CN101391298B - 铝合金或镁合金消失模铸造加压凝固装置 - Google Patents
铝合金或镁合金消失模铸造加压凝固装置 Download PDFInfo
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Abstract
一种铝合金或镁合金消失模铸造加压凝固方法及其装置，属于特种精密铸造领域。本发明方法包括紧实、抽真空、浇注、加压和卸压步骤。本发明装置的耐压砂箱为筒状容器，其底部装有排气阀，内下部或侧壁设有透气隔层；耐压砂箱盖上表面分别装有开关阀、安全阀和压力表；耐压砂箱侧面或耐压砂箱盖上装有进气管。本发明方法能显著减少镁合金消失模铸件中的缩孔、缩松等铸造缺陷，更有效的降低铝合金中的针孔，提高铸件致密度，细化了合金晶粒，改善铝合金或镁合金消失模铸件的表面质量和力学性能。本发明装置简化消失模铸造加压凝固工艺、制作成本低，操作方便，密封效果好，砂箱密封时间短、升压速度快。
Description
技术领域
本发明属于特种精密铸造领域，具体涉及一种铝合金或镁合金消失模铸造加压凝固方法及其装置。
背景技术
1958年，美国的H.F.shroyer发明了用可发性泡沫塑料模样制造金属铸件的专利技术并取得了USP2830343号美国专利。消失模铸造(又称实型铸造)是将与铸件尺寸形状相似的石蜡或泡沫模型粘结组合成模型簇，刷涂耐火涂料并烘干后，埋在干石英砂中振动造型，在负压下浇注，使模型气化，液体金属占据模型位置，凝固冷却后形成铸件的新型铸造方法。消失模铸造方法具有铸件尺寸精度高、表面粗糙度低、生产工序简单、材料消耗少等优点，目前被广泛用于铸铁、铸钢、铸铝件的工业生产；但其也存在一些缺点，如：由于铝合金消失模铸造的凝固时间长，溶解在铝液中的氢气，更容易析出形成针孔。另外，消失模铸造中金属液凝固散热慢，热梯度小，铝合金或镁合金铸件容易产生缩孔、缩松。如果能消除铝合金或镁合金消失模铸件的这些缺陷，就能够提高铸件质量，改善其机械性能，扩大铝合金或镁合金消失模铸造的应用。
研究表明，在凝固的熔融铝合金金属液上施加一定的压力，能够减少针孔，提高铸件密度，改善铸件力学性能。在1935年波契瓦尔与斯帕斯基采用了各向气体压力下结晶的方法制造了铝合金铸件，见阿.依.巴迪舍夫著、张锦升译，《金属和合金在压力下结晶》，哈尔滨工业大学出版，1987。各向气体压力下结晶的方法一般采用先浇注完，再将砂箱放入增压筒中加压，见《铸造有色合金手册》，机械工业出版社，1978。上世纪九十年代后期，在美国，Handtman和MercuryMarine公司开始在Handtman铝合金消失模铸造中应用加压凝固，将浇注完的消失模砂箱放入增压筒中加压，见叶升平、吴志超，《消失模铸造图片集》，华中科技大学出版社，2006。以上主要对铝合金进行了加压凝固方法，主要缺点是：砂箱和增压筒是两套设备，设备的投资成本高，充压的时间长，加压的速率低；浇注完后，需要一定的自动化装置，将砂箱移入或放入增压筒中，并进行密封，工艺复杂。然而，针对镁合金消失模铸造缩松比较严重，采用压力凝固来消除缩松的方法，还未见报道。
发明内容
本发明提供一种铝合金或镁合金消失模铸造加压凝固方法及其装置，目的在于简化设备数量、降低成本、简化消失模铸造加压凝固工艺、有利于操作，更有效的提高铸件质量。
本发明的一种铝合金或镁合金消失模铸造加压凝固方法，包括：
(1)紧实步骤：将散砂和泡沫模样加入耐压砂箱中，振动紧实；
(2)抽真空步骤：在耐压砂箱的散砂表面覆盖塑料薄膜密封，对耐压砂箱抽真空，真空度为—0.05MPa～—0.01MPa；
(3)浇注步骤：向耐压砂箱中泡沫模样的直浇道，浇入熔化的铝合金或镁合金金属液后，将耐压砂箱密封；
(4)加压步骤：向耐压砂箱通入压力为0.1MPa～1.2MPa的压缩气体，充气速率0.002MPa/s～0.1MPa/s、压力保持时间为0.3min～30min，金属液在气压下凝固；
(5)卸压步骤：卸去耐压砂箱内压力后，打开耐压砂箱，实施落砂，获得铝合金或镁合金铸件。
所述的铝合金或镁合金消失模铸造加压凝固方法，其特征在于：
所述加压步骤中，所通入的压缩气体为干燥空气或干燥有压Ar、N2、CO2气体中的一种；充气加压过程为加压—达到设定压力值—保持，或者加压—保持—再加压达到设定压力值—保持。
所述的铝合金或镁合金消失模铸造加压凝固方法，其特征在于：
在所述浇注步骤、加压步骤之一或两者，对耐压砂箱实施振动。
本发明的铝合金或镁合金消失模铸造加压凝固装置，包括耐压砂箱、夹紧机构、耐压砂箱盖、开关阀、压力表、安全阀、排气阀；其特征在于：
所述耐压砂箱为筒状容器，其底部装有排气阀，耐压砂箱内下部或侧壁设有透气隔层；耐压砂箱盖与耐压砂箱通过夹紧机构扣紧；耐压砂箱盖上表面分别装有开关阀、安全阀和压力表；耐压砂箱侧面或耐压砂箱盖上装有进气管。
所述的铝合金或镁合金消失模铸造加压凝固装置，其特征在于：
所述耐压砂箱底部固连有振动器。
所述的铝合金或镁合金消失模铸造加压凝固装置，其特征在于：
所述开关阀为耐压球阀；所述排气阀为耐压球阀或电磁阀；所述安全阀为具有耐压1.5MPa封闭全启式安全阀。
使用本发明装置进行铝合金或镁合金消失模铸造加压凝固时，步骤为：
(1)先将部分散砂加入耐压砂箱中作为底砂层，再将泡沫模样放入，并接着填入散砂同时振动紧实，直至填满耐压砂箱；
(2)在耐压砂箱的散砂表面覆盖塑料薄膜密封，从排气阀处抽真空后，在塑料薄膜上对应泡沫模样直浇道位置放上浇口杯；
(3)在所述耐压砂箱上，加盖耐压砂箱盖，用夹紧机构扣紧；
(4)从插入开关阀的金属液导入杯，浇入熔化的铝合金或镁合金金属液后，快速取出金属液导入杯、关闭开关阀和排气阀；
(5)从进气管通入一定压力的压缩气体，金属液在气压下凝固一定时间后，关闭进气管，打开排气阀；
(6)松开夹紧机构，移去耐压砂箱盖，实施落砂后，获得铝合金或镁合金铸件。
在浇注过程中或在压力凝固过程中，还可以通过振动器对砂箱实施振动。
本发明的方法效果明显，其主要表现在，针对镁合金采用了压力凝固方法后，其缩孔和缩松基本消失；由于砂箱密封时间短，充压速率高，使铝合金金属液刚开始凝固时就受到压力，和其他压力凝固方法相比，在较小的压力下，就可以实现减少针孔，提高密度的效果。由于本发明采用了变压力加压方法，消除了一般压力凝固表面易出现凹坑的现象，表面质量大大提高，铸件变形显著减少；由于浇注过程及加压过程中对合金液进行振动，在提高合金密度的同时，也大大细化了合金的晶粒。
本发明装置制作成本低，操作方便，耐压砂箱与耐压砂箱盖的紧固、密封由夹紧机构及密封圈完成；开关阀和金属液导入杯设置在耐压砂箱盖的顶部，具有密封效果好，密封时间短，砂箱密封时间<3s的特点；排气阀和真空阀为同一阀门，卸压的废气进入真空通道，并通过真空灌过滤净化，保证清洁环保。在消失模铸造中采用本发明实现压力凝固，操作简便、投资少、成本低。
在生产应用中，可以制作多个设备，同时浇注，实现零件批量生产，提高效益；适合各种铝合金、镁合金、铜合金等有色金属零件的消失模加压凝固，同时也能用于铸铁、铸钢等黑色金属零件的消失模铸造。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步说明。
如图1所示，本发明包括耐压砂箱(2)、夹紧机构(5)、耐压砂箱盖(7)、开关阀(9)、压力表(12)、安全阀(13)、排气阀(18)；所述耐压砂箱(2)为筒状容器，其底部装有排气阀(18)，耐压砂箱(2)内下部或侧壁设有透气隔层(17)；耐压砂箱盖(7)与耐压砂箱(2)通过夹紧机构(5)扣紧；耐压砂箱盖(7)上表面分别装有开关阀(9)、安全阀(13)和压力表(12)；耐压砂箱(2)侧面或耐压砂箱盖(7)上装有进气管(8)。
浇注时，在耐压砂箱(2)上，加盖具有密封圈(6)的耐压砂箱盖(7)，用夹紧机构(5)扣紧；金属液导入杯(10)插入开关阀(9)，浇注完成后，快速取出金属液导入杯(10)，通过操作柄(11)关闭开关阀(9)，从进气管(8)通入压缩气体，密封时间短(密封时间<5s)，操作简便，密封效果好；金属液导入杯(10)可选择不锈钢或陶瓷材料等制作；在非工作状态，夹紧机构(5)由永磁块(4)吸紧固定；卸压时，废气通过排气阀(18)进入抽真空通道，并通过真空灌过滤排泄，保证清洁环保。耐压砂箱(2)外壁上装有吊耳(16)，用于吊装整个装置。
开关阀可以为耐压1.6MPa不锈钢或铸铁耐压球阀；排气阀可以为耐压1.6MPa不锈钢耐压球阀或电磁阀；安全阀可以为具有耐压1.5MPa易熔片的安全阀。
压力表为可显示正负压力的压力表。
实施例1：铝合金铸件
将消失模零件泡沫模样(3)放入耐压砂箱(2)内，加入20-50目石英散砂(15)，同时由振动紧实台(1)振动紧实；放上浇口杯(14)；在上述耐压砂箱(2)上，加盖耐压砂箱盖(7)，紧固夹紧机构(5)；然后将ZL101铝合金熔化，经过精炼、变质后，当铝合金温度为740℃时，从开关阀(9)上预热200℃的金属液导入杯(10)中浇入砂箱中；当浇入确定的量后，快速取出金属液导入杯(10)，关闭开关阀(9)和排气阀(18)；从进气管(8)通入压力1.2MPa的压缩空气，充压速率是速率0.05MPa/s，压力保持时间在0.3min，然后关闭进气管(8)，缓慢打开排气阀(18)；卸压后松开夹紧机构(5)，移去耐压砂箱盖(7)，实施落砂后，获得铝合金铸件。通过金相分析，组织晶粒细化，针孔、缩孔和缩松基本消失，密度增加，性能提高。
实施例2：镁合金铸件
将消失模零件泡沫模样放入耐压砂箱(2)内，加入20-50目宝珠散砂，同时由振动紧实台(1)振动紧实；在散砂(15)表面覆盖塑料薄膜，抽真空，真空度为-0.05MPa，然后放上浇口杯(14)；在上述耐压砂箱(2)上，加盖耐压砂箱盖(7)，紧固夹紧机构(5)；对AZ91D镁合金，在SF6加CO2混合保护气体下进行熔化，并精炼、变质，镁合金为730℃时，从开关阀(9)上预热200℃的金属液导入杯(10)中浇入耐压砂箱中；浇入定量后，撒入一些带硫磺的干砂(防镁合金燃烧)，快速取出金属液导入杯(10)，关闭开关阀(9)和排气阀(18)；从进气管(8)通入0.1MPa的干燥氮气，充压速率0.1MPa/s，压力保持时间30min，然后关闭进气管(8)，缓慢打开排气阀(18)；卸压后松开夹紧机构(5)，移去耐压砂箱盖(7)，实施落砂后，获得AZ91D镁合金铸件。通过金相分析，镁合金铸件组织晶粒细化，枝晶大部分都发生了碎化，二次枝晶臂很少见，显微缩松明显减少，密度增加，性能提高。
实施例3：铝合金振动并变压力加压凝固
将消失模零件泡沫模样放入耐压砂箱(2)内，加入20-50目石英散砂，同时由振动紧实台(1)振动紧实；在散砂(15)表面覆盖塑料薄膜，抽真空，真空度为-0.01MPa，然后放上浇口杯(14)；在上述耐压砂箱(2)上，加盖耐压砂箱盖(7)，紧固夹紧机构(5)；对A356铝合金进行熔化，并精炼、变质，浇注前打开振动台(1)，对砂箱进行50Hz微振动，在铝合金为760℃时，从开关阀(9)上预热200℃的金属液导入杯(10)中浇入耐压砂箱；浇入一定量后，快速取出金属液导入杯(10)，关闭开关阀(9)和排气阀(18)；停止振动，从进气管(8)通入0.6MPa的干燥压缩Ar气体，充压速率在0.04MPa/s，压力保持时间在5min，然后逐步增压到1.2MPa，增加速率在0.002MPa/s，压力保持时间在15min，关闭压缩气体入口，缓慢打开排气阀(18)；卸压后松开夹紧机构(5)，移去耐压砂箱盖(7)，实施落砂后，获得A356铝合金铸件。通过金相分析，组织晶粒细化，针孔、缩孔和缩松基本消失，密度增加，铸件表面质量好，性能提高显著。
Claims (3)
1.一种铝合金或镁合金消失模铸造加压凝固装置，包括耐压砂箱(2)、夹紧机构(5)、耐压砂箱盖(7)、开关阀(9)、压力表(12)、安全阀(13)、排气阀(18)；其特征在于：
所述耐压砂箱(2)为筒状容器，其底部装有排气阀(18)，耐压砂箱(2)内下部或侧壁设有透气隔层(17)；耐压砂箱盖(7)与耐压砂箱(2)通过夹紧机构(5)扣紧；耐压砂箱盖(7)上表面分别装有开关阀(9)、安全阀(13)和压力表(12)；耐压砂箱(2)侧面或耐压砂箱盖(7)上装有进气管(8)。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述耐压砂箱底部固连有振动器。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于：
所述开关阀为耐压球阀；所述排气阀为耐压球阀或电磁阀；所述安全阀为具有耐压1.5MPa封闭全启式安全阀。
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