CN102974802B - 挤压式铸造装置及采用该装置生产铸件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种挤压式铸造装置及采用该装置生产铸件的方法，可生产出组织致密、厚度均匀、表面光滑、不需要焊接修补喷丸处理和化学腐蚀的高质量的筒状铸件。该装置包括熔炼炉、内模、外模座、容器，容器上的取物口通过与容器可拆卸连接的盖体密封，容器上设置有惰性气体输入接口；容器内设置有金属液接收工位和挤压成型工位，熔炼炉的出口朝向导管，导管下端位于容器内的金属液接收工位；外模座位于容器内并与外模座驱动装置相连，外模座上设置有外模座控温装置；内模设置在容器内的挤压成型工位，内模与内模驱动装置相连，当内模位于外模座的内腔时，内模的外壁与外模座的内壁之间的间隙形成挤压成型腔，内模上设置有内模冷却装置。

Description

挤压式铸造装置及采用该装置生产铸件的方法

技术领域

本发明涉及冶金铸造领域中的一种挤压式铸造装置，还涉及一种采用该装置生产铸件的方法。

背景技术

由于钛及钛合金具有密度低、比强度高、耐腐蚀、线膨胀系数小、生物相溶性好等优异性能，在航空、航天、远洋运输、化工、冶金、医疗卫生等行业中都是不可缺少的结构材料，因此其用量和应用自上个世纪末每年以20%的速度递增。在钛及钛合金的成型方面，早已废弃变形件的制作工艺，一是熔炼工艺和设备的更新和升级，二是造型工艺和其专用的造型材料的探索与研究。目前国内外对于钛及钛合金的成型基本定位在使用熔模精密铸造工艺，即通过蜡模制作与组装、离心浇注等流程实现熔模精密铸造。热等静压技术的出现，使该工艺产品的铸态组织缺陷得以消除和改善，但是工艺本身的缺陷给铸件带来的问题仍然有：①铸件成型后需要焊接修补；②经过热等静压后仍需喷丸处理、化学腐蚀等消除浇注缺陷；③因材料熔点高、浇注时间短，铸件的浇注温度不易精确、稳定地控制；④对中、薄壁铸件的壁厚不能精确、均匀地控制。未来钛及钛合金的应用更广阔的前景将是与航空航天有关的领域，该领域的主要机体材料要求轻量化、高压力比、高温化，材料的最高使用温度可达1800℃，在如此高温下承载巨大复杂的负荷，对成型后的材料尽量要求避免焊接修补或不允许焊补，同时对材料的纯度要求高，材料成型过程产生的各种缺陷必须降低到一定限度或消除。

热挤压成型技术在铸件生产领域已经应用。由于热挤压成型技术一般只适合生产结构简单的铸件，钛或钛合金铸件包括一些筒状的结构简单的铸件，上述筒状铸件一端开口，一端封闭，由侧壁和底板围成一个空腔。钛或钛合金铸件也包括一些结构十分复杂的铸件。本领域技术人员为了可通过一套工艺既可以生产出结构简单的铸件也可生产出结构复杂的铸件，所以没有考虑应用热挤压成型技术生产钛或钛合金铸件。而熔模精密铸造工艺可生产出结构复杂的铸件，所以本领域技术人员在生产钛或钛合金铸件时，只会考虑熔模精密铸造工艺。所以至今没有一套成熟可行的适于钛或钛合金铸件生产的热挤压成型工艺。按照现有的热挤压成型技术还不能生产出符合相关标准的合格的钛或钛合金铸件。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种可生产出组织致密且厚度均匀的筒状铸件的挤压式铸造装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：挤压式铸造装置，包括熔炼炉、内模和外模座，还包括设置在熔炼炉下方的容器，所述容器上设置有取物口，取物口通过与容器可拆卸连接的盖体密封，容器上还设置有惰性气体输入接口；容器内设置有金属液接收工位和挤压成型工位，所述熔炼炉的出口下方设置有导管，导管下端位于容器内的金属液接收工位；所述外模座位于容器内，外模座与外模座驱动装置相连，外模座驱动装置驱动外模座在金属液接收工位和挤压成型工位间移动,外模座上设置有外模座控温装置；所述内模设置在容器内的挤压成型工位，内模与内模驱动装置相连，内模驱动装置驱动内模沿竖直方向移动，当内模位于外模座的内腔时，内模的外壁与外模座的内壁之间的间隙形成挤压成型腔，内模上设置有内模冷却装置。通过上述装置，可克服熔模精密铸造工艺的缺陷。可生产出组织致密、厚度均匀、表面光滑、不需要焊接修补喷丸处理和化学腐蚀的筒状铸件。

进一步的是：所述外模座控温装置包括金属液温度检测装置以及用于对外模座内部承载的金属液加热的电磁感应加热装置，金属液温度检测装置与电磁感应加热装置相连，还包括用于对外模座进行冷却的外模座水冷装置。

进一步的是：所述内模冷却装置包括内模水冷装置。

进一步的是：所述导管的顶端设置有喇叭形接液口，喇叭形接液口的大端朝向熔炼炉的出口。

进一步的是：所述导管内壁设置有导管内壁耐火材料层，所述外模座的内壁设置有外模座内壁耐火材料层。

进一步的是：所述熔炼炉为冷坩埚熔炼炉。

进一步的是：所述外模座驱动装置包括小车，外模座设置在小车上，小车设置在导轨上并与用于驱动小车沿导轨移动的小车驱动机构相连。

进一步的是：所述挤压成型工位设置有内模导向装置和外模座定位装置。

进一步的是：所述容器或盖体上设置有用于观测容器内部的观察窗。

本发明还提供了一种采用上述挤压式铸造装置生产铸件的方法，该方法具体是：

A、向容器内输入惰性气体，通过外模座驱动装置将外模座移动至金属液接收工位；

B、将熔炼炉内的金属液通过导管导入外模座的内腔，通过外模座控温装置使金属液的温度保持在预定挤压成型温度；

C、通过外模座驱动装置将外模座移动至挤压成型工位，通过内模驱动装置驱动内模向下移动并逐渐进入外模座的内腔，内模下移过程中，内模冷却装置处于开启状态，通过内模和外模座共同对金属液进行内冷外热的定向挤压成型最终形成铸件。

本发明的有益效果是：这种外热内冷式挤压成型工艺可克服熔模精密铸造工艺的缺陷。可生产出组织致密、厚度均匀、表面光滑、不需要焊接修补喷丸处理和化学腐蚀的高质量的筒状铸件。

附图说明

图1为本发明的挤压式铸造装置的示意图；

图中标记为：熔炼炉1，内模驱动装置2，进水管3，观察窗4，盖体5，出水管6，内模7，容器11，水管13，电缆12，外模座驱动装置14，外模座15，导管16，惰性气体输入接口17，金属液接收工位18，挤压成型工位19。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明的挤压式铸造装置，包括熔炼炉1、内模7和外模座15，还包括设置在熔炼炉1下方的容器11，所述容器11上设置有取物口，取物口通过与容器可拆卸连接的盖体5密封，容器11上还设置有惰性气体输入接口17；容器11内设置有金属液接收工位18和挤压成型工位19，所述熔炼炉1的出口下方设置有导管16，导管下端位于容器11内的金属液接收工位18；所述外模座15位于容器内，外模座15与外模座驱动装置14相连，外模座驱动装置14驱动外模座15在金属液接收工位18和挤压成型工位19间移动,外模座15上设置有外模座控温装置；所述内模7设置在容器内的挤压成型工位19，内模7与内模驱动装置2相连，内模驱动装置2驱动内模沿竖直方向移动，当内模2位于外模座15的内腔时，内模2的外壁与外模座15的内壁之间的间隙形成挤压成型腔，内模上设置有内模冷却装置。

使用时，A、向容器内输入惰性气体，通过外模座驱动装置将外模座移动至金属液接收工位；B、将熔炼炉内的金属液通过导管导入外模座的内腔，通过外模座控温装置使金属液的温度保持在预定挤压成型温度；C、通过外模座驱动装置将外模座移动至挤压成型工位，通过内模驱动装置驱动内模向下移动并逐渐进入外模座的内腔，内模下移过程中，内模冷却装置处于开启状态，通过内模和外模座共同对金属液进行内冷外热式的定向挤压成型最终形成铸件。此外，为了减少温降对金属液带来的不利影响，上述步骤B中，可先将导管和外模座加热，使导管和外模座的温度与金属液的温度基本相同，然后再将熔炼炉内的金属液通过导管导入外模座的内腔，这样可有效减少温降对金属液带来的不利影响，也有利于后序的挤压成型工艺形成性能良好的筒状铸件。通过惰性气体保护，可避免金属液发生氧化，上述惰性气体可为氮气或氩气等惰性气体。在金属液接收工位，通过外模座设置的外模座控温装置可确保金属液在挤压成型时所需要的过热度，以保证金属液在冷凝过程有良好的流动性进行补缩，在成型过程不产生欠补缩孔的铸造缺陷。通过内模向外模座以机械运动方式自上而下的挤压，迫使金属液克服重力自下而上充填内模和外模座之间的型腔，一方面金属液在上升和冷凝同时进行有利于结晶时金属液的补缩，另一方面由于挤压的进行产生了金属液向模壁施加压力的反作用力，有利于结晶组织致密。通过内模冷却、外模座加热保温的“外热内冷”，使金属液的冷凝过程在一定的温度梯度下进行，人为的冷凝顺序确保了金属液冷凝结晶状态，实现结晶均匀、有序，有效地消除了冷凝的热应力，避免了金属件裂纹缺陷的产生。

上述外模座控温装置的实施方式有多种，例如可为电阻加热方式，可为电阻加热和水冷配合方式，可为电磁感应加热方式等等。优选方式为：所述外模座控温装置包括金属液温度检测装置以及用于对外模座内部承载的金属液加热的电磁感应加热装置，金属液温度检测装置与电磁感应加热装置相连，还包括用于对外模座进行冷却的外模座水冷装置。上述结构使得外模座形成一个电磁感应加热炉，通过金属液温度检测装置测定的金属液温度可确定是否需要对金属液加热，通过电磁感应加热装置和外模座水冷装置可对金属液进行加热和保温，使金属液维持在合适的挤压成型所需温度。上述外模座水冷装置设置时，优选方式是将冷却水管缠绕在外模座的外壁上，如图1所示，这样的控温效果更加准确均匀。与电磁感应加热装置相连的电缆12可穿过容器11与容器11外部的电源相连。与外模座水冷装置相连的水管13也可穿过容器11与容器11外部的循环冷却水系统相连。

在上述基础上，为了保证金属液具有较高的纯度，所述导管内壁设置有导管内壁耐火材料层，所述外模座的内壁设置有外模座内壁耐火材料层。上述导管内壁耐火材料层和外模座内壁耐火材料层可采用经稳定化处理的锆质材料或氧化物陶瓷材料等耐火材料形成，在高温下性能稳定，保持固定形状。这样设置主要是为了减少对金属液产生污染。

上述内模冷却装置的实施方式有多种，例如可为风冷等。优选方式为：所述内模冷却装置包括内模水冷装置。如图1所示，可在内模上设置进水管3和出水管6形成循环水冷却，进水管3和出水管6可与容器11外部的循环水冷却系统相连。内模的温度检测可通过在内模上设置内模温度检测装置，也可通过循环水冷却系统测量循环水的温度来实时调整内模冷却温度。

进一步的是，金属液在由熔炼炉进入导管时，由于熔炼炉出口与导管顶端之间还有会有一段距离，在此距离内，金属液可能会被空气氧化，虽然影响不大，但为了精益求精，减少这个环节金属液被氧化的概率，甚至避免金属液被氧化，如图1所示，所述导管16的顶端设置有喇叭形接液口10，喇叭形接液口10的大端朝向熔炼炉1的出口。通过喇叭形接液口10，惰性气体会由喇叭形接液口10呈放射状喷射出来将熔炼炉1的出口包裹，这样可形成一个惰性气体保护屏，从而可有效降低金属液被氧化的概率。

上述熔炼炉的实施方式也有多种，为了保证金属液的纯度，所述熔炼炉优选为冷坩埚熔炼炉。也就是内热式的电磁冷坩埚熔炼炉，这种熔炼炉为现有可直接购买到的。这种熔炼炉使用时，可有效避免金属液被污染。

上述外模座驱动装置的实施方式有多种，例如可在外模座底部设置滑轨，在容器底部设置滑槽，然后通过脉冲信号控制的液压推杆驱动外模座移动。优选实施方式为：如图1所示，所述外模座驱动装置14包括小车，外模座设置在小车上，小车设置在导轨上并与用于驱动小车沿导轨移动的小车驱动机构相连。小车移动灵活自如，便于操控。上述结构设置简单，便于安装和维修。小车驱动机构可为电机带动的传动机构，例如电机上设置齿轮，齿轮与齿条配合，齿条通过连杆与小车相连。

在上基础上，为了在挤压成型步骤中，保证内模和外模座位置固定，减少因内模或外模座晃动带来的不利影响，所述挤压成型工位19设置有内模导向装置和外模座定位装置。上述内模导向装置的实施方式有多种，例如可为在容器内部设置导向柱9，导向柱9上设置沿导向柱9滑动配合的与内模相连的支撑框8。上述外模座定位装置的实施方式也有多种，例如可为卡位器，当外模座位于挤压成型工位时，卡位器将外模座固定，当挤压成型完毕后，卡位器与外模座分离。

为了便于对容器内部情况进行观察，所述容器11或盖体5上设置有用于观测容器内部的观察窗4。

本发明的装置尤其适合钛及钛合金的筒状铸件的生产，综合以上分析可知，本发明的装置使得钛及钛合金使用挤压式铸造工艺能够消除传统铸造工艺所产生的缺陷，得到组织致密、尺寸较精确的铸造件，使得铸造金属的性能得到提高。

Claims (10)

1.挤压式铸造装置，其特征是：

包括熔炼炉（1）、内模（7）和外模座（15），还包括设置在熔炼炉（1）下方的容器（11），所述容器（11）上设置有取物口，取物口通过与容器可拆卸连接的盖体（5）密封，容器（11）上还设置有惰性气体输入接口（17）；

容器（11）内设置有金属液接收工位（18）和挤压成型工位（19），所述熔炼炉（1）的出口下方设置有导管（16），导管下端位于容器（11）内的金属液接收工位（18）；

所述外模座（15）位于容器内，外模座（15）与外模座驱动装置（14）相连，外模座驱动装置（14）驱动外模座（15）在金属液接收工位（18）和挤压成型工位（19）间移动,外模座（15）上设置有外模座控温装置；

所述内模（7）设置在容器内的挤压成型工位（19），内模（7）与内模驱动装置（2）相连，内模驱动装置（2）驱动内模沿竖直方向移动，当内模（2）位于外模座（15）的内腔时，内模（2）的外壁与外模座（15）的内壁之间的间隙形成挤压成型腔，内模上设置有内模冷却装置。

2.如权利要求1所述的挤压式铸造装置，其特征是：所述外模座控温装置包括金属液温度检测装置以及用于对外模座内部承载的金属液加热的电磁感应加热装置，金属液温度检测装置与电磁感应加热装置相连，还包括用于对外模座进行冷却的外模座水冷装置。

3.如权利要求1所述的挤压式铸造装置，其特征是：所述内模冷却装置包括内模水冷装置。

4.如权利要求1所述的挤压式铸造装置，其特征是：所述导管（16）的顶端设置有喇叭形接液口（10），喇叭形接液口（10）的大端朝向熔炼炉（1）的出口。

5.如权利要求1所述的挤压式铸造装置，其特征是：所述导管内壁设置有导管内壁耐火材料层，所述外模座的内壁设置有外模座内壁耐火材料层。

6.如权利要求1所述的挤压式铸造装置，其特征是：所述熔炼炉为冷坩埚熔炼炉。

7.如权利要求1所述的挤压式铸造装置，其特征是：所述外模座驱动装置（14）包括小车，外模座设置在小车上，小车设置在导轨上并与用于驱动小车沿导轨移动的小车驱动机构相连。

8.如权利要求1所述的挤压式铸造装置，其特征是：所述挤压成型工位（19）设置有内模导向装置和外模座定位装置。

9.如权利要求1所述的挤压式铸造装置，其特征是：所述容器（11）或盖体（5）上设置有用于观测容器内部的观察窗（4）。

10.采用权利要求1至9中任意一项所述的挤压式铸造装置生产铸件的方法，其特征是：

A、向容器内输入惰性气体，通过外模座驱动装置将外模座移动至金属液接收工位；

B、将熔炼炉内的金属液通过导管导入外模座的内腔，通过外模座控温装置使金属液的温度保持在预定挤压成型温度；

C、通过外模座驱动装置将外模座移动至挤压成型工位，通过内模驱动装置驱动内模向下移动并逐渐进入外模座的内腔，内模下移过程中，内模冷却装置处于开启状态，通过内模和外模座共同对金属液进行内冷外热的定向挤压成型最终形成铸件。

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