一种永磁复合电磁搅拌制备半固态金属浆料的方法与流程

本发明涉及半固态加工技术领域，特别是涉及一种永磁复合电磁搅拌制备半固态金属浆料的方法。

背景技术：

半固态金属浆料指的是一种液固混合的金属材料，它是半固态成型(包含流变成型/触变成型)的中间产品。半固态浆料是指在金属凝固的过程中，对其施加搅拌或者扰动作用，改变初生相的形核和生长过程，得到液态金属母液中均匀地悬浮着一定比例的球状初生相(体积分数约为40％～60％)的固液混合浆料，它们具有触变特性，在施加很小作用力的情况下就很容易改变形状，并且由于它们具有较高的流动性，因此很容易铸造，就像液体一样。这种半固态成型比熔融金属压铸具有很多优势，(1)较低的温度成型，增加模具使用寿命；(2)压铸过程发生紊流的可能性更低，卷入空气几率更少，降低产品形成气孔几率；(3)采用半固态可以减少凝固过程中的收缩，提高工作效率和产品性能。因此，这样的半固态成型零件已经大量的应用于汽车、航天航空领域及电气、电子信息通讯设备领域。

目前，半固态浆料制备方法主要包括机械搅拌法(美国专利3902544、3948650和3954455)、电磁搅拌法(美国专利4229210、4434837)、双螺旋剪切法(英国专利9922696.3)、斜坡冷却法(欧洲专利ep0745694a1)、近液相线浇注法(中国专利zl00123078.6)等。机械搅拌法是出现最早的一种坯料制备方法，由于存在效率低、搅拌装置材质寿命短、污染金属熔体等缺点，不利于大规模工业化应用。双螺旋剪切法虽然可以实现连续制浆，但存在螺杆工况差、消耗高、寿命短、所需设备复杂、成本高等缺点制约着其产业化应用。近液相线浇注法虽然注意到低温浇注能够获得明显细化晶粒的效果，但是该方法要求金属液的浇注温度非常接近该金属的液相线温度，才能获得球状晶半固态金属浆料，这使得金属熔体温度的控制变得十分困难，而且处于这种状态下的金属液流动性变差，实际操作难度很大。由于电磁场具有非接触、能量密度高、清洁和可精确设计与控制等特点，在金属材料的制备过程中发挥了巨大的作用，这也是电磁搅拌制备半固态金属坯料在实际半固态金属成形应用中占主导地位的原因，而且随着电磁场施加方式的变化，能够生产出更加优质的半固态浆料。目前采用电磁搅拌方法制备半固态加工用坯料的技术在国内外已有几个专利，但是传统的电磁搅拌功率大、搅拌效率低、能耗大、设备结构复杂，最终导致半固态浆料和坯料的成本较高，使得利用电磁搅拌法制备半固态浆料或坯料的工业化应用进展缓慢，施加电磁场的优点并没有完全体现出来。电磁搅拌法制备半固态浆料和坯料技术的不足主要表现在于：1)电磁搅拌被施加在制浆室外部，由于制浆室容积较大，必然要求电磁搅拌功率很大，导致电磁设备庞大，能耗高，枝晶向非树枝品转变的过程缓慢，晶粒粗大，制备半固态浆料时间长、效率低；2)制浆室容积较大时存在搅拌磁场分布不均匀问题，使得制浆室内边部与心部金属液搅拌不均匀，容易出现边部早凝现象。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种永磁复合电磁搅拌制备半固态金属浆料的方法，以解决上述现有技术存在的问题，获得经济、快捷、高效、优质的半固态金属浆料。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种永磁复合电磁搅拌制备半固态金属浆料的方法，包括如下步骤：

步骤1：将熔炼合格的金属液体以高于其液相线30～50℃的温度连续不断地浇到恒温保温套桶内；

步骤2：从恒温保温套桶顶部插入复合永磁搅拌器，电机驱动复合永磁搅拌器中的永磁搅拌单元实现对恒温保温套桶内径向半固态金属浆料的搅拌，利用永磁搅拌单元外壁的冷却水套诱发金属形核，冷却壁面形成的初生晶核在电磁力作用下脱离壁面形成游离晶，游离晶在电磁搅拌形成的紊流中运动、摩擦最终形成均匀的球形浆料。

可选的，所述步骤二中，复合永磁搅拌器为单组或多组，每组所述复合永磁搅拌器至少包含一个永磁搅拌单元。

可选的，所述步骤二中，通过电机转速和永磁搅拌单元的永磁体个数进行搅拌频率的调节。

可选的，步骤一和步骤二中所述恒温保温套桶为内部中空的圆柱状结构；所述恒温保温套桶固定设置于升降架上。

可选的，所述升降架包括升降螺杆，所述升降螺杆上穿设有升降板，所述恒温保温套桶固定于所述升降板上。

可选的，所述升降架外环绕有支撑杆，所述支撑杆顶部安装有支撑板，所述支撑板上开设有安装孔，安装孔内设置有所述复合永磁搅拌器，所述复合永磁搅拌器通过曲轴连接有电机。

可选的，所述永磁搅拌单元包括搅拌杆，所述搅拌杆顶部连接有第一外齿轮，所述第一外齿轮啮合有内齿轮，所述内齿轮所在虚拟圆的圆心处设置有第二外齿轮；所述第二外齿轮与所述曲轴连接，且所述第二外齿轮与所述第一外齿轮啮合；所述搅拌杆为永磁体，永磁体外壁上设置有冷却水套。

可选的，所述永磁搅拌单元包括三个对称分布的所述搅拌杆，三个所述搅拌杆分别各自连接有一个所述第一外齿轮。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明提供的永磁复合电磁搅拌制备半固态金属浆料的方法吸取双螺旋剪切法制备浆料的优点，利用永磁搅拌器简单、低成本的特点，可以获得经济、快捷、高效、优质的半固态金属浆料，该浆料可以直接用于流变铸造，也可以铸造成一定尺寸的坯料，通过二次加热实现触变成形。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明永磁复合电磁搅拌制备半固态金属浆料的方法中恒温保温套桶及复合永磁搅拌器立体结构图；

图2为本发明永磁复合电磁搅拌制备半固态金属浆料的方法中恒温保温套桶及复合永磁搅拌器主视图；

图3为本发明永磁复合电磁搅拌制备半固态金属浆料的方法中恒温保温套桶及复合永磁搅拌器侧视图；

图4为本发明永磁复合电磁搅拌制备半固态金属浆料的方法中恒温保温套桶及复合永磁搅拌器俯视图；

其中，1为恒温保温套桶、2为升降螺杆、3为升降板、4为支撑板、5为复合永磁搅拌器、6为曲轴、7为搅拌杆、8为第一外齿轮、9为内齿轮、10为第二外齿轮。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种永磁复合电磁搅拌制备半固态金属浆料的方法，以解决上述现有技术存在的问题，获得经济、快捷、高效、优质的半固态金属浆料。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供一种永磁复合电磁搅拌制备半固态金属浆料的方法，包括如下步骤：

步骤1：将熔炼合格的过热金属液体以高于其液相线温度30～50℃连续不断地烧到一个预热的恒温保温套桶内，其中，恒温保温套桶的预热温度为半固态金属的预设定温度(不同固含量所对应的温度)。

步骤2：插入单组或者多组复合永磁搅拌器，每组永磁搅拌器可以1个，2个或者多个，通过电机驱动永磁搅拌器中的永磁搅拌单元的旋转实现电磁搅拌，搅拌频率通过电机转速和搅拌单元永磁体的个数进行调节，搅拌单元通过上部的凸轮实现对恒温保温套桶内轴向范围内半固态金属浆料的不同区域的搅拌，通过搅拌器插入深度实现对恒温保温套桶内径向半固态金属浆料的搅拌，利用单组或者多组永磁搅拌单元实现类似双螺旋剪切搅拌，在整个恒温保温套桶内实现非规则的紊流，利用永磁搅拌器外壁的冷却水套诱发金属形核，冷却壁面形成的初生晶核在较大的电磁力作用下脱离壁面形成游离晶，大量游离晶在强烈电磁搅拌形成的紊流中运动、摩擦最终形成均匀的球形浆料。

实施例一

如图1-图4所示，本发明中所用复合永磁搅拌器为单组，复合永磁搅拌器包含三个永磁搅拌单元。通过电机转速和永磁搅拌单元的永磁体个数进行搅拌频率的调节。恒温保温套桶1为内部中空的圆柱状结构；恒温保温套桶1固定设置于升降架上。升降架包括升降螺杆2，升降螺杆2上穿设有升降板3，恒温保温套桶1固定于升降板3上。升降架外环绕有支撑杆，支撑杆顶部安装有支撑板4，支撑板4上开设有安装孔，安装孔内设置有复合永磁搅拌器5，复合永磁搅拌器5通过曲轴6连接有电机。

进一步优选的，复合永磁搅拌器5包括永磁搅拌单元，永磁搅拌单元包括搅拌杆7，搅拌杆7顶部连接有第一外齿轮8，第一外齿轮8啮合有内齿轮9，内齿轮9所在虚拟圆的圆心处设置有第二外齿轮10；第二外齿轮10与曲轴6连接，且第二外齿轮10与第一外齿轮8啮合；搅拌杆7为永磁体。永磁搅拌单元包括三个对称分布的搅拌杆7，三个搅拌杆7分别各自连接有一个第一外齿轮8。搅拌杆7为永磁体，永磁体外壁上设置有冷却水套。

具体地，利用电阻炉熔化铝合金，控制铝合金熔液的温度为645℃(过热度约为30℃，将熔化好的溶液浇注到恒温保温套桶1中，恒温保温套桶1预设温度为600℃(固相率约为20％)，打开搅拌系统冷却单元，即冷却水套；开动恒温保温套桶1上的上下移动系统，即升降螺杆2；升降螺杆2带动升降板3上升，升降板3带动恒温保温套桶1上升，从而使搅拌单元插入金属液体中，启动电机，并逐渐加速到设定速度，继续搅拌10分钟，即可得合格的半固态浆料。

通过采用前述过程，可以很容易地制造出含有预定固相分数的半固态金属浆料。所制造的半固态金属浆料可以通过快速冷却制成用于触变成型的坯料，或者，直接进入流变压铸，以形成最终产品。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。