一种金属半固态浆料的制备装置及其制备方法

文档序号：25736666发布日期：2021-07-06 18:46阅读：113来源：国知局

本发明属于金属半固态加工技术领域，涉及金属半固态浆料的制备装置，尤其涉及一种金属半固态浆料的制备装置及其制备方法。

背景技术：

20世纪70年代末，美国麻省理工学院m.c.flemings等研究人员发现了金属半固浆料的流变特性，并开创了金属半固态加工技术。半固态浆料的制备是金属半固态加工的基础与关键，制备金属半固态浆料有多种方法，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、连续流变转换法和旋转热焓平衡法等。为了提升半固态浆料温度场和微观结构的均匀性、增加制浆方法对不同体系金属的适用范围，从而实现降低制备成本和稳定连续可靠的工业化生产。

cn105855498a公开了一种半固态金属浆料制备装置和方法，包括供气装置、导气管、搅拌杆以及用于盛放金属熔体的承载容器；搅拌杆伸入承载容器中金属熔体内的一端为搅拌端，搅拌端内部具有空腔，供气装置用于在搅拌杆对金属熔体进行搅拌时通过导气管向搅拌端内部空腔内注入冷却气体，形成冷却与搅拌的处理方式。使得金属熔体在搅拌流动的过程中内部温度场分布基本均匀且不会有明显的过冷梯度，破坏了枝晶生长环境，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。该发明方法原理简单、操作便捷，但不适合制备高固相含量的半固态浆料，并且搅拌过程容易引起空气和氧化皮卷入熔体，污染熔体。

cn1376212a公开了金属合金的半固体浓缩加工，提出：提供一个起始温度低于金属固相线温度的坩锅，将金属熔体倾倒入坩锅，金属熔体从高温冷却至半固态温度区间(低于液相线温度，且高于固相线温度)，并使金属熔体在半固态温度时维持足够的时间，让金属熔体和坩锅在金属的液相线温度和固相线温度间达到热平衡，以形成球状固相合金分散于液相中的半固态金属，并且可以除去存在于金属半固态结构中的一些(非全部)液相，以生成高固相含量的半固态结构。该方法的不足之处是难以保证浆料内部温度场和微观组织的均匀性，且不适用于非铝硅系铝合金。

cn101708543a公开了一种混合振动制备半固态金属浆料的方法及装置，通过对金属熔体进行直接接触的高能超声波振动和低频机械振动作用于盛浆容器及金属熔体，并施加一定速度的冷却，在较短时间内就能制备出初生晶粒细小、圆整且均匀分布的半固态金属浆料。该方法可以获得温度场和微观组织均匀的半固态浆料，缺点是不能制备固相含量高于40％的半固态浆料，且超声振动头插入熔体的过程容易带入氧化皮，造成熔体污染。

cn101875105a一种半固态浆料制备方法和装置，其综合利用气流搅拌、电磁振动及添加异质形核剂三种工艺，将带孔的石墨头和空心搅拌杆插入金属熔熔体，实现对金属熔体的旋转吹起搅拌，承载容器的电磁振动台实现对容器和金属熔体的振动，并向金属熔体中添加异质形核剂促进浆料组织的进一步球化和细化。该办法可以获得温度场和微观组织均匀的半固态浆料，缺点是设备结构和制备工艺较为复杂，石墨头和搅拌杆插入熔体容易带入氧化皮，搅拌容易引起空气和氧化皮卷入，造成熔体污染。

目前现有技术对金属熔体施加接触式处理，如机械搅拌、气流搅拌和超声振动等，容易引入氧化皮，造成熔体污染，造成产品质量低的问题，并且当半固态浆料的固相含量高于40％时，接触式处理结构拔出金属熔体变得困难，即不适用于高固相含量(大于40％)半固态浆料的制备。此外，仅施加电磁搅拌或非接触式机械作用(振动或晃动)，搅拌作用效果有限，半固态浆料的温度场和微观组织均匀性有待提高，不适用于窄工艺窗口合金的高固相含量半固态浆料(固相含量大于40％)。因此，如何在保证装置结构简单的情况下，还能够保证不对熔体污染以及制备高固相含量的半固态浆料，成为目前迫切需要解决的问题。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种金属半固态浆料的制备装置及其制备方法，综合利用振动和电磁感应作用，提高金属熔体内部温度场和溶质场均匀性，获得纯净的、微观组织均匀的半固态浆料，具有结构简单、便于操作和产品质量高等特点。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种金属半固态浆料的制备装置，

所述的制备装置包括容器、电磁感应器和振动器，所述容器放置于所述电磁感应器内，所述振动器位于所述电磁感应器的下方，所述振动器对容器进行振动；所述电磁感应器包括呈圆筒状的壳体和设置于壳体内壁的电磁感应线圈，所述电磁感应线圈在所述壳体内壁呈螺旋缠绕。

本发明综合利用机械振动和电磁感应，振动器产生的机械振动和电磁感应器产生的弱搅拌效应，共同促进金属熔体内部流动，并且结合螺旋状缠绕设置的电磁感应线圈，提高熔体温度场均匀性和溶质分散均匀性，与此同时，电磁感应对表层熔体产生的加热效应，减小了熔体表层和心部的温度差。通过本发明制备得到的半固态浆料不受接触式污染，具有均匀的微观组织，固相含量在10～50％范围内精确可控。

作为本发明的一个优选技术方案，所述的容器与振动器之间设置有容器底座，所述容器嵌入放置于容器底座。

优选地，所述容器底座上开设有固定凹槽，所述容器嵌入放置于固定凹槽。

优选地，所述容器呈圆筒状，所述固定凹槽的形状与所述容器底部形状相同。

优选地，所述容器的材质包括不锈钢、钛合金或镍合金中的一种或至少两种的组合。

优选地，所述容器底座的材质包括硅酸盐保温材料、珍珠岩保温材料或陶瓷保温材料中的一种或至少两种的组合。

作为本发明的一个优选技术方案，所述的振动器为振动台。

优选地，所述的振动台包括电磁式振动台、机械式振动台或液压式振动台中的一种或至少两种的组合。

优选地，所述振动台为电磁式振动台。

优选地，所述电磁感应线圈的顶端高于所述容器内物料的顶部液面。

优选地，所述电磁感应线圈的底端低于所述容器内物料的底部液面。

本发明通过设置螺旋缠绕式电磁感应线圈，电磁感应线圈包覆容器内所有物料，进一步地使电磁感应的效果更加明显，使物料温度均匀性和分散均匀性。

作为本发明的一个优选技术方案，所述的制备装置还包括线圈支架，所述线圈支架用于支撑放置所述的电磁感应器。

优选地，所述线圈支架的顶部设置有放置板，所述放置板上开设有放置孔，所述容器底座穿过所述的放置孔。

优选地，所述容器、容器底座、振动器、电磁感应器和线圈支架同轴设置。

作为本发明的一个优选技术方案，所述的制备装置还包括位于所述容器底部的温度传感器，所述温度传感器用于检测容器底部的温度。

优选地，所述的制备装置还包括与温度传感器电性连接的控制器，所述控制器还分别独立电性连接所述的电磁感应器和振动器，所述控制器用于接收所述温度传感器发出的反馈信号，并反馈控制电磁感应器和振动器的开启。

优选地，所述温度传感器为热电偶。

优选地，所述容器底座内开设有l形通孔，所述热电偶穿入l形通孔检测所述容器底部的温度。

第二方面，本发明提供了一种采用如第一方面所述的金属半固态浆料的制备装置的制备方法，所述的制备方法包括：

将金属熔体倒入容器，并将容器放置于电磁感应器内，在电磁感应器的电磁感应以及振动器的振动下进行制备。

作为本发明的一个优选技术方案，所述的制备方法具体包括以下步骤：

(ⅰ)将金属熔体沿侧壁倒入倾斜的容器内，并将容器竖直放置于容器底座上；

(ⅱ)开启振动器和电磁感应器，在电磁感应和振动下进行制备，待金属熔体温度降低后，关闭振动器和电磁感应器，得到半固态浆料。

需要说明的是，本发明对金属熔体温度降低的数值不做具体要求和特殊限定，本领域技术人员可根据制备得到半固态浆料的固相含量合理选择金属熔体温度降低的数值，不同半固态浆料中，固相含量与金属熔体温度降低的数值对应关系不同，本发明通过测量容器底部的温度，即测量金属熔体的温度，根据测量的温度，实现对固相含量的精准控制。

作为本发明的一个优选技术方案，步骤(ⅰ)中，所述金属熔体的温度高于其液相线温度10～50℃。

优选地，所述容器的初始温度为0～200℃，例如，初始温度为0℃、20℃、40℃、60℃、80℃、100℃、120℃、140℃、160℃、180℃或200℃。

优选地，所述容器的倾斜角度为30～60°，例如，倾斜角度为30°、33°、36°、39°、42°、45°、48°、51°、54°、57°或60°。

本发明将金属熔体从容器顶部沿着侧壁流到底部，控制流速从而避免卷气。

作为本发明的一个优选技术方案，步骤(ⅱ)中，所述振动器的振动频率为0～50hz，但不包括0，例如，振动频率为1hz、5hz、10hz、15hz、20hz、25hz、30hz、35hz、40hz、45hz或50hz。

优选地，所述振动器的振幅为0～10mm，例如，振幅为0.5mm、1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm或10mm，进一步优选为0～5mm，但不包括0。

优选地，所述电磁感应器的频率为500～1500hz，例如，频率为500hz、600hz、700hz、800hz、900hz、1000hz、1100hz、1200hz、1300hz、1400hz或1500hz。

本发明通过控制振动器频率为0～50hz，振幅为0～5mm，电磁感应器的频率为500～1500hz，可以有效避免液面剧烈波动造成卷气。

优选地，所述电磁感应器的功率为2.5～7.5kw，例如，功率为2.5kw、3.0kw、3.5kw、4.0kw、4.5kw、5.0kw、5.5kw、6.0kw、6.5kw、7.0kw或7.5kw。

优选地，所述半固态浆料的固相含量为10～50％，例如，固相含量为10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％或50％。

优选地，所述金属熔体的材质包括铝、镁、锡或铜中的一种或至少两种的组合。

本发明所述的数值范围不仅包括上述例举的点值，还包括没有例举出的上述数值范围之间的任意的点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

附图说明

图1为本发明一个具体实施方式中提供的金属半固态浆料的制备装置的结构示意图。

其中，1-容器；2-容器底座；3-振动器；4-电磁感应器；5-线圈支架；6-温度传感器。

具体实施方式

需要理解的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

在一个具体实施方式中，本发明提供了一种金属半固态浆料的制备装置，如图1所示，所述的制备装置包括容器1、电磁感应器4和振动器3，容器1放置于所述电磁感应器4内，振动器3位于所述电磁感应器4的下方，振动器3对容器1进行振动；所述电磁感应器4包括呈圆筒状的壳体和设置于壳体内壁的电磁感应线圈，所述电磁感应线圈在所述壳体内壁呈螺旋缠绕。

本发明综合利用机械振动和电磁感应，振动器3产生的机械振动和电磁感应器4产生的弱搅拌效应，共同促进金属熔体内部流动，并且结合螺旋状缠绕设置的电磁感应线圈，提高熔体温度场均匀性和溶质分散均匀性，与此同时，电磁感应对表层熔体产生的加热效应，减小了熔体表层和心部的温度差。通过本发明制备得到的半固态浆料不受接触式污染，具有均匀的微观组织，固相含量在10～50％范围内精确可控。

进一步地，容器1与振动器3之间设置有容器底座2，容器1嵌入放置于容器底座2。容器底座2上开设有固定凹槽，容器1嵌入放置于固定凹槽。更进一步地，容器1呈圆筒状，固定凹槽的形状与容器1底部形状相同；容器1的材质包括不锈钢、钛合金或镍合金中的一种或至少两种的组合，容器底座2的材质包括硅酸盐保温材料、珍珠岩保温材料或陶瓷保温材料中的一种或至少两种的组合。

进一步地，振动器3为振动台，振动台包括电磁式振动台、机械式振动台或液压式振动台中的一种或至少两种的组合，进一步优选为电磁式振动台。

进一步地，电磁感应线圈的顶端高于容器1内物料的顶部液面，电磁感应线圈的底端低于容器1内物料的底部液面。

进一步地，制备装置还包括线圈支架5，线圈支架5用于支撑放置电磁感应器4，更进一步地，线圈支架5的顶部设置有放置板，放置板上开设有放置孔，容器底座2穿过放置孔。容器1、容器底座2、振动器3、电磁感应器4和线圈支架5同轴设置。

进一步地，制备装置还包括位于容器1底部的温度传感器6，所述温度传感器6用于检测容器1底部的温度。

进一步地，制备装置还包括与温度传感器6电性连接的控制器，控制器还分别独立电性连接电磁感应器4和振动器3，控制器用于接收温度传感器6发出的反馈信号，并反馈控制电磁感应器4和振动器3的开启。

进一步地，温度传感器6为热电偶，容器底座2内开设有l形通孔，热电偶穿入l形通孔检测所述容器1底部的温度。

在另一个具体实施方式中，本发明提供了一种采用上述的金属半固态浆料的制备装置的制备方法，所述的制备方法具体包括以下步骤：

(ⅰ)将温度高于其液相线温度10～50℃的金属熔体沿侧壁倒入倾斜的容器1内，容器1的初始温度为0～200℃，倾斜角度为30～60°，并将容器1竖直放置于容器底座2上；

(ⅱ)开启振动器3和电磁感应器4，在电磁感应和振动下进行制备，振动器3的振动频率为0～50hz，振幅为0～10mm；电磁感应器4的频率为500～1500hz，功率为2.5～7.5kw，待金属熔体温度降低后，关闭振动器3和电磁感应器4，得到固相含量为10～50％的半固态浆料。

其中，金属熔体的材质包括铝、镁、锡或铜中的一种或至少两种的组合。

本发明将金属熔体从容器1顶部沿着侧壁流到底部，控制流速从而避免卷气。并控制振动器3频率为0～50hz，振幅为0～5mm，电磁感应器4的频率为500～1500hz，可以有效避免液面剧烈波动造成卷气。根据测量的温度，实现对固相含量的精准控制。

实施例1

本实施例提供了一种金属半固态浆料的制备装置，基于一个具体实施方式中所述的制备装置，其中，容器1的材质包括不锈钢，容器底座2的材质包括硅酸盐保温材料。振动台为电磁式振动台。