一种气冷多管搅拌制备轻合金半固态浆料的装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型属于半固态金属加工领域，具体涉及一种气冷多管搅拌制备轻合金半固态浆料的装置。
【背景技术】
[0002]20世纪70年代初，美国麻省理工学院M.C.Flemings等研究人员实用新型了半固态金属成形技术，从此，半固态金属浆料的制备和成形引起了世界各国学者的普遍关注和研究。半固态浆料的制备是半固态金属加工技术的基础与关键，据文南犬“Behav1r of metal alloys in the semisolid state”(M.C.Flemings, MetallTrans, 1991，22A:957_981) ,‘Method and apparatus for shaping semisolid metals，，(A.Mitsuru, S.Hiroto, H.Yasunori, et al, EP Patent, 0745694A1, 1996)、“一种悬挂维筒式半固态金属浆料制备及输送装置”(康永林，中国专利，200810114097.3，2008)、“半固态金属及合金浆料或坯料的制备方法”(毛卫民，中国专利，200410009296.X，2004)、《金属材料半固态加工理论与技术》(康永林，毛卫民，胡壮麒著，科学出版社，2004)和《金属半固态加工技术》(谢水生，李兴刚，王浩，张莹，冶金工业出版社，2012)报道，获取半固态合金浆料有多种方法，如单螺旋搅拌法、双螺旋搅拌法、电磁搅拌法、气泡搅拌法、低过热度浇注和弱机械搅拌法、紊流效应法、化学晶粒细化法、超声波处理法、喷射沉积法、冷却斜槽法、连续流变转换法、旋转热焓平衡法等。但为了降低半固态金属浆料的制备成本和实现稳定连续可靠的工业化生产，各国学者、研究人员以及工业界仍在不断努力和探索，试图找到新的半固态金属浆料的制备技术。
[0003]文献“Sem1-solid processing of engineering alloys by atwin-screw rheo-moulding process.^ (S.Jij Z.Fan and M.J.Bevisj MaterSci&Eng, 2001，299A:210-217)提出:双螺旋机械搅拌设备主要包括液态镁合金供料机构、双螺旋机械搅拌机构和中央控制机构，液态镁合金一旦进入搅拌系统，一边被双螺旋搅拌杆强烈剪切，一边被冷却到预期的固相分数，当镁合金半固态浆料到达输送阀时，初生固相已经转变为球状颗粒，并均匀分布在低熔点的液相中。但这种双螺旋机械搅拌流变射铸设备仅适合于镁合金的半固态流变成形。在双螺旋机械搅拌设备中，一般不特别设置用于半固态浆料制备的气冷多管搅拌装置来快速冷却熔体和促进熔体形核，只需将过热合金熔体平稳导入双螺旋机械搅拌筒中即可。但该方法的不足之处是双螺旋结构存在螺杆工况差，消耗高，寿命短，仅适合于镁合金半固态浆料的制备，且清理拆卸麻烦的问题。
[0004]美国专利US4434837提出了流变铸造法(新MIT法)，又称为“旋转冷却针法”，该技术的核心思想为:将低过热度的合金液浇注到制备坩祸中，利用镀膜的铜棒对合金液进行短时弱机械搅拌，使合金熔体冷却至液相线温度以下，然后移走搅拌铜棒，让半固态合金熔体冷却至预定温度，从而获得较为理想的半固态浆料。在MIT工艺的设备中，不特别设置用于半固态浆料制备的气冷多管搅拌装置，只需将带有冷却作用的镀膜铜棒插入低过热度的熔体中进行短时弱机械搅拌即可。但该方法效率低，不适合制备大容积半固态浆料和难以实现半固态金属浆料的稳定快速制备。
[0005]欧洲专利EP 0745691A1提出了 New Rheocasting技术，简称NRC，其技术路线为:首先将低过热的合金熔体流过一个倾斜板上，形成含有大量初生固相核心的半固态浆料，然后浇入浆料收集坩祸内，通过控制冷却强度使浆料中的初生固相以球形方式成长，再对半固态金属浆料进行温度调整，以获得尽可能均匀的温度场或固相分数，最终获得半固态金属浆料。在NRC工艺设备中，不特别设置用于镁铝等轻合金半固态浆料制备的气冷多管搅拌装置，即不利用气体冷却多搅拌管法来加速冷却和促进熔体形核，只需将过热金属熔体平稳地浇倒倾斜平板(倾斜圆管、或倾斜半圆管)上即可，但该方法容易造成倾斜板表面粘料，需要不断清理，费时费力且浪费合金。
[0006]文献“ANovel Technique to Produce Metal Slurries for Sem1-Solid MetalProcessing，，(J.Wannasin, R.A.Martinez, M.C.Flemings, Proceedings of the 9th onSem1-solid Processing of Alloys and Composites, Pusan, Korea, 2006, 366-369)提出:泰国Songkla大学的Wannasin、Martinez等提出了一种气泡扰动制备半固态金属楽料的新方法，其技术路线为:在合金熔体冷却过程中，将石墨壁上开有许多小孔的石墨搅拌杆浸入低过热度的合金熔体中，将气体通过石墨棒的小孔导入合金熔体中，在熔体浮力和旋转的石墨搅拌杆产生的离心力作用下，气泡将在熔体中上升并做螺旋形轨迹的运动，对熔体产生强对流弱搅拌作用，当合金熔体温度降至半固态温度区间时便可获得半固态浆料。在气泡扰动制备半固态浆料的工艺设备中，不特别设置用于半固态浆料制备的气冷多管搅拌装置，即不利用气体冷却多管法来加速熔体冷却和促进熔体形核，只需将带有许多小孔的石墨搅拌杆浸入到低过热度的合金熔体中并同时往石墨棒中通入气体，待合金熔体降至半固态温度区间即可。但该方法会导致部分气泡滞留在合金熔体中，石墨棒的小孔容易堵塞，需要频繁清理，且不适合制备大容积半固态浆料。
[0007]此外还有熔体分散混合制浆装置(专利申请号:200620018003.9)、镁合金不等径弯道挤压-剪切诱导等温球晶化半固态坯复合制备法(专利申请号:03132471.1)、悬挂锥桶式半固态金属浆料制备装置(专利申请号:200810114097.3)、球状初晶半固态金属浆料或连铸坯料的制备方法和装置(专利申请号:00109540.4)、一种制备半固态合金的波浪型倾斜板振动装置及制备方法(专利申请号:200710011510.9)、一种轻合金半固态浆料制备装置(专利201120425807.1)等等，在以上技术的设备中，都没有特别设置用于半固态浆料快速制备的气冷多管搅拌装置，即不利用气冷多管法来达到加速冷却和促进熔体形核的目的。
[0008]需要指出，以上各种制备半固态合金浆料的方法各有自己的特点，但也都存在各自的不足，大多数还只是停留在实验室研究阶段，仍需提出新的制浆装置和技术，以便简化工艺，降低成本，提高效率，推动半固态金属加工技术的工业化应用。
【实用新型内容】
[0009]本实用新型的目的在于解决现有半固态浆料制备装置存在的结构复杂、连续工作可靠性差、效率低、清理维修繁琐、大容积半固态浆料制备和工业化推广难等问题，提供一种气冷多管搅拌制备轻合金半固态浆料的装置及方法，在合金熔体凝固的过程中，多管搅拌和多管冷却的复合作用加速熔体冷却，促进熔体形核，从而获得液相基体中均匀分布着一定比例的近球状初生固相的半固态浆料。
[0010]为解决上述技术问题，本实用新型的实施例提供一种气冷多管搅拌制备轻合金半固态浆料的装置，包括容置轻合金熔体的坩祸、气冷多管搅拌机构和升降机构，所述升降机构设于坩祸的上方，包括升降台、固设于升降台上的轴承座、设于轴承座内的轴承；
[0011]所述气冷多管搅拌机构包括搅拌机构和供气机构，其中，所述搅拌机构由设于升降台上的搅拌电机、多管搅拌杆、设于搅拌电机和多管搅拌杆之间的伞齿轮传动组组成，所述多管搅拌杆由多根连通的搅拌管组成，其通过所述轴承支撑定位；
[0012]所述供气机构由导气管和设于升降台上的供气装置组成，所述导气管的一端与供气装置结合，另一端插入多管搅拌杆内，由导气管通入的气体充斥于多根所述搅拌管内。
[0013]其中，所述坩祸内设于热电偶，用于监测坩祸内生成的半固态浆料的温度。
[0014]优选的，所述多管搅拌杆由至少2根搅拌管组成，其搅拌转速为O?1000r/min。
[0015]其中，所述多管搅拌杆上设有进气口和出气口，所述进气口和出气口均高于坩祸内的轻合金熔体液面。
[0016]进一步，所述搅拌管内径为5?100mm，壁厚为I?20mm，材质为不锈钢、铸铁、石墨或镀膜铜合金。
[0017]其中，所述导气管内通入的气体为空气，气体流量为O?1000L/min，气体通入多管搅拌杆后分散至各搅拌管，通过各搅拌管顶部的出气口逸出，气体不进入轻合金熔体。
【附图说明】
[0018]图1为本实用新型中气冷多管搅拌制备轻合金半固态浆料的装置的结构示意图；
[0019]图2为本实用新型中多管搅拌杆的结构示意图；
[0020]图3为本实用新型中气冷多管搅拌制备轻合金半固态浆料的方法的流程图；
[0021]图4为气冷多管搅拌机构内部气体流动示意图；
[0022]图5为实施例一中用普通搅拌机构、气冷单管搅拌机构和气冷多管搅拌机构制备A380铝合金半固态浆料的对比；
[0023]图6为本实用新型实施例二中A356铸造铝合金半固态浆料金相显微组织；
[0024]图7为本实用新型实施例三中7075变形铝合金半固态浆料金相显微组织。
[0025]附图标记说明:
[0026]1、搅拌电机；
[0027]2、升降台；
[0028]3、供气装置；
[0029]4、导气管；
[0030]5、伞齿轮传动组；
[0031]6、轴承；
[0032]7、轴承座；
[0033]8、多管搅拌杆；
[0034]9、坩祸；
[0035]10、轻合金浆料；
[0036]11、热电偶；
[0037]12、轻合金熔体。
【具体实施方式】
[0038]为使本实用新型要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
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