专利名称：双重强制均匀化制备金属浆料的装置及其加工成形方法
技术领域：
本发明涉及一种双重强制均匀化制备金属浆料的装置及其加工成形方法，通过该装置和方法可获得制造均质细晶铸件的金属合金浆料，属于有色金属铸造和加工技术领域。
背景技术：
传统的金属铸造和加工技术通常都针对过热熔体或固态金属，比如压铸、连铸和液态模锻等，要求金属液过热80°C以上，太低的浇注温度，就面临流动性差和浇不足，裂纹、偏析等缺陷；挤压成形则只针对固态的少数变形合金，多数合金由于其粗大的树枝晶骨架组织极易断裂而无法实现。近年来，金属的半固态加工技术成为了研究热点，它是对含有部分球形固相的半固、半液态金属实现加工成形，从而获得优质的非枝晶组织铸件。为了得到这种含有部分球形固相的半固态金属浆料，人们发明了多种制备方法，比如:电磁搅拌、各种机械搅拌、超声振动等等。但是，这些方法与装置都没能同时满足以下几方面的要求:1、对金属浆料的剪切强度足够大，能产生紊流效果；2、除了制备半固态浆料外，还注重对低温熔体的强制均匀化处理与成形。这种均质熔体加工成形消除了缺陷，改善了充填性和晶粒度；3、由于发明装置都有一定的体积而无法接近加工设备，这就要求金属浆料在有一定传输距离的过程中，搅拌的均匀化效果不削弱，甚至能得到增强；4、所制备金属浆料供给的流量和压力等能够合理控制。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提出了一种简便易行且应用广、功能全，集以上期待要求于一身的新型技术。本发明主要通过以下技术方案来实现:一种双重强制均匀化制备金属浆料的装置，包括控制杆、预制腔、主线圈、出料管、副线圈、热电偶、浆料出口、集渣槽、进液管、加热及保温层、热电偶、合金入口、液面高度传感器和气压管等，其中，控制杆为径向对称体位于预制腔正中心，周围分布进液管、液面高度传感器和气压管等；出料管位于预制腔下部，横向布置；主线圈和副线圈分别布置在预制腔和出料管的保温层外部，金属熔体(包括合金熔体)在预制腔中经受主线圈产生的电磁搅拌和/或控制杆自转的机械搅拌作用，进行强制均匀化预处理；还在出料管中二次经受副线圈的强化搅拌作用。预制腔中的金属熔体可分别或同时经受主线圈产生的电磁搅拌或控制杆自转的搅拌作用，尤其是当电磁力方向和控制杆自转方向相反、控制杆外缘和预制腔间的缝隙很窄时，装置对金属熔体能产生超强的剪切、极高的紊流作用；进一步地，金属熔体在出料管中继续经受副线圈的二次搅拌，这种双重强制均匀化对熔体的均质效果更持久、显著。出料管是横向布置，使浆料出口可向任意方向供料而不受预制腔体积的限制，同时流量更易控制。本发明的装置中，控制杆的下端为圆锥形阀头，控制杆的中段为柱状的径向对称体，在其外缘设有突起或桨叶构造以利于搅拌作用；控制杆可以自转或上下运动，通过圆锥形阀头来调节熔体向出料管的供给流量；控制杆中段的直径可以变化，以调整外缘与预制腔的缝隙距离。液面高度传感器实时提供熔体液面高度和压力信号，通过气压管送入保护气体，在预制腔上部形成正压或负压，进一步控制浆料出口的流量。集渣槽位于预制腔的底部、进液管的下方，进液管的下端口可没入集渣槽的熔体中；进液管上端的合金入口打开时用于补充金属熔体(金属液)，关闭时用于保压。出料管横向布置，根据不同场合的需要可以向上或向下倾转一定角度，或整体顺时针或逆时针水平旋转一定角度，使浆料出口可向任意方向供料或移动而不受预制腔体积的限制，同时流量更易控制。加热及保温层包覆在整个预制腔和出料管外部，热电偶设置在加热及保温层内，温度由热电偶实时控制。装置整体的温度可控。当进行低温均质熔体的制备与加工时，预制腔及出料管中金属熔体温度须控制在液相线温度Ttl 1+501: (Ts为固相线温度，Ttl液相线温度)范围内；当进行半固态浆料的制备与加工时，预制腔及出料管中金属熔体温度须控制在固相线温度Ts Ttl的范围内。浆料出口可连接到任何加工设备，由浆料出口提供的金属浆料须控制在Ts 1+501:的温度范围内加工成形。加工设备包括压铸机、铸轧机、连铸机、模锻机和挤压机
坐寸ο本发明还提供了一种可获得均质细晶铸件的金属浆料制备成形的方法。一种双重强制均匀化制备金属浆料的加工成形方法，包括如下步骤:(I)首先启动装置的加热设备(热电偶)，使控制杆阀头向下处于关闭位置，设定预制腔温度和出料管温度；(2)当预制腔及出料管内的温度达到并稳定在设定温度时，从气压管送入保护气体，从进液管注入金属熔体，液面高度由液面传感器实时监控；(3)当液面达到预制腔2/3高度时，启动主线圈电磁搅拌和控制杆自转搅拌；提升控制杆，使金属熔体充满出料管并进行二次电磁搅拌，同时连续从进液管送料以维持液面高度在预制腔2/3处。浆料出口流出得到双重强制均匀化制备的金属浆料。在浆料出口处连接有水平的铸轧嘴，经复合、双重搅拌的均匀化合金熔体由铸嘴连续流向轧辊进行均质细晶的板材铸车L。本发明先采用自转的控制杆和主线圈感应的旋转电磁场的复合搅拌方法，对预制腔中的金属熔体实施强制均匀化预处理，均质熔体随后在横向供料的出料管中再次经历副线圈产生的电磁搅拌强化处理。成形前，熔体浆料的供给及流动压力可由控制杆及气压管分别控制；预制腔中的液面高度可由液面高度传感器实时监控。最后，经强制均匀化处理的金属浆料(包括低温熔体或半固态浆料)从浆料出口供向传统加工设备实现加工成形。
本发明具有以下优点:1、本发明将机械与电磁搅拌复合为一体，能对熔体浆料产生强剪切、高紊流作用。同时，补充了浆料传输过程中的二次强化电磁搅拌，双重强制均匀化对熔体的均质效果更持久、显著。2、可以制备均质合金熔体和半固态浆料，应用范围广泛。3、可以定量控制金属浆料供料时的流量和压力。4、横向浇道设计能使浆料方便向多角度和方向供料，适合与各种铸造、加工设备连接。5、整个装置结构简单紧凑，使用方便灵活，容易控制。下面通过附图和具体实施方式
对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。
图1为本发明装置的结构示意图。图2是实施例1获得的AZ31镁合金板材的金相组织图。图3是实施例 2获得的AZ91D镁合金压铸件的金相组织图。附图标记说明:I控制杆8集渣槽2预制腔9进液管3主线圈10加热及保温层4出料管11热电偶5副线圈12合金入口6热电偶13液面高度传感器7浆料出口14气压管
具体实施例方式如图1所示，为本发明装置的结构示意图。本发明的双重强制均匀化制备金属浆料的装置，是一种金属均质熔体或半固态浆料的制备及供给装置，包括控制杆1、预制腔2、主线圈3、出料管4、副线圈5、热电偶6、浆料出口 7、集渣槽8、进液管9、加热及保温层10、热电偶11、合金入口 12、液面高度传感器13和气压管14,其中,控制杆I为径向对称体位于预制腔2正中心，周围分布进液管9、液面高度传感器13和气压管14等；出料管4位于预制腔2下部，横向布置；主线圈3和副线圈5分别布置在预制腔2和出料管4的保温层外部，预制腔2中的金属熔体可分别或同时经受主线圈3产生的电磁搅拌或控制杆自转的机械搅拌作用，进行强制均匀化预处理；金属熔体在出料管4中还二次经受了副线圈5的强化搅拌作用。具体地，控制杆I下端是圆锥形阀头。除了能自转外，控制杆I还可以上下运动，通过阀头来调节熔体向出料管的供给流量，控制熔体供给；控制杆I中段为柱状的径向对称体，可在其外缘有突起或桨叶构造以利于搅拌作用；控制杆I中段的直径可以变化，以调整外缘与预制腔2的缝隙距离。
集渣槽8位于预制腔2底部、进液管9的下方，进液管9的下端口可没入集渣槽8的熔体中；进液管9上端的合金入口 12可打开补充金属液，或关闭时保压。当制备半固态浆料时，为弥补自然流动性的不足，设计了加压管。根据液面高度传感器13实时提供的液面高度和压力信号，控制气压管14中的保护气体在预制腔2上部形成正压或负压，调节浆料供给压力，进一步控制浆料出口的流量。出料管4横向布置，根据不同场合的需要可以向上或向下倾转一定角度，或整体顺时针(或逆时针)水平旋转一定角度，使浆料出口可向任意方向供料或移动而不受预制腔2体积的限制，同时流量更易控制。整个预制腔2及出料管4外部包覆有加热及保温层10，加热及保温层10内设有热电偶11、6，温度由热电偶11、6实时控制。当进行低温均质熔体的制备与加工时，预制腔2及出料管4中金属液温度须控制在液相线温度Ttl !>501:范围内；当进行半固态浆料的制备与加工时，预制腔2及出料管4中金属浆料温度须控制在固相线温度Ts Ttl的范围内。浆料出口 7可连接到任何加工设备，由浆料出口 7提供的金属浆料须控制在Ts 1+501:的温度范围内加工成形。加工设备包括压铸机、铸轧机、连铸机、模锻机和挤压机等。本发明的双重强制均匀化制备金属浆料的加工成形方法，采用上述设备，可获得均质细晶铸件的金属浆料。方法包括如下步骤:(I)首先启动装置的加热设备，即热电偶6、11，使控制杆I阀头向下处于关闭位置，设定预制腔2温度和出料管4温度；(2)当预制腔2及出料管4内的温度达到并稳定在设定温度时，从气压管14送入保护气体，从进液管9注入金属熔体，液面高度由液面传感器13实时监控；(3)当液面达到预制腔2的2/3高度时，启动主线圈3电磁搅拌和控制杆I自转搅拌；提升控制杆1，使金属熔体充满出料管4并进行二次电磁搅拌，同时连续从进液管9送料以维持液面高度在预制腔2的2/3处。在浆料出口处连接有水平的铸轧嘴，经复合、双重搅拌的均匀化合金熔体由铸嘴连续流向轧辊进行均质细晶的板材铸轧。实施例1本实施例是本发明方法应用于双棍水平流变铸轧AZ31镁合金板首先启动装置的加热设备，即热电偶6、11，使控制杆I阀头向下处于关闭位置。设定预制腔2温度为645°C、出料管4温度为635°C。当预制腔2及出料管4内的温度达到并稳定在设定温度时，从气压管14送入保护气体，从进液管9注入650°C的AZ31镁合金液体，液面高度由液面传感器13实时监控。当液面达到预制腔2的2/3高度时，启动主线圈3电磁搅拌和控制杆I自转搅拌。提升控制杆I，使熔体充满出料管4并进行二次电磁搅拌。同时，连续从进液管9送料以维持液面高度在预制腔2的2/3处。在浆料出口 7处连接有水平的铸轧嘴，经复合、双重搅拌的均匀化合金熔体由铸嘴连续流向轧辊进行板材铸轧。本实施例获得的AZ31镁合金板材具有均质细晶的特点，其金相组织如图2所示，浅色区域为初生α -Mg细晶组织，深色区域为共晶组织。实施例2
本实施例是本发明方法应用于流变压铸AZ91D镁合金铸件首先启动装置的加热设备，即热电偶6、11，使控制杆I阀头向下处于关闭位置。设定预制腔2温度为605°C、出料管4温度为595°C。当预制腔2及出料管4内的温度达到并稳定在设定温度时，从气压管14送入保护气体，从进液管9注入610°C的AZ91镁合金液体，液面高度由液面传感器13实时监控。当液面达到预制腔2的2/3高度时，启动主线圈3电磁搅拌和控制杆I自转搅拌。提升控制杆1，使浆料充满出料管4并进行二次电磁搅拌。同时，继续从进液管9送料以维持液面高度在预制腔2的2/3处。在浆料出口 7处连接有向下的弯管，以便与压铸机的压射室相连接。半固态浆料向压射室供料的流量和压力可由气压管加压得到改善。最后，经复合、双重搅拌的半固态浆料在高压下压铸成均质细晶的半固态铸件。本实施例获得的AZ91D镁合金压铸件具有均质细晶的特点，其金相组织如图3所示，浅色区域为初生α -Mg细晶组织，深色区域为共晶组织。本发明采用复合和双重搅拌产生的强制均匀化原理制备金属熔体以及半固态浆料，可以连接多种传统加工设备，比如:压铸机、铸轧机、连铸机、模锻机、挤压机等，实现强制均匀化熔体的各种加工成形。本发明装置和方法简单易行，低温熔体(液相线温度Ttl Tq+50°C )或半固态浆料(固相线温度Ts Ttl)经复合及二次强化搅拌后均匀化效果显著，可获得比传统方法加工合金的成分更均匀、晶粒更细小的优质铸件。
权利要求
1.一种双重强制均匀化制备金属浆料的装置，其特征在于:它包括控制杆、预制腔、主线圈、出料管、副线圈、热电偶、浆料出口、集渣槽、进液管、加热及保温层、热电偶、合金入口、液面高度传感器和气压管，所述的控制杆为径向对称体位于所述预制腔正中心，其周围分布进液管、液面高度传感器和气压管；出料管位于预制腔下部，横向布置；主线圈和副线圈分别布置在预制腔和出料管的保温层外部，金属熔体在预制腔中经受主线圈产生的电磁搅拌和/或控制杆自转的机械搅拌，还在出料管中二次经受副线圈的强化搅拌。
2.根据权利要求1所述的双重强制均匀化制备金属浆料的装置，其特征在于:所述控制杆的下端为圆锥形阀头，所述控制杆的中段为柱状的径向对称体，在其外缘设有突起或桨叶；控制杆可自转或上下运动。
3.根据权利要求1所述的双重强制均匀化制备金属浆料的装置，其特征在于:通过气压管送入保护气体，在预制腔上部形成正压或负压，控制浆料出口的流量。
4.根据权利要求1所述的双重强制均匀化制备金属浆料的装置，其特征在于:所述集渣槽位于预制腔的底部、进液管的下方，所述进液管的下端口没入集渣槽的熔体中；进液管上端的合金入口打开时补充金属液，关闭时保压。
5.根据权利要求1所述的双重强制均匀化制备金属浆料的装置，其特征在于:所述的出料管可向上或向下倾转，或整体顺时针或逆时针水平旋转。
6.根据权利要求1所述的双重强制均匀化制备金属浆料的装置，其特征在于:所述的加热及保温层包覆在所述的预制腔和出料管外部，所述的热电偶设置在加热及保温层内。
7.根据权利要求1所述的双重强制均匀化制备金属浆料的装置，其特征在于:所述的预制腔和出料管中金属熔体的处理温度控制在Ts ！>501:的范围内。
8.根据权利要求1所述的双重强制均匀化制备金属浆料的装置，其特征在于:所述的浆料出口连接到加工设备，由浆料出口提供的金属浆料在Ts ！>501:的温度范围内加工成形。
9.根据权利要求8所述的双重强制均匀化制备金属浆料的装置，其特征在于:所述的加工设备包括压铸机、铸轧机、连铸机、模锻机和挤压机。
10.一种双重强制均匀化制备金属浆料的加工成形方法，包括如下步骤: (1)首先启动装置的热电偶，使控制杆阀头向下处于关闭位置，设定预制腔温度和出料管温度； (2)当预制腔及出料管内的温度达到并稳定在设定温度时，从气压管送入保护气体，从进液管注入金属熔体，液面高度由液面传感器实时监控； (3)当液面达到预制腔2/3高度时，启动主线圈电磁搅拌和控制杆自转搅拌；提升控制杆，使金属熔体充满出料管并进行二次电磁搅拌，同时连续从进液管送料以维持液面高度在预制腔2/3处。
全文摘要
本发明涉及一种双重强制均匀化制备金属浆料的装置及其加工成形方法，装置包括控制杆、预制腔、主线圈、出料管、副线圈、热电偶、浆料出口、集渣槽、进液管、加热及保温层、热电偶、合金入口、液面高度传感器和气压管等，控制杆为径向对称体位于预制腔正中心，周围分布进液管、液面高度传感器和气压管等；出料管位于预制腔下部，横向布置；主线圈和副线圈分别布置在预制腔和出料管的保温层外部，金属熔体在预制腔中经受主线圈产生的电磁搅拌和/或控制杆自转的机械搅拌作用；在出料管中二次经受副线圈的强化搅拌作用。本发明装置和方法简单易行，金属熔体经复合及二次强化搅拌后均匀化效果显著，可获得合金成分更均匀、晶粒更细小的优质铸件。
文档编号B22D27/04GK103170606SQ20111043916
公开日2013年6月26日 申请日期2011年12月23日 优先权日2011年12月23日
发明者刘国钧, 徐骏 申请人:北京有色金属研究总院