CN1186722A - 半固态金属射出成型的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半固态金属射出成型的方法和装置,该方法是先产生一过热液态金属,并对其提供一剪力,在此剪切过程中快速冷却其至固液共存区间形成一种半固态浆体,再维持其均匀搅拌在固液共存区间,以射出器将半固态浆体射出至一模具,为实现此方法的装置有过热液态金属产生器,该产生器衔接一半固态浆体产生器,一个有温度微调功能的射出器和半固态浆体产生器出口衔接,其另一端口接模具,适用于大吐出量工件生产。

Description

半固态金属射出成形的方法和装置

本发明涉及一种喷射模铸造的方法，特别是一种半固态金属喷射模铸造方法。本发明还涉及该铸造方法所使用的装置。

利用半固态材料成形技术，改善压铸制品品质的方法，已为人所熟知，这项技术自1970年代初期由美国麻省理工学院(MIT)发表其理论基础以来，发展出许多相关技术，大量生产的工艺过程也渐趋成熟。其不仅维持了传统压铸生产速度快、尺寸精度高等优点，也降低了制件中的气孔及缩孔含量，因此，可大幅度提高产品的机械性能，达到净形铸造和可热处理铸件的要求。

已知技术如MIT的美国专利第3,902,544号，公开了一种将熔融的液态金属液，引导入一搅拌筒中不断地搅拌，并进行冷却，使搅拌筒中的液态金属，藉搅拌时的剪切作用，逐渐形成一种半固态的粘浆，最后冷却而形成一种铸锭，但这种铸锭在制成工件时，必须再将其按所需的重量切成更小锭料，重新加热到所需固相分数后送到压铸机成形，由于这种制造方法的锭料是全固态加热至固相分数较高的半固态，以机械臂夹持传送至压射室时仍维持固体形状，对比类似传统锻造，因此又称为“触变锻造法”(Thixoforging)，但是这种工艺过程显然较复杂。

另外，美国专利第5,040,589号公开的技术，是将金属颗粒经射出成型机加热至部分熔融状态，并施以剪切成半固态粘浆后，以螺杆推送注射成形；美国专利第5,501,266号公开的技术，是将熔融金属经特殊设计的射出成型机，直接利用料管及螺杆施以剪切冷却至半固态后，再以螺杆推送注射成形；至于搅拌金属材料的方式除了上述的螺杆搅拌(日本专利公开第1-170565号，第1-178345号，第1-192447号也使用这种方式)，还有利用叶片搅拌(如美国专利第4,116,423号)以及电磁搅动(如美国专利第5,178,204号，第5,219,018号)等方式；而在上述利用螺杆推送的已知技术中，熔融的金属和半固态的金属材料是在同一个螺旋推送筒中被移动，但是将熔融金属冷却至固态需要快速冷却，而将半固态金属计量射出需要稳定均温，两者所需的温度控制条件不同，而同一个推送筒的传热现象，将使上述温度难以控制，且不适用在需大吐出量工件的生产。

本发明的目的是要提供一种半固态金属射出成形的方法和装置，该方法易于控制温度且不会互相干扰，整体粘浆产生吐出量大，适于制作大型工件，为此，本发明还要提供一种实施该方法的装置。

为达到上述的目的，本发明的方法包括下述几个步骤：先产生一过热液态金属，并且以一保护气体保护该过热液态金属；提供一剪力剪切该过热液态金属，并且在此剪切过程中快速冷却该过热液态金属至其固液共存区间形成一种半固态浆体，然后送出该半固态浆体；提供一装置容纳上述的半固态浆体，并且维持该半固态浆体的均温搅拌在其固液共存区间；利用射出器将上述半固态浆体射出至一模具，形成半固态材料铸件。

为实现上述方法要采用专用的装置，该装置的特点是：设一用以溶融金属材料的过热液态金属产生器，一半固态浆体产生器和过热液态金属产生器衔接，一具有温度微调功能的射出器和半固态浆体产生器的半固态浆体出口衔接，以及一承接射出器所射出的半固态浆体的模具。

由于上述方法的第二阶段的半固态浆体产生器的快速冷却，和第三阶段的射出器维持均匀的温度是分开控制，在温度的控制方面更容易，且不会互相干扰，在第二阶段的快速冷过程中，可大量形成晶粒细微的半固态粘浆，经第三阶段的均温搅动作，可制备更佳的均质稳定的半固态粘浆，第二阶段的粘浆制备不影响射出，保压冷却及喷咀合离等成型过程，故可以预先大量的制备半固态粘浆，待第三阶段计量射出，因而适用于大型铸件的生产。为能充份说明本发明和传统技术的差别，将列表分述如下：

	本发明	传统技术
			技术特征	先以一快速冷却的半固态浆料产生单元制成原料，再以一恒温控制的的螺杆持续剪切并计量射出。夹模单元为倾料式，射出单元为水平式，以夹模单元的前、后座进退来达成模具与喷嘴的接触及分离。	以单一螺杆同时做半固态浆料的冷却、剪切及计量射出动作。夹模单元及射出单元为立式，喷嘴朝下，以射出单元的上、下座进退达成模具与喷嘴的接触及分离。
达到效果	将半固态产生单元及射出单元分开，可达成精确之温度控制，不会互相干扰。在半固态浆料产生单元可做快速冷却，再经射出单元之持续剪切，可快速获得晶粒微细且稳定之半固态微结构。倾斜式之夹模单元及喷嘴，可避免漏料。二阶段的机械结构适合工业上的大量自动化生产，制程控制容易，产品品质较为稳定。	在单一螺杆中必须同时做大范围之温度梯度控制，容易互相干扰，精确之温度控制较难达成。以同一螺杆同时做冷却及剪切，其微结构较粗大，且浆料产率较低。立式的夹模单元及喷嘴，较易产生漏料，导致制程中断或安全问题。机械结构不易做大型铸件的生产

下面结合实施例及其附图对本发明作进一步的详细说明

图1是本发明各主要组成单元之间运作关系框图。

图2是本发明的装置构造示意图。

图3是图2的局部构造放大图。

参照图2，本发明所提出的半固态金属射出成型装置，主要包括有：一过热液态金属产生器1，在保护气体环境下产生洁净的金属熔液；一半固态浆体产生器2，是和熔液供给的金属产生器1的出料口衔接，用以将过热的液态金属材料在快速冷却和快速扰动的状态下，使金属材料维持在一固液共存区间，即液态金属材料自开始凝固至凝固结束为止的温度范围，而产生一种晶粒细致的半固态浆体材料；一射出器3，是和半固态浆体产生器2的半固态浆体出口201衔接，  其具有温度微调功能，用以将上述半固态浆体维持在一稳定均温区间，且待计量射出后，在模具4中固化成工件。

本发明的关键技术在于上述第二阶段的半固态浆体产生器2，和第三阶段的射出器3的温度是分开控制，使第二与第三阶段在控制温度上，不会互相干扰，并且更容易个别进行控制，而获得一种晶粒更为细致的半固态浆体，然后再藉第三阶段的射出器3，使半固态浆体可在维持其固液共存区间的条件下，配合射出器3可计量的特性，而注入模具4形成一种具备半固态材料特性的铸件，藉此制造方法和设备，不但可以获得品质良好和机械性能良好的铸件，由于总体粘浆和产生吐出量大，更适于工件的快速大量生产。

本发明的实施方法包括下列步骤：

1.产生一过热液态金属；

2.提供一剪力剪切过热液态金属，并在此剪切过程中快速冷却过热液态金属至其固液共存区间形成一种半固态浆体，然后送出半固态浆体；

3.提供一装置容纳半固态浆体，维持半固态浆体的温度在其固液共存区间，并且继续提供剪切打断树枝状微结构，以维持良好的半固态浆体；

4.利用射出器将半固态浆体射出至一模具，形成半固态材料铸件。

参照图2、3，是本发明按上述技术特点提供的装置，该装置设一过热液态金属产生器1(例如坩锅炉)，用以溶融金属材料形成一种过热的液态状，然后将过热的液态金属送出过热液态金属产生器1；过热液态金属产生器1一侧接设一保护气体供应器5，用以提供过热液态金属的保护，以防止过热液态金属氧化；一半固态浆体产生器2，是和过热液态金属产生器1衔接，用以承接送出的过热液态金属，并将其快速冷却和作快速搅拌，而成一种晶粒细致半固态浆体；一射出器3，是和半固态浆体产生器2的半固态浆体出口201衔接，其具有温度微调功能，用以将半固态浆体维持在一固液共存区间并且计量射出；一模具4，由夹模单元6控制其开闭模动作，是用以承接射出器3所射出的半固态浆体，经保压制成铸件。

上述保护气体供应器5，可提供氮气、氩气或六氟化硫等气体，并使该气体充满在过热液态金属产生器1中。

半固态浆体产生器2包括有：一中空管体21，管体21具有一液体入口200，液体入口200和过热液态金属产生器1的过热液态金属出口10衔接，管体21还设有送出半固态浆体的出口201，管体21最好是以液体入口200高于出口201的倾斜方式配置，使过热液态金属可自由的流至射出器3；半固态浆体产生器2上接设一用以控制管体21的温度的温度控制机构，使过热液态金属快速降低至固液共存区间，形成一种半固态浆体，温度控制机构由一围绕在管体21***的加热元件25、冷却元件23和绝缘保温器24组成，加热元件25可以是电热线圈或感应加热器，冷却元件23可使用内部有冷却流体流动的冷却器，冷却流体可选用水、空气、热传液或其他具有相同特性的流体，以达到快速冷却的效果，其冷却温度必须使金属材料仍然保持在流体的状态，如此不致于凝固，当冷却元件23的冷却温度过低时，就必须以加热元件25将温度回复至适合的温度范围；上述半固态浆体产生器2包括有一在过热液态金属快速冷却的过程中，快速搅动半固态浆体的搅拌装置，该搅拌装置可采用螺旋浆、螺杆或电磁搅拌器22等，可在过热液态金属逐渐凝固的过程中产生一剪力，将其形成的树枝状组织打断，以获得晶粒细致的半固态浆体。

射出器3包括有：一中空料管30，用以暂存半固态浆体，中空料管30具有一和半固态浆体产生器2的半固态浆体出口201衔接的进入口300，在中空料管30另一端设一喷咀31，用以将半固态浆体注入模具4，其中喷咀31末端最好略微向上倾斜一角度，可在喷咀31未和模具4衔接前，防止半固态浆体垂滴或泄出；一用以控制中空料管30和喷咀31温度的温度控制机构，可使半固态浆体在等待注射至模具4前，仍然保持在半固态浆体状态，该温度控制机构和上述半固体浆体产生器2的温度控制机构类似，其由一围绕在中空料管30和喷咀31***的加热元件32、32′、冷却元件33、33′和绝缘保温器34组成，加热元件32、32′可为电热线圈或感应加热器，冷却元件33、33′可采用内部有冷却流体流动的冷却管，冷却流体可选择水、空气、低温气体、传热液或其他具有相同特性的流体，在射出器3的所谓第三阶段中，温度控制的主要目的是维持半固态浆体的部分凝固状态，所以其温度的精确控制非常重要，而冷却元件33、33′是用以防止加热温度过高时的冷却；在射出器3内部，还设有一用以维持剪切并将半固态浆体注射入模具4的射出装置，此射出装置是一螺杆35和逆止阀36将半固态浆体注入夹模单元6所夹持的模具4内，其半固态浆体的注射量和保压成型是藉控制螺杆35的位移及压力完成，上述配套的制程及设备，不仅可获得品质良好和机械性能佳的铸件，由于半固态浆体是由独立的产生器2大量产出，射出器3可用作计量与射出，将使其总体粘浆的产生吐出量大，更适于大型铸件的大量生产。

上述半固态浆体产生器2，其出口201和射出器3的进入口300间尚设一开闭阀26，用以使半固态浆体产生器2和射出器3之间的温度不产生明显的干扰，因而使其二者的各自温度控制更容易和准确；另一方面，由于半固态浆体产生器2不需承受半固态浆体射出时的高压，可使管体21的管壁厚度减薄，因而使快速冷却更容易实现。

模具4和夹模单元6，其构造和传统设备类似，夹模单元6配合喷咀倾斜设置，驱动机构61驱动夹模单元6，以完成接合或离开喷咀31的动作。

Claims (9)

1.一种半固态金属射出成形的方法，其特征在于：

a.产生一过热液态金属，并且以一保护气体保护该过热液态金属；

b.提供一剪力剪切该过热液态金属，并且在此剪切过程中快速冷却该过热液态金属至其固液共存区间形成一种半固态浆体，然后送出半固态浆体；

c.提供一装置容纳上述的半固态浆体，并且维持该半固态浆体的均温搅拌在其固液共存区间；

d.利用射出器将上述的半固态浆体射出至一模具，形成该半固态材料铸件。

2.根据权利要求1所述的半固态金属射出成形的方法，其特征是设一保护气体供应器，用以提供一选自于氮气、氩气或六氟化硫中任一种的保护气体保护该过热液态金属，以防止该过热液态金属氧化。

3.根据权利要求1所述的半固态金属射出成形的方法，其特征是将过热液态金属引入一中空管体内部，藉对该金属快速冷却，并利用螺旋浆、螺杆或电磁搅拌等方式中的任一种施加剪切而形成该半固态浆体。

4.根据权利要求1或3所述的半固态金属射出成形的方法，其特征是快速冷却是利用一加热元件以及一冷却元件完成。

5.一种实施权利要求1所述的半固态金属射出成形方法的装置，包括有过热液态金属产生器、半固态浆体产生器、射出器和模具，其特征在于：一过热液态金属产生器衔接一半固态浆体产生器，一具有温度微调功能的射出器和半固态浆体产生器的半固态浆体出口衔接，以及一承接射出器所射出的半固态浆体的模具。

6.根据权利要求5所述的半固态金属射出成形的装置，其特征是过热液态金属产生器一侧接设一保护气体供应器。

7.根据权利要求5所述的半固态金属射出成形的装置，其特征是半固态浆体产生器设一中空管体，管体具有一和过热液态金属产生器衔接的液体入口和送出该半固态浆体的出口，半固态浆体产生器上接设一用以控制管体温度的温度控制机构，并设一用以快速搅动半固态浆体的搅拌装置。

8.根据权利要求7所述的半固态金属射出成形的装置，其特征是温度控制机构是由一围绕在管体***的加热元件、冷却元件和绝缘保温器组成，其中加热元件为一电热线圈或感应加热器，冷却元件为一内部具有选自水、空气、低温气体或热传液体之中任一种冷却流体的冷却管。

9.根据权利要求5所述的半固态金属射出成形的装置，其特征是射出器设一暂存半固态浆体的中空料管，中空料管的一端设一末端略微向上倾斜一角度用以将半固态浆体注入模具的喷咀，射出器上设一控制中空料管温度的温度控制机构，该温度控制机构和半固态浆体产生器的温度控制机构类似。

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