CN104334299B - 用于腐蚀性轻合金的热室压铸的喷射泵 - Google Patents

Abstract

一种用于腐蚀性轻合金的热室压铸的喷射泵(1)，该喷射泵包括：主体(9)，该主体设置有内部共轴衬套(10)，喷射器活塞(20)在所述内部共轴衬套中密封地滑动，所述衬套(10)由耐受熔融合金的材料制成并且具有不同于主体(9)的材料的热膨胀系数；静态密封元件(15)，该静态密封元件由在压缩下屈服的石墨基非金属材料制成，且布置于主体(9)的内表面(91)和衬套(10)的外表面(104)之间；以及轴向压缩器件(4、5、7、8、18、71)，所述轴向压缩器件布置于拧入到主体(9)中的环形螺母(6)和衬套(10)以及静态密封元件(15)之间。

Description

用于腐蚀性轻合金的热室压铸的喷射泵

技术领域

本发明涉及一种用于轻合金的热室压铸的装置的喷射泵，所述轻合金在熔化或者半液体状态下是腐蚀性的，尤其涉及配备有静态密封元件的喷射泵，所述静态密封元件是非金属的并且在压缩下可变形。

背景技术

在用于熔融有色合金的压铸的喷射泵中，为了构造喷射器活塞、容器缸体和布置在它们之间的动态密封元件，当前采用的材料是耐高温的，能够经受处于熔化或者半液体状态的合金的腐蚀作用，抵抗由相对运动的部件的摩擦所产生的磨损以及防止或者阻碍可能的刮擦(seizure)，以及容纳合金的渗漏，从而获得这些部件在经济上可接受的服务寿命。

在所谓的“热室”安装中，喷射泵浸没在熔融合金中，具有通常使用的动态密封元件，该动态密封元件呈共轴地作用于喷射器活塞上的弹性金属环件的形式。弹性环件在周向上具有切口，这允许它们在径向方向上弹性地压缩和膨胀，并且共轴地安装于喷射器活塞，位于在喷射器活塞侧表面中形成的合适凹槽或者周向座中。在将喷射器活塞组装在容器缸体中期间，弹性环件被压缩在它们的周向座上封闭喷射器活塞，随后借助于其弹性而膨胀以接触缸体的内表面。由密封元件在容器缸体的壁上所产生的压力可确定对正被处理的合金的喷射压力的密封程度，并且取决于切口在周向上的构造以及喷射器活塞的操作条件(例如压力和速度)，能够设置一个或多个弹性密封环件。

喷射器活塞在熔融合金的喷射期间快速移动，在容器缸体的内表面和与喷射器活塞一体的动态密封元件之间的摩擦会产生这些部件的磨损的相当大的问题，随着时间的推移这会引起对压力的密封的缺陷，意味着频繁及高额的维修。因为相对滑动的表面之间的摩擦和磨损取决于材料和联接表面的特性以及运动的动态特性(特别是压力和相对速率)，所以要不断地研究和试验相接触各部件的形状和材料的最合适匹配，以它们的使用寿命最大化。

目前正在深入研究非金属材料之间的匹配以及金属材料和非金属材料之间的混合匹配，通常，在用于压铸的喷射泵的情形下，磨损是针对那些更容易并且更便宜地替换的部件的表面，例如容器缸体和喷射器活塞之间的密封元件。但是，尽管在该领域有很多研究(例如见JP55088966)，但是现有技术尚未提供满意的方案来解决获得具有经济上可接受服务寿命且对压力有良好密封性能的磨损部件的问题。

尤其是，由于铝合金在熔融或者半液体状态下具有很高的腐蚀性，所以现有技术的泵不适合于将铝合金在泵及其与模具的连接件的金属元件上进行压铸。基于该原因，铝合金仅能用“冷室”处理来压铸，尽管“热室”处理毫无疑问的优势在于其允许：

·在浴的相同温度下喷射合金，该浴向泵供给大大低于“冷室”处理的温度、速度和压力，因此具有较少能量消耗以及较少模具磨损；

·控制该处理的关闭周期，从而可增加生产率，在它们的性质具有严格的重复性的情况下改善产品质量、较少废品以及较少原材料消耗；

·获得更好的微结构铸造，不存在“冷室”处理所特有的气体的氧化和包含，因此能够在它们与其他结构之间焊接铸造件，并且能够对压缩气体具有更好的密封，此外还有热镀锌处理的膨胀可能性；

·使用较小和较便宜的模具和压力机；

·同时或者依次将具有不同特性的合金喷射至相同模具，因而获得了具有零部件的整体式铸造件，这极大地改善了铸造件本身的质量及总体性能(这通常无法由单一合金而获得)，诸如耐磨损性、轻质性、可使用性、拉伸强度、耐冲击、耐腐蚀等。

用于铝合金的热室泵的建议布置在本领域是公知的，一些布置已经几十年了，并且其中的一些布置已经历经大工厂的试验，但是到目前为止没有一种布置进入生产技术。它们通常基于陶瓷部件，该部件足以耐受熔融铝的腐蚀，但是目前发现有些难以逾越的局限性，即这些部件对拉伸性和弯曲应力的耐受性差，以及高脆性；关于它们的尺寸、形状、可加工性而言受到生产限制；以及与压力机的金属结构相关的难度，在成本上具有负面影响，在制造和操作泵上有风险。例如，MikiIsao在EP0827793中以及YujiOgawa在JP2008006455和JP2008073698中已经提出了具有陶瓷部件的类似泵。

作为可替换方案，申请人已经在US5385456中提出了通过使用柱塞使得不存在钢缸体的腐蚀，柱塞可能是陶瓷的，仅经受压缩力，耐腐蚀并且配备有非金属密封件。但是，该泵构造需要使用进料阀，这是该解决方案的缺点。申请人考虑到为了克服先前构造的问题，在US6029737中提出了具有槽端的柱塞，其仅经受压缩力并且设置有自动刚性密封，但是，这在实验工厂中显示出存在功能问题并且维修有很大困难。

在另一可替换构造中，喷射器活塞能够在依次插入到主体中的衬套的内部滑动，使得当衬套的内表面被磨损时，更换衬套就足够了而不是更换整个主体。由于制造成本的原因，这种泵具有由适合于在高温下耐拉伸应力的钢制成的主体，并且内表面和外表面都被耐受熔融铝腐蚀的涂层所保护，例如，涂层为喷涂的陶瓷粉末和粘合剂，或者其他本领域公知的阻隔层。

由于功能原因，钢主体必须联接至衬套，衬套具有处理所要求的耐受高拉伸应力，并且具有强冲压性质。衬套的内表面必须耐受喷射器活塞的滑动以及耐受熔融合金的腐蚀，以在经济上可接受的时间内确保生成填充模具的处理所要求的压力。为了日常维护、修复和更换，该衬套必须易于从泵主体拆卸，并且能够容忍低于主体的一定数量级的磨损。并且，衬套的外表面还必须耐受熔融合金的腐蚀，同时在衬套的外表面和泵主体之间要求有耐腐蚀和耐高压的联接件。

衬套为大致柱形套筒，其构成材料可以具有陶瓷性质、耐压缩应力，或者具有金属性质，同时耐受压缩和牵引应力。对于陶瓷选择来说，已经提出一些先进的陶瓷，诸如例如硅氮化物，而对于金属选择来说，已经提出具有高熔点的重金属的合金，诸如钼和钨，如例如IT1376503中描述的，它们的表面能够被硬化以承受滑动磨损。

无论在上述各种选择方案中为衬套选择了何种材料，衬套都将具有大大低于主体的钢的热膨胀，因为使整个泵主体具有与衬套相同的材料会带来高昂的成本。这使得根据本领域传统公知的解决方案不能在衬套和泵主体之间进行直接联接，例如，各部件之间进行过盈配合，这是考虑到由于主体的内表面的热膨胀大于衬套的外表面的膨胀所生成的空间将引起熔融合金不可容忍的泄漏，这会妨碍模具腔的适当填充。

为了克服这些问题已经提出各种方案，大致可供参考的是，在陶瓷或者金属机构之间有正面的、扁平的或者锥形的接触(例如US6029737)，在各表面之间具有或者不具有插设的密封件。

例如，DE1583714描述了这样的方案，即在衬套和泵主体之间布置膨胀石墨制成的垫圈，在第一实施例中具有扁平接触，并且在第二实施例中具有锥形接触。在这两种情况下，从下方由熔融合金施加在密封件上的压力仅通过衬套的上凸缘来抵抗，衬套的上凸缘进而被熔融合金向上推动并且被拧入至泵主体的元件保持在适当位置。由于高的周期性喷射压力，泵主体是细长的并且旋拧至该泵主体的元件是缩短的，而且由于高温，螺栓所生成的力是非常适度的。结果是，垫圈的密封效果随着熔融合金的压力和温度的增加而减小，具有泄露的风险，泄露会削弱和损坏垫圈。

JP03110056描述了一种代替的方案，其中，衬套和泵主体之间的密封件由布置于这两个元件之间的一对反向锥度套管提供，而没有插设任何垫圈，其他三个同心元件在上板的作用下从上方分别推动衬套和两个锥形套管。熔融合金被填充至最内侧推动元件和中间推动元件之间的空间中，其内侧设置有石墨、陶瓷或者其他耐熔融合金材料的涂层。

由于密封表面的急速恶化，迄今为止提出的方案中没有一个实现了产业发展。

发明内容

因此本发明的目的是提供一种克服上面提到的缺陷的喷射泵。该目的是通过这样的泵来实现的，该泵包括：主体，其设置有内部共轴衬套，喷射器活塞在所述衬套中滑动，所述衬套由具有不同膨胀系数的抗腐蚀材料制成；静态密封元件，其由在压缩下屈服的石墨基非金属材料制成，且布置于所述主体的内表面和所述衬套的外表面之间；以及轴向压缩器件，其布置于与所述主体和衬套成为一体的锁定元件与所述静态密封元件之间。

由于材料的变形性，轴向方向的压缩可引起静态密封元件在径向方向上向外膨胀而抵靠泵主体的内表面以及向内膨胀而抵靠衬套的外表面，这种膨胀要求容纳正被处理的合金的渗漏。由轴向压缩器件施加的压缩程度优选与压铸循环期间的喷射压力成比例，开始于确保最小压力条件下的紧密性所需的静态预载荷的条件。

密封元件优选由膨胀石墨制成，膨胀石墨是通过自然石墨的薄片的热膨胀获得的材料，其能被压成薄厚度的板材，具有的密度低于致密石墨的密度。这些板材适于根据扁平静态密封件所要求的轮廓被模切，或者适于被切成条带，卷成螺旋状，有时用非金属纤维或者金属线增强，并且它们还能够被引入金属模具的腔室内并且被挤压以得到具有有效截面和适当密度的环件。整个处理生成具有各向异性结构的产品，具有对液体和气体的低渗透性、弱黏着性、几乎不耐机械应力、在压力下弹性部件具有塑性行为。这些产品适合于在非氧化环境中对中高温和压力下的构件的静态密封的许多应用。

上述考虑和申请人的直接经验已促使申请人研究和实验(获得了良好的结果)使用所述材料来解决以下问题：泵主体的内表面和衬套的外表面的耐腐蚀问题；以及衬套的耐冲压压力问题和联接件的气密性问题；此外还有与较容易或较不容易拆卸衬套相关的泵维修的问题。对前述问题的克服构成了根据本发明的喷射泵的第一重要优势，这是源自于将石墨选择为用于静态密封元件的构造的基础材料，以及源自于将静态密封元件布置在衬套和主体之间。

根据本发明的喷射泵的另一优势是，能够易于以人工和/或自动方式来调节作用于静态密封元件上的轴向压缩器件，这允许定期监控用以确保最小压力条件下的紧密性所需的静态预载荷。

此外，在特定实施例中，在压铸循环的不同阶段期间由轴向压缩器件所施加的压缩行为能够完全自动化进行，这实现了进一步的优势，即对密封程度进行真正优化以作为压铸周期的最重要参数。

附图说明

对本领域技术人员来说，参考附图及其一些实施例的以下详细说明，根据本发明的喷射泵的这些和其他优势和特征将变得明显。在附图中：

图1示出了根据本发明的用于热室压铸的喷射泵的第一实施例的纵截面的示意图；

图2示出了图1的泵的第二实施例的纵截面的局部视图，该泵设置有用于与喷射压力成比例地自动增加静态密封元件的压缩的器件；

图3和图4示出了图1的泵的另一实施例的纵截面的局部视图，该泵设置有用于与喷射压力成比例地自动增加仅一部分静态密封元件的压缩的器件；以及

图5示出了轴向压缩器件的锁定构件的变型例的纵截面的局部视图，所述变型例适于上述任何实施例。

具体实施方式

参考图1，可见的是，根据本发明的热室喷射泵1通常包括主体9，该主体9插入坩埚13中并且设置有与其共轴的内衬套10，喷射器活塞20以由致动器26通过杆21往复运动地移动的方式在内衬套10中滑动。活塞20具有将熔融合金19推入并且压缩到模具25的腔室24中的功能，模具25通过设置有外加热夹套23的导管22连接至泵1，熔融合金19存在于在活塞20下方由衬套10的内部容积所形成的喷射室102中。喷射室102通过形成在主体9中的导管14连接至导管22，并且通过导管12与坩埚13的腔室连通，导管12穿过衬套10和主体9，在活塞20的回程期间合金19通常因重力或吸力通过导管12进入喷射室102，如本领域公知的那样。

主体9优选地由耐热钢或者合适的耐火合金制成，能够在甚至高于合金的熔融温度的温度下承受熔融合金19的压力p。内衬套10优选地由具有硬化表面的陶瓷材料或者钼合金(或者其他适合于此目的金属合金)制成，能够承受由活塞20生成的压力p，并且具有能够承受由活塞20的滑动引起的磨损的内表面105。衬套10和活塞20之间的动态密封能够依靠任何现有技术系统来实现，例如通过采用在WO2008/123009中描述的构造来实现，具有的优势为，为了避免不同热膨胀的问题，相对运动的元件10、20能够以相同的材料实现。

主体9的内表面91和衬套10的外表面104之间具有插设的静态密封元件15，该静态密封元件15由能变形的石墨基材料制成，优选由膨胀石墨制成，并且能够承受高喷射压力、高温以及熔融合金的腐蚀行为。本发明的创新方案在于这样的事实：这种密封元件15适于被施加可调节轴向力P的致动器26经由环件2来预压缩，环件2推动服务构件3，服务构件3又作用于由金属套筒5、8、18构成的套筒链，从而将密封元件15压缩为抵靠安置在主体9的底部921上的基座92。

该轴向预压缩引起密封元件15的径向膨胀，这生成径向压力，该径向压力适合于在衬套10的外表面104上以及在主体9的内表面91上密封熔融合金。这也导致主体9的预张紧，使其在高温下更耐疲劳，并且导致衬套10的径向预压缩，使其基本仅经受压缩应力，这极大地扩展了其材料的选择领域。

上述预压缩是借助于锁定构件来限制套筒链中上套筒5的轴向位置来维持的，上套筒5是具有大致L形截面的凸缘套筒，所述锁定构件由环形螺母6构成，环形螺母6邻接在上套筒5的凸缘上并且被拧入主体9的上部分中，主体9的上部分具有内螺纹。最后，移除服务构件3，并且泵1准备用于生产。

当泵1已经达到操作温度时必须执行预压缩操作，以补偿(recover)由主体9的热膨胀引起的游隙，主体9的热膨胀通常远大于衬套10的热膨胀。例如，当需要完全不同于先前值的喷射温度和/或压力时，能够容易地重复该操作以补偿部件的磨损或者用于进行不同于初始设定的调节。

应该注意的是，在泵1的操作期间，熔融合金的压力p还作用在衬套10的底表面101上而生成向上力F；因此为了防止衬套10的向上位移，衬套10由间隔件7锁定，该间隔件7安置成抵靠环件71，该环件71的轴向位置由拧入上套筒5中的环形螺母4来确定，上套筒5具有内螺纹。当必须从主体9执行衬套10的取出时，仅需移除环形螺母6因而释放部件4、5、7、8、18，然后在整个模具中，低速运行喷射周期，使得力F(不再被克服)射出衬套10，正好足以易于从主体9取出该衬套。为了防止粘附并且便于预压缩套筒链的轴向滑动，还为了衬套10的取出，优选的是，将膨胀石墨(或者耐熔融合金腐蚀的其他材料)制成的元件布置在相对轴向滑动所涉及的表面之间，例如是分别位于下套筒18的外侧和内侧的套管11和111。

图2图示了图1的泵的第二实施例，其设置有用于与喷射压力p成比例地自动增加静态密封元件15的压缩的器件。在该构造中，本发明的另一创新方案包括，金属环件16布置在密封元件15和基座92之间，所述环件16由两个半环件形成，两个半环件插入形成在衬套10的外表面104的底部处的凹槽中。在将合金喷射入模具期间，由压力p在衬套10的下表面101上所生成的力F通过插入所述凹槽中的环件16的下表面106被传递至趋向于径向膨胀的密封元件15，使得元件15的密封随着熔融合金的压力p的增加而增加。为了限制传递至元件15的最大压力，借助于拧入上套筒5中的环形螺母4来调节衬套10的行程，从而允许校准间隔件7的位置(见图1)。

图3和图4示出了图2的第二实施例的变型例，所述变型例提供了：与喷射压力p成比例地自动增加静态密封元件15的压缩仅应用于一部分元件15。为此目的，以下布置就足够了：环件16沿着衬套10的外表面104布置得较高，使得位于环件16下方的一些密封元件151不接收压缩，因为力F反而由位于环件16上方的密封元件152所接收。

通过沿着外表面104形成更高的相关安装凹槽，或者通过采用附图所示的构造，能够简单地实现环件16的定位，在附图所示的构造中，衬套10的外表面由顶表面103组成，顶表面103的直径小于底表面104。因而，两个表面103、104由环形表面107连接，环形表面107充当用于环件16的邻接件以将力F传递至上面叠置的密封元件152。在相同力F的情况下，如果想要降低所述元件152上的压力的自动增加，以下布置就足够了：增加环件16的宽度，并且为此目的还能够采用图4的构造，在图4的构造中，主体9的内表面由底表面911组成，底表面911的直径小于顶表面912。因而两个表面911、91通过环形表面907连接，该环形表面907作为用于增加尺寸的环件16的附加邻接件。

最后，图5示出了轴向压缩器件的锁定构件的变型例，其中，环形螺母6被替换成唇形凸缘61，该唇形凸缘61以及适当的下方间隔件借助于拧入主体9的螺栓62固定。

密封元件15优选由膨胀石墨制成，该膨胀石墨是一种高度耐热性材料并且非常适合于高温应用中元件密封的实现，密封元件15能够在内侧和/或外侧利用耐受熔融合金且耐600-800℃温度的元件来增强，该元件是非金属性质(诸如碳纤维)或者金属性质的，只要它们能够耐受正被处理的熔融合金的冲击即可。横截面的形状对于密封元件15的良好功能性也具有显著的重要性，它们优选具有四边形形状的截面，该截面的邻边具有30°至150°之间的内角(但是它们也能够具有这样的截面：该截面具有一个或多个曲边)。

清楚的是，根据本发明的喷射泵的以上描述和图示的实施例仅仅是示例，能够对其进行各种修改。尤其是，密封元件15能够以各种形式和材料实现，可以将不同类型的密封元件组合在相同的泵中。例如，密封元件15能够是切割而成的螺旋管形环件(toroidalring)(以便可打包获得它们，而不是将它们单个形成)，可选地插有膨胀石墨制成的环形盘，该环形盘仅通过模切获得而无需在成型模具中具有接连通路，或者插有由其他合适材料制成的盘，诸如耐熔融合金的结构紧凑石墨、碳纤维、金属、编织纤维，并且可以用石墨或者其他合适的无机成分增强。

Claims (16)

1.一种用于腐蚀性轻合金的热室压铸的喷射泵(1)，该喷射泵包括设置有内部共轴衬套(10)的主体(9)，喷射器活塞(20)以由相关致动器(26)驱动而往复运动的方式在所述内部共轴衬套中密封地滑动，所述衬套(10)由耐受所述轻合金腐蚀的且在300°K和950°K之间的温度下具有的线性热膨胀系数与所述主体(9)的材料的线性热膨胀系数相差至少1.5×10^-6/°K的材料制成，并且所述喷射泵(1)进一步包括静态密封元件(15)和用于所述衬套(10)的轴向压缩器件，所述静态密封元件由在压缩下屈服的石墨基非金属材料制成并且布置于所述主体(9)的内表面(91)和所述衬套(10)的外表面之间，其特征在于，所述喷射泵包括布置于与所述主体(9)成为一体的锁定构件与所述静态密封元件(15)之间的另一轴向压缩器件。

2.根据权利要求1所述的喷射泵(1)，其特征在于，所述喷射泵进一步包括第一环件(16)，所述第一环件安装在所述衬套(10)的所述外表面上，以便将由作用在所述衬套(10)的底表面(101)上的熔融合金的压力(p)所产生的力(F)传递至所有静态密封元件(15)或者传递至至少一部分静态密封元件(152)。

3.根据权利要求2所述的喷射泵(1)，其特征在于，所述第一环件(16)由引入到形成在所述衬套(10)的所述外表面的底部处的凹槽中的两个半环件组成。

4.根据权利要求2所述的喷射泵(1)，其特征在于，所述衬套(10)的所述外表面包括第一顶表面(103)和第一底表面(104)，所述第一顶表面具有的直径小于所述第一底表面(104)的直径，所述第一顶表面(103)和所述第一底表面(104)通过充当用于所述第一环件(16)的邻接件的环形表面(107)而连接。

5.根据权利要求4所述的喷射泵(1)，其特征在于，所述主体(9)的所述内表面(91)包括第二底表面(911)和第二顶表面(912)，该第二底表面具有的直径小于所述第二顶表面(912)的直径，所述第二底表面(911)和所述第二顶表面(912)通过充当用于所述第一环件(16)的附加邻接件的环形表面(907)而连接。

6.根据前述权利要求中任一项所述的喷射泵(1)，其特征在于，所述静态密封元件(15)的轴向压缩器件由带凸缘的顶部套筒(5)、中间套筒(8)和底部套筒(18)构成，所述锁定构件邻接在所述顶部套筒(5)的凸缘上。

7.根据权利要求6所述的喷射泵(1)，其特征在于，所述衬套(10)的轴向压缩器件由抵靠第二环件(71)的间隔件(7)构成，所述第二环件的轴向位置由拧入到所述顶部套筒(5)中的环形螺母(4)限定，所述顶部套筒(5)具有内螺纹。

8.根据权利要求6所述的喷射泵(1)，其特征在于，所述喷射泵进一步包括位于所述底部套筒(18)的外侧和内侧的由膨胀石墨制成的套管(11，111)。

9.根据权利要求1至5中任一项所述的喷射泵(1)，其特征在于，所述锁定构件由拧入到所述主体(9)顶部中的具有螺纹的环形螺母(6)构成，所述主体(9)具有内螺纹。

10.根据权利要求1至5中任一项所述的喷射泵(1)，其特征在于，所述锁定构件由唇形凸缘(61)构成，所述唇形凸缘通过拧入到所述主体(9)中的螺栓(62)而固定。

11.根据权利要求1至5中任一项所述的喷射泵(1)，其特征在于，所述静态密封元件(15)由膨胀石墨制成。

12.根据权利要求11所述的喷射泵(1)，其特征在于，所述静态密封元件(15)在内侧和/或外侧由非金属和/或金属构件增强，只要所述非金属和/或金属构件能够耐受熔融合金即可。

13.根据权利要求1至5中任一项所述的喷射泵(1)，其特征在于，所述静态密封元件(15)是具有四边形形状的横截面的螺旋管形环件，所述四边形的相邻边具有30°至150°之间的内角。

14.根述权利要求1至5中任一项所述的喷射泵(1)，其特征在于，所述静态密封元件(15)插入有由耐受熔融合金的材料制成的环形盘。

15.根述权利要求14所述的喷射泵(1)，其特征在于，所述静态密封元件(15)插入有仅通过模切形成的膨胀石墨盘、紧凑结构石墨盘、碳纤维盘或金属盘。

16.根据权利要求1至5中任一项所述的喷射泵(1)，其特征在于，所述喷射器活塞(20)由所述相关致动器(26)通过杆(21)来驱动，所述杆设置有如下环件(2)：该环件适于通过服务构件(3)而作用于所述静态密封元件(15)的轴向压缩器件上，所述服务构件(3)能够在所述静态密封元件(15)的预压缩操作结束时被移除。