CN105834409B - 一种镁合金薄壁件一体化制备成形设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种镁合金薄壁件一体化制备成形设备，该成形设备包括用于制备镁合金的熔炼‑浇注罐和保护气氛凝固罐。本发明的熔炼‑浇注罐与保护气氛凝固罐分别与抽真空装置和保护气体注入装置连接。本发明可使镁合金在真空条件下熔炼，在注入保护气体的条件下制备完成并浇注，并在保护气氛凝固罐内注入保护气体的情况下加压凝固。本发明适应于生产复杂和薄壁的镁合金铸件，生产安全性高，铸件表面无氧化缺陷，基本解决了夹渣、缩松、冷隔等内部缺陷，组织致密，性能良好，满足生产要求，易于推广，铸件成品率较高。

Description

一种镁合金薄壁件一体化制备成形设备

技术领域

本发明涉及一种合金材料制备成形铸造领域，尤其涉及一种镁合金薄壁件一体化制备成形设备。

背景技术

镁合金因具有比重轻(与塑料相近)、比强度高、比刚度接近于铝合金、阻尼性、导热性、切削加工性、铸造性能好，电磁屏蔽能力强、尺寸稳定、资源丰富、容易回收等一系列优点，在汽车工业、通讯电子和航空航天等领域有着广泛的应用空间。近年来，随着汽车行业的轻量化，环保化需求以及镁合金研发技术和回收利用技术的不断进步，促进了镁合金的快速发展。由于镁合金熔体活性高、比热容小、凝固区间大等，铸造过程中很容易产生夹杂、冷隔等铸造缺陷，因而难以铸造复杂薄壁的镁合金铸件。

压铸是目前最普遍的镁合金成形工艺，90％以上的镁合金铸件都是压铸件，但压铸只能成形尺寸较小、结构简单的铸件，并且由于气孔的存在，铸件不能进行热处理或焊接，也不能进行比较深的机加工。

石膏浆料流动性好，复型能力强，石膏型保温效果好，为镁合金薄壁复杂铸件的精密铸造提供了一种选择。石膏型熔模铸造真空浇注增压凝固技术由美国Tec-Cast(泰克)公司发明于20世纪60年代，主要用于铝合金薄壁件铸造。如果将该技术应用于镁合金铸造，其主要困难在于熔炼时镁合金夹杂多、采用真空浇注增压凝固技术浇注时破真空很容易导致镁合金表面氧化。

对于镁合金石膏型精密铸造氧化问题，中国兵器工业第五研究所发明一种陶瓷石膏复合铸型来解决镁合金充型过程氧化及燃烧问题，此外还有报道在石膏型基础粉中加入防燃剂，或抽真空浇注，将烘干的石膏型取出，清理型腔内的杂质，将抽真空管和真空泵连接，并将浇口密封，用真空泵抽至真空后开始浇注，该方法直接在铸型型腔上安放排气管，但以上几种研究都是对石膏型进行相关改进，并且工艺比较复杂，不适用大批量工业生产。

发明内容

本发明旨在提供一种镁合金薄壁件一体化制备成形设备，以克服现有技术中由于镁合金在浇注过程容易发生燃烧或氧化、吸气而导致镁合金复杂薄壁件难以成形及夹杂、气孔较多的技术问题。本发明的镁合金薄壁件一体化制备成形设备尤其适合用在复杂的薄壁件制备中。

具体而言，本发明提供一种镁合金薄壁件一体化制备成形设备，其特征在于，所述制备成形设备包括用于制备镁合金的熔炼-浇注罐和保护气氛凝固罐，所述熔炼-浇注罐与所述保护气氛凝固罐相邻侧壁上设有输送窗口，与所述保护气氛凝固罐相通，所述输送窗口上设有密封机构，用于保持所述熔炼-浇注罐与保护气氛凝固罐之间的彼此相对密封；

所述熔炼-浇注罐内置有熔炼炉、坩埚、第一浇铸模具驱动装置、浇铸模具和第一滑道，并且所述熔炼-浇注罐与抽真空装置和保护气体注入装置相连通，所述熔炼-浇注罐的顶部还设置有穿过其顶壁的加料桶，下层放置中间合金，上层放置变质剂、加料-搅拌器，所述坩埚置于熔炼炉内，用于容纳并熔化镁合金，所述熔炼炉和所述坩埚上设置有水口，所述熔炼炉上设有坩埚倾转机构，用以驱动坩埚使其向所述浇铸模具倾转，所述浇铸模具位于所述熔炼炉侧部、所述水口下方并且放置于所述第一滑道上,所述第一浇铸模具驱动装置与所述浇铸模具相连，用于驱动所述浇铸模具在所述第一滑道上运动；

所述保护气氛凝固罐包括压力控制装置、模具输入输出口、第二浇铸模具驱动装置(11)和第二滑道(12)，所述第一滑道和所述第二滑道分别位于所述输送窗口的两侧，所述浇铸模具能由一个滑道通过所述输送窗口后置于另一滑道上。

进一步地，所述输送窗口的密封机构包括第一密封圈、密封滑板、导杆、升降气缸以及导套，所述升降气缸与所述密封滑板之间用所述导套连接，所述升降气缸、所述导套和所述导杆各2个，分别置于所述密封滑板两侧，所述密封滑板沿两侧的所述导杆运动，所述第一密封圈用于实现所述密封滑板与所述制备-浇注罐的密封。

进一步地，所述熔炼-浇注罐的顶部设置有密封盖板，所述熔炼-浇注罐的上部采用所述密封盖板与外部隔离，所述加料桶穿过所述密封盖板并指向所述坩埚。

进一步地，所述第二浇铸模具驱动装置前端设有连接环，所述浇铸模具的对应位置设有锁紧机构，所述锁紧机构包括推杆、弹簧，所述弹簧置于所述推杆上，所述弹簧和所述推杆的组合体有2个，彼此相对放置构成锁紧机构，所述锁紧机构可套住所述第二浇铸模具驱动装置前端的连接环，实现连接。

进一步地，所述加料-搅拌器的搅拌部位采用六叶片结构。

进一步地，所述加料桶包括球阀、铰接盖和橡胶圈，采用铰接盖和橡胶圈密封，所述加料桶中装有中间合金和变质剂，通过所述球阀控制加料速度。

进一步地，所述水口内置有陶瓷过滤网。

进一步地，所述抽真空装置、所述保护气体注入装置与所述熔炼-浇注罐侧壁相连通，所述压力控制装置与所述保护气氛凝固罐侧壁相连通。

进一步地，所述保护气体注入装置用于注入保护气体。

(三)有益效果

本发明所提供的一种镁合金薄壁件一体化制备成形的设备具有如下优点：

一、通过对熔炼-浇注罐抽真空后熔炼，防止了镁合金熔炼过程中燃烧、氧化、吸气等，避免了铸件夹渣和气孔等缺陷，同时，保证了石膏型腔在真空下浇注，便于镁合金液充型，利于复杂薄壁件成形，提高铸件的表面质量及内部组织结构。

二、通过保护气体注入装置向保护气氛凝固罐注入保护气体，防止镁合金破真空时表面氧化、燃烧等，通过对石膏型镁液表面施加压力，促使镁合金熔液加速补缩，既能防止铸件产生缩松缺陷，使合金组织致密，又能防止铸件表面氧化、燃烧，从而有利于薄壁件的成形。

三、本发明的设备结构巧妙，可操作性强，将熔炼-浇注罐与保护气氛凝固罐巧妙地连接在一起，既方便了浇铸模具的送入又保证了在送入浇铸模具时的真空状态，并且浇注完成后可以方便地注入保护气体对产品进行加压保压，制备过程一气呵成，使产品的性能更加优异。

因此采用本发明的设备生产出的镁合金铸件安全性高，适于生产复杂和薄壁的镁合金铸件，铸件表面无氧化缺陷，基本解决了铸件内部的夹渣、缩松、冷隔等缺陷，组织致密，性能良好，满足生产要求；该装置易于推广，适合镁合金复杂薄壁件小规模化生产，铸件成品率较高。

附图说明

图1为本发明镁合金薄壁件一体化制备成形设备的结构示意图；

图2为图1中B位置的放大示意图及密封滑板25和导杆27的结构示意图；

图3为图1中A位置第二石膏型推拉气缸与石膏型碰撞连接机构的放大示意图。

图4为本发明镁合金薄壁件一体化制备成形设备的加料-搅拌器结构示意图。

图5是本发明镁合金薄壁件一体化制备成形抗拉试样。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例仅用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，本实施例的镁合金薄壁件一体化制备成形的设备包括用于制备镁合金的熔炼-浇注罐1和保护气氛凝固罐6。

熔炼-浇注罐1的上部采用密封盖板2与外部隔离，在密封盖板2上装有加料桶3、加料-搅拌器4和第一观察窗5，加料桶3采用铰接盖和橡胶圈密封，下层装有中间合金和上层装有变质剂，通过球阀16控制加料，且与外部完全隔离。加料-搅拌器4的加料装置置于密封盖板2上部，搅拌装置位于熔炼-浇注罐1内，可对坩埚20内的熔体进行加料或搅拌，加料-搅拌器4的搅拌装置可以采用六叶片结构(如图4所示)。

熔炼-浇注罐1与保护气氛凝固罐6并排紧贴放置，二者相邻侧壁上设有石膏型22的输送窗口，该输送窗口可以开启以便使熔炼-浇注罐1与保护气氛凝固罐6相通，输送窗口正常状态下为关闭状态，并采用密封机构实现密封，如图2所示，密封机构包括第一密封圈24、密封滑板25、导杆27、升降气缸13以及导套28，升降气缸13、导套28和导杆27各2个，分别置于密封滑板25两侧，密封滑板25在两侧升降气缸13的带动下依靠两侧导杆27上下运动，升降气缸13与密封滑板25之间用导套28连接，两个导杆27在与石膏型输送窗口对应的位置处具有与密封滑板25尺寸匹配的凹槽，依靠导杆27的这种结构设计使得密封滑板25下滑到正对石膏型输送窗口位置后，通过第二石膏型推拉气缸12的推动可实现向左微移(图中左侧)，实现密封。在需要保持密封时，密封滑板25下滑到正对输送窗口位置，开启第二石膏型推拉气缸11推动石膏型22顶紧密封滑板25与密封圈24紧密接触实现密封，在需要开启输送窗口时，通过升降气缸13带动密封滑板25向上移动，进而允许石膏型22通过。

熔炼-浇注罐1的内部设置熔炼炉19、坩埚20、第一石膏型推拉气缸 21、石膏型22、第一滑道23。如图1所示，坩埚20置于熔炼炉19内，用于容纳并熔化镁合金，熔炼炉19和坩埚20上设置有水口18，水口18内置有陶瓷过滤网，熔炼炉19上设有坩埚倾转机构17，用以驱动坩埚20使其向石膏型22倾转，其采用气缸推动实现浇注，从而实现浇注时坩埚20液面平稳，并通过陶瓷过滤网防止熔体表面覆盖着氧化物卷入液流浇入石膏型22中。石膏型22在浇注时置于熔炼炉19侧部，水口18下方并且放置于第一滑道23上，第一石膏型推拉气缸21推动石膏型22在第一滑道23 上向前移动，气缸11退回时，依靠石膏型自身重力向后移动。熔炼-浇注罐 1的侧壁与抽真空装置14和保护气体注入装置15相通，可对熔炼-浇注罐1 抽真空或注入保护气体。

石膏型22上设有推杆凹槽26，如图3所示，第二石膏型推拉气缸11 前端碰触到凹槽26，推动石膏型向前移动，用以对密封滑板25定位并使密封滑板25微移，从而实现膏型输送窗口的密封。

继续参照图1，保护气氛凝固罐6内置有第二滑道12、第二石膏型推拉气缸11，保护气氛凝固罐6上部开有第二观察窗7，右侧开有铰接门10，用于石膏型22的输入输出，用第二密封圈9和铰接门10卡紧实现密封，压力控制装置8与保护气氛凝固罐6内侧壁相通。

在使用时，可以将镁合金锭切块放入熔化炉19和加料-搅拌器4中，同时在加料桶3中分别加入Mg-Zr中间合金碎料和C₂Cl₆变质剂；将熔炼-浇注罐1上的密封盖板2、密封滑板25以及加料桶3上端盖锁紧密封；启动抽真空装置14，通过熔炼-浇注罐1侧壁上的抽真空管道对熔炼-浇注罐1抽真空，抽真空是为了使后续制备过程中的镁合金熔液与空气完全隔离，可避免镁合金熔液与氧发生燃烧。真空度达到5-10Pa之后，通电开始使镁锭熔化，待坩埚20中镁锭熔化后，启动保护气体注入装置15，通过第二保护气体管道注入适量0.3-1％六氟化硫和99-99.7％二氧化碳气混合气体，使真空度达到10-15Pa；降下加料-搅拌器4，将加料-搅拌器4上镁合金锭沉入坩埚20中进行二次加料。镁锭完全熔化后，等到温度到达700℃～750℃时开启加料桶3的球阀16加入变质剂和中间合金，进行搅拌，转速在 100-200转/分，时间5-10min。同时将石膏型22预热到200℃～400℃等待浇注。保护气体中比重较大的六氟化硫可以浮在镁合金熔液上面，与镁合金熔液发生反应，在镁合金熔液表面生成MgF₂等防护作用的表面膜，该表面膜致密度大，能够阻止镁合金熔液的蒸发。

熔体制备完成后，打开铰接门10，放入预热的石膏型22，将保护气氛凝固罐6上的铰接门10锁紧，对保护气氛凝固罐6抽真空，真空度达到 10-15Pa时，开启升降气缸13，打开密封滑板25，将石膏型22推至熔炼- 浇注罐1内第一滑道23上准备浇注。

待石膏型22到达第一滑道23上后，通过第一石膏型推拉气缸21调整石膏型22位置，启动坩埚倾转机构17将坩埚20倾斜进行浇注，同时左右移动石膏型22，以保证镁合金熔液以平稳速度在石膏型22型腔内流动，通过镁合金熔炼后即刻浇注，减少熔体温降，避免石膏型22“憋气”，提高了镁合金熔体流动性，以克服石膏型22内因铸件的结构复杂而产生较大的阻力，这样既能阻止铸件产生冷隔，又能防止铸件形成氧化夹渣、气孔等缺陷，从而有利于薄壁件的成形。

镁合金石膏型浇注结束后，立即用第一石膏型推拉气缸21将石膏型22 推入到保护气氛凝固罐6中，放下密封滑板25，开启第二石膏型推拉气缸 11推动石膏型22顶紧密封滑板25。然后立即利用压力控制装置8将0.3-1％六氟化硫和99-99.7％二氧化碳气混合气体注入到保护气氛凝固罐6，压力升至400-500Pa，保压时间10-15分钟，并防止镁合金破真空时表面氧化、燃烧等。通过对石膏型22镁液表面施加压力，促使镁合金熔液加速补缩，既能防止铸件产生缩松缺陷，使合金组织致密，又能防止铸件表面氧化、燃烧，从而提高镁合金薄壁件表面和内在质量。凝固结束时，保护气氛凝固罐6泄压到大气压，开启铰接门10，取出石膏型22。重复浇注、凝固的步骤即可实现连续生产。

如图5所示，本发明的设备制备出的铸件表面基本无氧化，这要远好于目前现有设备所制备出的产品。

虽然上面结合本发明的优选实施例对本发明的原理进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本发明范围的限制，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.一种镁合金薄壁件一体化制备成形设备，其特征在于，所述制备成形设备包括用于制备镁合金的熔炼-浇注罐(1)和保护气氛凝固罐(6)，所述熔炼-浇注罐(1)与所述保护气氛凝固罐(6)相邻侧壁上设有输送窗口，与所述保护气氛凝固罐(6)相通，所述输送窗口上设有密封机构，用于保持所述熔炼-浇注罐(1)与保护气氛凝固罐(6)之间的彼此相对密封；

所述熔炼-浇注罐(1)内置有熔炼炉(19)、坩埚(20)、第一浇铸模具驱动装置(21)、浇铸模具(22)和第一滑道(23)，所述保护气氛凝固罐(6)包括压力控制装置(8)、模具输入输出口(10)、第二浇铸模具驱动装置(11)和第二滑道(12)，

并且所述熔炼-浇注罐(1)与抽真空装置(14)和保护气体注入装置(15)相连通，所述熔炼-浇注罐(1)的顶部还设置有穿过其顶壁的加料桶(3)，下层放置中间合金，上层放置变质剂、加料-搅拌器(4)，所述坩埚(20)置于熔炼炉(19)内，用于容纳并熔化镁合金，所述熔炼炉(19)和所述坩埚(20)上设置有水口(18)，所述熔炼炉(19)上设有坩埚倾转机构(17)，用以驱动坩埚(20)使其向所述浇铸模具(22)倾转，所述浇铸模具(22)位于所述熔炼炉(19)侧部、所述水口(18)下方并且放置于所述第一滑道(23)上,所述第一浇铸模具驱动装置(21)与所述浇铸模具(22)相连，用于驱动所述浇铸模具(22)在所述第一滑道(23)上运动，其中，利用所述压力控制装置(8)向保护气氛凝固罐注入0.3-1％六氟化硫和99-99.7％二氧化碳气混合气体，通过对石膏型镁液表面施加压力，促使镁合金熔液加速补缩，六氟化硫浮在镁合金熔液上面，与镁合金熔液发生反应，在镁合金熔液表面生成MgF₂等防护作用的表面膜，该表面膜致密度大，能够阻止镁合金熔液的蒸发；

所述第一滑道(23)和所述第二滑道(12)分别位于所述输送窗口的两侧，所述浇铸模具(22)能由一个滑道通过所述输送窗口后置于另一滑道上。

2.根据权利要求1所述的镁合金薄壁件一体化制备成形设备，其特征在于，所述输送窗口的密封机构包括第一密封圈(24)、密封滑板(25)、导杆(27)、升降气缸(13)以及导套(28)，所述升降气缸(13)与所述密封滑板(25)之间用所述导套(28)连接，所述升降气缸(13)、所述导套(28)和所述导杆(27)各2个，分别置于所述密封滑板(25)两侧，所述密封滑板(25)沿两侧的所述导杆(27)运动，所述第一密封圈(24)用于实现所述密封滑板(25)与所述熔炼-浇注罐(1)的密封。

3.根据权利要求1所述的镁合金薄壁件一体化制备成形设备，其特征在于，所述熔炼-浇注罐(1)的顶部设置有密封盖板(2)，所述熔炼-浇注罐(1)的上部采用所述密封盖板(2)与外部隔离，所述加料桶(3)穿过所述密封盖板(2)并指向所述坩埚(20)。

4.根据权利要求1所述的镁合金薄壁件一体化制备成形设备，其特征在于，所述加料-搅拌器(4)的搅拌部位采用六叶片结构。

5.根据权利要求1所述的镁合金薄壁件一体化制备成形设备，其特征在于，所述加料桶(3)包括球阀(16)、铰接盖和橡胶圈，采用铰接盖和橡胶圈密封，所述加料桶(3)中装有中间合金和变质剂，通过所述球阀(16)控制加料速度。

6.根据权利要求1所述的镁合金薄壁件一体化制备成形设备，其特征在于，所述水口(18)内置有陶瓷过滤网。

7.根据权利要求1所述的镁合金薄壁件一体化制备成形设备，其特征在于，所述抽真空装置(14)、所述保护气体注入装置(15)与所述熔炼-浇注罐(1)侧壁相连通，所述压力控制装置(8)与所述保护气氛凝固罐(6)侧壁相连通。

8.根据权利要求1所述的镁合金薄壁件一体化制备成形设备，其特征在于，所述保护气体注入装置(15)用于注入保护气体。