CN101391295B - 用于金属材料熔铸成型的系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于金属材料熔铸成型的系统及其方法，其中系统包括：中频电源，电气控制装置，液压启闭装置，和真空装置，还包括真空泵组、真空熔铸室和转动马达。该真空熔铸室采用无坩埚结构且具有用于电磁加热和搅拌的感应加热元件。制备铸件的方法包括在真空中对金属材料进行中频加热，用真空浇铸法对放置在真空熔铸室中的模具进行浇铸，同时在浇铸初期对金属熔液进行电磁搅拌，并使金属液在正压下冷却、结晶、凝固。采用本发明所述方法及系统可以克服需要使用坩埚再次浇铸的过程，而且在中频熔炼和真空浇铸的同时能够对金属液进行电磁搅拌和/或离心运动，以获得晶粒细小、组织致密、性能优良的铸件。
Description
技术领域
本发明总的来说涉及一种用于金属材料熔铸成型的系统及其方法，更具体地，涉及一种高熔点活泼有色金属材料熔铸成型的机电设备系统及其方法。
背景技术
真空中频熔炼已大量应用于冶金行业，常压精密铸造和离心铸造也已广泛应用于铸造行业。目前正在推广的技术有真空吸铸、消失模精密铸造以及真空感应熔炼。
真空吸铸技术。在负压下氧化夹杂少；负压作用使型内的背压降低，显著提高了铸件的充型能力；吸铸温度较重力铸造低100～150℃；金属利用率高、工艺出品率可达90％；与普通精铸工艺比较生产率高(提高85％～135％)。但其缺点如下：A、熔炉较大，一次熔化的材料很多，不节省能源；B、熔炉液面需有如大气气压来维持炉内压力使金属液上升至模腔；C、铸型需预热，导致铸件晶粒粗大，力学性能下降；D、铸件凝固时无补缩压力，铸件可能发生缩孔、缩松缺陷。
消失模精密铸造。上世纪80年代开始投入工业应用的新技术，因其在造型和浇铸过程中也使用了负压技术，所以其具有铸件尺寸精度高表面粗糙度低、机械加工量少、环境污染少、劳动生产率高等特点。它是一种公认的有发展前景的近净型加工技术和清洁生产技术。而其缺点为：A、泡沫塑料制模，且浇铸时泡沫受热汽化、燃烧消失；制模麻烦，且有一定的污染；B、要大量的石英型砂、砂箱及加砂和振动造型设备造型，设备和人工要求高、造型慢、落砂后型砂冷却慢、综合成本高；C、注金属液过程难用真空，浇铸型腔真空度低(-0.2MPa～-0.8MPa)不适用于活泼金属。
真空感应熔炼。目前现有的设备皆为金属冶炼、铸锭用，一般都用坩埚熔化并精炼完金属后，将坩埚翻转使金属液倾倒到铸锭模。它不是零件的最终成型加工。
现有的真空感应炉或真空负压铸造技术均为有坩埚结构。
真空中频冶炼技术已大量应用于冶金行业，常压精密铸造和离心铸造也已广泛用于铸造行业。在真空环境中采用中频加热进行金属冶炼不仅可以避免氧化和冶金缺陷、改善冶金组织、使零件质量提高，而且还可以使熔炼速度快、系统效率高、尺寸小、自动化程度高。但其一般都用坩埚熔化并精炼完金属后，将坩埚翻转使金属倾倒到铸锭模，不是零件的最终成型加工。采用离心浇铸技术可以提高充型能力，使铸件力学性能发生明显变化，可以制备高致密度、高稳定性材料。
发明内容
本发明是真空感应熔炼与真空负压铸造的集成，消除了以上技术的缺点并涵盖了它们的全部优点。除此之外，还融入了电磁搅拌、离心浇注和等静压冷却结晶技术使本发明能直接应用于精密、复杂零件的成型
本发明所要解决的技术问题是：提供一种金属材料熔铸成型的系统，该系统当一个真空熔铸室在装卸工件和冷却结晶时电源能继续供电于另一真空熔铸室的熔炼和浇铸；另外，不仅能够同时实现真空中频熔炼和真空浇铸，克服需要使用坩埚再次浇铸的过程，而且在中频熔炼和真空浇铸的同时能够对金属液进行电磁搅拌，以获得晶粒细小、组织致密、性能优良的铸件。此外，本发明另一个要解决的技术问题是还要提供一种金属材料熔铸成型的方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种金属材料熔铸成型的系统，包括：中频电源，通过中频电缆来与真空装置连接；电气控制装置，通过控制和/或反馈线、动力线来与所述真空装置相连；所述真空装置，进一步包括真空泵组、真空熔铸室和转动马达，其中所述真空泵组通过真空管路来与所述真空熔铸室相连，而所述真空熔铸室则通过所述转动马达和动力线来与电气控制装置连接；以及液压启闭装置，通过控制及反馈线、动力线来与所述电气控制装置相连。
作为本发明的优选结构，其中所述的真空熔铸室和转动马达各有两套，而所述中频电源采用双供电结构。
作为本发明的另一优选结构，其中所述的真空熔铸室采用无坩埚结构以及含有用于电磁加热和/或搅拌的感应加热元件。无坩埚结构既节省了材料，同时也免除污染，减少维修保养工作量。
作为本发明的再一优选结构，其中所述的电气控制装置进一步包括：PLC内置式仪器可编程逻辑控制器；以及，具备动态图形显示功能的、带故障诊断报警装置。
本发明所述的将金属材料熔铸成型的方法，包括：在真空中对金属材料进行中频加热，采用真空浇铸法对放置在真空熔铸室中的模具进行浇铸，同时在浇铸初期对金属熔液进行电磁搅拌，并使金属液在正压下冷却、结晶、凝固。
作为本发明的优选方法，其中所述的中频加热和真空浇铸方法进一步包括如下步骤：
步骤201开启真空熔铸室，向其中放入金属棒料；
步骤202关闭真空熔铸室，对真空室抽真空；
步骤203向达到一定真空度的真空熔铸室充入适度惰性气体；
步骤204开启中频电源，对金属棒料进行加热；
步骤205启动真空熔铸室中的模具旋转装置，使模具进行旋转运动；
步骤206对模具进行浇铸；
步骤207关闭模具旋转装置，使模具停止旋转运动；
步骤208停止向真空熔铸室充入惰性气体；以及
步骤209解除真空，开启真空熔铸室，取出工件。
作为本发明的另一优选方法，其中所述的惰性气体包括氩气。
作为本发明的更优选方法，其中所述的真空浇铸采用离心浇铸技术。
作为本发明的再一优选方法，其中所述的模具采用熔模。
作为本发明的进一步优选方法，其中所述的金属液冷却、结晶、凝固过程为通过加充惰性气体为适度正压并自动恒压来实现的等静压冷却、结晶、凝固。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
图1示出了根据本发明的真空中频金属材料加工设备框图；
图2是根据本发明一实施例的方法的工艺流程图；
图3是真空中频金属材料加工方法流程图；以及
图4是细化的真空中频金属材料加工步骤流程图。
具体实施方式
实现本发明的系统总体结构有四个部分(如图1所示)：中频电源，电气控制装置，液压启闭装置和真空装置(包括真空泵组、真空熔铸室及转动马达)。该系统采用双供电结构的中频电源且真空熔铸室和转动马达各有两套，使得当其中一个真空熔铸室在装卸工件和冷却结晶时该电源供电于另一真空熔铸室的熔炼和浇铸。该真空装置中的真空熔铸室则采用无坩埚结构(未图示)且包含用于产生电磁加热或搅拌的感应加热元件(如图1熔铸元件中所示的弧线)，使得充型能力更高，同时也免除污染，减少维修保养工作量。
再参见图1。中频电源，通过中频电缆来与真空装置连接；电气控制装置，通过控制和/或反馈线、动力线来与所述真空装置相连；所述真空装置，进一步包括真空泵组、真空熔铸室和转动马达，其中所述的真空泵组通过真空管路来与所述真空熔铸室相连，而所述真空熔铸室则通过所述转动马达和动力线来与电气控制装置连接；以及，液压启闭装置，通过控制及反馈线、动力线来与所述电气控制装置相连。
作为一个实施例，本发明中的系统采用了如下结构：晶体管中频电源双供电结构(一台电源供二台炉子)；真空熔铸室采用无坩埚结构(熔炼时不需坩埚)并含有电磁感应元件(如图1熔铸元件中所示的弧线)，用电磁搅拌真空离心浇铸，消除了冷隔，使初生支晶充分破碎并球化以改变结晶组织，获得晶粒细小、组织致密、性能优良的产品，提高了充型能力和铸件质量。
作为本发明的又一实施例，其中所述的电气控制装置可进一步包括：PLC内置式仪器可编程逻辑控制器；具备动态图形显示功能的、带故障诊断报警装置。
PLC(Programmable Logic Control)仪器可编程逻辑控制是PLC内置式的而带故障诊断、报警多功能装置，具备动态图形显示功能，使用中文语言、具有友好的人机界面，操作人员通过人机界面能方便地实现对该实用新型其他设备的各种操作。
本发明所处理的金属材料由于是在真空环境中直接成形，它不仅避免了氧化和冶金缺陷，而且还改善了冶金组织，使零件质量大大提高。由于采用中频加热，使熔炼速度快，设备效率高、尺寸小、自动化程度高。其熔炼速度可达2.5kg/min，达到工作真空度的时间小于1分钟，电源利用效率在90％以上，精铸合格率在90％以上。而由于采用一套设备配二套真空熔炼浇铸室轮换工作，以提高设备利用率。采用PLC控制，触摸屏操作显示；使设备可靠性和稳定性提高，劳动强度下降。
图2是根据本发明一实施例的方法的工艺流程图，其示出：金属材料中频精密熔铸技术工艺路线。从中也可看出，本发明的系统中的两熔炼室轮流交替工作。也可以采用除图2中的氩气外的其他惰性气体。
由图3可知，将金属材料熔铸成型的方法包括：在真空中对金属材料进行中频加热，采用真空浇铸法对放置在真空熔铸室中的模具进行浇铸，同时在浇铸初期对金属熔液进行电磁搅拌，并使金属液在正压下冷却、结晶、凝固这些步骤。其中从图4可更进一步理解，中频加热和真空浇铸方法包括如下步骤：
步骤201开启真空熔铸室，向其中放入金属棒料；
步骤202关闭真空熔铸室，对真空室抽真空；
步骤203向达到一定真空度的真空熔铸室充入适度惰性气体；
步骤204开启中频电源，对金属棒料进行加热；
步骤205启动真空熔铸室中的模具旋转装置，使模具进行旋转运动；
步骤206对模具进行浇铸；
步骤207关闭模具旋转装置，使模具停止旋转运动；
步骤208停止向真空熔铸室充入惰性气体；以及
步骤209解除真空，开启真空熔铸室，取出工件。
本发明可优选氩气作为惰性气体。
本发明所述真空浇铸的方法可进一步优选采用离心浇铸技术，即在电磁搅拌的同时作离心运动(在图3中的步骤103中)。
本发明所述的模具可优选采用熔模。
本发明所述的金属液冷却、结晶、凝固过程可更进一步优选采用通过加充惰性气体为适度正压并自动恒压来实现的等静压冷却、结晶、凝固过程。具体来说，它可紧跟在图4的步骤206之后。
本发明所述的金属材料可为Ti、Zr、Ni、Nb、W和Mo等高熔点活泼有色金属材料。
作为一个优选实施例，本发明设备所要求的技术性能指标如下：
熔炼重量： 2～6kg
金属棒料要求
金属棒料直径 31.5～80mm
金属棒料长度 100～350mm
熔炼
熔炼速度 2.0～2.25kg/min
熔炼状态 真空
熔炼电源
电源工作方式 一台电源供二台浇铸炉工作
浇铸方式
浇铸方式 顶注式
浇铸状态 真空、离心
模具状态 旋转
冷却及凝固
冷却及凝固状态 正压0.4～0.6MPa
真空系统要求
工作真空度可在0.01至100Pa之间。
本发明可广泛应用于形状复杂且要求精密的零件(如发动机涡轮增压器)和薄壁精密零件(如金属手机壳、手表壳)等的直接成形加工，可省去大量锻压、冲压、机械加工和热处理工序，从而节省大量能源、稀有金属材料和人力。特别适用于高熔点金属材料和活泼金属材料(如不锈钢、镍基合金、钛基合金、锆基合金和钨基合金等)的铸造成型。
贯穿上述说明书并在最便于理解实施例环境的地方描述了本发明的其它实施例。进一步来说，已描述了对其具体实施例进行参考的本发明。然而，很清楚，可能对其进行各种修改和变化而不偏离本发明的更广阔的宗旨和范围。因此，本说明书的和附图的含义将被视为示例性而不是限制性的。此外，为了描述，某些处理步骤是以特定顺序来解释的，并且可能使用了字母和字母数字标号来确定某些步骤。除非具体指明，本发明的实施例不一定拘泥于按任何特定顺序来执行这些步骤。特别地，这些标号仅仅是便于步骤识别而不意味着指定或者要求按特定顺序执行这样的步骤。
Claims (8)
1.一种用于金属材料熔铸成型的系统，其特征在于，该系统包括：
中频电源，通过中频电缆来与真空装置连接；
电气控制装置，通过控制及反馈线、动力线来与所述真空装置相连；
所述真空装置，进一步包括真空泵组、真空熔铸室和转动马达，其中所述真空泵组通过真空管路来与所述真空熔铸室相连，而所述真空熔铸室则通过所述转动马达和动力线来与电气控制装置连接；以及
液压启闭装置，通过控制及反馈线、动力线来与所述电气控制装置相连；
所述真空熔铸室和转动马达各有两套，而所述中频电源采用双供电结构；
所述真空熔铸室采用无坩埚结构且包含用于产生电磁加热和/或搅拌的感应加热元件。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电气控制装置进一步包括：PLC内置式仪器可编程逻辑控制器；以及，具备动态图形显示功能的、带故障诊断报警的装置。
3.一种用权利要求1或2中任一项所述的系统将金属材料熔铸成型的方法，其特征在于，在真空中对金属材料进行中频加热，采用真空浇铸法对放置在真空熔铸室中的模具进行浇铸，同时在浇铸初期对金属熔液进行电磁搅拌，并使金属液在正压下冷却、结晶、凝固。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的中频加热和真空浇铸方法进一步包括如下步骤：
步骤201开启真空熔铸室，向其中放入金属棒料；
步骤202关闭真空熔铸室，对真空室抽真空；
步骤203向达到一定真空度的真空熔铸室充入适度惰性气体；
步骤204开启中频电源，对金属棒料进行加热；
步骤205启动真空熔铸室中的模具旋转装置，使模具进行旋转运动；
步骤206对模具进行浇铸；
步骤207关闭模具旋转装置，使模具停止旋转运动；
步骤208停止向真空熔铸室充入惰性气体；以及
步骤209解除真空，开启真空熔铸室，取出工件。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述惰性气体包括氩气。
6.根据权利要求3至5任一项所述的方法，其特征在于，所述真空浇铸方法进一步采用离心浇铸技术。
7.根据权利要求3至5任一项所述的方法，其特征在于，所述模具采用熔模。
8.根据权利要求3至5任一项所述的方法，其特征在于，所述金属液冷却、结晶、凝固过程为通过加充惰性气体为适度正压并自动恒压来实现的等静压冷却、结晶、凝固。
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2008
- 2008-11-12 CN CN2008101721651A patent/CN101391295B/zh not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
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