CN102672142B - 一种在型腔内的液态金属半固态加工精确成形系统 - Google Patents

Abstract

一种新的在型腔内的液态金属半固态加工的精确成形系统，分为设置压力仓和不设置压力仓两种不同结构的精确成形系统。该系统主要包括密封罩、浇口杯、联通器、真空泵、振动器、带压力仓（或不带压力仓）的铸型、惰性气泵。带压力仓（或不带压力仓）的金属铸型放入密封罩中，密封罩的上盖带有联通器，密封罩的底座上铺有一层砂垫，带压力仓（或不带压力仓）的铸型放在砂垫上。当密封罩抽真空并浇注完毕后，关闭联通器，同时开启惰性气泵，快速输入惰性气体并对金属液施压，同时振动器振动，实现对金属液进行半固态加工和精确成形。本发明精确成形组织致密，晶粒细小，力学性能优良，适用范围广，可适用铸铁、铸钢及各种有色金属铸件生产。

Description

一种在型腔内的液态金属半固态加工精确成形系统

技术领域

本发明属金属材料液态加工成形技术，特别是各类金属材料的高性能半固态精确成形技术。

背景技术

现代科学技术的发展，对各类高性能异形构件性能提出了越来越高的要求，例如发动机曲轴、飞机蜗轮盘、轧辊等。半固态加工技术可使金属材料的晶粒细化，获得细小、近球形、非枝晶组织，从而大大提高工件的力学性能。现代精确成形技术，可以使工件表面光洁，外形尺寸精确，从而大大降低制造成本。本发明对推动多项先进技术的复合和应用，特别是提高各类高性能异形构件的性能、降低加工成本具有重要意义。

1. 半固态加工技术

金属材料的半固态加工技术是各类高性能构件精确成形技术中的关键性技术，它直接影响各类高性能异形构件性能的质量，《半固态金属浆料制备新工艺和加工新技术》（江运喜、谢水生、李兴刚著，“锻压技术” 2003年28.6）中，公开了目前国内外半固态加工技术技术的发展，其主要方法是：

（1）新MIT工艺  “新MIT工艺”法是2000年由麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology，简称MIT）的Flemings等提出，Idraprince有限公司获得这项技术专利。其原理是合金溶体在液相线温度下，由于搅拌与冷却的共同作用，导致了溶体体积中合金晶粒的过冷形核，再迅速冷却合金溶体，就能获得较理想的半固态浆料，然后再注入型腔中成形。

（2）冷却斜槽法  冷却斜槽法的原理为：将略高于液相线温度的熔融金属倒在冷却斜槽上，由于斜槽的冷却作用，在斜槽壁上有细小的晶粒形核长大，金属流体的冲击和材料的自重作用使晶粒从斜槽壁上脱落并翻转，以达到搅拌效果。通过冷却斜槽的金属浆料落入容器，控制容器温度，即缓慢冷却，冷却到一定的半固态温度后保温，达到要求的固相体积分数，随后可进行流变成形和触变成形。

（3）双螺旋半固态金属流变注射成形法   该方法的工作原理是，熔融金属在坩埚中熔炼，达到比液相线温度高出约50℃的预定温度，将熔融金属保温15分钟，获得均匀的化学成分。当熔融金属为镁合金时，坩埚采用氩气保护。融熔金属以一定的速度进入双螺旋剪切装置，调整其温度，同时受到双螺杆的剪切作用，获得一定固相百分数的理想的半固态浆料。

（4）剪切-冷却-轧制法  该方法的工作原理是：将加热到一定温度的熔融金属经喷嘴注入辊缝上方的导向槽中，轧辊与靴形座之间留有一定的间隙，同时轧辊表面具有一定的粗糙度，轧辊内通水冷却。由于轧辊与靴形座的冷却作用，合金液发生凝固，转动的轧辊对部分凝固的合金产生剪切搅拌作用，使合金液转化为半固态浆料，并通过轧辊施加的摩擦力将半固态浆料从轧辊与靴形座间隙中拖出，通过安装在出料口的剥离器引导半固态浆料流动。可直接进行流变成形，也可制成所需尺寸的半固态坯料，然后进行触变成形。

（5）NRC工艺  NRC方法的生产工艺过程为：①将熔融金属控制在液相线温度以上几度范围内；②将熔融金属倒入隔热容器中，由于容器的冷却作用，在熔融金属内部产生大量的初生相晶粒；③在容器上下用陶瓷覆盖，防止过冷；④利用风冷将金属冷却到设定的半固态温度；⑤通过隔热容器外部的高频感应加热器调整浆料的温度，调整金属浆料的固相体积分数，形成球形浆料，满足成形需要，这个过程需要3到5分钟；⑥翻转隔热容器，将半固态浆料倒入套筒。同时，上表面的氧化层沉到套筒底部，可防止氧化层进入产品；⑦将浆料直接倒入模腔中，并成形。

（6）不同液体混合法  不同液体混合法是将两种或三种亚共晶成分的熔融金属混合，或将亚共晶和过共晶成分的熔融金属混合，将要混合的熔融金属均保持在液相线以上，熔融金属内没有晶核或者晶核很少。混合是在绝热容器中进行，或者在一个通过向绝热容器的表面涂镀石墨的静止混合槽中进行，混合槽要预热，保证熔体流过混合槽时，其温度保持在液相线温度以上。熔体在混合槽上以湍流方式流动，使其混合程度良好。两种熔体的混合导致自发的热传导（热释放），亚共晶吸收过共晶热量，混合后得到的新合金温度在液相线温度上下，含有大量的晶核，进一步热处理可以形成具有细小，球状组织的半固态浆料。

（7）近液相线铸造法 近液相线铸造法主要采用控制铸造的温度、静置时间、铸造速度及冷却强度等因素，将熔融温度在液相线温度以上或接近于液相线温度经保温静置后，并在一定的冷速下浇注，从而获得细小、近球形、非枝晶半固态组织。

以上所介绍的新工艺均为半固态流变成形技术，目前的半固态加工工艺可分为半固态流变成形和半固态触变成形二种，它们的共同特点是先在铸型外制成半固态浆料，再实施流变或触变成形工艺。流变成形工艺是将先将制备的半固态浆料直接铸轧成板带坯，触变成形工艺是将制备的半固态浆料铸造成坯锭后，再二次加热，重熔后触变成形的工艺过程。目前半固态流变技术的主要问题是在浇注前需要一个半固态降温和制浆过程，需要严格的温控设奋和一定的制浆设备，因此大大提高了制造成本和工艺的复杂度。

3，精确成形技术

现代精确成形技术有压力铸造、低压铸造、精锻和近净成形技术等，具有工件成形性好、轮廓清晰、表面光洁、铸件组织致密、力学性能优良，可以做到少加工甚至不加工，从而大大降低制造成本。与本发明相关的精确成形技术有低压铸造、差压铸造等。

低压铸造是使液体金属在压力作用下充填型腔，以形成铸件的一种方法。由于所用的压力较低，所以叫做低压铸造。其工艺过程是：在密封的坩埚（或密封罐）中，通入干燥的压缩空气，金属液在气体压力的作用下，沿升液管上升，通过浇口平稳地进入型腔，并保持坩埚内液面上的气体压力，一直到铸件完全凝固为止。然后解除液面上的气体压力，使开液管中未凝固的金属液流坩埚，再由气缸开型并推出铸件。

  差压铸造是在低压铸造的基础上，铸型外罩个密封罩，同时向坩埚和罩内通入压缩空气，但坩埚内的压力略高，使坩埚内的金属液在压力差的作用下经升液管充填铸型，并在压力下结晶。其工艺过程是将电阻保温炉和铸型全部进行密封，在密封罩内通人压力较大如500kPa的压缩空气，这时由于铸型与增锅内部的压力相等，金属液不会上升，然后金属液向上补充50kPa压力，金属液就会上升充填型腔。

发明内容

本发明的目的是设计出针对现有技术的不足提供一种新的在型腔内的液态金属半固态加工的各类高性能异形构件的精确成形系统。该系统生产的各类高性能异形构件，除具有金属材料纯净、组织致密、晶粒细化，综合性能优良的优点外，还可大大提高工件的尺寸精度，降低加工成本。

本发明总的技术方案是：建立一个在型腔内的液态金属半固态加工技术及精确成形技术组成的系统，以生产出各类高性能异形构件。

本发明分为设置压力仓和不设置压力仓两种不同结构的精确成形系统。

一、设置压力仓的系统结构包括：可调真空泵系统、振动器、检测仪表、密封罩、密封罩盖、铸型、金属液位传感器、浇口杯、联通器、压力仓、压力调节阀、惰性泵系统、通气塞、砂垫、底座；

带压力仓（10）的铸型（6）放入密封罩（4）中，密封罩（4）上的密封罩盖（5）带有联通器（9），联通器可使浇口杯（8）与铸型（6）相通或关闭，密封罩（4）的底部铺有一层砂垫（14），带压力仓（10）的铸型（6）放在砂垫上（14），密封罩（4）的底部壁上开有孔洞，通过管道与可调真空泵系统（1）联通。压力仓（10）的上部壁上开有孔洞，通过管道与惰性泵系统（12）联通，压力仓（10）的上部壁装有一个金属液位传感器（7），金属液位传感器（7）与检测仪表（3）相联，铸型（6）和密封罩（4）的底座（15）外部分别装有振动器（2）；

本系统所述密封罩可以是方形、圆形或多边形，可以是单层或多层组合，每层可为单个整体或多个组合，所有组合联接部均需保持密封，使密封罩实现真空；

本系统所述的联通器，可以安装在密封罩盖上方或密封罩盖下方；可以是手动控制或自动控制，开通与关闭，以实现浇口杯与铸型的联通；

本系统所述的铸型，可以是金属型、金属加砂型或砂型；可以是整体的或由模块组合成的；其底部设通气塞，或在顶部设置排气孔；铸型中可放置砂芯；

本系统所述的振动器，可以安装在金属型上或安装在底座下部，可以是机械式、电动式、气动式或超声波式；可以是单个或多个；

本系统所述的惰性气泵系统，可以是机械式泵体或压力罐；可以通过调节阀调节压力；

本系统所述的浇口杯，可以放在密封罩盖上，经密封罩盖上的孔洞与联通器相通，或放在联通器上与密封罩盖上的孔洞相通。

本系统工作过程的准备工作是：首先将铸型（6）（型芯）放入密封罩（4）底座的砂垫（14）上，盖上压力仓盖（10），密封罩盖（5）下部带有一个联通器（9），联通器（9）处于关闭状态。密封罩盖（5）上部放置一个浇口杯（8），浇口杯（8）的浇道可通过联通器（9）与压力仓（10）的铸型浇道连通。压力仓（10）的上部壁上联通的惰性气泵系统（12）处于关闭状态，密封罩（4）通过管道联通的真空泵系统（1）也处于关闭状态。

本系统工作过程是：首先将密封罩（4）的底部通过管道联通的真空泵系统（1）开启，对密封罩（4）和其中的铸型（6）抽真空，当密封罩（4）和其中的铸型（6）的真空度达到要求后开始向密封罩盖（5）上部放置的浇口杯（8）浇注液态金属，当浇口杯（8）注满液态金属后，打开密封罩盖（5）带有的联通器（9），使浇口杯（8）的浇道通过联通器（9）与压力仓（10）的浇道连通，金属液注入铸型（6），同时设置在铸型（6）上和底座（15）外部的振动器（2）开始振动。浇注工作直至金属液与压力仓（10）的上部上的金属液位传感器（7）接触，与传感器（7）相联的检测仪表（3）显示并发出讯号时，浇注工作停止并关闭联通器（9），同时开启惰性气泵（12）并调节压力调节阀（11），快速输入惰性气体并对金属液施压，在抽真空、惰性气体压力及振动等的多重作用下对金属液进行半固态加工和精确成形，待金属液完全凝固后，关闭真空泵系统（1）、惰性气体压力系统（12）和振动器（2），打开密封罩盖（5）和压力仓（10）和铸型（6），取出铸件，工艺过程结束。

二、不设置压力仓的系统结构包括：可调真空泵系统、振动器、密封罩、密封罩盖、铸型、浇口杯、联通器、砂垫、底座、浇柱系统、排气孔；

将铸型（6）放入密封罩（4）中，密封罩盖（5）上带有联通器（9），联通器（9）可使浇口杯（8）与铸型（6）相通或关闭，密封罩（4）的底部铺有一层砂垫（15），不带压力仓的铸型（6）放在砂垫（14）上，密封罩（4）的底部壁上开有孔洞，通过管道与真空泵系统（1）联通，铸型（6）和密封罩（4）下的底座（15）外部分别装有振动器（2），浇口杯（8）的浇道通过联通器（9）与铸型（6）和浇注系统（16）连通，顶部设置排气孔（17）。

本系统所述密封罩可以是方形、圆形或多边形，可以是单层或多层组合，每层可为单个整体或多个组合，所有组合联接部均需保持密封，使密封罩实现真空；

本系统所述的联通器，可以安装在密封罩盖上方或密封罩盖下方；可以是手动控制或自动控制，开通与关闭，以实现浇口杯与铸型的联通；

本系统所述的铸型，可以是金属型、金属加砂型或砂型；可以是整体的或由模块组合成的；铸型中可放置砂芯；

本系统所述的振动器，可以安装在金属型上或安装在底座下部，可以是机械式、电动式、气动式或超声波式；可以是单个或多个；

本系统所述的浇口杯，可以放在密封罩盖上，经密封罩盖上的孔洞与联通器相通，或放在联通器上与密封罩盖上的孔洞相通。

本发明的工作过程的准备工作是：首先将铸型（6）（型芯）放入密封罩（4）底部的砂垫上（14），盖上密封罩盖（5），密封罩盖（5）下部带有一个联通器（9），联通器（9）于关闭状态。密封罩盖（5）上部放置一个浇口杯（8），浇口杯（8）的浇道可通过联通器（9）与铸型（6）浇注系统（16）连通。密封罩（4）的底部壁上的孔通过管道联通的真空泵系统（1）也处于关闭状态。

本发明的工作过程是：首先将密封罩（4）的底部壁上的通过管道联通的真空泵系统（1）开启，对密封罩（4）内的空间并通过铸型（6）顶部的排气孔对铸型（6）抽真空，当密封罩（4）和其中的铸型（6）的真空度达到要求后开始向密封罩盖（5）上部放置的浇口杯（8）浇注液态金属，当浇口杯（8）注满液态金属后，打开密封罩盖（5）上的联通器（9），使浇口杯（8）的浇道通过联通器（9）与铸型（6）的浇注系统（16）连通，金属液通过浇注系统（16）注入铸型（6），同时设置在铸型（6）和密封罩（4）下的底座（15）外部的振动器（2）开始振动。浇注工作直至金属液浇满铸型（6），浇注工作停止并关闭联通器（9），在真空负压和振动等的多重作用下金属液逐渐凝固。待金属液完全凝固后，打开密封罩（4）和铸型（6），取出铸件，工艺过程结束。

本发明可以达到如下效果：

1、本发明可以省去给液态金属在型外进行温度控制和半固态加工制浆的工艺过程，并可省去相应的工艺装备。

2、本发明是在压力下成型，铸件尺寸精确，可大大节省加工费用。

3、本发明是在对金属液施压，在抽真空、惰性气体压力及振动等的多重作用下金属液逐渐凝固的，因此组织致密，晶粒细小，力学性能优良。

4、本发明结构简单，易实现精确定量和自动控制。

5、本发明适用范围广，可适用铸铁、铸钢及各种有色金属铸件生产。

6、本发明节能，经济效益显著。

附图说明

图1为本发明设置压力仓的精确成形系统的分解示意图。

图中1.可调真空泵系统、2.振动器、3.检测仪表、4.密封罩、5.密封罩盖、6.铸型、7.金属液位传感器、8.浇口杯、9.联通器、10.压力仓、11.压力调节阀、12.惰性泵系统、13.通气塞、14.砂垫、15.底座；

图2为本发明不设置压力仓的精确成形系统的分解示意图。

图中：1.可调真空泵系统、2.振动器、4.密封罩、5.密封罩盖、6.铸型、8.浇口杯、9.联通器、14.砂垫、15.底座、16.浇柱系统、17.排气孔。

具体实施方式

实施例1

结合附图1说明如下：

将一个带压力仓（10）的铸型（6）放入一个密封罩（4）中，密封罩（4）上的密封罩盖（5）带有一个联通器（9），联通器可使浇口杯（8）与铸型（6）相通或关闭，密封罩（4）的底部铺有一层砂垫（14），带压力仓（10）的铸型（6）放在砂垫上（14）。

特别是密封罩（4）的底部壁上开有孔洞，通过管道与真空泵系统（1）联通。压力仓（10）的上部壁上开有孔洞，通过管道与惰性泵系统（12）联通。压力仓（10）的上部壁上还装有一个金属液位传感器（7），金属液位传感器（7）与检测仪表（3）相联。铸型（6）和密封罩（4）的底座（15）外部分别装有若干个振动器（2）。

本发明工作过程的准备工作是：首先将铸型（6）（型芯）放入密封罩（4）底座的砂垫（14）上，盖上压力仓盖（10），密封罩盖（5）下部带有一个联通器（9），联通器（9）处于关闭状态。密封罩盖（5）上部放置一个浇口杯（8），浇口杯（8）的浇道可通过联通器（9）与压力仓（10）的铸型浇道连通。压力仓（10）的上部壁上联通的惰性泵系统（12）处于关闭状态，密封罩（4）通过管道联通的真空泵系统（1）也处于关闭状态。

本发明的工作过程是：首先将密封罩（4）的底部通过管道联通的真空泵系统（1）开启，对密封罩（4）内的空间并通过铸型（6）底部的通气塞对铸型（6）抽真空，当密封罩（4）和其中的铸型（6）的真空度达到要求后开始向密封罩盖（5）上部放置的浇口杯（8）浇注液态金属，当浇口杯（8）注满液态金属后，打开密封罩盖（5）带有的联通器（9），使浇口杯（8）的浇道通过联通器（9）与压力仓（10）的浇道连通，金属液注入铸型（6），同时设置在铸型（6）上和底座（15）外部的振动器（2）开始振动。浇注工作直至金属液与压力仓（10）的上部上的金属液位传感器（7）接触，与传感器（7）相联的检测仪表（3）显示并发出讯号时，浇注工作停止并关闭联通器（9），同时开启惰性气泵（12）并调节压力调节阀（11），快速输入惰性气体并对金属液施压，在抽真空、惰性气体压力及振动等的多重作用下对金属液进行半固态加工和精确成形，待金属液完全凝固后，关闭真空泵系统（1）、惰性气体压力系统（12）和振动器（2），打开密封罩盖（5）和压力仓（10）和铸型（6），取出铸件，工艺过程结束。

Claims (9)

1.一种在型腔内的液态金属半固态加工精确成形系统，其特征是：

所述系统结构包括：可调真空泵系统、振动器、检测仪表、密封罩、密封罩盖、铸型、金属液位传感器、浇口杯、联通器、压力仓、压力调节阀、惰性泵系统、通气塞、砂垫、底座；

带压力仓（10）的铸型（6）放入密封罩（4）中，密封罩（4）上的密封罩盖（5）带有联通器（9），联通器可使浇口杯（8）与铸型（6）相通或关闭，密封罩（4）的底部铺有一层砂垫（14），带压力仓（10）的铸型（6）放在砂垫上（14），密封罩（4）的底部壁上开有孔洞，通过管道与可调真空泵系统（1）联通，压力仓（10）的上部壁上开有孔洞，通过管道与惰性泵系统（12）联通，压力仓（10）的上部壁装有一个金属液位传感器（7），金属液位传感器（7）与检测仪表（3）相联，铸型（6）和密封罩（4）的底座（15）外部分别装有振动器（2）；

所述系统工作过程是：首先将密封罩（4）的底部通过管道联通的真空泵系统（1）开启，对密封罩（4）和其中的铸型（6）抽真空，当密封罩（4）和其中的铸型（6）的真空度达到要求后开始向密封罩盖（5）上部放置的浇口杯（8）浇注液态金属，当浇口杯（8）注满液态金属后，打开密封罩盖（5）带有的联通器（9），使浇口杯（8）的浇道通过联通器（9）与压力仓（10）的浇道连通，金属液注入铸型（6），同时设置在铸型（6）上和底座（15）外部的振动器（2）开始振动,浇注工作直至金属液与压力仓（10）的上部上的金属液位传感器（7）接触，与传感器（7）相联的检测仪表（3）显示并发出讯号时，浇注工作停止并关闭联通器（9），同时开启惰性气泵（12）并调节压力调节阀（11），快速输入惰性气体并对金属液施压，在抽真空、惰性气体压力及振动等的多重作用下对金属液进行半固态加工和精确成形，待金属液完全凝固后，关闭真空泵系统（1）、惰性气体压力系统（12）和振动器（2），打开密封罩盖（5）和压力仓（10）和铸型（6），取出铸件，工艺过程结束。

2.根据权利要求1所述一种在型腔内的液态金属半固态加工精确成形系统，其特征是：所述密封罩是方形、圆形或多边形。

3.根据权利要求1所述一种在型腔内的液态金属半固态加工精确成形系统，其特征是：所述密封罩是单层或多层组合，每层为单个整体或多个组合，所有组合联接部均需保持密封，使密封罩实现真空。

4.根据权利要求1所述一种在型腔内的液态金属半固态加工精确成形系统，其特征是：所述的联通器，安装在密封罩盖上方或密封罩盖下方。

5.根据权利要求1所述一种在型腔内的液态金属半固态加工精确成形系统，其特征是：所述的联通器是手动控制或自动控制。

6.根据权利要求1所述一种在型腔内的液态金属半固态加工精确成形系统，其特征是：所述 的铸型，是金属型、金属加砂型或砂型。

7.根据权利要求1所述一种在型腔内的液态金属半固态加工精确成形系统，其特征是：所述的铸型是整体的或由模块组合成的；铸型中放置砂芯。

8.根据权利要求1所述一种在型腔内的液态金属半固态加工精确成形系统，其特征是：所述的振动器是单个或多个机械式、电动式、气动式或超声波式，安装在金属型上或安装在底座下部。

9.根据权利要求1所述一种在型腔内的液态金属半固态加工精确成形系统，其特征是：所述的浇口杯是放在密封罩盖上，经密封罩盖上的孔洞与联通器相通，或放在联通器上与密封罩盖上的孔洞相通。 

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