一种半固态金属浆料的复合制备工艺及设备制造技术

本发明专利技术公开了一种半固态金属浆料的复合制备工艺及设备，将弱电磁搅拌装置与机械搅拌装置复合在一起制备半固态金属浆料，本发明专利技术与现有半固态金属浆料制备技术相比有以下优势：1.与旋转磁场电磁搅拌法相比可以实现电磁场的全覆盖，避免趋肤效应的产生，所需能耗低；2.与弱电磁搅拌法相比合金浆料受到的搅拌力增强，获得半固态金属浆料所需的时间缩短，效率提高；3.与机械搅拌法相比，没有机械搅拌器，避免了搅拌器被腐蚀、合金浆料被污染的缺点，同时浆料温度可控；4.结构简单，设备成本低，工艺控制灵活，操作方便；5.可用于重量超过5Kg的大型结构件的生产中，弥补大型结构件生产中半固态浆料制备效率低的问题。

Composite preparation process and equipment of semi-solid metal slurry

【技术实现步骤摘要】
一种半固态金属浆料的复合制备工艺及设备
本专利技术属于半固态金属加工
，涉及一种半固态金属浆料的复合制备工艺及设备。
技术介绍
半固态金属成形技术是一种综合了液态铸造流动性强和固态锻造力学性能高的金属零件先进成形方法，被誉为21世纪最具发展潜力的绿色制造工艺。该技术已逐步实现产业化，关键在于优质、低成本金属半固态球状晶粒材料的制备。在所有专利技术的半固态金属材料的制备方法中，电磁搅拌法是最早应用于工业生产的方法，目前它在半固态金属成形工业应用中仍然占据主导地位。电磁搅拌法参数控制灵活，传统电磁搅拌装置利用旋转电磁场产生的电磁力破碎树枝晶、细化晶粒，进而获得具有球状晶粒组织的固-液两相混合浆料。然而，该电磁搅拌装置的磁场为旋转磁场，其磁感应强度沿坩埚直径方向衰减非常严重，在坩埚中心区域的磁感应强度几乎为0，导致坩埚中心存在搅拌盲区而使坯料中心的组织不能完全球化，同时，其电磁搅拌频率为30Hz-50Hz，电磁搅拌力大，使半固态浆料在搅拌过程中易出现液穴，将气体卷入金属浆料中，且该类电磁搅拌装置的能耗高。而弱电磁搅拌法则是利用改进的中频炉作为电磁搅拌装置，其磁场为垂直磁场，磁感应强度在坩埚直径方向衰减非常小，可以快速使金属熔化，电磁场可以覆盖整个坩埚且电磁强度均匀，可以获得均一性较好的半固态浆料，但其电磁搅拌频率范围为300Hz至10000Hz，产生的电磁搅拌力弱，制备半固态金属浆料所需搅拌时间较长。机械搅拌法是最早用于制备半固态金属浆料的方法。该方法利用旋转叶片或搅拌棒对合金液进行搅拌，以改变凝固过程中晶粒的生长方式。机械搅拌法操作方便，但它存在严重缺陷，如搅拌器腐蚀、浆料成分不纯净、气体卷入等。因此，为了克服上述半固态金属浆料制备方法的缺点，亟需专利技术一种搅拌效果良好且效率高的半固态金属浆料制备方法及装置。
技术实现思路
为了克服现有电磁搅拌技术和机械搅拌技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种新的半固态金属浆料制备方法及设备，该设备结构简单，能耗低，故障率低，浆料的制备效率较高。为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案为：一种半固态金属浆料的复合制备设备，包括浆料制备容器、弱电磁搅拌装置、机械搅拌装置，机械搅拌装置位于弱电磁搅拌装置的下方；弱电磁搅拌装置包括保温层、电磁感应线圈、控制装置，保温层的形状与浆料制备容器相适应，保温层上下相通，电磁感应线圈设置在保温层的外侧，控制装置包括电气控制装置和冷却装置，电气控制装置和冷却装置分别与电磁感应线圈连接；机械搅拌装置包括电机和浆料制备容器底座，电机位于浆料制备容器底座的下方，电机与浆料制备容器底座相连，浆料制备容器通过保温层的内部与浆料制备容器底座相连。本专利技术的特点还在于，进一步地，电磁感应线圈由中空管绕制而成。进一步地，冷却装置为水冷装置或风冷装置。进一步地，电机通过联轴器与浆料制备容器底座相连。进一步地，浆料制备容器放入到浆料制备容器底座中，浆料制备容器的顶端高于保温层的顶端。进一步地，还包括测温元件，测温元件为铂铑热电偶。进一步地，浆料制备容器与浆料制备容器底座为可拆卸连接。进一步地，浆料制备容器的下方设有不少于两个的对称容器凸起，浆料制备容器底座上设有与容器凸起相匹配的凹槽。使用上述设备制备半固态金属浆料的复合工艺，过程包括以下步骤：(1)将合金材料加热并转移到浆料制备容器中；(2)将浆料制备容器穿过保温层的内部置于浆料制备容器底座上；(3)启动电机，带动浆料制备容器做旋转运动；(4)开启电气控制装置，控制电磁感应线圈的频率进而控制合金浆料的温度，同时打开冷却装置。进一步地，该工艺具体是按照以下步骤进行的：(1)将合金材料加热到液相线温度以上5-15℃后，转移到浆料制备容器中；(2)将浆料制备容器穿过保温层的内部置于浆料制备容器底座上；(3)启动电机，带动浆料制备容器做匀速、缓慢的旋转运动，进而使合金浆料在离心力的作用下也做旋转运动；(4)通过测温元件测量合金浆料的温度，当合金浆料的温度降至半固态温度区间时，开启电气控制装置，控制电磁感应线圈的频率进而控制浆料的温度，同时打开冷却装置，设定合金浆料的温度，使其液相分数维持在0.7-0.9之间，将电磁感应线圈的频率设定在300Hz-500Hz之间；(5)同时保持步骤3和步骤4，保持40s-180s，然后将浆料制备容器取出，将其内的半固态金属浆料浇注至压铸机型腔内进行零件成形。本专利技术将弱电磁搅拌装置与机械搅拌装置复合在一起制备半固态金属浆料，利用中频垂直感应磁场在半固态温度区间对金属浆料搅拌的同时，电机通过联轴器带动浆料制备容器底座和浆料制备容器做缓慢匀速的旋转运动，使金属浆料中的树枝晶得到充分破碎，改变其晶粒的凝固方式，获得组织形态均一性好的半固态金属浆料。该工艺将中频磁场的高热效率及弱电磁力和机械搅拌法操作简单的优点相结合，通过中频电磁搅拌装置控制频率进而控制浆料的温度，并对浆料作用微弱的洛伦兹力，且本专利技术的机械搅拌法没有搅拌器，利用旋转运动产生的离心力破坏树枝晶的生长，有效避免了机械搅拌器腐蚀、浆料成分不纯净等问题。本专利技术与现有半固态金属浆料制备技术相比有以下优势：1.与旋转磁场电磁搅拌法相比可以实现电磁场的全覆盖，避免趋肤效应的产生，电磁搅拌装置所需能耗低；2.与弱电磁搅拌法相比合金浆料受到的搅拌力增强，获得半固态金属浆料所需的时间缩短，效率提高；3.与机械搅拌法相比，没有机械搅拌器，避免了搅拌器被腐蚀、合金浆料被污染的缺点，同时浆料温度可控；4.结构简单，设备成本低，工艺控制灵活，操作方便；5.可用于重量超过5Kg的大型结构件的生产中，弥补大型结构件生产中半固态浆料制备效率低的问题。附图说明图1是本专利技术半固态金属浆料的复合制备设备的结构示意图；图2是本专利技术浆料制备容器的一种结构的主视图；图3是本专利技术浆料制备容器的一种结构的立体图；图4是本专利技术浆料制备容器底座的一种结构的主视图；图5是本专利技术浆料制备容器底座的一种结构的立体图。附图标记说明：1.浆料制备容器，101.容器凸起，2.弱电磁搅拌装置，201.保温层，202.电磁感应线圈，203.电气控制装置，204.冷却装置，2041.冷却水塔，2042.循环水泵，205.测温元件，206.电磁感应线圈固定杆，207.压板，208.螺栓，209.接线端子，210.导线，211.冷却水管，3.机械搅拌装置，301.电机，302.浆料制备容器底座，3021.凹槽，303.联轴器，304.电机支撑板，4.支架。具体实施方式下面结合附图，对本专利技术的一个具体实施方式进行详细说明，但应当理解本专利技术的保护范围并不受具体实施方式的限制。一种半固态金属浆料的复合制备设备，如图1所示，包括浆料制备容器1、弱电磁搅拌装置2、机械搅拌装置3、支架4，机械搅拌装置3位于弱电磁搅拌装置2的下方，浆料制备容器1为坩埚，如图2和3所示；弱电磁搅拌装置包括保温层201、电磁感应线圈202、电气控制装置203、冷却装置204、测温元件205、电磁感应线圈固定杆206、压板207、螺栓208，测温元件205为铂铑热电偶，电磁感应线圈202由中空管绕制而成，其截面为正方形，保温层201的形状与浆料制备容器1相适应，保温层201上下相通，压板207设置在保温层201顶端四周，电磁感应线圈2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种半固态金属浆料的复合制备设备，其特征在于，包括浆料制备容器(1)、弱电磁搅拌装置(2)和机械搅拌装置(3)，所述机械搅拌装置(3)位于所述弱电磁搅拌装置(2)的下方；所述弱电磁搅拌装置(2)包括保温层(201)、电磁感应线圈(202)、控制装置，所述保温层(201)的形状与所述浆料制备容器(1)相适应，所述保温层(201)上下相通，所述电磁感应线圈(202)设置在所述保温层(201)的外侧，所述控制装置包括电气控制装置(203)和冷却装置(204)，所述电气控制装置(203)和所述冷却装置(204)分别与所述电磁感应线圈(202)连接；所述机械搅拌装置(3)包括电机(301)和浆料制备容器底座(302)，所述电机(301)位于所述浆料制备容器底座(302)的下方，所述电机(301)与所述浆料制备容器底座(302)相连，所述浆料制备容器(1)通过所述保温层(201)的内部与所述浆料制备容器底座(302)相连。

【技术特征摘要】
1.一种半固态金属浆料的复合制备设备，其特征在于，包括浆料制备容器(1)、弱电磁搅拌装置(2)和机械搅拌装置(3)，所述机械搅拌装置(3)位于所述弱电磁搅拌装置(2)的下方；所述弱电磁搅拌装置(2)包括保温层(201)、电磁感应线圈(202)、控制装置，所述保温层(201)的形状与所述浆料制备容器(1)相适应，所述保温层(201)上下相通，所述电磁感应线圈(202)设置在所述保温层(201)的外侧，所述控制装置包括电气控制装置(203)和冷却装置(204)，所述电气控制装置(203)和所述冷却装置(204)分别与所述电磁感应线圈(202)连接；所述机械搅拌装置(3)包括电机(301)和浆料制备容器底座(302)，所述电机(301)位于所述浆料制备容器底座(302)的下方，所述电机(301)与所述浆料制备容器底座(302)相连，所述浆料制备容器(1)通过所述保温层(201)的内部与所述浆料制备容器底座(302)相连。2.根据权利要求1所述的一种半固态金属浆料的复合制备设备，其特征在于，所述电磁感应线圈(202)由中空管绕制而成。3.根据权利要求1所述的一种半固态金属浆料的复合制备设备，其特征在于，所述冷却装置(204)为水冷装置或风冷装置。4.根据权利要求1所述的一种半固态金属浆料的复合制备设备，其特征在于，所述电机(301)通过联轴器(303)与所述浆料制备容器底座(302)相连。5.根据权利要求1所述的一种半固态金属浆料的复合制备设备，其特征在于，所述浆料制备容器(1)放入到所述浆料制备容器底座(302)中，所述浆料制备容器(1)的顶端高于所述保温层(201)的顶端。6.根据权利要求1所述的一种半固态金属浆料的复合制备设备，其特征在于，还包括测温元件(205)，所述测温元件(205)为铂铑热电偶。7.根据权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹苗，张琦，李浩，陈宇凯，刘心，田天泰，韩宾，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61