CN116727630A - 一种大注射量球状晶镁合金触变成型工艺及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种大注射量球状晶镁合金触变成型工艺，采用连续五阶段控温、剪切与注射的工艺协同，促使镁合金转变为半固态球状晶并进行成型；阶段1：熔化；阶段2：近液相；阶段3：短时低过冷；阶段4：半固态等温球状晶转变；阶段5：高速射出冷却成型；本发明还公开一种大注射量球状晶镁合金触变成型设备包括一阶化料组件、冷却导管组件、二阶剪切与注射组件和型腔组件，镁合金依次通过一阶化料组件、冷却导管组件、二阶剪切与注射组件和型腔组件完成产品生产。本发明提供一种注射量大、球状晶均匀、工艺连接性好、适用于高性能大件产品的一种大注射量球状晶镁合金触变成型工艺及设备。
Description
技术领域
本发明涉及材料合成领域，具体讲是一种大注射量球状晶镁合金触变成型工艺及设备。
背景技术
在双碳背景下，轻量化是高端制造发展的重要趋势，镁合金是目前世界范围内可使用的最轻的金属结构材料，如替代钢、铝等材料应用于汽车和航空等领域可以有效实现减碳，而且镁在自然界的储量极其丰富，是未来工业界发展的关键轻量化材料。
在镁合金的各种成型技术中，半固态成型技术由于可以显著提升生产安全性和环保性，而被誉为是21世纪镁合金最有前景的成型技术。半固态通常是指将合金控制到含有液相与固相的两相中间温度，同时在外力或内部诱导条件下使组织转变为含有均匀固相分布于液相中的浆料，这种浆料具有特殊的触变力学行为，包括剪切稀变和等温瞬态流变特性，可以层流充型而获得高致密零件。获得理想的浆料是半固态技术的关键环节，半固态产品性能不但需要温度条件，更本质需要的是浆料的显微组织条件。目前，比较成熟的镁合金半固态成型工艺是日本推广发展的触变注射成型法(Thixomolding)，通过单螺杆的连续剪切、一次连续加热和注射于一体，可实现镁合金低氧化成型，已用于笔记本电脑外壳等小型产品的生产应用。但对于大克重的汽车零部件等，尺寸和结构复杂度提高，服役性能要求也更高，这时不但需要浆料注射量大幅提高，而且需要保证如此大注射量的浆料组织内球状晶充分细小均匀，才能具备足够的充型能力、力学性能和腐蚀性能。目前传统工艺受限于技术路线限制，仅能达到不足5kg重镁产品的半固态成型，无法放大生产。因此，急需发展注射量更大、球状晶均匀、工艺连续性好、适合高性能大件产品的新型镁合金触变成型工艺及设备。
经检索，公开号为CN107671260A的中国发明专利，该发明涉及一种多工位注射的半固态注射成型机，其中：“通过设置两套半固态注射机构对半固态镁合金进行注射，有效的增加注射量和减少流长比，本结构适用于需要生产质量大、流长比大的薄壁或者厚壁镁合金制品的场合。”该发明技术利用了传统触变注射成型方式，通过设定两套注射机构来加大注射量，但其不足在于：型腔内两股熔体汇合处易发生不熔合，导致该位置性能薄弱；模具需加工两个浇口，与行业界模具传统不通用；半固态制浆仍采用一次连续加热法，球状晶形态控制有限，易导致充型能力和产品性能低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种注射量大、球状晶均匀、工艺连接性好、适用于高性能大件产品的一种大注射量球状晶镁合金触变成型工艺及设备。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种大注射量球状晶镁合金触变成型工艺，采用连续五阶段控温、剪切与注射的工艺协同，促使镁合金转变为半固态球状晶并进行成型；
阶段1：熔化，采用一阶化料组件，将镁合金粒子进行隧道式快速加热软化，直至熔化至液相线以上，并同时在化料螺杆挤压推进下逐渐自密实化并保持液化后无空气卷入；
阶段2：近液相，在一阶化料组件的末端位置，恒温控制镁合金维持在近液相线以上10-30℃进行均匀化，使合金组织转变为纯液相或极低固相状态；
阶段3：短时低过冷，采用控温冷却导管组件，与一阶化料组件相连，用于向流动的镁熔体提供短时低过冷条件，使得近液相合金组织中迅速产生大量半固态初生晶；
阶段4：半固态等温球状晶转变，采用水平二阶剪切与注射组件，与控温冷却导管组件相连通，用于向低过冷镁合金提供半固态等温热处理和注射螺杆剪切作用，使得镁合金组织中半固态初生晶中的固相被低熔点液相渗透包围而发生细化和充分球化，转变为球状晶半固态浆料；
阶段5：高速射出冷却成型，将具有良好触变特性的球状晶半固态浆料在高压高速下完成注射动作，充填到型腔组件中冷却成型，形成致密化镁合金制品。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、半固态球状晶浆料组织的精确控制：采用多阶段式控温与剪切协同作用，首先第一阶段快速加热镁粒子至液相线以上，并且通过螺旋推进使熔体自密实化，从而为过冷固相的产生提升准备条件，但温度不可过高，稳定控制在近液相线以上10-20℃，否则镁合金易产生氧化和材料回流；第二阶段当镁熔体流过冷却导管，低过冷度促使液相组织中产生过冷形核，短时间即转变为含有大量初生固相的熔体，但过冷度不宜过大，控制在液相线以下15-30℃，否则初生固相率过高易导致熔体在导管内阻塞；第三阶段时初生固相受到二次加热，利用半固态等温热处理作用促使晶粒圆整化，同时辅以螺杆剪切作用，固相也得到细化和均匀分布，得到具有十分优异触变特性的球状晶半固态浆料；
2、大注射量的镁合金半固态制浆：本发明的三阶段式制浆方式不仅有效提高了制浆品质和效率，形成串联性工艺，避免了某单一组件加热功率不足的问题；还具备制浆可监控性和易维护性好，功能分区明确，保养或更换某单一组件时便于操作。
作为本发明的一种改进，阶段1中，镁合金采用粒度在0.5～5mm之间的规格，并保持干燥状态，镁合金材料需要选用具有50℃以上的半固态工艺窗口区间的种类，通过所述改进，粒度均匀的镁合金颗粒，可以采用更精准的温度实现对镁合金颗粒的融化，避免融化温度过高，造成氧化和材料回流的问题；而保持干燥，是避免水在受到高温后气化，在一阶化料组件中形成气泡，影响镁合金的密实度；选用具有50℃以上的半固态工艺窗口区间是为了保证镁合金的可加工空间范围，若工艺窗口区间过小，镁合金易产生氧化和材料回流，或者初生固相率过高的情况。
作为本发明的一种改进，在阶段2中，一阶化料组件的末端设定温度为镁合金液相线温度以上10-20℃；化料螺杆的转速为100r/min；
在阶段3中，低过冷条件为镁合金液相线温度以下10-30℃；
在阶段4中，二阶剪切与注射组件的恒温设定温度为液相线温度以下5-10℃，对应浆料固相率在10～30％；注射螺杆转速为60r/min；
在阶段5中，模具温度为280℃，注射速度为5m/s。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种大注射量球状晶镁合金触变成型设备，大注射量球状晶镁合金触变成型工艺，包括一阶化料组件、冷却导管组件、二阶剪切与注射组件和型腔组件，镁合金依次通过一阶化料组件、冷却导管组件、二阶剪切与注射组件和型腔组件完成产品生产，所述一阶化料组件包括化料通道、化料螺杆和化料加热器，所述化料螺杆设于化料通道的轴线上用于推进自密实化液态镁合金和排出空气，所述化料螺杆同时以转动和沿轴向移动的方式将镁合金向冷却导管组件方向推进，所述化料加热器设于化料通道外侧用于加热化料通道，保持化料通道温度在保持在镁合金液相线以上，所述冷却导管组件包括冷却通道和低温加热器，所述冷却通道与化料通道相连通，所述低温加热器设于冷却通道的外侧用于保证冷却导管组件执行短时低过冷操作，所述一阶化料组件设于二阶剪切与注射组件的上方，所述冷却导管组件呈竖直设置，所述二阶剪切与注射组件包括注射通道、注射螺杆和注射加热器，所述注射通道与冷却通道相连通，所述注射螺杆设于注射通道的轴线上用于向型腔组件注射镁合金，所述注射加热器用于加热注射通道，保证镁合金浆料的固相率，保证注射的流畅性。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、半固态球状晶浆料组织的精确控制：采用多阶段式控温与剪切协同作用，首先第一阶段快速加热镁粒子至液相线以上，并且通过螺旋推进使熔体自密实化，从而为过冷固相的产生提升准备条件，但温度不可过高，稳定控制在近液相线以上10-20℃，否则镁合金易产生氧化和材料回流；第二阶段当镁熔体流过冷却导管，低过冷度促使液相组织中产生过冷形核，短时间即转变为含有大量初生固相的熔体，但过冷度不宜过大，控制在液相线以下15-30℃，否则初生固相率过高易导致熔体在导管内阻塞；第三阶段时初生固相受到二次加热，利用半固态等温热处理作用促使晶粒圆整化，同时辅以螺杆剪切作用，固相也得到细化和均匀分布，得到具有十分优异触变特性的球状晶半固态浆料；
2、大注射量的镁合金半固态制浆：本发明的三阶段式制浆方式不仅有效提高了制浆品质和效率，形成串联性工艺，避免了某单一组件加热功率不足的问题；还具备制浆可监控性和易维护性好，功能分区明确，保养或更换某单一组件时便于操作；
3、大注射量的镁合金半固态连续储料：本发明设计水平设置的一阶化料组件中，化料螺杆同时传动连接有油缸和电机，可以实现化料螺杆在混炼熔料过程中轴向可移动并转动，当注射通道满料时，开始注射过程中，化料螺杆继续保持旋转，无需停止，化料螺杆会后退，扩大化料通道的储存空间，熔料被暂时储存在化料通道中，当二阶剪切与注射组件注射结束后，化料螺杆边旋转边向前推进，利用压力将暂储存的熔料一起向二阶剪切与注射组件内推送，这样从而实现了大注射量半固态镁合金的连续性储料和注射作业，一阶化料组件持续保持转动的状态，熔料受热更均匀，不易发局部提前固化的情况，并且保证每次的周期短，提高生产效率，产品合格率高；
4、发挥半固态镁合金性能优势：第一，本发明工艺及设备可实现控制使镁合金含有10％以上的均匀球状晶半固态浆料，这种浆料具有良好的流动性，且在冷却导管组件中，高速下层流充填以保证大幅降低气孔缺陷，可实现大型镁合金零件的高致密成型；第二，使镁合金产品具有较高的力学性能，半固态凝固组织中的细小晶粒首先促进细晶强化效果，同时球状晶有利于合金组织发生协调塑性变形，提高断裂延伸率，而且该半固态产品可经过T6热处理，不产生鼓泡，最终铸件综合力学性能相比传统压铸成型可提高15％以上；第三，使镁合金产品具有较高的耐腐蚀性能，一方面球状晶组织中Mg17Al12等第二相也被细化，微电偶腐蚀减弱，另一方面致密化合金组织可均匀阻挡表面腐蚀层的拓展，使点蚀发生概率大幅降低；
5、本发明整个工艺过程在密闭机筒及连接件内进行，无燃烧氧化风险，安全性好，也不需要镁合金熔化炉，耗电成本低，是绿色环保的镁合金近净成型技术。
作为本发明的还有一种改进，所述注射螺杆包括螺杆部和活塞部，所述活塞部与注射通道移动密封配合，所述螺杆部设于活塞部与型腔组件之间，所述冷却通道与注射通道的连接处也设于活塞部与型腔组件之间，所述注射螺杆同时以转动和沿轴向移动的方式将镁合金向型腔组件方向注射，通过所述改进，利用螺杆部的结构设计，当镁合金浆料流入二阶剪切与注射组件中时，随着螺杆部的转动，镁合金浆料会沿着螺旋推进槽向前移动，避免了第一时间进入到二阶剪切与注射组件中的镁合金浆料被覆盖的情况，从而可以保证镁合金浆料先进先出的注射效果，避免了第一时间进入到二阶剪切与注射组件中的镁合金浆料形成积料现象，同时保证了镁合金浆料受热的均匀性，保证镁合金浆料成型时的质量；并且通过螺杆部的设计，可以在注射螺杆转动推进过程中，促进镁合金浆料向前流动，以避免镁合金浆料向冷却导管组件方向逆流，同时在二阶剪切与注射组件承接镁合金浆料时，通过螺杆部的转动，可以使镁合金浆料向型腔组件方向推进，避免了镁合金浆料的滞留，不会形容堵塞，从而可以减少冷却导管组件上单向阀的设计，降低了单向阀所需的生产成本；而且也因为螺杆部的设计，可以使注射螺杆对镁合金浆料注射到更靠近型腔组件的位置，使得镁合金浆料注射得更加充分，减少了二阶剪切与注射组件中的余料，有利于镁合金浆料的合理利用以及后期的清料；同时，活塞部与注射通道之间的移动密封配合，可以保证镁合金浆料注射的充分性，避免镁合金浆料从活塞部与注射通道之间渗透、溢料的情况，避免活塞部远离螺杆部的一侧渗透有镁合金浆料，但设备在长期使用过程中，并且活塞部与注射通道是进行移动配合的，难免会破坏活塞部与注射通道之间的配合紧密性，造成渗透、溢料的情况，而螺杆部的结构设计减少了注射时镁合金浆料对活塞部的压力，也可以降低向活塞部的渗透压力，降低了活塞部与注射通道之间配合紧密度的要求，减少渗透和溢料的可能性，提高了设备的使用安全性。
作为本发明的还有一种改进，所述冷却通道垂直于注射通道设置，所述注射通道上设有冷却通道相连通的入料口，所述入料口沿着螺杆部的旋转切线方向设置，通过所述改进，可以使二阶剪切与注射组件承接镁合金浆料更顺畅、更快，镁合金浆料在入料口不易形成蜗旋、积料的情况。
作为本发明的还有一种改进，所述注射螺杆上还设有注射部，所述注射部设于螺杆部靠近型腔的一端，所述注射部与螺杆部之间设有连接杆，所述连接杆上移动套接有止逆环，所述连接杆的外径与止逆环的内径相契合，所述连接杆的周向上设有多个用于过料的过料槽，通过所述改进，通过止逆环的设计可以防止镁合金浆料逆流，当向型腔组件里注射镁合金浆料时，止逆环向型腔组件方向移动，镁合金浆料依次穿过止逆环与螺杆部之间的间隔和过料槽进行注射，当二阶剪切与注射组件从冷却导管组件承接镁合金浆料时，注射螺杆后退，镁合金浆料会因为后退的真空低压导致镁合金浆料回流，此时止逆环向螺杆部方向移动并相抵，防止镁合金浆料回流，而连接杆的外径与止逆环的内径相契合，可以保证连接杆与止逆环的同轴性，并且保证止逆环在移动过程中，不会摆动偏移，使注射与承料过程更稳定。
作为本发明的还有一种改进，所述注射部上设有沿着轴向设计的导向槽，所述止逆环上设有与导向槽相配合的导向块，所述止逆环上还设有与导向块同向设置的抵块，抵块与注射部相抵使注射部与止逆环之间形成过料口，所述注射部上还设有多个过料孔，通过所述改进，导向槽与导向块的配合设计，可以保证止逆环与注射头之间的相对移动沿着轴向方向移动，而不会发生相对转动，保证注射头与止逆环转动的同步性，而过料口的设计，可以保证注射时镁合金浆料的注射，避免堵在注射头与止逆环之间，过料孔的设计可以保证镁合金浆料的注射率，减少料滞留。
作为本发明的还有一种改进，所述止逆环的外侧设有密封环，所述密封环上设有调节间隙，所述止逆环上设有用于安装密封环安装槽，所述安装槽内设有控制孔，通过所述改进，可以通过注射时的高压，利用控制孔的压力传递性，使密封环进行扩张，从而达到密封环与注射通道之间的紧密配合，保证注射时密封环与注射通道之是的密封性，避免合金混合流体从止逆环与注射通道之间的间隙逆流，而在承接合金混合流体时，压力减少，密封环收缩，密封环与注射通道之间形成间隙，不会造成止逆环与注射通道之是发生转动摩擦和移动摩擦。
作为本发明的还有一种改进，所述控制孔包括第一控制孔与第二控制孔，所述第一控制孔设于止逆环靠近注射头的一端，所述第二控制孔设于止逆环远离注射头一端，所述第一控制孔呈由内向外，由注射头向螺旋推进槽方向倾斜设置，所述第二控制沿着连接杆的径向设置，通过所述改进，第一控制孔的设计，可以使形成的对密封环的压力更稳定，不会有冲击性的压力，从而避免造成密封环的瞬间抵抗性，保证密封环密封的稳定性，而第二控制孔受到的冲击性小，只需要保证密封环的密封效果即可，故而采用径向设计，减少压力行程，快速达到密封的效果。
附图说明
图1是本发明整体结构示意图。
图2是本发明入料口与螺杆部连接结构剖视结构示意图。
图3是本发明入料口与螺杆部连接结构截面结构示意图。
图4是本发明注射部与止逆环连接结构示意图。
图5是本发明连接杆与止逆环连接截面结构示意图。
图6是本发明注射部与连接杆结构示意图。
图7是本发明止逆环结构示意图。
图8是本发明注射部与止逆环连接结构剖视示意图。
图9是本发明工艺流程图。
图10是本发明镁合金浆料在一阶化料组件末端纯液相或者极低固相晶粒图。
图11是本发明镁合金浆料在冷却导管组件中半固态初生晶晶粒图。
图12是本发明镁合金浆料在二阶剪切与注射组件中球化后球状晶半固态晶粒图。
图13是本发明实施例1球化半固态晶粒图。
图14是本发明实施例2球化半固态晶粒图。
图15是本发明实施例3球化半固态晶粒图。
图16是本发明实施例4球化半固态晶粒图。
图17是本发明对比实施例1半固态晶粒图。
图18是本发明对比实施例2半固态晶粒图。
图中所示：1、一阶化料组件，1.1、化料通道，1.2、化料螺杆，1.3、化料加热器，2、冷却导管组件，2.1、冷却通道，2.2、低温加热器，3、二阶剪切与注射组件，3.1、注射通道，3.1.1、入料口，3.2、注射螺杆，3.2.1、螺杆部，3.2.2、活塞部，3.2.3、注射部，3.2.4、连接杆，3.2.5、过料槽，3.2.6、导向槽，3.2.7、过料孔，3.3、注射加热器，4、型腔组件，5、止逆环，5.1、导向块，5.2、抵块，5.3、过料口，5.4、密封环，5.4.1、调节间隙，5.5、安装槽，5.6、第一控制孔，5.7、第二控制孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步描述。
如图1所示，一种大注射量球状晶镁合金触变成型设备，包括一阶化料组件1、冷却导管组件2、二阶剪切与注射组件3和型腔组件4，镁合金依次通过一阶化料组件1、冷却导管组件2、二阶剪切与注射组件3和型腔组件4完成产品生产，所述一阶化料组件1包括化料通道1.1、化料螺杆1.2和化料加热器1.3，所述化料螺杆1.2设于化料通道1.1的轴线上用于推进自密实化液态镁合金和排出空气，所述化料螺杆1.2同时以转动和沿轴向移动的方式将镁合金向冷却导管组件2方向推进，所述化料加热器1.3设于化料通道1.1外侧用于加热化料通道1.1，保持化料通道1.1温度在保持在镁合金液相线以上，所述冷却导管组件2包括冷却通道2.1和低温加热器2.2，所述冷却通道2.1与化料通道1.1相连通，所述低温加热器2.2设于冷却通道2.1的外侧用于保证冷却导管组件2执行短时低过冷操作，所述一阶化料组件1设于二阶剪切与注射组件3的上方，所述冷却导管组件2呈竖直设置，所述二阶剪切与注射组件包括注射通道3.1、注射螺杆3.2和注射加热器3.3，所述注射通道3.1与冷却通道2.1相连通，所述注射螺杆3.2设于注射通道3.1的轴线上用于向型腔组件4注射镁合金，所述注射加热器3.3设于注射通道3.1的外侧用于加热注射通道3.1，保证镁合金浆料的固相率，保证注射的流畅性。
在化料螺杆1.2远离冷却导管组件2的一端设有用于驱动化料螺杆1.2进行轴向移动的液压缸和用于驱动化料螺杆1.2转动的电机。
所述注射螺杆3.2包括螺杆部3.2.1和活塞部3.2.2，所述活塞部3.2.2与注射通道3.1移动密封配合，所述螺杆部3.2.1设于活塞部3.2.2与型腔组件4之间，所述冷却通道2.1与注射通道3.1的连接处也设于活塞部3.2.2与型腔组件4之间，所述注射螺杆3.2同时以转动和沿轴向移动的方式将镁合金向型腔组件4方向注射，在注射螺杆3.2远离型腔组件4的一端设有用于驱动注射螺杆3.2进行轴向移动的液压缸和用于驱动注射螺杆3.2转动的电机。
所述注射螺杆3.2包括螺杆部3.2.1和活塞部3.2.2，所述活塞部3.2.2与注射通道3.1移动密封配合，所述螺杆部3.2.1设于活塞部3.2.2与型腔组件4之间，所述冷却通道2.1与注射通道3.1的连接处也设于活塞部3.2.2与型腔组件4之间，所述注射螺杆3.2同时以转动和沿轴向移动的方式将镁合金浆料向型腔组件4方向注射，螺杆部3.2.1的外径与注射通道3.1的内壁呈间隙配合，间隙配合指的是螺杆部3.2.1与注射通道3.1保持有螺杆部3.2.1的转动空间，但间隙很小，镁合金浆料从间隙处渗透的流动量小，可以使螺杆部3.2.1在镁合金浆料时，在不造成螺杆部3.2.1与注射通道3.1磨损的情况下，推进更充分。
如图1-3所示，一阶化料组件1与二阶剪切与注射组件3呈水平设置，一阶化料组件1设于二阶剪切与注射组件3的上方，冷却导管组件2呈竖直设置，冷却通道2.1垂直于注射通道3.1设置，所述注射通道3.1上设有冷却通道2.1相连通的入料口3.1.1，所述入料口3.1.1沿着螺杆部3.2.1的旋转切线方向设置。
在螺杆部3.2.1靠近活塞部3.2.2的一端的螺牙的内径设有锥度，即螺牙的内径向活塞部3.2.2方向增大，以确保合金混合流体向型腔组件4方向流动，更好的防止溢料、渗透的情况。
相较于传统的注射活塞，本发明的活塞部3.2.2更短，在传统的注射活塞中，为了保证注射量，注射活塞需要完成注射量所需要的行程，而行程的长度就需要保证活塞部3.2.2与冷却导管组件2的出口处相连，从而需要加长活塞部3.2.2的长度，以避免冷却导管组件2的出口处直接与活塞部3.2.2的注射后端相连，从而造成镁合金浆料直接流向活塞部3.2.2的注射后端，影响到设备的使用安全。而本发明的注射前端采用螺杆部3.2.1结构，注射螺杆3.2的注射长度可以利用螺杆部3.2.1结构，镁合金浆料直接流向螺杆部3.2.1中，再向前注射，从而活塞部3.2.2并不需要进行长距离的设计，只需要保证冷却导管组件2的出口设于活塞部3.2.2的注射前端即可，同时也降低了活塞部3.2.2与注射通道3.1之间的配合长度，减少了磨损长度。
如图1所示，所述注射通道3.1与型腔组件4的连接处设有缩径孔，所述缩径孔成锥形，所述缩径孔的直径从注射螺杆3.2向型腔组件4方向减少，所述缩径孔与成型腔之间还设有缓冲通孔，在镁合金浆料注射过程中，以螺杆转动的方式进行推，使镁合金浆料一直进行自密实化移动，但为保证产品的成型质量，保证镁合金浆料中不会形成气泡，通过缩小孔径，排出镁合金浆料中的可能性气泡，以保证合金的成型质量，缓冲通孔的设计可以稳定合金混合液体的注射流动，保证合金成型的均匀性。
如图1、图4-8所示，所述注射螺杆3.2上还设有注射部3.2.3，所述注射部3.2.3设于螺杆部3.2.1靠近型腔的一端，所述注射部3.2.3与螺杆部3.2.1之间设有连接杆3.2.4，所述连接杆3.2.4上移动套接有止逆环5，所述连接杆3.2.4的外径与止逆环5的内径相契合，所述连接杆3.2.4的周向上设有多个用于过料的过料槽3.2.5，所述注射部3.2.3上设有沿着轴向设计的导向槽3.2.6，所述止逆环5上设有与导向槽3.2.6相配合的导向块5.1，所述止逆环5上还设有与导向块5.1同向设置的抵块5.2，抵块5.2与注射部3.2.3相抵使注射部3.2.3与止逆环5之间形成过料口5.3，所述注射部3.2.3上还设有多个过料孔3.2.7。
所述止逆环5的外侧设有密封环5.4，所述密封环5.4上设有调节间隙5.4.1，调节间隙5.4.1两端在径向上设有重叠区域，可防止溢料，所述止逆环5上设有用于安装密封环5.4的安装槽5.5，所述安装槽5.5内设有控制孔，所述控制孔包括第一控制孔5.6与第二控制孔5.7，所述第一控制孔5.6设于止逆环5靠近注射头的一端，所述第二控制孔5.7设于止逆环5远离注射头一端，所述第一控制孔5.6呈由内向外，由注射头向螺旋推进槽方向倾斜设置，所述第二控制沿着连接杆3.2.4的径向设置。
如图1所示，一阶化料组件1包括进料漏斗，进料漏斗的出口设于化料螺杆1.2远离冷却导管组件2的一端。
如图9所示，一种大注射量球状晶镁合金触变成型工艺，采用连续五阶段控温、剪切与注射的工艺协同，促使镁合金转变为半固态球状晶并进行成型；
阶段1：熔化，采用一阶化料组件1，将镁合金粒子进行隧道式快速加热软化，直至熔化至液相线以上，并同时在化料螺杆1.2挤压推进下逐渐自密实化并保持液化后无空气卷入；
阶段2：近液相，在一阶化料组件1的末端位置，恒温控制镁合金维持在近液相线以上10-30℃进行均匀化，使合金组织转变为纯液相或极低固相状态；
阶段3：短时低过冷，采用控温冷却导管组件2，与一阶化料组件1相连，用于向流动的镁熔体提供短时低过冷条件，使得近液相合金组织中迅速产生大量半固态初生晶；
阶段4：半固态等温球状晶转变，采用水平二阶剪切与注射组件3，与控温冷却导管组件2相连通，用于向低过冷镁合金提供半固态等温热处理和注射螺杆3.2剪切作用，使得镁合金组织中半固态初生晶中的固相被低熔点液相渗透包围而发生细化和充分球化，转变为球状晶半固态浆料；
阶段5：高速射出冷却成型，将具有良好触变特性的球状晶半固态浆料在高压高速下完成注射动作，充填到型腔组件4中冷却成型，形成致密化镁合金制品。
阶段1中，镁合金采用粒度在0.5～5mm之间的规格，并保持干燥状态，镁合金材料需要选用具有50℃以上的半固态工艺窗口区间的种类；
在阶段2中，一阶化料组件1的末端设定温度为镁合金液相线温度以上10-20℃；化料螺杆1.2的转速为100r/min，形成如图10所示的纯液相或极低固相状态晶粒图的镁合金浆料；
在阶段3中，低过冷条件为镁合金液相线温度以下10-30℃，在短时低过冷度条件下使得镁合金浆料中迅速产生大量半固态初生晶，如图11所示，固相率比例达到40～60％；
在阶段4中，半固态镁合金浆料被匀速推进到二阶剪切与注射组件3内，再次受到恒温加热，恒温设定温度为液相线温度以下5-10℃，注射螺杆3.2转速为60r/min，此时在剪切和半固态等温热处理的共同作用下，初生固相被低熔点液相渗透包围而发生细化和充分球化，转变为等轴、均匀、细小的球状晶半固态浆料，如图12所示，镁合金浆料固相率在10～30％。
在阶段5中，模具温度为280℃，注射速度为5m/s。
本发明采用镁合金原材料为毫米级粒子，包括但不限于AZ91、AM60等牌号镁合金，通过一阶化料组件1加热至近液相线以上，随后通过冷却导管组件2迅速产生大量初生晶，然后通过二阶剪切与注射组件3转变为细小球化的球状晶半固态浆料，最后注射到型腔组件4中冷却成型，制得大型镁合金零件。该产品中球状晶均匀，氧化夹杂少，可以显著提高力学性能和腐蚀性能。
实施例1，如图13所示：
采用尺寸为1.2mmx1.2mmx4mm的AZ91镁粒子原料，由进料漏斗输送至一阶化料组件1内，在100r/min化料螺杆1.2剪切下，镁合金粒子被向前推进、压缩、并快速地加热至605℃，组织转变为纯液相，随后镁合金浆料流动至冷却导管组件2，在575℃短时低过冷条件下使得镁合金组织中迅速产生大量半固态初生晶，固相率比例达到50％，然后镁合金浆料被推进到二阶剪切与注射组件3中，在590℃半固态等温热处理和剪切共同作用下，转变为等轴、均匀、细小的球状晶半固态浆料，之后由二阶剪切与注射组件3前端注射入模温280℃的型腔组件4中冷却成型，注射速度选取5m/s，获得高致密高性能的镁合金零件。其成型能力优异，半固态晶粒细小、球化且均匀分布，达到屈服强度170MPa、抗拉强度280MPa，延伸率7％。
实施例2，如图14所示：
采用尺寸为1.2mmx1.2mmx4mm的AZ91镁粒子原料，由进料漏斗输送至一阶化料组件1内，在100r/min化料螺杆1.2剪切下，镁合金粒子被向前推进、压缩、并快速地加热至605℃，组织转变为纯液相，随后镁合金浆料流动至冷却导管组件2，在570℃短时低过冷条件下使得镁合金组织中迅速产生大量半固态初生晶，固相率比例达到60％，然后镁合金浆料被推进到二阶剪切与注射组件3中，在585℃半固态等温热处理和剪切共同作用下，转变为等轴、均匀、细小的球状晶半固态浆料，之后由二阶剪切与注射组件3前端注射入模温280℃的型腔组件4中冷却成型，注射速度选取5m/s，获得高致密高性能的镁合金零件。其成型能力优异，半固态晶粒细小、球化且均匀分布，达到屈服强度165MPa、抗拉强度270MPa，延伸率5.5％。
实施例3，如图15所示：
采用尺寸为1.2mmx1.2mmx4mm的AM60镁粒子原料，由进料漏斗输送至一阶化料组件1内，在100r/min化料螺杆1.2剪切下，镁合金粒子被向前推进、压缩、并快速地加热至630℃，组织转变为纯液相，随后镁合金浆料流动至冷却导管组件2，在590℃短时低过冷条件下使得镁合金组织中迅速产生大量半固态初生晶，固相率比例达到60％，然后镁合金浆料被推进到二阶剪切与注射组件3中，在615℃半固态等温热处理和剪切共同作用下，转变为等轴、均匀、细小的球状晶半固态浆料，之后由二阶剪切与注射组件3前端注射入模温250℃的型腔组件4中冷却成型，注射速度选取5m/s，获得高致密高性能的镁合金零件。半固态晶粒细小、充分球化且均匀分布，达到屈服强度140MPa、抗拉强度300MPa，延伸率15％。
实施例4，如图16所示，
采用尺寸为1.2mmx1.2mmx4mm的AM60镁粒子原料，由进料漏斗输送至一阶化料组件1内，在100r/min化料螺杆1.2剪切下，镁合金粒子被向前推进、压缩、并快速地加热至630℃，组织转变为纯液相，随后镁合金浆料流动至冷却导管组件2，在602℃短时低过冷条件下使得镁合金组织中迅速产生大量半固态初生晶，固相率比例达到40％，然后镁合金浆料被推进到二阶剪切与注射组件3中，在620℃半固态等温热处理和剪切共同作用下，转变为等轴、均匀、细小的球状晶半固态浆料，之后由二阶剪切与注射组件3前端注射入模温250℃的型腔组件4中冷却成型，注射速度选取5m/s，获得高致密高性能的镁合金零件。半固态晶粒充分球化且均匀分布，达到屈服强度144MPa、抗拉强度300MPa，延伸率12％。
对比实施例1，如图17所示：
采用尺寸为1.2mmx1.2mmx4mm的AZ91镁粒子原料，由进料漏斗输送至一阶化料组件1内，在100r/min化料螺杆1.2剪切下，镁合金粒子被向前推进、压缩、并快速地加热至605℃，组织转变为纯液相，随后镁合金浆料流动至冷却导管组件2，在600℃非过冷条件下储料流过，固相率比例达到10％，然后镁合金浆料被推进到二阶剪切与注射组件3中，在590℃半固态等温热处理和剪切共同作用下，之后由二阶剪切与注射组件3前端注射入模温280℃的型腔组件4中冷却成型，注射速度选取5m/s，获得镁合金零件。可见粗大的半固态枝晶组织仍然存在，使得基体被割裂而易发生脆断，屈服强度为155MPa、抗拉强度为230MPa，延伸率为3％。
对比实施例2，如图18所示：
采用尺寸为1.2mmx1.2mmx4mm的AZ91镁粒子原料，由进料漏斗输送至一阶化料组件1内，在100r/min化料螺杆1.2剪切下，镁合金粒子被向前推进、压缩、并快速地加热至585℃，在液相线以下为半固态组织，随后镁合金浆料流动至冷却导管组件2，在575℃短时低过冷条件下使得镁合金浆料中产生半固态初生晶，固相率比例达到50％，然后镁合金浆料被推进到二阶剪切与注射组件3中，在590℃半固态等温热处理和剪切共同作用下，之后由二阶剪切与注射组件3前端注射入模温280℃的型腔组件4中冷却成型，注射速度选取5m/s，获得镁合金零件。可见粗大的半固态枝晶组织仍然存在，使得基体被割裂而易在受力变形时产生应力集中，屈服强度为150MPa、抗拉强度225MPa，延伸率2.8％。
表1
以上仅就本发明的最佳实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本发明不仅局限于以上实施例，其具体结构允许有变化。凡在本发明独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本发明保护范围内。
Claims (10)
1.一种大注射量球状晶镁合金触变成型工艺，其特征在于：采用连续五阶段控温、剪切与注射的工艺协同，促使镁合金转变为半固态球状晶并进行成型；
阶段1：熔化，采用一阶化料组件(1)，将镁合金粒子进行隧道式快速加热软化，直至熔化至液相线以上，并同时在化料螺杆(1.2)挤压推进下逐渐自密实化并保持液化后无空气卷入；
阶段2：近液相，在一阶化料组件(1)的末端位置，恒温控制镁合金维持在近液相线以上10-30℃进行均匀化，使合金组织转变为纯液相或极低固相状态；
阶段3：短时低过冷，采用控温冷却导管组件(2)，与一阶化料组件(1)相连，用于向流动的镁熔体提供短时低过冷条件，使得近液相合金组织中迅速产生大量半固态初生晶；
阶段4：半固态等温球状晶转变，采用水平二阶剪切与注射组件(3)，与控温冷却导管组件(2)相连通，用于向低过冷镁合金提供半固态等温热处理和注射螺杆(3.2)剪切作用，使得镁合金组织中半固态初生晶中的固相被低熔点液相渗透包围而发生细化和充分球化，转变为球状晶半固态浆料；
阶段5：高速射出冷却成型，将具有良好触变特性的球状晶半固态浆料在高压高速下完成注射动作，充填到型腔组件(4)中冷却成型，形成致密化镁合金制品。
2.根据权利要求1所述的一种大注射量球状晶镁合金触变成型工艺，其特征在于：阶段1中，镁合金采用粒度在0.5～5mm之间的规格，并保持干燥状态，镁合金材料需要选用具有50℃以上的半固态工艺窗口区间的种类。
3.根据权利要求2所述的一种大注射量球状晶镁合金触变成型工艺，其特征在于：
在阶段2中，一阶化料组件(1)的末端设定温度为镁合金液相线温度以上10-20℃；化料螺杆(1.2)的转速为100r/min；
在阶段3中，低过冷条件为镁合金液相线温度以下10-30℃；
在阶段4中，二阶剪切与注射组件(3)的恒温设定温度为液相线温度以下5-10℃，对应浆料固相率在10～30％；注射螺杆(3.2)转速为60r/min；
在阶段5中，模具温度为280℃，注射速度为5m/s。
4.一种大注射量球状晶镁合金触变成型设备，其特征在于：用于执行权利要求1-3中任一一种大注射量球状晶镁合金触变成型工艺，包括一阶化料组件(1)、冷却导管组件(2)、二阶剪切与注射组件(3)和型腔组件(4)，镁合金依次通过一阶化料组件(1)、冷却导管组件(2)、二阶剪切与注射组件(3)和型腔组件(4)完成产品生产，所述一阶化料组件(1)包括化料通道(1.1)、化料螺杆(1.2)和化料加热器(1.3)，所述化料螺杆(1.2)设于化料通道(1.1)的轴线上用于推进自密实化液态镁合金和排出空气，所述化料螺杆(1.2)同时以转动和沿轴向移动的方式将镁合金向冷却导管组件(2)方向推进，所述化料加热器(1.3)设于化料通道(1.1)外侧用于加热化料通道(1.1)，保持化料通道(1.1)温度在保持在镁合金液相线以上，所述冷却导管组件(2)包括冷却通道(2.1)和低温加热器(2.2)，所述冷却通道(2.1)与化料通道(1.1)相连通，所述低温加热器(2.2)设于冷却通道(2.1)的外侧用于保证冷却导管组件(2)执行短时低过冷操作，所述一阶化料组件(1)设于二阶剪切与注射组件(3)的上方，所述冷却导管组件(2)呈竖直设置，所述二阶剪切与注射组件(3)包括注射通道(3.1)、注射螺杆(3.2)和注射加热器(3.3)，所述注射通道(3.1)与冷却通道(2.1)相连通，所述注射螺杆(3.2)设于注射通道(3.1)的轴线上用于向型腔组件(4)注射镁合金，所述注射加热器(3.3)用于加热注射通道(3.1)，保证镁合金浆料的固相率，保证注射的流畅性。
5.根据权利要求4所述的一种大注射量球状晶镁合金触变成型设备，其特征在于：所述注射螺杆(3.2)包括螺杆部(3.2.1)和活塞部(3.2.2)，所述活塞部(3.2.2)与注射通道(3.1)移动密封配合，所述螺杆部(3.2.1)设于活塞部(3.2.2)与型腔组件(4)之间，所述冷却通道(2.1)与注射通道(3.1)的连接处也设于活塞部(3.2.2)与型腔组件(4)之间，所述注射螺杆(3.2)同时以转动和沿轴向移动的方式将镁合金向型腔组件(4)方向注射。
6.根据权利要求5所述的一种大注射量球状晶镁合金触变成型设备，其特征在于：所述冷却通道(2.1)垂直于注射通道(3.1)设置，所述注射通道(3.1)上设有冷却通道(2.1)相连通的入料口(3.1.1)，所述入料口(3.1.1)沿着螺杆部(3.2.1)的旋转切线方向设置。
7.根据权利要求4所述的一种大注射量球状晶镁合金触变成型设备，其特征在于：所述注射螺杆(3.2)上还设有注射部(3.2.3)，所述注射部(3.2.3)设于螺杆部(3.2.1)靠近型腔的一端，所述注射部(3.2.3)与螺杆部(3.2.1)之间设有连接杆(3.2.4)，所述连接杆(3.2.4)上移动套接有止逆环(5)，所述连接杆(3.2.4)的外径与止逆环(5)的内径相契合，所述连接杆(3.2.4)的周向上设有多个用于过料的过料槽(3.2.5)。
8.根据权利要求7所述的一种大注射量球状晶镁合金触变成型设备，其特征在于：所述注射部(3.2.3)上设有沿着轴向设计的导向槽(3.2.6)，所述止逆环(5)上设有与导向槽(3.2.6)相配合的导向块(5.1)，所述止逆环(5)上还设有与导向块(5.1)同向设置的抵块(5.2)，抵块(5.2)与注射部(3.2.3)相抵使注射部(3.2.3)与止逆环(5)之间形成过料口(5.3)，所述注射部(3.2.3)上还设有多个过料孔(3.2.7)。
9.根据权利要求7所述的一种大注射量球状晶镁合金触变成型设备，其特征在于：所述止逆环(5)的外侧设有密封环(5.4)，所述密封环(5.4)上设有调节间隙(5.4.1)，所述止逆环(5)上设有用于安装密封环(5.4)的安装槽(5.5)，所述安装槽(5.5)内设有控制孔。
10.根据权利要求9所述的一种大注射量球状晶镁合金触变成型设备，其特征在于：所述控制孔包括第一控制孔(5.6)与第二控制孔(5.7)，所述第一控制孔(5.6)设于止逆环(5)靠近注射头的一端，所述第二控制孔(5.7)设于止逆环(5)远离注射头一端，所述第一控制孔(5.6)呈由内向外，由注射头向螺旋推进槽方向倾斜设置，所述第二控制沿着连接杆(3.2.4)的径向设置。
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| CN117259711B (zh) * | 2023-10-13 | 2024-06-11 | 伯乐智能装备股份有限公司 | 一种制备异构半固态组织镁合金的成型工艺 |
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