專利名稱：一種連續(xù)制備半固態(tài)漿料裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種肋板攪拌錐筒式半固態(tài)漿料制備裝置和方法。屬于半固態(tài)金屬加工技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
自從20世紀(jì)70年代初期，美國麻省理工學(xué)院M C Flemings等研究人員創(chuàng)立了金屬半固態(tài)成形的概念，半固態(tài)金屬漿料的制備和成形技術(shù)作為一種新型的技術(shù)引起了世界各國的廣泛關(guān)注。半固態(tài)加工是利用金屬從液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變或從固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變(即液固共存)過程中所具有的特性進(jìn)行成形的方法，這一新的成形方法綜合了凝固加工和塑性加工的長處，即加工溫度比液態(tài)低，充型平穩(wěn)，對模具熱沖擊??；變形抗力比固態(tài)小，從而有利 于成形較復(fù)雜的零件并減少功耗，提高生產(chǎn)效率。半固態(tài)成形技術(shù)主要包括觸變成形和流變成形。觸變成形工藝是將制備的半固態(tài)漿料先鑄造成坯料，經(jīng)二次加熱后，再進(jìn)行成形加工，其工藝的可控性強、過程穩(wěn)定且易操作，但工藝流程長，能耗大，成本較高。流變成形工藝由制備的半固態(tài)漿料進(jìn)行流變成形加工，具有生產(chǎn)流程短、相對成本低、設(shè)備簡單等特點，近年來受到國內(nèi)外普遍重視，發(fā)展迅速。不論是觸變成形還是流變成形，都包含有半固態(tài)制漿及半固態(tài)成形兩部分，其中，制漿是整個過程的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，如何穩(wěn)定、有效地制備出具有圓整、細(xì)小、均勻的非枝晶組織的半固態(tài)漿料成為半固態(tài)加工技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點。優(yōu)質(zhì)半固態(tài)漿料的制備是半固態(tài)金屬加工技術(shù)的前提和關(guān)鍵，目前，已有多種半固態(tài)漿料制備裝置和方法，例如英國專利UK 9922696提出了雙螺旋機(jī)械攪拌流變成形工藝；歐洲專利EP 0745691A1提出了 New Rheocasting (NRC)技術(shù)；美國專利US6645323B2 提出了 Semi-solid Rheocasting (SSR)流變成形工藝等。國內(nèi)對于半固態(tài)加工技術(shù)的研究工作開展較晚，但發(fā)展迅速。有色金屬研究總院、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京科技大學(xué)、上海大學(xué)、南昌大學(xué)、華中科技大學(xué)等許多科研院所和高校，在半固態(tài)金屬成形理論、漿料流變行為、成形工藝等方面進(jìn)行了深入的研究，并開發(fā)出各具特色的半固態(tài)漿料制備裝置和方法，有代表性的有熔體分散混合制漿裝置(專利200620018003. 9);不等徑彎道擠壓-剪切誘導(dǎo)等溫球晶化半固態(tài)坯復(fù)合制備法(專利:03132471. I);懸掛錐桶式半固態(tài)金屬漿料制備裝置(專利:200810114097. 3);低過熱度加弱電磁攪拌制漿技術(shù)(專利00109540. 74);波浪型傾斜版振動制漿裝置(專利200710011510. 9);一種輕合金半固態(tài)漿料制備裝置(專利201120425807. I)等等。以上各種制備半固態(tài)合金漿料的裝置和方法各有自己的特點，但也都存在各自的不足，大多數(shù)還只是停留在實驗室研究階段，仍需提出新的制漿裝置和技術(shù)，以便簡化工藝，降低成本，逐步推動半固態(tài)金屬加工技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種連續(xù)制備半固態(tài)漿料的裝置，解決連續(xù)穩(wěn)定制備半固態(tài)漿料的問題。該裝置采用冷卻和剪切的原理，合金熔體在制備過程中受到錐筒壁和肋板的冷卻作用，使?jié){料處于過冷的狀態(tài)，同時又受到攪拌肋板的剪切作用，初生固相直接生長為球形，得到晶粒細(xì)小的半固態(tài)漿料。一種肋板攪拌錐筒式半固態(tài)漿料制備裝置，主要由I出料口、2加熱元件、3冷卻元件、4攪拌冷卻肋板、5進(jìn)料口、6軸承、7齒輪、8攪拌軸、9軸承座、10墊片、11通氣孔、12保溫層、13不銹鋼錐筒、14錐筒內(nèi)襯、15石墨堵塞等組成(見附圖1)，其中不銹鋼錐筒、錐筒內(nèi)襯構(gòu)成了合金熔體攪拌室，內(nèi)襯采用石墨陶瓷等與合金溶液親和性小的材質(zhì)，可以有效減少合金熔體的粘料問題。攪拌室外纏有加熱元件和冷卻元件，再外面有保溫層，配合溫控裝置(圖中未標(biāo))可以實現(xiàn)攪拌室在連續(xù)制備過程中的溫度穩(wěn)定。攪拌室的底部有出料口，頂部有進(jìn)料口和通氣孔，可以通保護(hù)氣體，以減少合金的氧化。攪拌室中間有攪拌軸，通過軸承固定在軸承座上，攪拌軸下部有數(shù)個攪拌冷卻肋板，攪拌冷卻肋板外側(cè)與錐筒內(nèi)襯之 間有2 10mm的縫隙，攪拌冷卻肋板上部焊有傾斜的圓盤，攪拌軸底部用螺栓固定有石墨堵塞，通過調(diào)節(jié)堵塞的位置控制堵塞與石墨內(nèi)襯的縫隙，來實現(xiàn)連續(xù)漿料制備過程中漿料的流出速度。攪拌軸由調(diào)速電機(jī)(圖中未標(biāo))通過傳動齒輪帶動高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍O 800 rad/min，轉(zhuǎn)速越高，剪切強度越大。該裝置豎直放置，錐筒的角度α為5 80°，出料口一般置于靠近成形設(shè)備的位置，便于制漿過程完成后直接成形為機(jī)械零件，或置于錠模附近，便于漿料收集。本發(fā)明裝置利用機(jī)械攪拌的方法，在合金熔體流經(jīng)設(shè)備內(nèi)部時，對其進(jìn)行冷卻并施加攪拌，漿料沿錐筒壁從高向低流動的同時，由于肋板的攪拌作用，漿料存在沿錐筒壁的圓周運動，促進(jìn)了其在錐筒壁和肋板上的非均質(zhì)形核和晶粒游離；同時合金熔體在流動過程中內(nèi)部溫度場分布基本均勻，沒有明顯的過冷梯度，破壞了枝晶生成的環(huán)境，從而獲得液相基體中均勻分布著一定比例的球狀初生固相的半固態(tài)漿料，可將制備好的半固態(tài)漿料通過出料口直接輸送至成形設(shè)備，制成半固態(tài)零件，也可連續(xù)不斷的制備半固態(tài)鑄錠。本發(fā)明實現(xiàn)了半固態(tài)漿料的快速制備，連續(xù)工作穩(wěn)定性高，是一種先進(jìn)的半固態(tài)金屬加工裝置，其優(yōu)點在于
I、該裝置結(jié)構(gòu)緊湊，操作簡單，拆卸方便。通過使用不同的支架可將半固態(tài)漿料出口盡量靠近成形設(shè)備，省去漿料輸送過程，從而實現(xiàn)從半固態(tài)漿料制備到流變成形的一體化工藝過程。應(yīng)用前景廣泛，包括鋁合金、鎂合金等有色合金。2、在半固態(tài)漿料制備過程中，合金熔體與錐筒壁有充分的對流換熱，沿攪拌軸圓周分布的肋板不僅起到了冷卻熔體的作用，同時肋板的剪切攪拌作用，使熔體的溫度場、成分場基本分布均勻，破壞了枝晶生成的環(huán)境，制備的半固態(tài)漿料晶粒尺寸相近，球形度好，且分布均勻。3、攪拌室的溫度、剪切強度、漿料流出速度均可做到精確控制，便于不同種類、不同性能要求的半固態(tài)金屬漿料的制備；另外，攪拌過程中，可以通入保護(hù)性氣體，進(jìn)一步減少氧化，保證了半固態(tài)漿料的質(zhì)量。4、該裝置與合金熔體接觸的部分大都采用高純石墨材料，石墨導(dǎo)熱性好，表面光滑，與合金熔體親和力小，剪切攪拌過程中一般不會出現(xiàn)積料、堵料問題；若出現(xiàn)，只需將攪拌室溫度提到到液相線以上一定溫度，積料就會融化、流出，保證了本發(fā)明裝置長時間連續(xù)工作的可靠性。


圖I為肋板攪拌錐筒式半固態(tài)漿料制備裝置結(jié)構(gòu)示意 圖中1出料口、2加熱元件、3冷卻元件、4攪拌冷卻肋板、5進(jìn)料口、6軸承、7齒輪、8攪拌軸、9軸承座、10墊片、11通氣孔、12保溫層、13不銹鋼錐筒、14錐筒內(nèi)襯、15石墨堵塞。圖2為攪拌肋板的橫剖面示意圖
具體實施例方式下面結(jié)合實例對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)及實施效果做進(jìn)一步的說明
實例I:
(I)試驗用ZLlOlA鋁合金的液相線為615°C，將合金在坩堝電阻爐內(nèi)熔化，待合金溫度達(dá)到720°C左右時，用鐘罩將烘干后的六氯乙烷壓入熔體低部(加入量為合金液總重量的
O.5%)，并輕輕擺動，進(jìn)行合金熔體的除氣、除渣精煉處理，最后將合金熔體溫度降至630°C保溫。(2)設(shè)定本發(fā)明裝置攪拌室溫度為590°C，開啟調(diào)速電機(jī)使攪拌螺旋桿轉(zhuǎn)速為500rad/min，石墨堵塞控制在一定高度，參數(shù)達(dá)到設(shè)定值后，將上一步驟熔煉好的合金液通過進(jìn)料口澆入到本發(fā)明裝置的攪拌室內(nèi)，澆入合金量約為3公斤，合金熔體沿錐筒壁從上向下流動，在肋板和筒壁的充分冷卻下，熔體的溫度降到液相線以下，并在肋板的剪切攪拌作用下，初生晶核數(shù)量增加并生長為球形，底部的合金液從石墨堵塞與內(nèi)襯的縫隙緩緩流出，此時，合金熔體溫度處于半固態(tài)區(qū)間，其液相基體中均勻分布著一定比例的球狀初生固相。。實例2:
(I)試驗用7075鋁合金的液相線溫度為640°C，將鋁合金錠料放入到預(yù)熱溫度為400°C的坩堝電阻爐內(nèi)，待合金液溫度達(dá)到720°C后精煉，用鐘罩將烘干后的六氯乙烷壓入熔體低部(加入量為合金液總重量的O. 5%)，并輕輕擺動，進(jìn)行合金熔體的除氣、除渣精煉處理，最后將合金熔體溫度降至650°C保溫。(2)設(shè)定本發(fā)明裝置攪拌室溫度為600°C，開啟調(diào)速電機(jī)使攪拌螺旋桿轉(zhuǎn)速為500rad/min，參數(shù)達(dá)到設(shè)定值后，將上一步驟熔煉好的合金液通過進(jìn)料口持續(xù)澆入到本發(fā)明裝置的攪拌室內(nèi)，澆入合金量每次約3公斤，共四次。在澆入合金量較多時，攪拌室溫度上升，溫控箱檢測到溫度高于設(shè)定溫度，通氣管通氣，溫度下降到設(shè)定溫度，通氣停止；合金熔體在剪切攪拌和冷卻的作用下，合金熔體中均勻分布著一定比例的初生固相，制備好的半固態(tài)漿料從出料口流出，進(jìn)入漿料收集坩堝內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種肋板攪拌錐筒式半固態(tài)漿料連續(xù)制備裝置，其特征在于出料口(I)、加熱元件(2)、冷卻元件(3)、攪拌冷卻肋板(4)、進(jìn)料口(5)、軸承(6)、齒輪(7)、攪拌軸(8)、軸承座(9)、墊片(10)、通氣孔(11)、保溫層(12)、不銹鋼錐筒(13)、錐筒內(nèi)襯(14)、石墨堵塞(15)組成；其中不銹鋼錐筒、錐筒內(nèi)襯構(gòu)成了合金熔體攪拌室，攪拌室外纏有加熱元件和冷卻元件，再外面有保溫層，配合溫控裝置實現(xiàn)攪拌室在連續(xù)制備過程中的溫度穩(wěn)定；攪拌室的底部有出料口，頂部有進(jìn)料口和通氣孔；攪拌室中間有攪拌軸，通過軸承固定在軸承座上，攪拌軸下部有數(shù)個攪拌冷卻肋板，攪拌冷卻肋板上部焊有傾斜的圓盤，攪拌軸底部用螺栓固定有石墨堵塞，通過調(diào)節(jié)堵塞的位置控制堵塞與石墨內(nèi)襯的縫隙，來實現(xiàn)連續(xù)漿料制備過程中漿料的流出速度；攪拌軸由調(diào)速電機(jī)通過傳動齒輪帶動；該裝置采用冷卻和剪切的原理，合金熔體在制備過程中受到筒壁和攪拌冷卻肋板的冷卻作用，使?jié){料處于過冷的狀態(tài)，同時又受到攪拌冷卻肋板的剪切作用，初生固相直接生長為球形，得到晶粒細(xì)小的半固態(tài)漿料。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的半固態(tài)漿料連續(xù)制備裝置，其特征在于攪拌室采用錐筒式設(shè)計，錐筒內(nèi)襯材質(zhì)為與合金熔體親和力小的石墨或陶瓷材料，錐筒角度范圍α =510°。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的半固態(tài)漿料連續(xù)制備裝置，其特征在于攪拌桿采用沿軸對稱的攪拌冷卻肋板，在調(diào)速電機(jī)的帶動下高速旋轉(zhuǎn)對合金熔體進(jìn)行攪拌；攪拌冷卻肋板與攪拌室內(nèi)壁存在flOmm的間隙，攪拌冷卻肋板材質(zhì)為鋼或陶瓷，攪拌冷卻肋板的數(shù)量為I 10個。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的半固態(tài)漿料連續(xù)制備裝置，其特征在于石墨堵塞與錐筒內(nèi)襯的可調(diào)節(jié)間隙范圍為(TlOmm。
全文摘要
一種肋板攪拌錐筒式半固態(tài)漿料連續(xù)制備裝置，屬于半固態(tài)金屬加工技術(shù)領(lǐng)域。該裝置由1出料口、2加熱元件、3冷卻元件、4攪拌冷卻肋板、5進(jìn)料口、6軸承、7齒輪、8攪拌軸、9軸承座、10墊片、11通氣孔、12保溫層、13不銹鋼錐筒、14石墨內(nèi)錐筒、15石墨堵塞等組成。合金熔體在連續(xù)制備過程中受到筒壁和肋板的冷卻作用使?jié){料處于過冷的狀態(tài)，同時又受到攪拌肋板的剪切作用，初生固相直接生長為球形，制備出半固態(tài)漿料。通過石墨堵塞控制漿料流出速度，半固態(tài)漿料可以與壓鑄、軋制、模鍛等常規(guī)設(shè)備結(jié)合進(jìn)行流變成型，也可以連續(xù)不斷的制備半固態(tài)鑄錠。本發(fā)明的優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)緊湊，拆卸簡單，溫度控制精度高，連續(xù)制備工作穩(wěn)定可靠，不堵料，無需每天清理，只需每月定期維護(hù)即可。
文檔編號B22D17/20GK102909322SQ20121036080
公開日2013年2月6日 申請日期2012年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月25日
發(fā)明者康永林, 周冰, 郜俊震, 張軍 申請人:北京科技大學(xué)