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1、(10)申请公布号 CN 103008603 A (43)申请公布日 2013.04.03 CN 103008603 A *CN103008603A* (21)申请号 201110289423.6 (22)申请日 2011.09.27 B22D 17/20(2006.01) B22D 17/32(2006.01) (71)申请人 苏州三基铸造装备股份有限公司 地址 215106 江苏省苏州市吴中区临湖镇壮 志桥 1 号 (72)发明人 许善新 贾祥磊 孙珏 沈世德 陈余秋 顾栋梁 (54) 发明名称 金属合金半固态浆料的制备方法及装置 (57) 摘要 金属合金半固态浆料制备是特种成型行业关 注。
2、的热点和难点。本发明提出 ： 1) 采用内置式熔 液温度冷却为主的方式， 实现熔液温度脉动式控 制， 使局部熔液的温度快降到共晶温度附近， 促使 晶核产生， 再慢上升到设定的液相平衡温度 ； 2) 采用间歇内置对流机械搅拌方式， 在均匀温度场 的同时， 用机械冲击方式形成对熔液的剪切、 摩擦 和挤压复合作用， 机械破坏枝晶。两种方法的集 成， 以高速和低能耗的方式制备金属合金半固态 浆料。本发明包含实现本方法的装置。核心件左 旋螺旋片和右旋螺旋片的旋向不同， 两者相互之 间有相位差， 相对主轴成对置分布 ； 核心件盘形 管设置在熔液中心， 根据需要调整通入冷却介质 种类 ( 水、 空气或其他 。
3、) 及强度。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 1 页 1/1 页 2 1. 金属合金半固态浆料的制备方法及装置由熔液温度脉动式控制和内置对流机械搅 拌方式两部分组成。 2. 如权利要求 1 所述， 采用内置式熔液温度冷却为主的方式， 实现熔液温度范围从固 液相平衡温度到共晶温度之间的脉动式控制。 3. 如权利要求 2 所述， 在熔液中心的中空主轴上设置通冷却介质的盘形或其他类似形 状的管子， 根据熔液温度高低来确定冷却介质的种类和流动强度。 4. 如权。
4、利要求 1 所述， 采用螺旋装置实现对熔液的机械搅拌。 5. 如权利要求 4 所述， 在主轴的不同区段上设置旋向相反的螺旋片， 每个螺旋片的相 位角在 90 到 180之间， 螺旋角 30到 60之间。 6. 如权利要求 5 所述， 两片螺旋片之间有相位差， 以相位角为依据， 在主轴上成对置形 式分布。 权 利 要 求 书 CN 103008603 A 2 1/3 页 3 金属合金半固态浆料的制备方法及装置 技术领域 ： 0001 本发明涉及到金属特种成型工艺中金属合金半固态浆料的制备方法， 包括熔融合 金在容器中的冷却方法和搅拌方法， 以便用更有效的方法在熔融合金中产生设定量的微小 固态结晶。
5、颗粒， 成为半固态浆料。 0002 本发明还涉及到实施本方法的装置。 背景技术 ： 0003 采用合金半固态浆料实现金属的铸造或锻造成型有许多优点， 可实现复杂形状成 型件的近终成型， 成型件可获得球状显微组织， 具有良好的机械性能， 因成型温度低于液态 金属而节约能量， 而且可延长成型模具寿命。所以研制金属合金半固态浆料制备及成型技 术是世界上各国同行关注的热点和焦点。 0004 从机理上讲， 制备金属合金半固态浆料有三方面的要点 ： 一是要对熔液进行搅拌， 可以是机械式或电磁式 ； 二是要严格控制熔液的温度， 以实现固相晶粒的按比例析出， 防止 晶粒以非球状方式长大 ； 三是可以添加变质剂。
6、或细化剂， 以增加熔液中形成晶核的数量。 从 目前已发表的专利来看， 大部分是针对机理一和二的方法和相应的装置。以德国发明专利 DE10 2004 032 443 A1 为例， 采用了在容器内设置螺旋的方法， 螺旋转动实现机械搅拌， 利 用容器壁内置电热丝进行加热和温控。 但从效果来看， 若用一般螺旋的连续转动实现搅拌， 其优点是可使得半固态浆料固相与液相混合均匀而且温度一致， 装置简单和成本低。但螺 旋的连续转动会造成熔液表面的翻腾， 加剧熔液与空气的接触， 造成氧化 ； 螺旋的连续运动 使熔液产生定向流动， 不利于容器中心与内壁处熔液的交混， 也不利于剪切从内壁面开始 长大的枝晶。若改用电。
7、磁式搅拌， 易实现均匀化， 但熔液降温慢而效率低， 装置复杂和成本 高。 至于对熔液的温度控制， 目前都采用在容器外壁或壁内加装冷却管和加热丝的方法， 温 度控制要从容器壁慢慢渗透到熔液中心， 效率低下而且造成晶粒粗大的倾向。 0005 由此可见， 目前的技术存在两大缺点。 首先是机械和电磁搅拌方法各有利弊， 前者 搅拌效果好而剪切差， 后者剪切好而搅拌差。其次是外部控制熔液温度的方法降温十分缓 慢， 造成晶粒长大， 达不到半固态浆料的合理结构。 发明内容 ： 0006 本发明提出 ： 1) 采用内置式温度控制为主的方式， 实现熔液温度快速脉动式控 制， 使局部熔液的温度快速下降到共晶温度点附。
8、近， 以促使晶核产生， 再缓慢上升到液相平 衡温度， 以确保合金浆料中固液态相之间的比例。 2)采用内置间歇对流式机械搅拌方式， 在 均匀熔液温度场的同时， 用冲击的方式形成对浆料的剪切、 摩擦和挤压复合作用， 机械破坏 先期形成的枝晶。 0007 两种方法的集成使用， 可使得温度处于接近共晶点的局部熔液产生大量的晶核并 长大。又通过机械式冲击剪切、 摩擦和挤压复合作用， 迅速折切断枝晶， 使晶粒呈球状。又 由于强烈的熔液内部的对流式搅拌， 温度较低的晶粒得到温度较高熔液的焓而升温， 实现 说 明 书 CN 103008603 A 3 2/3 页 4 热交换。整个过程循环进行。 0008 本发。
9、明专利的突出的实质性特点和显著的进步为 ： 1) 提出了脉动式控制金属合 金浆料的温度的方法。温度在共晶温度和设定的液固相平衡温度之间脉动。降温时促进晶 核的产生， 升温时控制浆料中液固相之间的比例， 最终在设定的液固相平衡温度时浆料达 到预定的液固相比例要求。 2)为实现本温度控制方法， 采用传统的容器壁外冷却的同时， 增 加内置式冷却部件盘形管， 在浆料靠近冷却部件而被冷却时， 迅速产生大量晶核。 3)增加了 对浆料进行内置间歇式对流搅拌的方法。 间歇式搅拌的间歇时间给晶核一定成长空间和时 间， 又由于突然进入剪切搅拌阶段， 晶粒的枝状物极易剪切而折断， 形成球状晶粒。内对流 搅拌使得搅拌。
10、产生的剪切摩擦和挤压在浆料内部进行， 表面看似平静， 内部涌动翻腾， 晶粒 脱离冷却部件的表面， 但不加剧浆料表面接触空气氧化。 4)为实现本搅拌方法， 在机械式搅 拌器上设置有相位角为 90的螺旋片右旋和左旋各一片， 螺旋角应大于 30。当主轴转动 时， 上端的右旋螺旋片推动浆料向下和向内部运动， 下端的左旋螺旋片推动浆料向上向内 部运动， 使得剪切摩擦和挤压的效果充分集成， 浆料混合处处均匀。 0009 本发明提出的方法可广泛使用到各种金属合金半固态浆料的制备上去。 附图说明 ： 0010 图 1 是本发明 “金属合金半固态浆料制备方法及装置” 的装置结构示意图。图中 电动机为 1， 传动。
11、链条为 2， 止推轴承为 3， 容器盖为 4， 夹层冷却介质口为 5， 滑动轴承为 6， 液面最低高度线为 7， 容器内壁为 8， 容器外壁为 9， 主轴为 10， 左旋螺旋片为 11， 温度传感 器为 12， 盘形管为 13， 右旋螺旋片为 14， 定位销为 15， 转动接头为 16， 盘形管冷却介质口为 17。 0011 图 2 是为了说明设置在主轴 10 上的左旋螺旋片 11， 温度传感器为 12， 盘形管 13， 右旋螺旋片 14， 以及容器内壁 8 和容器外壁 9 的形状和它们之间的相互关系。从图中可以 看出左旋螺旋片 11 和右旋螺旋片 14 都有相位角 90， 而两者之间有 18。
12、0的相位差， 也就 是说， 相对主轴成对置分布。 0012 具体实施方法 ： 0013 容器盖 4 的上部安装有低速电动机 1 和传动链条 2， 带动主轴 10 转动。主轴 10 架 在止推轴承 3 和滑动轴承 6 的孔中。主轴 10 中空， 主轴的顶端通过动接头 16 连接盘形管 冷却介质口 17， 可以由阀门 ( 图中没有画出 ) 切换开启或关闭， 来接通冷却水或冷却空气。 主轴 10 的执行工作部分在容器盖 4 的下方， 由上部的相位角为 90的右旋螺旋片 14， 中部 的盘形管 13 和下部的相位角为 90的左旋螺旋片 11 组成。螺旋角应大于 30。在设计 时， 要求主轴10中空的管。
13、路通到中部的盘形管13， 水或空气可通过盘形管13冷却熔液。 右 旋螺旋片 14 和左旋螺旋片 11 的旋向相反， 而且他们之间有相位差 180， 在主轴上成对置 形式。螺旋片 14 和 11 的外径应尽量大， 以不刮擦容器壁为宜。盘型管的盘面可以不与主 轴垂直， 即两者间存在一定的夹角， 范围为 60至 90， 以强化盘型管的表面形成晶核的 效果。在容器内壁 8 中部圆周上， 均匀分布四个测温传感器 12， 以测定熔液的温度。容器有 外壁 9， 与容器内壁 8 形成夹层。通过夹层冷却介质口 5 向夹层内通水或空气， 对熔液起冷 却作用。定位销 15 连接在容器盖上， 定位销 15 的锥体部分。
14、可插在容器上部的孔中。 0014 为了防止熔液粘在盘形管 13 和螺旋片 11 和 14 表面， 每次批量制备浆料前， 在盘 说 明 书 CN 103008603 A 4 3/3 页 5 形管 13、 螺旋片 11 和螺旋片 14 表面喷涂涂料。 0015 制备开始时在容器内加入的熔液要达到一定的液面高度 7， 使得右旋螺旋片 14 能 浸在熔液中。 0016 制备金属合金半固态浆料的过程如下 ： 把加热到液固平衡温度以上的合金熔液倒 入容器中。 开启动力装置， 使装在容器盖上的主轴产生缓慢的转动， 同时温度传感器测量到 熔液的温度。由温度信号来控制进入盘形管中以及容器夹层中应通入水或空气， 以及流入 流出的强度。 主轴转动过程中， 熔液中没有螺旋片作用的地方， 在容器内壁和盘形管表面不 断产生晶核和晶粒， 然后在螺旋片冲击式剪切、 摩擦和挤压的复合作用下， 形成球状的晶粒 脱离并在熔液中浮动。整个过程不断循环， 一直到温度传感器显示温度达到设定的液固相 平衡温度， 熔液成为半固态浆料。 说 明 书 CN 103008603 A 5 1/1 页 6 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103008603 A 6 。