一种适用于高性能小型件半固态成形的工艺制造技术

本发明专利技术属于半固态成形技术领域，特别是涉及一种适用于高性能小型件半固态成形的工艺，该工艺步骤为舀料勺在机械手带动下从保温炉舀取小体积高温合金液，在转移倒入压室过程中，舀料勺使合金液快速降温至近液相线，同时在转移过程中，通过机械手控制使舀料勺轻微摆动，熔体内部微对流抑制局部过冷和局部枝晶产生；然后将低过热合金液倒入压室，通过控制浇注的速度和高度及压室环境产生动态微对流及流动微剪切制浆，浆料初生晶细小圆整，无粗大不规则预结晶；再将浆料打入模腔制备成形件。本发明专利技术巧妙的在浇注过程中制浆，半固态成形流程与传统液态成形一致效率高，易控制，适用高性能小型件生产。性能小型件生产。性能小型件生产。

A semi-solid forming process for high performance small parts

【技术实现步骤摘要】
一种适用于高性能小型件半固态成形的工艺


[0001]本专利技术属于半固态成形
，特别是涉及一种适用于高性能小型件半固态成形的工艺。

技术介绍

[0002]半固态成形技术是上世纪70年代美国麻省理工学院M.C. Flemings等人专利技术的一种节能环保的先进金属成形工艺。金属半固态浆料的制备是半固态成形技术的基础与关键。目前，半固态浆料的制备方法多种多样，如机械搅拌法、双螺旋搅拌法、电磁搅拌法、超声波搅拌法、冷却斜槽法、强力剪切法等，但上述方法一般都针对中型体积或较大型体积半固态浆料的制备，难以制备高品质小体积半固态浆料，这些方法在制备小体积半固态浆料，尤其单次制备体积<500cm3半固态浆料时，存在易卷气、易氧化、易引入夹杂、易产生粗大枝晶和预结晶、固相率难以控制、晶粒分布和尺寸不均匀、成形件力学性能低的缺点。为了实现小体积高品质半固态浆料的稳定制备和实现高性能小型件半固态成形产业化，相关研究人员、学者及有关工业界人士不断努力探索，力争开发出适合小体积半固态浆料的高品质制备工艺，以进一步完善和推动半固态成形技术的发展与进步。
[0003]现有技术中的半固态流变的压铸方法来制备小体积半固态浆料，通过带有初生晶的金属液进入压室后，在浇流道里压射冲头的推动下依次经低速压射阶段和高速压射阶段形成半固态浆料；该方法对成形设备性能要求高，目前市面上不少成形设备满足不了所述的匀加速压射精度，且浆料内部易产生部分由于预结晶形成的不规则大晶粒。
[0004]现有技术中的半固态浆料制备和压铸一体化的流变压铸方法是通过设计浇注温度、浇注速度、浇注高度、压室充满度、停留时间、充填速度、增压时间、浇注系统和排溢系统，实现了浇注时合金为液态，而铸件微观组织为半固态组织；尽管该方法使得制浆和压铸无缝衔接，完成半固态浆料制备和压铸一体化，但该方法存在下述一些不足，1)不仅大幅降低生产效率，且不符合实际生产，不好控制，难以工业化应用，将过热度直接调整到5~25℃会由于局部过冷直接产生枝晶，且舀料勺静态下舀取低过热度合金液会由于边壁过冷和温度场不均匀生成粗大不规则晶粒，且始终伴随于熔体和后续半固态浆料，另外黏度大、易粘料、浇注困难；2)用浇勺定量匀速浇入压铸机的压室，通过“提高浇注高度的目的是增加铝液的势能；当浇注到压室后，增加正在浇注的铝液对已经浇注到压室的铝液的冲击力，提高压室内铝液的自搅拌能力，使不同时间浇注到压室的铝液达到热量对流和混合搅拌的作用”，利用浇注过程强烈冲击剪切搅拌，极易造成浆料卷气氧化严重，且进入压室的合金液会在压室壁面导热快，产生粗大预结晶，严重影响最终半固态浆料组织均匀性，混入大量粗大树枝晶，同时造成充型时补缩不足。3)由于该方法浇注易紊流振荡，且浇注速度较快，浇注完毕后需在压室停留一段时间，通过压室对铝液激冷使合金液降温，才能形成半固态浆料，不仅降低成形效率，且由于先前步骤引起熔体温度差异大及压室散热较快造成浆料内部温度场和成分场的不均匀会进一步加剧，使得晶粒在停留时间变得粗大和不规则，难以形成均匀细小圆整的初生晶，蔷薇晶和树枝晶较多，大大影响成形件力学性能，致使该方法
未能得到应用。
[0005]综上看出，现有几种小体积半固态浆料制备方法虽有特点，但也都存在明显不足和缺陷，因此仍需开发新的适合于小体积高品质半固态浆料制备和高性能小型件半固态成形的系统和工艺，以提高浆料制备效率、制备品质和应用可行性，降低浆料制备成本和门槛，从而推动高性能小型件半固态产业化。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于解决现有小体积半固态浆料制备工艺不稳定、控制难、效率低、浆料品质差、与实际生产脱节、应用推广难等问题，提供了一种适用于高性能小型件半固态成形的系统和工艺，即采用高导热材料制成的舀料勺从保温炉舀取高温合金液后，在转移到压室的过程中，导热性能优异的舀料勺使小体积高温合金液快速降温至近液相线，同时在转移过程中，通过机械手控制使舀料勺轻微循环摆动，使合金液内部产生微对流，不仅可匀化合金液的成分场和温度场，抑制由于低过热而引起的局部过冷和局部枝晶产生，而且可降低低温合金液粘度，利于后续合金液倒入压室，同时不会产生氧化夹杂和卷气，使合金液保持良好品质；接着将低过热合金液小流速倒入压室，通过浇注速度与浇注高度匹配引起的微对流及在低导热高温压室流动引起的微剪切动态过程中使低过热合金液降温至固液相线温度之间来制备小体积半固态浆料，由于压室温度高、导热差、浆料在压室冷却速率小，温度场和成分场均匀，抑制预结晶组织生成和初生晶的蔷薇化和枝晶化，因此所制备的小体积浆料中初生晶细小圆整且分布均匀，避免浆料组织中掺杂着粗大不规则预结晶及由于压室导热快而引起的初生晶择优生长而变成的蔷薇晶和树枝晶；待低过热合金液全部倒入压室后(与此同时，半固态浆料制备完毕)，随即使浆料在成形设备压力作用下填充模具模腔，并保压，凝固，开模，取件，获得小型高性能半固态成形件。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案是：一种适用于高性能小型件半固态成形的系统和工艺，所述成形系统包括：保温炉，用于盛放和保温高温合金液；舀料勺，用于舀取保温炉内的合金熔体并转移到成形设备的压室内；所述舀料勺由高导热材质制成，用于使高温合金液在转移过程中快速降温到近液相线；机械手，与舀料勺衔接，用于控制舀料勺舀取合金液、转移合金液、摆动合金液和倒出合金液；压室，用于半固态浆料制备和存放；成形设备，用于将压室内的半固态浆料通过冲头打入模具的模腔；模腔，为半固态浆料最后凝固空间，用于获得所需结构特征半固态成形件；本专利技术的另一目的是提供一种采用上述的一种适用于高性能小型件半固态成形的工艺，所述工艺具体包括以下步骤：S1) 通过舀料勺从保温炉内舀取高温合金液；S2)再将高温合金液进行转移，在高温合金液转移过程中，控制舀料勺按照一定摆动角度进行周期性摆动，使舀料勺内高温合金液快速降温至近液相线，形成近液相线合金液；S3) 将近液相线温度的合金液置于成形设备的压室的垂直上方，控制浇注高度和
速度，倒入压室内，以一定的冷却速率对近液相线温度的合金液冷却，形成半固态浆料；S4）当压室内获得的半固态浆料固相率体积分数为5~50%时，将压室内半固态浆料在成形设备压力作用下填充模具模腔，保压，凝固，开模，取件，获得高性能半固态成形件。
[0008]进一步，所述的合金液包括铝合金、镁合金、铜合金及其复合材料；进一步，所述的成形设备包括压铸机、液态挤压机。
[0009]进一步，所述舀料勺由导热系数>100W/(m.K)的高导热材质制成，或者由内部涂敷/嵌入>100W/(m.K)高导热材质的铸钢制成。
[0010]进一步，所述S2)中舀料勺轻微摆动的方式包括左右循环摆动、前后循环摆动、左右前后循环摆动，每一循环摆动时间为2~6s，摆角5~60
°
。
[0011]进一步，所述S3)中低导热材质制成的压室，具体材质为导热系数<25W/(m.K)的低导热陶瓷，或者在常规压室内部涂敷/嵌入导热系数本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于高性能小型件半固态成形的工艺，其特征在于，所述工艺具体包括以下步骤：S1) 通过舀料勺从保温炉内舀取高温合金液；S2)再将高温合金液进行转移，在高温合金液转移过程中，控制舀料勺按照一定摆动角度进行周期性摆动，使舀料勺内高温合金液快速降温至近液相线，形成近液相线合金液；S3) 将近液相线温度的合金液置于成形设备的压室的垂直上方，控制浇注高度和速度，倒入压室内，以一定的冷却速率对近液相线温度的合金液冷却，形成半固态浆料；S4）当压室内获得的半固态浆料固相率体积分数为5~50%时，将压室内半固态浆料在成形设备压力作用下填充模具模腔，保压，凝固，开模，取件，获得高性能半固态成形件。2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述S1）中的所述舀料勺的舀取合金液体积为20~400cm3，合金液的温度为高于合金液相线30~200℃；所述舀料勺由导热系数>100W/(m.K)的高导热材质制成，或者由内部涂敷/嵌入>100W/(m.K)高导热材质的铸钢制成。3.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述S2）中所述周期性摆动的方式为左右循环摆动、前后循环摆动或左右前后依次循环摆动，每一循环摆动时间为2~6s...

【专利技术属性】
技术研发人员：祁明凡，李奔，李静媛，康永林，王继成，张光金，姜伟健，李谷南，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：