專利名稱：生產半固態(tài)金屬漿液以及成形部件的方法與設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用液態(tài)合金制成成形部件的設備與方法。尤其是，本發(fā)明涉及把液態(tài)合金轉變成半固態(tài)漿液(slurry)，接著所述半固態(tài)漿液注入模腔以生產成形部件的方法和設備。該設備與方法適合于輕合金，如鋁合金，鎂合金，鋅合金以及其他適于半固態(tài)加工的合金。
用于制造金屬部件的傳統方法之一是模鑄法。在傳統的模鑄工藝中，液態(tài)金屬通常被高速壓入模腔，以至于金屬流變成紊流或甚至霧化。結果，經常有空氣被封入模腔內，致使最終產品的氣孔度高，如果經過機加工之后孔洞出現在表面上，就會降低部件的強度并可能導致部件報廢。加之，氣孔度高的部件是不合格的，因為通常不能進行熱處理，這就限制了它們的潛在應用。
從直覺上講，與塑料的注模有些相似，如果能夠增加金屬流的粘度以顯著地降低雷諾數，以至于把封入的空氣降至最低，則由于紊流或霧化流造成的氣孔就能減少甚至消除。然而，直到二十世紀七十年代初，當Metz和Flemings提出半固態(tài)材料(SSM)加工工藝時，人們才清楚如何做到這一點。他們提出，如果金屬的固化在半液態(tài)的狀態(tài)下進行，鑄件的氣孔度就能顯著減少。Spencer等人的研究表明，當熔化的金屬在低于其液化溫度的情況下進行冷卻期間被攪拌時，枝晶狀的原始固體就會被粉碎成在液態(tài)金屬基質中懸浮的接近球狀的微粒。通過模鑄工藝，利用具有固體細粒的這種半固態(tài)漿液按指數規(guī)律增大的粘度就能夠生產出沒有瑕疵的鑄件。SSM工藝通過把半固態(tài)金屬而不是全固態(tài)金屬注入用于部件生產的模腔的方式使模鑄方法得以改進。與常規(guī)的模鑄方法相比。SSM工藝具有下列優(yōu)點(1)在整個生產過程中成本效益最好；(2)接近網狀加工工藝；(3)機械性能穩(wěn)定，完善；(4)能夠加工復雜的部件形狀；(5)通過合金替代以及充分利用材料使重量降低；(6)生產率高；(7)延長了模具壽命；(8)環(huán)境成本低。改進的微觀結構特征提高了機械性能，如晶粒粒度精細，非枝晶狀表面波度以及顯著降低的氣孔度水平。
雖然SSM工藝看起來是有前途的，但其重要問題仍然存在，諸如，這種漿液如何生產以及如何使部件有效而可靠地成形。自從二十世紀七十年代初以來，已經開發(fā)了一些取代原來的MIT流鑄工藝的供選方法。目前使用的最流行的工藝之一是搖溶成形(thixoforming)，其中在成形工序之前要把經過預處理的非枝晶狀結構的合金小錠再次加熱而成為半固體狀態(tài)。因此，這是一個分為兩個階段的工藝。經過預處理的非枝晶狀結構的原材料以及再加熱工序的高成本是該方法全部潛力發(fā)揮的最大障礙。另外，塑料鑄模技術最近已被引入SSM加工領域。一項工藝技術是用于鎂合金的“搖溶模鑄”(“thixomoulding”)，是由Douchenicals開發(fā)的，目前由Thixomat銷售；另一項工藝是康奈爾(Cornell)大學(美國)開發(fā)的。然而，其半固態(tài)漿液與最終部件的質量總的來說均是不令人滿意的。
近20年來，生產半固態(tài)漿液最常用的方法是機械攪拌。遺憾的是，由于存在與攪拌設備相關的腐蝕問題，攪拌與連續(xù)鑄造工序同步的問題，以及精細微粒的獲得率不高，大部分機械攪拌方法未在工業(yè)上獲得普及。
許多文獻公開了搖溶模鑄工藝，在該工藝中，首先對固態(tài)或半固態(tài)的加工原料進行處理(例如，在切斷加工原料的同時對其進行加熱使之液化)，然后將其注入模具以制成部件。這些文獻的例子包括EP0867246A1(Mazda motor Corporation)；WO19009251(Dow ChemicalCompany)；US5 711 366(Thixomat，Inc)；US5 685 357(The Japan SteelWorks Company)；US4 694 882(Dow Chemical Company)；以及CA2 164759(Inventronics Limited)。
然而，對固體顆粒進行加熱以將其轉化成搖溶狀態(tài)(搖溶模鑄)，而不是把液態(tài)金屬冷卻成搖溶狀態(tài)(流變模鑄)，其不足之處在于非常難以控制在搖溶漿液的基體中微粒的大小以及微粒大小的分布。尤其是，搖溶模鑄漿液中微粒大小的數量級往往會大于流變模鑄漿液中微粒大小，并且大小的分布更為廣泛。這對于鑄件的結構性能有著負面的影響。
而且，上面提到的文獻系用標準的單螺桿擠壓機對搖溶模鑄漿液進行切變處理。這會導致部件的質量低下。
許多文獻公開了流變模鑄工藝。例如，WO97/21509(Thixomat，Inc。)涉及形成金屬制品的工藝，在該工藝中合金被加熱至其液化溫度以上，然后當其冷卻至兩個全相的平衡狀態(tài)時用一個單螺桿擠壓機對液態(tài)金屬進行切變處理。
US4 694 881(Dow Chemical Company)涉及一種工藝，其中把具有非搖溶型結構的固態(tài)原材料輸入單螺桿擠壓機。將該材料加熱至其液化溫度以上，然后，當其冷卻至低于其液化溫度但遠高于其凝固溫度時，對其進行切變操作。
WO 95/34393(Comell Research Foundation，Inc。)也公開了一種流變模鑄工藝，其中過度加熱的液態(tài)金屬在一個單螺桿擠壓機的筒腔內冷卻至半固體狀態(tài)，并在注入模具進行鑄造之前，在冷卻的同時，在筒腔內進行切變處理。
在搖溶模鑄或流變模鑄參考文獻中還沒有一份說明書對能夠鑄造出具有足夠高的結構完善性的部件的工藝進行描述。
本發(fā)明的首要目的是提供一種設備與方法，其利用綜合的單工序的工藝，通過把液態(tài)合金轉變成搖溶狀態(tài)并接著把搖溶合金注入模腔來生產高度完善的部件。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種設備與方法，其尤其適合于生產在液態(tài)或半固態(tài)狀態(tài)下具有高銹蝕性與腐蝕性的半固態(tài)合金。
本發(fā)明的再一個目的是提供一種改進的模鑄系統，其適合于利用半固態(tài)漿液來生產高度完善的部件。
在本發(fā)明的第一個方面，提供了利用液態(tài)合金制造成形部件的方法，其包括以下步驟把合金冷卻至其液化溫度以下，同時以足夠高的切變率與紊流度施加切變以將合金轉變成搖溶狀態(tài)，接著將該合金輸入模具以制造成形部件，其中對合金施加的切變處理是通過具有至少兩個螺桿的擠壓機進行的，所述兩個螺桿至少部分地相互嚙合。
在本發(fā)明的第二個方面，提供了一種利用液態(tài)合金制成半固態(tài)漿液的方法，其包括以下步驟將合金冷卻至其液化溫度以下，同時以足夠高的切變率與紊流度施加切變以將合金轉變成搖溶狀態(tài)，其中對合金施加的切變處理是通過至少具有兩個螺桿的擠壓機進行的，所述兩個螺桿至少部分地相互嚙合。
本發(fā)明要實現的是通過利用至少兩個螺桿來對合金施加切變以制成質量非常高的成形部件，這兩個螺桿至少部分地相互嚙合。
優(yōu)選的是，擠壓機是雙螺桿的，其中雙螺桿實際上是完全相互嚙合的。
單螺桿擠壓機的使用在技術上是眾所周知的，但是雙螺桿擠壓機在工藝中的應用，比如說在本工藝中的應用，則被認為是新穎的。每個螺桿通常均有與擠壓機筒腔對齊的軸，及沿著該軸設置的一系列螺紋片或葉片。這些螺紋片或葉片可以沿著該軸以盤旋或螺旋的方式連接起來，以形成一條連續(xù)的螺線。其形式可以根據所需要的效果而加以變更。
至少兩個螺桿應該是至少部分嚙合的。這就意味著相對于合金通過擠壓機運動的縱軸，一個螺桿上的螺紋片或葉片與另一個螺桿上的螺紋片或葉片至少是部分交錯的。因而，在優(yōu)選實施例中，每個均有沿著螺桿轉軸的連續(xù)盤旋的葉片的這兩個螺桿這樣設置，即沿著兩個轉軸的縱軸的“視線方向”，葉片相互重疊，并且，兩個轉軸與擠壓機筒體的縱軸方向一致。
本發(fā)明的第三個方面，提供了利用液態(tài)金屬合金制造成形部件的設備，其包括溫控擠壓機，該擠壓機能對液態(tài)金屬合金提供充分的切變處理與紊流強度以將其轉變?yōu)閾u溶狀態(tài)；與擠壓機液體相通的噴射部件；及與噴射部件液體相通的模具，其中擠壓機至少具有兩個螺桿，所述兩個螺桿至少是部分嚙合的。
本發(fā)明的第四個方面，提供了一種經過改進的壓模鑄造系統，其適于利用半固態(tài)漿液生產高度完善的部件，包括溫控擠壓機，該擠壓機能夠施加與擠壓機液體相同的充分切變處理和紊流強度，及與噴射部件液體相通的模具。
在本發(fā)明的工藝中，融化合金，將合金轉變成搖溶狀態(tài)，以及將搖溶合金注入模腔的工序最好利用在物理上獨立的功能單元來進行。本發(fā)明設備最好包括液態(tài)金屬給料器，高切變的雙螺桿擠壓機，噴射部件和中央控制系統。流變工藝從把液態(tài)金屬由融爐送至雙螺桿擠壓機開始。在精確的溫度控制下，在擠壓機的第一部分，在由雙螺桿進行機械切變處理的同時，液態(tài)金屬迅速冷卻至SSM加工溫度，液態(tài)合金轉變成具有預定固體分數的半固態(tài)漿液。接著，通過噴射部件把漿液高速注入模腔。最后從模具中取出充分固化的部件。所有這些工序在一個連續(xù)的周期內進行并由中央控制系統進行控制。
所述方法能夠提供具有精細并且均勻的微粒以及具有大值域的固體分數的半固態(tài)漿液(5％至95％，優(yōu)選為15％至95％)。所述設備與方法還可以提供孔度接近于零的網狀金屬部件。所述方法最好包括以下步驟(a)提供所述液態(tài)合金，并通過給料器把所述液態(tài)合金注入溫控擠壓機；(b)通過由擠壓機提供的高切變率將所述液態(tài)合金轉變?yōu)閾u溶狀態(tài)，所述擠壓機至少具有兩個至少部分嚙合的螺桿；(c)通過打開擠壓機一端的控制閥，把所述搖溶合金從擠壓機送入噴射套筒；(d)通過以足夠的速度推進活塞把所述搖溶態(tài)漿液從噴管注入模腔。
通常，給料器用于把具有所需溫度的液態(tài)合金送入擠壓機。給料器也可以是融爐或鋼水包和連接管。給料器可通過連接管中的閥門，或者是正壓或負壓控制器來控制。
通常，由桶體，至少部分嚙合的一對螺桿，以及驅動系統構成的雙螺桿擠壓機用于通過通常位于擠壓機一端的入口來接收液態(tài)合金。一旦處于擠壓機內的通道中，液態(tài)合金或者被冷卻，或者是維持預定的溫度。在這兩種情況下，加工溫度都高于材料的固化溫度并低于其液化溫度，這樣，在擠壓機中該合金即處于半固體狀態(tài)。
加工溫度，正如依據合金的液化與固化溫度所陳述的那樣，對于不同的合金而言，是不同的。對于業(yè)內人士而言，合適的溫度是不言自明的。例如，對于Al-7wt％Si-0.5％Mg(即具有7wt％的硅與0.5wt％w/w的鎂的鋁)合金而言，該合金應在650℃至750℃的溫度范圍內注入擠壓機并在560℃至610℃的溫度范圍內在擠壓機中進行加工。
在擠壓機中，該合金被施以切變處理。切變率要足以防止在半固態(tài)狀態(tài)中枝晶狀固態(tài)微粒的徹底形成。切變作用通過位于桶體中的一對一起旋轉的螺桿引發(fā)并且由于在螺桿體上形成的盤旋螺紋而進一步得以加強。在桶體與螺紋之間的以及兩個螺桿螺紋之間的環(huán)狀空間中，形成強化的切變作用。
雙螺桿擠壓機中液態(tài)合金或半固態(tài)合金漿液的液流以圍繞螺桿外表面的“8”字形運動為特征，這種運動從一個螺距至下一個螺距，形成一個“8”字形螺旋，并沿著螺桿的軸向推進液流。這叫做正位移泵效應。在這一連續(xù)的流體場中，在材料從一個螺桿到另一個螺桿的傳遞期間，流體相對于流線經歷周期性的旋壓，疊折與重新定向。同時，在緊密嚙合的雙螺桿擠壓機中，液流沿軸向呈環(huán)流模式，這能夠為低粘度液態(tài)金屬和/或半固態(tài)金屬建立高強度的紊流。此外，由于螺桿與桶體間空隙的連續(xù)變化，擠壓機中的流體被施以周期性變化的切變率，這樣，就使擠壓機中的材料受到切變率周期性變化的切變處理。因此，在緊密嚙合的，自擦凈式的，并且一起旋轉的雙螺桿擠壓機中，液流具有高切變率，高紊流強度，以及切變率周期性變化的特征。
與在單螺桿擠壓機中輸送的粘稠阻滯型材料不同，比如說在現有工藝中采用的材料，緊密嚙合的雙螺桿擠壓機中的傳輸特性在很大程度上屬于正向位移型傳輸，或多或少地與材料的粘性無關。雙螺桿擠壓機中材料的速度分布圖相當復雜而且更難以描述?；旧嫌兴慕M力。第一組涉及慣性力與離心力的范圍；第二組與重力的大小有關，第三組包括內摩擦力的大小，而第四組涉及所加工材料的彈性形變與塑性形變的大小。在兩個螺桿之間以及螺桿與桶體之間的流變加工期間作用在液態(tài)或半固態(tài)合金上的主要力是壓力，拉力，切變力與彈力。
已經發(fā)現，用雙螺桿擠壓機可以實現，5000-10000S-1的切變率，使加工效果得到極大改善。但是，如果紊流強度足夠高，這些得以改善的效果恐怕通過400S-1的切變率就可以實現。
雙螺桿擠壓機內部環(huán)境的特點是高磨損，高溫，以及多元應力。高磨損是桶體與螺桿之間以及螺桿與螺桿之間的緊密配合造成的。因此，適于制作桶體，螺桿以及其他部件的材料必須對磨損，高溫蠕變與熱疲勞具有良好的耐受性。擠壓機的內部環(huán)境還是高銹蝕性與高腐蝕性的。這是由液態(tài)或半固態(tài)金屬，例如能夠對大部分金屬材料產生溶解和/或腐蝕作用的鋁的高活化性引起的。經過強度試驗與測算，本發(fā)明已開發(fā)出一個新穎的機器結構，能夠把高銹蝕與高腐蝕性材料，如鋁鎂合金，銅鋅合金，轉變?yōu)榱己玫奈g變狀態(tài)，而不會對機器本身造成明顯的損害。
雙螺桿擠壓機的桶體是用抗蠕變的第一種材料作外層制成，該第一種材料以一種耐銹性與耐腐蝕性的第二種材料作為內層。外層材料最好是H11，H13或H21鋼材，而內層材料最好是硅鋁氧氮聚合材料(sialon)。內層與外層的結合或者是通過收縮配合，或者是在這兩層間加上緩沖層來實現。該擠壓機的桶體也可以用單層硅鋁氧氮聚合材料制作，這對于小型機器而言更為方便。
雙螺桿置于擠壓機的通道內。螺桿的轉動對融化的合金施以高切變并經由擠壓機的桶體傳輸材料。螺桿由以機械或物理方法結合在一起的硅鋁氧氮聚合材料部件制成，以獲得對蠕動，磨損，熱疲勞，銹蝕以及腐蝕最大的耐受性能。擠壓機的附件，包括出口管，出口閥體與閥芯，它們也是用硅鋁氧氮聚合材料制成的。雙螺桿擠壓機或者用電動機驅動，或者通過齒輪箱用液壓馬達驅動，以保持所要求的轉速。
噴射套筒可以與擠壓機的一端緊密連接，或者單獨設置于噴射部件中，以從擠壓機接收半固態(tài)漿液。噴射套筒中的半固態(tài)漿液可以通過推動液壓缸的活塞的方法以高速注入模腔。
下面參照附圖對本發(fā)明的一些優(yōu)選實施例進行詳細描述，其中

圖1是根據本發(fā)明原理用于把液態(tài)合金轉變?yōu)閾u溶漿液并生產高度完善的部件的一個實施例的示意圖；圖2是根據本發(fā)明基本原理的雙螺桿桶體的橫截面示意圖；圖3是根據本發(fā)明基本原理制作的螺桿的剖面圖；圖4是雙螺桿擠壓機中的半固態(tài)漿液的液流的剖面示意圖；圖5是雙螺桿擠壓機中的半固態(tài)漿液的軸向液流的示意圖；圖6示出了不同體積分數的流變鑄造的鎂-30wt％鋅合金的微觀結構；圖7是根據本發(fā)明制造的流變鑄件的照片。
在下面對優(yōu)選實施例的描述中，用鋁(Al)合金坯料通過雙螺桿流變鑄模機生產壓模鑄件。本發(fā)明并不僅限于鋁合金，而是對任何其他類型的適于半固態(tài)金屬加工的合金，例如鎂合金，鋅合金，均是同等適用的。而且，在對優(yōu)選實施例的描述中提及的具體溫度與溫度范圍只適用于鋁合金，但是，對于該領域的技術人員而言，可根據本發(fā)明的基本原理容易地作出改動，以適合其他合金的要求。
圖1示出了根據本發(fā)明優(yōu)選實施的雙螺桿流變模鑄系統10。該系統10有四個部分給料器20，雙螺桿擠壓機30，噴射部件40以及模具夾持部件50。液態(tài)合金被送至給料器20。給料器20設置有柱塞21，管筒22和圍繞熔爐24的外柱面設置的一系列加熱元件23。加熱元件23可以是任何傳統類型的，其運行用以使給料器20維持在足夠高的溫度，以使通過給料器20提供的合金保持液態(tài)。對于鋁合金而言，該溫度應為600℃以上。接著，當柱塞21根據選擇而被提升時，液態(tài)合金通過重力被送至螺桿擠壓機30。
擠壓機30具有沿著其長度方向散布的多個加熱元件31，33以及冷卻元件32，34。配設的加熱元件31，33以及冷卻管道32，34分別形成一系列加熱與冷卻區(qū)域。加熱與冷卻區(qū)域使擠壓機維持于所要的溫度，以便進行半固態(tài)加工。對于為鋁合金設計的流變模鑄系統10而言，加熱元件33與冷卻管道34能使擠壓機的頂部的溫度維持于585℃左右；而加熱元件31與冷卻管道32能使擠壓機底部的溫度維持于590℃左右。加熱與冷卻區(qū)還使在半固態(tài)加工期間沿著擠壓機的軸線維持復雜的溫度分布成為可能，這對于實現某種微觀結構的效果而言可以說是必要的。每個單獨區(qū)的溫度控制是通過平衡由中央控制系統輸入的加熱與冷卻能量而實現的。加熱方法可以是電阻加熱，感應加熱或任何其他方式的加熱。冷卻媒質根據加工要求可以是水，氣或霧。雖然圖1中只示出了兩個加熱/冷卻區(qū)，但是，擠壓機30可以配備1個至10個可獨立控制的加熱/冷卻區(qū)。
擠壓機30還有一個物理斜度或者說傾角。傾角通常是與噴射方向或0至90的角，最好是20至90度的角。傾角的設計目的在于加速半固態(tài)合金從擠壓機30向噴射套筒42的輸送。
擠壓機30還設置有由電動機或液壓馬達25通過齒輪箱26進行驅動的雙螺桿36。雙螺桿36的設計目的在于提供實現精細而均勻分布的固體微粒所需要的高切變率。當然可以使用不同類型的螺桿形狀。此外，能夠提供高切變率混合以及正位移泵效應的任何設備均可用來替換雙螺桿。
搖溶合金通過閥門39退出擠壓機30而進入噴射部件40。閥門39根據來自中央控制系統的信號運行。閥門39的有選擇的開啟應與加工的要求匹配。由置于噴射套筒42中的活塞41進行，通過孔眼44把搖溶合金射入模腔51?；钊?1的位置與速度可調，以適應不同的加工，材料，以及最終部件的要求。通常，噴射速度應足夠高，以便為徹底充滿模而提供足夠的流質，但是不能太高，以免造成空氣夾帶。
如圖1所示，沿噴射套筒42的長度方向還設置了加熱元件43。在用于加工鋁合金的流度模鑄系統的優(yōu)選實施例中，噴射套筒最好保持在接近于擠壓機溫度的溫度，以使合金保持在它的預定半固體狀態(tài)。
模具緊固件50用于形成模腔51。因此，它最好由兩個半壓模52，夾緊件53，運行系統54，以及使壓模處于所要求溫度加熱元件55組成。
圖2是在該優(yōu)選實施例中使用的桶體的橫截面示意圖，其由外部鋼殼37和硅鋁氧氮聚合材料襯板38組成。硅鋁氧氮聚合材料襯板38可利用不同的熱脹系數在熱膨脹期間收縮裝配到外殼37中，把硅鋁氧氮聚合材料冷襯板38收縮配合到被加熱的鋼殼中的溫度選擇依據桶體與其襯板間的緊密貼合能夠以該加工溫度來實現以保證導熱效率。這里選擇硅鋁氧氮聚合材料作為桶體襯板以便提供對磨損，銹蝕與腐蝕的良好耐受性，同時保持在加工溫度下必要的強度與韌性。對于小型桶體，可以使用整體硅鋁氧氮聚合材料結構。
圖3是根據本發(fā)明原理制造的螺桿的剖面圖。用于流變模鑄系統的螺桿36可以作為具有合適形狀的硅鋁氧氮聚合材料螺桿部分的機械部件來生產。具有具有所需形狀的組件46，48安裝在一起，然后安裝到轉軸47上并具有所需的對準。最好使用較小公差的緊固件。對于小型螺桿，可以使用整體性的硅鋁氧氮聚合材料螺桿。
圖4與圖5分別示出了根據本發(fā)明雙螺桿擠壓機中的沿剖面與軸向液流。
圖6示出了利用所述設備生產的一種半固態(tài)合金鎂-30wt％鋅的微觀結構。特別是，該照片示出了具有40％固體分數的合金的微觀結構，這進一步證明本發(fā)明流變模鑄工藝能夠生產出具有精細的并且均勻分布的微粒的半固體。
圖7示出了通過所述設備，用鎂-30wt％鋅合金生產的一個鑄件。測試進一步證實，所生產的鑄件具有比常規(guī)鑄件更低的氣孔率。
該實施例還可以包括固定于給料器20上的設備，當給料器20被定位于擠壓機下方時，向液態(tài)合金提供壓力，以便從進料器20向擠壓機30提供液態(tài)合金。這種壓力應予以精確控制，以確保數量恰當的液態(tài)合金從給料器20流至擠壓機30。
該實施例還可以包括連接于給料器20，擠壓機30，噴射部件40以及模具緊固件50上的設備，用以提供保護氣體，以便將氧化作用降至最低程度。這種氣體可以是氬氣，氮氣或其任何其他適合的氣體。
通常，流變模鑄系統具有控制設備以對全部功能進行控制，該控制設備最好是可編程設備，以便能夠容易獲得在半固態(tài)合金中所要求的固體容積。例如，該控制系統(在圖1中未示出)可以包括一個微處理器，能夠容易而迅速地重新編程，以便對加工參數進行修改。范例工業(yè)純度大于99％的純度與純鋅在熔爐中進行熔化用于鑄造鎂-30wt％鋅合金。該熔融液以比預定溫度過熱20℃的溫度被保存于石墨坩堝中。接著，該熔融液以410℃被送入擠壓機，并以1000s-1的切變率施以20秒的切變處理以便將其轉變?yōu)榘牍虘B(tài)漿液。接著，通過打開擠壓機一端的閥門把該固態(tài)漿液送入噴射部件，然后向前推進活塞把該半固態(tài)漿液注入溫控壓模。將其完全冷卻后，從壓模中取出鑄件(圖7)。該范例摘自用于鑄造以及用于研磨與拋光的標準的全相技術。利用光學顯微鏡進行了微觀結構觀察，結果示于圖6，其中的微粒是在擠壓機中進行固化與切變處理的原始全相。
在上面對本發(fā)明的具體實施例進行圖解與描述的同時，可以清楚地看出，在所附權利要求的范圍內，本發(fā)明可以采用不同的形式與實施例。
權利要求
1.一種用于由液態(tài)金屬合金制造成形部件的方法，其包括步驟將合金冷卻至其液化溫度之下，同時以足夠高的切變率與紊流度對所述合金施加切變處理以將其轉變?yōu)閾u溶狀態(tài)，及接著將合金送入模具內以制造成形部件，其中所述切變處理是通過至少具有兩個螺桿的擠壓機施加的，所述兩個螺桿至少是部分嚙合的。
2.如權利要求1中所要求的方法，其中所述螺桿實質上是完全嚙合的。
3.如權利要求1或2中所述的方法，其中所述合金以高于其液化溫度的溫度送入擠壓機。
4.如前面任何一項權利要求所述的方法，其中在被送入模具之前，所述合金被送入噴射部件，該部件將所述合金注入模具。
5.如前面任何一項權利要求所述的方法，其中在所述合金被施以切變處理時，其溫度維持在合金的液化與固化溫度之間，從而所述合金處于半固態(tài)。
6.如權利要求5所述的方法，其中在所述合金處于擠壓機中時，其固體體積部分為5％至95％。
7.一種用于由金屬合金制造成形部件的設備，其包括溫控擠壓機，該擠壓機能夠向液態(tài)金屬合金施加充分的切變處理與紊流強度以將其轉變?yōu)閾u溶狀態(tài)，與擠壓機液體相通的噴射部件，以及與噴射部件液體相通的模具，其中擠壓機至少具有兩個至少部分嚙合的螺桿。
8.如權利要求7所述的設備，其還包括用于把液態(tài)金屬合金送入擠壓機的給料器。
9.如權利要求8所述的設備，其中所述給料器具有在高于其液化溫度的溫度容納并維持合金的裝置。
10.如權利要求7至9中任一項所述的設備，其中所述擠壓機具有桶體和一對螺桿，所述筒體的內表面與所述螺桿的外表面能夠耐受液態(tài)合金的銹蝕與腐蝕，所述每個螺桿都包括在上面至少具有一個葉片的轉軸，所述葉片圍繞著所述轉軸至少部分地限定了一條螺旋線，用以推進合金通過所述桶體。
11.如權利要求7至10中任一項所述的設備，其具有電動機或液壓馬達，用于轉動所述螺桿，及在所述合金處于半固態(tài)時，以足以防止其中枝晶狀結構完全形成的切變率與紊流強度對所述合金進行切變處理，所述螺桿通過所述電動機或液壓馬達的轉動還使所述合金從所述桶體的一端向另一端輸送。
12.如權利要求7至11中任一項所述的設備，其包括用于把熱量送至所述筒體，所述螺桿以及所述合金的溫控裝置，從而所述合金處于半固體狀態(tài)并且其溫度處于合金的液化與固化溫度之間。
13.如權利要求7至12中任一項所述的設備，其包括擠壓機與噴射部件之間的控制閥，該控制閥用于將所述合金從擠壓機排放到缸體一活塞部件內的噴射套筒內。
14.如在權利要求7至13中任一項所述的設備，其中擠壓機筒體具有通過收縮配合的方式與所述筒體外層機械結合的內層。
15.如在權利要求7至14中任一項所述的設備，其中所述擠壓機筒體是用硅鋁氧氮聚合陶瓷制成的整體部件。
16.如在權利要求7至15中任一項所述的設備，其中與半固態(tài)合金接觸的所有設備表面和內層均是用硅鋁氧氮聚合陶瓷制成的。
17.如在權利要求7至16中任一項所述的設備，其中所述筒體的外層是H11，H13或H21工具鋼。
18.如在權利要求7至17中任一項所述的設備，其中所述螺桿是通過收縮配合機械結合的硅鋁氧氮聚合材料螺桿部件。
19.如在權利要求7至18中任一項所述的設備，其中所述螺桿是硅鋁氧氮聚合陶瓷整體結構。
20.一種用液態(tài)金屬合金制成半固態(tài)漿液的方法，其包括以下步驟在低于其液化溫度的情況下對合金進行冷卻，同時以足夠高的切變率與紊流強度對合金進行切變處理，以便將合金轉變?yōu)樗膿u溶狀態(tài)，其中所述切變是通過具有至少兩個螺桿的擠壓機施加的，所述兩個螺桿至少是部分嚙合的。
全文摘要
一種將液態(tài)合金轉變?yōu)槠鋼u溶狀態(tài)，接著將搖溶合金注入壓模模腔(51)以生產高度完善的部件的方法與設備。所述設備包括液態(tài)金屬給料器(20)，高切變雙螺桿擠壓機(30)，噴射部件(40)和中央控制系統。所述設備與方法能夠提供網狀部件，該網狀部件的特征在于孔度接近于零，在共晶矩陣中具有均勻分布的精細且各向等大的微粒，以及大范圍的固體體積分數。
文檔編號C22C1/00GK1399585SQ00816228
公開日2003年2月26日 申請日期2000年9月15日 優(yōu)先權日1999年9月24日
發(fā)明者范仲云, 米切爾·約翰·貝維斯, 季守循 申請人:布魯內爾大學