專利名稱：一種輕合金半固態漿料制備裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于半固態金屬加工技術領域，特別是涉及一種制備輕合金半固態合金流變漿料或坯料的裝置和方法。
背景技術：
20世紀70年代初期，美國麻省理工學院M C Flemings等研究人員創立了金屬半固態成形的概念、理論和技術(文獻Spencer D B, Mehrabian R, Flemings M C. Reological behavio r of Sn-15%Pb in the crystallization range. Metallurgical Transactions, 1972，3 (7) : 1925-1932)。半固態加工是利用金屬從液態向固態轉變或從固態向液態轉變(即液固共存)過程中所具有的特性進行成形的方法，這一新的成形方法綜合了凝固加工和塑性加工的長處，即加工溫度比液態低，充型平穩，對模具熱沖擊小；變形抗力比固態小，從而有利于成形較復雜的零件并減少功耗，提高生產效率。半固態金屬加工應用范圍廣泛，凡具有固液兩相區的金屬或合金均可實現半固態加工，從研究的材料來看，可分為有色金屬及其合金的低熔點材料半固態加工和鋼鐵材料等高熔點金屬材料及復合材料的半固態加工，其應用領域也在逐年擴大；半固態金屬加工技術還適用于多種加工工藝，如鑄造、軋制、擠壓和鍛壓等。因此80年代后期以來，該技術得到了以美國、日本等發達國家科技工作者的普遍承認和高度重視，在工藝實驗和理論等方面開展了廣泛的研究，成為當今金屬加工的發展趨勢。優質半固態漿料的制備是半固態金屬加工技術的前提和關鍵，目前，已有多種半固態漿料制備裝置和方法，例如英國專利UK 9922696提出了雙螺旋機械攪拌流變成形工藝；歐洲專利EP 0745691A1提出了 New Rheocasting (NRC)技術；美國專利US 6M5323B2 提出了 Semi-solid Rheocasting (SSR)流變成形工藝等。國內對于半固態加工技術的研究工作開展較晚，但發展迅速。有色金屬研究總院、哈爾濱工業大學、北京科技大學、上海大學、南昌大學、華中科技大學等許多科研院所和高校，在半固態金屬成形理論、漿料流變行為、成形工藝等方面進行了深入的研究，并開發出各具特色的半固態漿料制備裝置和方法，有代表性的有熔體分散混合制漿裝置(專利=200620018003. 9);不等徑彎道擠壓-剪切誘導等溫球晶化半固態坯復合制備法(專利03132471. 1)；懸掛錐桶式半固態金屬漿料制備裝置(專利=200810114097. 3)；低過熱度加弱電磁攪拌制漿技術(專利=00109540. 74)；波浪型傾斜版振動制漿裝置(專利 200710011510. 9)等等。以上各種制備半固態合金漿料的裝置和方法各有自己的特點，但也都存在各自的不足，大多數還只是停留在實驗室研究階段，仍需提出新的制漿裝置和技術，以便簡化工藝，降低成本，逐步推動半固態金屬加工技術的工業應用
發明內容
本發明的目的在于克服現有半固態漿料制備裝置存在的設備復雜，連續工作可靠性差、控制精度低、清理維修繁瑣的不足，提供一種用于輕合金半固態漿料制備的裝置，該裝置采用機械攪拌方式，使合金熔體在連續冷卻過程中受到剪切攪拌的作用，從而形成強制對流，促進了合金熔體的非均質形核以及初生晶粒的游離，獲得液相基體中均勻分布著一定比例的球狀初生固相的半固態金屬流變漿料。本發明一種輕合金半固態漿料制備裝置，包括合金熔體攪拌室及支架(16)，所述合金熔體攪拌室安裝在支架(16)上，其特征在于
所述合金熔體攪拌室內安裝有攪拌螺旋桿(7)，所述攪拌螺旋桿(7)通過軸承(15)固定于軸承座(11)上，其縱向軸線與攪拌室軸線平行。進一步的，所述合金熔體攪拌室由不銹鋼外筒(5)、石墨內襯(6)和石墨柱塞(2) 組成。進一步的，所述合金熔體攪拌室的不銹鋼外筒(5)外壁設置有加熱冷卻元件(4) 和保溫層(8)，實現攪拌室溫度的精確控制。進一步的，所述攪拌螺旋桿(7)內部設置有通孔，一放料芯桿(3)置于其中，還包括一放料手柄(14)，所述放料芯桿(3)在放料手柄(14)的帶動下提升或下壓石墨柱塞(2)， 完成放料、復位等動作。進一步的，所述設備包括有出料口( 1)和進料口( 9 )，所述出料口( 1)和進料口( 9 )
都設置有柱塞。進一步的，所述合金熔體攪拌室縱向軸線與水平線之間的傾斜角度α可通過支架(16)進行調整，調節范圍30° 90°。進一步的，所述攪拌螺旋桿(7)由調速電機通過傳動齒輪(12)帶動高速旋轉，轉速調節范圍是0 800 rad/min。本發明利用高速剪切變形原理，合金熔體在連續冷卻過程中受到攪拌螺旋桿的作用產生強制對流，促進了其在攪拌筒壁上的非均質形核和晶粒游離，強制對流過程使合金熔體內部形成較強的剪切應力場，初生枝晶逐步得到破碎、球化，從而獲得液相基體中均勻分布著一定比例的球狀初生固相的半固態漿料，可將制備好的半固態漿料通過出料口直接輸送至成形設備，制成半固態零件，從而實現從半固態漿料制備到流變成形的一體化過程。本發明實現了輕合金半固態漿料的快速制備，連續工作穩定性高，是一種先進的半固態金屬加工裝置，其優點在于
1、該裝置結構簡單緊湊，操作方便，易于清理，攪拌室溫度、剪切強度、攪拌時間均可做到精確控制，便于不同種類、不同性能要求的輕合金半固態金屬漿料的制備。2、合金熔體在剪切攪拌過程中形成強制對流，剪切強度高，溫度場、成分場可以很快達到均勻一致，獲得的半固態漿料中，初生固相晶粒尺寸相近，球形度好且分布均勻。3、制備半固態漿料過程中，強制對流的流動方式既保證了施加于合金熔體中足夠的剪切強度，又減少了剪切攪拌過程中熔體的飛濺，從而減少了合金的吸氣、氧化傾向；另夕卜，攪拌過程中，設備進出口處都設有柱塞，合金熔體在攪拌時處于相對封閉的環境中，進一步減少了氧化，保證了半固態漿料的質量。4、該裝置與合金熔體接觸的部分大都采用高純石墨材料，石墨導熱性好，表面光滑，與合金熔體親和力小，剪切攪拌過程中不會出現結殼、積料等問題，保證了本發明裝置長時間連續工作的可靠性。5、該設備結構緊湊、體積小重量輕，通過使用不同結構的支架可以將半固態漿料出口盡量靠近成形設備，省去漿料輸送過程，從而實現從合金熔體半固態漿料制備到流變成形的一體化工藝過程。


圖1為輕合金半固態漿料制備裝置結構示意圖； 圖2為輕合金半固態漿料制備裝置攪拌室結構示意圖； 圖3為攪拌室內合金熔體流動方式示意圖4為鋁合金半固態漿料金相顯微組織； 圖5為鎂合金半固態漿料金相顯微組織；
具體實施例方式下面結合實例對本發明的結構及實施效果做進一步的說明 實例1
本實施實例為制備鋁合金半固態漿料，所應用的材料為工業用ZLlOlA鋁合金，其成分為(重量百分比)Si 6. 93%, Mg 0. 38%, Ti 0. 15%, Fe 0. 17%, Ni 0. 05%, Zn 0. 01%, Cu 0. 01%，Mn 0. 01%, Sn 0. 01%，其余為Al。ZLlOlA合金的液相線和固相線溫度分別為615°C 和 560 0C ο具體過程如下
1)將ZLlOlA鋁合金在坩堝電阻爐內熔化，待合金溫度達到720°C左右時，加入C2Cl6進行精煉(加入量為合金液總重量的0. 5%)，C2Cl6用鐘罩壓入鋁合金液底部并輕輕擺動，使鋁合金液徹底沸騰起來。待到鐘罩內不再有氣泡冒出，用撇渣勺清渣干凈。將合金液溫度降至630°C保溫。2)設定本發明裝置攪拌室溫度為590°C，開啟調速電機使攪拌螺旋桿轉速為 eOOrad/min，石墨柱塞處于關閉狀態，攪拌室軸線與水平線呈40°角，參數達到設定值后， 將上一步驟熔煉好的合金液通過進料口澆入到本發明裝置的攪拌室內，澆入合金量約為3 公斤，合金熔體將在攪拌室底部做強制對流運動，合金熔體溫度逐漸降低，初生晶粒形核長大，并在剪切應力場的作用下演變為球形，攪拌30s后，旋轉放料把手，合金熔體從出料口處流出，此時，合金熔體溫度處于半固態區間，其液相基體中均勻分布著一定比例的球狀初生固相，鋁合金半固態漿料制備完成。制備的ZLlOlA鋁合金半固態漿料顯微組織見圖4，可以看出，本發明裝置制備的半固態漿料初生固相大小一致，平均晶粒尺寸為40 μ m左右，形貌圓整且分布均勻。實例2
本實施實例為制備鎂合金半固態漿料，所應用的材料為工業用AZ91D合金，其成分為(重量百分比)Al 9. 45%, Zn :0· 66%, Mn :0· 20%, Si :0· 036%, Fe :0· 0009%, Cu :0· 0047%, Ni 0. 001%, Be :0· 0007%，其余為Mg。AZ91D合金的液相線和固相線溫度分別為595°C和470°C。具體過程如下
1)首先將AZ91D錠料放入到預熱溫度為400°C的坩堝電阻爐內，待合金液溫度達到 720°C后精煉，熔煉過程中，爐內鎂合金采用氬氣和覆蓋劑保護，清渣干凈后，將合金液溫度降至620°C保溫。2)設定本發明裝置攪拌室溫度為570°C，開啟調速電機使攪拌螺旋桿轉速為 500rad/min，石墨柱塞處于關閉狀態，攪拌室軸線與水平線呈50°角，參數達到設定值后， 將上一步驟熔煉好的合金液通過進料口澆入到本發明裝置的攪拌室內，澆入合金量約為2 公斤，合金熔體將在攪拌室底部做強制對流運動，合金熔體溫度逐漸降低，初生晶粒形核長大，并在剪切應力場的作用下演變為球形，攪拌60s后，旋轉放料把手，合金熔體從出料口處流出，此時，合金熔體溫度處于半固態區間，其液相基體中均勻分布著一定比例的球狀初生固相，鎂合金半固態漿料制備完成。

制備的AZ91D鎂合金半固態漿料金相顯微組織見圖5，可以看出，本發明裝置制備的半固態漿料初生固相大小一致，平均晶粒尺寸為46 μ m左右，形貌圓整且分布均勻。盡管這里已詳細列出并說明了優選實施實例，但是本領域技術人員可知，可在不脫離本發明精髓的情況下進行各種結構調整和控制參數搭配，這些內容都被認為處于權利要求所限定的本發明的范圍之內。
權利要求
1. 一種輕合金半固態漿料制備裝置，包括合金熔體攪拌室及支架(16)，所述合金熔體攪拌室安裝在支架(16)上，其特征在于所述合金熔體攪拌室內安裝有攪拌螺旋桿(7)，所述攪拌螺旋桿(7)通過軸承(15)固定于軸承座(11)上，其縱向軸線與攪拌室軸線平行。
2.根據權利要求1所述的一種輕合金半固態漿料制備裝置，其特征在于所述合金熔體攪拌室由不銹鋼外筒(5)、石墨內襯(6)和石墨柱塞(2)組成。
3.根據權利要求1所述的一種輕合金半固態漿料制備裝置，其特征在于所述合金熔體攪拌室的不銹鋼外筒(5 )外壁設置有加熱冷卻元件(4 )和保溫層(8 )，實現攪拌室溫度的精確控制。
4.根據權利要求1所述的一種輕合金半固態漿料制備裝置，其特征在于所述攪拌螺旋桿(7)內部設置有通孔，一放料芯桿(3)置于其中，還包括一放料手柄(14)，所述放料芯桿(3)在放料手柄(14)的帶動下提升或下壓石墨柱塞(2)，完成放料、復位等動作。
5.根據權利要求1所述的一種輕合金半固態漿料制備裝置，其特征在于所述設備包括有出料口(1)和進料口(9)，所述出料口(1)和進料口(9)都設置有柱塞。
6.根據權利要求1所述的一種輕合金半固態漿料制備裝置，其特征在于所述合金熔體攪拌室縱向軸線與水平線之間的傾斜角度α可通過支架(16)進行調整，調節范圍 30° 90°。
7.根據權利要求1所述的一種輕合金半固態漿料制備裝置，其特征在于所述攪拌螺旋桿(7)由調速電機通過傳動齒輪(12)帶動高速旋轉，轉速調節范圍是0 800 rad/min。
全文摘要
一種輕合金半固態漿料制備裝置，屬于半固態金屬加工技術領域。該裝置由出料口1、石墨柱塞2、放料芯桿3、加熱冷卻元件4、不銹鋼外筒5、石墨內襯6、攪拌螺旋桿7、保溫層8、進料口9、石墨隔熱環10、軸承座11、傳動齒輪12、壓簧調節手柄13、放料手柄14、軸承15、支架16等構成。本發明利用高速剪切變形原理，合金熔體在連續冷卻過程中受到攪拌螺旋桿的作用產生強制對流，初生固相在剪切應力場作用下得到破碎、球化或直接生長為球形，從而制備出半固態合金漿料。本發明的優點在于結構簡單緊湊，操作方便，易于清理，控制精度高，連續工作穩定、可靠，易于實現輕合金半固態漿料制備到流變成形的一體化工藝過程。
文檔編號C22C23/02GK102358922SQ20111033960
公開日2012年2月22日 申請日期2011年11月1日 優先權日2011年11月1日
發明者周冰, 康永林, 張軍, 張帆 申請人:北京科技大學