永磁搅拌与机械搅拌复合式制备半固态金属的装置及方法

1.本发明属于半固态金属加工技术领域，涉及一种永磁搅拌与机械搅拌复合式制备半固态金属的装置及方法。


背景技术：

2.半固态成形是利用金属材料从固态向液态，或从液态向固态的转换过程中具有半固态的特性所实现的成形。目前，这项技术已广泛应用于汽车工业领域，在航空、航天以及国防工业领域也正处于应用的起步阶段，具有广阔的前景。
3.永磁搅拌法是制备半固态金属常用方法，永磁搅拌法是利用感应线圈产生的平行于或者垂直于铸型方向的强磁场对处于液-固相线之间的金属液形成强烈的搅拌作用，产生剧烈的流动，使金属凝固析出的枝晶充分破碎并球化，进行半固态浆料或坯料的制备。在永磁搅拌中因为趋肤效应的存在，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且直径大于150mm的铸坯不宜采用永磁搅拌法生产。此外，市场上常见半固态金属制备装置是非密封，金属液处在空气环境中，金属液在高温状态下很容易被氧化，制备的半固态金属中容易掺杂气泡，严重影响半固态金属性能。并且永磁搅拌受装置的限制，一般单次加工浆料不大于5kg，制备效率低。


技术实现要素：

4.为了克服上述现有技术中存在的问题，本发明提出一种永磁搅拌与机械搅拌复合式制备半固态金属的装置及方法，能够克服永磁搅拌中的趋肤效应、密闭操作避免被氧化、结构简单、操作方便、可大批量生产。
5.本发明解决上述问题的技术方案是：一种永磁搅拌与机械搅拌复合式制备半固态金属的装置，其特殊之处在于：
6.包括机架、浆料制备容器、端盖、旋转套筒、永磁搅拌装置和机械搅拌装置；
7.所述旋转套筒通过轴承设置在机架上，旋转套筒通过驱动电机驱动；所述浆料制备容器设置在旋转套筒内，且浆料制备容器与旋转套筒通过滚动轴承连接，实现浆料制备容器在旋转套筒上相对静止；
8.所述端盖上部与电动吊车相连，机械搅拌装置安装在端盖下部，端盖下部设有保护气释放装置，
9.所述旋转套筒包括外层结构、中间层结构、内层结构，外层结构和中间层结构之间填充保温材料，永磁搅拌装置固定在中间层结构靠近外层结构的一侧，中间层结构、内层结构之间设有水冷系统。
10.进一步地，上述机械搅拌装置上安装有温度感应器；保护气瓶通过输气管与保护气释放装置连接。
11.进一步地，上述冷却装置包括水冷管，水冷管缠绕在旋转套筒的内层结构上，水冷
管与储水罐相连，水冷管与储水罐之间设有水泵。
12.进一步地，上述浆料制备容器内壁设有有竖状条板，浆料制备容器的上侧还设置有吊环；所述装置配置有配电箱，通过配电线与装置通电。
13.进一步地，上述永磁搅拌装置包括多个永磁铁，永磁铁为钕铁硼磁铁。
14.进一步地，上述保温材料为硅酸铝纤维。
15.进一步地，上述端盖上设计有把手。
16.进一步地，上述搅拌装置包括转轴和搅拌桨，搅拌桨可拆卸地连接在转轴上，转轴与端盖连接。
17.进一步地，上述温度感应器安装在机械搅拌装置的转轴上。
18.另外，基于上述永磁搅拌与机械搅拌复合式制备半固态金属的装置，本发明还提出一种制备半固态金属的方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
19.1)将需要制备的金属液加热到液相线温度以上后，转移到浆料制备容器中；
20.2)将端盖盖在旋转套筒上，并观察是否盖严；
21.3)拧开保护气瓶开关，向浆料制备容器充入保护气；
22.4)启动驱动电机，皮带轮带动旋转套筒做旋转运动；
23.5)启动机械搅拌装置；
24.6)通过温度传感器测量浆料的温度，当金属浆料的温度降至半固态温度区间时，开启水泵，并控制驱动电机的频率，从开始依次下调，进而控制半固态金属浆料的温度，将半固态金属维持在半固态温区；
25.7)保持步骤6)一段时间，制备完成。
26.本发明的优点：
27.本发明与现有半固态金属浆料制备技术相比有以下优势：
28.1)本发明采用永磁搅拌与机械搅拌同时对金属浆料进行作用，复合搅拌能有效的克服趋肤效应，获得半固态金属固相晶粒细化均匀；
29.2)本发明密闭设计，通有保护气，避免半固态金属在制备过程中发生氧化，提升产品质量；
30.3)本发明可大量制备半固态金属，制备半固态金属铸坯单次直径大于150mm，解决半固态浆料制备效率低的问题。
附图说明
31.图1是本发明一种永磁搅拌与机械搅拌复合式制备半固态金属的装置的结构示意图；
32.图2是本发明旋转套筒的部分剖面图。
33.在以上附图中：1.浆料制备容器，101.吊环，102.竖状挡板，2.旋转套筒，201.水冷系统，202.保温材料，203.永磁机构，204.滚动轴承，3.端盖，301.把手，4.保护气释放装置，5.电动吊车，6.机械搅拌装置，601.温度传感器，7.驱动电机，8.配电箱，801.配电线，9.储水装置，901.水泵，10.保护气瓶，1001.输气管。
具体实施方式
34.为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。
35.参见图1和图2，一种永磁搅拌与机械搅拌复合式制备半固态金属的装置，包括机架、浆料制备容器1、旋转套筒2、端盖3、永磁搅拌装置203和机械搅拌装置6。
36.所述旋转套筒2通过轴承设置在机架上，驱动电机7固定在机架底部，旋转套筒2通过驱动电机7驱动；所述浆料制备容器1设置在旋转套筒2内，且浆料制备容器1与旋转套筒2通过滚动轴承204连接，实现浆料制备容器1在旋转套筒2上相对静止。
37.所述端盖3上部与电动吊车5相连，电动吊车5带动端盖3移动。机械搅拌装置6安装在端盖3下部，端盖3下部设有保护气释放装置4。
38.所述旋转套筒2包括外层结构、中间层结构、内层结构，外层结构和中间层结构之间填充保温材料202，永磁搅拌装置203固定在中间层结构靠近外层结构的一侧，中间层结构、内层结构之间设有水冷系统201。
39.作为本发明的一个优选实施例，所述机械搅拌装置6上安装有温度感应器601，用于实时测量浆料制备容器1内的浆料温度；保护气瓶10通过输气管1001与保护气释放装置连接4，保护气为氮气，氮气为不活跃气体，能很好地充当保护气。保护气用于避免半固态金属在制备过程中发生氧化，提升产品质量。
40.作为本发明的一个优选实施例，所述冷却装置201包括水冷管，水冷管缠绕在旋转套筒2的内层结构上，水冷管与储水罐9相连，水冷管与储水罐9之间设有水泵901。水泵选用s.sh双吸泵，冷却水水温控制在25℃，冷却水储罐上设置有水温表、水压表。
41.作为本发明的一个优选实施例，所述浆料制备容器1内壁设有有竖状条板102，起到搅拌、止浪作用。浆料制备容器1的上侧还设置有吊环101对于制备重量较大的半固态金属，可以用天车起吊。所述装置配置有配电箱8，通过配电线801其他装置相连实现通电。
42.作为本发明的一个优选实施例，所述永磁搅拌装置203包括多个永磁铁，永磁铁为钕铁硼磁铁，钕铁硼磁铁具有磁性强、重量低的特点。
43.作为本发明的一个优选实施例，所述保温材料202为硅酸铝纤维；所述端盖3上设计有把手301，方便操作人员抓住端盖3。
44.作为本发明的一个优选实施例，所述搅拌装置6包括转轴和搅拌桨，搅拌桨可拆卸地连接在转轴上，转轴与端盖3连接，通过动力装置带动转轴转动，实现搅拌桨转动。
45.作为本发明的一个优选实施例，所述温度感应器601安装在机械搅拌装置6的转轴上，温度感应器601为pt100温度传感器。
46.基于上述的永磁搅拌与机械搅拌复合式制备半固态金属的装置的制备方法，包括以下步骤：
47.1)将需要制备的金属液加热到液相线温度以上15-25℃后，转移到浆料制备容器1中，在液相线温度上，避免在转移过程中金属液发生凝固；金属液转移到制备容器中，应快
速将端盖3盖上，减少与空气接触的时间，防止金属液被氧化。
48.2)将端盖3盖在旋转套筒2上。
49.3)拧开氮气瓶10开关，向浆料制备容器1充入保护气氮气，氮气瓶公称压力30mpa。
50.4)配电柜8通电，通电后观察指示灯，各指示灯分别代表为驱动电机、制冷系统、搅拌系统。
51.5)启动驱动电机7，皮带轮带动轴承箱内转轴转动带动旋转套筒2做旋转运动，先调至1500转每分，等待旋转套筒2做匀速转动，此时永磁机构也在旋转套筒的作用下转动，利用磁场的同性相斥、异性相吸的原理，使用磁场推动放置在容器中带磁性的金属液进行圆周运转，从而达到搅拌液体的目的。永磁搅拌的工作原理遵循磁的库仑定律，即两个相隔一定距离的磁体，由于磁场感应效应，它们不需要任何传统机械构件，通过磁体的耦合力，就能把功率从一个磁体传递到另外一个磁体，构成一个非接触传递扭矩机构。
52.6)待转速到达1500转每分，启动搅拌装置6，因永磁机构带动金属浆料时，会产生趋肤效应，趋肤效应当导体中有交流电或者交变电磁场时，导体内部的电流分布不均匀，电流集中在导体的“皮肤”部分，也就是说电流集中在导体外表的薄层，越靠近导体表面，电流密度越大，导体内部实际上电流较小。也就是在金属液内部永磁机构因为趋肤效应，内部磁场感应低，磁场对金属液产生不了力，金属液内部得不到很好的搅拌，此时打开机械搅拌，能很好的克服趋肤效应对金属液内部的影响。
53.7)通过测温元件601测量浆料的温度，当合金浆料的温度降至半固态温度区间时，开启水泵901，并控制驱动电机7的频率，从开始的1500转依次下调，进而控制半固态金属浆料的温度，将半固态金属维持在半固态温区。
54.8)保持步骤7)5分钟，制备完成。
55.本发明复合模式即永磁搅拌与机械搅拌同时对金属浆料进行作用，这种模式能克服永磁搅拌时金属浆料内部产生趋肤效应，当导体中有交变电磁场时，导体内部的电流分布不均匀，电流集中在导体的“皮肤”部分，也就是说电流集中在导体外表的薄层，越靠近导体表面，电流密度越大，导体内部实际上电流较小。内部一部分得不到很好的搅拌，此时应用机械搅拌能克服趋肤效应带来的影响。高速旋转产生的剪切力随转速的增加对金属液进行更加充分的搅拌，使正在生长的枝晶臂碎断，这些破碎的枝晶臂起到了晶核的增殖作用，金属液中均匀分散的晶核和碎断的枝晶臂，使金属液热流梯度相对较小，且整体趋于一致，合金固相晶粒比较容易发生细化和球化。永磁搅拌只能应用于小于5kg的金属浆料，本发明复合模式可以制备重量大于5kg的金属浆料。
56.以上所述仅为本发明的实施例，并非以此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的系统领域，均同理包括在本发明的保护范围内。