[發(fā)明專利]一種金屬零件的半固態(tài)流變成形方法及其裝置

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200710168664.9
• 申請日: 2007-12-07
• 公開（公告）號: CN101181736A
• 公開（公告）日: 2008-05-21
• 發(fā)明（設計）人: 吳樹森;趙君文;毛有武
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: B22D1/00
• 分類號: B22D1/00
• 代理公司: 華中科技大學專利中心
• 代理人: 曹葆青

技術領域

本發(fā)明屬于半固態(tài)金屬成形領域，具體涉及一種金屬零件的半固態(tài)流變成形方法及其裝置。

技術背景

所謂半固態(tài)金屬成形技術，就是當金屬液冷卻到固相線與液相線之間的溫度時，對其施以劇烈的攪拌或擾動、或改變金屬的熱狀態(tài)、或加入晶粒細化劑、或進行快速凝固，即改變初生固相的形核和長大過程，得到一種液態(tài)金屬母液中均勻地懸浮著一定球狀初生固相的固-液混合漿料(固相組分一般為50％左右，甚至可達60％)，利用這種固-液混合漿料直接進行成形加工；或先將這種固-液混合漿料完全凝固成坯料，然后根據(jù)需要將坯料切分，再將切分的坯料重新加熱至固液兩相區(qū)，利用這種半固態(tài)坯料進行成形加工。前種方法叫做流變成形，后種叫做觸變成形，這兩種方法均稱之為半固態(tài)金屬成形技術。

金屬半固態(tài)成形技術與傳統(tǒng)金屬成形技術相比具有提高成形件性能、縮短加工工序、節(jié)約能源等優(yōu)勢，因此自發(fā)明以來各國研究者都對其理論和技術的研究給予了高度重視。經(jīng)過多年的發(fā)展，特別是近幾年來，眾多半固態(tài)漿料或坯料制備工藝及各種半固態(tài)成形技術業(yè)競相問世，但由于現(xiàn)有半固態(tài)成形技術各自的缺點，真正應用于工業(yè)化生產的技術相當有限。一般根據(jù)工藝流程的不同，將金屬半固態(tài)成形技術分為流變成形和觸變成形兩大類。由于觸變成形的半固態(tài)金屬坯料與半固態(tài)漿料相比，其輸送和加熱較為方便，并易實現(xiàn)自動化操作，因此長期以來，半固態(tài)成形技術的研究和應用主要集中在觸變成形工藝上，使其成為目前工業(yè)應用中最主要的金屬半固態(tài)成形工藝方法。但觸變成形具有坯料制備成本高，難于成形復雜件和工藝流程長等缺點，而流變成形可以克服上述缺點，從而提高半固態(tài)成形技術的生產效率，降低生產成本。因此流變成形的研究受到越來越多的重視。

近年來，由于半固態(tài)金屬流變技術的研究越來越受到世界各國的廣泛重視，各種流變漿料制備方法及流變成形裝置相繼問世。這里主要介紹近年來出現(xiàn)的流變漿料制備方法及流變成形裝置：

(1)機械攪拌制備漿料式流變成形

機械攪拌法是最早采用的制備漿料的方法，也是半固態(tài)發(fā)明之初采用的漿料制備方法(美國專利第3948650號，第3902544號)，近年來該種方法得到了發(fā)展，并產生了數(shù)種新機械攪拌制備漿料式流變成形技術。其中以流變射鑄成形最引人注目。

流變射鑄成形包括單螺旋和雙螺旋流變射鑄成形兩種。

美國康乃爾大學的K.K.Wang等人(美國專利第5501266號)將半固態(tài)金屬流變技術與塑料注射成形技術結合起來，發(fā)明了一種新的流變成形技術，即單螺旋流變射鑄成形技術(Rheomoulding)。其工作原理是：過熱合金熔體在重力作用下流入攪拌筒和螺旋桿的縫隙中，在繼續(xù)向下流動的過程中，不斷被冷卻和攪拌剪切，當?shù)竭_出口時，合金熔體已成為一定固相分數(shù)的半固態(tài)漿料。在射鑄前，螺桿先后退一段距離，使其前端積聚一定量的半固態(tài)漿料，然后以一定軸向速度(小于等于0.15m/s)將其壓入模具型腔；隨后，螺桿再次旋轉攪拌合金熔體，準備下次射鑄。

彭暄等人(CN1062793C)改進了立式流變射鑄機，開發(fā)出了1000KN臥式和水平原型機。該系統(tǒng)主要由熔化供料單元，漿料產生單元和攪拌注射單元三部分組成。張奎等人(CN2566961Y，CN2569943Y)也提出兩種原理和結構與K.K.Wang開發(fā)的系統(tǒng)相近的流變射鑄系統(tǒng)，不過整個系統(tǒng)呈水平放置，因而整個系統(tǒng)裝配簡單。

單螺旋流變射鑄成形技術的優(yōu)點是，合金熔體不僅在流入筒體過程中不易卷入氣體，而且在密封通道里被攪拌剪切更不容易有任何氣體進入，因此，制件空隙率低、密度高；工藝流程短，不需對原材料進行預處理，廢品和鑄件余料回收方便，從而提高了生產效率，降低了生產時間和成本；其結構簡單，易于自動化。其缺點在于：設備中螺桿的材料性能要求高(滿足高溫下的耐磨、耐蝕性能等)；通常由單螺旋攪拌產生的剪切速率不夠高。

2001年羅吉榮等人(CN2471450Y)提出半固態(tài)漿料的雙螺桿制備技術，對雙螺桿結構進行改進，把兩個螺桿的螺紋從原來的單一導程、單一錯列角改為多導程、多錯列角，從而保證漿料在不同溫度階段受到不同剪切作用，制漿效果更加理想，并且將整個制備裝置水平放置，從而有利于實際操作。本方法可以達到很高的剪切速率，從而使半固態(tài)顆粒細化和球化了許多，其鑄件組織均勻性也相當高。其不足之處為：螺桿工況差，消耗大，壽命短等。

目前，幾乎所有流變射鑄工藝尚未達到實際應用水平，正處在設備完善和生產工藝優(yōu)化階段。有報道稱，只有AZ91D鎂合金采用流變射鑄技術試生產出汽車、計算機和照相機零件毛坯。