專利名稱：鎂合金半固態(tài)注射成形方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金屬成形技術(shù)中金屬半固態(tài)漿料制備方法及成形的裝置，屬于金屬加工工藝領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，金屬半固態(tài)加工技術(shù)的生產(chǎn)過程采取的工藝路線是，以電磁攪拌連續(xù)鑄造等方法制備金屬半固態(tài)坯料，根據(jù)零件要求將坯料定尺切割成錠料，把錠料放入二次加熱設備進行二次加熱部分重熔，待錠料恢復到半固態(tài)狀態(tài)時，將其放入壓鑄機的壓室中進行半固態(tài)壓鑄成形。該工藝的加工流程較長，工藝較復雜，需要二次加熱，且工藝過程難以有效控制，成本較高，在一定程度上限制了該工藝技術(shù)的大范圍應用。與之相反，由于工藝過程的穩(wěn)定性以及可控性，鎂合金注射成形的應用前景良好。
注射成形是一種新的金屬成形技術(shù)，其工藝過程是先將合金原料轉(zhuǎn)化成一種在連續(xù)液相金屬中彌散著球形或類球形金屬顆粒的半固態(tài)漿料，然后再將此漿料注射到模具內(nèi)成形。與傳統(tǒng)的高壓壓鑄工藝相比，經(jīng)注射成形的零件具有如下的優(yōu)點1)無氣孔，因為半固態(tài)漿料具有非牛頓粘性(即粘性與切變速率成反比)；2)收縮率小，因為漿料中含有固相成分，因此充模溫度較低。由于半固態(tài)漿料的腐蝕性要比液態(tài)金屬小，注射成形還可以增加諸如模具、螺旋輸送桿和套筒等工具部件的使用壽命。一般來說，注射成形要比傳統(tǒng)壓鑄技術(shù)更適用于制造具有更高強度、更好韌性和更高尺寸精度的優(yōu)質(zhì)模鑄件。近年來，注射成形已經(jīng)在多種工業(yè)部門中獲得日益廣泛的應用，特別是用來制造各類鎂合金制品。事實上，美國金屬協(xié)會已于最近將注射成形技術(shù)列為制造鎂合金制品的技術(shù)標準之一在本發(fā)明之前，注射成形是借助于一種在美國專利號5040589中所描述的與普通尼龍注塑機結(jié)構(gòu)相類似的設備來完成的。在此工藝過程中，屑狀原料被投放到內(nèi)部安裝有旋轉(zhuǎn)螺旋輸送桿的外熱式套筒中并在那里被加熱到其固相線和液相線之間的某一溫度。處于半熔融狀態(tài)的原料在被旋轉(zhuǎn)螺旋輸送桿攪拌推進的同時也被轉(zhuǎn)化為含有退化樹枝晶粒的半固態(tài)漿料并被收集在注射噴嘴和螺旋輸送桿頂端之間的空間內(nèi)。當收集的漿料足夠多時，螺旋輸送桿被快速推進并將漿料射注進一模腔內(nèi)。
盡管現(xiàn)有的注射成形方法和設備已被成功地使用著，但還具有下述的不足和缺陷(1)半固態(tài)漿料是直接由枝晶屑料生成的(也稱“一步”法，參見美國專利號4694882)。但是在攪拌不足，屑料中的枝晶太過完整，或漿料中的固相成分太高的情況下，枝晶可能會退化的不充分。這會導致在鑄件中，特別是在薄壁件中，生成縮孔缺陷以及尺寸穩(wěn)定性差；(2)枝晶屑料由專用設備加工，存在著成本高，尺寸穩(wěn)定性差，且充填密度低的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服已有鎂合金半固態(tài)注射成形方法及設備存在的上述不足和缺陷，提供一種可以降低原材料成本，提高成品率及產(chǎn)品質(zhì)量的鎂合金半固態(tài)注射成形方法和裝置。
本發(fā)明的上述目的是這樣實現(xiàn)的，結(jié)合


如下一種鎂合金半固態(tài)注射成形的方法，具體步驟是第一步 在金屬粉末混合裝置中對金屬粉末進行混合，并通入保護氣體對該粉末混合裝置中的金屬粉末進行保護，將混合均勻的金屬粉末送入注射機加料斗中；第二步 料斗中的金屬粉末經(jīng)定量供給裝置定量送入金屬套筒中；第三步 在集注射、攪拌、輸送功能為一體的金屬套筒裝置內(nèi)，采用螺旋輸送桿對金屬套筒中的金屬粉末施以剪切力，在此剪切過程中通過溫度調(diào)整，將金屬粉末轉(zhuǎn)變?yōu)楣桃夯旌蠣顟B(tài)；第四步 利用注射機將上述的半固態(tài)漿料射出至一模具內(nèi)成形，形成半固態(tài)注射成形產(chǎn)品。
所說的金屬粉末由氣體霧化方法制備成尺寸為50-700μm；合金粉末可以采用單獨制備或采用由幾種合金粉末經(jīng)機械攪拌而成的混合粉末，并可以加入預合金粉增強合金粉末的流動性。
所說的半固態(tài)漿料的固相體積分數(shù)、初生相晶粒的大小及組織結(jié)構(gòu)可由螺旋輸送桿轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的攪拌剪切強度以及加熱器和冷卻器共同控制和調(diào)整。
一種用于鎂合金半固態(tài)注射成形方法的裝置，包括金屬粉末混合裝置和注射機兩部分組成，其特征在于所說的金屬粉末混合裝置(4)由金屬粉末攪拌容器(21)和其下方的金屬粉末存儲容器(24)組成；所說的注射機(16)包括一集注射、攪拌、輸送功能為一體的金屬套筒裝置(12)，它由套筒和內(nèi)部的螺旋輸送桿(13)組成，螺旋輸送桿(13)由旋轉(zhuǎn)機構(gòu)(15)驅(qū)動，套筒的外圍裝有可對套筒的不同部位進行溫度控制的冷卻器(11)和加熱器(10)；在注射機加料斗(7)與金屬套筒裝置(12)之間裝有可振動的定量供給裝置(8)，金屬粉末存儲容器(24)內(nèi)的金屬粉末(6)通過氣體輸送泵(25)注入注射機加料斗(7)內(nèi)；金屬套筒裝置(12)套筒的出料口穿過靜模板與模具(17)相連。
所說的金屬粉末攪拌容器(21)上設有金屬粉末加入口(20)和通入保護氣體(9)的氣體保護進口(22)。
所說的金屬粉末攪拌容器(21)內(nèi)采用由攪拌電機(19)驅(qū)動的葉片式攪拌器(23)。
所說的注射機(16)內(nèi)的螺旋輸送桿(13)將金屬套筒裝置(12)分為三個區(qū)域，兩端為混合區(qū)，中間為螺旋段，區(qū)域I設在靠近注射機加料斗(7)的部位，區(qū)域III設在靠近模具(17)處的噴嘴段。
所說的保護氣體(9)可選氮氣、氬氣或六氟化硫中的任一種氣體，或幾種構(gòu)成混合氣體。
所說的模具(17)裝有加熱裝置，并配有抽真空接口。
本發(fā)明提供的方法和裝置，可實現(xiàn)鎂合金的半固態(tài)成形。這是一種先進的鎂合金成形技術(shù)，具有如下優(yōu)點1.采用本發(fā)明提供的金屬粉末混合裝置制備鎂合金粉末，可免除預先熔煉制備鎂合金的過程，并且擴大了粉末原材料的使用范圍。
2.螺旋輸送桿的兩端設有混合區(qū)，縮短了工藝流程，并能更有效地控制產(chǎn)品質(zhì)量。
3.所制備的半固態(tài)漿料的固相體積分數(shù)、初生相晶粒的大小及組織結(jié)構(gòu)均可由螺旋輸送桿轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的攪拌剪切強度以及加熱器和冷卻器共同控制和調(diào)整。
4.可近凈成形形狀復雜的零部件；5.成形制品質(zhì)量高，無氣孔、偏析等缺陷，可以進行熱處理；6.裝置結(jié)構(gòu)緊湊，易于加工制造，使用和維護方便。

圖1是本發(fā)明各主要組成單元之間運作關(guān)系框圖。
圖2是本發(fā)明所設計的鎂合金半固態(tài)注射成形裝置的簡圖。
圖3是本發(fā)明所設計的金屬粉末混合裝置的簡圖。
圖4是本發(fā)明成形設備用螺桿的簡圖。
圖中1.鎂粉存儲桶 2.鋁粉存儲桶 3.其他合金粉末存儲桶 4.金屬粉末混合裝置5.鎂合金粉末存儲桶 6.金屬粉末 7.注射機加料斗 8.定量供給裝置 9.保護氣體 10.加熱器 11.冷卻器 12.金屬套筒 13.螺旋輸送桿 14.螺旋輸送桿前端 15.旋轉(zhuǎn)機構(gòu)16.注射機 17.模具 18.半固態(tài)注射成形件 19.攪拌電機 20.金屬粉末加入口 21.金屬粉末攪拌容器 23.葉片式攪拌器 24.金屬粉末存儲容器 26.開關(guān)
具體實施例方式下面結(jié)合附圖所示實施例對本發(fā)明的鎂合金半固態(tài)注射成形方法和裝置作進一步的詳細說明。
本發(fā)明的鎂合金半固態(tài)注射成形方法包括以下步驟(1)可以采用單獨制備的合金粉末，也可以采用由幾種合金粉末經(jīng)機械攪拌混合而成的粉末，并可加入預合金粉增強合金粉末的流動性；(2)采用金屬粉末混合裝置，將按照設定比例稱取的不同重量的金屬粉末由入口加入金屬粉末攪拌容器，在其中電機驅(qū)動的葉片式攪拌器作用下，對金屬粉末進行攪拌和混合，達到預定時間后，金屬粉末攪拌容器至金屬粉末存儲容器之間的開關(guān)打開，金屬粉末進入金屬粉末存儲容器，并由氣體輸送泵送至注射機加料斗。整個金屬粉末混合裝置的工作在氣體保護下進行，保護氣體通過氣體保護進口進入裝置，對其中的金屬粉末進行保護，以防止其氧化；(3)進入注射機加料斗的金屬粉末經(jīng)過加料斗的振動，增加金屬粉末的緊實度，同時，在定量裝置控制下，金屬粉末進入注射攪拌一體化套筒；(4)套筒由外筒和內(nèi)部的螺旋輸送桿組成，金屬粉末在螺旋輸送桿的驅(qū)動下在套筒中前進，套筒的外圍設有冷卻器和加熱器，可對套筒的不同部位進行溫度控制，保證金屬粉末到達套筒末端時形成含一定比例固相的半固態(tài)漿料；(5)金屬粉末通過套筒時，在兩端設有混合區(qū)的螺旋輸送桿所施加的攪拌剪切作用下，充分混合并達到均熱?？拷⑸錂C加料斗的螺桿混合區(qū)將金屬粉末初步混合、預熱；在螺桿的螺旋段，初步混合后的金屬粉末被加熱至半固態(tài)，并且在剪切力的作用下充分攪拌；在靠近模具段的混合區(qū)域主要用于使溫度場均勻化，并對混合漿料實施進一步攪拌。
(6)在螺旋輸送桿的輸送作用下，半固態(tài)漿料到達套筒末端(靠近模具一側(cè))，積累至設定量時，在注射機作用下充滿模具型腔并在壓力作用下凝固成形。
(7)在金屬粉末混合裝置及套筒內(nèi)均通有保護氣體，保護氣體有三種氮氣、氬氣或六氟化硫任選其一，或幾種構(gòu)成混合氣體。
在上述方法中，對于原材料，既可以直接采用鎂合金粉，又可以采用幾種合金粉經(jīng)機械攪拌形成合金粉末，合金粉末緊實度高；另一方面，半固態(tài)漿料的固相體積分數(shù)、初生相晶粒的大小及組織結(jié)構(gòu)可由螺旋輸送桿轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的攪拌剪切強度以及加熱器和冷卻器共同控制和調(diào)整。
本發(fā)明的鎂合金半固態(tài)注射成形裝置是參照圖2，本發(fā)明所提出的半固態(tài)注射成形裝置主要包括有一金屬粉末混合裝置4，在保護氣體作用下，將混合均勻的金屬粉末送入注射機加料斗7中；一定量供給裝置8，將注射機加料斗7中的金屬粉末經(jīng)該裝置定量送入金屬套筒12中；金屬套筒12集注射、攪拌、輸送功能為一體，金屬粉末在其中轉(zhuǎn)變?yōu)榘牍虘B(tài)漿料；一由旋轉(zhuǎn)機構(gòu)15驅(qū)動的螺旋輸送桿13，對金屬套筒12中的金屬粉末施以剪切力，在此剪切過程中通過溫度調(diào)整，使金屬粉末保持半固態(tài)；一套加熱器10和一套冷卻器11，對由金屬粉末至半固態(tài)漿料的過程實施溫度控制，保證在螺旋輸送桿前端14處的漿料呈現(xiàn)液固兩相混合；一注射機16，將半固態(tài)漿體射出至模具17內(nèi)成形，形成半固態(tài)注射成形件18。
參照圖3，本發(fā)明所提出的金屬粉末混合裝置4，主要包括金屬粉末攪拌容器21、金屬粉末存儲容器24及葉片式攪拌器23；從鎂粉存儲桶1、鋁粉存儲桶2、其他合金粉末存儲桶3中按照設定比例稱取適量的金屬粉末，由金屬粉末加入口20投入金屬粉末攪拌容器21中，在攪拌電機19的驅(qū)動下，葉片式攪拌器23對幾種混合金屬粉末27進行攪拌和混合，達到預定時間后，金屬粉末攪拌容器21至金屬粉末存儲容器24之間的開關(guān)26打開，混合充分的金屬粉末進入金屬粉末存儲容器24中，隨后經(jīng)由氣體輸送泵25將混合充分的金屬粉末6作為注射機的原材料，送至注射機加料斗7中。整個粉末混合裝置的工作在保護氣體下進行，保護氣體9通過氣體保護進口22進入裝置。本發(fā)明的另一種供料方式是由鎂合金粉末存儲桶5通過氣體輸送泵向注射機加料斗7直接加入所需成份的鎂合金粉末。
參照圖4，是本發(fā)明提供的注射機用螺旋輸送桿13的簡圖。螺旋輸送桿分為I、II、III三個區(qū)域，區(qū)域I為靠近注射機加料斗7的部位，在該區(qū)域由加料斗7進入的金屬粉末6經(jīng)過混合，并初步預熱。區(qū)域II為螺旋段，在該階段，經(jīng)初步混合的金屬粉末被加熱至半固態(tài)，并且在剪切力的作用下充分攪拌?？拷鼑娮於蔚幕旌蠀^(qū)域III主要用于使溫度場均勻化，并對混合漿料實施進一步攪拌。
參照圖2，經(jīng)金屬粉末混合裝置4所制備的混合金屬粉末或經(jīng)鎂合金粉末存儲桶5送出的金屬粉末6經(jīng)氣體輸送泵25進入注射機加料斗7，經(jīng)注射機加料斗7振動增加金屬粉末的緊實度，在定量供給裝置8控制下，金屬粉末進入注射攪拌一體化金屬套筒12中，金屬粉末在通過套筒時，首先在螺旋輸送桿13的攪拌下充分混合，當加熱至固液兩相區(qū)時，受到高剪切速率的攪拌剪切，在靠近套筒末端的混合區(qū)，螺旋輸送桿再次攪拌混合熔體，獲得溫度控制均勻的半固態(tài)漿料(半固態(tài)漿料的固相體積分數(shù)、初生相晶粒的大小及組織結(jié)構(gòu)由螺旋輸送桿轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的攪拌剪切強度以及加熱器和冷卻器共同控制和調(diào)整)，待半固態(tài)漿料在套筒末端14積累到所需量，在螺旋輸送桿13的注射作用下充滿模具型腔，并在壓力作用下凝固成產(chǎn)品。
本發(fā)明的主要特點如下金屬粉末代替枝晶屑料方法獨特，金屬粉末的預混合方式獨特，可免除預先熔煉制備鎂合金的過程，并且擴大了粉末原材料的使用范圍；通過螺旋輸送桿轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的攪拌剪切強度以及加熱器和冷卻器共同作用，獲得半固態(tài)漿體，同時，可以控制和調(diào)整所制備漿料的固相體積分數(shù)、初生相晶粒的大小及組織結(jié)構(gòu)。在螺旋輸送桿的兩端設有混合區(qū)，縮短了工藝流程，并能更有效地控制產(chǎn)品質(zhì)量。對半固態(tài)漿料直接注射成形，從而提高生產(chǎn)效率，提高制品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本。
權(quán)利要求
1.一種鎂合金半固態(tài)注射成形的方法，其特征在于第一步 在金屬粉末混合裝置中對金屬粉末進行混合，并通入保護氣體對該粉末混合裝置中的金屬粉末進行保護，將混合均勻的金屬粉末送入注射機加料斗中；第二步 料斗中的金屬粉末經(jīng)定量供給裝置定量送入金屬套筒中；第三步 在集注射、攪拌、輸送功能為一體的金屬套筒裝置內(nèi)，采用螺旋輸送桿對金屬套筒中的金屬粉末施以剪切力，在此剪切過程中通過溫度調(diào)整，將金屬粉末轉(zhuǎn)變?yōu)楣桃夯旌蠣顟B(tài)；第四步 利用注射機將上述的半固態(tài)漿料射出至一模具內(nèi)成形，形成半固態(tài)注射成形產(chǎn)品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎂合金半固態(tài)注射成形的方法，其特征在于所說的金屬粉末由氣體霧化方法制備成尺寸為50-700μm；合金粉末可以采用單獨制備或采用由幾種合金粉末經(jīng)機械攪拌而成的混合粉末，并可以加入預合金粉增強合金粉末的流動性。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎂合金半固態(tài)注射成形裝置的方法，其特征在于所說的半固態(tài)漿料的固相體積分數(shù)、初生相晶粒的大小及組織結(jié)構(gòu)可由螺旋輸送桿轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的攪拌剪切強度以及加熱器和冷卻器共同控制和調(diào)整。
4.一種鎂合金半固態(tài)注射成形方法采用的裝置，包括金屬粉末混合裝置和注射機兩部分組成，其特征在于所說的金屬粉末混合裝置(4)由金屬粉末攪拌容器(21)和其下方的金屬粉末存儲容器(24)組成；所說的注射機(16)包括一集注射、攪拌、輸送功能為一體的金屬套筒裝置(12)，它由套筒和內(nèi)部的螺旋輸送桿(13)組成，螺旋輸送桿(13)由旋轉(zhuǎn)機構(gòu)(15)驅(qū)動，套筒的外圍裝有可對套筒的不同部位進行溫度控制的冷卻器(11)和加熱器(10)；在注射機加料斗(7)與金屬套筒裝置(12)之間裝有可振動的定量供給裝置(8)，金屬粉末存儲容器(24)內(nèi)的金屬粉末(6)通過氣體輸送泵(25)注入注射機加料斗(7)內(nèi)；金屬套筒裝置(12)套筒的出料口穿過靜模板與模具(17)相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的鎂合金半固態(tài)注射成形裝置，其特征在于所說的金屬粉末攪拌容器(21)上設有金屬粉末加入口(20)和通入保護氣體(9)的氣體保護進口(22)。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的鎂合金半固態(tài)注射成形裝置，其特征在于所說的金屬粉末攪拌容器(21)內(nèi)采用由攪拌電機(19)驅(qū)動的葉片式攪拌器(23)。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的鎂合金半固態(tài)注射成形裝置，其特征在于所說的注射機(16)內(nèi)的螺旋輸送桿(13)將金屬套筒裝置(12)分為三個區(qū)域，兩端為混合區(qū)，中間為螺旋段，區(qū)域I設在靠近注射機加料斗(7)的部位，區(qū)域III設在靠近模具(17)處的噴嘴段。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的鎂合金半固態(tài)注射成形裝置，其特征在于所說的保護氣體(9)可選氮氣、氬氣或六氟化硫中的任一種氣體，或幾種構(gòu)成混合氣體。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的鎂合金半固態(tài)注射成形裝置，其特征在于所說的模具(17)裝有加熱裝置，并配有抽真空接口。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種金屬成形技術(shù)中金屬半固態(tài)漿料制備方法和裝置，屬于金屬加工工藝領(lǐng)域。其目的在于提供一種可以降低原材料成本，提高成品率及產(chǎn)品質(zhì)量的鎂合金半固態(tài)注射成形方法和裝置。注射成形的方法包括金屬粉末進行混合；氣體保護；定量供給；在集注射、攪拌、輸送功能為一體的金屬套筒裝置內(nèi)將金屬粉末轉(zhuǎn)變?yōu)楣桃夯旌蠣顟B(tài)；半固態(tài)注射成形。注射成形裝置由金屬粉末混合裝置和注射機兩部分組成，金屬粉末混合裝置由金屬粉末攪拌容器和金屬粉末存儲容器組成；注射機包括一集注射、攪拌、輸送功能為一體的金屬套筒裝置，它由套筒和內(nèi)部的螺旋輸送桿組成，套筒的外圍裝有可對套筒的不同部位進行溫度控制的冷卻器和加熱器。
文檔編號B22F3/22GK1817512SQ20061001664
公開日2006年8月16日 申請日期2006年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月9日
發(fā)明者曲斌, 崔曉鵬 申請人:曲斌, 崔曉鵬