專利名稱：一種組合式弧面傾斜板半固態合金漿料制備裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種制備半固態合金漿料的組合式弧面傾斜板裝置，屬于材料科學技術領域。
背景技術：
半固態金屬(SSM)加工技術是上世紀70年代，由美國麻省理工學院Flemings領導的研究團隊發現的，其原理是金屬在凝固過程中，施以機械或電磁攪拌，使初生枝晶破碎，得到一種固相與液相共存的，初生固相細小、等軸且均勻懸浮于液相的固-液混合漿料 (固相分數最高可達60%)，然后鑄造成型的加工方法。該技術的核心在于使固-液混合漿料或坯料獲得非枝晶、初生相球化或細化，漿料組織中一般包含有1(Γ100 μ m的球形、近球形晶或等軸晶，與傳統的合金中樹枝晶相比， 這種組織的合金表現出較小的流動阻力，因而具有良好的成形性能。半固態成形溫度介于液相和固相之間，因而這種方式與傳統成形方式有很大不同，同時又兼備液態成形和固態成形兩者的優點，因而被譽為二十一世紀最有前途的金屬成形方法。目前，國外投入商業化生產的半固態成形技術主要有機械攪拌技術、電磁攪拌技術、噴射沉積技術與應變誘導熔體活化技術等。在成形工藝方面主要采用觸變成形，但是， 經過多年的實踐和研究發現采用觸變鑄造技術還存在一些不足a、制坯成本高；b、二次加熱過程能耗高；C、表面氧化嚴重；d、重熔后過高液相分數的坯料難以搬運e、不利于成形薄壁復雜零件；f、鋸屑不能及時回收，增加了成本。為了解決這些難題，同時擴大半固態鑄造的應用范圍，近年來，半固態流變成形技術又成為主攻方向，并且越來越受到重視，也出現了一些新的流變鑄造技術。最早，MIT的Flemings等人通過機械攪拌的方法制備了半固態漿料，在冷卻到合適的固相分數時，直接送入壓鑄機壓室進行流變壓鑄成形，分別研究了鋁合金A380和銅合金905的流變壓鑄。但是由于漿料輸送困難，因此一直沒能得到實際應用。為了避免半固態漿料存儲和輸送帶來的困難，日本日立公司Shikita等人提出了一種方案利用立式壓鑄機的特點，在壓射室中制備半固態漿料，然后直接壓射成形。北京科技大學康永林等人開發了旋轉錐筒制漿法，此方法是讓一定溫度的金屬液通過兩個特定溫度的相對旋轉的錐桶，在內外錐桶的劇烈剪切作用下，形成適合流變鑄造的半固態漿料，但此技術還處于前期試驗階段。2001年，Martinez和Flemings等人提出了一種新方法，該方法的思路是將低過熱度的金屬液澆注到坩堝中，利用銅棒對其進行短時弱機械攪拌，使合金熔體冷卻到液相線溫度以下后，移走攪拌銅棒，讓坩堝中的半固態合金熔體冷卻到預定的溫度或固相分數，最后，將坩堝中的半固態合金漿料傾入壓鑄機射室，進行流變壓鑄。這種技術的關鍵在于要快速地使合金熔體散去過熱，并同時在合金熔體中產生低強度的循環流動，使合金熔體各處均處在形核和凝固中；一旦形成一定的初生晶核，就可以停止攪拌，初生晶粒就會轉變為球狀晶粒。到目前為止，半固態流變壓鑄得到實際應用的只有意德拉流變壓鑄技術，但是該技術屬于專利技術，而且也存在一些不足，使用范圍有限。世界各國學者也在不斷開發新的流變壓鑄技術。我國北京科技大學和南昌大學分別開發了的半固態制漿設備，并進行了流變壓鑄試驗，取得了一定的進展。但是，到目前為止，這些技術還處于試驗研究階段，原因主要是現有的流變壓鑄技術設備不能夠很好的解決將漿料的制備和壓鑄過程相銜接的問題，漿料的儲運輸送困難，因而在實際生產推廣時效果差，使實際的應用難以實現。日本UBE公司提出Cooling Slope (傾斜板澆注法)制備鋁合金和鎂合金半固態坯料的新工藝，并在歐洲申請了專利。傾斜板一般是由合金鋼或石墨制成，其內部通水冷卻， 表面噴涂一層氮化硼(B)，以防止半固態金屬粘附在冷卻斜板表面上。其原理為將略高于液相線溫度的熔融金屬倒在冷卻板上，由于傾斜板的冷卻作用，在板壁上有細小的晶粒形核長大，金屬流體的沖擊和物體的自重作用使晶粒從板壁上脫落并翻轉，以達到攪拌效果。 在普通平直傾斜板的基礎上，管仁國研發了波浪式傾斜板制備半固態漿料技術。在普通直管法的基礎上，楊湘杰研發了轉動輸送管法制備半固態漿料技術。總的來說，傾斜板(管)式流變壓鑄工藝具有流程短、成本低、效率高等優點，而且適合于高溫合金半固態漿料的制備。但是，現有的傾斜板法多采用單板澆注，雖然采用波浪式結構等改進措施，但采用單一的傾斜板法制漿時，晶粒之間的碰撞、沖刷作用較弱，所得組織的細小均勻程度不夠，影響了半固態漿料的組織性能，不利于較高固相率的合金漿料的制備。而采用本發明設計的組合式傾斜板制漿，合金液由上板流至下板時，在自身重力的作用下，晶粒之間的碰撞、沖刷作用顯著提高，同時起到了紊流攪拌的效果，使得枝晶臂破碎，達到晶粒細化、球化的目的，能很好的解決上述問題。
發明內容
本發明提供一種組合式弧面傾斜板半固態合金漿料制備裝置，用以制備更加均勻細小的半固態組織，并通過其與壓鑄機聯合使用，實現流變壓鑄成型。本發明的組合式弧面傾斜板半固態合金漿料制備裝置，由固定套5(用于與壓鑄機料筒相連接，使用連接件12與13實現連接)，左、右支撐板6，左、右連接板8與活動連接板 4，上傾斜板托架3，下傾斜板托架1，上、下傾斜板9，前、后連接軸7和螺紋伸縮機構2組成； 左、右兩邊的連接板8和活動連接板4均由兩塊相互鉸鏈的分板組成，連接板8的分板長度大于活動連接板4的分板長度(使上、下傾斜板的傾斜方向相反)，它們的端頭分別與上傾斜板托架3和下傾斜板托架1端部鉸鏈，而中間則相互鉸鏈并通過前、后連接軸7連接；螺紋伸縮機構2的兩端固定在前、后連接軸7上，上、下傾斜板9固定在上、下傾斜板托架3和1 上，支撐板6的下部連于固定套5兩邊、上部經連接軸7與連接板8中部鉸鏈。所述螺紋伸縮機構包括螺桿10和雙頭螺套11，螺桿兩端固定在前、后連接軸7上， 雙頭螺套順時針和逆時針旋轉推動活動連接板。上、下傾斜板的傾斜方向相反，它們與水平線的傾斜夾角相等，夾角范圍為15° 75。(通過雙頭螺套順時針和逆時針的旋轉來推動活動連接板，實現傾斜板的角度變換)。上傾斜板尾端與下傾斜板之間的垂直距離為2(T50mm。 上、下傾斜板為上表面橫向內凹的弧面結構，弧面半徑r為162 165mm，板長10(T300mm、寬 7(Tl00mm。上、下傾斜板之間的距離，傾斜夾角，具體尺寸和弧面半徑，根據合金成分和實際需要，在所給范圍內進行選擇。所述傾斜板9內部具有加熱和冷卻系統，并能控制溫度，均采用現有技術；傾斜板 9表面采用不同材料，例如石墨或其他在高溫情況下對金屬熔體沒有污染的材料。傾斜板托架3和下傾斜板托架1可以通過更換傾斜板9來調節傾斜板的尺寸。本裝置用于制備半固態合金漿料時，制備方法步驟如下
(1)利用常規技術的熔煉方法制備低過熱度熔體，熔體溫度保持在液相線以上 15 50°C，保溫時間 3(T60min。(2)采用上、下兩塊傾斜方向相反的斜板，控制上、下傾斜板溫度保持在所要制備的合金的半固態溫度區間，上傾斜板溫度始終高于下傾斜板溫度5(T10(TC，然后將步驟 (1)中制備的低過熱度熔體按1. 6^2. 2X10-5m3/s的澆注速度澆注入上傾斜板，使熔體順著上傾斜板流下至下傾斜板，最后再流入壓鑄機。本發明的原理是由于上下兩塊傾斜板的冷卻速率不同，當合金液流經上傾斜板時，板對合金液的冷卻作用很大，使合金液溫度很快降低到半固態溫度區間，此時流至下傾斜板的半固態漿料固相分數較高，流動性較差。合金液流經下傾斜板后由于下傾斜板的弱激冷作用使得合金液的冷卻速率降低，合金液的溫度繼續下降，固相率進一步提高，使得合金液的流動性能繼續下降，但是由于下傾斜板(石墨板)與合金液的潤濕性差，彌補了合金液的流動性不足，因此可以獲得高固相分數的半固態漿料。與傳統傾斜板澆注法制備鋁合金半固態漿料的固相率為20%左右相比，此方法制備的鋁合金半固態漿料的固相率能達到 50%。本發明與現有技術相比，具有以下優點
1.采用組合式弧面傾斜板，上傾斜板溫度高于下傾斜板溫度，不僅對合金液有較強的剪切作用，并且有利于提高合金液的固相分數，制備更加細小均勻的半固態組織。2.這種制備方法適合于多種不同半固態溫度的合金漿料的制備。3.上下弧面傾斜板可以任意調節角度和尺寸，可以依靠重力的作用提供對合金熔體不同大小的剪切力，適用于不同熔點范圍的多種合金半固態漿料的制備。4.本裝置通過固定套與壓鑄機連接，半固態漿料依靠重力的作用直接流入壓鑄機，可以實現半固態漿料的流變壓鑄成型。5.本發明可以縮短壓鑄的工藝流程，操作簡單，易于工業化推廣。
圖1是本發明主視示意圖； 圖2是本發明側剖視圖3是本發明螺紋伸縮機構示意圖； 圖4是本發明螺紋伸縮機構剖面示意圖； 圖5是本發明固定套結構示意圖； 圖6是本發明半固態合金漿料制備方法示意圖。圖中1-下弧面傾斜板托架，2-螺紋伸縮機構，3-上弧面傾斜板托架，4-活動連接板，5-固定套，6-支撐板，7-連接軸，8-連接板，9-上、下弧面傾斜板，10-螺桿，11-雙頭螺套，12-連接件，13-連接件，14-澆杯，15-流量控制閥，16-坩禍，17-半固態金屬液。具體實施方法
以下結合附圖和實施例對本發明作進一步闡述，但本發明的內容不限于所述范圍。
實施例1 本組合式弧面傾斜板半固態合金漿料制備裝置，由固定套5，左、右支撐板6，左、右連接板8與活動連接板4，上傾斜板托架3，下傾斜板托架1，上、下傾斜板9，前、 后連接軸7和螺紋伸縮機2構組成；左、右兩邊的連接板8和活動連接板4均由兩塊相互鉸鏈的分板組成，連接板8的分板長度大于活動連接板4的分板長度(使上、下傾斜板的傾斜方向相反)，它們的端頭分別與上傾斜板托架3和下傾斜板托架1端部鉸鏈，而中間則相互鉸鏈并通過前、后連接軸7連接；螺紋伸縮機構2的兩端固定在前、后連接軸7上，上、下傾斜板9固定在上、下傾斜板托架3和1上，支撐板6的下部連于固定套5兩邊、上部經連接軸7與連接板8中部鉸鏈。螺紋伸縮機構包括螺桿10和雙頭螺套11，螺桿兩端固定在前、 后連接軸7上；上、下傾斜板的傾斜方向相反，它們與水平線的傾斜夾角均為15° ；上傾斜板尾端與下傾斜板之間的垂直距離為50mm ；上、下傾斜板為上表面橫向內凹的弧面結構， 弧面半徑r為162mm，板長100mm、寬70mm。采用本裝置對含錫40%的錫鉛合金(液相線溫度240°C，固相線溫度183°C )進行制漿，漿料制備方法是利用常規技術的熔煉方法制備含錫40%的錫鉛合金的低過熱度熔體， 熔體溫度保持在255°C，保溫時間30min。上弧面傾斜板的溫度控制在110°C，下弧面傾斜板的溫度控制在60°C。將制備的錫鉛合金熔體按1.6X10_5m7S的澆注速度澆注入上傾斜板，熔體將順著上傾斜板流下至下傾斜板，最后流入壓鑄機。實施例2
本組合式弧面傾斜板半固態合金漿料制備裝置，由固定套5，左、右支撐板6，左、右連接板8與活動連接板4，上傾斜板托架3，下傾斜板托架1，上、下傾斜板9，前、后連接軸7和螺紋伸縮機2構組成；左、右兩邊的連接板8和活動連接板4均由兩塊相互鉸鏈的分板組成，連接板8的分板長度大于活動連接板4的分板長度(使上、下傾斜板的傾斜方向相反)， 它們的端頭分別與上傾斜板托架3和下傾斜板托架1端部鉸鏈，而中間則相互鉸鏈并通過前、后連接軸7連接；螺紋伸縮機構2的兩端固定在前、后連接軸7上，上、下傾斜板9固定在上、下傾斜板托架3和1上，支撐板6的下部連于固定套5兩邊、上部經連接軸7與連接板8中部鉸鏈。螺紋伸縮機構包括螺桿10和雙頭螺套11，螺桿兩端固定在前、后連接軸7 上；上、下傾斜板的傾斜方向相反，它們與水平線的傾斜夾角均為50° ；上傾斜板尾端與下傾斜板之間的垂直距離為35mm ；上、下傾斜板為上表面橫向內凹的弧面結構，弧面半徑r為 163mm，板長 200mm、寬 80mm。采用本裝置對A356鋁合金(液相線溫度613°C。固相線溫度577°C )進行制漿，漿料制備方法是利用常規技術的熔煉方法制備的A356鋁合金低過熱度熔體，熔體溫度保持在630°C，保溫時間40min。上弧面傾斜板的溫度控制在300°C，下弧面傾斜板的溫度控制在 220°C。將制備的A356鋁合金熔體按1.9X10_5m7s的澆注速度澆注入上傾斜板，熔體將順著上傾斜板流下至下傾斜板，最后流入壓鑄機。實施例3
本組合式弧面傾斜板半固態合金漿料制備裝置，由固定套5，左、右支撐板6，左、右連接板8與活動連接板4，上傾斜板托架3，下傾斜板托架1，上、下傾斜板9，前、后連接軸7和螺紋伸縮機2構組成；左、右兩邊的連接板8和活動連接板4均由兩塊相互鉸鏈的分板組成，連接板8的分板長度大于活動連接板4的分板長度(使上、下傾斜板的傾斜方向相反)， 它們的端頭分別與上傾斜板托架3和下傾斜板托架1端部鉸鏈，而中間則相互鉸鏈并通過前、后連接軸7連接；螺紋伸縮機構2的兩端固定在前、后連接軸7上，上、下傾斜板9固定在上、下傾斜板托架3和1上，支撐板6的下部連于固定套5兩邊、上部經連接軸7與連接板8中部鉸鏈。螺紋伸縮機構包括螺桿10和雙頭螺套11，螺桿兩端固定在前、后連接軸7 上；上、下傾斜板的傾斜方向相反，它們與水平線的傾斜夾角均為75° ；上傾斜板尾端與下傾斜板之間的垂直距離為20mm;上、下傾斜板為上表面橫向內凹的弧面結構，弧面半徑r為 165mm，板長 300mm、寬 IOOmm0 采用本裝置對過共晶高鉻白口鑄鐵(液相線溫度1347°C。固相線溫度1288°C)， 漿料的制備方法是利用常規技術的熔煉方法制備的過共晶白口鑄鐵低過熱度熔體，熔體溫度保持在1397°C，保溫時間60min。上弧面傾斜板的溫度控制在650°C，下弧面傾斜板的溫度控制在^0°C。將制備的A356鋁合金熔體按2.2X10_5m3/S的澆注速度澆注入上傾斜板，熔體將順著上傾斜板流下至下傾斜板，最后流入壓鑄機。
權利要求
1.一種制備半固態合金漿料的組合式弧面傾斜板裝置，其特征在于由固定套(5)， 左、右支撐板(6)，左、右連接板(8)與活動連接板(4)，上傾斜板托架(3)，下傾斜板托架 (1)，上、下傾斜板(9)，前、后連接軸(7)和螺紋伸縮機(2)構組成；左、右兩邊的連接板(8) 和活動連接板(4)均由兩塊相互鉸鏈的分板組成，連接板(8)的分板長度大于活動連接板 (4)的分板長度，它們的端頭分別與上傾斜板托架(3)和下傾斜板托架(1)端部鉸鏈，而中間則相互鉸鏈并通過前、后連接軸(7)連接；螺紋伸縮機構(2)的兩端固定在前、后連接軸 (7)上，上、下傾斜板(9)固定在上、下傾斜板托架(3)和(1)上，支撐板(6)的下部連于固定套(5 )兩邊、上部經連接軸(7 )與連接板(8 )中部鉸鏈。
2.根據權利要求1所述的一種制備半固態合金漿料的組合式弧面傾斜板裝置，其特征在于螺紋伸縮機構包括螺桿(10)和雙頭螺套(11 )，螺桿兩端固定在前、后連接軸(7)上。
3.根據權利要求1所述的弧面傾斜板裝置，其特征在于上、下傾斜板的傾斜方向相反，與水平線的傾斜夾角相等，夾角范圍為15° 75。。
4.根據權利要求1所述的弧面傾斜板裝置，其特征在于上傾斜板尾端與下傾斜板頂端之間的垂直距離為2(T50mm。
5.根據權利要求1所述的弧面傾斜板裝置，其特征在于上、下傾斜板為上表面橫向內凹的弧面結構，弧面半徑r為162 165mm，板長10(T300mm、寬7(Tl00mm。
6.根據權利要求1 5任一項所述的制備半固態合金漿料的制備方法，其特征在于 上、下傾斜板9內部具有能控制其溫度的加熱和冷卻系統。
全文摘要
本發明涉及一種制備半固態合金漿料的組合式弧面傾斜板裝置，屬于材料科學技術領域。半固態弧面傾斜板裝置包括固定套、支撐板、連接板、活動連接板。固定套與壓鑄機料筒相連接，支撐板通過連接板和活動連接板固定弧面傾斜板托架，連接軸與活動連接板之間固定螺紋伸縮機構。將低過熱度熔體澆筑在半固態弧面傾斜板裝置上，通過弧面傾斜板裝置直接流入壓鑄機進行壓鑄。本發明能夠將制漿和壓鑄兩個階段相銜接，裝置簡單、流程短、成本低、效率高；上下傾斜板所形成的溫度梯度，能夠制備更加優良的半固態漿料。
文檔編號B22D17/00GK102284684SQ20111022549
公開日2011年12月21日 申請日期2011年8月8日 優先權日2011年8月8日
發明者周榮鋒, 朱旭中, 李虎 申請人:昆明理工大學