專利名稱：一種制備金屬半固態(tài)漿料的方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金屬材料的半固.態(tài)加工的方法和裝置，屬于金屬加工的近 終成形技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在金屬凝固過程中，在固液兩相共存溫度區(qū)間進(jìn)行劇烈攪拌、或改變金屬 的熱狀態(tài)、或加入晶粒細(xì)化劑、或進(jìn)行快速凝固，得到一種液態(tài)金屬母液中均 勻懸浮著一定球狀初生固相的固液混合漿料，這種半固態(tài)金屬漿料具有流變特 性，即在外力作用下半固態(tài)金屬漿料具有很好的流動(dòng)性，易于通過普通加工方 法制成產(chǎn)品，采用這種即非完全液態(tài)，又非完全固態(tài)的金屬漿料加工成形的方
法，稱為半固態(tài)金屬加工技術(shù)(Semi-Solid Metal forming,簡稱SSM)。
半固態(tài)金屬加工技術(shù)是一種高效節(jié)能的近終成形新技術(shù)，與過熱液態(tài)金屬 鑄造相比，半固態(tài)金屬含有一定體積分?jǐn)?shù)的球狀初生固相，半固態(tài)金屬成形零 件致密、力學(xué)性能高、機(jī)械加工量少、模具壽命長；與固態(tài)金屬鍛造相比，半 固態(tài)金屬含有一定體積分?jǐn)?shù)的液相，半固態(tài)金屬成形零件復(fù)雜、易于近終成形 (Net-shape )、機(jī)械加工量少。因此，半固態(tài)金屬工藝的主要優(yōu)點(diǎn)有(l)產(chǎn)品 晶粒細(xì)化，沒有粗大的樹枝狀結(jié)晶，可消除內(nèi)部裂紋、孔隙、成分偏析等鑄造 缺陷，鑄件致密度高，質(zhì)量均勻；(2)減輕了鑄造裝置和模具的熱負(fù)荷，可延 長設(shè)備壽命和大幅度提高生產(chǎn)率；(3)能直接加工成接近最終形狀的制品；(4) 與現(xiàn)行工藝相比，半固態(tài)加工技術(shù)可大幅度縮減制造工序，且生產(chǎn)率高、便于 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等。由于具有以上優(yōu)點(diǎn)，半固態(tài)金屬成形技術(shù)研究及應(yīng)用引起世界 各國的高度重視，涌現(xiàn)了機(jī)械攪拌法、電磁攪拌法、應(yīng)變誘發(fā)熔體激活法、等 溫?zé)崽幚矸?、固液混合鑄造法、冷卻斜槽法(傾斜板法)等各種各樣的漿料制 備方法。
但是上述單一的方法存在金屬液容易被氧化、溫度控制要求苛刻、定量不 方便、流程長等問題。針對上述問題本發(fā)明提出了一種短流程、防止氧化、定 量方便、溫度控制方便、適于壓鑄或擠壓鑄造金屬半固態(tài)流變成形的漿料制備 方法和裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供 一 種制備金屬半固態(tài)漿料的方法及其裝 置，可滿足短流程制備無氧化、質(zhì)量良好的金屬半固態(tài)漿料，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)金屬 液的準(zhǔn)確定量和溫度控制。
解決本發(fā)明的技術(shù)問題所釆用的制備金屬半固態(tài)漿料的方法是通過壓力作用使金屬熔體從圓形料簡經(jīng)過轉(zhuǎn)彎流經(jīng)截面積小于圓形料簡的扁平通道，在金屬熔體內(nèi)部形成細(xì)小圓整的先共晶相，獲得金屬半固態(tài)漿料。
所述的圓形料簡與扁平通道的轉(zhuǎn)彎角度為可調(diào)整90。 120° ,扁平通道工
作溫度為5CTC 25(TC,且整個(gè)壓力制備金屬半固態(tài)漿料過程在密封狀態(tài)進(jìn)行。
本發(fā)明所述方法的具體工藝步驟為(l)將圓柱形沖頭送入到圓形料簡中間位置，開啟圓形料簡的加熱元件，預(yù)熱至15(TC 30(TC,預(yù)熱過程中噴灑涂料；(2)將扁平?jīng)_頭送入到扁平通道中間位置，開啟扁平通道的加熱元件，預(yù)熱至50'C 25(TC,預(yù)熱過程中噴灑涂料；(3)將鉸接的兩半扁平通道合型；(4)將定量好的金屬液通過圓形料簡的料口倒入其中，開啟圓柱形沖頭，將金屬熔體擠入扁平通道內(nèi)；(5)待金屬熔體全部壓入扁平通道內(nèi)，啟動(dòng)扁平?jīng)_頭，制備出固相分?jǐn)?shù)在0.1 0.9之間的金屬半固態(tài)漿料，并將扁平通道內(nèi)的漿料全部送入壓鑄機(jī)的料室或擠壓鑄造機(jī)的模具內(nèi)。
本發(fā)明所采用的相應(yīng)裝置的結(jié)構(gòu)為金屬液的入料端設(shè)置圓形料簡與相應(yīng)的圓柱形沖頭配合的柱塞式射料機(jī)構(gòu)，圓形料簡的末端連接截面積小于圓形料簡的扁平通道，且二者成90。 120°夾角，扁平通道的入口端配置有扁平?jīng)_頭，扁平通道的出口端連接壓鑄機(jī)的料室或擠壓鑄造機(jī)的模具。
本發(fā)明裝置的扁平通道在垂直于短軸方向分為兩半，通過鉸鏈將兩半連接起來，從而方便清理通道和在通道內(nèi)噴灑涂料，且扁平通道的截面寬度方向與圓形料簡的徑向一致。
在所述的制備金屬半固態(tài)漿料的裝置中，圓形料簡和扁平通道的壁上都分別設(shè)置有加熱元件和冷卻元件。圓形料筒和扁平通道的壁上的加熱元件采用電阻加熱元件，冷卻元件采用冷卻水通道。
本發(fā)明所述裝置的圓形料簡的內(nèi)徑等于扁平通道的寬，扁平通道的厚等于3 mm 6mm，扁平通道的長度為300 mm 500mm。
本發(fā)明的有益效果是
(1) 在壓力作用下，圓柱形沖頭和扁平?jīng)_頭能夠?qū)⒔饘偃垠w全部擠出進(jìn)入下一道成形工序，不會(huì)在通道內(nèi)中粘連而殘留，實(shí)現(xiàn)金屬熔體的準(zhǔn)確定量；
(2) 在壓力作用下，金屬熔體首先在料簡內(nèi)就被強(qiáng)制過冷，促使初生相形
核；
(3) 變通道角(90° 120° )對在壓力作用下流動(dòng)的金屬熔體產(chǎn)生強(qiáng)烈的剪切作用，可進(jìn)一步促進(jìn)形核，同時(shí)破碎初生相；
(4) 金屬熔體在壓力作用下，流經(jīng)尺寸較小的扁平通道內(nèi)被再次過冷、剪切，初生相進(jìn)一步大量形核、破碎細(xì)化；
(5) 半固態(tài)漿料在壓力作用下流動(dòng)而得，通過調(diào)節(jié)通道的溫度，固相分?jǐn)?shù)能夠在0.1-0.9之間進(jìn)行控制，尤其在高固相分?jǐn)?shù)的漿料制備方面具有顯著的優(yōu)勢；
(6) 圓柱形料簡、扁平通道背面均設(shè)置冷卻和加熱裝置，通過調(diào)節(jié)冷卻水
流量和加熱電流，達(dá)到方便、準(zhǔn)確控制漿料制備溫度；
(7) 將本裝置安裝在壓力鑄造機(jī)或擠壓鑄造機(jī)的進(jìn)料系統(tǒng)上端，能夠?qū)崿F(xiàn) 短流程半固態(tài)流變壓力鑄造或擠壓鑄造成形；
(8) 由于漿料靠壓力送入壓鑄機(jī)或擠壓鑄造機(jī)的進(jìn)料系統(tǒng)，在不改變上述 設(shè)備的結(jié)構(gòu)條件下，能夠方便實(shí)現(xiàn)高固相分?jǐn)?shù)半固態(tài)金屬的壓鑄和擠壓鑄造流 變成形；
(9) 整個(gè)漿料的制備過程都在密閉的系統(tǒng)中進(jìn)行，能夠有效防止金屬熔體 被氧化。


圖1為本發(fā)明制備金屬半固態(tài)漿料的裝置結(jié)構(gòu)示意圖， 圖2為本發(fā)明制備金屬半固態(tài)漿料的裝置的扁平通道示意圖， 圖3采用本發(fā)明方法獲得的Al-Si合金半固態(tài)組織顯微對比圖像。 在圖l、 2中各標(biāo)號依次表示圓柱形沖頭l、料簡料口2、圓形料簡3、料 簡加熱元件4、料筒冷卻元件5、扁平?jīng)_頭6、左半扁平通道7、左半扁平通道冷 卻元件8、左半扁平通道加熱元件9、右半扁平通道IO、右半扁平通道加熱元件 11、右半扁平通道冷卻元件12、壓鑄機(jī)沖頭13、壓鑄機(jī)料室14、壓鑄機(jī)料口 15。 在圖3中，(a)為鑄態(tài)組織顯微圖像，(b)為半固態(tài)組織顯微圖像?？梢娮?通道角對先共晶a和過共晶Si相產(chǎn)生了顯著的細(xì)化和球化效果，同時(shí)^共晶a 和共晶Si都有很大程度的細(xì)化和球化。
具體實(shí)施例方式
參見圖1、 2,本發(fā)明的裝置包括通道系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)及輔助裝置三大 部分。其中通道系統(tǒng)由圓柱形沖頭l、、扁平?jīng)_頭6、左半扁平通道7、右半扁平 通道10組成，圓形料簡3與相應(yīng)的圓柱形沖頭1配合成為柱塞式射料機(jī)構(gòu)，而 扁平?jīng)_頭6與左半扁平通道7和右半扁平通道10配合成為另 一柱塞式射料機(jī)構(gòu)。 溫度控制系統(tǒng)由料簡加熱元件4、左半扁平通道加熱元件9和右半扁平通道加熱 元件11、料簡冷卻元件5、左半扁平通道冷卻元件8和右半扁平通道冷卻元件 12組成，這些加熱和冷卻元件均分別設(shè)置在圓形料簡和扁平通道的外壁中。輔 助裝置由提供壓力的液壓系統(tǒng)、溫度監(jiān)測和記錄系統(tǒng)、裝置的固定等系統(tǒng)、壓鑄 機(jī)沖頭13和壓鑄機(jī)料室14組成。圓形料簡3和扁平通道7和IO的壁上的加熱 元件采用電阻加熱元件，冷卻元件則都采用冷卻水通道。圓形料筒3的內(nèi)徑等 于兩半組合成的扁平通道之寬，扁平通道的厚等于3mm ~6mm,扁平通道的
5長度為300 mm 500mm。扁平通道和圓形料簡3之間互成90° 120°的角度 釆用螺栓連接裝配在一起，可獲得最佳剪切、破碎細(xì)化效果。
本裝置漿料制備的操作程序?yàn)椋?1)將圓柱形沖頭1送入到料簡圓形3中間 位置，然后開啟料簡3的料簡加熱元件4對料簡進(jìn)行預(yù)熱至150 300°C,預(yù)熱 過程中噴灑涂料。(2)將扁平?jīng)_頭6送入到左半扁平通道7和右半扁平通道10 組裝成的通道中間位置，然后開啟扁平通道的加熱元件9和11,將其預(yù)熱至50 250°C，預(yù)熱過程中對其噴灑涂料。(3)左半扁平通道7和右半扁平通道10。 (4) 用給湯勺將定量好的金屬液通過料簡料口 2倒入圓形料簡3內(nèi)，然后開啟圓柱形 沖頭l將金屬熔體擠入扁平通道內(nèi)。(5)待金屬熔體全部壓入扁平通道內(nèi)，啟動(dòng) 扁平?jīng)_頭6，將扁平通道6內(nèi)的漿料通過冷室壓鑄機(jī)料口 14全部送入冷室壓鑄 機(jī)的料室15或擠壓鑄造機(jī)的模具內(nèi)，進(jìn)行壓力鑄造或擠壓鑄造成形。
權(quán)利要求
1、一種制備金屬半固態(tài)漿料的方法，其特征是通過壓力作用使金屬熔體從圓形料筒經(jīng)過轉(zhuǎn)彎流經(jīng)截面積小于圓形料筒的扁平通道，在金屬熔體內(nèi)部形成細(xì)小圓整的先共晶相，獲得金屬半固態(tài)漿料。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的制備金屬半固態(tài)漿料的方法，其特征是圓形料簡與扁平通道的轉(zhuǎn)彎角度為90° 120° ，扁平通道工作溫度為50°C 250°C,且整個(gè)壓力制備金屬半固態(tài)漿料過程在密封狀態(tài)進(jìn)行。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備金屬半固態(tài)漿料的方法，其特征是具體工藝步驟為(l)將圓柱形沖頭送入到圓形料筒中間位置，開啟圓形料簡的加熱元件，預(yù)熱至15(TC 30(TC，預(yù)熱過程中噴灑涂料；(2)將扁平?jīng)_頭送入到扁平通道中間位置，開啟扁平通道的加熱元件，預(yù)熱至50'C 25(TC，預(yù)熱過程中噴灑涂料；(3)將鉸接的兩半扁平通道合型；(4)將定量好的金屬液通過圓形料簡的料口倒入其中，開啟圓柱形沖頭，將金屬熔體擠入扁平通道內(nèi)；(5)待金屬熔體全部壓入扁平通道內(nèi)，啟動(dòng)扁平?jīng)_頭，制備出固相分?jǐn)?shù)在0.1 0.9之間的金屬半固態(tài)漿料，并將扁平通道內(nèi)的漿料全部送入壓鑄機(jī)的料室或擠壓鑄造機(jī)的模具內(nèi)。
4、 一種制備金屬半固態(tài)漿料的裝置，其特征是金屬液的入料端設(shè)置圓形料筒與相應(yīng)的圓柱形沖頭配合的柱塞式射料機(jī)構(gòu)，圓形料簡的末端連接截面積小于圓形料簡的扁平通道，且二者成90。 120°夾角，扁平通道的入口端配置有扁平?jīng)_頭，扁平通道的出口端連接壓鑄機(jī)的料室或擠壓鑄造機(jī)的模具。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備金屬半固態(tài)漿料的裝置，其特征是扁平通道在垂直于短軸方向分為兩半，通過鉸鏈將兩半連接起來，且扁平通道的截面寬度方向與圓形料簡的徑向一致。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備金屬半固態(tài)漿料的裝置，其特征是在圓形料簡和扁平通道的壁上都分別設(shè)置有加熱元件和冷卻元件。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的制備金屬半固態(tài)漿料的裝置，其特征是圓形料簡的內(nèi)徑等于扁平通道的寬，扁平通道的厚等于3 mm 6mm，扁平通道的長度為300mm 500mm。
8、 根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的制備金屬半固態(tài)漿料的裝置，其特征是圓形料簡和扁平通道的壁上的加熱元件釆用電阻加熱元件，冷卻元件釆用冷卻水通道。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種金屬材料的半固態(tài)加工的方法和相應(yīng)的裝置，屬于金屬加工的近終成形技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明是采用圓形料筒與相應(yīng)的圓柱形沖頭配合的柱塞式射料機(jī)構(gòu)，通過壓力作用使金屬熔體從圓形料筒經(jīng)過轉(zhuǎn)彎流經(jīng)截面積小于圓形料筒的扁平通道，金屬熔體在壓力作用下，流經(jīng)方向改變、截面尺寸減小的通道而產(chǎn)生強(qiáng)烈的剪切、激冷，促使先共晶相快速形核長大并被破碎細(xì)化，獲得高質(zhì)量的金屬半固態(tài)漿料。本發(fā)明的方法和裝置可滿足短流程制備無氧化、質(zhì)量良好的金屬半固態(tài)漿料，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)金屬液的準(zhǔn)確定量和溫度控制。
文檔編號B22D17/00GK101670425SQ20091009467
公開日2010年3月17日 申請日期2009年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月1日
發(fā)明者吉建立, 榮 周, 周榮鋒, 李祖來, 楊貴欽, 蔣業(yè)華, 黎振華 申請人:昆明理工大學(xué)