CN102601342B - 一种可制备异型金属基多孔复合材料的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用来制备异型金属基多孔复合材料的装置，由熔体制备系统、加压系统、导流部件、铸造系统与抽真空系统构成，导流部件连通熔体制备系统与铸造系统。熔体制备系统中的熔炼坩埚与加压系统直接连通，铸造系统中的铸造室与抽真空系统相连。通过抽真空使铸造室形成负压后，熔炼坩埚中的金属熔体经导流部件进入填充有造孔粒子的铸造室模具中；在铸造室模具中熔体达到预设高度后，使铸造室模具中熔体在铸造室负压与熔炼坩埚正压的双重作用下冷凝。本发明不仅可以制备出复杂的异型多孔金属构件，而且可有效减少常规铸造法常见的渗流不足、渗流过度等缺陷、以及铸件内部结晶疏松等缺陷的出现。
Description
技术领域
本发明涉及一种制备基本无铸造缺陷的异型金属基多孔复合材料的装置。
背景技术
金属基多孔材料是一类内部存在大量气泡、且气泡分布在连续金属相中形成孔隙结构的复合材料，它将连续相铝的金属特点和分散相气孔的孔隙特性有机地结合在一体，使得其具有了密度轻、能量吸收性能良好、独特的声学与热学性能以及优异电磁屏蔽等特点，也使得其在建筑、轨道交通、机械制造与航空航天等领域有着巨大的应用潜力。
自1948年Soknics. B等在熔融金属中加入汞、并获得带有孔洞的金属材料开始，人们开发出了多种多孔金属的制备方法，这些制备方法主要包括真空渗流铸造法、熔体发泡法以及粉末冶金法等。在这些制备方法中，真空渗流法由于操作简单以及可制备出孔结构可控的多孔金属产品而得到广泛研究。但现行渗流铸造法存在以下不足：（1）难于精确控制生产，容易产生如渗流不足、渗流过度等缺陷，造成大量的金属原料浪费；（2）操作难度大。如真空渗流时，抽真空的时间一般为几秒到十几秒，很难准确的控制；在将金属液倒入模具中时，填料粒子受到冲击，容易形成凹陷，影响产品的形貌；渗流结束的时间不好确定。（3）难制备出大尺寸的渗流制品；（4）通常为间歇式生产。为了避免现有渗流法的铸造缺陷，本发明申报人曾经申报了一个专利（名称：一种渗流铸造法制备泡沫金属的渗流装置，专利号：ZL200710034420.1），该专利可有效避免传统渗流方法存在的大部分缺陷，特别是可有效避免渗流不足与渗流过度等缺陷的出现，同时，还可用来制备大尺寸的渗流制品；但是，该专利用来制备形状复杂的异型构件（如发动机外壳）、特别是用来制备薄壁构件（如汽车车门）时，存在构件强度不够以及异型构件的有些复杂部位金属熔体难以完全填充等问题，分析后发现，铸件内部存在氧化夹渣、且铸件结晶疏松以及金属液体凝固中容易出现缩孔是导致这些问题出现的根本原因。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种可有效消除常规渗流方法所固有的渗流不足、渗流过度或制备过程难以控制等缺陷，还可有效减少铸件中的夹渣、并使铸件结晶致密，从而得到机械性能优良的金属基多孔复合材料的可制备异型金属基多孔复合材料的装置。
为了解决上述技术问题，本发明提供的可制备异型金属基多孔复合材料的装置，包括熔体制备系统、加压系统、导流部件、用来制备异型金属基多孔复合材料的模具、铸造系统与抽真空系统构成，下部的熔体制备系统与上部的铸造系统由所述的导流部件连通，所述的铸造系统包括铸造保温炉与铸造室, 所述的铸造室的空间由铸造室筒体与铸造室密封盖板围成，所述的铸造室筒体与所述的铸造室密封盖板之间放置有密封垫且通过螺栓紧固，所述的铸造室密封盖板上装有铸造室惰性气体入口阀、排气口阀门以及用来连通所述的铸造室与外加抽真空系统的真空阀；用来制备异型金属基多孔复合材料的模具放置于所述的铸造室中，所述的模具的上部盖有带透气孔的模具盖板；所述的模具底部与所述的铸造室筒体底部之间放置有密封垫，通过所述的铸造室密封盖板压缩放置于所述的模具盖板上的弹簧来实现所述的模具底部与所述的铸造室筒体底部之间的密封。
所述的熔体制备系统包括熔炼炉与熔炼坩埚，所述的熔炼坩埚上部焊接有加压管与泄压管，所述的泄压管上装有阀门；所述的熔炼坩埚与所述的熔炼炉上开有一个可密封的投料口；所述的熔炼坩埚上口盖有一中间带孔洞的熔炼坩埚密封盖板，所述的熔炼坩埚密封盖板与熔炼坩埚外沿通过密封垫、用螺栓紧固密封。
所述的加压系统包括压力储气罐、可调压的充气阀以及压力表；压力储气罐通过加压管与熔炼坩埚连通，可调压的充气阀与压力表安装在压力储气罐与熔炼坩埚连通的加压管上。
所述的导流部件呈漏斗形，设置于所述的熔炼坩埚与所述的铸造室之间，所述的导流部件下部通过熔炼坩埚密封盖板上的孔洞伸入到熔炼坩埚中，上部与铸造室筒体下沿、熔炼坩埚密封盖板密封在一起。
导流部件上部与铸造室筒体下沿、熔炼坩埚密封盖板之间的密封，通过密封垫与密封垫用螺栓紧固实现。
装置所含有的熔炼坩埚、熔炼坩埚盖板、铸造室筒体、铸造室密封盖板、模具盖板的材质均为耐热不锈钢或45#钢，模具的材质为铸钢或铸铁。
所述的用来密封的密封垫的材质均为石墨纸或内衬铁皮的柔性石墨复合板中的任何一种。
可用本发明装置制造泡沫金属的材质为熔点低于1000℃的金属。
本发明的优点与积极效果：
（1）通过调节铸造室的真空度来控制熔体进入模具的速度与高度，不仅可避免过渗流以及渗流不足等现象的出现；同时还可保证熔体均匀地充填在渗流粒子的间隙当中，从而可得到造孔粒子分布均匀的铸件，也非常有益于制备复杂形状、且薄壁的多孔金属构件；
（2）通过在熔体制备系统的投料口注入由其他熔化设备熔制的合格熔体，以及多准备几个供更换的模具，可实现工艺的半连续化，从而可达到提高生产效率的目的；
（3）通过调整铸造室与铸造模具的有效空间尺寸，可在本设备上制备出不同尺寸产品，所制备产品既包括了大规格的，也包括了异型与薄壁的；
（4）在惰性气体保护下的熔体熔制，以及真空负压下的升液（即在负压作用下使熔体从下往上运行），可有效降低氧化夹渣在熔体中的出现，这对提高铸件的机械性能非常有利；
（5）模具中熔体在铸造室负压与熔炼室正压共同作用下的凝固方式，可有效避免结晶疏松以及缩孔等铸造缺陷的出现，也使得该材料的力学性能优良。
附图说明
图1 本发明装置示意图。
图2 实施例1制备夹芯板的本发明装置示意图。
图3 实施例1所得铸件的示意图。
图4 实施例1用本发明装置所制备夹芯材料的横断面照片。
图5 实施例2用本发明装置制备通孔泡沫铝的示意图。
图6 实施例2用本发明装置所制备通孔泡沫铅的第一照片。
图7 实施例2用本发明装置所制备通孔泡沫铅的第二照片。
图8 实施例3制备三明治拱门门框的本发明装置示意图。
图9 实施例3所用拱门门框示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细说明，但决不是用来限制本发明的范围。
参见图1，一种可制备异型金属基多孔复合材料的装置，包括熔体制备系统、加压系统、导流部件X11、铸造系统与抽真空系统构成，下部的熔体制备系统与上部的铸造系统由导流部件X11连通，铸造系统包括铸造保温炉S08与铸造室S09,铸造室S09的空间由铸造室筒体S07与铸造室密封盖板S04围成，铸造室筒体S07与铸造室密封盖板S04之间放置有密封垫S06且通过螺栓S05紧固，铸造室密封盖板S04上装有铸造室惰性气体入口阀S01、排气口阀门S03以及用来连通铸造室S09与外加抽真空系统的真空阀S02；用来制备异型金属基多孔复合材料的模具S11放置于铸造室S09中，模具S11的上部盖有带透气孔S16的模具盖板S15；模具S11底部与铸造室筒体S07底部之间放置有密封垫S17，通过铸造室密封盖板S04压缩放置于模具盖板S15上的弹簧S14来实现模具S11底部与铸造室筒体S07底部之间的密封。熔体制备系统包括熔炼炉X13与熔炼坩埚X12，熔炼坩埚X12上部焊接有加压管P01与泄压管P02，泄压管P02上装有阀门X04；熔炼坩埚X12与熔炼炉X13上开有一个可密封的投料口X06；熔炼坩埚X12上口盖有一中间带孔洞X03的熔炼坩埚密封盖板X01，熔炼坩埚密封盖板X01与熔炼坩埚外沿通过密封垫X02、用螺栓X07紧固密封。加压系统包括压力储气罐X10、可调压的充气阀X09以及压力表X08；压力储气罐X10通过加压管P01与熔炼坩埚X12连通，可调压的充气阀X09与压力表X08安装在压力储气罐X10与熔炼坩埚X12连通的加压管上。导流部件X11呈漏斗形，设置于熔炼坩埚X12与铸造室S09之间，导流部件X11下部通过熔炼坩埚密封盖板X01上的孔洞X03伸入到熔炼坩埚X12中，上部与铸造室筒体S07下沿、熔炼坩埚密封盖板X01密封在一起。导流部件X11上部与铸造室筒体S07下沿、熔炼坩埚密封盖板X01之间的密封，通过密封垫S20与密封垫S21用螺栓S19紧固实现。装置所含有的熔炼坩埚X12、熔炼坩埚密封盖板X01、铸造室筒体S07、铸造室密封盖板S04、模具盖板S15的材质均为耐热不锈钢或45#钢，模具的材质为铸钢或铸铁。用来密封的密封垫的材质均为石墨纸或内衬铁皮的柔性石墨复合板中的任何一种。
下面结合附图和实施例对本发明的使用进行说明。
实施例1：
用本发明装置制备三明治结构夹芯板。
本实施例所述三明治结构夹芯板，指的是面板材料为1.26mm厚度的LY12板，芯材为铝/氧化铝空心球复合材料，所采用氧化铝空心球的粒径为1.6-2.0mm，用6063铝合金作为芯材中的铝。附图2为本实施例制备材料的设备示意图。本实施例的具体实施包括如下步骤：
(1) 将铝面板S12表面用粗砂纸打磨去掉氧化皮，并用粗钢丝轮打磨出深度0.1～0.3mm的不规则纹路；
(2) 将模具S11吊入铸造室S09中，模具底部与铸造室之间放置有石墨纸密封垫S17；将一块透气隔板S13放置于模具S11的底部；
(3) 将表面粗糙化处理的铝面板S12固定在模具S11中，并同时将氧化铝空心球S10装填到铝板之间的间隔中；
(4) 在模具上面盖上带出气孔S16的模具盖板S15，然后在模具盖板S15上放置几根弹簧S14，再将铸造室密封盖板S04通过螺栓S05与铸造室筒体S07紧密连接，铸造室密封盖板S04与铸造室筒体S07之间的密封通过石墨纸密封垫S06实现密封。
(5) 当铝锭从带密封的给料口X06装入熔炼坩埚X12后，关闭给料口X06、充气阀X09、泄压阀X04以及铸造室密封盖板S04上的排气口阀门S03与惰性气体入口阀门S01；然后，通过真空阀S02对体系抽真空，在真空度达到-0.2MPa以下后，关闭真空阀S02、停止抽真空；最后打开惰性气体入口阀门S01给体系充入惰性气体，在体系达到正压后，打开排气口阀门S03使体系一直在惰性气体保护下，所述惰性气体为氮气或氩气中的任何一种。
(6) 启动熔炼炉X13与铸造保温炉S08的电源，使熔炼坩埚X12内铝熔化并保温在760-800℃，同时还使模具S11中温度保温在620-660℃；然后，关闭惰性气体入口阀门S01与排气口阀门S03，同时打开阀门X04，打开与抽真空系统相连的阀门S02开始对系统抽真空；此时熔炼坩埚X12中熔体会在负压下经导流管X11自下而上进入模具中；
(7) 当模具中熔体液面上升到浸没所有氧化铝颗粒后，关闭阀门S02，并断掉铸造保温炉S08的电源；同时，关闭阀门X04、并打开阀门X09，使压力表X08的压力维持在0.045MPa；
(8) 当热电偶S18温度显示降到650-660℃后，关闭阀门X09，同时打开阀门X04，使导流管X11中熔体在重力作用下流入熔炼坩埚。
(9) 移开铸造室密封盖板S04，吊出模具S11，冷却后取出铸件，图3为铸件示意图。
(10) 沿图3中所示a-a, b-b, c-c切开，即得到图4所示夹芯材料，显然，面板与芯材之间实现了冶金结合。
实施例2：
用本发明装置制备通孔泡沫铅材料。
本实施所用造孔材料为粒径1.6-2.0mm的KCl粒子，用Pb-Ag(0.8%)合金作为基体金属。附图5为本实施例制备材料的设备示意图。本实施例的具体实施包括如下步骤：
(1) 将模具S11吊入铸造室S09中，模具底部与铸造室之间放置有石墨纸密封垫S17；将一块透气隔板S13放置于模具S11的底部；然后将KCl粒子S10装填到模具S11中；
(2) 在模具上面盖上带出气孔S16的模具盖板S15，然后在模具盖板S15上放置几根弹簧S14，再将铸造室密封盖板S04通过螺栓S05与铸造室筒体S07紧密连接，铸造室密封盖板S04与铸造室筒体S07之间的密封通过石墨纸密封垫S06实现密封。
(3) 当铅锭从带密封的给料口X06装入熔炼坩埚X12后，关闭给料口X06、充气阀X09、泄压阀X04以及铸造室密封盖板S04上的排气口阀门S03与惰性气体入口阀门S01；然后，通过真空阀S02对体系抽真空，在真空度达到-0.2MPa以下后，关闭真空阀S02、停止抽真空；最后打开惰性气体入口阀门S01给体系充入惰性气体，在体系达到正压后，打开排气口阀门S03使体系一直在惰性气体保护下，所述惰性气体为氮气或氩气中的任何一种。
(4) 启动熔炼炉X13与铸造保温炉S08的电源，使熔炼坩埚X12内铅熔化并保温在420-430℃，同时还使模具S11中温度保温在280-300℃；然后，关闭惰性气体入口阀门S01与排气口阀门S03，同时打开阀门X04，打开与抽真空系统相连的阀门S02开始对系统抽真空；此时熔炼坩埚X12中熔体会在负压下经导流管X11自下而上进入模具中；
(5) 当模具中熔体液面上升到浸没所有造孔粒子后，关闭阀门S02，并断掉铸造保温炉S08的电源；同时，关闭阀门X04、并打开阀门X09，使压力表X08的压力维持在0.045MPa；
(6) 当热电偶S18温度显示降到280℃后，关闭阀门X09，同时打开阀门X04，使导流管X11中熔体在重力作用下流入熔炼坩埚。
(7) 移开铸造室密封盖板S04，吊出模具S11，冷却后取出铸件，图6和图7为铸件与其横截面的照片。
实施例3：
用本发明装置制备三明治结构拱门门框。
本实施例所述三明治拱门门框，其表面材料为0.5mm厚度的304不锈钢，芯材为铝/氧化铝空心球复合材料，所采用氧化铝空心球的粒径为1.6-2.0mm，用6063铝合金作为芯材中的铝。图8为本实施例制备材料的设备示意图。本实施例的具体实施包括如下步骤：
(1) 用不锈钢板焊接一个空心拱门门框（见图9），该门框上部有一个装料口M01，门框柱底部封有带孔底板M03，底板M03上小孔的孔径为1-1.5mm；两个门框柱之间用耐火材料M02封住。氧化铝空心球从装料口M01装进门框空腔内，灌装氧化铝空心球时，需要不断震荡来使氧化铝空心球在门框空腔内密实。
(2) 将模具S11吊入铸造室S09中，模具底部与铸造室之间放置有石墨纸密封垫S17；将一块透气隔板S13放置于模具S11的底部；然后，将将第1步所制备门框吊入模具中,门框柱的外侧与透气隔板S13之间封有耐火泥N01。
后面的步骤与实施例1的(4)～(9)相同。
最后，吊出铸件，取出门框柱之间的耐火材料M02，将装料口M01焊合，将门框柱底部磨平，即得到三明治结构拱门门框。该门框具有质轻、降噪等效果。
Claims (6)
1.一种可制备异型金属基多孔复合材料的装置，包括熔体制备系统、加压系统、导流部件(X11)、用来制备异型金属基多孔复合材料的模具、铸造系统与抽真空系统，下部的熔体制备系统与上部的铸造系统由所述的导流部件(X11)连通，其特征在于：所述的铸造系统包括铸造保温炉(S08)与铸造室(S09), 所述的铸造室(S09)的空间由铸造室筒体(S07)与铸造室密封盖板(S04)围成，所述的铸造室筒体(S07)与所述的铸造室密封盖板(S04)之间放置有密封垫(S06)且通过螺栓(S05)紧固，所述的铸造室密封盖板(S04)上装有铸造室惰性气体入口阀(S01)、排气口阀门(S03)以及用来连通所述的铸造室(S09)与外加抽真空系统的真空阀(S02)；用来制备异型金属基多孔复合材料的模具(S11)放置于所述的铸造室(S09)中，所述的模具(S11)的上部盖有带透气孔(S16)的模具盖板(S15)；所述的模具(S11)底部与所述的铸造室筒体(S07)底部之间放置有密封垫(S17)，通过所述的铸造室密封盖板(S04)压缩放置于所述的模具盖板(S15)上的弹簧(S14)来实现所述的模具(S11)底部与所述的铸造室筒体(S07)底部之间的密封；所述的熔体制备系统包括熔炼炉(X13)与熔炼坩埚(X12)，所述的熔炼坩埚(X12)上部焊接有加压管(P01)与泄压管(P02)，所述的泄压管(P02)上装有阀门(X04)；所述的熔炼坩埚(X12)与所述的熔炼炉(X13)上开有一个可密封的投料口(X06)；所述的熔炼坩埚(X12)上口盖有一中间带孔洞(X03)的熔炼坩埚密封盖板(X01)，所述的熔炼坩埚密封盖板(X01)与熔炼坩埚外沿通过密封垫(X02)、用螺栓(X07)紧固密封。
2.根据权利要求1所述的可制备异型金属基多孔复合材料的装置，其特征在于：所述的加压系统包括压力储气罐(X10)、可调压的充气阀(X09)以及压力表(X08)；压力储气罐(X10)通过加压管(P01)与熔炼坩埚(X12)连通，可调压的充气阀(X09)与压力表(X08)安装在压力储气罐与熔炼坩埚连通的加压管上。
3.根据权利要求1或2所述的可制备异型金属基多孔复合材料的装置，其特征在于：所述的导流部件(X11)呈漏斗形，设置于所述的熔炼坩埚(X12)与所述的铸造室(S09)之间，所述的导流部件(X11)下部通过熔炼坩埚密封盖板(X01)上的孔洞(X03)伸入到熔炼坩埚中，上部与铸造室筒体(S07)下沿、熔炼坩埚密封盖板(X01)密封在一起。
4.根据权利要求3所述的可制备异型金属基多孔复合材料的装置，其特征在于：导流部件(X11)上部与铸造室筒体(S07)下沿、熔炼坩埚密封盖板(X01 )之间的密封，通过密封垫(S20)与密封垫(S21)用螺栓(S19)紧固实现。
5.根据权利要求1或2所述的可制备异型金属基多孔复合材料的装置，其特征在于：装置所含有的熔炼坩埚、熔炼坩埚盖板、铸造室筒体、铸造室密封盖板、模具盖板的材质均为耐热不锈钢或45#钢，模具的材质为铸钢或铸铁。
6.根据权利要求1或2所述的可制备异型金属基多孔复合材料的装置，其特征在于：所述的用来密封的密封垫的材质均为石墨纸或内衬铁皮的柔性石墨复合板中的任何一种。
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