一種旋轉(zhuǎn)垂直直管通道制備半固態(tài)金屬的裝置及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半固態(tài)金屬成形技術(shù)領(lǐng)域，特別提供了一種旋轉(zhuǎn)垂直直管通道制備半固態(tài)金屬的裝置及其方法。
【背景技術(shù)】
[0002]中國(guó)專利 ZL200410009296.X、ZL200410009295.5 和文獻(xiàn)“Influence ofprocessparameters on microstructure of semisolid A356 alloy slug cast throughvertical pipe (YANG Xiao-rong, MAO ffe1-min, PEI Sheng.Trans Nonferrous Met SocChina, 2008, 18(1):99-103) ”提出了半固態(tài)金屬的垂直直管通道澆注制備技術(shù)。在垂直直管通道澆注制備技術(shù)中，首先將金屬液的溫度控制在預(yù)定的澆注過(guò)熱度，然后將金屬液澆注到一個(gè)垂直直管通道中，金屬液順序向下流過(guò)垂直直管通道；在金屬液流經(jīng)垂直直管通道時(shí)，垂直直管通道不斷傳熱，引起接觸通道內(nèi)壁的金屬液層的過(guò)冷，因而該過(guò)冷金屬液會(huì)沿著垂直直管通道內(nèi)壁發(fā)生初生晶粒的形核和長(zhǎng)大；在這些初生晶粒形核和長(zhǎng)大的過(guò)程中，初生晶粒根部產(chǎn)生溶質(zhì)富集，同時(shí)初生晶粒又承受金屬液的連續(xù)沖刷，部分初生晶粒會(huì)不斷發(fā)生游離而離開(kāi)垂直直管通道內(nèi)壁并進(jìn)入金屬熔體中；由于金屬熔體不斷向垂直直管通道內(nèi)壁散熱和流動(dòng)熔體的混合作用，最初澆入的過(guò)熱金屬熔體會(huì)逐漸進(jìn)入整體過(guò)冷狀態(tài)，從垂直直管通道內(nèi)壁游離并進(jìn)入金屬熔體中的大量初生晶粒會(huì)存活下來(lái)；金屬熔體中的這些大密度的存活下來(lái)的初生晶粒會(huì)發(fā)生溶質(zhì)場(chǎng)和溫度場(chǎng)的相互干涉，從而抑制枝晶生長(zhǎng)，這些初生晶粒逐漸長(zhǎng)大為球狀；當(dāng)金屬熔體到達(dá)垂直直管通道出口處時(shí)，金屬熔體已經(jīng)處于固液兩相區(qū)，內(nèi)部包含有大量游離的球狀初生晶粒，這就是半固態(tài)金屬。這種半固態(tài)金屬可以直接進(jìn)行流變壓鑄成形、或流變擠壓成形、或流變鍛造成形，也可以將這些半固態(tài)金屬收集到一個(gè)容器中，再經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)睦鋮s凝固，可進(jìn)一步提高半固態(tài)金屬中的固相分?jǐn)?shù)，用于流變成形高致密性的零件。總之，從上述制備技術(shù)的總體上看，垂直直管通道澆注制備技術(shù)的過(guò)程比較簡(jiǎn)單，是一種低成本的半固態(tài)金屬的制備方法。
[0003]上述技術(shù)存在的不足之處是:當(dāng)直管長(zhǎng)度一定時(shí)，漿料晶粒尺寸和圓整度對(duì)過(guò)熱度非常敏感，金屬液過(guò)熱度略微升高，得到漿料晶粒尺寸和圓整度就會(huì)出現(xiàn)明顯變化甚至惡化現(xiàn)象，主要原因是得到理想半固態(tài)漿料的有效澆注溫度區(qū)間相對(duì)較小，降低了實(shí)際生產(chǎn)的可操控性和半固態(tài)漿料組織的一致性；特別在制備大型坯料時(shí)所用金屬液較多，其流過(guò)垂直直管時(shí)間增加，傳給管的熱量也相應(yīng)地比制備小型坯料的要多，因?yàn)橹惫懿荒芗皶r(shí)地將熱量散發(fā)出去，會(huì)使得管壁附近的過(guò)冷度減小，靠近管壁形成的晶核數(shù)量減少；隨著形核密度的減小，晶核間距增大，晶核間相互抑制作用減弱，晶粒有機(jī)會(huì)長(zhǎng)大。同樣，隨著澆注時(shí)間延長(zhǎng)，管壁溫度升高，對(duì)金屬液過(guò)冷度也大大減小，因此不容易形核，且形成枝晶組織。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種制備半固態(tài)金屬的旋轉(zhuǎn)垂直直管通道的裝置及其方法，利用旋轉(zhuǎn)促進(jìn)垂直直管通道內(nèi)金屬液的冷卻、形核和晶粒細(xì)化，增強(qiáng)垂直直管通道制備半固態(tài)金屬的能力，提高實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程的可操控性和半固態(tài)金屬組織性能的一致性，有利于澆注較大型的零件。
[0005]本發(fā)明所解決的技術(shù)問(wèn)題采用以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):
一種旋轉(zhuǎn)垂直直管通道制備半固態(tài)金屬的裝置，包括電機(jī)、承載支架、旋轉(zhuǎn)套、垂直直管，電機(jī)安裝在承載支架上，主動(dòng)帶輪安裝在電機(jī)主軸上；旋轉(zhuǎn)套為中空?qǐng)A套管且外圓上設(shè)有從動(dòng)帶輪，旋轉(zhuǎn)套外圓與承載支架內(nèi)孔之間設(shè)有滾動(dòng)軸承；主動(dòng)帶輪與旋轉(zhuǎn)套的從動(dòng)帶輪由同步齒形帶連接為一個(gè)旋轉(zhuǎn)副；連接軸套將垂直直管固定在旋轉(zhuǎn)套的內(nèi)孔中；在垂直直管外圓出料端安裝有旋轉(zhuǎn)物體溫度測(cè)量探頭，用擰緊螺釘限位在承載支架上；澆包設(shè)置在垂直直管的上方，過(guò)熱金屬液澆入旋轉(zhuǎn)的垂直直管內(nèi)孔通道中，變成半固態(tài)金屬漿料落入收集容器中。
[0006]所述的垂直直管的內(nèi)孔直徑與長(zhǎng)度之比為1:20。
[0007]所述的垂直直管的材料為石墨管或鋼管。
[0008]—種旋轉(zhuǎn)垂直直管通道制備半固態(tài)金屬的裝置制備半固態(tài)金屬的方法，具體步驟如下:
1)根據(jù)半固態(tài)金屬的成分進(jìn)行配料，并在熔化爐內(nèi)進(jìn)行熔化與精煉，得到過(guò)熱金屬液；
2)開(kāi)啟電源，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，安裝在電機(jī)主軸上的主動(dòng)帶輪通過(guò)同步齒形帶帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)套的從動(dòng)帶輪旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)固定在旋轉(zhuǎn)套內(nèi)孔中的垂直直管旋轉(zhuǎn)；通過(guò)控制器調(diào)節(jié)垂直直管的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速范圍為(100-500) r/min ；
3)澆包將過(guò)熱金屬液澆注到旋轉(zhuǎn)的垂直直管通道中，金屬液過(guò)熱度區(qū)間為金屬液相線之上0-250°C ;流動(dòng)的過(guò)熱金屬液在垂直直管通道內(nèi)旋轉(zhuǎn)、激冷、攪拌；
4)收集半固態(tài)金屬:過(guò)熱金屬液經(jīng)過(guò)垂直直管通道變成半固態(tài)金屬漿料，落入收集容器中，冷卻后即為半固態(tài)金屬。
[0009]所述的半固態(tài)金屬可以是鋁合金、鎂合金或鋅合金的一種。
[0010]由該方法所制備的所述的半固態(tài)金屬及其產(chǎn)品，如汽車輪轂、汽車空調(diào)壓縮機(jī)斜盤(pán)、轉(zhuǎn)向節(jié)、發(fā)動(dòng)機(jī)連桿等。
[0011]本發(fā)明的原理是:旋轉(zhuǎn)式直管澆注法是在直管法的基礎(chǔ)上增加了旋轉(zhuǎn)裝置，直管的高速旋轉(zhuǎn)使流經(jīng)管壁的金屬液在離心力的作用下充分與管壁接觸，由管壁的碰撞、剪切和激冷作用產(chǎn)生大量的非勻質(zhì)晶核。旋轉(zhuǎn)直管內(nèi)的金屬液在重力和管壁黏附力的作用下向下掉落，這種方式增加金屬液與管壁碰撞剪切的時(shí)間；且金屬液能夠與管壁充分緊密接觸，從而管壁能夠更加充分的吸收金屬液的熱量當(dāng)金屬液溫度較高時(shí)亦能具有較高的形核率。直管旋轉(zhuǎn)的速度越快，與管壁接觸的金屬液量越多，異質(zhì)形核越多；同時(shí)高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的剪切力隨轉(zhuǎn)速的增加對(duì)金屬液進(jìn)行更加充分的攪拌，使正在生長(zhǎng)的枝晶臂碎斷，這些破碎的枝晶臂起到了晶核的增殖作用，金屬液中均勻分散的晶核和碎斷的枝晶臂，使金屬液熱流梯度相對(duì)較小，且整體趨于一致，合金固相晶粒比較容易發(fā)生細(xì)化和球化，因此在較高轉(zhuǎn)速條件下，即使?jié)沧囟容^高也能得到細(xì)小球形的半固態(tài)金屬組織。
[0012]與已有的技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在:
1、本裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；但在本裝置的作用下，促進(jìn)了垂直直管通道內(nèi)壁金屬液初生晶粒的形核和游離，增加了金屬液中初生晶粒的密度，制備的半固態(tài)金屬金相結(jié)構(gòu)為細(xì)小而均勻的球狀或顆粒狀的非枝晶組織，使半固態(tài)金屬的性能有較大提高，抗拉強(qiáng)度可提高22%左右；
2、通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)速，使得到理想半固態(tài)金屬的澆注溫度區(qū)間變寬50%以上，提高了實(shí)際生產(chǎn)的可操控性和半固態(tài)漿料組織的一致性，也有利于成形較大型的零件。
【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1是本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)垂直直管通道制備半固態(tài)金屬裝置結(jié)構(gòu)圖。
[0014]圖2是圖1中A-A截面剖視圖。
[0015]圖3是采用垂直直管通道法澆注溫度為670°C制備的半固態(tài)ZLlOl合金的顯微組織金相照片。
[0016]圖4是采用旋轉(zhuǎn)垂直直管通道法澆注溫度為670°C制備的半固態(tài)ZLlOl合金的顯微組織金相照片。
[0017]圖中標(biāo)號(hào):
I電機(jī)、2主動(dòng)帶輪、3同步齒形帶、4設(shè)備承載支架、5過(guò)熱金屬液、6澆包、7連接軸套、8垂直直管通道、9滾動(dòng)軸承、10旋轉(zhuǎn)套、11旋轉(zhuǎn)物體溫度測(cè)量探頭、12擰緊螺釘、13半固態(tài)金屬、14收集容器。
【具體實(shí)施方式】
[0018]實(shí)施例
參照?qǐng)D1和圖2，圖1是本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)