專利名稱：轉(zhuǎn)筒式半固態(tài)金屬漿料制備與成形設(shè)備的制作方法
本項(xiàng)發(fā)明提供了一種半固態(tài)金屬漿料制備與成形設(shè)備，主要應(yīng)用于半固態(tài)金屬漿料的制備及成形。
半固態(tài)加工成形技術(shù)是20世紀(jì)70年代初提出，經(jīng)過近30年的發(fā)展其廣闊的應(yīng)用前景正為人們所認(rèn)同。凡具有固液兩相區(qū)的合金均可實(shí)現(xiàn)半固態(tài)加工。該技術(shù)具有很多優(yōu)點(diǎn)，例如組織細(xì)而均勻凝固收縮量小，產(chǎn)品性能、質(zhì)量明顯提高，可實(shí)現(xiàn)近終形產(chǎn)品，極大地減少了機(jī)械加工量；與普通鑄造比，能耗低；同時(shí)，半固態(tài)成形凝固時(shí)間短，有利于提高生產(chǎn)率等。目前適用于半固態(tài)加工的金屬有鋁合金、鎂合金、鑄鐵和鋼等，其中鋁鎂合金已用于工業(yè)生產(chǎn)。但是，制約半固態(tài)金屬加工成形發(fā)展的因素是如何能進(jìn)一步細(xì)化其晶粒，提高組織性能，并由液態(tài)經(jīng)半固態(tài)直接成形。以往人們精力主要集中于利用電磁攪拌、機(jī)械攪拌等方式進(jìn)行晶粒的細(xì)化。即在金屬冷卻過程中強(qiáng)烈攪拌使已形成的枝晶破碎，同時(shí)也抑制樹枝晶的形成，來獲得非枝晶的卵形或近球狀結(jié)構(gòu)。多年來，國(guó)內(nèi)、外對(duì)半固態(tài)金屬成形進(jìn)行了大量的投入和研究。在理論和應(yīng)用上取得了顯著進(jìn)展。
近幾年的幾屆國(guó)際半固態(tài)學(xué)術(shù)會(huì)議和國(guó)外有關(guān)資料報(bào)道，英、美國(guó)、日本等國(guó)都在積極研制開發(fā)半固態(tài)制備與成形工藝及設(shè)備并用于生產(chǎn)。北京冶金工業(yè)出版社，1999出版的《半固態(tài)金屬加工技術(shù)及其應(yīng)用》一書介紹了觸變成形(Thixomolding)方法，是將固態(tài)鎂合金?；蛩樾妓腿雴温菪龎荷涑尚螜C(jī)，在加熱和剪切螺旋的作用下達(dá)到半熔化狀態(tài)形成半固態(tài)，金屬漿料通過噴嘴高速射入壓鑄模具內(nèi)壓鑄成形。進(jìn)入模腔的半固態(tài)合金坯料只有部分低熔點(diǎn)的基體部分被溶化，而初生相微粒并沒有熔化。在觸變成形過程中以及成形后，初生相微粒不會(huì)經(jīng)歷加熱后的凝固過程，即凝固過程僅僅只局限在初生相微粒之間5～30μm厚的一層被熔化的基體上。該工藝多一個(gè)將半固態(tài)合金坯料切碎工序。存在的缺點(diǎn)是1、進(jìn)料螺桿工況差，消耗高，壽命短；2半固態(tài)合金充型能力差；3所需設(shè)備復(fù)雜，成本高。雙螺旋半固態(tài)漿料制備成形機(jī)是英國(guó)Brunel大學(xué)的Dr Z.Fan等人發(fā)明的(UK Patent，Application No9922696.3，1999)，其原理是利用雙螺旋的旋轉(zhuǎn)使液態(tài)金屬產(chǎn)生劇烈的紊流，增加切變率來達(dá)到細(xì)化晶粒均勻成份的目的。雙螺旋的旋轉(zhuǎn)使其內(nèi)部金屬漿料產(chǎn)生“8”字形運(yùn)動(dòng)，并且使金屬漿料沿螺桿軸向向前運(yùn)動(dòng)，在螺紋的嚙合處及根部分別達(dá)到最大和最小的剪切變形。它適用制備低熔點(diǎn)半固態(tài)合金，并且在Sn-15wt％Pb和Mg-30wt％Zn合金的生產(chǎn)中取得一定成果。但雙螺旋結(jié)構(gòu)同樣存在螺桿工況差，消耗高，壽命短問題。
本發(fā)明的目的在于提供一種可獲得細(xì)而均勻的半固態(tài)金屬漿料制備成形設(shè)備。
本發(fā)明的構(gòu)成如下本發(fā)明由電機(jī)(1)，傘齒輪(2)，塞棒(3)，保溫器(4)，加熱管(5)、(6)，冷卻管(7)，內(nèi)桶(8)，外桶(9)，單向閥(10)，推桿(11)，半固態(tài)金屬漿料(12)，模具腔(13)，擠壓缸(14)構(gòu)成。在外桶(9)的外部設(shè)計(jì)有加熱管(6)和冷卻管(7)，以此來實(shí)現(xiàn)控制金屬漿料切變時(shí)的溫度。內(nèi)桶(8)和外桶(9)設(shè)計(jì)有α＝0～10度的斜度，半固態(tài)金屬漿料通過桶底部的單向閥(10)進(jìn)入擠壓缸(14)的漿料室。擠壓缸中的半固態(tài)金屬漿料通過推桿(11)的擠壓作用進(jìn)入模具腔(13)中進(jìn)行迅速加壓成形。
整體結(jié)構(gòu)呈垂直布置，保溫器固定于上部，通過澆注口將液態(tài)金屬注入內(nèi)外桶之間縫隙，間隙的大小可通過調(diào)節(jié)內(nèi)桶升降實(shí)現(xiàn)，內(nèi)桶固定于轉(zhuǎn)軸上，由電機(jī)通過傘齒輪帶動(dòng)，外桶外部裝有加熱管、冷卻管，便于金屬漿料溫度的調(diào)節(jié)。擠壓缸在整個(gè)裝置下部，通過單向閥(10)可將半固態(tài)金屬漿料引入擠壓缸的漿料室，形成半固態(tài)加工成品。
采用帶有斜度的內(nèi)外桶，外桶固定、內(nèi)桶通過電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)、外桶外部裝有加熱管、冷卻管以及下部帶有加熱和推擠裝置的漿料室構(gòu)成；在外桶內(nèi)壁和內(nèi)桶外壁上刻有角度β＝15～75度的溝槽，溝槽深度為內(nèi)桶外徑的0.001-0.05，內(nèi)桶的外徑為10-200厘米，內(nèi)外桶壁厚為內(nèi)桶外徑的0.01-0.5，高度為內(nèi)桶外徑的0.5-4倍，內(nèi)外桶的間隙為0-3厘米，液態(tài)金屬經(jīng)內(nèi)外桶之間的縫隙和溝槽向下流動(dòng)，當(dāng)內(nèi)桶旋轉(zhuǎn)時(shí)，內(nèi)外桶之間產(chǎn)生很大的切變率，從而造成其間的液態(tài)金屬的劇烈剪切變形，進(jìn)而形成細(xì)而均勻的半固態(tài)金屬漿料；內(nèi)桶可旋轉(zhuǎn)、升降，切變率的大小可通過調(diào)整轉(zhuǎn)速和升降內(nèi)桶調(diào)整縫隙控制。
實(shí)際生產(chǎn)中，在有保護(hù)性氣氛的保溫器(4)中，液態(tài)金屬由塞棒(3)控制其向下的流量。在外桶的外部設(shè)計(jì)有加熱管(6)和冷卻管(7)，以此來實(shí)現(xiàn)控制金屬漿料切變時(shí)的溫度。內(nèi)桶(8)和外桶(9)設(shè)計(jì)有α＝0～10度的斜度，這樣即可減緩液態(tài)金屬的下流速度又有可提高內(nèi)外桶的利用率。另外，可調(diào)節(jié)內(nèi)桶的轉(zhuǎn)速及升降來控制液態(tài)金屬下流的速度和切變率。經(jīng)過劇烈的剪切變形后，半固態(tài)金屬漿料通過桶底部的單向閥(10)進(jìn)入擠壓缸的漿料室?？紤]到溫降，在擠壓缸外部也設(shè)計(jì)有控制溫度的加熱管。擠壓缸中的半固態(tài)金屬漿料通過推桿(11)的擠壓作用進(jìn)入模具腔(13)中進(jìn)行迅速加壓成形。
本發(fā)明突破傳統(tǒng)細(xì)化晶粒理念，利用剪切變形原理，通過調(diào)整轉(zhuǎn)速和升降內(nèi)桶來調(diào)整內(nèi)外桶縫隙，使液體金屬在凝固過程中發(fā)生劇烈的剪切變形，最終可得到細(xì)而均勻的半固態(tài)金屬漿料。本裝置與國(guó)外制備半固態(tài)金屬漿料裝置形成切變的原理不一樣，同時(shí)也突破了國(guó)外觸變成形(Thixomolding)和雙螺旋半固態(tài)漿料制備成形機(jī)(the Twin-Screw Rheomoulder)的專利限制。實(shí)現(xiàn)了由液態(tài)金屬連續(xù)形成半固態(tài)漿料并直接成形?？朔髯兎ㄉa(chǎn)的半固態(tài)漿料的保存和輸送難度較大的限制。它的新穎設(shè)計(jì)在于利用傳統(tǒng)磨盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)形成的剪切變形原理，靠刻有溝槽的內(nèi)外桶的反向旋轉(zhuǎn)使液態(tài)金屬產(chǎn)生較大切變率，直接高效地使液態(tài)金屬在凝固過程中形成細(xì)而均勻的半固態(tài)金屬漿料，并同時(shí)將半固態(tài)金屬漿料壓入模具腔內(nèi)直接加壓成形。由于內(nèi)外桶設(shè)計(jì)有α＝0～10度斜度，所以提高了它的利用率，降低了消耗，提高了壽命。
本本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，可實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬連續(xù)形成半固態(tài)漿料并直接成形。金屬漿料在整個(gè)工藝過程中散熱少。并且便于控制，維護(hù)和使用，實(shí)用性極強(qiáng)。
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明

圖1是本發(fā)明裝置的一種示意圖。其中(1)為電機(jī)，(2)為傘齒輪，(3)為塞棒，(4)為保溫器，(5)、(6)均為加熱管，(7)為冷卻管，(8)為內(nèi)桶，(9)為外桶，在其外部設(shè)計(jì)有加熱管(6)和冷卻管(7)，以此來實(shí)現(xiàn)控制金屬漿料切變時(shí)的溫度。內(nèi)桶(8)和外桶(9)設(shè)計(jì)有α＝0～10度的斜度，半固態(tài)金屬漿料通過桶底部的單向閥(10)進(jìn)入擠壓缸(14)的漿料室。擠壓缸中的半固態(tài)金屬漿料通過推桿(11)的擠壓作用進(jìn)入模具腔(13)中進(jìn)行迅速加壓成形，擠壓速度為5～100ms。(12)為半固態(tài)金屬獎(jiǎng)料。
圖2為本發(fā)明外桶(9)的示意圖。
圖3為本發(fā)明內(nèi)桶(8)的示意圖。
圖4為本發(fā)明內(nèi)桶(8)A-A向剖視圖。
圖5為本發(fā)明內(nèi)桶(8)的溝槽示意圖。
權(quán)利要求
1一種半固態(tài)金屬漿料制備與成形設(shè)備，其特征在于由電機(jī)(1)，傘齒輪(2)，塞棒(3)，保溫器(4)，加熱管(5)、(6)，冷卻管(7)，內(nèi)桶(8)，外桶(9)，單向閥(10)，推桿(11)，半固態(tài)金屬漿料(12)，模具腔(13)，擠壓缸(14)構(gòu)成；在外桶(9)的外部設(shè)計(jì)有加熱管(6)和冷卻管(7)，以此來實(shí)現(xiàn)控制金屬漿料切變時(shí)的溫度；內(nèi)桶(8)和外桶(9)設(shè)計(jì)有α＝0～10度的斜度，半固態(tài)金屬漿料通過桶底部的單向閥(10)進(jìn)入擠壓缸(14)的漿料室；擠壓缸中的半固態(tài)金屬漿料通過推桿(11)的擠壓作用進(jìn)入模具腔(13)中進(jìn)行加壓成形，擠壓速度為5～100ms；整體結(jié)構(gòu)呈垂直布置，保溫器固定于上部，通過澆注口將液態(tài)金屬注入內(nèi)外桶之間縫隙，間隙的大小可通過調(diào)節(jié)內(nèi)桶升降實(shí)現(xiàn)，內(nèi)桶固定于轉(zhuǎn)軸上，由電機(jī)通過傘齒輪帶動(dòng)，外桶外部裝有加熱管、冷卻管，便于金屬漿料溫度的調(diào)節(jié)；擠壓缸在整個(gè)裝置下部，通過單向閥(10)可將半固態(tài)金屬漿料引入擠壓缸的漿料室，形成半固態(tài)加工成品。
2如權(quán)利要求1所述的半固態(tài)金屬漿料制備與成形設(shè)備，其特征在于，在外桶內(nèi)壁和內(nèi)桶外壁上刻有角度β＝15～75度的溝槽，溝槽深度為內(nèi)桶外徑的0.001-0.05倍，內(nèi)桶的外徑為10-200厘米，內(nèi)外桶壁厚為內(nèi)桶外徑的0.01-0.5倍，高度為內(nèi)桶外徑的0.5-4倍，內(nèi)外桶的間隙為0-3厘米，液態(tài)金屬經(jīng)內(nèi)外桶之間的縫隙和溝槽向下流動(dòng)，當(dāng)內(nèi)桶旋轉(zhuǎn)時(shí)，內(nèi)外桶之間產(chǎn)生很大的切變率，從而造成其間的液態(tài)金屬的劇烈剪切變形，進(jìn)而形成細(xì)而均勻的半固態(tài)金屬漿料。
3如權(quán)利1或2所述的半固態(tài)金屬漿料制備與成形裝置，特征在于，內(nèi)桶可旋轉(zhuǎn)、升降，切變率的大小可通過調(diào)整轉(zhuǎn)速和升降內(nèi)桶調(diào)整縫隙控制。
全文摘要
本發(fā)明是一種嶄新的半固態(tài)金屬漿料制備與成形設(shè)備,由電機(jī)、傘齒輪、塞棒、保溫器、加熱管、冷卻管、內(nèi)外桶、模具腔、擠壓缸等構(gòu)成;在內(nèi)外桶設(shè)計(jì)有α=0～10度的斜度,半固態(tài)金屬漿料通過桶底部的單向閥進(jìn)入擠壓缸的漿料室;擠壓缸中的半固態(tài)金屬漿料通過推桿的擠壓作用進(jìn)入模具腔中進(jìn)行迅速加壓成形,擠壓速度為5～100ms。其優(yōu)點(diǎn)在于:裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊,可實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬連續(xù)形成半固態(tài)漿料并直接成形。金屬漿料在整個(gè)工藝過程中散熱少。
文檔編號(hào)B22D27/08GK1373020SQ0110907
公開日2002年10月9日 申請(qǐng)日期2001年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2001年2月28日
發(fā)明者康永林, 安林, 孫建林 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)