固液态金属搅拌混合方法与流程

本发明涉及一种固液态金属搅拌混合方法。

背景技术：

目前，半固态成形技术是1970’s出现的一种新型成形技术，它采用含有50％左右，细小、球状固相的固液混合金属浆料进行压力成形。较全液态金属，半固态金属凝固收缩小，且由于消除了枝晶组织，可大幅减少甚至消除缩松；另外，半固态金属可通过其高表观粘度降低自身雷诺系数以实现平稳充型，能显著减少零件中的微气孔。因此，半固态铸件理论上会具有相对更高的力学性能。而且，半固态铸件由于减少了气孔，可以通过热处理进行二次强化。

半固态浆料制备的传统方法是通过对凝固中的金属施加机械搅拌或电磁搅拌以打碎树枝晶，获得非枝晶状的凝固晶粒，以期减少缺陷，提高零件性能。然而，为了打碎悬浮于金属液相中的树枝晶，必然需要较大的搅拌速度和较长搅拌时间，所需的设备结构复杂，成本较高。此外，搅拌不可避免会将杂质或气体卷入金属熔体，带来夹杂缺陷。因此，搅拌类的半固态成形技术始终未能真正实现工业化应用。近年来，为了提高生产效率、简化制浆装置，国内外先后提出了一些基于控制晶粒形核和抑制其生长的简易制浆技术。现有方法主要包括利用管道浇注或者通过倾斜斜坡浇注的方法。这些方法存在熔体保护困难、金属浇注过程中容易凝固结壳等问题。而且，制备大体积半固态浆料是半固态技术工业化应用面临的现实问题。上述的管道类和协办类制浆方法并不利于熔体的均匀冷却，因此大尺寸浆料的组织稳定性难以控制。

技术实现要素：

本发明要解决上述现有技术存在的问题，提供一种固液态金属搅拌混合方法和装置，传统半固态浆料制备技术中依靠搅拌打碎已产生树枝晶而细化晶粒，合金性能改善不大，本装置制备的半固态浆料通过多根合金棒对熔体产生的激冷作用形成大量结晶核心以细化晶粒，均匀化组织，克服铸轧过程中出现的粗大树枝晶，合金组织到改善。

本发明解决其技术问题采用的技术方案：这种固液态金属搅拌混合装置，包括固定底座，固定底座的前部分上安装有带加热功能的坩埚，固定底座的后端固定有竖向安装的导轨，导轨上安装有滑动座，导轨的顶部安装带动滑动座上下滑动的丝杆和丝杆电机，滑动座上固定有横梁，横梁上开有条形槽，条形槽内安装有位于坩埚正上方的卡盘旋转电机，卡盘旋转电机的输出轴朝下并固定有旋转卡盘，旋转卡盘的底面安装有一组间隔设置的合金棒。

加热功能包括交流电源、电阻丝及耐火材料。电阻丝嵌入耐火材料并包覆在坩埚周围，电阻丝通过导线与交流电源相连。升降机构包括导轨、滑动座、丝杆及丝杆电机，横梁通过两排导轨垂直连接在滑动座上，通过电机带动丝杆转动从而带动横梁可沿导轨在立柱上上下运动，运动速度通过电机调节。旋转卡盘具有卡紧、快换固体合金结构的圆盘，旋转卡盘与电机通过联轴器相连。坩埚的内部有一热电偶，热电偶可伸入合金液中实时监测并通过记录装置记录温度参数。

进一步完善，旋转卡盘上开有一圈间隔设置的通孔，通孔内安装有一对倾斜安装的卡板，卡板的下端转动连接在通孔内，卡板的上端与通孔内壁之间连接有弹簧。圆盘下表面装有具有V形卡槽、通过弹性装置实现固体合金棒加紧且能快换的卡紧装置。

这种固液态金属搅拌混合方法包括如下步骤：

一、制备固体合金棒：将合金锭熔化并将其过热度控制在70-100℃范围内，然后对熔体进行精炼、扒渣，之后静置并将熔体过热度控制在60-80℃范围内，将熔体浇入金属模具冷却凝固获得具有一定长度的圆柱状或方形合金棒；

二、控制金属熔体的温度：熔炼时将熔体的过热度控制在70-10℃范围内，然后对熔体进行精炼、扒渣，之后静置并将熔体过热度控制在10-50℃范围内；

三、制备半固态浆料：将上述步骤一中获得的合金棒固定在搅拌混合装置的旋转卡盘上，启动丝杆电机和卡盘旋转电机，丝杆电机带动旋转卡盘下降并将旋转中的合金棒浸入熔体；视所制备半固态浆料的体积大小及熔体温度变化情况控制浸入溶体的合金棒深度，待溶体温度降至半固态区间后，即可获得半固态浆料。

四、半固态成形或半固态坯料制备：将上述步骤三所得半固态浆料浇入成形装置模具即可实现半固态流变成形或制备触变成形用半固态坯料。

制浆过程中液态金属的过热度由合金棒的直径、浸入深度、浸入搅拌时间共同决定。三者之间存在匹配关系，即直径越小或进入深度越低，浸入搅拌时间越短，熔体过热度越大。反之过热度越小。不存在熔体流动中的氧化夹渣以及浇注时的凝固结壳问题。

本发明有益的效果是：

(1)在用合金棒为材料搅拌时，对合金液形成激冷作用，能使合金液迅速形成大量的结晶核心，结晶核心能迅速扩散到合金液内部各处，从而细化并均匀化合金。

(2)以合金棒为搅拌材料不会引入杂质，无需如传统机械搅拌装置的高速剧烈搅拌，节能的同时大大减少合金与空气作用产生剧烈的氧化反应。

(3)本装置仅采用两台小功率电机、一套简易支架及转盘，无需大成本投入既能制备优质半固态浆料，适用于大批量的生产模式，中小型企业无需投入巨资即能制备优质半固态浆料，性价比突出。

附图说明

图1为本发明的主视图；

图2为本发明正面的立体结构图；

图3为本发明背面的立体结构图；

图4为本发明中旋转卡盘的结构示意图。

附图标记说明：固定底座1，坩埚2，导轨3，滑动座4，丝杆5，丝杆电机6，横梁7，条形槽7-1，卡盘旋转电机8，旋转卡盘9，合金棒10，通孔11，卡板12，弹簧13。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

参照附图：本实施例中固液态金属搅拌混合方法，包括如下步骤：

一、制备固体合金棒：将合金锭熔化并将其过热度控制在70-100℃范围内，然后对熔体进行精炼、扒渣，之后静置并将熔体过热度控制在60-80℃范围内，将熔体浇入金属模具冷却凝固获得具有一定长度的圆柱状或方形合金棒；

二、控制金属熔体的温度：熔炼时将熔体的过热度控制在70-10℃范围内，然后对熔体进行精炼、扒渣，之后静置并将熔体过热度控制在10-50℃范围内；

三、制备半固态浆料：将上述步骤一中获得的合金棒固定在搅拌混合装置的旋转卡盘 上，启动丝杆电机和卡盘旋转电机，丝杆电机带动旋转卡盘下降并将旋转中的合金棒浸入熔体；

四、半固态成形或半固态坯料制备：将上述步骤三所得半固态浆料浇入成形装置模具即可实现半固态流变成形或制备触变成形用半固态坯料；

搅拌混合装置包括固定底座1，固定底座1的前部分上安装有带加热功能的坩埚2，固定底座1的后端固定有竖向安装的导轨3，导轨3上安装有滑动座4，导轨3的顶部安装带动滑动座上下滑动的丝杆5和丝杆电机6，所述滑动座4上固定有横梁7，横梁7上开有条形槽7-1，条形槽7-1内安装有位于坩埚2正上方的卡盘旋转电机8，卡盘旋转电机8的输出轴朝下并固定有旋转卡盘9，旋转卡盘9的底面安装有一组间隔设置的合金棒10。旋转卡盘9上开有一圈间隔设置的通孔11，通孔11内安装有一对倾斜安装的卡板12，卡板12的下端转动连接在通孔11内，卡板12的上端与通孔11内壁之间连接有弹簧13。

在熔炼、精炼和制浆过程中均通入保护气以减少金属的氧化和夹渣。对合金熔体在制浆过程中，使用热电偶对熔体温度实施实时监测并调整合金棒转动速度和浸入深度。

利用AZ61(Al 6.0、Zn 0.538、Mn 0.218)镁铝合金进行半固态浆料的制备。AZ61镁铝合金的液相线温度为595℃，固相线温度为470℃。将合金加热到650℃，保温10～15分钟。

安装镁棒到转盘上，镁棒材料亦为AZ61。然后通过联轴器安装转盘到电机输出轴上。当坩埚中的合金被加热到650℃时，停止加热，使合金开始缓慢冷却。并且打开电机，镁棒在升降平台的作用下进入坩埚并搅拌。搅拌至温度达到镁合金的固液相线之间，即470℃～595℃，本实验实施例中控制温度在540℃左右结束搅拌。

搅拌结束即得到球状晶的镁铝合金半固态浆料，此时可直接将浆料浇注到模具中，铸造成性能优良的铸件

虽然本发明已通过参考优选的实施例进行了图示和描述，但是，本专业普通技术人员应当了解，在权利要求书的范围内，可作形式和细节上的各种各样变化。