一种制备大直径半固态合金坯料的装置和方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半固态合金加工领域，具体涉及一种制备大直径半固态合金坯料的装置和方法。
【背景技术】
[0002]自从二十世纪七十年代美国麻省理工学院M.C.Flemings等研究人员发明了半固态金属成形技术，从此，半固态金属浆料的制备和成形引起了世界各国学者的普遍关注和研究。半固态金属成形技术分为流变成形和触变成形，其中半固态触变成形技术是一种继承了铸、锻工艺综合优点的精密、近净成形技术。与传统液态压铸相比，触变成形具有成形温度低、产品精度高、模具寿命长、组织优良且力学性能高等优势。与固态锻造相比，触变成形可以用更小的力、更低的成本成形形状复杂、力学性能相当的零件。
[0003]半固态触变成形的技术路线为:半固态坯料制备、二次加热至固-液温度区间、触变成形。其中半固态合金坯料的制备是半固态触变成形技术最为关键的一步，因为半固态合金坯料的制备决定和影响着整个成形过程，对成形产品的最终微观组织形貌和力学性能至关重要。
[0004]目前，半固态触变成形技术领域内制备半固态合金坯料的主要方法有电磁搅拌法、机械搅拌法和应变诱导-熔化激活法等。电磁搅拌技术包括交流感应行波电磁场搅拌制备半固态合金坯料、永久磁铁旋转法搅拌制备半固态合金坯料、无芯感应熔化法搅拌制备半固态合金坯料等，虽然这些方法具有浆料洁净度高、设备自动化高的优点，但是由于电磁在合金表面产生集肤效应而使其在制备大直径半固态坯料方面受到限制，一般采用电磁搅拌方法制备的半固态合金坯料直径小于150_。传统的机械搅拌法虽然能够制备规格较大的半固态合金坯料，但是由于合金熔体需要较长时间才能降至半固态温度区间，造成制坯速度慢效率低。由于大尺寸半固态坯料塑性变形力大，变形困难，因此应变诱导-熔化激活法也很难制备出大体积半固态合金坯料。另外，目前以上三种制备半固态合金坯料的设备往往存在设备复杂、制坯成本较高的问题，这也进一步制约了半固态合金坯料的批量制备。随着半固态成形技术的广泛应用，大直径半固态合金坯料的需求量越来越大，为了能够连续快速批量制备出质量优异的大直径半固态合金坯料和实现稳定连续可靠的工业化生产，各国学者、研究人员以及工业界仍在不断努力和探索，试图发明出新的大直径半固态合金坯料的制备技术。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于解决了现有半固态坯料制备装置存在的结构复杂、连续工作可靠性差、坯料制备尺寸小、难以工业化推广的问题，提供了制备半固态合金坯料的装置和方法，通过大直径收集坩祸与连铸设备的结合实现大直径半固态合金坯料的生产。
[0006]为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种制备大直径半固态合金坯料的装置，包括用于承载合金熔体的倒料坩祸、制浆室、搅拌杆、导气管，所述倒料坩祸与制浆室的上端衔接；
[0007]所述搅拌杆设于制浆室内，其外壁与制浆室内壁之间形成半固态合金浆料的容腔；
[0008]所述搅拌杆为中空结构，其内插设导气管；
[0009]所述制浆室的底部为浆料出口，浆料出口的下方结合有用于承载半固态合金坯料的大直径收集坩祸。
[0010]上述的制备大直径半固态合金坯料的装置也可以采用下述结构:所述制浆室的浆料出口的下方还可以结合有连铸机，所述连铸机包括与浆料出口结合的中间包以及依次设于中间包下方的结晶器、冷却装置和牵引机构。
[0011]其中，所述制浆室内靠近浆料出口处插设有热电偶，用于监测半固态合金浆料的温度。
[0012]其中，所述制浆室的上部为柱形、下部为锥形，上下部连接处的夹角为100?170。；
[0013]所述制浆室的高度为200?2000mm，所述浆料出口的内径为10?10mm ；
[0014]所述搅拌杆外壁与制浆室内壁之间的间距为3?200mm，搅拌杆的最底端至制浆室最底端的距离为O?200mm。
[0015]其中，所述搅拌杆的内径为10?100mm，壁厚为I?15mm ；
[0016]所述搅拌杆的转速为O?2000r/min。
[0017]其中，所述导气管、搅拌杆和制浆室三者的中心线重合；
[0018]所述导气管内气体流量为O?2000L/min，导气管的内径为5?80mm，导气管外壁与搅拌杆内壁之间的间距为2?80mm，导气管的最底端到搅拌杆底部的距离为10?200mmo
[0019]其中，所述大体积收集坩祸的内径为150?100mm ；
[0020]所述大直径收集;t甘祸的最顶端至制楽室最底端的距离为-100?300mm。
[0021]优选的，所述结晶器内径为150?800mm，冷却装置为均布于结晶器出口处四周的若干冷却水喷嘴。
[0022]其中，所述导气管内注入的气体为空气，气体温度为室温。
[0023]本发明还提供一种制备大直径半固态合金坯料的方法，利用上述制备半固态合金坯料的装置，包括如下步骤:
[0024](I)制备高于合金液相线温度5?150°C的合金熔体:将合金锭放进预热温度为200?400°C的坩祸电阻炉内，待合金锭升温至高于液相线温度60?120°C、完全熔化后进行精炼，用钟罩将烘干后的六氯乙烷压入合金熔体底部，六氯乙烷的加入量为合金熔体总量的0.3%?0.8%，轻轻摇动，除去合金熔体内的气体，然后对合金熔体除渣、精炼处理，最后将合金熔体降温至高于液相线温度10?50°C保温；
[0025](2)合金熔体的冷却:将步骤(I)得到的合金熔体通过倒料坩祸浇入到制浆室内，在搅拌杆的通气搅拌下快速冷却且保证内部温度场均匀，通过调节搅拌杆外壁与制浆室内壁之间的间距、导气管内的通气量和搅拌杆的搅拌速度来控制合金熔体的冷却速度，当合金熔体流动至制浆室底部的浆料出口处时，合金熔体的温度降至半固态温度，形成组织细小圆整的半固态合金浆料；
[0026](3)获得半固态合金坯料：通过轴向移动搅拌杆来控制半固态合金浆料的流出速度，步骤（2)中的半固态合金浆料经浆料出口流进大直径收集坩祸，自然冷却后得到半固态合金坯料；
[0027]或半固态合金浆料经浆料出口流入连铸机的中间包内，然后在结晶器、冷却装置的牵引机构的共同作用下连铸成半固态合金坯料。
[0028]本发明实现了大直径半固态合金坯料的连续快速制备，连续工作稳定可靠，是一种先进的大直径半固态合金坯料制备装置及方法，相对于现有技术，具有以下优点：
[0029]1、半固态合金坯料制备装置结构简单紧凑，操作方便，易于和制坯设备结合，可快速连续生产大直径半固态合金坯料，特别适合于工业化推广和应用。
[0030]2、可通过调节搅拌杆外壁与制浆室内壁之间的间距、导气管内的通气量和搅拌杆的搅拌速度来使合金熔体得到强烈搅拌和快速冷却，制备的半固态浆料直接由制浆室底部的浆料出口流出，且浆料流出速度可通过轴向移动搅拌杆来做到精确控制，半固态浆料制备的容积不受制楽■室的尺寸限制；相比于现有半固态楽■料制备技术，效率尚；由于持续揽拌和通气，快速制备的半固态合金浆料具有均匀的温度场和浓度场，持续流入大直径收集坩祸自然冷却成半固态坯料。该装置可改善大直径坯料成分、组织和性能不均匀的现象，减小坯料开裂现象，提高坯料表面质量、力学性能和成材率，降低大直径半固态坯料的生产成本。
[0031]3、导气管内通入的冷却气体为空气，大大降低了制浆成本。
[0032]4、适用合金范围广，适合于镁合金、铝合金、锌合金及其复合材料大直径半固态坯料的连续快速制备。
【附图说明】
[0033]图1为本发明中其中一种制备大直径半固态合金坯料的装置的结构示意图；
[0034]图2为本发明中另一种制备大直径半固态合金坯料的装置的结构示意图。
[0035]附图标记说明：
[0036]1、合金熔体；
[0037]2、倒料坩祸；
[0038]3、制浆室；
[0039]4、搅拌杆；
[0040]5、导气管；
[0041]6、半固态合金浆料；
[0042]7、热电偶；
[0043]8、大直径收集坩祸；
[0044]9、半固态合金还料；
[0045]10、中间包；
[0046]11、结晶器；
[0047]12、冷却装置；
[0048]13、牵引机构。
【具体实施方式】
[0049]为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
[0050]如图1所示，一种制备大直径半固态合金坯料的装置，包括用于承载合金熔体I的倒料坩祸2、制浆室3、搅拌杆4、导气管5，所述倒料坩祸2与制浆室3的上端衔接。
[0051]所述搅拌杆4设于制浆室3内，其外壁与制浆室3内壁之间形成环形的半固态合金浆料6的容腔。
[0052]所述搅拌杆4为中空结构，其内插设所述导气管5。
[0053]所述制浆室3的底部为浆料出口，浆料出口的下方结合有用于承载半固态合金坯料9的大直径收集坩祸8。
[0054]所述制浆室3内靠近浆料出口处插设有热电偶7，用于监测半固态合金浆料6的温度。
[0055]所述制浆室3的上部为柱形、下部为锥形，上下部连接处的夹角为100?170° ;制浆室3的高度为200?2000mm，所述浆料出口的内径为10?10mm0
[0056]所述搅拌杆4外壁与制楽室3内壁之间的间距为3?200mm，搅拌杆4的最底端至制楽室3最底端的距离为O?200mm。
[0057]所述搅拌杆4的内径为10?100mm，壁厚为I?15mm;搅拌杆4的转速为O?2000r/mino
[0058]所述导气管5、搅拌杆4和制浆室3三者的中心线重合；导气管5内通入室温的空气，气体流量为O?2000L/min，导气管5的内径为5?80mm，导气管5外壁与搅拌杆4内壁之间的间距为2?80mm，导气管5的最底端到搅拌杆4底部的距离为10?200mm。
[0059]所述大直径收集坩祸8的内径为150?100mm ;大直径收集坩祸8的最顶端至制楽室3最底端的距离为-100?300mm。
[0060]制备半固态合金坯料的装置也可以采用如图2所示结构，该结构的上部分与图