專利名稱：用于制造半固態(tài)金屬生料的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于制造半固態(tài)金屬生料的設(shè)備，特別是一種用于制造處于固態(tài)和液態(tài)組合狀態(tài)下，含有微細(xì)、均勻球狀粒子的半固態(tài)金屬生料的設(shè)備。
背景技術(shù)：
本專利申請(qǐng)已在韓國(guó)提出過，為2003年4月24日提交的專利申請(qǐng)2003-25998，該申請(qǐng)?jiān)陧n國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)局存檔，這里全文公開，以資參考。
半固態(tài)金屬生料指的是一種金屬材料，它處于固態(tài)和液態(tài)組合狀態(tài)下，是觸融壓鑄(也被稱作流變鑄造/觸融壓鑄)的中間產(chǎn)品。半固態(tài)金屬生料由球形固體粒子組成，它們以合適的比例懸浮在液相中，處于半固態(tài)適合的溫度范圍，因此，由于它們具有觸變特性，所以在施加很小作用力的情況下就很容易改變形狀，并且由于它們具有較高的流動(dòng)性，因此很容易鑄造，就像液體一樣。流變鑄造指的是這樣一種過程，其中要通過鑄造或鍛造的方式將具有預(yù)定粘度的半固態(tài)金屬生料制造成金屬坯料或模具產(chǎn)品。而觸融壓鑄指的是這樣一種過程，其中涉及將通過流變鑄造而制造的坯料進(jìn)行重新加熱，再次形成金屬生料，然后再鑄造或鍛造，從而加工出最終產(chǎn)品。
這種流變鑄造/觸融壓鑄比采用熔融金屬實(shí)施的普通模鑄諸如鑄造或鍛造過程具有更高的優(yōu)勢(shì)。由于流變鑄造/觸融壓鑄中所用的半固態(tài)/半熔融生料與熔融金屬相比，在較低的溫度下就具有流動(dòng)性，因此流變鑄造和觸融壓鑄中的模鑄溫度可以降低，從而確保模具更長(zhǎng)的使用壽命。此外，當(dāng)通過一個(gè)缸體擠壓半固態(tài)/半熔融金屬生料時(shí)，發(fā)生紊流的可能性更低，因此在鑄造過程中滲入的空氣更少，從而可以防止在最終產(chǎn)品中形成氣窩。此外，采用半固態(tài)或半熔融生料可以減少固化過程中的收縮，提高工作效率，并可以生產(chǎn)出力學(xué)性能更高、防腐性能更好、重量更輕的產(chǎn)品。因此，這樣的半固態(tài)/半熔融金屬生料可以用作汽車、航天航空領(lǐng)域及電氣、電子信息通訊設(shè)備中的新材料。
如上所述，半固態(tài)金屬生料既用于流變鑄造，也用于觸融壓鑄。具體地說，用某種預(yù)定方法從熔融金屬固化的半固態(tài)生料用在流變鑄造中，而通過重新加熱固體坯料而形成的半熔融生料則用在觸融壓鑄中。在本發(fā)明的所有規(guī)格中，術(shù)語“半固態(tài)金屬生料”都指的是固態(tài)和液態(tài)的混合態(tài)，溫度范圍在金屬的液相溫度和固相溫度之間，這種生料可以通過熔融金屬的固化用流變鑄造法制造。
在普通的流變鑄造中，冷卻時(shí)以低于液相溫度的溫度水平攪拌熔融的金屬，以便將樹枝狀結(jié)構(gòu)破壞而形成適合流變鑄造的球狀粒子，例如，通過機(jī)械攪拌、電磁攪拌、氣泡分離、低頻、高頻或電磁波振動(dòng)、電擊攪拌等方法。
作為一個(gè)實(shí)例，美國(guó)專利號(hào)3,948,650就描述了制造液-固混合物的方法和設(shè)備。在該方法中，熔融的金屬在冷卻而固化過程中被使勁地?cái)嚢?。該專利所描述的一種半固態(tài)金屬生料制造設(shè)備采用一種攪拌器來引發(fā)具有預(yù)定粘度的固-液混合物流動(dòng)，以破壞其樹枝狀結(jié)構(gòu)或擴(kuò)散液-固混合物中被破壞的樹枝狀晶體結(jié)構(gòu)。通過這種方法，在冷卻過程中形成的樹枝狀晶體結(jié)構(gòu)被破壞，并用作球狀粒子的核。但是，由于在冷卻早期產(chǎn)生固化潛熱，因此該方法的冷卻率很低，制造時(shí)間增加，在混合容器中引起不均勻的溫度分布，并引起不均勻的晶體結(jié)構(gòu)。半固態(tài)金屬生料制造設(shè)備中所采用的機(jī)械攪拌會(huì)固有地導(dǎo)致混合容器中溫度分布不均勻。此外，該設(shè)備在一個(gè)腔體中操作，因此很難連續(xù)進(jìn)行后續(xù)過程。
美國(guó)專利號(hào)4,465,118描述了一種制造半固態(tài)合金生料的方法和設(shè)備。該設(shè)備包括一個(gè)線圈電磁場(chǎng)施加部分、一個(gè)冷卻歧管以及一個(gè)模具，這些組成部分依次向內(nèi)形成，其中熔融的金屬被連續(xù)導(dǎo)入到容器中，冷卻水流過冷卻歧管而冷卻模具的外壁。在制造半固態(tài)合金生料時(shí)，通過容器頂部開口噴射熔融金屬，并通過冷卻歧管進(jìn)行冷卻，從而在容器中形成固化區(qū)。當(dāng)電磁場(chǎng)施加單元在施加磁場(chǎng)時(shí)，用冷卻過程來破壞在固化區(qū)形成的樹枝狀晶體結(jié)構(gòu)。最后，從生料形成坯料，并通過設(shè)備的下端拔出來。該方法和設(shè)備的基本技術(shù)概念是在固化后通過施加振動(dòng)而破壞樹枝狀晶體結(jié)構(gòu)。但是，這個(gè)方法存在許多問題，諸如過程比較復(fù)雜，并且粒子結(jié)構(gòu)不均勻。在制造設(shè)備中，由于連續(xù)向下供應(yīng)熔融金屬來形成坯料，因此很難控制金屬坯料的狀態(tài)及整個(gè)過程。此外，模具在施加電磁場(chǎng)之前用水進(jìn)行冷卻，因此在容器的外圍和核心區(qū)之間存在很大的溫差。
后文描述了其他已知的流變鑄造/觸融壓鑄方法。但是，所有這些方法其工作原理都是在成形后破壞樹枝狀晶體結(jié)構(gòu)而形成球狀粒子的核，從而產(chǎn)生就上述兩個(gè)專利而描述的問題。
美國(guó)專利號(hào)4,694,881描述了一種制造觸變材料的方法。在該方法中，將合金加熱到這樣一個(gè)溫度——在該溫度下合金的所有金屬成分都以液相出現(xiàn)，并將形成的熔融金屬冷卻到其液相和固相溫度之間的某個(gè)溫度。然后，給熔融的金屬施加足夠的剪切力，以破壞其在熔融金屬冷卻過程中形成的樹枝狀結(jié)構(gòu)，從而形成觸變材料。
日本專利申請(qǐng)公開號(hào)Hei 11-33692描述了一種生產(chǎn)流變鑄造用金屬生料的方法。在該方法中，在溫度接近其液相溫度或比其液相溫度高出50℃的情況下給一個(gè)容器提供熔融金屬。然后，當(dāng)至少一部分熔融金屬達(dá)到低于液相溫度的某個(gè)溫度，即熔融金屬至少一部分被冷卻到低于液相溫度范圍時(shí)，給熔融金屬施加一定的作用力，例如超聲波振動(dòng)等。最后，熔融金屬被慢慢冷卻成含有球狀粒子的金屬生料。該方法也使用物理作用力，諸如超聲波振動(dòng)來破壞在固化的早期形成的樹枝狀晶體。在這方面，如果鑄造溫度大于液相溫度，則很難形成球狀粒子結(jié)構(gòu)并快速冷卻熔融金屬。此外，該方法還會(huì)導(dǎo)致表面和核心結(jié)構(gòu)方面的不均勻性。
日本專利申請(qǐng)公開號(hào)Hei 10-128516描述了一種觸變金屬鑄造法。在該方法中，涉及到將熔融金屬裝入一個(gè)容器中，并用浸在熔融金屬中的振動(dòng)棒來振動(dòng)熔融金屬，以便直接將其振動(dòng)作用力傳遞給熔融金屬。在此過程中，在比其液相溫度更低的溫度下形成一種含有處于半固態(tài)和半液態(tài)狀態(tài)下的核的熔融合金，并將其冷卻至它具有預(yù)定液體含量的溫度，在此溫度下保持30秒～60分鐘時(shí)間，以便熔融合金內(nèi)的核變大，從而產(chǎn)生觸變金屬。但是，該方法會(huì)產(chǎn)生相對(duì)較大的大約為100μm的金屬，需要相當(dāng)長(zhǎng)的處理時(shí)間，并且不能在比預(yù)定尺寸更大的容器中進(jìn)行。
美國(guó)專利號(hào)6,432,160描述了一種制作觸變金屬生料的方法。該方法涉及同時(shí)控制熔融金屬的冷卻和攪拌過程，以形成一種觸變金屬生料。具體如下，在將熔融金屬加入攪拌容器中之后，位于攪拌容器周圍的定子組件操作，產(chǎn)生足夠高的磁動(dòng)勢(shì)，從而快速攪拌容器中的熔融金屬。接著，熔融金屬的溫度通過配備在攪拌容器周圍的熱套——用于精確控制攪拌容器核熔融金屬的溫度——快速降低。在冷卻過程中，熔融金屬被連續(xù)攪拌，且攪拌的方式得到良好控制。當(dāng)熔融金屬的固態(tài)部分較低時(shí)，將進(jìn)行較快的攪拌。隨著固態(tài)部分增加，將施加較高的磁動(dòng)勢(shì)。
大多數(shù)上述用于制造半固態(tài)金屬生料的普通方法和設(shè)備都采用剪切力在冷卻過程中將樹枝狀晶體結(jié)構(gòu)破壞成球狀結(jié)構(gòu)。由于在至少一部分熔融金屬的溫度下降到低于其液相溫度后都施加某種作用力譬如振動(dòng)等，因此會(huì)因?yàn)槌跏脊袒瘜拥男纬啥a(chǎn)生潛熱。結(jié)果，會(huì)產(chǎn)生大量缺點(diǎn)，諸如降低冷卻速度增加制造時(shí)間等。此外，由于在內(nèi)壁與容器中心之間溫度不均勻，因此很難形成高質(zhì)量、均勻的球狀金屬粒子。因此如果加入容器的熔融金屬其溫度沒有得到控制，則金屬粒子的這種結(jié)構(gòu)上的非均勻性會(huì)更加突出。
為了解決這些問題，本發(fā)明人提交了韓國(guó)專利申請(qǐng)2003-13517，題目為“用于制造半固態(tài)金屬生料的方法和設(shè)備”。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種用于制造含有微細(xì)、均勻、球狀粒子的半固態(tài)金屬生料的新設(shè)備，它可以提高能量利用率，并提高力學(xué)特性，降低成本，它具有易鑄造性，從而縮短制造時(shí)間。
本發(fā)明還提供了一種用于在短時(shí)間內(nèi)制造高質(zhì)量半固態(tài)金屬生料的設(shè)備，制造出的生料可以方便而簡(jiǎn)單地應(yīng)用到后續(xù)過程中。
本發(fā)明還提供了一種方便地制造和卸放高質(zhì)量半固態(tài)金屬生料的設(shè)備。
本發(fā)明其中的一個(gè)方面表明，它提供了一種用于制造半固態(tài)金屬生料的設(shè)備，該設(shè)備包括至少一個(gè)用于接收處于液態(tài)的熔融金屬的套筒；一個(gè)用于給套筒中的熔融金屬施加電磁場(chǎng)的攪拌單元；至少一個(gè)柱塞——用于給在其中裝熔融金屬的空間其底部規(guī)定界限，柱塞被插入到套筒的一端；以及一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)柱塞作上下運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)單元。
本發(fā)明特定的具體應(yīng)用表明，攪拌單元可以在往套筒中裝入熔融金屬之前給套筒施加電磁場(chǎng)?；蛘?，攪拌單元可以在往套筒中裝入熔融金屬的同時(shí)給套筒施加電磁場(chǎng)，或者在裝入熔融金屬的過程中間施加電磁場(chǎng)。
攪拌單元給套筒施加電磁場(chǎng)可以一直繼續(xù)，直至所裝入的熔融金屬其固體部分含量達(dá)到0.001-0.7，最好為0.001-0.4或最佳為0.001-0.1為止。
熔融金屬的冷卻可以一直繼續(xù)，直至其固體部分含量為0.1-0.7為止。
該設(shè)備可以進(jìn)一步包括一個(gè)安裝在套筒周圍用于冷卻熔融金屬的溫度控制元件。該溫度控制元件可以至少包括安裝在套筒周圍的一個(gè)冷卻器和一個(gè)加熱器。溫度控制元件可以以0.2-5.0℃/秒的速度冷卻套筒內(nèi)的熔融金屬，最好為0.2-2.0℃/秒。


通過參考附圖詳細(xì)描述其中的示范性的實(shí)際應(yīng)用，本發(fā)明的上述以及其他特征和優(yōu)點(diǎn)就會(huì)更加明顯，其中圖1是建立在本發(fā)明基礎(chǔ)之上、用于制造半固態(tài)金屬生料的設(shè)備的溫度輪廓圖；圖2表示的是依據(jù)本發(fā)明的具體應(yīng)用而形成的用于制造半固態(tài)金屬生料的設(shè)備結(jié)構(gòu)；圖3是建立在本發(fā)明基礎(chǔ)上的用于半固態(tài)金屬生料制造的設(shè)備中的套筒其部分剖面圖；圖4表示的是用圖2中所顯示的設(shè)備制造的一塊半固態(tài)金屬生料；以及圖5表示的是用圖2中所顯示的設(shè)備制造的一塊半固態(tài)金屬生料的卸料情形。
具體實(shí)施例方式
下面將通過參考所附圖紙對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。
首先，對(duì)用本發(fā)明的設(shè)備制造半固態(tài)金屬生料的方法將參考圖1進(jìn)行說明。
與上述普通工藝不同的是，用本發(fā)明的設(shè)備制造半固態(tài)金屬生料的方法涉及在往套筒中裝載熔融金屬這個(gè)過程結(jié)束之前施加電磁場(chǎng)。換言之，電磁攪拌是在往套筒中加入熔融金屬之前、開始時(shí)以及中間進(jìn)行的，以防形成樹枝狀晶體結(jié)構(gòu)。對(duì)于攪拌，也可以采用超聲波代替電磁場(chǎng)。
首先，當(dāng)將電磁場(chǎng)施加到至少一個(gè)由攪拌單元圍繞的套筒后，將熔融金屬裝入套筒中。在這種情況下，所施加電磁場(chǎng)的強(qiáng)度足以攪拌熔融金屬。
如圖1所示，熔融金屬在溫度為Tp的條件下加入套筒。如上所述，可以在往套筒加入熔融金屬之前給套筒施加電磁場(chǎng)。但是，本發(fā)明卻不限于此，電磁攪拌還可以在往套筒中加入熔融金屬開始時(shí)或過程當(dāng)中進(jìn)行。
歸功于在往套筒中加入熔融金屬完成之前啟動(dòng)的電磁攪拌，熔融金屬在固化的早期沒有在靠近套筒的內(nèi)壁處形成樹枝狀結(jié)構(gòu)。由于整個(gè)熔融金屬的溫度快速降低到低于其液相溫度，因此大量微核在整個(gè)套筒中同時(shí)形成。
在往套筒中加入熔融金屬之前或開始時(shí)給套筒施加電磁場(chǎng)，可以在套筒的中央及內(nèi)壁區(qū)域有效攪拌熔融金屬，并且導(dǎo)致在整個(gè)套筒中進(jìn)行快速熱傳遞。因此阻止了在冷卻早期在套筒的內(nèi)壁附近形成固化層。此外，這種對(duì)熔融金屬進(jìn)行的有效攪拌導(dǎo)致了高溫熔融金屬與套筒低溫內(nèi)壁之間平穩(wěn)的熱對(duì)流，因此整個(gè)熔融金屬可以快速冷卻。由于電磁攪拌的作用，熔融金屬中的粒子在往套筒中加載時(shí)就分散，并在整個(gè)套筒中以核的形式分散，因此在冷卻過程中在套筒中絕少會(huì)發(fā)生溫差問題。但是，在普通工藝中，當(dāng)熔融金屬接觸到套筒的低溫內(nèi)壁，在容器內(nèi)壁附近形成固化層。從固化層中產(chǎn)生樹枝狀晶體。
通過結(jié)合固化潛熱進(jìn)行描述，本發(fā)明的原理會(huì)變得更加清晰。熔融金屬?zèng)]有在冷卻早期于靠近套筒內(nèi)壁的地方固化，從而沒有產(chǎn)生固化潛熱。因此，為了實(shí)現(xiàn)冷卻目的，要從熔融金屬散掉的熱量?jī)H為熔融金屬的比熱，它僅相當(dāng)于相應(yīng)固化潛熱的大約1/400。因此，那些在普通方法中于冷卻早期在靠近套筒內(nèi)壁的地方頻繁產(chǎn)生的樹枝狀晶體，在該新發(fā)明中就沒有形成。在套筒中的全部熔融金屬都可以均勻地得到冷卻，這個(gè)過程從熔融金屬的加入算起僅僅用了大約1～10秒鐘。結(jié)果，在套筒中形成了大量核，它們均勻分布在套筒中的所有熔融金屬上。增加的核密度縮短了不同核之間的距離，從而形成了球狀粒子而不是樹枝狀粒子。
即使在往套筒中加入熔融金屬過程當(dāng)中施加電磁場(chǎng)，也會(huì)獲得同樣的效果。換言之，即使在往套筒中加入熔融金屬過程當(dāng)中開始電磁攪拌，也幾乎不會(huì)在靠近套筒內(nèi)壁的地方形成固化層。
最好將熔融金屬的溫度Tp限制在這樣一個(gè)范圍內(nèi)，即液相溫度～液相溫度+100℃(融化過熱＝0～100℃)的范圍。依據(jù)本發(fā)明，由于包含熔融金屬的整個(gè)套筒被均勻冷卻，因此可以在超出其液相溫度100℃的情況下將熔融金屬加入套筒，而無須將熔融金屬的溫度冷卻到接近其液相溫度。
相反，在一個(gè)普通方法中，在往容器中加載熔融金屬過程結(jié)束后并且當(dāng)一部分熔融金屬溫度低于其液相溫度后才施加電磁場(chǎng)。因此，會(huì)在靠近容器內(nèi)壁的地方在冷卻早期因固化的形成而產(chǎn)生潛熱。由于固化的潛熱比熔融金屬的比熱要高出大約400倍，因此，要讓整個(gè)熔融金屬的溫度降低到低于其液相溫度，必須要經(jīng)歷較長(zhǎng)的時(shí)間。因此，在這樣一個(gè)普通方法中，熔融金屬要在冷卻到接近其液相溫度或達(dá)到比其液相溫度高50℃后才加載到容器中。
根據(jù)本發(fā)明，電磁攪拌可以在(套筒中熔融金屬至少一部分的溫度達(dá)到低于其液相溫度Tl的水平后)任何時(shí)候停止，即在固體含量大約為0.001時(shí)，在熔融金屬中形成核以后，如圖1所示。這就是說，可以在熔融金屬的整個(gè)冷卻過程中給套筒內(nèi)的熔融金屬施加電磁場(chǎng)，然后在開始后續(xù)成形過程諸如模鑄或熱鍛之前停止。這是因?yàn)椋坏┖嗽谡麄€(gè)套筒中均勻分布，即使在從核成長(zhǎng)晶體粒子的時(shí)刻，電磁攪拌就不會(huì)影響金屬生料的特性。因此，電磁攪拌可以在金屬生料制造過程中一直繼續(xù)，直至熔融金屬的固體部分含量達(dá)到0.001-0.7為止。但是，從提高能量利用率來看，最好繼續(xù)電磁攪拌直至熔融金屬的固體部分含量達(dá)到0.001-0.4，或者甚至為0.001-0.1。
在電磁攪拌完成后，金屬生料從套筒中卸出，以進(jìn)行連續(xù)的后續(xù)過程，例如，模鑄、熱鍛及坯料成形等。
在施加了電磁場(chǎng)后，并在往套筒裝入熔融金屬以形成均勻的核分布完成之前，套筒被冷卻，以促進(jìn)核的增長(zhǎng)。該冷卻過程可以與往套筒中裝入熔融金屬的過程同時(shí)進(jìn)行。
如上所述，電磁攪拌可以在整個(gè)冷卻過程中一直繼續(xù)。換言之，即使在往套筒上施加電磁場(chǎng)過程中也依然可以進(jìn)行冷卻過程。結(jié)果，所制造出的半固態(tài)金屬生料可以在后續(xù)成形過程中立即使用。
冷卻過程可以一直進(jìn)行到后續(xù)成形過程之前那一刻，并且最好是熔融金屬的固體部分達(dá)到0.1-0.7，即達(dá)到圖1中的時(shí)間t2為止。熔融金屬可以以0.2-5.0℃/秒的速度冷卻。但是，熔融金屬的冷卻速度可以在0.2-2.0℃/秒范圍內(nèi)變化，具體數(shù)據(jù)將依據(jù)所需要的核分布和粒子尺寸而定。
通過采用前述過程，可以很容易地制造出含有預(yù)定量固體部分的半固態(tài)金屬生料。所制造的半固態(tài)金屬生料通過快速冷卻而被直接置入坯料成形過程，以形成用于觸融壓鑄的坯料，或者，直接進(jìn)入模鑄、鍛造或壓鑄過程，以形成最終產(chǎn)品。
如上所述，依據(jù)本發(fā)明，可以在很短的時(shí)間內(nèi)制造出半固態(tài)金屬生料。也就是說，從往套筒中裝入熔融金屬到制造出固體含量為0.1-0.7的金屬生料僅需要30-60秒。此外，通過對(duì)由這種方法形成的半固態(tài)金屬生料可以用于產(chǎn)品成形加工，可以形成具有均勻致密的球狀晶體結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品。
上述用于制造半固態(tài)金屬生料的方法可以用建立在本發(fā)明具體應(yīng)用基礎(chǔ)之上的一個(gè)設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，如圖2和圖3所示。
參見圖2，建立在本發(fā)明具體應(yīng)用基礎(chǔ)之上、用于制造半固態(tài)金屬生料的設(shè)備至少包括一個(gè)用于接收液態(tài)熔融金屬的套筒2；一個(gè)用于給熔融金屬施加電磁場(chǎng)的攪拌單元1；至少一個(gè)柱塞5——用于規(guī)定在其中裝入熔融金屬的空間的底部界限，柱塞被插入到套筒的一端；以及一個(gè)用于將柱塞5上下驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)單元3。
攪拌單元1被安裝在空心基板14的頂部?；?4由支撐成分15支撐，安裝在離地面預(yù)定的高度處。用于施加電磁場(chǎng)的線圈11安裝在基板14上，同時(shí)受帶有內(nèi)部空間13的框架12的支撐。線圈11通過電氣方式與一個(gè)控制器相連(圖中未顯示)，并給空間13施加預(yù)定強(qiáng)度的電磁場(chǎng)，以通過電磁方式攪拌容納在(布置在空間13內(nèi)的)套筒12中的熔融金屬。盡管沒有在圖2中顯示，但攪拌單元1也可以為一臺(tái)超聲波攪拌器。
如圖2中所示，套筒2可以放置在攪拌單元1內(nèi)部，即在空間13內(nèi)。套筒2可以固定在基板14上，同時(shí)與框架12接觸。套筒2可以用金屬材料制造，也可以用絕緣材料制造。套筒2最好采用其熔點(diǎn)比待裝入的熔融金屬其熔點(diǎn)要高的材料。套筒2的下端被柱塞5封閉，套筒2的上端打開，以接收熔融金屬。也就是說，套筒2可以采用容器的形式，底部由柱塞5規(guī)定界限。但是，對(duì)套筒2的結(jié)構(gòu)沒有特別的限制，只要柱塞5插入到套筒2的下部分即可。盡管在圖2中沒有顯示，但是在套筒2中可以安裝一個(gè)熱電偶，與控制器連接在一起，給控制器提供套筒2的溫度信息。
本發(fā)明的設(shè)備也可以進(jìn)一步包括一個(gè)溫度控制元件20，它圍繞套筒2安裝，如圖3所示。溫度控制元件20由一個(gè)冷卻器和/或一個(gè)加熱器組成。在圖3中的具體應(yīng)用中，由一個(gè)水冷卻套22擔(dān)當(dāng)冷卻器以及一個(gè)電熱線圈23擔(dān)當(dāng)加熱器。水冷卻套22圍繞套筒2安裝，包括冷卻水管21。電熱線圈23圍繞水冷卻套22安裝。冷卻水管21可以埋在套筒2中，也可以采用除電熱線圈23以外的其他加熱手段。對(duì)溫度控制元件20的結(jié)構(gòu)沒有任何特定的限制，只要溫度控制元件20可以調(diào)節(jié)熔融金屬或生料的溫度即可。套筒2中所包含的熔融金屬可以通過溫度控制元件20以適當(dāng)?shù)乃俣壤鋮s?？梢岳斫猓@樣一個(gè)套筒2可以用在下列依據(jù)本發(fā)明而形成的半固態(tài)金屬生料制造設(shè)備的所有具體應(yīng)用中。套筒2中所包含的熔融金屬可以用溫度控制元件20進(jìn)行冷卻或自然冷卻。
柱塞5，插入到套筒2的下端，與驅(qū)動(dòng)單元3連接起來上下移動(dòng)。柱塞5的下端與活塞桿51相連，后者又與驅(qū)動(dòng)單元3耦合。
驅(qū)動(dòng)單元3包括一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及一個(gè)齒輪或液壓缸等。驅(qū)動(dòng)單元3進(jìn)一步包括一個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)31，它通過電氣方式與控制器相連。
可以采用上料單元4作為往套筒2中提供熔融金屬的一種手段。對(duì)于上料單元4，可以采用一個(gè)通用戽斗，通過電氣方式與控制器相連。此外，用于形成熔融金屬的爐子可以直接連接到上料單元4上。任何可以將熔融金屬裝入套筒2的設(shè)施都可以用作上料單元4。
在如圖2所示的建立在本發(fā)明基礎(chǔ)之上的半固態(tài)金屬生料制造設(shè)備的具體應(yīng)用中，當(dāng)驅(qū)動(dòng)單元3工作，將柱塞5置于套筒2的最低位置后，攪拌單元1會(huì)以預(yù)定的強(qiáng)度給套筒2的內(nèi)部施加預(yù)定頻率的電磁場(chǎng)。接著，已經(jīng)融化的處于一個(gè)獨(dú)立電氣爐子的金屬M(fèi)通過上料單元4裝入到處于電磁場(chǎng)中的套筒2中。如上所述，除了可以在上料之前施加電磁場(chǎng)以外，給套筒2施加電磁場(chǎng)也可以在往套筒2中裝入熔融金屬M(fèi)的同時(shí)或在該過程中間進(jìn)行。
如圖4所示，當(dāng)熔融金屬被裝入套筒2以后，套筒2以預(yù)定速度冷卻，直至所形成的半固態(tài)金屬生料S的固體含量處于0.1-0.7的范圍內(nèi)為止。在這種情況下，熔融金屬可以以0.2-5.0℃/秒的速度冷卻，最好為0.2-2.0℃/秒。如上所述，冷卻可以在溫度控制元件20的控制下進(jìn)行，但并不受此要求限制。可以理解，容納在套筒2中的熔融金屬可以在不用溫度控制元件20的情況下自然冷卻。
同時(shí)，電磁場(chǎng)的施加可以一直持續(xù)，直至冷卻過程完成為止，即直至熔融金屬的固體部分含量達(dá)到至少0.001-0.7為止。從提高能量利用率來看，最好在往套筒2中裝入熔融金屬后施加電磁場(chǎng)，直至熔融金屬的固體部分含量達(dá)到0.001-0.4，或者甚至為0.001-0.1。達(dá)到這些固體含量水平所需要的時(shí)間可以通過前面進(jìn)行的試驗(yàn)確定?？梢岳斫?，冷卻可以在施加電磁場(chǎng)的過程中進(jìn)行，如上所述。
在制造了生料S后，驅(qū)動(dòng)單元3操作，提升柱塞5，如圖5中所示。因此，生料S從套筒2中拉出，然后通過一個(gè)傳送單元諸如機(jī)器人等轉(zhuǎn)移到后續(xù)成形諸如流變鑄造過程的設(shè)備中。
本發(fā)明的半固態(tài)金屬生料制造設(shè)備可以以大批量的方式連續(xù)制造半固態(tài)金屬生料，制造的生料可以方便地應(yīng)用到后續(xù)過程中。因此總體過程效率得到提高。
建立在本發(fā)明基礎(chǔ)之上的半固態(tài)金屬生料制造設(shè)備可以用于對(duì)各種金屬和合金，例如，可用于鋁、鎂、鋅、銅、鐵等金屬及這些金屬形成的合金。依據(jù)本發(fā)明制造的半固態(tài)金屬生料包含球狀微粒子，它們均勻分布，平均尺寸為10-60μm。
從上面的描述可以明顯看出，根據(jù)本發(fā)明，可以獲得均勻、球形微結(jié)構(gòu)粒子。因此，合金的力學(xué)特性大大提高。
這種均勻的球狀粒子可以通過以高出熔融金屬液相溫度的某個(gè)溫度進(jìn)行電磁攪拌而在短時(shí)間內(nèi)形成，從而在容器內(nèi)壁附近產(chǎn)生更多核。
通過采用建立在本發(fā)明基礎(chǔ)之上的半固態(tài)金屬生料制造設(shè)備，可以簡(jiǎn)化總體的生料制造過程，并且可以大大縮短電磁攪拌核成形時(shí)間，從而節(jié)省攪拌的能量，降低成本。
利用建立在本發(fā)明基礎(chǔ)之上的半固態(tài)金屬生料制造設(shè)備，可以方便地進(jìn)行后續(xù)過程，并提高成形產(chǎn)品的成品率。
該設(shè)備結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，因此可以方便地快速制造大量半固態(tài)生料。
盡管本發(fā)明在上面特別針對(duì)其示范性的具體應(yīng)用而顯示并描述，但那些在該領(lǐng)域具有常規(guī)技巧的人都會(huì)明白，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的前提下，可以在形式和細(xì)節(jié)上進(jìn)行各種變化，具體保護(hù)范圍以“權(quán)利要求書”為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種用于制造半固態(tài)金屬生料的設(shè)備，該設(shè)備包括至少一個(gè)用于接收液態(tài)熔融金屬的套筒；一個(gè)用于給套筒內(nèi)的熔融金屬施加電磁場(chǎng)的攪拌單元；至少一個(gè)用于規(guī)定在其中加入熔融金屬的空間其底部界限的柱塞，柱塞插入到套筒的一端；以及一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)柱塞上下運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中的設(shè)備，其特征在于，所述的攪拌單元在給套筒中裝入熔融金屬之前給套筒施加電磁場(chǎng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1中的設(shè)備，其特征在于，所述的攪拌單元在給套筒中裝入熔融金屬的同時(shí)給套筒施加電磁場(chǎng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1中的設(shè)備，其特征在于，所述的攪拌單元在給套筒中裝入熔融金屬過程當(dāng)中給套筒施加電磁場(chǎng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1中的設(shè)備，其特征在于，所述的攪拌單元給套筒施加電磁場(chǎng)的過程一直繼續(xù)，直至所裝入的熔融金屬的固體部分含量達(dá)到0.001-0.7為止。
6.根據(jù)權(quán)利要求5中的設(shè)備，其特征在于，所述的攪拌單元給套筒施加電磁場(chǎng)的過程一直繼續(xù)，直至所裝入的熔融金屬的固體部分含量達(dá)到0.001-0.4為止。
7.根據(jù)權(quán)利要求6中的設(shè)備，其特征在于，所述的攪拌單元給套筒施加電磁場(chǎng)的過程一直繼續(xù)，直至所裝入的熔融金屬其固體部分含量達(dá)到0.001-0.1為止。
8.根據(jù)權(quán)利要求1中的設(shè)備，其特征在于，所述的中套筒中的熔融金屬一直被冷卻，直至它們的固體部分含量達(dá)到0.1-0.7為止。
9.根據(jù)權(quán)利要求8中的設(shè)備，其特征在于，它進(jìn)一步包括一個(gè)圍繞套筒安裝、用于冷卻套筒內(nèi)熔融金屬的溫度控制元件。
10.根據(jù)權(quán)利要求9中的設(shè)備，其特征在于，所述的溫度控制元件至少包括圍繞套筒安裝的一個(gè)冷卻器和一個(gè)加熱器。
11.根據(jù)權(quán)利要求9中的設(shè)備，其特征在于，所述的溫度控制元件以0.2-5.0℃/秒的速度冷卻套筒內(nèi)的熔融金屬。
12.根據(jù)權(quán)利要求11中的設(shè)備，其特征在于，所述的溫度控制元件以0.2-2.0℃/秒的速度冷卻套筒內(nèi)的熔融金屬。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種用于制造含有微細(xì)、均勻球形粒子的、可以方便而簡(jiǎn)單地應(yīng)用到后續(xù)過程中的高質(zhì)量半固態(tài)金屬生料的設(shè)備，它提高了能量利用率及力學(xué)特性，降低了成本，鑄造方便，縮短了制造時(shí)間，可以方便地卸料。該設(shè)備包括至少一個(gè)用于接收液態(tài)熔融金屬的套筒；一個(gè)用于給套筒內(nèi)的熔融金屬施加電磁場(chǎng)的攪拌單元；至少一個(gè)用于規(guī)定在其中加入熔融金屬的空間其底部界限的柱塞，柱塞插入到套筒的一端；以及一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)柱塞上下運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)單元。
文檔編號(hào)B22D41/015GK1539573SQ0313712
公開日2004年10月27日 申請(qǐng)日期2003年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月24日
發(fā)明者洪俊杓, 板村正行, 行 申請(qǐng)人:洪俊杓