CN112452258A - 一种轻合金半固态浆料复合搅拌高效制备装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轻合金半固态浆料复合搅拌高效制备装置，所述装置包括驱动电机、温控装置、连接导管、搅拌器、搅拌器升降机构以及放置合金熔体的坩埚。在搅拌器伸入合金熔体前温控装置开始将高温气体通入搅拌器，使搅拌器处于合金半固态温度区间或处于接近合金半固态温度区间，避免搅拌器伸入合金熔体时产生表面激冷。在叶片中加入冷却通道使得合金熔体能够较快的降温到半固态温度区间。同时，叶片中冷却通道上设置通孔，冷却气体通过通孔进入合金熔体，气体搅拌和机械搅拌的协同作用加快半固态浆料的制备效率。剪切和冷却的协同作用能破坏枝晶的生长环境，使合金熔体在温度均匀的环境中生出近球状颗粒，获得良好的半固态浆料。
Description
技术领域
本发明涉及半固态金属加工领域，尤其涉及一种轻合金半固态浆料复 合搅拌的制备装置。
背景技术
半固态金属加工以其良好的成形性能，自20世纪70年代发明以来就 受到广泛关注，随着工艺技术的完善，又被广大科学家誉为“21世纪最具前 沿的加工技术之一”。半固态金属浆料作为半固态金属加工工艺中最重要的 一环，半固态金属浆料的质量决定着成型后产品的质量。获得近球形的半固 态组织通常有两种途径：(1)获得足够多的形核核心，控制晶粒的长大过程， 抑制枝晶生长以及抑制晶粒长大；(2)对固相颗粒进行强剪切，使枝晶破碎。 基于制备半固态金属浆料过程使用的机理，可将半固态浆料的制备工艺分为 三种：形核长大控制、搅拌/剪切、形核+搅拌/剪切。常见的半固态金属浆料 搅拌方法有机械搅拌法、电磁搅拌法、气泡搅拌法、低过热度浇铸法、超声 波处理法和喷射沉积法等。其中机械搅拌法以其较低的成本、简易的装置、 较高的生产效率和良好的浆料质量为大多数半固态加工企业所接受，所以如 何利用简易的设备降低半固态加工成本同时实现更好的半固态浆料是科研 人员不断探索的目标。
申请号为202010522127.5的中国专利提出了螺旋管半固态浆料集成系 统，该专利提出了利用合金熔体自身的重力作用，使其在螺旋管中运动，利 用了螺旋管的特殊结构使合金熔体在流动过程中实现翻滚和剪切。螺旋管的 旋转角通过顶板的上下移动可以实现，以此来改变剪切力的大小。高强度的 翻滚和剪切作用配合冷却管的设计让金属熔体中刚形成的细小枝晶立即破 坏，形成细小、圆整的颗粒。但该方法容易造成螺旋管表面粘料，而螺旋管 的特殊结构使得清理困难，需要不断清理，生产效率低、成本高，不利于工 业化的大规模生产。
申请号为202010593736.X的中国专利发明了一种锥桶式半固态金属 浆料制备装置，该专利设计了两层保护壳，在第一保护外壳内部设有储料外 腔，在第一保护外壳的下端设有第一出料口；在储料机构的上端设有进料机 构，进料机构包括环形输料管以及第二保护壳。该发明通过特殊的进料机构 避免了原料的堆积，反转机构形成的较大的剪切力能够提升装置的效率。但 该装置设计复杂、成本较高，加大了半固态金属加工的成本，不利于工业化 推广，且环形输料管同样存在着清理困难的问题，这也增加了大规模工业化 的难度。
文献“Microstructure evolution of Al-Si semi-solid slurry by gasbubble stirring method(张磊,董选普,李继强等.MICROSTRUCTURE EVOLUTION OF AL-SISEMI-SOLID SLURRY BY GAS BUBBLE STIRRING METHOD[J].中南大学学报(英文版),2011,(6):1789-1794.)”提出了一 种气泡搅拌制备Al-Si合金半固态浆料的方法。该论文采用螺旋状管形石墨 搅拌器，其壁上有直径为1mm的小孔。石墨搅拌器通过空心搅拌棒与氩气 钢瓶相连。搅拌器和搅拌棒由电动机通过传动带旋转。因此，可以通过旋转 石墨搅拌器将氩气引入熔体中。在熔体的浮力和旋转石墨搅拌器产生的离心 力作用下，气泡在熔体中上升并呈螺旋状运动曲线，对熔体产生强对流和弱 搅拌作用。但该方法只使用了单一的气体搅拌，半固态浆料制备效率低下， 且浆料制备受限于设备体积，无法满足大规模生产的需要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种装置结构简单、生产成本低且工作效率高 的半固态金属浆料制备装置，以解决轻合金半固态加工成本高难以大规模工 业化的难题。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种轻合金半固态浆料复合搅拌制备装置，所述装置包括驱动电机、 温控装置、连接导管、搅拌器、搅拌器升降机构以及用于放置合金熔体的坩 埚。所述搅拌器伸入熔体内的一端为搅拌端，与连接导管相连的一端为通气 端，通过连接导管与温控装置相连。在搅拌器伸入合金熔体前温控装置开始 将高温气体通入搅拌器，使搅拌器处于合金浆料半固态温度区间或处于接近 合金浆料半固态温度区间，避免搅拌器伸入合金熔体时产生表面激冷。在叶 片中加入冷却通道使得合金熔体能够较快的降温到半固态温度区间。同时，在叶片中冷却通道上设置气孔，当冷却气体通过开孔进入合金熔体时，在气 体搅拌和机械搅拌的协同作用下加快半固态浆料的制备效率。剪切和冷却的 协同作用能破坏枝晶的生长环境，使合金熔体在温度比较均匀的环境中生出 近球状的颗粒，获得良好的半固态浆料。倾斜叶片能够避免搅拌器在搅拌时 产生漩涡，破坏液面结构使合金浆料氧化；六叶片正反转60°的小角度转动 也能很好的避免搅拌时漩涡的产生，减少对液面的破坏，从而更好的保持合 金熔体的质量。
在本发明中，所述搅拌装置包括搅拌器部分、驱动电机和温控装置。 所述搅拌器部分由搅拌杆和叶片组成，所述搅拌部分里搅拌杆通过齿轮组结 构与驱动电机连接，通过连接导管与所述温控装置连接。
其中，所述搅拌部分搅拌杆为中空结构，中心管道延伸至所述搅拌器 搅拌端，中心管道直径为5mm～50mm，外径范围为8～100mm；
其中，所述搅拌器部分在搅拌端设有叶片，叶片的数量为1～10组，每 组叶片的数量为3～12，叶片与搅拌器搅拌杆轴线的夹角为10°～45°，搅拌器 叶片内的冷却通道的截面形状包括但不限于圆形，预设所述搅拌器叶片冷却 通道的直径范围为0.5mm～10mm。搅拌器叶片上通孔的预设直径范围为 50um～5mm；
其中，搅拌器的转动角度为60°～360°。
在本发明中，所述搅拌器可根据实际坩埚或承载容器的结构设计为锥 形或桶形，以实现浆料的充分搅拌。
在本发明中，所述搅拌器的上端且位于驱动电机的外侧焊接有固定支 架，且固定支架上还焊接有温控装置。
在本发明中，所述驱动电机和所述搅拌器通过一组啮合的齿轮组结合， 所述搅拌器的转速可以通过调节所述驱动电机的转速或所述齿轮组的模数 比来实现。
在本发明中，所述温控装置所使用的气体为氩气等惰性气体或其他不 与合金熔体反应的气体。
在本发明中，所述温控装置与所述搅拌器中心管道通过连接导管链接， 所述连接导管的材料包括但不仅限于橡胶复合材料、塑料复合材料和金属材 料。
在本发明中，用于上述任意一项的一种轻合金半固态浆料制备装置， 步骤如下：
S1：将搅拌装置固定在配套设置的升降机构的下端，然后启动升降机 构调整搅拌装置的位置；
S2：启动通气温控装置，调整气体温度在高温状态，高温气体经过连 接管道和中心管道进入搅拌器叶片，通气一段时间，使搅拌器叶片达到预订 温度；
S3：启动升降机构，将搅拌器伸入合金浆料中，启动驱动电机使搅拌 器开始工作；
S4：通过温度传感器检测合金熔体的温度，达到预期温度后，驱动电 机停止工作，通气温控装置停止工作，升降机构将搅拌器从熔体中移出；
S5：半固态浆料制备完成后对装置进行清洁保养。
与现有技术相比，本发明有如下有益效果：
(1)：本发明通过特殊的叶片结构以及叶片冷却通道冷却法的设计， 可以加速合金熔体冷却，加快半固态浆料的制备效率；
(2)：本发明中叶片在冷却通道的区域设置气孔，气体从孔洞里进入 合金熔体起到气体搅拌的作用，与搅拌器机械搅拌形成协同作用，增加搅拌 效率；
(3)：本发明中叶片的转动角度最小可为60°，较小的转动角度可以避 免漩涡的产生，从而避免破坏液面结构，减少合金浆料氧化；
(4)：本发明中搅拌器叶片与搅拌杆的轴线夹角为10°～45°，倾斜的角 度可以减少搅拌时合金熔体产生漩涡，降低对液面的破坏，减少合金浆料的 氧化；同时倾斜的角度可以实现更快的搅拌速度；
(5)：本发明中温控装置持续输出高温气体，使搅拌器在搅拌过程中 处于合金熔体的半固态温度区间或处于接近合金熔体的半固态温度区间，从 而使合金熔体处于较均匀的温度场，形成的半固态颗粒尺寸更加均匀细小。
附图说明
图1为本发明实施例一一种半固态金属浆料制备装置结构示意图；
图2为本发明实施例一提供的搅拌杆结构示意图；
图3为本发明实施例一提供的搅拌器叶片结构示意图；
图4为本发明实施例二一种半固态金属浆料制备装置结构示意图；
图5为本发明实施例二提供的搅拌杆结构示意图。
图6为本发明实施例二提供的搅拌杆结构示意图。
具体实施方式
下面结合本发明附图对本发明具体实施方式作进一步说明。
实施案例一：
请参考图1，为本实施例所示一种轻合金半固态浆料制备装置，包括 通气温控装置1、连接导管2、搅拌器3、齿轮组4、驱动电机5、搅拌器叶 片6和承载装置9。本实施案例采用通氩气作为冷却气体来实现对合金熔体 温度的控制。
请参考图2为搅拌器结构示意图，搅拌杆为中空结构，该搅拌杆的中 心管道在延轴线方向延伸至搅拌端，中心管道为搅拌器进气通道，在搅拌杆 上开孔与叶片的进气口相连，气体经冷却通道从通孔进入合金熔体。
请参考图1-4所示半固态金属浆料制备装置，搅拌器3伸入合金浆料 7中的一端为搅拌端，请参考图2为搅拌器的结构示意图，请参考图3为搅 拌器搅拌杆的结构示意图，通气温控装置1将气体通过连接导管2输送到搅 拌器3。在搅拌器3中，气体从进气通道31进入搅拌杆，然后通过通道32 和33进入搅拌器叶片4的进气通道41和42，经过搅拌器叶片的冷却通道后 从叶片通孔43进入合金熔体。
请参考图4位搅拌器叶片结构，气体从进气口41和42流进叶片，经 过冷却通道后从气孔43流出，冷却通道的作用使得叶片在伸入合金熔体时 保持较高的温度避免较大的温差使叶片伸入合金熔体时产生激冷作用，叶片 在搅拌的同时能保证较低的温度，加速合金的冷却同时能保持较均匀的温度 场，破坏枝晶的生长环境，从而得到固相颗粒均匀分布的半固态浆料。在设 有通道的其他地方设气孔，直径为50um～5mm，冷却气体从通孔进入合金熔 体，形成气体搅拌，增强搅拌效率。
本实施例中搅拌杆优选为圆柱形，也可根据实际需求调整为其他形状 的搅拌杆；本实施案例中，搅拌器叶片优选为矩形，也可根据实际情况调整 为其他形状。本实施案例中搅拌杆和叶片的材料可以采用不锈钢、石墨、模 具钢、铸铁和高温铜合金。
在本实施案例中，为了提升搅拌效率和效果，还可以调整叶片的数量 和每组叶片之间的间距。
在本发明实施案例中，搅拌器叶片的温度可以通其他不与合金熔体反 应的气体或惰性气体。
实施案例二
在本实施案例一的基础上以A356铝合金为例公开了一种半固态金属 浆料制备装置的使用方法，其步骤为：
S1:将A356加热到700℃，待合金完全熔化后静置2～3min，然后将合 金熔体转移至搅拌用的坩埚9中；
S2：将搅拌装置固定在配套设置的升降机构的下端，然后启动升降机 构调整搅拌装置的位置；
S3：启动通气温控装置1，根据预设气体温度550℃输出高温氩气，高 温氩气经过连接管道2和中心管道31从进气口41、42进入搅拌器叶片，通 气10～30min，使搅拌器达到预订温度550℃；
S4：启动升降机构，将搅拌器3伸入合金浆料7中，启动驱动电机5 使搅拌器3开始工作；
S5：通过温度传感器检测合金熔体的温度，达到预期温度后，驱动电 机5停止工作，通气温控装置1停止工作，升降机构将搅拌器3从熔体中移 出；
S6：半固态浆料制备完成后对装置进行清洁保养。
以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局 限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发 明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护 范围之内。
Claims (14)
1.一种轻合金半固态浆料复合搅拌高效制备装置，其特征在于，包括：驱动电机、温控装置、连接导管、搅拌器、搅拌器升降机构以及用于放置合金熔体的坩埚。所述搅拌器伸入熔体内的一端为搅拌端，与连接导管相连的一端为通气端，通过连接导管与温控装置相连。
2.如权利要求1所述的轻合金半固态浆料复合搅拌高效制备装置，其特征在于，所述搅拌叶片中设有冷却通道，叶片冷却通道进气口与中心管道连接。在搅拌时冷却通道中通入冷却气体为叶片降温以降低合金熔体的温度，冷却加剪切的协同作用能够加速半固态浆料的制备。
3.如权利要求2所述的轻合金半固态浆料复合搅拌高效制备装置，其特征在于，所述搅拌叶片在冷却通道上开气孔，冷却气体在冷却通道流动时经冷却通道上的气孔将冷却气体通入合金熔体,从而形成了气体搅拌和叶片转动机械搅拌的协同作用，增大剪切效果，加快半固态浆料的制备效率。
4.如权利要求3所述的轻合金半固态浆料复合搅拌高效制备装置，其特征在于，所述搅拌器叶片与所述搅拌器搅拌杆有一定的夹角，倾斜的角度可以在搅拌时避免合金熔体产生漩涡，减少对液面的破坏，减少合金浆料的氧化；同时倾斜的角度可以实现更快的搅拌速度。
5.如权利要求4所述的轻合金半固态浆料复合搅拌高效制备装置，其特征在于，所述搅拌器在合金熔体内搅拌时的转动角度为60°～360°，所述搅拌器转动方向由所述驱动电机控制，可以实现正转和反转。其中，正反转60°时合金熔体几乎不产生漩涡，对液面的破坏极小。
6.如权利要求5所述的轻合金半固态浆料复合搅拌高效制备装置，其特征在于，所述温控装置持续产生高温气体使搅拌器处于合金半固态温度区间或处于接近合金半固态温度区间，使合金熔体在搅拌时处于均匀的温度场，所形成的半固态颗粒更加均匀细小。
7.如权利要求6所述的轻合金半固态浆料复合搅拌高效制备装置，其特征在于，所述搅拌器在搅拌前要进行预热，即温控装置在开始搅拌前向搅拌器中通温高温气体，待所述搅拌器达到预定温度后，将所述搅拌器搅拌端伸入合金熔体中后，搅拌器开始工作。
8.如权利要求1-7任一项所述的轻合金半固态浆料复合搅拌高效制备装置，其特征在于，还包括驱动电机，与所述搅拌器搅拌杆通过齿轮组连接，更换不同模数比的齿轮组可以实现驱动电机和搅拌器的不同转速比；由所述驱动电机里集成的速度传感器控制所述搅拌器转速，所述驱动电机预设转速为0～1200r/min。
9.如权利要求1-7任一项所述的轻合金半固态浆料复合搅拌高效制备装置，其特征在于，所述温控装置气体流速由所述温控装置内集成的传感器控制，预设所述温控装置气体流速为0～800L/min。
10.如权利要求1-7任一项所述的轻合金半固态浆料复合搅拌高效制备装置，其特征在于，所述搅拌器叶片与所述搅拌器搅拌杆轴线的夹角为10°～45°。
11.如权利要求1-7任一项所述的轻合金半固态浆料复合搅拌高效制备装置，其特征在于，所述搅拌器叶片内的冷却通道的截面形状为圆形等，预设所述搅拌器叶片冷却通道的直径范围为0.5mm～10mm。
12.如权利要求1-7任一项所述的轻合金半固态浆料复合搅拌高效制备装置，其特征在于，所述搅拌器叶片气孔的预设直径范围为50um～5mm。
13.如权利要求1-7任一项所述的轻合金半固态浆料复合搅拌高效制备装置，其特征在于，所述温控装置产生的气体为高温氩气等惰性气体和其他不与金属熔体反应的气体。
14.一种利用如权利要求1-13任一项所述的轻合金半固态浆料复合搅拌高效制备装置制备半固态金属浆料的方法，其特征在于，包括：
在所述坩埚中将合金加热至熔融状态，或将熔融合金直接倒入所述坩埚中；
打开所述温控装置按预设气体流速将高温气体通入所述搅拌器叶片内，待所述搅拌器温度达到预设温度；
将所述搅拌器搅拌端伸入合金熔体液面内，同时打开所述驱动电机，按预设转速、转动方向和角度进行搅拌；
通过所述温度传感器检测到合金熔体降温到一定温度，停止所述搅拌器和所述温控装置的工作，将制备的半固态浆料输送到压铸机等设备实现半固态金属加工。
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