用于制造半固态金属生料的设备 【技术领域】
本发明涉及一种用于制造半固态金属生料的设备，特别是一种用于制造处于固态和液态组合状态下，含有微细、均匀球状粒子的半固态金属生料的设备。
背景技术
本专利申请已在韩国提出过，为2003年4月24日提交的专利申请2003-25998，该申请在韩国知识产权局存档，这里全文公开，以资参考。
半固态金属生料指的是一种金属材料，它处于固态和液态组合状态下，是触融压铸(也被称作流变铸造/触融压铸)的中间产品。半固态金属生料由球形固体粒子组成，它们以合适的比例悬浮在液相中，处于半固态适合的温度范围，因此，由于它们具有触变特性，所以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。流变铸造指地是这样一种过程，其中要通过铸造或锻造的方式将具有预定粘度的半固态金属生料制造成金属坯料或模具产品。而触融压铸指的是这样一种过程，其中涉及将通过流变铸造而制造的坯料进行重新加热，再次形成金属生料，然后再铸造或锻造，从而加工出最终产品。
这种流变铸造/触融压铸比采用熔融金属实施的普通模铸诸如铸造或锻造过程具有更高的优势。由于流变铸造/触融压铸中所用的半固态/半熔融生料与熔融金属相比，在较低的温度下就具有流动性，因此流变铸造和触融压铸中的模铸温度可以降低，从而确保模具更长的使用寿命。此外，当通过一个缸体挤压半固态/半熔融金属生料时，发生紊流的可能性更低，因此在铸造过程中渗入的空气更少，从而可以防止在最终产品中形成气窝。此外，采用半固态或半熔融生料可以减少固化过程中的收缩，提高工作效率，并可以生产出力学性能更高、防腐性能更好、重量更轻的产品。因此，这样的半固态/半熔融金属生料可以用作汽车、航天航空领域及电气、电子信息通讯设备中的新材料。
如上所述，半固态金属生料既用于流变铸造，也用于触融压铸。具体地说，用某种预定方法从熔融金属固化的半固态生料用在流变铸造中，而通过重新加热固体坯料而形成的半熔融生料则用在触融压铸中。在本发明的所有规格中，术语“半固态金属生料”都指的是固态和液态的混合态，温度范围在金属的液相温度和固相温度之间，这种生料可以通过熔融金属的固化用流变铸造法制造。
在普通的流变铸造中，冷却时以低于液相温度的温度水平搅拌熔融的金属，以便将树枝状结构破坏而形成适合流变铸造的球状粒子，例如，通过机械搅拌、电磁搅拌、气泡分离、低频、高频或电磁波振动、电击搅拌等方法。
作为一个实例，美国专利号3,948,650就描述了制造液-固混合物的方法和设备。在该方法中，熔融的金属在冷却而固化过程中被使劲地搅拌。该专利所描述的一种半固态金属生料制造设备采用一种搅拌器来引发具有预定粘度的固-液混合物流动，以破坏其树枝状结构或扩散液-固混合物中被破坏的树枝状晶体结构。通过这种方法，在冷却过程中形成的树枝状晶体结构被破坏，并用作球状粒子的核。但是，由于在冷却早期产生固化潜热，因此该方法的冷却率很低，制造时间增加，在混合容器中引起不均匀的温度分布，并引起不均匀的晶体结构。半固态金属生料制造设备中所采用的机械搅拌会固有地导致混合容器中温度分布不均匀。此外，该设备在一个腔体中操作，因此很难连续进行后续过程。
美国专利号4,465,118描述了一种制造半固态合金生料的方法和设备。该设备包括一个线圈电磁场施加部分、一个冷却歧管以及一个模具，这些组成部分依次向内形成，其中熔融的金属被连续导入到容器中，冷却水流过冷却歧管而冷却模具的外壁。在制造半固态合金生料时，通过容器顶部开口喷射熔融金属，并通过冷却歧管进行冷却，从而在容器中形成固化区。当电磁场施加单元在施加磁场时，用冷却过程来破坏在固化区形成的树枝状晶体结构。最后，从生料形成坯料，并通过设备的下端拔出来。该方法和设备的基本技术概念是在固化后通过施加振动而破坏树枝状晶体结构。但是，这个方法存在许多问题，诸如过程比较复杂，并且粒子结构不均匀。在制造设备中，由于连续向下供应熔融金属来形成坯料，因此很难控制金属坯料的状态及整个过程。此外，模具在施加电磁场之前用水进行冷却，因此在容器的外围和核心区之间存在很大的温差。
后文描述了其他已知的流变铸造/触融压铸方法。但是，所有这些方法其工作原理都是在成形后破坏树枝状晶体结构而形成球状粒子的核，从而产生就上述两个专利而描述的问题。
美国专利号4,694,881描述了一种制造触变材料的方法。在该方法中，将合金加热到这样一个温度——在该温度下合金的所有金属成分都以液相出现，并将形成的熔融金属冷却到其液相和固相温度之间的某个温度。然后，给熔融的金属施加足够的剪切力，以破坏其在熔融金属冷却过程中形成的树枝状结构，从而形成触变材料。
日本专利申请公开号Hei 11-33692描述了一种生产流变铸造用金属生料的方法。在该方法中，在温度接近其液相温度或比其液相温度高出50℃的情况下给一个容器提供熔融金属。然后，当至少一部分熔融金属达到低于液相温度的某个温度，即熔融金属至少一部分被冷却到低于液相温度范围时，给熔融金属施加一定的作用力，例如超声波振动等。最后，熔融金属被慢慢冷却成含有球状粒子的金属生料。该方法也使用物理作用力，诸如超声波振动来破坏在固化的早期形成的树枝状晶体。在这方面，如果铸造温度大于液相温度，则很难形成球状粒子结构并快速冷却熔融金属。此外，该方法还会导致表面和核心结构方面的不均匀性。
日本专利申请公开号Hei 10-128516描述了一种触变金属铸造法。在该方法中，涉及到将熔融金属装入一个容器中，并用浸在熔融金属中的振动棒来振动熔融金属，以便直接将其振动作用力传递给熔融金属。在此过程中，在比其液相温度更低的温度下形成一种含有处于半固态和半液态状态下的核的熔融合金，并将其冷却至它具有预定液体含量的温度，在此温度下保持30秒～60分钟时间，以便熔融合金内的核变大，从而产生触变金属。但是，该方法会产生相对较大的大约为100μm的金属，需要相当长的处理时间，并且不能在比预定尺寸更大的容器中进行。
美国专利号6,432,160描述了一种制作触变金属生料的方法。该方法涉及同时控制熔融金属的冷却和搅拌过程，以形成一种触变金属生料。具体如下，在将熔融金属加入搅拌容器中之后，位于搅拌容器周围的定子组件操作，产生足够高的磁动势，从而快速搅拌容器中的熔融金属。接着，熔融金属的温度通过配备在搅拌容器周围的热套——用于精确控制搅拌容器核熔融金属的温度——快速降低。在冷却过程中，熔融金属被连续搅拌，且搅拌的方式得到良好控制。当熔融金属的固态部分较低时，将进行较快的搅拌。随着固态部分增加，将施加较高的磁动势。
大多数上述用于制造半固态金属生料的普通方法和设备都采用剪切力在冷却过程中将树枝状晶体结构破坏成球状结构。由于在至少一部分熔融金属的温度下降到低于其液相温度后都施加某种作用力譬如振动等，因此会因为初始固化层的形成而产生潜热。结果，会产生大量缺点，诸如降低冷却速度增加制造时间等。此外，由于在内壁与容器中心之间温度不均匀，因此很难形成高质量、均匀的球状金属粒子。因此如果加入容器的熔融金属其温度没有得到控制，则金属粒子的这种结构上的非均匀性会更加突出。
为了解决这些问题，本发明人提交了韩国专利申请2003-13517，题目为“用于制造半固态金属生料的方法和设备”。
【发明内容】
本发明提供了一种用于制造含有微细、均匀、球状粒子的半固态金属生料的新设备，它可以提高能量利用率，并提高力学特性，降低成本，它具有易铸造性，从而缩短制造时间。
本发明还提供了一种用于在短时间内制造高质量半固态金属生料的设备，制造出的生料可以方便而简单地应用到后续过程中。
本发明还提供了一种方便地制造和卸放高质量半固态金属生料的设备。
本发明其中的一个方面表明，它提供了一种用于制造半固态金属生料的设备，该设备包括：至少一个用于接收处于液态的熔融金属的套筒；一个用于给套筒中的熔融金属施加电磁场的搅拌单元；至少一个柱塞——用于给在其中装熔融金属的空间其底部规定界限，柱塞被插入到套筒的一端；以及一个用于驱动柱塞作上下运动的驱动单元。
本发明特定的具体应用表明，搅拌单元可以在往套筒中装入熔融金属之前给套筒施加电磁场。或者，搅拌单元可以在往套筒中装入熔融金属的同时给套筒施加电磁场，或者在装入熔融金属的过程中间施加电磁场。
搅拌单元给套筒施加电磁场可以一直继续，直至所装入的熔融金属其固体部分含量达到0.001-0.7，最好为0.001-0.4或最佳为0.001-0.1为止。
熔融金属的冷却可以一直继续，直至其固体部分含量为0.1-0.7为止。
该设备可以进一步包括一个安装在套筒周围用于冷却熔融金属的温度控制元件。该温度控制元件可以至少包括安装在套筒周围的一个冷却器和一个加热器。温度控制元件可以以0.2-5.0℃/秒的速度冷却套筒内的熔融金属，最好为0.2-2.0℃/秒。
【附图说明】
通过参考附图详细描述其中的示范性的实际应用，本发明的上述以及其他特征和优点就会更加明显，其中：
图1是建立在本发明基础之上、用于制造半固态金属生料的设备的温度轮廓图；
图2表示的是依据本发明的具体应用而形成的用于制造半固态金属生料的设备结构；
图3是建立在本发明基础上的用于半固态金属生料制造的设备中的套筒其部分剖面图；
图4表示的是用图2中所显示的设备制造的一块半固态金属生料；以及
图5表示的是用图2中所显示的设备制造的一块半固态金属生料的卸料情形。
【具体实施方式】
下面将通过参考所附图纸对本发明进行详细的描述。
首先，对用本发明的设备制造半固态金属生料的方法将参考图1进行说明。
与上述普通工艺不同的是，用本发明的设备制造半固态金属生料的方法涉及在往套筒中装载熔融金属这个过程结束之前施加电磁场。换言之，电磁搅拌是在往套筒中加入熔融金属之前、开始时以及中间进行的，以防形成树枝状晶体结构。对于搅拌，也可以采用超声波代替电磁场。
首先，当将电磁场施加到至少一个由搅拌单元围绕的套筒后，将熔融金属装入套筒中。在这种情况下，所施加电磁场的强度足以搅拌熔融金属。
如图1所示，熔融金属在温度为Tp的条件下加入套筒。如上所述，可以在往套筒加入熔融金属之前给套筒施加电磁场。但是，本发明却不限于此，电磁搅拌还可以在往套筒中加入熔融金属开始时或过程当中进行。
归功于在往套筒中加入熔融金属完成之前启动的电磁搅拌，熔融金属在固化的早期没有在靠近套筒的内壁处形成树枝状结构。由于整个熔融金属的温度快速降低到低于其液相温度，因此大量微核在整个套筒中同时形成。
在往套筒中加入熔融金属之前或开始时给套筒施加电磁场，可以在套筒的中央及内壁区域有效搅拌熔融金属，并且导致在整个套筒中进行快速热传递。因此阻止了在冷却早期在套筒的内壁附近形成固化层。此外，这种对熔融金属进行的有效搅拌导致了高温熔融金属与套筒低温内壁之间平稳的热对流，因此整个熔融金属可以快速冷却。由于电磁搅拌的作用，熔融金属中的粒子在往套筒中加载时就分散，并在整个套筒中以核的形式分散，因此在冷却过程中在套筒中绝少会发生温差问题。但是，在普通工艺中，当熔融金属接触到套筒的低温内壁，在容器内壁附近形成固化层。从固化层中产生树枝状晶体。
通过结合固化潜热进行描述，本发明的原理会变得更加清晰。熔融金属没有在冷却早期于靠近套筒内壁的地方固化，从而没有产生固化潜热。因此，为了实现冷却目的，要从熔融金属散掉的热量仅为熔融金属的比热，它仅相当于相应固化潜热的大约1/400。因此，那些在普通方法中于冷却早期在靠近套筒内壁的地方频繁产生的树枝状晶体，在该新发明中就没有形成。在套筒中的全部熔融金属都可以均匀地得到冷却，这个过程从熔融金属的加入算起仅仅用了大约1～10秒钟。结果，在套筒中形成了大量核，它们均匀分布在套筒中的所有熔融金属上。增加的核密度缩短了不同核之间的距离，从而形成了球状粒子而不是树枝状粒子。
即使在往套筒中加入熔融金属过程当中施加电磁场，也会获得同样的效果。换言之，即使在往套筒中加入熔融金属过程当中开始电磁搅拌，也几乎不会在靠近套筒内壁的地方形成固化层。
最好将熔融金属的温度Tp限制在这样一个范围内，即液相温度～液相温度+100℃(融化过热＝0～100℃)的范围。依据本发明，由于包含熔融金属的整个套筒被均匀冷却，因此可以在超出其液相温度100℃的情况下将熔融金属加入套筒，而无须将熔融金属的温度冷却到接近其液相温度。
相反，在一个普通方法中，在往容器中加载熔融金属过程结束后并且当一部分熔融金属温度低于其液相温度后才施加电磁场。因此，会在靠近容器内壁的地方在冷却早期因固化的形成而产生潜热。由于固化的潜热比熔融金属的比热要高出大约400倍，因此，要让整个熔融金属的温度降低到低于其液相温度，必须要经历较长的时间。因此，在这样一个普通方法中，熔融金属要在冷却到接近其液相温度或达到比其液相温度高50℃后才加载到容器中。
根据本发明，电磁搅拌可以在(套筒中熔融金属至少一部分的温度达到低于其液相温度Tl的水平后)任何时候停止，即在固体含量大约为0.001时，在熔融金属中形成核以后，如图1所示。这就是说，可以在熔融金属的整个冷却过程中给套筒内的熔融金属施加电磁场，然后在开始后续成形过程诸如模铸或热锻之前停止。这是因为，一旦核在整个套筒中均匀分布，即使在从核成长晶体粒子的时刻，电磁搅拌就不会影响金属生料的特性。因此，电磁搅拌可以在金属生料制造过程中一直继续，直至熔融金属的固体部分含量达到0.001-0.7为止。但是，从提高能量利用率来看，最好继续电磁搅拌直至熔融金属的固体部分含量达到0.001-0.4，或者甚至为0.001-0.1。
在电磁搅拌完成后，金属生料从套筒中卸出，以进行连续的后续过程，例如，模铸、热锻及坯料成形等。
在施加了电磁场后，并在往套筒装入熔融金属以形成均匀的核分布完成之前，套筒被冷却，以促进核的增长。该冷却过程可以与往套筒中装入熔融金属的过程同时进行。
如上所述，电磁搅拌可以在整个冷却过程中一直继续。换言之，即使在往套筒上施加电磁场过程中也依然可以进行冷却过程。结果，所制造出的半固态金属生料可以在后续成形过程中立即使用。
冷却过程可以一直进行到后续成形过程之前那一刻，并且最好是熔融金属的固体部分达到0.1-0.7，即达到图1中的时间t2为止。熔融金属可以以0.2-5.0℃/秒的速度冷却。但是，熔融金属的冷却速度可以在0.2-2.0℃/秒范围内变化，具体数据将依据所需要的核分布和粒子尺寸而定。
通过采用前述过程，可以很容易地制造出含有预定量固体部分的半固态金属生料。所制造的半固态金属生料通过快速冷却而被直接置入坯料成形过程，以形成用于触融压铸的坯料，或者，直接进入模铸、锻造或压铸过程，以形成最终产品。
如上所述，依据本发明，可以在很短的时间内制造出半固态金属生料。也就是说，从往套筒中装入熔融金属到制造出固体含量为0.1-0.7的金属生料仅需要30-60秒。此外，通过对由这种方法形成的半固态金属生料可以用于产品成形加工，可以形成具有均匀致密的球状晶体结构的产品。
上述用于制造半固态金属生料的方法可以用建立在本发明具体应用基础之上的一个设备来实现，如图2和图3所示。
参见图2，建立在本发明具体应用基础之上、用于制造半固态金属生料的设备至少包括一个用于接收液态熔融金属的套筒2；一个用于给熔融金属施加电磁场的搅拌单元1；至少一个柱塞5——用于规定在其中装入熔融金属的空间的底部界限，柱塞被插入到套筒的一端；以及一个用于将柱塞5上下驱动的驱动单元3。
搅拌单元1被安装在空心基板14的顶部。基板14由支撑成分15支撑，安装在离地面预定的高度处。用于施加电磁场的线圈11安装在基板14上，同时受带有内部空间13的框架12的支撑。线圈11通过电气方式与一个控制器相连(图中未显示)，并给空间13施加预定强度的电磁场，以通过电磁方式搅拌容纳在(布置在空间13内的)套筒12中的熔融金属。尽管没有在图2中显示，但搅拌单元1也可以为一台超声波搅拌器。
如图2中所示，套筒2可以放置在搅拌单元1内部，即在空间13内。套筒2可以固定在基板14上，同时与框架12接触。套筒2可以用金属材料制造，也可以用绝缘材料制造。套筒2最好采用其熔点比待装入的熔融金属其熔点要高的材料。套筒2的下端被柱塞5封闭，套筒2的上端打开，以接收熔融金属。也就是说，套筒2可以采用容器的形式，底部由柱塞5规定界限。但是，对套筒2的结构没有特别的限制，只要柱塞5插入到套筒2的下部分即可。尽管在图2中没有显示，但是在套筒2中可以安装一个热电偶，与控制器连接在一起，给控制器提供套筒2的温度信息。
本发明的设备也可以进一步包括一个温度控制元件20，它围绕套筒2安装，如图3所示。温度控制元件20由一个冷却器和/或一个加热器组成。在图3中的具体应用中，由一个水冷却套22担当冷却器以及一个电热线圈23担当加热器。水冷却套22围绕套筒2安装，包括冷却水管21。电热线圈23围绕水冷却套22安装。冷却水管21可以埋在套筒2中，也可以采用除电热线圈23以外的其他加热手段。对温度控制元件20的结构没有任何特定的限制，只要温度控制元件20可以调节熔融金属或生料的温度即可。套筒2中所包含的熔融金属可以通过温度控制元件20以适当的速度冷却。可以理解，这样一个套筒2可以用在下列依据本发明而形成的半固态金属生料制造设备的所有具体应用中。套筒2中所包含的熔融金属可以用温度控制元件20进行冷却或自然冷却。
柱塞5，插入到套筒2的下端，与驱动单元3连接起来上下移动。柱塞5的下端与活塞杆51相连，后者又与驱动单元3耦合。
驱动单元3包括一个驱动电机以及一个齿轮或液压缸等。驱动单元3进一步包括一个动力系统31，它通过电气方式与控制器相连。
可以采用上料单元4作为往套筒2中提供熔融金属的一种手段。对于上料单元4，可以采用一个通用戽斗，通过电气方式与控制器相连。此外，用于形成熔融金属的炉子可以直接连接到上料单元4上。任何可以将熔融金属装入套筒2的设施都可以用作上料单元4。
在如图2所示的建立在本发明基础之上的半固态金属生料制造设备的具体应用中，当驱动单元3工作，将柱塞5置于套筒2的最低位置后，搅拌单元1会以预定的强度给套筒2的内部施加预定频率的电磁场。接着，已经融化的处于一个独立电气炉子的金属M通过上料单元4装入到处于电磁场中的套筒2中。如上所述，除了可以在上料之前施加电磁场以外，给套筒2施加电磁场也可以在往套筒2中装入熔融金属M的同时或在该过程中间进行。
如图4所示，当熔融金属被装入套筒2以后，套筒2以预定速度冷却，直至所形成的半固态金属生料S的固体含量处于0.1-0.7的范围内为止。在这种情况下，熔融金属可以以0.2-5.0℃/秒的速度冷却，最好为0.2-2.0℃/秒。如上所述，冷却可以在温度控制元件20的控制下进行，但并不受此要求限制。可以理解，容纳在套筒2中的熔融金属可以在不用温度控制元件20的情况下自然冷却。
同时，电磁场的施加可以一直持续，直至冷却过程完成为止，即直至熔融金属的固体部分含量达到至少0.001-0.7为止。从提高能量利用率来看，最好在往套筒2中装入熔融金属后施加电磁场，直至熔融金属的固体部分含量达到0.001-0.4，或者甚至为0.001-0.1。达到这些固体含量水平所需要的时间可以通过前面进行的试验确定。可以理解，冷却可以在施加电磁场的过程中进行，如上所述。
在制造了生料S后，驱动单元3操作，提升柱塞5，如图5中所示。因此，生料S从套筒2中拉出，然后通过一个传送单元诸如机器人等转移到后续成形诸如流变铸造过程的设备中。
本发明的半固态金属生料制造设备可以以大批量的方式连续制造半固态金属生料，制造的生料可以方便地应用到后续过程中。因此总体过程效率得到提高。
建立在本发明基础之上的半固态金属生料制造设备可以用于对各种金属和合金，例如，可用于铝、镁、锌、铜、铁等金属及这些金属形成的合金。依据本发明制造的半固态金属生料包含球状微粒子，它们均匀分布，平均尺寸为10-60μm。
从上面的描述可以明显看出，根据本发明，可以获得均匀、球形微结构粒子。因此，合金的力学特性大大提高。
这种均匀的球状粒子可以通过以高出熔融金属液相温度的某个温度进行电磁搅拌而在短时间内形成，从而在容器内壁附近产生更多核。
通过采用建立在本发明基础之上的半固态金属生料制造设备，可以简化总体的生料制造过程，并且可以大大缩短电磁搅拌核成形时间，从而节省搅拌的能量，降低成本。
利用建立在本发明基础之上的半固态金属生料制造设备，可以方便地进行后续过程，并提高成形产品的成品率。
该设备结构相对比较简单，因此可以方便地快速制造大量半固态生料。
尽管本发明在上面特别针对其示范性的具体应用而显示并描述，但那些在该领域具有常规技巧的人都会明白，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可以在形式和细节上进行各种变化，具体保护范围以“权利要求书”为准。