CN107570687A - 一种降低铝合金铸件晶粒尺寸的真空浇注装置及浇注方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种降低铝合金铸件晶粒尺寸的真空浇注装置及浇注方法，浇注装置包括密封箱体，密封箱体内具有保温腔和浇注腔，保温腔中安装有坩埚，坩埚底部通过第一注液开关与浇注腔连通，坩埚上部设置有通气孔隙，通气孔隙连通间隔腔和坩埚的内腔，间隔腔还通过第二密封开关与浇注腔连通，浇注腔用于置放浇注模具，浇注腔侧壁上还安装有泄压阀，保温腔通过第一空气阀与抽真空装置连通，浇注腔通过第二空气阀与抽真空装置连通。本发明通过对密封箱体内腔进行抽真空,在一定真空度的环境下对模具进行浇注，保证铸件充型完整的前提下，降低铸件的晶粒尺寸，改善铸件的力学性能，满足复杂薄壁件的生产要求。

Description

一种降低铝合金铸件晶粒尺寸的真空浇注装置及浇注方法

技术领域

本发明涉及铝合金铸造技术领域，尤其涉及一种降低铝合金铸件晶粒尺寸的真空浇注装置及浇注方法。

背景技术

航空航天、新能源汽车、轨道交通等新兴产业的快速发展，节能减排的时代要求，促使铸件朝着集成化、薄壁化、精准化、强韧化的方向发展。铝合金材料由于具有密度小、比强度高等一系列优良特性，应用范围越来越广。但是在生产薄壁复杂结构的铝合金铸件时，常常会因为铝合金液流动性差而导致充型不良，而且砂型铸造存在凝固速度慢和高的发气量导致铝合金组织粗大、致密性差的缺点，造成铸件无法达到这些新兴产业对于高强高韧铝合金的性能要求。

细晶组织是提高铸件质量和性能的必要条件。目前，铸造的晶粒细化主要通过控制过冷度、动态晶粒细化和变质处理来实现。浇注温度的降低可以增加过冷度，提高液态金属的冷却速度，达到晶粒细化的目的。特别是在尽可能低的温度下进行浇注，在具有较大的过冷度的情况下，形核率的增加比晶核长大的速度更快从而获得大量的等轴细晶结构，促进晶粒进一步细化。

二次枝晶间距是由冷却速率和合金性质决定的，在合金成分一定时，影响它的主要因素是冷却速率( 凝固时间)。对于铸造铝合金，冷却速率越大，结晶过冷度越大，枝晶的形核率越高；在尽可能低的温度下浇铸无疑会缩短合金的冷却凝固时间，凝固时间越短，二次枝晶间距就越小。因此二次枝晶间距可以作为衡量晶粒大小，组织细化的一个重要指标。

发明内容

本发明的第一目的是针对现有砂模浇铸技术的不足，根据铝合金铸造的晶粒细化理论与方法，提供一种降低铝合金铸件晶粒尺寸的真空浇铸装置，在保证铸件充型完整的前提下，降低铸件的晶粒尺寸，改善铸件的力学性能。本发明操作方便，工艺简单，满足高端铸铝件的性能要求，降低废品率。

本发明的第二目的在于提供一种根据上述降低铝合金铸件晶粒尺寸的真空浇铸装置的浇注方法。

为了实现本发明的第一目的，本发明所采用的技术方案如下。

本发明的一种降低铝合金铸件晶粒尺寸的真空浇注装置，包括密封箱体，所述密封箱体中部横向设置有隔热层，所述隔热层将密封箱体内腔分割为上部的保温腔和下部的浇注腔，所述保温腔中安装有坩埚，所述坩埚与所述保温腔之间形成间隔腔，所述坩埚底部通过第一注液开关与浇注腔连通，所述坩埚上部设置有通气孔隙，所述通气孔隙连通间隔腔和坩埚的内腔，所述间隔腔还通过第二密封开关与浇注腔连通，密封箱体的上盖开设有与坩埚的内腔连通的加料口，所述密封箱体的上盖上还铰接有第一密封仓门，所述第一密封仓门与密封箱体的上盖通过第一锁紧装置连接，所述浇注腔用于置放浇注模具，所述浇注腔侧壁安装有第二密封仓门，所述第二密封仓门与浇注腔侧壁通过第二锁紧装置连接，所述浇注腔侧壁上还安装有泄压阀，所述保温腔通过第一空气阀与抽真空装置连通，所述浇注腔通过第二空气阀与抽真空装置连通，所述第一空气阀、第二空气阀、第一注液开关、第二密封开关和泄压阀均与控制器电连接。

进一步地，所述抽真空装置包括集流气管、过滤罐、稳压罐、真空泵，所述保温腔依次通过第一抽气管、第一空气阀、集流气管、过滤罐、稳压罐与真空泵连通，所述浇注腔通过第二抽气管、第二空气阀与集流气管连通。

进一步地，所述坩埚包括石棉层、耐火层、加热层、坩埚、耐热板、加热管，所述坩埚外部包裹有一层加热层，所述加热管均匀的设置在所述加热层中，所述加热层外部包裹有耐火层，所述耐火层外部包裹有石棉层，所述密封箱体的上盖下表面和坩埚之间还设置有环形耐热板，所述通气孔隙设置在所述耐热板下平面上。

进一步地，所述加热管设置在所述坩埚二分之一高度的下方。

进一步地，所述密封箱体侧壁上还安装有辅助箱，所述辅助箱中安装有第一立隔板、第一横隔板，所述第一立隔板将所述辅助箱内腔分割为第一容纳腔和第二容纳腔，所述第一横隔板将第二容纳腔分割为真空泵容纳腔和控制腔，所述过滤罐、稳压罐安装在所述第一容纳腔中，所述真空泵安装在所述真空泵容纳腔中，所述控制器安装在所述控制腔中。

进一步地，所述第一空气阀、第二空气阀和集流气管均设置在所述控制腔中。

进一步地，第一锁紧装置和第二锁紧装置均为电磁吸合装置，所述电磁吸合装置与控制器连接。

进一步地，所述坩埚中安装有温度传感器，所述保温腔中安装有第一压力传感器，所述浇注腔中安装有第二压力传感器，所述温度传感器、第一压力传感器、第二压力传感器均与控制器电连接。

为了实现本发明的第二目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种根据上述的降低铝合金铸件晶粒尺寸的真空浇注装置的浇注方法，包括以下步骤：

S1、打开第二密封仓门，将模具装入至浇注腔的第一注液开关下方，打开第一密封仓门、关闭第一注液开关，将液态铝合金倒入坩埚；

S2、关闭第一密封仓门、第二密封仓门，打开第一空气阀、第二空气阀、第二密封开关，启动抽真空装置，将保温腔和浇注腔抽真空，并且坩埚对液态铝合金保温；

S3、打开第一注液开关，将液态铝合金注入模具中；

S4、待合金液结壳后，关闭第一注液开关、第二密封开关、第二空气阀，然后打开泄压阀，打开第二密封仓门，将模具取出使铸件在大气压下凝固，然后从新装入模具浇。

本发明在使用时，可以将液体铝合金铸件倒入坩埚中保温，而第一密封仓门用于密封坩埚上方的开口，通过抽真空装置可以将保温腔和浇注腔抽真空，真空的情况下打开坩埚底部的第一注液开关，向浇注腔中的模具中浇注铝合金液体，通过控制第一空气阀和第二空气阀开关，可以分别对保温腔和浇注腔抽真空，浇注腔抽真空以后可以用于浇注，而浇注腔中的泄压阀泄压以后可以取出模具，第二密封开关是用于在浇注时，保持保温腔和浇注腔中的压力平衡。

与现有技术相比，本发明的优点在于：在铝合金铸件制造工艺中，合金液相线温度：590℃；模具：砂模；670～620℃浇铸。浇注温度是在保证铸件充型完整的前提下逐渐降低的。普通重力浇铸件的最低浇注温度为670℃。真空浇铸的最低浇注温度为620℃。该发明通过对密封箱体内腔进行抽真空,在一定真空度的环境下对模具进行浇注，保证铸件充型完整的前提下，降低铸件的晶粒尺寸，改善铸件的力学性能，满足复杂薄壁件的生产要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的降低铝合金铸件晶粒尺寸的真空浇注装置的结构示意图；

图2是图1中A-A线的剖视图；

图3是本发明的降低铝合金铸件晶粒尺寸的真空浇注方法的工艺流程图；

图4是本发明中实施例二中铸件金相形貌图；

图5是本发明中实施例三中铸件金相形貌图；

图6是本发明中实施例四中铸件金相形貌图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

实施例一

参阅图1、图2所示，本发明提供的一种降低铝合金铸件晶粒尺寸的真空浇注装置，包括密封箱体1，密封箱体1中部横向设置有隔热层12，隔热层12将密封箱体1内腔分割为上部的保温腔101和下部的浇注腔102，并且隔热层12用于对保温腔101隔热，防止浇注腔102中过热，保温腔101中安装有坩埚3，坩埚3用于对铝合金溶液进行保温，坩埚3与保温腔101之间形成间隔腔103，坩埚3底部通过第一注液开关15与浇注腔102连通，用于方便对浇注腔102中的模具进行注液，坩埚3上部设置有通气孔隙104，通气孔隙104连通间隔腔103和坩埚3的内腔，用于在对保温腔101抽真空时，也对坩埚3中抽真空，间隔腔103还通过第二密封开关5与浇注腔102连通，用于在浇注时，保持保温腔101和浇注腔102中的压力平衡，密封箱体1的上盖开设有与坩埚3的内腔连通的加料口105，用于从加料口105向坩埚3中加入液态铝合金，密封箱体1的上盖上还铰接有第一密封仓门6，用于抽真空时对加料口105进行密封，第一密封仓门6与密封箱体1的上盖通过第一锁紧装置7连接，浇注腔102用于置放浇注模具8，浇注腔102侧壁安装有第二密封仓门9，打开和关闭第二密封仓门9可以方便放入或去除浇注模具8，同时在抽真空时第二密封仓门9可以进行密封，第二密封仓门9与浇注腔102侧壁通过第二锁紧装置10连接，浇注腔102侧壁上还安装有泄压阀11，用于在需要取出模具8的时候单独对浇注腔102泄压，保温腔101通过第一空气阀13与抽真空装置2连通，浇注腔102通过第二空气阀14与抽真空装置2连通，第一空气阀13、第二空气阀14、第一注液开关15、第二密封开关5和泄压阀11均与控制器16电连接。通过控制器16来控制各个开关或阀体配合工作，自动化程度高，由于控制器16的控制结构及控制原理为现有技术，在本实施例中不进行具体的赘述。

本发明在使用时，可以将液体铝合金铸件倒入坩埚3中保温，而第一密封仓门6用于密封坩埚3上方的加料口105，通过抽真空装置2可以将保温腔101和浇注腔102抽真空，真空的情况下打开坩埚3底部的第一注液开关15，向浇注腔102中的模具中浇注铝合金液体，通过控制第一空气阀13和第二空气阀14开关，可以分别对保温腔101和浇注腔102抽真空，浇注腔102抽真空以后可以用于浇注，而浇注腔中的泄压阀11泄压以后可以取出模具。

与现有技术相比，本发明的优点在于：在铝合金铸件制造工艺中，合金液相线温度：590℃；模具：砂模；670～620℃浇铸。浇注温度是在保证铸件充型完整的前提下逐渐降低的。普通重力浇铸件的最低浇注温度为670℃。真空浇铸的最低浇注温度为620℃。该发明在保证铸件充型完整的前提下，降低铸件的晶粒尺寸，改善铸件的力学性能，满足复杂薄壁件的生产要求。

在本实施例中，抽真空装置2包括集流气管21、过滤罐22、稳压罐23、真空泵24，保温腔101依次通过第一抽气管25、第一空气阀13、集流气管21、过滤罐22、稳压罐23与真空泵24连通，浇注腔102通过第二抽气管26、第二空气阀14与集流气管21连通。过滤罐22用于过滤空气中的杂质，而稳压罐23用于在对密封箱体1抽真空时稳压。

具体的，坩埚3包括石棉层31、耐火层32、加热层33、坩埚34、耐热板35、加热管36，坩埚34外部包裹有一层加热层33，加热管36均匀的设置在加热层33中，加热层33外部包裹有耐火层32，耐火层32外部包裹有石棉层31，密封箱体1的上盖下表面和坩埚34之间还设置有环形的耐热板35，通气孔隙104设置在耐热板35下平面上。加热层33一般为热传递效率高的材料，耐火层32可以使用耐火砖、耐火泥等制作，而石棉层31用于阻挡热量，一方面防止热量散失，另一方面防止浇注腔102过热，耐热板35用于防止热量传递给密封箱体1的上盖。通气孔隙104设置在耐热板35下平面上结构简单，在制作耐热板35时直接成型即可，加热管36可以与控制器16连接，由控制器16加热功率。

由于坩埚3中为真空，里面没有空气传热，为防止高于液位的加热管36热量无法散发而过热损坏，加热管36设置在坩埚34二分之一高度的下方。并且坩埚3中仅要求保温，所以加热功率需求不高，加热管36布置一半一下的数量已经可以满足保温要求。

密封箱体1侧壁上还安装有辅助箱4，辅助箱4中安装有第一立隔板41、第一横隔板42，第一立隔板41将辅助箱4内腔分割为第一容纳腔401和第二容纳腔402，第一横隔板42将第二容纳腔402分割为真空泵容纳腔403和控制腔404，过滤罐22、稳压罐23安装在第一容纳腔401中，真空泵24安装在真空泵容纳腔403中，控制器16安装在控制腔404中。通过设置第一容纳腔401、真空泵容纳腔403和控制腔404，方便对每个零件进行摆放，设备整洁，维修方便。

优选的，第一空气阀13、第二空气阀14和集流气管21均设置在控制腔404中。由于第一空气阀13和第二空气阀14距离控制器16距离近，线路短，所以维修、调试均方便。第一锁紧装置7和第二锁紧装置10均为电磁吸合装置，电磁吸合装置与控制器16连接。可以用控制器16一起控制，使用方便。坩埚3中安装有温度传感器17，保温腔101中安装有第一压力传感器18，浇注腔102中安装有第二压力传感器19，温度传感器17、第一压力传感器18、第二压力传感器19均与控制器16电连接。通过设置温度传感器17可以随时向控制器16反馈温度，控制16可以调整加热管36的功率，而第一压力传感器18、第二压力传感器19也可以随时向控制器16反馈真空压力，方便控制器16调整真空泵24功率。

以下实施例示例性的采用AlSi9Cu3铝合金铸件制造工艺，材料成分：AlSi9Cu3；合金液相线温度：590℃；模具：砂模；670～620℃浇铸。使用其他铝合金并配合相应的参数也不影响本发明的实施。

实施例二

参阅图3、图4所示，本发明还提供一种根据上述的降低铝合金铸件晶粒尺寸的真空浇注装置的浇注方法，包括以下步骤：

S1、打开第二密封仓门，将砂芯/型模具装入至浇注腔的第一注液开关下方，打开第一密封仓门、关闭第一注液开关，将液态铝合金倒入坩埚；

S2、关闭第一密封仓门、第二密封仓门，打开第一空气阀、第二空气阀、第二密封开关，启动抽真空装置，将保温腔和浇注腔抽真空，真空度抽至-0.04MPa，并且坩埚对液态铝合金保温，保温温度至670℃；

S3、打开第一注液开关，将液态铝合金注入模具中；

S4、待合金液结壳后，关闭第一注液开关、第二密封开关、第二空气阀，然后打开泄压阀，打开第二密封仓门，将模具取出使铸件在大气压下凝固，然后从新装入模具浇。

实施例三

参阅图5所示，本发明还提供一种根据上述的降低铝合金铸件晶粒尺寸的真空浇注装置的浇注方法，包括以下步骤：

S1、打开第二密封仓门，将砂芯/型模具装入至浇注腔的第一注液开关下方，打开第一密封仓门、关闭第一注液开关，将液态铝合金倒入坩埚；

S2、关闭第一密封仓门、第二密封仓门，打开第一空气阀、第二空气阀、第二密封开关，启动抽真空装置，将保温腔和浇注腔抽真空，真空度抽至-0.04MPa，并且坩埚对液态铝合金保温，保温温度至650℃；

S3、打开第一注液开关，将液态铝合金注入模具中；

S4、待合金液结壳后，关闭第一注液开关、第二密封开关、第二空气阀，然后打开泄压阀，打开第二密封仓门，将模具取出使铸件在大气压下凝固，然后从新装入模具浇。

实施例四

参阅图6所示，本发明还提供一种根据上述的降低铝合金铸件晶粒尺寸的真空浇注装置的浇注方法，包括以下步骤：

S1、打开第二密封仓门，将砂芯/型模具装入至浇注腔的第一注液开关下方，打开第一密封仓门、关闭第一注液开关，将液态铝合金倒入坩埚；

S2、关闭第一密封仓门、第二密封仓门，打开第一空气阀、第二空气阀、第二密封开关，启动抽真空装置，将保温腔和浇注腔抽真空，真空度抽至-0.04MPa，并且坩埚对液态铝合金保温，保温温度至620℃；

S3、打开第一注液开关，将液态铝合金注入模具中；

S4、待合金液结壳后，关闭第一注液开关、第二密封开关、第二空气阀，然后打开泄压阀，打开第二密封仓门，将模具取出使铸件在大气压下凝固，然后从新装入模具浇。

经上述三个实施例制备方法得到的铝合金铸件组织的二次枝晶间距见表1。

具体实施方式	二次枝晶间距/um
		实例1	18.272
实例2	17.674
		实例3	13.990
对比例	21.865

表1

表1中对比例为在保证铸件充型完整的前提下，普通重力浇铸在最低浇注温度为670℃下成型的试棒显微组织中二次枝晶间距。

由表1不同工艺下二次枝晶间距的对比和图3不同浇注温度下铸件的枝晶形貌演变可以看出，本发明在保证铸件充型完整的前提下，降低30～50℃，可以明显的降低铝合金铸件的晶粒尺寸，晶粒细化明显，细小的等轴晶成为铸件组织中的主要组成部分。该发明通过对密封箱体内腔进行抽真空,在一定真空度的环境下对模具进行浇注，保证铸件充型完整的前提下，降低铸件的晶粒尺寸，改善铸件的力学性能，满足复杂薄壁件的生产要求。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种降低铝合金铸件晶粒尺寸的真空浇注装置，其特征在于：包括密封箱体，所述密封箱体中部横向设置有隔热层，所述隔热层将密封箱体内腔分割为上部的保温腔和下部的浇注腔，所述保温腔中安装有坩埚，所述坩埚与所述保温腔之间形成间隔腔，所述坩埚底部通过第一注液开关与浇注腔连通，所述坩埚上部设置有通气孔隙，所述通气孔隙连通间隔腔和坩埚的内腔，所述间隔腔还通过第二密封开关与浇注腔连通，密封箱体的上盖开设有与坩埚的内腔连通的加料口，所述密封箱体的上盖上还铰接有第一密封仓门，所述第一密封仓门与密封箱体的上盖通过第一锁紧装置连接，所述浇注腔用于置放浇注模具，所述浇注腔侧壁安装有第二密封仓门，所述第二密封仓门与浇注腔侧壁通过第二锁紧装置连接，所述浇注腔侧壁上还安装有泄压阀，所述保温腔通过第一空气阀与抽真空装置连通，所述浇注腔通过第二空气阀与抽真空装置连通，所述第一空气阀、第二空气阀、第一注液开关、第二密封开关和泄压阀均与控制器电连接。

2.根据权利要求1所述的降低铝合金铸件晶粒尺寸的真空浇注装置，其特征在于：所述抽真空装置包括集流气管、过滤罐、稳压罐、真空泵，所述保温腔依次通过第一抽气管、第一空气阀、集流气管、过滤罐、稳压罐与真空泵连通，所述浇注腔通过第二抽气管、第二空气阀与集流气管连通。

3.根据权利要求2所述的降低铝合金铸件晶粒尺寸的真空浇注装置，其特征在于：所述坩埚包括石棉层、耐火层、加热层、坩埚、耐热板、加热管，所述坩埚外部包裹有一层加热层，所述加热管均匀的设置在所述加热层中，所述加热层外部包裹有耐火层，所述耐火层外部包裹有石棉层，所述密封箱体的上盖下表面和坩埚之间还设置有环形耐热板，所述通气孔隙设置在所述耐热板下平面上。

4.根据权利要求3所述的降低铝合金铸件晶粒尺寸的真空浇注装置，其特征在于：所述加热管设置在所述坩埚二分之一高度的下方。

5.根据权利要求4所述的降低铝合金铸件晶粒尺寸的真空浇注装置，其特征在于：所述密封箱体侧壁上还安装有辅助箱，所述辅助箱中安装有第一立隔板、第一横隔板，所述第一立隔板将所述辅助箱内腔分割为第一容纳腔和第二容纳腔，所述第一横隔板将第二容纳腔分割为真空泵容纳腔和控制腔，所述过滤罐、稳压罐安装在所述第一容纳腔中，所述真空泵安装在所述真空泵容纳腔中，所述控制器安装在所述控制腔中。

6.根据权利要求5所述的降低铝合金铸件晶粒尺寸的真空浇注装置，其特征在于：所述第一空气阀、第二空气阀和集流气管均设置在所述控制腔中。

7.根据权利要求1所述的降低铝合金铸件晶粒尺寸的真空浇注装置，其特征在于：第一锁紧装置和第二锁紧装置均为电磁吸合装置，所述电磁吸合装置与控制器连接。

8.根据权利要求1所述的降低铝合金铸件晶粒尺寸的真空浇注装置，其特征在于：所述坩埚中安装有温度传感器，所述保温腔中安装有第一压力传感器，所述浇注腔中安装有第二压力传感器，所述温度传感器、第一压力传感器、第二压力传感器均与控制器电连接。

9.一种根据权利要求1所述的降低铝合金铸件晶粒尺寸的真空浇注装置的浇注方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、打开第二密封仓门，将模具装入至浇注腔的第一注液开关下方，打开第一密封仓门、关闭第一注液开关，将液态铝合金倒入坩埚；

S2、关闭第一密封仓门、第二密封仓门，打开第一空气阀、第二空气阀、第二密封开关，启动抽真空装置，将保温腔和浇注腔抽真空，并且坩埚对液态铝合金保温；

S3、打开第一注液开关，将液态铝合金注入模具中；

S4、待合金液结壳后，关闭第一注液开关、第二密封开关、第二空气阀，然后打开泄压阀，打开第二密封仓门，将模具取出使铸件在大气压下凝固，然后从新装入模具浇注。