專利名稱：半固態(tài)金屬漿料的制備裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于半固態(tài)金屬成形技術(shù)，具體涉及一種半固態(tài)金屬漿料的制備裝置。
金屬材料的半固態(tài)成形技術(shù)是1990年以后被廣泛關(guān)注的新型金屬成形工藝。它的基本原理是在液態(tài)金屬的凝固過(guò)程中進(jìn)行強(qiáng)烈的攪動(dòng)，使普通鑄造易于形成的樹(shù)枝晶網(wǎng)絡(luò)骨架被打碎而形成分散的顆粒狀組織形態(tài)，從而制得半固態(tài)金屬漿料，然后將其壓鑄成坯料或鑄件。與傳統(tǒng)的鑄造或鍛壓工藝相比，半固態(tài)成形具有許多優(yōu)點(diǎn)(1)鑄件氣孔及凝固收縮大大減少，零件內(nèi)在質(zhì)量高；(2)能夠加工較復(fù)雜的零件；(3)成形溫度低(Al合金至少可降低120℃)，延長(zhǎng)模具壽命，(4)能夠?qū)崿F(xiàn)近凈形(near net-shape)制造；(5)通過(guò)材料替換能夠減輕部件的重量；(6)生產(chǎn)效率高等，引起了世界各發(fā)達(dá)國(guó)家的廣泛重視和研究。半固態(tài)金屬成形工藝被認(rèn)為是21世紀(jì)最具發(fā)展前途的近凈成形技術(shù)之一。
美國(guó)Conell大學(xué)的K.K.Wang等學(xué)者發(fā)明了一種半固態(tài)金屬流變注射成形機(jī)(見(jiàn)K.K.Wang，et alMethod and Apparatus for Injection Molding ofSemi-solid Metals，US 5501,266，1996.3.26)，該流變注射成形機(jī)由液態(tài)金屬熔化及保護(hù)裝置、單螺旋攪拌、攪拌筒體、冷卻及加熱裝置、注射成形系統(tǒng)等部件組成。該實(shí)用新型的工作原理是液態(tài)金屬依靠重力從熔化及保溫爐中進(jìn)入攪拌筒體，然后在單螺旋的攪拌作用下(螺旋沒(méi)有向下的推進(jìn)壓力)冷卻至半固態(tài)，積累至一定量的半固態(tài)金屬液后，由注射裝置注射成形。但該設(shè)備存在著以下問(wèn)題由于該裝置采用單螺旋攪拌，其產(chǎn)生的剪切速率不高，只有200s-1左右；并且，攪拌單螺旋沒(méi)有類似于泵的推進(jìn)作用，故設(shè)備必須垂直安裝，不便于操作。
本實(shí)用新型的目的是提供一種能克服上述缺陷的半固態(tài)金屬漿料的制備裝置，該裝置能夠獲得對(duì)漿料的高剪切速率，從而得到顆粒細(xì)小均勻的半固態(tài)組織，并且該裝置不必垂直安裝。
為完成上述任務(wù)，本實(shí)用新型提供的半固態(tài)金屬漿料的制備裝置包括攪拌筒和包裹在攪拌筒外的溫度控制裝置，攪拌筒由筒體和攪拌器組成，攪拌筒的進(jìn)料口裝有容積式計(jì)量給料器，容積式計(jì)量給料器外包裹有加熱爐，所述攪拌筒的出口端與帶有加熱與溫度控制功能的儲(chǔ)料室相連，其連接處裝有控制閥，儲(chǔ)料室的底部設(shè)有出料口；所述攪拌器由二個(gè)相互嚙合的螺桿組成，螺桿由芯軸與多個(gè)不同導(dǎo)程、不同錯(cuò)列角的螺紋元件組成，螺桿的最大外徑與筒體的內(nèi)徑之間的間隙為0.05mm-3mm之間，螺桿穿過(guò)水冷箱與減速分配齒輪箱相連，減速分配齒輪箱帶動(dòng)螺桿同速、同向旋轉(zhuǎn)，減速分配齒輪箱由電機(jī)帶動(dòng)，減速分配齒輪箱通過(guò)油泵與油泵電機(jī)相連。
作為本實(shí)用新型的改進(jìn)，上述攪拌器的筒體和溫度控制裝置均可采用分段組合式設(shè)計(jì)。
本實(shí)用新型是一種具有雙螺桿結(jié)構(gòu)的半封閉式攪拌裝置，它采用特殊結(jié)構(gòu)的攪拌器，能夠獲得對(duì)漿料的高剪切速率，從而得到顆粒細(xì)小均勻的半固態(tài)組織。組成攪拌器的螺桿的最高轉(zhuǎn)速可達(dá)600～800轉(zhuǎn)/分，可以在60～800轉(zhuǎn)/分內(nèi)連續(xù)可調(diào)，其剪切速率可高達(dá)5000s-1以上，高于現(xiàn)有的其它攪拌方式。并用本實(shí)用新型裝置運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，操作方便可靠。
本裝置主要用于鎂合金的半固態(tài)漿料的制備，也可用于其它熔點(diǎn)低于700℃的非鐵合金或非金屬材料的制備，如Al合金，Sn-Pb合金，Zn合金，Bi合金，顆?；蚓ы氃鰪?qiáng)金屬基復(fù)合材料，高分子混合物(復(fù)合材料)等。
采用分段控溫方式，比較容易控制半固態(tài)漿料的固相分?jǐn)?shù)。
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明


圖1為半固態(tài)金屬漿料的制備裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為攪拌器橫截面示意圖3為螺紋元件外形示意圖；圖4為Sn-15％Pb合金組織的顯微組織比較，圖4a為普通液態(tài)鑄造組織，圖4b為半固態(tài)鑄造顯微組織。
如
圖1所示，本實(shí)用新型裝置包括攪拌筒6、容積式計(jì)量給料器7、半固態(tài)金屬儲(chǔ)料室2和減速分配齒輪箱10等部件。攪拌筒6由筒體16和攪拌器組成。如圖2所示，攪拌器由二個(gè)螺桿17、18組成，螺桿17、18相互嚙合。二個(gè)螺桿均由芯軸和多個(gè)螺紋元件組成，螺紋元件外形可如圖3所示，該元件為不同導(dǎo)程、不同錯(cuò)列角的多種形式。螺桿17、18的芯軸與螺紋元件的聯(lián)結(jié)最好為漸開(kāi)線花鍵聯(lián)結(jié)方式，可提高攪拌器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。螺桿17、18的最大外徑與筒體16之間的間隙最好在0.05mm至3mm之間。容積式計(jì)量給料器7裝在攪拌筒6的進(jìn)料口，在筒體16的外殼上包裹有溫度控制裝置5，用于對(duì)攪拌筒體的金屬液進(jìn)行加熱或冷卻，在容積式計(jì)量給料器7的外面也包裹有加熱爐8，該加熱爐可以是電阻式加熱保溫爐，用于熔化金屬或?qū)尤氲慕饘僖哼M(jìn)行保溫。攪拌筒6的出口端與具有加熱與溫度控制功能的儲(chǔ)料室2相連，其連接處裝有控制閥3。當(dāng)半固態(tài)金屬漿料攪拌完成后可打開(kāi)控制閥3，漿料流入儲(chǔ)料室2，在儲(chǔ)料室2的底部設(shè)有出口1，該出口可裝有截止閥，也可直接與壓鑄機(jī)或其它成形機(jī)相連。攪拌器通過(guò)水冷箱9與減速分配齒輪箱10相連，電機(jī)12通過(guò)聯(lián)軸器11與減速分配齒輪箱10相聯(lián)，電機(jī)12通過(guò)減速分配齒輪箱10減速分配后帶動(dòng)螺桿17、18同速、同向旋轉(zhuǎn)。油泵電機(jī)13通過(guò)油泵12也與減速分配齒輪箱10相連，可以避免油路阻塞及軸承發(fā)熱，以保證整個(gè)裝置連續(xù)安全地工作。
筒體16和溫度控制裝置5均可采用分段組合式設(shè)計(jì)，以便于制造、安裝及調(diào)試，并且可以分段控制攪拌筒內(nèi)的溫度。
在攪拌筒上可開(kāi)有通氣口4，該通氣口14與真空裝置15相連，以便對(duì)攪拌筒6進(jìn)行抽真空及排氣處理。
在計(jì)量給料器7的液面或筒體16內(nèi)，可通入保護(hù)性氣體，以減少空氣對(duì)金屬液或金屬漿料的氧化。保護(hù)氣體可以是氬氣(Ar)或氮?dú)?N2)。筒體16的材料要具有好的高溫強(qiáng)度及耐磨性，可選用耐高溫高強(qiáng)耐磨鋼HD、H11、H13、H21，其它雙金屬材料或陶瓷材料，其內(nèi)腔表面應(yīng)具有抗腐蝕性。
半固態(tài)金屬的制備操作溫度取決于合金的液相線與固相線之間的溫度區(qū)間，各種合金是不同的。如對(duì)于Mg-9％Al-0.6％Zn合金，液相線溫度為595℃，固相線溫度為470℃，溫度期間為125℃。因此，半固態(tài)漿料制備時(shí)，合金液的澆入溫度為610～710℃，在攪拌器中的溫度為540～600℃。
圖4a為Sn-15％Pb合金液態(tài)鑄造的金相組織圖，其顯微組織為粗大的樹(shù)枝狀晶粒。圖4b為本實(shí)用新型的半固態(tài)金屬漿料的制備裝置制造的Sn-15％Pb合金的半固態(tài)顯微組織，沒(méi)有樹(shù)枝狀晶體，而是比較圓整的、細(xì)小的晶粒組織，晶粒大小為30～50μm，半固態(tài)組織中的固相分?jǐn)?shù)為20％。制備的條件為主機(jī)轉(zhuǎn)速300轉(zhuǎn)/分，雙螺桿攪拌的剪切速率為4500s-1，合金液澆入溫度240℃，攪拌控制溫度203℃。通過(guò)將半固態(tài)漿料移送至緊連的壓鑄機(jī)，制造出了Sn-15％Pb合金試樣。
如果轉(zhuǎn)速提高至700轉(zhuǎn)/分，配合適當(dāng)?shù)穆輻U直徑及間隙，其剪切速率可高達(dá)15000s-1或更高。測(cè)試表明，該設(shè)備對(duì)Sn-15％Pb的半固態(tài)金屬漿料，在剪切速率為200s-1下，注射的流動(dòng)速度達(dá)1.128×10-4m3/s。
整個(gè)系統(tǒng)可以設(shè)置一套電氣控制柜(
圖1中未表示)，調(diào)節(jié)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，設(shè)定加熱及控制的溫度，調(diào)節(jié)冷卻速度，控制進(jìn)料閥門(mén)等。同時(shí)，可以采用各種數(shù)字表顯示主機(jī)轉(zhuǎn)速、電流、溫度等。電器控制還可以采用可編程控制器控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)組所有運(yùn)行參數(shù)的集中設(shè)定，調(diào)節(jié)控制和瞬間打印。
權(quán)利要求1.一種半固態(tài)金屬漿料的制備裝置，包括攪拌筒和包裹在攪拌筒外的溫度控制裝置，所述攪拌筒由筒體和攪拌器組成，攪拌筒的進(jìn)料口裝有容積式計(jì)量給料器，容積式計(jì)時(shí)給料器外包裹有加熱爐，所述攪拌筒的出料端與帶有加熱與溫度控制功能的儲(chǔ)料室相連，其連接處裝有控制閥，儲(chǔ)料室的底部設(shè)有出料口，其特征在于所述攪拌器由二個(gè)相互嚙合的螺桿(17、18)組成，螺桿(17、18)由芯軸與多個(gè)不同導(dǎo)程、不同錯(cuò)列角的螺紋元件組成，螺桿(17、18)的最大外徑與筒體(16)的內(nèi)徑之間的間隙為0.05mm-3mm之間，螺桿(17、18)穿過(guò)水冷箱(9)與減速分配齒輪箱(10)相連，減速分配齒輪箱(10)帶動(dòng)螺桿(17、18)同速、同向旋轉(zhuǎn)，減速分配齒輪箱(10)由電機(jī)(12)帶動(dòng)，減速分配齒輪箱(10)通過(guò)油泵(14)與油泵電機(jī)(13)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半固態(tài)金屬漿料的制備裝置，其特征在于所述筒體(16)為分段組合式設(shè)計(jì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的半固態(tài)金屬漿料的制備裝置，其特征在于所述溫度控制裝置(5)為分段組合式設(shè)計(jì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的半固態(tài)金屬漿料的制備裝置，其特征在于螺桿(17、18)的芯軸與螺紋元件的聯(lián)結(jié)為漸開(kāi)線花鍵聯(lián)結(jié)方式。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的半固態(tài)金屬漿料的制備裝置，其特征在于所述筒體(16)上設(shè)有與真空裝置(15)相連的通氣口(4)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的半固態(tài)金屬漿料的制備裝置，其特征在于所述筒體(16)上設(shè)有與真空裝置(15)相連的通氣口(4)。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種半固態(tài)金屬漿料的制備裝置,由帶加熱爐的容積式計(jì)量給料器、攪拌筒、溫度控制裝置、儲(chǔ)料室、減速分配齒輪箱和電機(jī)等組成。攪拌筒包括筒體和攪拌器,攪拌器由二個(gè)相互嚙合的螺桿組成,螺桿由芯軸與多個(gè)不同導(dǎo)程、不同錯(cuò)列角的螺紋元件組成,螺桿的最大外徑與筒體的內(nèi)徑之間的間隙為0.05mm—3mm之間。該裝置的剪切速率可高達(dá)5000s
文檔編號(hào)B22D17/30GK2471450SQ0121274
公開(kāi)日2002年1月16日 申請(qǐng)日期2001年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月13日
發(fā)明者羅吉榮, 吳樹(shù)森, 宋象軍, 吳廣忠 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)