专利名称：转筒式半固态金属浆料制备与成形设备的制作方法
本项发明提供了一种半固态金属浆料制备与成形设备，主要应用于半固态金属浆料的制备及成形。
半固态加工成形技术是20世纪70年代初提出，经过近30年的发展其广阔的应用前景正为人们所认同。凡具有固液两相区的合金均可实现半固态加工。该技术具有很多优点，例如组织细而均匀凝固收缩量小，产品性能、质量明显提高，可实现近终形产品，极大地减少了机械加工量；与普通铸造比，能耗低；同时，半固态成形凝固时间短，有利于提高生产率等。目前适用于半固态加工的金属有铝合金、镁合金、铸铁和钢等，其中铝镁合金已用于工业生产。但是，制约半固态金属加工成形发展的因素是如何能进一步细化其晶粒，提高组织性能，并由液态经半固态直接成形。以往人们精力主要集中于利用电磁搅拌、机械搅拌等方式进行晶粒的细化。即在金属冷却过程中强烈搅拌使已形成的枝晶破碎，同时也抑制树枝晶的形成，来获得非枝晶的卵形或近球状结构。多年来，国内、外对半固态金属成形进行了大量的投入和研究。在理论和应用上取得了显著进展。
近几年的几届国际半固态学术会议和国外有关资料报道，英、美国、日本等国都在积极研制开发半固态制备与成形工艺及设备并用于生产。北京冶金工业出版社，1999出版的《半固态金属加工技术及其应用》一书介绍了触变成形(Thixomolding)方法，是将固态镁合金粒或碎屑送入单螺旋压射成形机，在加热和剪切螺旋的作用下达到半熔化状态形成半固态，金属浆料通过喷嘴高速射入压铸模具内压铸成形。进入模腔的半固态合金坯料只有部分低熔点的基体部分被溶化，而初生相微粒并没有熔化。在触变成形过程中以及成形后，初生相微粒不会经历加热后的凝固过程，即凝固过程仅仅只局限在初生相微粒之间5～30μm厚的一层被熔化的基体上。该工艺多一个将半固态合金坯料切碎工序。存在的缺点是1、进料螺杆工况差，消耗高，寿命短；2半固态合金充型能力差；3所需设备复杂，成本高。双螺旋半固态浆料制备成形机是英国Brunel大学的Dr Z.Fan等人发明的(UK Patent，Application No9922696.3，1999)，其原理是利用双螺旋的旋转使液态金属产生剧烈的紊流，增加切变率来达到细化晶粒均匀成份的目的。双螺旋的旋转使其内部金属浆料产生“8”字形运动，并且使金属浆料沿螺杆轴向向前运动，在螺纹的啮合处及根部分别达到最大和最小的剪切变形。它适用制备低熔点半固态合金，并且在Sn-15wt％Pb和Mg-30wt％Zn合金的生产中取得一定成果。但双螺旋结构同样存在螺杆工况差，消耗高，寿命短问题。
本发明的目的在于提供一种可获得细而均匀的半固态金属浆料制备成形设备。
本发明的构成如下本发明由电机(1)，伞齿轮(2)，塞棒(3)，保温器(4)，加热管(5)、(6)，冷却管(7)，内桶(8)，外桶(9)，单向阀(10)，推杆(11)，半固态金属浆料(12)，模具腔(13)，挤压缸(14)构成。在外桶(9)的外部设计有加热管(6)和冷却管(7)，以此来实现控制金属浆料切变时的温度。内桶(8)和外桶(9)设计有α＝0～10度的斜度，半固态金属浆料通过桶底部的单向阀(10)进入挤压缸(14)的浆料室。挤压缸中的半固态金属浆料通过推杆(11)的挤压作用进入模具腔(13)中进行迅速加压成形。
整体结构呈垂直布置，保温器固定于上部，通过浇注口将液态金属注入内外桶之间缝隙，间隙的大小可通过调节内桶升降实现，内桶固定于转轴上，由电机通过伞齿轮带动，外桶外部装有加热管、冷却管，便于金属浆料温度的调节。挤压缸在整个装置下部，通过单向阀(10)可将半固态金属浆料引入挤压缸的浆料室，形成半固态加工成品。
采用带有斜度的内外桶，外桶固定、内桶通过电机带动旋转、外桶外部装有加热管、冷却管以及下部带有加热和推挤装置的浆料室构成；在外桶内壁和内桶外壁上刻有角度β＝15～75度的沟槽，沟槽深度为内桶外径的0.001-0.05，内桶的外径为10-200厘米，内外桶壁厚为内桶外径的0.01-0.5，高度为内桶外径的0.5-4倍，内外桶的间隙为0-3厘米，液态金属经内外桶之间的缝隙和沟槽向下流动，当内桶旋转时，内外桶之间产生很大的切变率，从而造成其间的液态金属的剧烈剪切变形，进而形成细而均匀的半固态金属浆料；内桶可旋转、升降，切变率的大小可通过调整转速和升降内桶调整缝隙控制。
实际生产中，在有保护性气氛的保温器(4)中，液态金属由塞棒(3)控制其向下的流量。在外桶的外部设计有加热管(6)和冷却管(7)，以此来实现控制金属浆料切变时的温度。内桶(8)和外桶(9)设计有α＝0～10度的斜度，这样即可减缓液态金属的下流速度又有可提高内外桶的利用率。另外，可调节内桶的转速及升降来控制液态金属下流的速度和切变率。经过剧烈的剪切变形后，半固态金属浆料通过桶底部的单向阀(10)进入挤压缸的浆料室。考虑到温降，在挤压缸外部也设计有控制温度的加热管。挤压缸中的半固态金属浆料通过推杆(11)的挤压作用进入模具腔(13)中进行迅速加压成形。
本发明突破传统细化晶粒理念，利用剪切变形原理，通过调整转速和升降内桶来调整内外桶缝隙，使液体金属在凝固过程中发生剧烈的剪切变形，最终可得到细而均匀的半固态金属浆料。本装置与国外制备半固态金属浆料装置形成切变的原理不一样，同时也突破了国外触变成形(Thixomolding)和双螺旋半固态浆料制备成形机(the Twin-Screw Rheomoulder)的专利限制。实现了由液态金属连续形成半固态浆料并直接成形。克服流变法生产的半固态浆料的保存和输送难度较大的限制。它的新颖设计在于利用传统磨盘转动时形成的剪切变形原理，靠刻有沟槽的内外桶的反向旋转使液态金属产生较大切变率，直接高效地使液态金属在凝固过程中形成细而均匀的半固态金属浆料，并同时将半固态金属浆料压入模具腔内直接加压成形。由于内外桶设计有α＝0～10度斜度，所以提高了它的利用率，降低了消耗，提高了寿命。
本本发明的优点在于装置结构简单紧凑，可实现液态金属连续形成半固态浆料并直接成形。金属浆料在整个工艺过程中散热少。并且便于控制，维护和使用，实用性极强。
下面结合附图对本发明进一步说明
图1是本发明装置的一种示意图。其中(1)为电机，(2)为伞齿轮，(3)为塞棒，(4)为保温器，(5)、(6)均为加热管，(7)为冷却管，(8)为内桶，(9)为外桶，在其外部设计有加热管(6)和冷却管(7)，以此来实现控制金属浆料切变时的温度。内桶(8)和外桶(9)设计有α＝0～10度的斜度，半固态金属浆料通过桶底部的单向阀(10)进入挤压缸(14)的浆料室。挤压缸中的半固态金属浆料通过推杆(11)的挤压作用进入模具腔(13)中进行迅速加压成形，挤压速度为5～100ms。(12)为半固态金属奖料。
图2为本发明外桶(9)的示意图。
图3为本发明内桶(8)的示意图。
图4为本发明内桶(8)A-A向剖视图。
图5为本发明内桶(8)的沟槽示意图。
权利要求
1一种半固态金属浆料制备与成形设备，其特征在于由电机(1)，伞齿轮(2)，塞棒(3)，保温器(4)，加热管(5)、(6)，冷却管(7)，内桶(8)，外桶(9)，单向阀(10)，推杆(11)，半固态金属浆料(12)，模具腔(13)，挤压缸(14)构成；在外桶(9)的外部设计有加热管(6)和冷却管(7)，以此来实现控制金属浆料切变时的温度；内桶(8)和外桶(9)设计有α＝0～10度的斜度，半固态金属浆料通过桶底部的单向阀(10)进入挤压缸(14)的浆料室；挤压缸中的半固态金属浆料通过推杆(11)的挤压作用进入模具腔(13)中进行加压成形，挤压速度为5～100ms；整体结构呈垂直布置，保温器固定于上部，通过浇注口将液态金属注入内外桶之间缝隙，间隙的大小可通过调节内桶升降实现，内桶固定于转轴上，由电机通过伞齿轮带动，外桶外部装有加热管、冷却管，便于金属浆料温度的调节；挤压缸在整个装置下部，通过单向阀(10)可将半固态金属浆料引入挤压缸的浆料室，形成半固态加工成品。
2如权利要求1所述的半固态金属浆料制备与成形设备，其特征在于，在外桶内壁和内桶外壁上刻有角度β＝15～75度的沟槽，沟槽深度为内桶外径的0.001-0.05倍，内桶的外径为10-200厘米，内外桶壁厚为内桶外径的0.01-0.5倍，高度为内桶外径的0.5-4倍，内外桶的间隙为0-3厘米，液态金属经内外桶之间的缝隙和沟槽向下流动，当内桶旋转时，内外桶之间产生很大的切变率，从而造成其间的液态金属的剧烈剪切变形，进而形成细而均匀的半固态金属浆料。
3如权利1或2所述的半固态金属浆料制备与成形装置，特征在于，内桶可旋转、升降，切变率的大小可通过调整转速和升降内桶调整缝隙控制。
全文摘要
本发明是一种崭新的半固态金属浆料制备与成形设备,由电机、伞齿轮、塞棒、保温器、加热管、冷却管、内外桶、模具腔、挤压缸等构成;在内外桶设计有α=0～10度的斜度,半固态金属浆料通过桶底部的单向阀进入挤压缸的浆料室;挤压缸中的半固态金属浆料通过推杆的挤压作用进入模具腔中进行迅速加压成形,挤压速度为5～100ms。其优点在于:装置结构简单紧凑,可实现液态金属连续形成半固态浆料并直接成形。金属浆料在整个工艺过程中散热少。
文档编号B22D27/08GK1373020SQ0110907
公开日2002年10月9日 申请日期2001年2月28日 优先权日2001年2月28日
发明者康永林, 安林, 孙建林 申请人:北京科技大学