔5连通，
所述温控***10包括：加热元件9及其温度调控仪表，控温精度为±1℃，加热元件9与流道7的形状相适应，绕在流道7和料筒1的外部。
在上述方案的基础上，所述料筒1由保温材料制成，料筒1的温度为TL～TS+20℃，其中TL为合金液相线温度，TS为合金固相线温度；保温材料为泡沫氧化铝、硅藻土或铝矾土等。
在上述方案的基础上，所述流道7采用模具钢、陶瓷或石墨等材料制成，流道7的表面粗糙度为6.3-25μm，流道7的形状为管状、盘状或锥形，流道7的横截面厚度为10～100mm；流道7的温度在合金的固相线与液相线温度之间。
在上述方案的基础上，所述流道7采用模具钢制成，表面涂有形核涂料8，所述形核涂料8由粒度100-300目的陶瓷颗粒、粘结剂和悬浮剂组成。
一种随流半固态成形方法，应用上述的随流半固态成形装置，包括如下步骤：
S1调温：调整料筒1和合金液2的温度，使料筒1的温度在TL～TS+20℃，将合金液2转入料筒1内，所述合金液2包括：铝合金、镁合金、铜合金或锌合金等，所述合金液2的温度为TL+0～10℃；
S2通保护气体6：模具腔5内通氮气或氩气等不与合金液2反应和溶解的保护气体6，气体压力大于0.1MPa；
S3随流制备：启动成形设备的加压油缸4，通过压头3将料筒1内的合金液2推入流道7，合金液2在流道7内的平均流速为10-100mm/s，在合金液2流经流道7的过程，合金液2与流道7内壁或形核涂料8接触，形成离散的微小晶体，微小晶体在合金熔体流动的切应力作用下被剥离，混入合金熔体内，使合金熔体逐步变为含有2～30％细小晶体颗粒的固液混合物，即半固态合金熔体；
S4凝固成形：半固态合金熔体被压入安装在成形设备上的模具腔5内，继续加压直至半固态合金熔体完全凝固成形。
在上述方案的基础上，所述成形设备包括：压铸机、挤压铸造机或模锻机。
实施例1：
一种随流半固态成形装置，包括：料筒1、压头3、流道7和温控***10；
所述料筒1是一个圆桶形的空腔，料筒1的一端与模具相连接，
所述压头3是圆柱体，压头3的直径比料筒1的内径小0.2～1.0mm，长度为85mm，压头3的一端通过一个连接杆与加压油缸4的活塞杆连接，压头3的另一端伸入料筒1内，能够在料筒1内运动自如，
所述流道7的一端与料筒1连通，并与料筒1的轴线形成22°的夹角，流道7的另一端与模具腔5连通，
所述温控***10包括：加热元件9及其温度调控仪表，控温精度为±1℃，加热元件9与流道7的形状相适应，绕在流道7和料筒1的外部。
在上述方案的基础上，所述料筒1由保温材料制成，料筒1的温度为TL～TS+20℃，其中TL为合金液相线温度，TS为合金固相线温度；保温材料为泡沫氧化铝、硅藻土或铝矾土等。
在上述方案的基础上，所述流道7采用模具钢、陶瓷或石墨等材料制成，流道7的表面粗糙度为6.3-25μm，流道7的形状为管状、盘状或锥形，流道7的横截面厚度为40mm；流道7的温度在合金的固相线与液相线温度之间。
在上述方案的基础上，所述流道7采用模具钢制成，表面涂有形核涂料8，所述形核涂料8由粒度100-300目的陶瓷颗粒、粘结剂和悬浮剂组成，
一种随流半固态成形方法，应用上述的随流半固态成形装置，包括如下步骤：
S1调温：调整料筒1和合金液2的温度，使料筒1的温度在TL～TS+20℃，将合金液2转入料筒1内，所述合金液2为：铜合金，所述合金液2的温度为TL+0～10℃；
S2通保护气体6：模具腔5内通氮气或氩气等不与合金液2反应和溶解的保护气体6，气体压力大于0.1MPa；
S3随流制备：启动挤压铸造机的加压油缸4，通过压头3将料筒1内的合金液2推入流道7，合金液2在流道7内的平均流速为50mm/s，在合金液2流经流道7的过程，合金液2与流道7内壁或形核涂料8接触，形成离散的微小晶体，微小晶体在合金熔体流动的切应力作用下被剥离，混入合金熔体内，使合金熔体逐步变为含有约20％细小晶体颗粒的固液混合物，即半固态合金熔体；
S4凝固成形：半固态合金熔体被压入安装在成形设备上的模具腔5内，继续加压直至半固态合金熔体完全凝固成形。
实施例2
一种随流半固态成形装置，包括：料筒1、压头3、流道7和温控***10；
所述料筒1是一个圆桶形的空腔，料筒1的一端与模具相连接，
所述压头3是圆柱体，压头3的直径比料筒1的内径小0.2～1.0mm，长度为85mm，压头3的一端通过一个连接杆与加压油缸4的活塞杆连接，压头3的另一端伸入料筒1内，能够在料筒1内运动自如，
所述流道7的一端与料筒1连通，并与料筒1的轴线形成22°的夹角，流道7的另一端与模具腔5连通，
所述温控***10包括：加热元件9及其温度调控仪表，控温精度为±1℃，加热元件9与流道7的形状相适应，绕在流道7和料筒1的外部。
在上述方案的基础上，所述料筒1由保温材料制成，料筒1的温度为TL～TS+20℃，其中TL为合金液相线温度，TS为合金固相线温度；保温材料为泡沫氧化铝、硅藻土或铝矾土等。
在上述方案的基础上，所述流道7采用模具钢、陶瓷或石墨等材料制成，流道7的表面粗糙度为6.3-25μm，流道7的形状为管状、盘状或锥形，流道7的横截面厚度为30mm；流道7的温度在合金的固相线与液相线温度之间。
在上述方案的基础上，所述流道7采用模具钢制成，表面涂有形核涂料8，所述形核涂料8由粒度100-300目的陶瓷颗粒、粘结剂和悬浮剂组成，
一种随流半固态成形方法，应用上述的随流半固态成形装置，包括如下步骤：
S1调温：调整料筒1和合金液2的温度，使料筒1的温度在TL～TS+20℃，将合金液2转入料筒1内，所述合金液2为：铜合金，所述合金液2的温度为TL+0～10℃；
S2通保护气体6：模具腔5内通氮气或氩气等不与合金液2反应和溶解的保护气体6，气体压力大于0.1MPa；
S3随流制备：启动模锻机的加压油缸4，通过压头3将料筒1内的合金液2推入流道7，合金液2在流道7内的平均流速为70mm/s，在合金液2流经流道7的过程，合金液2与流道7内壁或形核涂料8接触，形成离散的微小晶体，微小晶体在合金熔体流动的切应力作用下被剥离，混入合金熔体内，使合金熔体逐步变为含有约15％细小晶体颗粒的固液混合物，即半固态合金熔体；
S4凝固成形：半固态合金熔体被压入安装在成形设备上的模具腔5内，继续加压直至半固态合金熔体完全凝固成形。
实施例3
一种随流半固态成形装置，包括：料筒1、压头3、流道7和温控***10；
所述料筒1是一个圆桶形的空腔，料筒1的一端与模具相连接，
所述压头3是圆柱体，压头3的直径比料筒1的内径小0.2～1.0mm，长度为85mm，压头3的一端通过一个连接杆与加压油缸4的活塞杆连接，压头3的另一端伸入料筒1内，能够在料筒1内运动自如，
所述流道7的一端与料筒1连通，并与料筒1的轴线形成22°的夹角，流道7的另一端与模具腔5连通，
所述温控***10包括：加热元件9及其温度调控仪表，控温精度为±1℃，加热元件9与流道7的形状相适应，绕在流道7和料筒1的外部。
在上述方案的基础上，所述料筒1由保温材料制成，料筒1的温度为TL～TS+20℃，其中TL为合金液相线温度，TS为合金固相线温度；保温材料为泡沫氧化铝、硅藻土或铝矾土等。
在上述方案的基础上，所述流道7采用模具钢、陶瓷或石墨等材料制成，流道7的表面粗糙度为6.3-25μm，流道7的形状为管状、盘状或锥形，流道7的横截面厚度为26mm；流道7的温度在合金的固相线与液相线温度之间。
在上述方案的基础上，所述流道7采用模具钢制成，表面涂有形核涂料8，所述形核涂料8由粒度100-300目的陶瓷颗粒、粘结剂和悬浮剂组成，
一种随流半固态成形方法，应用上述的随流半固态成形装置，包括如下步骤：
S1调温：调整料筒1和合金液2的温度，使料筒1的温度在TL～TS+20℃，将合金液2转入料筒1内，所述合金液2为：铝合金，所述合金液2的温度为TL+0～10℃；
S2通保护气体6：模具腔5内通氮气或氩气等不与合金液2反应和溶解的保护气体6，气体压力大于0.1MPa；
S3随流制备：启动压铸机的加压油缸4，通过压头3将料筒1内的合金液2推入流道7，合金液2在流道7内的平均流速为100mm/s，在合金液2流经流道7的过程，合金液2与流道7内壁或形核涂料8接触，形成离散的微小晶体，微小晶体在合金熔体流动的切应力作用下被剥离，混入合金熔体内，使合金熔体逐步变为含有约23％细小晶体颗粒的固液混合物，即半固态合金熔体；
S4凝固成形：半固态合金熔体被压入安装在成形设备上的模具腔5内，继续加压直至半固态合金熔体完全凝固成形。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (6)

1.一种随流半固态成形装置，其特征在于，包括：料筒(1)、压头(3)、流道(7)和温控***(10)；
所述料筒(1)是一个圆桶形的空腔，料筒(1)的一端与模具相连接，
所述压头(3)是圆柱体，压头(3)的直径比料筒(1)的内径小0.2～1.0mm，长度为50～120mm，压头(3)的一端通过一个连接杆与加压油缸(4)的活塞杆连接，压头(3)的另一端伸入料筒(1)内，能够在料筒(1)内运动自如，
所述流道(7)的一端与料筒(1)连通，并与料筒(1)的轴线形成20～90°的夹角，流道(7)的另一端与模具腔(5)连通，
所述温控***(10)包括：加热元件(9)及其温度调控仪表，控温精度为±1℃，加热元件(9)与流道(7)的形状相适应，绕在流道(7)和料筒(1)的外部。
2.如权利要求1所述的随流半固态成形装置，其特征在于，所述料筒(1)由保温材料制成，料筒(1)的温度为TL～TS+20℃，其中TL为合金液相线温度，TS为合金固相线温度；保温材料为泡沫氧化铝、硅藻土或铝矾土。
3.如权利要求1所述的随流半固态成形装置，其特征在于，所述流道(7)采用模具钢、陶瓷或石墨材料制成，流道(7)的表面粗糙度为6.3-25μm，流道(7)的形状为管状、盘状或锥形，流道(7)的横截面厚度为10～100mm；流道(7)的温度在合金的固相线与液相线温度之间。
4.如权利要求3所述的随流半固态成形装置，其特征在于，所述流道(7)采用模具钢制成，表面涂有形核涂料(8)，所述形核涂料(8)由粒度100-300目的陶瓷颗粒、粘结剂和悬浮剂组成。
5.一种随流半固态成形方法，应用权利要求1-4任一权利要求所述的随流半固态成形装置，其特征在于，包括如下步骤：
S1调温：调整料筒(1)和合金液(2)的温度，使料筒(1)的温度在TL～TS+20℃，将合金液(2)转入料筒(1)内，所述合金液(2)包括：铝合金、镁合金、铜合金或锌合金，所述合金液(2)的温度为TL+0～10℃；
S2通保护气体(6)：模具腔(5)内通氮气或氩气不与合金液(2)反应和溶解的保护气体(6)，气体压力大于0.1MPa；
S3随流制备：启动成形设备的加压油缸(4)，通过压头(3)将料筒(1)内的合金液(2)推入流道(7)，合金液(2)在流道(7)内的平均流速为10-100mm/s，在合金液(2)流经流道(7)的过程，合金液(2)与流道(7)内壁或形核涂料(8)接触，形成离散的微小晶体，微小晶体在合金熔体流动的切应力作用下被剥离，混入合金熔体内，使合金熔体逐步变为含有2～30％细小晶体颗粒的固液混合物，为半固态合金熔体；
S4凝固成形：半固态合金熔体被压入安装在成形设备上的模具腔(5)内，继续加压直至半固态合金熔体完全凝固成形。
6.如权利要求5所述的随流半固态成形方法，其特征在于，所述成形设备包括：压铸机、挤压铸造机或模锻机。
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