一种强化冷却搅拌制备半固态浆料方法和装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种复合搅拌半固态浆料连续制备装置和方法，属于半固态金属加工技术领域。
【背景技术】
[0002]自从20世纪70年代初期，美国麻省理工学院MC Flemings等研究人员创立了金属半固态成形的概念，半固态金属浆料的制备和成形技术作为一种新型的技术引起了世界各国的广泛关注。半固态加工是利用金属从液态向固态转变或从固态向液态转变(即液固共存)过程中所具有的特性进行成形的方法，这一新的成形方法综合了凝固加工和塑性加工的长处，即加工温度比液态低，充型平稳，对模具热冲击小;变形抗力比固态小，从而有利于成形较复杂的零件并减少功耗，提高生产效率。
[0003]半固态成形技术主要包括触变成形和流变成形。触变成形工艺是将制备的半固态浆料先铸造成坯料，经二次加热后，再进行成形加工，其工艺的可控性强、过程稳定且易操作，但工艺流程长，能耗大，成本较高。流变成形工艺由制备的半固态浆料进行流变成形加工，具有生产流程短、相对成本低、设备简单等特点，近年来受到国内外普遍重视，发展迅速。不论是触变成形还是流变成形，都包含有半固态制浆及半固态成形两部分。
[0004]半固态浆料的制备是金属半固态技术的基础与关键。目前制备半固态浆料的方法有很多，可以分为搅拌法、超声振动法、通道或板浇注法、熔体分散混合法、应变诱发熔体激活法等几大类。这些方法基本都是依靠扰动和降温的基本原理来制备，它们都有自己的优缺点和适用范围。其中，机械搅拌法以其简单灵活、效率高、成本低廉，是制造企业最愿意接受的制备方法。随着研发水平的逐渐提高，国内外先后研发的成套的机械搅拌类装置和工艺有:日本的单螺旋搅拌法(US: 5865240)，英国布鲁内尔大学的双螺旋搅拌工艺(US:6745818)、北京科技大学开发的锥筒式搅拌装置(专利:200810114097.3)等。他们的特点都是从进料口浇入过热合金熔体，在搅拌室内降温的同时受到单个或多个螺杆的搅拌或挤压作用来制备半固态浆料，制备好后流入成形设备成形。优点是结构简单制备成本低，缺点是过冷熔体在搅拌器上冷凝挂料，多次制备后需要拆卸清理，而设备笨重拆卸不便，同时对操作者要求较高，很难进行工业推广。之后北京科技大学开发了强制对流搅拌设备及工艺(专利201120425807.1)，其装置是通过在搅拌室内加入石墨内衬并使用大螺旋叶片作为搅拌器，设备结构大大简化，更加轻便紧凑，拆卸也相对简单，稳定性相对更好。但是挂料问题也依然存在，需要定期进行清理。此外这类依靠复杂搅拌器强烈搅拌的机械搅拌制备方法会使熔体卷入气体，但卷入气体是否能完全逸出也是一个潜在问题。
【发明内容】
[0005]针对现有搅拌技术和装置存在的问题，本发明提供了一种强化冷却搅拌制备半固态浆料的方法和装置，采用降低复杂搅拌器的强烈搅拌作用，同时增加搅拌轴的冷却作用，在简化设备结构的同时增加其冷却形核制备能力，增加设备和工艺稳定性，解决现有技术中制备半固态浆料的装置容易挂料、熔体中易卷入气体、制备耗时长及工艺不稳定等的技术问题。
[0006]本发明是将内部通水冷却乳辊的原理引入旋转搅拌轴中，与传统搅拌制备半固态浆料技术有机集成而提出来的。在旋转搅拌轴的内部引入冷却通道，结合旋转接头实现冷却介质从旋转搅拌轴的单侧进出对搅拌轴进行冷却;通过内部通有循环冷却水的旋转搅拌轴对过热合金熔体进行搅拌，一方面旋转搅拌轴与熔体热交换，使温度和成分相对均匀并具有一定的过冷度，使熔体形核长大，同时通过冷却介质将旋转搅拌轴的热量带走，使搅拌轴能够跟熔体持续热交换，增大过冷度，增加形核率，从而制备出良好的半固态浆料。在此基础上开发一种强化冷却搅拌制备半固态浆料方法和装置，将冷却介质在搅拌轴内部循环冷却与搅拌制备半固态浆料方法有机集成，既能够单次制备大体积半固态浆料，又可以适合结合压铸、乳制、模锻等常规设备进行流变成形，批量持续不断的制备半固态铸锭。解决现有机械搅拌类设备依靠复杂搅拌器制备半固态浆料存在的卷气及挂料清理问题，解决制备半固态浆料工艺不稳定及制备大体积熔体时间长、及与成形设备结合不易结合等问题。
[0007]—种强化冷却搅拌制备半固态浆料方法，其特征在于:将过热的合金熔体(7)置于坩祸或浇勺(6)中，通过升降装置将内部通有循环冷却介质的旋转搅拌轴(4)下降到合金熔体内(7 )，通过搅拌带动合金熔体(7 )对流热交换，循环冷却介质不停的冷却旋转搅拌轴
(4)，在搅拌一定时间或搅拌到一定熔体温度后制备出半固态浆料;升高旋转搅拌轴(4)，将含有半固态浆料的坩祸或浇勺(6)靠近成形设备，并将半固态浆料倒入型腔或料室进行成形;取出制备好的成型件并将坩祸或浇勺(6)移回原位置并盛取过热合金熔体(7)进行下次半固态浆料制备。
[0008]一种强化冷却搅拌装置，其特征在于:强化冷却搅拌装置由旋转接头(I)、传动齿轮(2)、轴承(3)、旋转搅拌轴(4)、冷却内管(5)、坩祸(6)、合金熔体(7)、晶粒(8)、冷却介质进管(9)、冷却介质出管(10)等组成;旋转搅拌轴(4)与轴承(3)相连，轴承(3)与轴承座两联;旋转搅拌轴(4)与传动齿轮(2)相连，传动齿轮(2)与齿轮或电机(未画出)相连;旋转接头(I)与冷却介质进管(9)、冷却介质出管(10)、旋转搅拌轴(4)和冷却内管(5)固定相连，冷却内管(5)置于旋转搅拌轴(4)内部，之间存在一定空隙;冷却介质从冷却介质进管(9)流入旋转接头(I)，经过冷却内管(5)流入旋转搅拌轴(4)内部，并通过冷却内管(5)与旋转搅拌轴(4)间空隙进入旋转接头(I)，最终从冷却介质出管(10)流出。
[0009]所述的旋转接头(I)可以为复合内管固定式和复合内管旋转式，通过旋转接头(I)向旋转搅拌轴(4)内通入冷却介质对其进行冷却，冷却介质从搅拌轴同侧流出，冷却介质可以是压缩气体、水、油、氮气等。
[0010]所述的旋转搅拌轴(4)可以是单根搅拌杆，下部没有搅拌叶片或桨叶等搅拌器;也可以存在搅拌叶片或桨叶或其他形式复杂搅拌器。螺旋搅拌轴(4)和坩祸或浇包(6)表面涂有耐火涂层或涂料，防止氧化、反应及粘料。
[0011]所述的强化冷却搅拌装置安装有闭环反馈控制系统，并可与成形设备控制系统结合联动控制升降、移动、旋转等操作，实现智能化或自动化制备成形。
[0012]本发明的优点在于:
1.强化冷却搅拌制备方法不存在复杂搅拌设备的挂料清理问题，减轻潜在卷气问题，引入旋转搅拌轴内部冷却循环通道，增大旋转搅拌轴的换热效率并使温度保持在相对低位，有助于提尚多次制备半固态楽■料效率和单次制备半固态楽.料