專利名稱：帶螺旋槽圓錐芯桿的阻尼冷管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種帶螺旋槽圓錐芯桿的阻尼冷管。
背景技術(shù)：
半固態(tài)金屬加工技術(shù)(Semi-Solid Metal Forming or Semi-Solid Metal Process，簡稱SSM)是金屬在凝固過程中，進(jìn)行強(qiáng)烈攪拌或通過控制凝固條件，破碎所生成的樹枝晶或抑制樹枝晶的生成，獲得具有等軸或近似于等軸、均勻、細(xì)小的初生相，初生相均勻分布于液相中的懸浮半固態(tài)漿料。此種漿料在外力的作用下，即使固相率達(dá)到60％仍具有較好的流動(dòng)性?？梢岳脡鸿T、擠壓、模鍛等工藝進(jìn)行加工成形。
半固態(tài)加工技術(shù)的工藝路線主要有兩類一類是將制備的半固態(tài)漿料在保持其半固態(tài)溫度的條件下直接成形，通常被稱為流變鑄造或流變成形(Rheo-castingor Rheo-moulding)；另一類是將半固態(tài)漿料先制備成具有非枝晶組織的坯料。再根據(jù)產(chǎn)品尺寸下料，然后將坯料重新加熱到半固態(tài)溫度成形，通常被稱為觸變成形(Thixo-forming or Thixo-moulding)。對于觸變成形，由于具有非枝晶組織的坯料重新加熱到半固態(tài)時(shí)能保持一定的形狀，便于輸送，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。因此，觸變成形工藝路線在工業(yè)中較早的得到了應(yīng)用。對于流變鑄造，由于將制備的半固態(tài)漿料直接成形，具有高效、節(jié)能、短流程的特點(diǎn)，近年來發(fā)展很快，這是半固態(tài)加工技術(shù)進(jìn)一步推廣應(yīng)用的方向。
從1990年召開第一屆半固態(tài)國際會議，至今已召開了七次專門國際會議。最近三屆會議的特點(diǎn)是1998年召開的第五屆國際會議有大批工業(yè)界人士參加，將半固態(tài)加工技術(shù)的應(yīng)用推向一個(gè)高潮；2000年召開的第六屆半固態(tài)國際會議上出現(xiàn)了不少實(shí)用技術(shù)及方法；而在2002年召開的第七屆半固態(tài)國際會議上涌現(xiàn)出了大批實(shí)用技術(shù)及方法，其中絕大部分是有關(guān)半固態(tài)金屬漿料的制備新方法。同時(shí)，也將直接流變鑄造或流變成形提到一個(gè)相當(dāng)高的位置。
目前，工業(yè)上應(yīng)用較為廣泛的是觸變成形工藝路線。而它存在一些不足，如流程較長。為此，如何進(jìn)一步簡化加工工藝流程和進(jìn)一步降低加工成本，是促進(jìn)半固態(tài)加工技術(shù)廣泛的應(yīng)用的基礎(chǔ)。半固態(tài)金屬漿料的制備是半固態(tài)加工技術(shù)的核心，因此近些年來，出現(xiàn)了許多制備半固態(tài)金屬漿料的新工藝、新技術(shù)、新裝置。在半固態(tài)金屬漿料的制備方面，有雙螺旋攪拌法、冷卻斜槽法、控制冷卻速度的近液相線鑄造法、新MIT法、不同液體混合制備法等，下面主要介紹其中的兩種方法(1)冷卻斜槽法(Cooling Slope)
冷卻斜槽是日本宇部株式會社開發(fā)新工藝，已在歐洲申請了專利。其原理為將略高于液相線溫度的熔融金屬倒在冷卻斜槽上，由于斜槽的冷卻作用，在斜槽壁上有細(xì)小的晶粒形核長大，金屬熔體的沖擊使晶粒從斜槽壁上脫離進(jìn)入容器?？刂迫萜鳒囟?，即緩慢冷卻，冷卻到一定的半固態(tài)溫度后保溫，達(dá)到要求的固相體積分?jǐn)?shù)，隨后可進(jìn)行流變成形或觸變成形。
(2)“新MIT工藝”法是由MIT的Flemings等人提出，其工藝過程為用帶有冷卻作用的攪拌器插入溫度在液相線溫度以上幾度的合金溶體中，進(jìn)行攪拌。攪拌數(shù)秒鐘后，熔體溫度降低到對應(yīng)只有幾個(gè)百分?jǐn)?shù)的固相分?jǐn)?shù)時(shí)，把攪拌器取出。合金溶體在液相線溫度下，由于攪拌與冷卻的共同作用，導(dǎo)致了熔體體積中合金晶粒的過冷形核，而且固相合金晶粒在熔體中分布均勻。再迅速冷卻合金熔體，就能獲得較理想的半固態(tài)漿料。
MIT最近的實(shí)驗(yàn)研究表明，影響形成非枝晶半固態(tài)漿料的重要因素是合金的快速冷卻和熱傳導(dǎo)。在一定的攪拌速度下，能獲得半固態(tài)組織，進(jìn)一步提高攪拌速度對產(chǎn)生球形晶粒沒有太大影響，而且當(dāng)攪拌時(shí)間為2秒時(shí)就能產(chǎn)生非枝晶半固態(tài)漿料。當(dāng)合金溫度低于液相線溫度時(shí)，攪拌對最終的微觀組織沒有太大影響。
上述兩種方法及其設(shè)備的主要缺點(diǎn)是，高溫熔體在攪拌過程中或在冷卻斜槽上流動(dòng)中易與空氣接觸，以及冷卻強(qiáng)度不易控制從而影響產(chǎn)品的質(zhì)量；此外，需要外加動(dòng)力，加大生產(chǎn)成本。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提供一種冷卻強(qiáng)度可控性好、不需要外加動(dòng)力、避免高溫熔體與空氣接觸的帶螺旋槽圓錐芯桿的阻尼冷管。該帶螺旋槽圓錐芯桿的阻尼冷管能適應(yīng)各種不同的合金溶體的要求和流量的需要而進(jìn)行制備半固態(tài)合金漿料。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采取以下設(shè)計(jì)方案一種帶螺旋槽圓錐芯桿的阻尼冷管，包括有截面為圓形的阻尼冷管，該阻尼冷管的上方設(shè)有一個(gè)較大截面積的容器，盛裝金屬熔體的，該阻尼冷管與容器連接的連接處為一個(gè)圓錐段，在圓錐段和阻尼冷管內(nèi)設(shè)有帶螺旋槽圓錐形芯桿，該帶螺旋槽圓錐形芯桿由圓錐段和圓柱段組成，阻尼冷管內(nèi)徑與芯桿的圓柱段的外徑有一定的間隙，芯桿的圓錐段與阻尼冷管上方的圓錐段為有一個(gè)角度差，芯桿的圓錐段和圓柱段都具有螺旋槽，并在阻尼冷管的管壁安裝了冷卻水管和加熱線圈。
本實(shí)用新型的帶螺旋槽圓錐芯桿的阻尼冷管在使用過程中，使盛裝在阻尼冷管上方容器中的合金溶體(合金溶體在液相線溫度以上幾度至十幾度)通過該阻尼冷管。由于帶螺旋槽圓錐芯桿的圓錐段支撐在阻尼冷管與容器連接處的圓錐段，合金溶體流動(dòng)受阻，但圓錐芯桿帶有螺旋槽，合金溶體通過螺旋槽向下流動(dòng)。螺旋槽的槽截面積和芯桿圓柱段的直徑與阻尼冷管內(nèi)徑之間的間隙都較小，合金熔體的流動(dòng)速度較快。由于阻尼冷管周圍設(shè)有冷卻系統(tǒng)(即管壁中設(shè)有冷卻管)，合金熔體通過阻尼冷管時(shí)被冷卻，合金溶體在管壁的冷卻下形成許多細(xì)小的晶核。晶核形成后，將迅速長大，由于合金熔體的沖擊，使長大到一定尺寸的晶粒從管壁上脫離進(jìn)入合金熔體。同時(shí)，帶螺旋槽圓錐芯桿在合金熔體流動(dòng)的反作用力下，在阻尼冷管中轉(zhuǎn)動(dòng)，帶螺旋槽圓錐芯桿的轉(zhuǎn)動(dòng)對合金熔體起到攪拌作用，從而獲得較均勻的半固態(tài)漿料。獲得的半固態(tài)漿料流入下方的容器。流入下方的容器的半固態(tài)漿料，根據(jù)需要可以進(jìn)行保護(hù)。半固態(tài)漿料可直接進(jìn)行流變鑄造或流變成形，也可制備成坯料。
同時(shí)，阻尼冷管管壁中也設(shè)有加熱系統(tǒng)(即設(shè)有加熱線圈)，可以進(jìn)一步的有效地調(diào)節(jié)合金熔體的冷卻速度。當(dāng)合金溶體因冷卻速度過大，而凝固在阻尼冷管管壁時(shí)，可啟動(dòng)加熱系統(tǒng)，清除凝固在管壁的合金，保持系統(tǒng)的正常工作。
在本實(shí)用新型的帶螺旋槽圓錐芯桿的阻尼冷管中，所述的芯桿的圓柱段與阻尼冷管的間隙根據(jù)合金熔體和管徑而定，通常單邊間隙在2-5mm范圍內(nèi)。
在本實(shí)用新型的帶螺旋槽圓錐芯桿的阻尼冷管中，所述的芯桿的圓錐段的圓錐角比阻尼冷管上方的圓錐段的圓錐角小20°～50°。
在本實(shí)用新型的帶螺旋槽圓錐芯桿的阻尼冷管中，所述的芯桿的圓錐段和圓柱段上的螺旋槽的升角度大于60°，螺旋槽的槽形和深度根據(jù)合金熔體的性質(zhì)由實(shí)驗(yàn)決定。
在本實(shí)用新型的帶螺旋槽圓錐芯桿的阻尼冷管中，所述的冷卻水管和加熱線圈呈內(nèi)外排列，且冷卻水管和加熱線圈分兩組或三組。每組冷卻水管和加熱線圈都可以獨(dú)立控制。以便更好的調(diào)節(jié)沿阻尼冷管的軸線方向冷卻速度或加熱能力分布。由于阻尼冷管周圍設(shè)有冷卻系統(tǒng)(即管壁中設(shè)有冷卻管)，而且冷卻水管可分兩組或三組。因此，可以有效地調(diào)節(jié)合金熔體的冷卻速度，即調(diào)節(jié)出口處半固態(tài)漿料的固相體積分?jǐn)?shù)?？梢钥刂谱枘崂涔芟路降娜萜鳒囟?，進(jìn)一步調(diào)節(jié)半固態(tài)漿料的固相體積分?jǐn)?shù)，獲得設(shè)定的固相體積分?jǐn)?shù)。
在本實(shí)用新型的帶螺旋槽圓錐芯桿的阻尼冷管中，阻尼冷管長度根據(jù)合金熔體的性質(zhì)和阻尼冷管的直徑確定，但阻尼冷管長度應(yīng)大于300mm，阻尼冷管長度優(yōu)選為300-800mm，芯桿的圓柱段的長度一般為阻尼冷管長度的1/3至1/2之間。
在本實(shí)用新型的帶螺旋槽圓錐芯桿的阻尼冷管中，所述的加熱線圈環(huán)繞在管壁內(nèi)的里層，冷卻管環(huán)繞在管壁內(nèi)的外層。加熱線圈的作用一是能精確的調(diào)節(jié)冷卻效果；二是能加熱熔化和清理阻尼冷管中的殘留合金。
在本實(shí)用新型的帶螺旋槽圓錐芯桿的阻尼冷管中，帶螺旋槽圓錐芯桿的材料為高強(qiáng)、耐熱、耐磨材料，芯桿的材料密度大于合金熔體的密度，如采用鈦合金材料。
在本實(shí)用新型的帶螺旋槽圓錐芯桿的阻尼冷管中，對于制備鋁合金半固態(tài)漿料，所述的芯桿的材料采用鈦合金材料。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是1、合金熔體是在一個(gè)封閉的阻尼冷管中流動(dòng)，避免了高溫熔體與空氣接觸而氧化，特別適用于鎂合金。采用本實(shí)用新型的帶螺旋槽圓錐芯桿的阻尼冷管能有效的防止鎂合金的燃燒和氧化。
2、帶螺旋槽圓錐芯桿的阻尼冷管的結(jié)構(gòu)能適應(yīng)各種不同合金熔體的要求和流量的需要。
3、帶螺旋槽圓錐芯桿的阻尼冷管是一個(gè)封閉的系統(tǒng)，它冷卻強(qiáng)度可控性好。
4、帶螺旋槽圓錐芯桿的阻尼冷管法具有冷卻斜槽法的特點(diǎn)，不需要外加動(dòng)力。
采用帶螺旋槽圓錐芯桿的阻尼冷管進(jìn)行制備半固態(tài)合金漿料的方法與“新MIT工藝”相比較，具有工藝簡單的優(yōu)點(diǎn)；與冷卻斜槽法相比較，具有可控性好，金屬熔體不與空氣接觸，而氧化的優(yōu)點(diǎn)。


圖1為帶螺旋槽圓錐芯桿的阻尼冷管的示意圖具體實(shí)施方式
如圖1所示，本實(shí)施例的制備半固態(tài)合金漿料的方法是采用帶螺旋槽圓錐芯桿的阻尼冷管。帶螺旋槽圓錐芯桿的阻尼冷管包括有截面為圓形的阻尼冷管11，該阻尼冷管11的上方設(shè)有一個(gè)截面積較大的容器12，盛裝金屬熔體，該阻尼冷管11與容器12連接的連接處為一個(gè)圓錐段13，在圓錐段13和阻尼冷管11內(nèi)設(shè)有帶螺旋槽圓錐形芯桿14。該帶螺旋槽圓錐形芯桿14由圓錐段和圓柱段組成，圓柱段的直徑比阻尼冷管11內(nèi)徑一些，芯桿14的圓柱段與阻尼冷管的間隙根據(jù)合金熔體和管徑而定，通常單邊間隙在2-5mm范圍內(nèi)；芯桿14的圓錐段的圓錐角比阻尼冷管11上方的圓錐段的圓錐角小20°～50°；芯桿14的圓錐段和圓柱段都具有螺旋槽，芯桿14的圓錐段和圓柱段上的螺旋槽的升角度大于60°。阻尼冷管11長一般大于300mm，芯桿14的圓柱段的長度一般為阻尼冷管11長度的1/3至1/2之間。芯桿14的材料密度大于合金熔體的密度，如采用鈦合金材料。并在阻尼冷管11的管壁安裝了冷卻水管2和加熱線圈3，冷卻水管2和加熱線圈3呈內(nèi)外排列，加熱線圈3環(huán)繞在管壁內(nèi)的里層，冷卻管2環(huán)繞在管壁內(nèi)的外層，且冷卻水管2和加熱線圈3分兩組或三組。
如圖1所示，本實(shí)用新型的帶螺旋槽圓錐芯桿的阻尼冷管在使用過程中，由靜置爐6或保溫爐連續(xù)向容器12提供金屬熔體，且使容器12中的合金熔體保持一定的高度，容器12中合金熔體的高度是阻尼冷管11中合金熔體流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力。盛裝在阻尼冷管11上方容器12中的合金溶體(合金溶體在液相線溫度以上幾度)通過阻尼冷管11與容器12連接的連接處為一個(gè)圓錐段13、阻尼冷管11，由于圓錐段13、阻尼冷管11截面面積變小，合金熔體在阻尼冷管11中的流動(dòng)速度較快。合金溶體通過阻尼冷管11時(shí)，合金溶體在管壁的冷卻下形成許多細(xì)小的晶核。晶核形成后，將迅速長大，由于合金熔體的沖擊，使長大到一定尺寸的晶粒從管壁上脫離進(jìn)入合金熔體。同時(shí)帶螺旋槽圓錐芯桿14可以對合金熔體產(chǎn)生攪拌作用，帶螺旋槽圓錐芯桿14的材料密度比金屬熔體的密度大一些，芯桿14在金屬熔體的沖擊下，由于帶螺旋槽的斜面上的周向分力作用，使帶芯桿14轉(zhuǎn)動(dòng)，從而起到對金屬熔體的攪拌作用，獲得較均勻的半固態(tài)漿料。由于阻尼冷管11的管壁中設(shè)有冷卻水管2，而且冷卻水管2分兩組或三組。因此，可以有效地調(diào)節(jié)合金熔體的冷卻速度，即調(diào)節(jié)出口處半固態(tài)漿料的固相體積分?jǐn)?shù)。獲得的半固態(tài)漿料流入下方的容器。
實(shí)施例1，帶螺旋槽圓錐芯桿的阻尼冷管制備鎂合金AZ91D半固態(tài)漿料。
如圖1所示，AZ91合金液相線溫度為596℃。合金在熔煉爐中熔煉后，合金熔體溫度為740℃左右，熔體轉(zhuǎn)入靜置爐6內(nèi)，進(jìn)行精煉和除渣，精煉后的熔體溫度為640℃左右，將熔體注入容器12，再流入阻尼冷管11。保持容器12中合金熔體的壓頭高度在600mm，容器12的規(guī)格為Φ500mm×750mm，并向容器12中通入少量的保護(hù)性氣體。阻尼冷管11規(guī)格為Φ60mm×500mm，芯桿14的圓柱段與阻尼冷管11的內(nèi)壁單邊間隙為2mm，即圓柱段的直徑為Φ56mm，阻尼冷管出口的流速大于18m/min。芯桿14圓錐段的圓錐角比冷管上方的圓錐段13的圓錐角小40°。圓錐芯桿的圓錐段和圓柱段螺旋槽的升角為60°，螺旋槽截面為梯形，圓錐芯桿14的材料采用鈦合金材料。芯桿圓錐段高度為80mm，圓柱段的長度為200mm。獲得初生相體積分?jǐn)?shù)為12-20％的半固態(tài)漿料。進(jìn)一步控制阻尼冷管下方的容器溫度，可調(diào)節(jié)半固態(tài)漿料的固相體積分?jǐn)?shù)為30％，然后進(jìn)行流變成形。
實(shí)施例2，帶螺旋槽圓錐芯桿的阻尼冷管制備鋁合金AlSi7Mg半固態(tài)漿料。
如圖1所示，AlSi7Mg合金液相線溫度為635℃。合金在熔煉爐中熔煉后，合金熔體溫度為750℃左右，熔體轉(zhuǎn)入靜置爐6內(nèi)，進(jìn)行精煉和除渣，精煉后的熔體溫度為680℃左右，將熔體注入容器12，再流入阻尼冷管11。保持容器12中合金熔體的壓頭高度在550mm，容器12的規(guī)格為Φ500mm×750mm。阻尼冷管11規(guī)格為Φ60mm×500mm，芯桿14的圓柱段與阻尼冷管11的內(nèi)壁單邊間隙為2mm，即圓柱段的直徑為Φ56mm，阻尼冷管出口的流速大于18m/min。芯桿14圓錐段的圓錐角比冷管上方的圓錐段13的圓錐角小40°。圓錐芯桿的圓錐段和圓柱段螺旋槽的升角為60°，螺旋槽截面為梯形，圓錐芯桿14的材料采用鈦合金材料。芯桿圓錐段高度為80mm，圓柱段的長度為200mm。獲得初生相體積分?jǐn)?shù)為10-18％的半固態(tài)漿料。進(jìn)一步控制阻尼冷管下方的容器溫度，可調(diào)節(jié)半固態(tài)漿料的固相體積分?jǐn)?shù)為30％，然后進(jìn)行流變成形。
采用本實(shí)用新型的帶螺旋槽圓錐芯桿的阻尼冷管制備半固態(tài)合金漿料，可直接進(jìn)行流變鑄造或流變成形，直接用于壓鑄、擠壓或軋制；也可制備成坯料。
權(quán)利要求1.一種帶螺旋槽圓錐芯桿的阻尼冷管，其特征在于包括有截面為圓形的阻尼冷管，該阻尼冷管的上方設(shè)有一盛裝金屬熔體的較大截面積的容器，該阻尼冷管與容器連接的連接處為一個(gè)圓錐段，在圓錐段和阻尼冷管內(nèi)設(shè)有帶螺旋槽圓錐形芯桿，該帶螺旋槽圓錐形芯桿由圓錐段和圓柱段組成，圓柱段的直徑與阻尼冷管內(nèi)徑為有間隙的配合，圓錐段與阻尼冷管上方的圓錐段為有角度差，芯桿的圓錐段和圓柱段都具有螺旋槽。在阻尼冷管的管壁安裝了冷卻水管和加熱線圈。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶螺旋槽圓錐芯桿的阻尼冷管，其特征在于所述的芯桿的圓柱段與阻尼冷管之間有間隙，單邊間隙在2-8mm范圍內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的帶螺旋槽圓錐芯桿的阻尼冷管，其特征在于所述的芯桿的圓錐段的圓錐角比阻尼冷管上方的圓錐段的圓錐角小20°～50°。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的帶螺旋槽圓錐芯桿的阻尼冷管，其特征在于所述的芯桿的圓錐段和圓柱段上的螺旋槽的升角度大于60°。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶螺旋槽圓錐芯桿的阻尼冷管，其特征在于所述的冷卻水管和加熱線圈呈內(nèi)外排列，且冷卻水管和加熱線圈分兩組或三組。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶螺旋槽圓錐芯桿的阻尼冷管，其特征在于所述的阻尼冷管長為300-800mm，芯桿圓柱段的長度一般為阻尼冷管長度的1/3至1/2之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶螺旋槽圓錐芯桿的阻尼冷管，其特征在于所述的芯桿的材料密度大于合金熔體的密度。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的帶螺旋槽圓錐芯桿的阻尼冷管，其特征在于對于制備鋁合金半固態(tài)漿料，所述的芯桿的材料采用鈦合金材料。
專利摘要一種帶螺旋槽圓錐芯桿的阻尼冷管，包括有阻尼冷管，阻尼冷管的上方設(shè)有一盛裝金屬熔體的較大截面積的容器，阻尼冷管與容器連接的連接處為一個(gè)圓錐段，在圓錐段和阻尼冷管內(nèi)設(shè)有帶螺旋槽圓錐形芯桿，并在阻尼冷管的管壁安裝了冷卻水管和加熱線圈。合金溶體(合金溶體在液相線溫度以上幾度)通過阻尼冷管，合金溶體在管壁的冷卻下形成許多細(xì)小的晶核。晶核形成后，將迅速長大。合金熔體在阻尼冷管中的流動(dòng)速度較快，將形核長大的細(xì)小的晶核沖刷下來，流入下面的容器。同時(shí)帶螺旋槽圓錐芯桿可以對合金熔體產(chǎn)生攪拌作用，使獲得的半固態(tài)漿料較為均勻。該阻尼冷管避免了高溫熔體與空氣接觸而氧化，特別適用于鎂合金。具有工藝簡單、不需要外加動(dòng)力、冷卻強(qiáng)度可控性好的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號B22D17/30GK2688419SQ20042000423
公開日2005年3月30日 申請日期2004年2月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月20日
發(fā)明者謝水生, 賀金宇 申請人:北京有色金屬研究總院