專利名稱：制造模鑄部件的方法
制造模鑄部件的方法本發(fā)明涉及ー種制造由鋁合金制成的模鑄部件的方法。由于不斷增長的對減輕重量的需求，由鋁合金制成的模鑄部件正在更頻繁地被使用，尤其是用于汽車エ業(yè)。出 于鑄造技術(shù)的原因，通常壁厚約2mm的鋳造部件不能通過常規(guī)模鑄方法下沖(undershot)，例如對于空間構(gòu)架結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)而言。使用觸變鑄造(thixocasting)或流變鑄造(rheocasting)用部分固體的金屬熔體填充模鑄模具可得到對模具更好的填充，從而可能進(jìn)ー步降低鑄件壁的厚度至約1_。然而，隨著壁厚的減小，減少的カ吸收能力逐漸成為限制因素。這個(gè)缺點(diǎn)本身可以通過向鋁合金基體中加入納米顆粒來抵消。然而，缺少合適的節(jié)省成本地制造以納米顆粒加強(qiáng)的鋁合金的方法以及將其制備成用于模鑄的部分固體的金屬熔體的方法。本發(fā)明的目的是提供一種在開篇中提及類型的方法，以此方法，部分固體的鋁合金熔體可以連續(xù)地以節(jié)省成本的方式提供，并進(jìn)一歩加工形成模鑄部件。本發(fā)明的另ー個(gè)目的是提供ー種制造以納米顆粒加強(qiáng)并且由鋁合金制成的模鑄部件的方法，以此方法，部分固體的鋁合金熔體可以在所述方法中典型的剪切力作用下以具有高度細(xì)分散的納米顆粒的方式連續(xù)地以節(jié)省成本的方式提供，并進(jìn)一歩加工形成模鑄部件。根據(jù)本發(fā)明，第一個(gè)目的以這樣的方式實(shí)現(xiàn)鋁合金在混合和捏合器中暴露于高剪切力下，所述混合和捏合器具有包含工作空間——其被內(nèi)部殼套包圍——以及蝸桿軸和捏合柱的殼體(housing),所述蝸桿軸在內(nèi)部殼套中圍繞縱軸旋轉(zhuǎn)并沿著縱軸方向往復(fù)平移運(yùn)動(dòng)并且具有捏合刀，所述捏合柱固定于內(nèi)部殼套并且伸至所述工作空間，其中液體鋁合金從所述殼體的一端注入工作空間，在殼體的另一端作為具有預(yù)定固含量的部分固體鋁合金從工作空間中移出，轉(zhuǎn)移到模鑄機(jī)器的填充室并且通過活塞引入鑄造模具，其中通過以目標(biāo)方式冷卻和加熱所述工作空間而將工作空間中的鋁合金的固含量調(diào)節(jié)至預(yù)定的固含量。此處，存在于捏合過程中的部分固化相態(tài)中的高剪切力連續(xù)地粉碎所形成的樹枝狀分支，這導(dǎo)致増加的模鑄部件的延展性。高的壓縮カ另外導(dǎo)致更強(qiáng)的傳熱，這最終使得可更精確地調(diào)節(jié)鋁合金中的固含量。根據(jù)本發(fā)明，第二個(gè)目的以這樣的方式實(shí)現(xiàn)納米顆粒在混合和捏合器中與鋁合金混合并通過高剪切力而精細(xì)地分散于所述鋁合金中，所述混合和捏合器具有包含工作空間——其被內(nèi)部殼套包圍——以及蝸桿軸和捏合柱的殼體，所述蝸桿軸在內(nèi)部殼套中圍繞縱軸旋轉(zhuǎn)并在縱軸方向上往復(fù)平移運(yùn)動(dòng)并且具有捏合刀，所述捏合柱固定于內(nèi)部殼套并且伸至所述工作空間，其中液體鋁合金和納米顆粒從殼體的一端注入工作空間，在殼體的另一端作為具有預(yù)定固含量且納米顆粒精細(xì)地分散于鋁合金中的部分固體鋁合金從工作空間中移出，轉(zhuǎn)移到模鑄機(jī)器的填充室并且通過活塞引入鑄造模具，其中通過以目標(biāo)方式冷卻和加熱所述工作空間而將工作空間中的鋁合金的固含量調(diào)節(jié)至預(yù)定的固含量。此處，存在于捏合過程中的部分固化相態(tài)中的高剪切力，除了粉碎所形成的樹枝狀分支和由此得到的更高延展性之外，可精細(xì)地分散納米顆粒，這是其増加強(qiáng)度效果所需的。所述內(nèi)部殼套被ー個(gè)外部殼套包圍是有利的，從而形成了優(yōu)選為空心圓柱形式的中間空間，冷和/或熱的氣體通過該中間空間進(jìn)行傳導(dǎo)以冷卻和加熱所述工作空間。空氣一優(yōu)選壓縮空氣一優(yōu)選通過中間空間進(jìn)行傳導(dǎo)以用于冷卻，熱氣一優(yōu)選燃燒氣體一優(yōu)選通過中間空間進(jìn)行傳導(dǎo)以用于加熱。所述氣體優(yōu)選地通過中間空間以與鋁合金傳輸方向逆流的方式進(jìn)行傳導(dǎo)。鋁合金的固含量優(yōu)選設(shè)定為40至80%，特別是設(shè)定為高于50%。在本發(fā)明方法的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，所述部分固體鋁合金作為部分固體金屬線從工作空間中移出。持續(xù)涌出的部分固體金屬線被分成部分固體金屬部分，然后該部分固體金屬部分被轉(zhuǎn)移到模鑄機(jī)器的填充室中。所述合金中納米顆粒的含量優(yōu)選為約O. I至10重量％。合適的節(jié)省成本的納米顆粒優(yōu)選由熱解法ニ氧化娃(例如Aerosil )組成。然而，也可以使用其他納米顆粒，例如已知的碳納米管(CNT)以及其他的例如由已知的Aerosil 方法制備的并且由金屬和半金屬氧化物制成的納米尺度的顆粒，所述金屬和半金屬氧化物例如氧化鋁(Al2O3)、ニ氧化鈦(TiO2)、氧化鋯(ZrO2)、氧化銻(III)、氧化鉻(III)、氧化鐵(III)、氧化鍺(IV)、氧化釩(V) 或氧化鎢(VI)。通過以下對優(yōu)選的示例性實(shí)施方案的描述并參考附圖
，本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)、特征和細(xì)節(jié)將更清楚，所述附圖僅用于闡述而不應(yīng)被理解為具有限制作用。在圖中，示意性地圖I示出了通過具有上游混合和捏合器的模鑄機(jī)器的縱剖面；圖2示出了通過混合和捏合器部分的縱剖面；圖3示出了通過圖I所示的混合和捏合器的截面；圖4示出了產(chǎn)物流中特征性的剪切和拉伸流場，由捏合刀經(jīng)過捏合柱引起；圖5示出了用圖I的裝置連續(xù)生產(chǎn)用于模鑄的部分固體原材料。如圖I所示，一個(gè)用于模鑄任選地以納米顆粒加強(qiáng)的且由鋁合金制成的模鑄部件的設(shè)備，具有模鑄機(jī)器10和位于模鑄機(jī)器10的上游的混合和捏合器30。模鑄機(jī)器10——在圖中僅部分表示——是市售可得的常規(guī)用于模鑄鋁合金的機(jī)器，并尤其具有填充室12，其連接于鑄造模具的固定側(cè)18，具有開ロ 16用于接收待通過活塞20從填充室12擠出并引入鑄造模具的模具腔14的金屬。混合和捏合器30在圖2和3中詳細(xì)示出。這種混合和捏合器的基本設(shè)計(jì)已知干，例如，CH-A-278575。所述混合和捏合器30具有包含工作空間34的殼體31，所述工作空間被內(nèi)部殼套32包圍并且其中安裝有蝸桿軸36，其圍繞縱軸X旋轉(zhuǎn)并且在內(nèi)部殼套32內(nèi)沿著縱軸X方向往復(fù)平移運(yùn)動(dòng)。蝸桿軸36在圓周方向上被斷開，從而形成各捏合刀38。從而在各個(gè)捏合刀38之間形成軸向通過開ロ 40。捏合柱42從內(nèi)部殼套32的內(nèi)側(cè)伸至工作空間34。殼體側(cè)的捏合柱42嚙合入排列在主軸或蝸桿軸36的捏合刀38的軸向通過開ロ40。與蝸桿軸36同心排布的傳動(dòng)軸44在端部伸出內(nèi)部殼套32并連接到用于實(shí)施蝸桿軸36的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)單元(圖中未示出)。與蝸桿軸36配合用于實(shí)施蝸桿軸36的平移運(yùn)動(dòng)的設(shè)備也未在圖中示出。混合和捏合器30的圓柱形內(nèi)部殼套32——其限定工作空間34——被圓柱形外部殼套46包圍。內(nèi)部殼套32和外部殼套46形成雙層護(hù)套，從而圍出ー個(gè)空心圓柱形式的中間空間48。用于將液體鋁合金和任選的納米顆粒注入工作空間34的進(jìn)入口 50位于殼體31的靠近蝸桿軸36的驅(qū)動(dòng)側(cè)的一端。盡管圖中只示出了ー個(gè)進(jìn)入口 50，但也可以提供兩個(gè)獨(dú)立的用于鋁合金和用于納米顆粒的進(jìn)入口。原則上，也可以甚至在將液體鋁合金引入捏合和混合器30之前將納米顆粒與金屬混合。用于移出任選地納米顆粒分散于其中的部分固體鋁合金的出ロ 52位于內(nèi)部殼套32的遠(yuǎn)離蝸桿軸36的驅(qū)動(dòng)側(cè)的一端。用于將冷或熱氣體引入中間空間48的入口 54、56在外部殼套46上位于殼體31的遠(yuǎn)離蝸桿軸36驅(qū)動(dòng)側(cè)的一端。相應(yīng)地，用于將氣體從中間空間48中排出的出ロ 58、60位于殼體31的靠近蝸桿軸36驅(qū)動(dòng)側(cè)的一端。為了確保氣體——其均勻分布在內(nèi)部殼套32的周圍——從入口 54、56向出ロ 58、60的最大通流，從而均勻地從工作空間34釋放熱量或均勻地向工作空間34引入熱量，入口和出口 54、56和58、60分別如圖3所示排布成均勻地圍繞外部殼套46的圓周分布。圖4以示意圖的方式示出了產(chǎn)物流P的特征性的剪切和拉伸流場，其在根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)形成的混合和捏合器30的情況中由捏合刀38經(jīng)過捏合柱42而引起。捏合刀38旋轉(zhuǎn)的方向由彎曲箭頭A示意性地指出，而捏合刀38的平移運(yùn)動(dòng)由雙頭箭頭B表示。捏合刀38的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)表示其尖端切開產(chǎn)物流P，如箭頭C、D所示。在捏合柱42和捏合刀38的主面39——其朝向捏合柱42——之間具有間隙41，其寬度根據(jù)蝸桿軸36的旋轉(zhuǎn)和平移運(yùn)動(dòng) 而變化，捏合刀38經(jīng)過捏合柱42。產(chǎn)物流P在該間隙41中出現(xiàn)剪切過程，如箭頭E所示。產(chǎn)物流P膨脹并且在捏合柱42的上游和下游處重新取向，如旋轉(zhuǎn)箭頭F、G所示。如開篇中已經(jīng)提及的，捏合刀38和捏合柱42具有最大的匯合，并且由此產(chǎn)生對于每個(gè)剪切循環(huán)而言由于各捏合刀38在一條線上的正弦軸向運(yùn)動(dòng)而在物流P中的最大剪切率。在下文中，以示例的方式，參考圖I和2對用于模鑄任選地以納米顆粒加強(qiáng)的且由鋁合金制成的模鑄部件的機(jī)器的運(yùn)行模式作更詳細(xì)的描述。將ー種保持在合金液相線溫度以上的鋁合金熔體通過進(jìn)入口 50以計(jì)量形式単獨(dú)地或與納米顆粒一起注入工作空間34。部分固化的招合金與納米顆粒在捏合刀38與捏合柱42之間的壓緊導(dǎo)致施加高剪切力，這導(dǎo)致樹枝狀分支的粉碎并使以附聚物形式存在的納米顆粒精細(xì)地分散。有效的均勻混合是通過結(jié)合徑向和縱向的混合效果而實(shí)現(xiàn)的。通過控制流經(jīng)內(nèi)部殼套32和外部殼套46之間的中間空間48的冷和熱氣體的流動(dòng)，來調(diào)節(jié)工作空間34中鋁合金的固含量，使其在金屬通過出口 52而移出時(shí)在所需的范圍內(nèi)。通過測量金屬熔體在捏合和混合器中的粘度改變來調(diào)節(jié)所需的鋁合金固含量。所述粘度——其隨著部分固體鋁合金固含量的増加而增加——可以例如通過測量蝸桿軸36的驅(qū)動(dòng)軸44處的旋轉(zhuǎn)阻カ而確定。通過測定針對經(jīng)限定的固含量的旋轉(zhuǎn)阻力，可以指定適當(dāng)?shù)脑O(shè)定點(diǎn)值，通過控制流經(jīng)內(nèi)部殼套32和外部殼套46之間的中間空間48的冷和熱氣體的流動(dòng)將經(jīng)測量的實(shí)際值調(diào)整至所述設(shè)定點(diǎn)值。具有所需固含量并任選含有細(xì)分散的納米顆粒的鋁合金通過進(jìn)入口 16引入模鑄機(jī)器10的填充室12，通過活塞20以已知的方式間歇地從填充室12注入鑄造模具的模具腔14。參考圖5，下文以示例的方式，對連續(xù)生產(chǎn)用于模鑄任選地以納米顆粒加強(qiáng)并由鋁合金制成的模鑄部件的部分固體棒狀原材料提供了更詳細(xì)的解釋。保留上文參考圖I和2所解釋的運(yùn)行模式。具有所需固含量并任選地含有細(xì)分散的納米顆粒的鋁合金連續(xù)地通過出ロ 52以部分固體金屬線70的形式噴出。部分固體金屬部分72由部分固體金屬線70切割成指定長度而得到，例如使用旋轉(zhuǎn)刀。所述部分固體金屬部分72通常各自對應(yīng)生產(chǎn)單個(gè)的模鑄部件所需的金屬量，并且在毎次沖模中被分別轉(zhuǎn)移至模鑄機(jī)器10的填充室12中，通過活塞20以已知的方式間歇地從填充室12注入鑄造模具的模具腔14。部分固體金屬線70通常在水平方向的蝸桿軸36的縱軸X方向上離開混合和捏合 器30，但是另ー個(gè)(例如垂直)出口方向也是可以想到的。金屬線70的截面由出口 52的截面決定，并且通常是圓形的。部分固體金屬部分72可以例如用鉗子夾住并轉(zhuǎn)移到模鑄機(jī)器10的填充室12中。
權(quán)利要求
1.一種制備由鋁合金制成的模鑄部件的方法，其特征在于 所述鋁合金在混合和捏合器(30)中暴露于高剪切力下，所述混合和捏合器(30)具有包含工作空間(34)——其被內(nèi)部殼套(32)包圍——以及蝸桿軸(36)和捏合柱(42)的殼體(31)，所述蝸桿軸(36)在內(nèi)部殼套(32)中圍繞縱軸(X)旋轉(zhuǎn)并沿著縱軸(X)方向往復(fù)平移運(yùn)動(dòng)并且具有捏合刀(38)，所述捏合柱(42)固定于內(nèi)部殼套(32)并且伸至所述工作空間(34)，其中液體鋁合金從所述殼體(31)的一端注入工作空間(34)，在殼體(31)的另一端作為具有預(yù)定固含量的部分固體鋁合金從工作空間(34)中移出，轉(zhuǎn)移到模鑄機(jī)器(10)的填充室(12)并且通過活塞(20)引入鑄造模具，其中通過以目標(biāo)方式冷卻和加熱所述工作空間(34)而將工作空間(34)中的鋁合金的固含量調(diào)節(jié)至預(yù)定的固含量。
2.權(quán)利要求I的方法，其特征在于內(nèi)部殼套(32)被外部殼套(46)包圍，從而形成優(yōu)選為空心圓柱形式的中間空間(48)，使冷和/或熱氣體通過中間空間(48)傳導(dǎo)以冷卻和加熱工作空間(34)。
3.權(quán)利要求2的方法，其特征在于使空氣——優(yōu)選壓縮空氣——通過中間空間(48)傳導(dǎo)以用于冷卻，使熱氣——優(yōu)選燃燒氣體——通過中間空間(48 )傳導(dǎo)以用于加熱。
4.權(quán)利要求2或3的方法，其特征在于所述氣體以與鋁合金傳輸方向逆流的方式通過中間空間(48)進(jìn)行傳導(dǎo)。
5.權(quán)利要求I至4中任一項(xiàng)的方法，其特征在于為了設(shè)定所需的固含量，測定鋁合金在工作空間(34)中的粘度并通過以目標(biāo)方式冷卻和加熱工作空間(34)而將其調(diào)節(jié)至預(yù)定值。
6.權(quán)利要求I至5中任一項(xiàng)的方法，其特征在于鋁合金的固含量設(shè)定為40至80%，優(yōu)選設(shè)定為高于50%。
7.權(quán)利要求I至6中任一項(xiàng)的方法，其特征在于部分固體鋁合金作為部分固體金屬線(70)從工作空間(34)中移出，所述部分固體金屬線(70)被分成部分固體金屬部分(72)，部分固體金屬部分(72)被轉(zhuǎn)移到模鑄機(jī)器(10)的填充室(12)中。
8.權(quán)利要求I至7中任一項(xiàng)的方法，其特征在于為了制造以納米顆粒加強(qiáng)的模鑄部件，納米顆粒在混合和捏合器(30)中通過高剪切力與鋁合金混合并精細(xì)地分散于所述鋁合金中，其中液體鋁合金和納米顆粒在殼體(31)的一端注入工作空間(34 )，并且在殼體(31)的另一端作為具有預(yù)定固含量并且納米顆粒精細(xì)地分散于所述鋁合金中的部分固體鋁合金從工作空間(34)中移出。
9.權(quán)利要求8的方法，其特征在于所述納米顆粒在合金中的含量為O.I至10體積％。
10.權(quán)利要求9的方法，其特征在于所使用的納米顆粒為熱解法二氧化硅、碳納米管(CNT)以及其他的金屬和半金屬氧化物的納米尺度顆粒，所述金屬和半金屬氧化物例如氧化鋁(Al2O3)、二氧化鈦(TiO2)、氧化鋯(ZrO2)、氧化銻(III)、氧化鉻(III)、氧化鐵(III)、氧化鍺(IV)、氧化釩(V)或氧化鎢(VI)。
全文摘要
在一種制備由鋁合金制成的模鑄部件的方法中，所述鋁合金在混合和捏合器(30)中暴露于高剪切力下，所述混合和捏合器(30)具有包含工作空間(34)——其被內(nèi)部殼套(32)包圍——以及蝸桿軸(36)的殼體(31)，所述蝸桿軸(36)在內(nèi)部殼套(32)中圍繞縱軸(x)旋轉(zhuǎn)并沿著縱軸(x)方向往復(fù)平移運(yùn)動(dòng)并且具有捏合刀(38)，以及捏合柱(38)，所述捏合柱(38)固定于內(nèi)部殼套(32)并且伸至所述工作空間(34)，其中液體鋁合金從所述殼體(31)的一端注入工作空間(34)，在殼體(31)的另一端作為具有預(yù)定固含量的部分固體鋁合金從工作空間(34)中移出，轉(zhuǎn)移到模鑄機(jī)器(10)的填充室(12)并且通過活塞(20)引入鑄造模具，其中通過以目標(biāo)方式冷卻和加熱所述工作空間(34)而將工作空間(34)中的鋁合金的固含量調(diào)節(jié)至預(yù)定的固含量。
文檔編號C22C1/02GK102834203SQ201080065674
公開日2012年12月19日 申請日期2010年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月24日
發(fā)明者R·弗蘭克 申請人:萊茵費(fèi)爾登合金有限責(zé)任兩合公司