用于半固体金属浆料的搅拌装置以及使用此种搅拌装置生产半固体金属浆料的方法和系统
技术领域
本公开总体上涉及用于生产半固体金属浆料的过程。更具体地，本公开涉及用于浆料生产过程的搅拌装置以及包括这种搅拌装置的浆料生产过程。
背景技术
众所周知的是，通过使用半固体形式(也称为液固体形式)的金属进行铸造来生产金属的零件和组件，即，当铸造时包含液态金属和固态金属的混合物的材料。在此种混合物中的固态金属优选为小颗粒的形状。此种材料称为半固体金属浆料。浆料中的金属可以是同一原子序数的纯金属，也可以是不同金属的合金。
当将来自液体金属的铸造零件与半固体金属浆料的铸造零件进行比较时，由半固体金属浆料制成的零件通常具有更少缺陷和更好的机械特性。而且，半固体金属浆料比液体金属容易处理得多。例如，半固体金属浆料的凝固比液体金属的凝固更慢，这使得在凝固过程期间改变由半固体金属浆料制成的零件的形状比更改由液体金属制成的零件的形状更容易。出于同样的原因，在材料凝固之前，需要从液体金属快速进行传统铸造。例如，在压铸中，快速压制会使铸件内部出现气泡，这导致零件质量降低。当使用半固体金属浆料进行压铸时，可更缓慢地进行压铸，从而减少气泡。因此，从半固体金属浆料进行铸造非常适合暴露于高应变并因此需要具有高质量的关键零件。
在欧洲授予的专利EP 1838885 B1中，描述了一种用于生产此种半固体金属浆料的方法和装置。该方法基于将一定量的固体金属添加到一定量的液体金属中的想法。然后，固体金属将至少部分地被液体金属熔化并产生半固体金属浆料。为了在液体材料中获得良好的固体颗粒混合物并抑制浆料中树突网络的生成，搅拌固体和液体材料的混合物直到固体金属熔化成液体金属为止。与较旧的解决方案相比，在该解决方案中，使用外部冷却将液体形状金属冷却直至其变为半固体，该过程使用“内部冷却”，即从固体金属部件冷却。EP1838885 B1进一步建议使用机械搅拌器执行搅拌。在机械搅拌器上焊接固体金属，或者可以经由延伸穿过搅拌器的通道将固体金属通过搅拌器供应到熔体中。此类布置看起来复杂并且肯定不适合大规模生产产品，即不适合需要重新填充浆料的批量生产。
然后，本申请人开发了一种可用于大规模生产半固体浆料的方法，该方法被描述在瑞典专利SE 538596中获得了专利。在该方法中，通过将机械搅拌器插入模具中提供了提供给机械搅拌器的固体金属，模具的内部形状类似于装有固体金属的机械搅拌器的大小。将机械搅拌器插入模具中后，将液体金属倒入模具中。在模具中一段时间后，液体金属已经凝固并紧固到搅拌器上。与EP 1838885中描述的焊接方式相比，这种提供固体金属的方式要容易得多并且更省时。
当处理液体形式的金属时，大多数金属种类、纯金属和合金会暴露于氧气而氧化。例如，当铸造铝产品时，暴露于氧气的液体铝将很快氧化。氧化铝是干燥的。被彼此相对推向的氧化铝的两个表面将不会成为一个单元。换句话说，当金属浆料倒入铸造机中时包括较大的氧化铝表面时，所产生的产品在氧化铝层处可能具有较弱区域。即使通过上述现有技术专利申请中描述的方法生产的产品是高端产品，通过减小从半固体金属浆料产生的金属氧化物(诸如氧化铝)的区域来生产甚至更好的产品将是令人感兴趣的。
发明内容
本发明的目的是解决以上概述的问题和议题中的至少一些。本发明的实施例的目的是提供一种减小从半固体金属浆料生产的产品中的金属氧化物区域的方法。另一目的是提供一种在整个浆料中具有基本上相同的粘度的半固体金属浆料。通过使用如所附独立权利要求所限定的搅拌装置和浆料生产过程，可以实现这些目的和其他目的。
根据一个方面，提供了一种用于搅拌半固体金属浆料的搅拌装置。当用于搅拌半固体金属浆料时，该搅拌装置绕旋转轴旋转。搅拌装置包括：沿旋转轴延伸的细长轴；以及至少两个翼片，其牢固地布置到细长轴并从细长轴径向向外延伸，其中，至少两个翼片还具有沿旋转轴的基本轴向延伸，翼片在细长轴处的轴向延伸至少是细长轴总长度的15％。由于具有径向向外延伸的翼片，并且沿旋转轴也具有如此大的延伸，因此在半固体金属浆料中产生回旋，这在整个半固体金属浆料中产生移动，从而引起浆料中良好的均质性并破坏任何较大的连续金属氧化物层。当旋转具有此轴向长度的翼片的轴时，剪切力施加到浆料中，这产生良好的均质性并破坏浆料中任何即将出现的金属氧化物层。
根据实施例，翼片在细长轴处的轴向延伸为细长轴总长度的至少25％，更优选为至少35％。
根据另一实施例，至少两个翼片在从细长轴径向向外的方向上轴向地逐渐变细。通过使这些翼片在径向上向外逐渐变细，已证明它们在浆料中旋转时具有比在径向向外的方向上具有相同轴向长度的翼片更好的结构强度。
根据另一实施例，细长轴具有适于插入到旋转提供机器中的第一端和在第一端的远侧的第二端，并且其中至少两个翼片布置在第二端。由此确保当执行搅拌时，翼片可以在浆料的表面以下。
根据另一方面，提供了一种用于生产半固体金属浆料的方法。该方法包括将液体形式的金属倒入模具中，在该模具中引入细长装置，并将细长装置保持在模具中，直到金属已经铸造到细长装置为止。该方法进一步包括将具有铸造在其上的金属的细长装置从模具引入到包括液体形式的金属的容器中，并且在将细长装置引入到包括液体形式的金属的容器中之后，使用搅拌装置在容器中根据上述方面进行搅拌，至少直到铸造到细长装置上的金属中的大部分从细长装置落下并进入容器中为止，使得产生半固体金属浆料。
根据另一方面，提供一种用于生产半固体金属浆料的系统。该系统包括具有至少一个细长装置和模具的第一装置。第一布置被构造成将至少一个细长装置中的一个引入到模具中。该系统还包括用于将熔化金属倒入模具中的第二布置。第一布置还被构造成将一个细长装置保持在模具中，直到金属已经被铸造到一个细长装置，并且将具有铸造到其上的金属的一个细长装置引入到包括液体形式的金属的容器中。该系统还包括根据上述方面的搅拌装置，用于在将一个细长装置引入到包括液体形式的金属的容器中之后在容器中搅拌，至少直到铸造到一个细长装置上的金属中的大部分从细长装置落下并进入容器中为止，使得产生半固体金属浆料。
根据实施例，搅拌装置是已经被引入到容器中的一个细长装置。使用与细长装置和搅拌装置完全相同的装置的优点是浆料的表面仅需要为一个装置而不是两个装置破坏。
根据另一实施例，搅拌装置是与一个细长装置分开布置的单独装置。与用作搅拌装置和细长装置两者的一个装置相比，单独的搅拌装置可以更简单并且因此生产成本更低。
通过下面的详细描述，该解决方案的其他可能的特征和益处将变得显而易见。
附图说明
现在将通过示例性实施例并参考附图来更详细地描述该解决方案，在附图中：
图1是根据本发明的实施例的用于生产半固体金属浆料的系统的示意性框图。
图2a是根据本发明的实施例的用于搅拌半固体金属浆料的搅拌装置的侧视图。
图2b是图2a的搅拌装置的俯视图。
图3是根据实施例的用于生产半固体金属浆料的方法的流程图。
具体实施方式
如背景技术中所描述的，本发明实施例的目的是提供一种减小从半固体金属浆料生产的产品中的金属氧化物区域的方法。在研究此问题时，本发明人发现，与当今的金属浆料生产过程和搅拌装置相比，需要以更有效的方式搅拌金属浆料。EP1838885中所示的搅拌装置具有竖直旋转轴，在竖直旋转轴的下端布置有水平延伸销。从EP1838885的图1中可以看出，销主要具有水平延伸。由此，在浆料中提供的搅拌主要围绕小销并沿竖直旋转轴执行。使用现有技术的机械搅拌装置的搅拌产生的回旋不会远离销。因此，在浆料生产过程期间产生的金属氧化物区域可能仍在浆料中。另外，当使用现有技术的机械搅拌器时，就固体颗粒的量而言，与液体金属相对，倒出的浆料趋向于不如期望的那样均匀。换句话说，浆料的某些部分具有比其他部分更高的粘度。结果，当将浆料倒入铸造机的填充室中时，首先倒出的部分趋向于具有最高的粘度，并且粘度降低，残留在进行搅拌的容器中的浆料越少。由于具有最高粘度的材料也最接近纯液体，因此与具有较低粘度的部分相比，其固化更快。这样就有一种风险，就是这种粘度最低的金属中的一些在与填充室接触时会冷却并固化。这最终可能导致铸造产品的某些部分无法按要求紧密放置在一起。
为了避免由所产生的浆料的不同部分中的不同粘度引起的问题，并且为了避免浆料中的金属氧化物层的区域的问题，已经开发了另一种类型的搅拌装置。这种类型的搅拌装置具有翼片，除了从竖直定位的轴沿径向延伸之外，如EP1838885的搅拌装置的销一样，该翼片也沿竖直轴具有基本竖直的延伸。与现有技术相比，通过本发明的搅拌装置的翼片既具有径向延伸又具有基本竖直的延伸，在浆料中实现了更好的搅拌。因此，由搅拌产生的回旋在较大范围内到达全部浆料。结果，所产生的浆料比使用现有技术的搅拌装置所产生的浆料更好地被均质化。而且，通过本发明的搅拌装置产生的更好的搅拌，破坏浆料中可能存在的任何较大的金属氧化物层。
图1示出了用于生产半固体金属浆料的系统1的实施例。该系统包括用于熔化将在生产半固体金属浆料的过程中使用的金属的烤箱10。半固体金属浆料的金属可以是任何金属或金属合金。烤箱10可以是用于熔化金属，即用于产生液体形式的金属的任何种类的烤箱。根据有利的实施例，烤箱10可以具有开放式熔池，熔化金属被保持在该熔池中，从而易于从熔池中吸收液体金属以用于系统1中。为了避免氧化，可以存在布置在液体金属表面上的重气体(诸如氮气或氦气)，即不会与液体金属发生反应的气体。此外，熔池可能很深，即在表面上方具有一定的容积，使得重气体保持在金属液体表面上方。烤箱10还可以具有用于将熔化金属保持在相当恒定的温度下的恒温器，该相当恒定的温度被选择用于在浆料生产过程中实现良好的结果。
系统1还包括第一布置20，其用于处理至少一个细长装置21，在该装置上要铸造金属。第一布置20还具有模具22。系统1还包括第二布置30，其用于从烤箱10吸收液体金属并将其倒入模具22中。第二装置可以是机器人30。机器人30可以例如具有可在一个关节中移动的一个可移动臂。布置30可以具有容纳器35，诸如桶，用于从烤箱10取出液体金属并将其倒入模具22中。为了避免这样的容纳器35冷却液体金属，该容纳器可以在将其用于从烤箱取出金属之前，通过将其保持在烤箱10中的液体金属中进行预热。第二布置30还被布置成将填充有液体金属的容器35移向第一布置20，并将液体金属倒入模具22中。当液体金属被倒入模具22中时，至少一个细长装置21的第一部分21a已经插入模具中。可替代地，在将液体金属倒入模具22中之后，可以将第一细长装置21a插入模具22中。调整模具22的大小，使得当插入细长装置21并且将金属倒在模具22a上时，一定量的金属将在模具中，包括要插入浆料中的固体金属的量。
根据某个实施例，第一布置20可具有多个不同的单元，在图1的示例中为四个单元，每个单元保持一个细长装置21。细长装置21被第一布置20绕旋转轴X逐步旋转，例如在图1的箭头方向上旋转，从而在步长处的一个细长装置被插入到模具22中，并用液体金属倒入。在将第一细长装置21a插入模具22中并通过第二布置30将液体金属倒入模具22中之后，将第一细长装置21a在模具中保持一定的时间，直到液体金属固化为止。在限定的时间过去之后，再将细长装置旋转一步，使得将第一细长装置从模具中取出，并将第二细长装置21b插入模具中，然后将来自烤箱10的液体金属倒入模具中，等等。
当第一细长装置21a在进入模具22之后已经旋转了一步时，第一布置20控制有正确量的固体金属铸造到装置21a上。此后，旋转过程中的一步或多步用于将铸造到装置上的固体金属冷却到正确的温度以用于产生半固体金属浆料。在第一布置20使第一装置21a旋转了一些步，在图1的示例中为三步之后，第一装置21a应当具有适量的铸造到其上的固体金属，该固体金属具有适合于产生半固体金属浆料的温度。
当金属被铸造到细长装置21上时，第三布置40用来自例如烤箱10的预定量的液体金属填充开放式容器50，并将开放式容器50移向第一布置20。第三布置40可以是机器人。当第一细长装置21a已经旋转了两步并到达预定位置时，在图1的示例为从模具中的铸造开始的三步，使得当第一装置准备好用于产生浆料时，其已经到达位置A，第三布置40将开放式容器50移向预定位置。更精确地，移动开放式容器50，使得第一细长装置21a被放到开放式容器50中的液体金属中。然后，将第一细长装置21a保持在容器50中，直到被铸造到第一细长装置21a上的金属已经落入容器50中，并且已经产生了半固体金属浆料为止。在将第一细长装置21a保持在容器50中的过程期间，搅拌装置在容器中旋转，以便搅拌固体和液体金属的混合物。在容器50中执行搅拌，至少直到铸造到第一细长装置21a上的金属中的大部分从第一细长装置21a落下并进入容器50中为止，使得产生半固体金属浆料。
然后将具有产生的半固体金属浆料的容器50通过第三布置40移动到铸造机60的填充室70，并将半固体金属浆料倒入填充室70中。根据实施例，直接执行搅拌直到将浆料倒入填充室中。
由于生产是分步执行的，当铸造到第一细长装置21a上的金属从第一细长装置落下时，第一细长装置21a继续逐步进行旋转移动。现在可以在准备将第一细长装置21a再次用于模具中之前，将第一细长装置21a从可能的附加固体金属清除，并且再次进行相同的程序，其中将其铸造在模具中、冷却并将其放到具有液体金属的容器50中，并且在铸造的金属已经从第一细长装置落下并进入容器50中之后，返回到模制。在第一细长装置21a的所述过程期间，第二细长装置21b进行相同的程序，只是比第一细长装置迟一步，并且随后细长装置21比第二细长装置21b晚一步或多步。
以下，参考图2a和2b描述根据本发明的搅拌装置110的实施例。根据第一实施例，搅拌装置110是图1的实际细长装置21。换句话说，包括第一细长装置21a和第二细长装置21b的细长装置21也用作搅拌装置110。根据第二实施例，搅拌装置110是与细长装置21分离的装置，诸如由第三布置40控制的装置45(图1)。在该第二实施例中，在浆料生产期间搅拌装置110被放到开放式容器50中，即搅拌装置110然后至少部分地在浆料中，同时相应的细长装置21在那里。
根据图2a和2b的实施例的搅拌装置110包括细长轴111，其具有第一端111a和在第一端远侧的第二端111b。第一端111a被布置用于插入到诸如第三布置40之类的旋转提供机器中。细长轴111沿轴线X-X延伸，当搅拌装置110通过第三布置旋转时，该轴线X-X也用作旋转轴。40.细长轴的横截面为直径D的圆形。但是，也可以应用其他横截面形式，诸如二次横截面。细长轴沿轴线X-X具有长度L。
搅拌装置110还包括优选地布置在轴的第二端111b处的翼片112a、112b。翼片112a、112b从细长轴111径向向外延伸。“径向向外延伸”表示与旋转轴X-X相比在径向方向上延伸，即垂直于旋转轴X-X延伸。在图2a和2b的实施例中，有两个在相反方向上延伸的翼片。然而，在其他实施例中，可以有两个以上的翼片，诸如三个或四个翼片或甚至更多的翼片。然后，翼片优选地围绕细长轴均匀地散布。翼片112a、112b还沿细长轴具有实质性的延伸，也称为轴向延伸。例如，翼片112a、112b具有轴向延伸，其为轴的总长度L的至少10％，更优选地为至少15％，更优选地为至少20％，并且最优选地为至少25％。根据另一示例，翼片具有至少20mm的轴向延伸。根据另一示例，翼片112a、112b具有轴向延伸，该轴向延伸适应于搅拌装置110将被插入到容器中的液体金属中的深度。翼片的轴向延伸长度可以是将插入到液体金属中的搅拌装置的深度的30-70％。这意味着当翼片延伸到轴的远端111b时，翼片终止，使得在液体金属表面下方的细长轴的大约30-70％不配备翼片。因此，在浆料上实现合适的剪切力。
根据实施例，翼片112a、112b在从轴111径向向外的方向上轴向地逐渐变细。换句话说，翼片分别在轴111处具有第一轴向延伸B1并且在远离轴的其端部处具有第二轴向延伸B2，其中B2<B1。根据实施例，第一轴向延伸B1为总长度的至少15％，更优选地为至少25％，更优选地为至少35％，并且最优选地为轴的总长度L的至少40％。根据另一实施例，第二轴向延伸B2比第一轴向延伸B1小总长度L的5-30％，并且第二轴向延伸B2比第一轴向延伸B1短25-45％。翼片112a、112b在角方向即垂直于径向的方向上还具有径向延伸A和厚度C。厚度C可以小于径向延伸A的一半。每个翼片112a、112b的厚度C沿径向延伸可以相同，即，在固定到轴111的其端部处的厚度与在轴远侧的其端部处的厚度相同。厚度C可以小于细长轴111的直径D。例如，厚度C可以为直径D的50-80％。可以取决于要生产的浆料的大小来更改A、B1、B2、C、D和L的量度。
搅拌装置110以及细长装置21由具有比浆料中的金属的熔点更高的熔点的材料制成。此外，细长装置21以及搅拌装置110的材料由不与浆料中的金属反应的材料制成。该材料可以是例如耐酸不锈钢或陶瓷材料，或搅拌装置可涂覆有陶瓷材料。
根据实施例，至少两个翼片112a、112b各自沿其径向延伸具有基本相同的厚度。
根据另一实施例，至少两个翼片中的每个的厚度小于细长轴的厚度。
图3描述了用于生产半固体金属浆料的方法的实施例。该方法包括将液体形式的金属倒入206模具中，在该模具中引入细长装置，并且将该细长装置保持208在模具中，直到模具中的金属的至少一部分已经铸造到细长装置上为止。此后，将其上铸造有金属的细长装置从模具引导210到包括液体形式的金属的容器50(图1)中，并且使用例如结合图2所述的搅拌装置在容器进行搅拌212，至少直到铸造到细长装置上的金属中的大部分从细长装置落下并进入容器中为止，使得产生半固体金属浆料。
根据实施例，该方法还可以包括例如在图1中描述的烤箱10中将金属熔化202成液体形式。然后将该液体形式的金属用于填充206模具。
此外，将细长装置21引入204到模具中。根据一个实施例，在将液体金属倒入模具之前执行引入204。根据另一实施例，在将液体金属倒入模具中之后执行引入204。
根据另一实施例，在细长装置从模具引导210并进入容器中之前，用液体形式的金属填充209容器。该液体金属可以来自液体金属在其熔化202的烤箱10。
根据另一实施例，将具有产生的半固体金属浆料的容器移动214到铸造机的填充室，并且将半固体金属浆料倒入216填充室中。搅拌可以在移动214半固体金属浆料的同时进行。可以直接执行搅拌直到将半固体浆料倒入216填充室中。
尽管上面的描述包含多个特异性，但是这些不应被解释为限制本文描述的概念的范围，而仅仅是提供所描述概念的一些示例性实施例的说明。将理解的是，当前描述的概念的范围完全涵盖对于本领域技术人员而言将变得显而易见的其他实施例，而且当前描述的概念的范围因此不受限制。除非明确指出，否则以单数形式提及元件并非旨在表示“一个且只有一个”，而是“一个或多个”。在示例性附图中，虚线通常表示虚线内的特征是可选的。
