CN108097922A - 一种金属基复合材料真空低压铸造装置及铸造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种金属基复合材料真空低压铸造装置及铸造方法，将熔炼装置外部增加了承压室，与搅拌装置、抽真空功能及相应的气控系统，不仅可以实现金属基复合材料的真空熔炼及真空搅拌除气处理，提高金属基复合材料熔体的冶金质量，而且在低压铸造时可实现熔体持续搅拌，强化了坩埚内金属基复合材料熔体内悬浮颗粒的对流运动，促进了熔体成分的均匀性，进而保证低压铸造时不同时刻进入铸型型腔的熔体成分均匀一致，从而使所生产的金属基复合材料构件具有成分均匀、性能优良的特点。并且与真空吸铸相比，本发明采用的真空低压铸造方法适合生产的铸件类型更为广泛。

Description

一种金属基复合材料真空低压铸造装置及铸造方法

技术领域

本发明属于铸造技术领域的装置和方法，具体涉及一种金属基复合材料真空低压铸造装置及铸造方法。

背景技术

常用的生产颗粒增强金属基复合材料的工艺方法主要有液态工艺、固态法、双相法以及原位复合法等，其中原位合成的增强颗粒与外加颗粒相比，不但颗粒细小，表面洁净，而且体系在热力学上比较稳定，无界面反应，增强效果更明显因而目前多采用颗粒增强金属基复合材料如铝基复合材料、镁基复合材料来生产复杂铸件，具有优异的组织性能，应用前景广阔。但是对一些结构复杂、壁厚差异大和质量要求高的铸件，采用常规的重力铸造方法无法满足复合材料构件的成形要求，需要采用反重力铸造方法来实现优质铸件的成形生产。反重力铸造是一种使合金液在压差作用下逆重力方向充填铸型型腔，并在一定压力下凝固成形的铸造方法，具有充型速度可控、有利于实现顺序凝固和通过浇注系统实现凝固补缩等特点，减少了充型过程中的卷气、二次氧化夹杂等铸造缺陷，铸件组织致密、性能好，是生产优质复合薄壁铸件的最优方法之一。反重力铸造按加压方式不同分为低压铸造、差压铸造、调压铸造和真空吸铸等。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利申请号：200510029885.9，发明名称“铝基复合材料反重力真空吸铸成形设备”，该专利所述的设备由熔炼装置、真空吸铸装置和气路部分构成，其中熔炼装置中，搅拌器设置在坩埚台上，保护气体通道设置在坩埚台上，真空吸铸装置中，密封套、升液管和密封垫圈都设置在隔板上，隔板置于坩埚上的垫板上，模壳固定在模壳固定套内，密封套筒上的真空通道与气路部分相连；气路部分中，真空泵通过截止阀与真空罐相连。该设备采用通保护气体熔化铝基复合材料，通过搅拌装置解决复合材料的沉降和团聚问题，采用真空吸铸方法实现复杂薄壁铝合金复合材料构件的成形生产。但是该设备无法实现真空熔炼及除气处理，而这对于一些碳化硅增强铝基复合材料及镁基复合材料来说非常重要，熔化时的真空熔炼及真空除气处理是实现复合材料高性能的重要保证，并且浇注时需要对熔体进行持续搅拌以维持增强相颗粒的均匀性。此外该设备采用真空吸铸方法成形，存在吸铸充型动力有限、凝固补缩难等问题，只适合于小型复杂薄壁构件，而无法应用于一些大型及厚壁铸件的生产。此外，为此，本发明提出了一种金属基复合材料真空低压铸造装置与方法，可实现金属基复合材料的真空熔炼及搅拌除气处理，并能采用真空低压铸造成形方法进行优质构件的生产。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种金属基复合材料真空低压铸造装置及铸造方法，可对金属基复合材料的真空熔炼及真空除气处理，并能进行金属基复合材料优质构件的反重力液态成形生产。

技术方案

一种金属基复合材料真空低压铸造装置，包括熔炼装置、铸型室装置和气路；其特征在于：还包括承压装置、升降结构和抽真空气路；所述承压装置包括承压室1、中隔板12、承压室气路接口24和密封结构；所述升降结构包括举升油缸2、导向杆3和平板4；承压室1的底部设有举升油缸2和导向杆3，升油缸2和导向杆3上端设有平板4，承压室1的上部设有中隔板12，侧壁设有承压室气路接口24，在中隔板12与承压室1连接处设有密封结构；熔炼装置的熔化炉5和内置的坩埚6置于平板4，搅拌结构置于中隔板12上，其石墨搅拌头7通过中隔板12上的通孔和动密封结构13插入坩埚6内；铸型室装置置于中隔板12上，其升液管8通过中隔板12上的通孔插入坩埚6内；所述承压室气路接口24与抽真空气路连接。

所述承压室1的侧壁设有承压室压力信号接口25。

所述气路和抽真空气路包括真空源26、第一气动截止阀27、节流阀28、保护气体气源29、第二气动截止阀30、数字式组合阀31、第三气动截止阀32和第四气动截止阀33；真空源26管路连接第一气动截止阀27和节流阀28；保护气体气源29管路连接第二气动截止阀30和数字式组合阀31；两条管路与第三气动截止阀32并联后与承压室气路接口24连通，同时通过第四气动截止阀33与真空吸铸装置的铸型室进排气接口16连通。

一种采用所述金属基复合材料真空低压铸造装置进行铸造的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将举升油缸下降到最低处，将镁基复合材料铸锭放在坩埚内，将搅拌器和升液管固定在中隔板上，并把中隔板盖上用螺栓把紧密封，在升液管管口放置盲板并用压型气缸压紧密封；

步骤2：熔化炉通电加热，打开第一截止阀对承压室抽真空；当镁基复合材料熔化后，举升油缸启动将坩埚举升，使搅拌器和升液管插入金属熔体中并开始搅拌，使熔体在真空环境下实现除气处理；

步骤3：在熔体达到浇注温度时，搅拌器持续搅拌，关闭第一截止阀，打开第二截止阀，并由PLC控制向承压室内通入保护气体，使承压室内压力为常压；

步骤4：取走盲板，放置铸型，并由压型气缸压紧，铸型罩在举升气缸带动下下降并压紧密封；

步骤5：关闭第二截止阀，打开第一截止阀和第四截止阀，对承压室和铸型罩内同时抽真空，由节流阀调节实现承压室和铸型室内抽真空速度，建立同步真空度；

步骤6：达到设定的真空度后，关闭第一截止阀和第四截止阀，打开第二截止阀，由PLC按照设定的真空低压铸造工艺参数及采集的压力信号进行计算并输出相应的控制信号，调节数字式组合阀的开度，使承压室内的压差按照设定的压差曲线进行变化；

步骤7：金属熔体在压力作用下，沿升液管进入铸型型腔，并在一定压力作用下凝固成形；

步骤8：凝固时间结束后，打开第四截止阀卸除承压室与铸型室之间的压差，关闭第二截止阀，打开第三截止阀排空，升起铸型罩和压型气缸，取走铸型，完成单次浇注。

进入下一次浇注准备。

有益效果

本发明提出的一种金属基复合材料真空低压铸造装置及铸造方法，将熔炼装置外部增加了承压室，与搅拌装置、抽真空功能及相应的气控系统，不仅可以实现金属基复合材料的真空熔炼及真空搅拌除气处理，提高金属基复合材料熔体的冶金质量，而且在低压铸造时可实现熔体持续搅拌，强化了坩埚内金属基复合材料熔体内悬浮颗粒的对流运动，促进了熔体成分的均匀性，进而保证低压铸造时不同时刻进入铸型型腔的熔体成分均匀一致，从而使所生产的金属基复合材料构件具有成分均匀、性能优良的特点。并且与真空吸铸相比，本发明采用的真空低压铸造方法适合生产的铸件类型更为广泛。

与现有技术相比，本发明可实现金属基复合材料的真空保护熔炼和真空搅拌除气处理，并在金属熔体持续搅拌情况下，由PLC控制气控系统实现优质复杂金属基复合材料构件的真空低压铸造成形的生产。所生产的铸件具有成分均匀性好、组织致密、力学性能高的特点。

附图说明

图1是设备主体部分和铸型室装置结构示意图

图2是气控系统的结构示意图

图中，1-承压室；2-举升油缸；3-导向杆；4-平板；5-熔化炉；6-坩埚；7-石墨搅拌头；8-升液管；9-下法兰；10-螺栓；11-第一密封圈；12-中隔板；13-动密封结构；14-旋转电机；15-搅拌杆；16-铸型室进排气接口；17-压型气缸；18-铸型室压力信号接口；19-提拉气缸；20-铸型罩；21-铸型；22-导向杆支架；23-第二密封圈；24-承压室气路接口；25-承压室压力信号接口；26-真空源；27-第一气动截止阀；28-节流阀；29-保护气体气源；30-第二气动截止阀；31-数字式组合阀；32-第三气动截止阀；33-第四气动截止阀。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

实施例1：参照图1和图2，本发明的镁基复合材料真空低压铸造装置包括设备主体部分、铸型室装置和气控系统，其中设备主体部分包括承压室1、举升油缸2、导向杆3、平板4、熔化炉5、坩埚6、石墨搅拌头7、升液管8、下法兰9、螺栓10、第一密封圈11、中隔板12、动密封结构13、旋转电机14、搅拌杆15，熔化炉5放置在平板4上，平板4与举升油缸2和导向杆3相连，熔化炉5、平板4、举升油缸2和导向杆3放置在承压室1内；中隔板12放在下法兰9上，下法兰9上放置有第一密封圈11，并由螺栓10将中隔板12固定密封；搅拌器固定在中隔板12上，搅拌器由石墨搅拌头7、搅拌杆15、动密封结构13及电机14组成，搅拌杆15通过中隔板12插入承压室1内，搅拌杆15与中隔板12之间采用动密封结构13实现动态密封，搅拌头7由电机14带动搅拌杆15一起旋转；升液管8通过中隔板12插入承压室1内，并固定密封在中隔板12上；升液管8及石墨搅拌头7伸入承压室1的长度由坩埚7内所熔化的金属液高度确定；承压室1上设计有承压室进排气接口24和承压室压力信号接口25，承压室压力信号接口25与压力传感器连接。

所述的铸型室装置包括铸型室进排气接口16、压型气缸17、铸型室压力信号接口18、提拉气缸19、铸型罩20、铸型21、导向杆支架22、第二密封圈23，导向杆支架22安装在中隔板12上，提拉气缸19固定在导向杆支架22上，提拉气缸19与铸型罩20相连接，铸型罩20下端设置有第二密封圈23，提拉气缸19的伸缩可实现铸型罩20的上下运动及与中隔板12的对接密封；压型气缸17固定在铸型罩20的上端，压型气缸17的上下运动可实现对铸型21的固定；铸型罩20上设置有铸型室进排气接口16和铸型室压力信号接口17；铸型21放置中隔板12上，铸型浇口与升液管8对接，并由压型气缸17压紧与升液管8密封；提拉气缸19的行程大于铸型21的高度，铸型室压力信号接口18与压差传感器连接。

所述的气控系统包括真空源26、第一气动截止阀27、节流阀28、保护气体气源29、第二气动截止阀30、数字式组合阀31、第三气动截止阀32、第四气动截止阀33，第二气动截止阀30的进气端与保护气体气源29连接，第二气动截止阀30的出气端与数字组合阀31进气端连接，数字组合阀31的出气端与第三气动截止阀32的进气端、第四气动截止阀33的进气端、节流阀28的进气端并联并与承压室进排气接口24连接，第三气动截止阀32的出气端直接通向大气，第四气动截止阀33的出气端与铸型室进排气接口16连接；第一气动截止阀27的出气端与真空源26连接，第一气动截止阀27的进气端与节流阀28的出气端连接。保护气体可以是惰性气体，也可以是SF₆、CO₂和压缩空气三种气体混合而成的保护气体。

基于上述装置实现镁基复合材料构件真空低压铸造生产的方法为：举升油缸2下降到最低处，将镁基复合材料铸锭放在坩埚6内，将搅拌器和升液管8固定在中隔板12上，并把中隔板12盖上用螺栓10把紧密封，在升液管8管口放置盲板并用压型气缸17压紧密封；熔化炉5通电加热，打开第一气动截止阀27对承压室1抽真空，使真空度达到-90KPa；当复合材料熔化后，举升油缸2将熔化炉5和坩埚6举升，使石墨搅拌头7和升液管8插入金属熔体中，并开始搅拌，使熔体内的气体在真空环境下实现除气处理；在熔体达到浇注温度710℃时，搅拌器持续搅拌，关闭第一气动截止阀27，打开第二气动截止阀30，并由PLC控制向承压室1内通入保护气体，使承压室1内压力为常压；取走盲板，放置铸型21，并由压型气缸17压紧，铸型罩20在提拉气缸19带动下下降并压紧密封；关闭第二气动截止阀30，打开第一气动截止阀27和第四气动截止阀33，对承压室1和铸型罩20内同时抽真空，由节流阀28调节抽真空速度确保承压室1和铸型罩20之间不出现压差，建立同步真空度-80KPa；然后关闭第一气动截止阀27和第四气动截止阀33，由PLC按照设定的真空低压铸造工艺参数，如充型速度50mm/s、充型压差50KPa、结晶保压时间8分钟等，打开第二气动截止阀30，并调节数字式组合阀31开度，使承压室1内的压差按照设定的压差曲线进行变化，金属熔体在压力作用下，沿升液管8进入铸型21型腔，并在一定压力作用下凝固成形；结晶保压时间结束后，打开第四气动截止阀33卸除承压室与铸型室之间的压差，关闭第二气动截止阀30，打开第三气动截止阀32排空，升起铸型罩20和压型气缸17，取走铸型21，完成单次浇注，进入下一次浇注准备。

Claims (4)

1.一种金属基复合材料真空低压铸造装置，包括熔炼装置、铸型室装置和气路；其特征在于：还包括承压装置、升降结构和抽真空气路；所述承压装置包括承压室(1)、中隔板(12)、承压室气路接口(24)和密封结构；所述升降结构包括举升油缸(2)、导向杆(3)和平板(4)；承压室(1)的底部设有举升油缸(2)和导向杆(3)，升油缸(2)和导向杆(3)上端设有平板(4)，承压室(1)的上部设有中隔板(12)，侧壁设有承压室气路接口(24)，在中隔板(12)与承压室(1)连接处设有密封结构；熔炼装置的熔化炉(5)和内置的坩埚(6)置于平板(4)，搅拌结构置于中隔板(12)上，其石墨搅拌头(7)通过中隔板(12)上的通孔和动密封结构(13)插入坩埚(6)内；铸型室装置置于中隔板(12)上，其升液管(8)通过中隔板(12)上的通孔插入坩埚(6)内；所述承压室气路接口(24)与抽真空气路连接。

2.根据权利要求1所述金属基复合材料真空低压铸造装置，其特征在于：所述承压室1的侧壁设有承压室压力信号接口(25)。

3.根据权利要求1所述金属基复合材料真空低压铸造装置，其特征在于：所述气路和抽真空气路包括真空源(26)、第一气动截止阀(27)、节流阀(28)、保护气体气源(29)、第二气动截止阀(30)、数字式组合阀(31)、第三气动截止阀(32)和第四气动截止阀(33)；真空源(26)管路连接第一气动截止阀(27)和节流阀(28)；保护气体气源(29)管路连接第二气动截止阀(30)和数字式组合阀(31)；两条管路与第三气动截止阀(32)并联后与承压室气路接口(24)连通，同时通过第四气动截止阀(33)与真空吸铸装置的铸型室进排气接口(16)连通。

4.一种采用权利要求1～3所述任一项金属基复合材料真空低压铸造装置进行铸造的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将举升油缸下降到最低处，将镁基复合材料铸锭放在坩埚内，将搅拌器和升液管固定在中隔板上，并把中隔板盖上用螺栓把紧密封，在升液管管口放置盲板并用压型气缸压紧密封；

步骤2：熔化炉通电加热，打开第一截止阀对承压室抽真空；当镁基复合材料熔化后，举升油缸启动将坩埚举升，使搅拌器和升液管插入金属熔体中并开始搅拌，使熔体在真空环境下实现除气处理；

步骤3：在熔体达到浇注温度时，搅拌器持续搅拌，关闭第一截止阀，打开第二截止阀，并由PLC控制向承压室内通入保护气体，使承压室内压力为常压；

步骤4：取走盲板，放置铸型，并由压型气缸压紧，铸型罩在举升气缸带动下下降并压紧密封；

步骤5：关闭第二截止阀，打开第一截止阀和第四截止阀，对承压室和铸型罩内同时抽真空，由节流阀调节实现承压室和铸型室内抽真空速度，建立同步真空度；

步骤6：达到设定的真空度后，关闭第一截止阀和第四截止阀，打开第二截止阀，由PLC按照设定的真空低压铸造工艺参数及采集的压力信号进行计算并输出相应的控制信号，调节数字式组合阀的开度，使承压室内的压差按照设定的压差曲线进行变化；

步骤7：金属熔体在压力作用下，沿升液管进入铸型型腔，并在一定压力作用下凝固成形；

步骤8：凝固时间结束后，打开第四截止阀卸除承压室与铸型室之间的压差，关闭第二截止阀，打开第三截止阀排空，升起铸型罩和压型气缸，取走铸型，完成单次浇注。

进入下一次浇注准备。