CN104668504A - 非晶合金构件铸造成型设备和工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非晶合金构件铸造成型设备和工艺，属于非晶合金成型技术领域。该设备包括压射系统、合金熔炼系统、原材料进给系统、模具系统、真空系统和保护气氛系统，本发明主要用于非晶合金构件的制备，可以实现在真空和正压气体保护下进行非晶合金构件挤铸成型，本发明中的设备在模具上添加排气口，有效解决合金构件成型过程中表面微小缩孔的形成，提高非晶合金构件质量。通过使用高真空罐或者保护气体罐，有效解决成型过程中真空或者正压保护气氛的获取时间，缩短成型周期，节约生产成本，极大提高生产效率。

Description

非晶合金构件铸造成型设备和工艺
技术领域
本发明涉及非晶合金成型技术领域，具体涉及一种非晶合金构件铸造成型设备和工艺。
背景技术
块状非晶合金由于其具有独特的长程无序、短程有序的原子排列结构，表现出一系列优异的物理、化学和力学性能，如高强度、高弹性、高断裂韧性、高比强度、超塑性、高耐蚀性、突出的磁特性、优良的成型性等，从而越来越被广泛的应用在航空、航天以及民用领域。目前，非晶合金应用最为成功的性能是其突出的软磁特性，这方面取得了惊人的进步和极大的效益。以非晶合金作为磁性部件的小型发动机以及变压器在商业上已经取得初步的成功。Zr基非晶合金所具有的高弹性，使得其被作为结构件成功应用到了高尔夫球杆的顶端，网球拍等体育用品之上，非晶合金优异的成型性及超塑性使得它可以被用来制备微小、精密的器件，例如精密微型齿轮和轴承。另外，非晶合金还往往被用作涂层材料、光学材料和电极材料。
随着大块非晶应用的日益广泛，非晶合金的加工和成型工艺也逐渐的受到了广泛的关注，从而为非晶合金进一步发展铺平了道路。例如非晶合金的焊接、切削、精密铸造等等。在铸造技术中，当每次成型的所有动作完成后，要实现原材料的进给，必然要破坏主腔室的真空，或者造成气体的大量浪费，这样会导致非晶合金工件每次工作周期的延长和生产效率的降低。此外，模具为了实现真空条件下的成型，添加了密封圈，因而导致在充型过程中，模腔周围没有排气孔，使得在非晶合金构件的表面容易形成气孔或者缩孔。此外，已报道的技术中，其真空腔室或者保护气氛腔室都需要一段时间进行抽取真空，或者充入具有一定压力的气体，这些都导致非晶合金构件成型效率降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种非晶合金构件铸造成型设备和工艺，采用该铸造成型设备进行非晶合金构件的制备，能够有效提高非晶合金构件的成型效率和成成型质量。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种非晶合金构件铸造成型设备，包括压射系统、合金熔炼系统、原材料进给系统、模具系统、真空系统和及保护气氛系统，其中：
合金熔炼系统：用于合金的熔炼，设于真空室中，包括熔炼坩埚和加热装置，所述加热装置采用感应线圈或者电阻丝对熔炼坩埚加热；所述加热装置设于熔炼坩埚外；
压射系统：包括压射筒、压射机构、压射杆和设于压射杆末端的压射活塞，所述压射机构通过压射杆控制压射活塞在压射筒内的运动，压射筒上设有浇口；所述压射杆、压射筒和压射活塞设于真空室内，所述压射机构设于真空室外，所述压射杆与真空室之间采用波纹管实现真空密封，有效降低动态密封结构的漏气概率；
原材料进给系统：包括储料箱、送料滑道和送料杆，储料箱位于真空室中，储料箱底部设有弹簧片，使得储料箱内合金料能够向上移动；通过送料杆将合金料经过送料滑道送入熔炼坩埚中；所述储料箱顶部设置盖体，加入合金料后，盖体固定在储料箱上（对合金料顶端起到限位作用），储料箱的侧壁上部设置相对应的孔，送料杆通过储料箱上的孔将合金料送入熔炼坩埚中；
模具系统：包括定模、密封圈、动模、模腔、排气通道、定压单向阀门、模具浇道和合模开模机构；其中：合模开模机构用于控制动模和定模的开合，动模和定模闭合后，其内形成模腔，模腔通过模具浇道与压射筒实现连通，模腔通过排气通道实现与外界连通，排气通道末端设有定压单向阀门，动模和定模之间通过密封圈实现密封；
真空系统：包括真空机组和真空罐体，真空机组通过阀门Ⅱ连接真空罐体，真空罐体通过管道连接真空室，所述真空罐体连接真空室的管道上设有阀门Ⅲ；
保护气氛系统：包括保护气氛气瓶以及与之相连接的储气罐，储气罐再通过管道连接到真空室；所述保护气氛气瓶与储气罐相连接的管道上设有阀门Ⅰ，储气罐连接真空室的管道上设有阀门Ⅳ。
所述送料杆将合金料送入熔炼坩埚中，加热熔化后的合金料通过浇口进入压射筒内。
所述真空室上设有用于测量熔炼坩埚中合金液温度的红外测温仪以及监控合金熔化状态的摄像头。
所述铸造成型设备还设有控制面板，用于对动模和定模的开合控制、加热装置的温度控制和压射杆的运动控制。
所述铸造成型设备能够根据实际需求在真空或者正压气氛下进行工作。
所述保护气氛气瓶内装有惰性气体。
所述模具系统中的定压单向阀门安装在在定模和/或动模上，定压单向阀门的数量为一个或多个，数目根据工件的尺寸和形状进行确定。
所述熔炼坩埚为三氧化二铝材质或氮化硼材质；或者，熔炼坩埚为带有陶瓷涂层的石墨坩埚。
利用上述设备进行非晶合金构件铸造成型工艺，包括以下步骤：
（1）定模和动模之间依靠密封圈形成密封连接，排气通道装有定压单向阀门，最终获得密闭的模腔；
（2）将装满合金料的储料箱装入真空室，通过储料箱底部的弹簧片将合金料向上推移，送料杆向左移动，将合金料经过送料滑道送入熔炼坩埚；
（3）打开阀门Ⅱ，通过真空机组使得真空罐实现真空，当模具实现密封后，打开阀门Ⅲ，使得模腔、压射筒和储料箱内都获得所需真空度；当需要在真空条件下进行工作时，直接进行步骤，当需要在正压保护气氛下进行工作时，打开阀门Ⅰ，向储气罐内充入一定压力的保护气氛，然后打开阀门Ⅳ，使得真空室、模腔、压射筒和储料箱内都获得所需压力的保护气氛，压力通过定压单向阀门进行设置；
（4）通过加热装置将合金料熔化，利用翻转机构将合金熔体通过浇口倒入压射筒内，随后压射杆以一定速度和加载力向左通过压射活塞将合金熔体挤入模腔中，在合金熔体充填模腔的过程中，定压单向阀门打开，使得模腔中多余的气体排气通道排出；
（5）合金熔体在模腔中充型完毕冷却后，通过充气管道充入与外界压力平衡的气体（当使用正压保护气氛条件下工作时，可以省略充气过程），打开模腔，整个工件的铸造成型流程完毕；
（6）重新开始下一个流程。
上述铸造成型工艺中，在第一个流程中合金熔化和充型的过程中，通过真空机组使得真空罐实现高真空，则在下一个流程中省略相应操作（下一流程为在真空条件下工作时）；或者，在第一个流程中合金熔化和充型的过程中，打开阀门Ⅰ，向储气罐内充入一定压力的保护气氛，则在下一个流程中省略相应操作（下一流程为在正压保护气氛下工作时）。
上述铸造成型工艺中，在真空下进行工作的时候，真空度为10-2Pa。
上述铸造成型工艺中，在具有正压保护气氛条件下工作的时候，保护气体压力介于1-1.5个大气压之间。
本发明设备及工艺可用于非晶合金构件的制备，如：Zr基非晶合金、Ti基非晶合金、Fe基非晶合金、Ni基非晶合金、Al基非晶合金、Mg基非晶合金或Cu基非晶合金；也可用于活性金属如Ti合金、Al合金和Mg合金工件的制备。
本发明原理如下：
本发明铸造成型设备上添加了原料的进给系统，使得原材料补给的周期延长。在真空或者保护气氛系统中引入高真空罐和储气罐，当设备在熔炼和挤铸脱模、装模的时候，可以预先对真空罐和储气罐进行抽取真空和充入正压的保护气氛，随后通过阀门很快的实现工作的真空度或者一定压力的保护气氛，这些都有效的缩短了每次非晶构件的工作周期，提高了生产效率。此外，该设备结构简单，制造和维护成本很低，能够实现连续自动化生产。
本发明主要用于非晶合金构件的制备，可以实现在真空和正压气体保护下进行非晶合金构件挤铸成型，本发明中的设备需要实现的真空或者正压保护气氛空间大幅度减小，在模具上添加排气口，有效解决合金构件成型过程中表面微小缩孔的形成，提高非晶合金构件质量。通过使用高真空罐或者保护气体罐，有效解决成型过程中真空或者正压保护气氛的获得，缩短成型周期，节约生产成本，极大提高生产效率。
本发明具有以下优点：
1、在设备上添加了原料的进给系统，使得原材料补给的周期延长。
2、有效的缩短了每次非晶构件的工作周期，提高了生产效率。
附图说明
图1为本发明铸造成型设备结构示意图。
其中：1-保护气氛气瓶；2-储气罐；3-阀门Ⅰ、5-阀门Ⅱ、7-阀门Ⅲ、30-阀门Ⅳ；4-真空机组；6-真空罐；8-红外测温仪；9-摄像头；10-控制面板；11-定模；12-模腔；13-密封圈；14-排气通道；15-动模；16-定压单向阀门；17-合模开模机构；18-模具浇道；19-压射筒；20-加热装置；21-熔炼坩埚；22-送料滑道；23-真空室；24-送料杆；25-合金料；26-储料箱；27-弹簧片；28-波纹管；29-压射机构；31-浇口；32-压射活塞；33-压射杆。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细描述，但是应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
如图1所示，本发明非晶合金构件铸造成型设备包括压射系统、合金熔炼系统、原材料进给系统、模具系统、真空系统和及保护气氛系统，其中：
合金熔炼系统：用于合金的熔炼，设于真空室23中，包括熔炼坩埚21和加热装置20，所述熔炼坩埚21为三氧化二铝材质或氮化硼材质；或者，熔炼坩埚21为带有陶瓷涂层的石墨坩埚；所述加热装置20采用感应线圈或者电阻丝对熔炼坩埚21加热；所述加热装置20设于熔炼坩埚21外。
压射系统：包括压射筒19、压射机构29、压射杆33和设于压射杆33末端的压射活塞32，所述压射机构29通过压射杆33控制压射活塞32在压射筒19内的运动，压射筒19上设有浇口31；所述压射杆33、压射筒19和压射活塞32设于真空室23内，所述压射机构29设于真空室23外，所述压射杆33与真空室23之间采用波纹管28实现真空密封，有效降低动态密封结构的漏气概率；
原材料进给系统：包括储料箱26、送料滑道22和送料杆24，储料箱26位于真空室23中，储料箱26底部设有弹簧片27，使得储料箱26内合金料25能够向上移动；通过送料杆24将合金料25经过送料滑道22送入熔炼坩埚21中，加热熔化后的合金料25通过浇口31进入压射筒19内。所述储料箱26顶部设置盖体，加入合金料后，盖体固定在储料箱26上（对合金料顶端起到限位作用），储料箱26的侧壁上部设置相对应的孔，送料杆24通过储料箱26上的孔将合金料送入熔炼坩埚21中；
模具系统：包括定模11、密封圈13、动模15、模腔12、排气通道14、定压单向阀门16、模具浇道18和合模开模机构17；其中：所述定压单向阀门16安装在在定模11和/或动模15上，定压单向阀门16的数量为一个或多个，数目根据工件的尺寸和形状进行确定；合模开模机构17用于控制动模15和定模11的开合，动模15和定模11闭合后，其内形成模腔12，模腔12通过模具浇道18与压射筒19实现连通，模腔12通过排气通道14实现与外界连通，排气通道14末端设有定压单向阀门16，动模15和定模11之间通过密封圈13实现密封；
真空系统：包括真空机组4和真空罐体6，真空机组4通过阀门Ⅱ5连接真空罐体6，真空罐体6通过管道连接真空室23，所述真空罐体6连接真空室23的管道上设有阀门Ⅲ7；
保护气氛系统：包括保护气氛气瓶1以及与之相连接的储气罐2，保护气氛气瓶1内装有惰性气体。储气罐2通过管道连接到真空室23；所述保护气氛气瓶1与储气罐2相连接的管道上设有阀门Ⅰ3，储气罐2连接真空室23的管道上设有阀门Ⅳ30。
所述真空室23上设有用于测量熔炼坩埚21中合金液温度的红外测温仪8以及监控合金熔化状态的摄像头9。
所述铸造成型设备还设有控制面板10，用于对动模15和定模11的开合控制、加热装置20的温度控制和压射杆33的运动控制。
所述铸造成型设备能够根据实际需求在真空或者正压气氛下进行工作。
利用上述设备进行非晶合金构件铸造成型工艺，包括以下步骤：
（1）定模11和动模15之间依靠密封圈13形成密封连接，排气通道14装有定压单向阀门16，最终获得密闭的模腔12；
（2）将装满合金料25的储料箱26装入真空室23，通过储料箱26底部的弹簧片27将合金料25向上推移，送料杆24向左移动，将合金料25经过送料滑道22送入熔炼坩埚21；
（3）打开阀门Ⅱ5，通过真空机组4使得真空罐6实现真空，当模具实现密封后，打开阀门Ⅲ7，使得模腔12、压射筒19和储料箱26内都获得所需真空度；当需要在真空条件下进行工作时，直接进行步骤（4），当需要在正压保护气氛下进行工作时，打开阀门Ⅰ3，向储气罐2内充入一定压力的保护气氛，然后打开阀门Ⅳ30，使得真空室23、模腔12、压射筒19和储料箱26内都获得所需压力的保护气氛，压力通过定压单向阀门16进行设置；
（4）通过加热装置20将合金料25熔化，利用翻转机构将合金熔体通过浇口31倒入压射筒19内，随后压射杆33以一定速度和加载力向左通过压射活塞32将合金熔体挤入模腔12中，在合金熔体充填模腔12的过程中，定压单向阀门16打开，使得模腔12中多余的气体排气通道14排出；
（5）合金熔体在模腔12中充型完毕冷却后，通过充气管道充入与外界压力平衡的气体（当使用正压保护气氛条件下工作时，可以省略充气过程），打开模腔，整个工件的铸造成型流程完毕；
（6）重新开始下一个流程。
上述铸造成型工艺中，在第一个流程中合金熔化和充型的过程中，通过真空机组4使得真空罐6实现高真空，则在下一个流程中省略相应操作（下一流程为在真空条件下工作时）；或者，在第一个流程中合金熔化和充型的过程中，打开阀门Ⅰ3，向储气罐内充入一定压力的保护气氛，则在下一个流程中省略相应操作（下一流程为在正压保护气氛下工作时）。
上述铸造成型工艺中，在真空下进行工作的时候，真空度为10-2Pa。
上述铸造成型工艺中，在具有正压保护气氛条件下工作的时候，保护气体压力介于1-1.5个大气压之间。

Claims (12)

1.一种非晶合金构件铸造成型设备，其特征在于：该铸造成型设备包括压射系统、合金熔炼系统、原材料进给系统、模具系统、真空系统和及保护气氛系统，其中：
合金熔炼系统：用于合金的熔炼，设于真空室（23）中，包括熔炼坩埚（21）和加热装置（20），所述加热装置（20）采用感应线圈或者电阻丝对熔炼坩埚（21）加热；所述加热装置（20）设于熔炼坩埚（21）外；
压射系统：包括压射筒（19）、压射机构（29）、压射杆（33）和设于压射杆（33）末端的压射活塞（32），所述压射机构（29）通过压射杆（33）控制压射活塞（32）在压射筒（19）内的运动，压射筒（19）上设有浇口（31）；所述压射杆（33）、压射筒（19）和压射活塞（32）设于真空室（23）内，所述压射机构（29）设于真空室（23）外，所述压射杆（33）与真空室（23）之间采用波纹管（28）实现真空密封；
原材料进给系统：包括储料箱（26）、送料滑道（22）和送料杆（24），储料箱（26）位于真空室（23）中，储料箱（26）底部设有弹簧片（27），使得储料箱（26）内合金料（25）能够向上移动；通过送料杆（24）将合金料（25）经过送料滑道（22）送入熔炼坩埚（21）中；
模具系统：包括定模（11）、密封圈（13）、动模（15）、模腔（12）、排气通道（14）、定压单向阀门（16）、模具浇道（18）和合模开模机构（17）；其中：合模开模机构（17）用于控制动模（15）和定模（11）的开合，动模（15）和定模（11）闭合后，其内形成模腔（12），模腔（12）通过模具浇道（18）与压射筒（19）实现连通，模腔（12）通过排气通道（14）实现与外界连通，排气通道（14）末端设有定压单向阀门（16），动模（15）和定模（11）之间通过密封圈（13）实现密封；
真空系统：包括真空机组（4）和真空罐体（6），真空机组（4）通过阀门Ⅱ（5）连接真空罐体（6），真空罐体（6）通过管道连接真空室（23），所述真空罐体（6）连接真空室（23）的管道上设有阀门Ⅲ（7）；
保护气氛系统：包括保护气氛气瓶（1）以及与之相连接的储气罐（2），储气罐（2）再通过管道连接到真空室（23）；所述保护气氛气瓶（1）与储气罐（2）相连接的管道上设有阀门Ⅰ（3），储气罐（2）连接真空室（23）的管道上设有阀门Ⅳ（30）。
2.根据权利要求1所述的非晶合金构件铸造成型设备，其特征在于：所述送料杆（24）将合金料（25）送入熔炼坩埚（21）中，加热熔化后的合金料（25）通过浇口（31）进入压射筒（19）内。
3.根据权利要求1所述的非晶合金构件铸造成型设备，其特征在于：所述真空室（23）上设有用于测量熔炼坩埚（21）中合金液温度的红外测温仪（8）以及监控合金熔化状态的摄像头（9）。
4.根据权利要求1所述的非晶合金构件铸造成型设备，其特征在于：所述铸造成型设备还设有控制面板（10），用于对动模（15）和定模（11）的开合控制、加热装置（20）的温度控制和压射杆（33）的运动控制。
5.根据权利要求1所述的非晶合金构件铸造成型设备，其特征在于：所述铸造成型设备能够根据实际需求在真空或者正压气氛下进行工作。
6.根据权利要求1所述的非晶合金构件铸造成型设备，其特征在于：所述保护气氛气瓶（1）内装有惰性气体。
7.根据权利要求1所述的非晶合金构件铸造成型设备，其特征在于：所述模具系统中的定压单向阀门（16）安装在在定模（11）和/或动模（15）上，定压单向阀门（16）的数量为一个或多个，数目根据工件的尺寸和形状进行确定。
8.根据权利要求1所述的非晶合金构件铸造成型设备，其特征在于：所述熔炼坩埚（21）为三氧化二铝材质或氮化硼材质；或者，熔炼坩埚（21）为带有陶瓷涂层的石墨坩埚。
9.一种利用权利要求1所述设备进行非晶合金构件铸造成型工艺，其特征在于：该工艺包括以下步骤：
（1）定模（11）和动模（15）之间依靠密封圈（13）形成密封连接，排气通道（14）装有定压单向阀门（16），最终获得密闭的模腔（12）；
（2）将装满合金料（25）的储料箱（26）装入真空室（23），通过储料箱（26）底部的弹簧片（27）将合金料（25）向上推移，送料杆（24）向左移动，将合金料（25）经过送料滑道（22）送入熔炼坩埚（21）；
（3）打开阀门Ⅱ（5），通过真空机组（4）使得真空罐（6）实现真空，当模具实现密封后，打开阀门Ⅲ（7），使得模腔（12）、压射筒（19）和储料箱（26）内都获得所需真空度；当需要在真空条件下进行工作时，直接进行步骤（4），当需要在正压保护气氛下进行工作时，打开阀门Ⅰ（3），向储气罐（2）内充入一定压力的保护气氛，然后打开阀门Ⅳ（30），使得真空室（23）、模腔（12）、压射筒（19）和储料箱（26）内都获得所需压力的保护气氛，压力通过定压单向阀门（16）进行设置；
（4）通过加热装置（20）将合金料（25）熔化，利用翻转机构将合金熔体通过浇口（31）倒入压射筒（19）内，随后压射杆（33）以一定速度和加载力向左通过压射活塞（32）将合金熔体挤入模腔（12）中，在合金熔体充填模腔（12）的过程中，定压单向阀门（16）打开，使得模腔（12）中多余的气体排气通道（14）排出；
（5）合金熔体在模腔（12）中充型完毕冷却后，通过充气管道充入与外界压力平衡的气体，打开模腔，整个工件的铸造成型流程完毕；
（6）重新开始下一个流程。
10.根据权利要求9所述非晶合金构件铸造成型工艺，其特征在于：在第一个流程中合金熔化和充型的过程中，通过真空机组（4）使得真空罐（6）实现高真空，则在下一个流程中省略相应操作；或者，在第一个流程中合金熔化和充型的过程中，打开阀门Ⅰ（3），向储气罐内充入一定压力的保护气氛，则在下一个流程中省略相应操作。
11.根据权利要求9所述非晶合金构件铸造成型工艺，其特征在于：在真空下进行工作的时候，真空度为10-2Pa。
12.根据权利要求9所述非晶合金构件铸造成型工艺，其特征在于：在具有正压保护气氛条件下工作的时候，保护气体压力介于1-1.5个大气压之间。
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