CN110026541A - 超薄壁高气密性铝合金件真空熔炼、变压力凝固成型方法 - Google Patents

超薄壁高气密性铝合金件真空熔炼、变压力凝固成型方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于铝合金制造技术领域，公开了一种超薄壁高气密性铝合金件真空熔炼、变压力凝固成型方法，在真空罐体内设置中频感应加热炉，加热炉坩埚采用5～8mm厚石英坩埚，石英纯度不低于99.99％；将预热至300～350℃的铝合金锭放置在石英坩埚内，关闭真空罐侧门，以真空置换的方式对罐体内进行真空化处理；熔体从铸件最底层向上充型；当熔体到达冒口顶部时，此时主压力阀开启，开启罐体放气阀，直至罐体内外压力一致，开罐取出铸件。降低了使用高纯氩气熔炼保护的成本，也降低了对真空罐的高气密性要求，在较低成本下可获得高质量的铝合金熔体。

Description

超薄壁高气密性铝合金件真空熔炼、变压力凝固成型方法
技术领域
本发明属于铝合金制造技术领域，尤其涉及一种超薄壁高气密性铝合金件真空熔炼、变压力凝固成型方法。
背景技术
目前，业内常用的现有技术是这样的：
随着航空航天领域减重需求愈发强烈，铝合金铸件向着薄壁与超薄壁方向发展。对于具有气密性要求的超薄壁航空导管类产品，因其在三维方向呈现弯曲变截面特性，一般需要采用熔模铸造工艺，在真空下完成熔炼浇注工序，以保证其低氧化夹杂含量和良好充型效果。
现有技术中，虽然存在针对铝合金真空熔炼和真空浇注的技术和方法，但是针对高洁净度需求、单次低浇注量和高充型性要求的超薄壁导管类产品，现有技术难以保证产品质量。
通过文献检索发现，在申请公布号为CN105087968A中国专利中，记载了一种真空熔炼浇注生产铝合金铸件的优化生产方法。该专利将铸型型壳与熔炼炉同时置于同一真空容器内，以实现在真空下熔炼和浇注成型的过程。该方法简化了生产流程，实现了铝合金熔体从熔炼到浇注凝固都在全真空环境下完成，熔体氧化夹杂能得到有效控制。该方法简化了生产流程，实现了铝合金熔体从熔炼到浇注凝固都在全真空环境下完成，熔体氧化夹杂能得到有效控制。但是该专利未对熔炼时间进行改进和控制，当用该方法生产超薄壁铝合金导管时，由于铸型较小，当铸型从焙烧炉里转移至真空罐内以后，铸型就开始快速降温，如果不对熔炼时间加以控制，长时间熔炼将导致铸型温度过低，降低充型效果；另外该专利的凝固压力为常压，难以保证内部承压铸件保证气密性。
经文献检索发现，在申请公布号为CN10728819B中国专利中，记载了一种一体化真空熔炼精确定量浇注铝合金和镁合金装置及方法。该方法通过设置第一和第二坩埚，实现熔炼和浇注工序的分离，熔炼全程熔体无氧化，而且可实现液位测量和转液量控制。但是该技术转液过程的压力为5～10MPa，对于密度为2.5g/cm3的铝合金熔体熔体来说，该压力可导致熔体呈现高速流动状态，不适合小型薄壁铸件浇注成形。另外，该方法的第二个坩埚仅支持在重力作用下流入铸造型腔，不能保证每次浇注过程合金熔体的全部浇注完成，而且第二个坩埚内的密封和转液机构复杂，不利于每次浇注后都进行坩埚清理，这就易导致合金熔体二次浇注污染。
综上所述，现有技术存在的问题是：
(1)针对高洁净度需求、单次低浇注量和高充型性要求的超薄壁导管类产品，现有技术难以保证产品质量。
(2)长时间熔炼导致铸型溫度过低，降低充型效果；且凝固压力为常压，难以保证内部承压铸件保证气密性。
(3)熔体呈现高速流动状态，不适合小型薄壁铸件浇注成形。而且不能保证每次浇注过程合金熔体的全部浇注完成，不利于每次浇注后都进行坩埚清理，这就易导致合金熔体二次浇注污染。
解决上述技术问题的难度和意义：
本发明提供的超薄壁高气密性铝合金件真空熔炼、变压力凝固成型方法，操作简单，集成度高，易于在工业生产中大规模推广应用，对于促进铝合金铸件在航空航天领域的推广应用具有重要意义。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种超薄壁高气密性铝合金件真空熔炼、变压力凝固成型方法。该方法熔化效率高、氧化夹杂少、工序紧凑、兼顾薄壁充型效果和组织致密度的超薄壁高气密性铝合金件真空熔炼、变压力凝固成型方法。而且操作简单，集成度高，易于在工业生产中大规模推广应用，对于促进铝合金铸件在航空航天领域推广应用具有重要意义。
本发明是这样实现的，一种超薄壁高气密性铝合金件真空熔炼、变压力凝固成型方法，所述超薄壁高气密性铝合金件真空熔炼、变压力凝固成型方法采用中频感应加热铝合金，熔炼环境为氮气洗涤后的低真空环境；采用高纯度石英坩埚作为熔炼容器，加入铝合金材料，实现一次加料全部浇注；在熔体充型过程中，保证铸件不同高度最远端良好充型，提高铸件凝固压力。
进一步，所述超薄壁高气密性铝合金件真空熔炼、变压力凝固成型方法包括以下步骤：
步骤一，在真空罐体内设置中频感应加热炉，加热炉坩埚采用5～8mm厚石英坩埚，石英纯度不低于99.99％；
步骤二，将预热至300～350℃的铝合金锭放置在石英坩埚内，关闭真空罐侧门，以真空置换的方式对罐体内进行真空化处理；
步骤三，当熔体完成铸件第1层结构充型后，1号导线实现导通，此时1号压力阀开启，将真空罐内压力调整至-0.03～-0.02MPa；当熔体完成铸件第2层结构充型后，2号导线实现导通，此时2号压力阀开启，将真空罐内压力调整至-0.01～-0.005MPa；当熔体完成铸件第3层结构充型后，3号导线实现导通，此时3号压力阀开启，将真空罐内压力调整至0.1～0.2MPa；当熔体完成铸件第4层结构充型后，4号导线实现导通，此时4号压力阀开启，将真空罐内压力调整至0.3～0.36MPa；随后保压260～340s后，开启罐体放气阀，直至罐体内外压力一致，开罐取出铸件。
进一步，所述步骤一中将预热至280～320℃的铸型放置在加热炉下方，铸型内沿着重力方向的不同高度，分别在熔体充型最远端位置放置4层次不锈钢导线，导线末端与真空罐压力调控系统相连。
进一步，所述步骤二中以真空置换的方式对罐体内进行真空化处理，真空稳定后继续将罐内真空抽至-0.08～-0.09MPa，然后向罐体内通入纯度为99.99％的氮气，使罐内压力达到0.26～0.3MPa，然后再对真空罐进行抽真空，使得罐内真空度达-0.05～-0.06MPa，罐体内常压-真空高压-真空的转换过程在150～180s内完成；当真空罐第一次抽真空时，中频感应炉就开始通电熔化铝合金，并在350～380s内将铝合金全部熔化，当熔体温度达到710～720℃时，保温20～40s，断开加热炉电源，倾转感应炉，开始浇注铸件。
本发明的另一目的在于提供一种由所述超薄壁高气密性铝合金件真空熔炼、变压力凝固成型方法得到的超薄壁高气密性铝合金构件，所述超薄壁高气密性铝合金构件的铸件在0.08～0.12MPa气压下进行气密性测试，保压60分钟后，压降不大于0.0025MPa，铸件主体壁厚为1±0.2mm，璧厚差不大于±0.15mm，铸件内部质量为1级。
本发明的另一目的在于提供一种由所述超薄壁高气密性铝合金件真空熔炼、变压力凝固成型方法制造的铝合金铸件。
本发明的另一目的在于提供一种包含所述铝合金铸件的汽车。
本发明的另一目的在于提供一种包含所述铝合金铸件的飞机
本发明的另一目的在于提供一种包含所述铝合金铸件的航天器。
本发明的另一目的在于提供一种包含所述铝合金铸件的发动机。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：
本发明采用中频感应加热铝合金，熔炼周期短，熔炼环境为氮气洗涤后的低真空环境，不仅避免使用高纯氩气熔炼保护的成本，也降低了对真空罐的高气密性要求，在较低成本下可获得高质量的铝合金熔体；采用高纯度石英坩埚作为熔炼容器，通过定量加入铝合金材料，实现一次加料全部浇注，铝合金材料高效利用，工艺简单熔体无污染；在熔体充型过程中，在保证铸件不同高度最远端良好充型的前提下，提高铸件凝固压力，使得在不同时间凝固铸件组织的致密度不受到熔体凝固析气的影响，保证各凝固阶段铸件内部质量；铸件在0.08～0.12MPa气压下进行气密性测试，保压60分钟后，压降不大于0.0025MPa，铸件主体壁厚为1±0.2mm，璧厚差不大于±0.15mm，铸件内部质量为1级。
本发明提供了一种熔化效率高、氧化夹杂少、工序紧凑、兼顾薄壁充型效果和组织致密度的超薄壁高气密性铝合金件真空熔炼、变压力凝固成型方法。本方法操作简单，集成度高，易于在工业生产中大规模推广应用，对于促进铝合金铸件在航空航天领域的推广应用具有重要意义。
附图说明
图1是本发明实施例提供的超薄壁高气密性铝合金件真空熔炼、变压力凝固成型方法流程图。
图2是本发明实施例提供的真空罐结构示意图。
图中：1、真空罐体；2、中频感应炉；3、石英坩埚；4、真空阀；5、第一压力阀；6、第二压力阀；7、第三压力阀；8、第四压力阀；9、真空罐侧门；10、真空罐压力调控系统；11、第一导线；12、第二导线；13、第三导线；14、第四导线；15、放气阀；16、铸型。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的结构作详细的描述。
如图2所示，本发明实施例提供的真空罐包括：
真空罐体1、中频感应炉2、石英坩埚3、真空阀4、第一压力阀5、第二压力阀6、第三压力阀7、第四压力阀8、真空罐侧门9、真空罐压力调控系统10、第一导线11、第二导线12、第三导线13、第四导线14、放气阀15、铸型16；
真空罐体1内部通过螺栓固定有中频感应炉2；中频感应炉2上部嵌装有石英坩埚3；真空罐体1上部连通有真空阀4、第一压力阀5、第二压力阀6、第三压力阀7和第四压力阀8；真空罐体1右侧开设有真空罐侧门9；真空罐体1内部通过螺栓固定有真空罐压力调控系统10；真空罐压力调控系统10通过第一导线11、第二导线12、第三导线13和第四导线14与铸型16连接；真空罐体1下部连通有放气阀15；铸型16通过螺栓固定于真空罐体1内侧。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1、2所示，本发明实施例提供的超薄壁高气密性铝合金件真空熔炼、变压力凝固成型方法包括以下步骤：
S101：在真空罐体内设置中频感应加热炉，加热炉坩埚采用5～8mm厚石英坩埚，石英纯度不低于99.99％；将预热至280～320℃的铸型放置在加热炉下方，铸型内沿着重力方向的不同高度，分别在熔体充型最远端位置放置4层次不锈钢导线，导线末端与真空罐压力调控系统相连；
S102：将预热至300～350℃的铝合金锭放置在石英坩埚内，关闭真空罐侧门，以真空置换的方式对罐体内进行真空化处理，真空稳定后继续将罐内真空抽至-0.08～-0.09MPa，然后向罐体内通入纯度为99.99％的氮气，使罐内压力达到0.26～0.3MPa，然后再对真空罐进行抽真空，使得罐内真空度达-0.05～-0.06MPa，罐体内常压-真空高压-真空的转换过程在150～180s内完成；当真空罐第一次抽真空时，中频感应炉就开始通电熔化铝合金，并在350～380s内将铝合金全部熔化，当熔体温度达到710～720℃时，保温20～40s，断开加热炉电源，倾转感应炉，开始浇注铸件；
S103：当熔体完成铸件第1层结构充型后，1号导线实现导通，此时1号压力阀开启，将真空罐内压力调整至-0.03～-0.02MPa；当熔体完成铸件第2层结构充型后，2号导线实现导通，此时2号压力阀开启，将真空罐内压力调整至-0.01～-0.005MPa；当熔体完成铸件第3层结构充型后，3号导线实现导通，此时3号压力阀开启，将真空罐内压力调整至0.1～0.2MPa；当熔体完成铸件第4层结构充型后，4号导线实现导通，此时4号压力阀开启，将真空罐内压力调整至0.3～0.36MPa；随后保压260～340s后，开启罐体放气阀，直至罐体内外压力一致，开罐取出铸件。
本发明采用中频感应加热铝合金，熔炼周期短，熔炼环境为氮气洗涤后的低真空环境，不仅避免使用高纯氩气熔炼保护的成本，也降低了对真空罐的高气密性要求，在较低成本下可获得高质量的铝合金熔体；采用高纯度石英坩埚作为熔炼容器，通过定量加入铝合金材料，实现一次加料全部浇注，铝合金材料高效利用，工艺简单熔体无污染；在熔体充型过程中，在保证铸件不同高度最远端良好充型的前提下，提高铸件凝固压力，使得在不同时间凝固铸件组织的致密度不受到熔体凝固析气的影响，保证各凝固阶段铸件内部质量；铸件在0.08～0.12MPa气压下进行气密性测试，保压60分钟后，压降不大于0.0025MPa，铸件主体壁厚为1±0.2mm，璧厚差不大于±0.15mm，铸件内部质量为1级。
下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步的描述。
实施例1：ZL101A铝合金导管铸件
1.在真空罐体内设置中频感应加热炉，加热炉坩埚采用5mm厚石英坩埚，石英纯度为99.991％；将预热至305℃的铸型放置在加热炉下方，铸型内沿着重力方向的不同高度，分别在熔体充型最远端位置放置4层次不锈钢导线，导线末端与真空罐压力调控系统相连。
2.将预热至300℃的铝合金锭放置在石英坩埚内，关闭真空罐侧门，以真空置换的方式对罐体内进行真空化处理，真空稳定后继续将罐内真空抽至-0.09MPa，然后向罐体内通入纯度为99.99％的氮气，使罐内压力达到0.3MPa，然后再对真空罐进行抽真空，使得罐内真空度达-0.06MPa，罐体内常压-真空高压-真空的转换过程在150s内完成；当真空罐第一次抽真空时，中频感应炉就开始通电熔化铝合金，并在350s内将铝合金全部熔化，当熔体温度达到710℃时，保温40s，断开加热炉电源，倾转感应炉，开始浇注铸件。
3.当熔体完成铸件第1层结构充型后，1号导线实现导通，此时1号压力阀开启，将真空罐内压力调整至-0.02MPa；当熔体完成铸件第2层结构充型后，2号导线实现导通，此时2号压力阀开启，将真空罐内压力调整至-0.01MPa；当熔体完成铸件第3层结构充型后，3号导线实现导通，此时3号压力阀开启，将真空罐内压力调整至0.1MPa；当熔体完成铸件第4层结构充型后，4号导线实现导通，此时4号压力阀开启，将真空罐内压力调整至0.3MPa；随后保压260s后，开启罐体放气阀，直至罐体内外压力一致，开罐取出铸件。
ZL101A铸件在0.08MPa气压下进行气密性测试，保压60分钟后，压降为0.0021MPa，铸件主体壁厚为1.2mm，璧厚差为±0.07mm，铸件内部质量为1级。
实施例2：ZL114A铝合金导管铸件
1.在真空罐体内设置中频感应加热炉，加热炉坩埚采用7mm厚石英坩埚，石英纯度为99.99％；将预热至280℃的铸型放置在加热炉下方，铸型内沿着重力方向的不同高度，分别在熔体充型最远端位置放置4层次不锈钢导线，导线末端与真空罐压力调控系统相连。
2.将预热至332℃的铝合金锭放置在石英坩埚内，关闭真空罐侧门，以真空置换的方式对罐体内进行真空化处理，真空稳定后继续将罐内真空抽至-0.08MPa，然后向罐体内通入纯度为99.99％的氮气，使罐内压力达到0.26MPa，然后再对真空罐进行抽真空，使得罐内真空度达-0.054MPa，罐体内常压-真空高压-真空的转换过程在166s内完成；当真空罐第一次抽真空时，中频感应炉就开始通电熔化铝合金，并在370s内将铝合金全部熔化，当熔体温度达到714℃时，保温29s，断开加热炉电源，倾转感应炉，开始浇注铸件。
3.当熔体完成铸件第1层结构充型后，1号导线实现导通，此时1号压力阀开启，将真空罐内压力调整至-0.025MPa；当熔体完成铸件第2层结构充型后，2号导线实现导通，此时2号压力阀开启，将真空罐内压力调整至-0.005MPa；当熔体完成铸件第3层结构充型后，3号导线实现导通，此时3号压力阀开启，将真空罐内压力调整至0.2MPa；当熔体完成铸件第4层结构充型后，4号导线实现导通，此时4号压力阀开启，将真空罐内压力调整至0.32MPa；随后保压300s后，开启罐体放气阀，直至罐体内外压力一致，开罐取出铸件。
ZL114A铸件在0.12MPa气压下进行气密性测试，保压60分钟后，压降为0.002MPa，铸件主体壁厚为0.8mm，璧厚差为±0.11mm，铸件内部质量为1级。
实施例3：ZL205A铝合金导管铸件
1.在真空罐体内设置中频感应加热炉，加热炉坩埚采用8mm厚石英坩埚，石英纯度为99.992％；将预热至320℃的铸型放置在加热炉下方，铸型内沿着重力方向的不同高度，分别在熔体充型最远端位置放置4层次不锈钢导线，导线末端与真空罐压力调控系统相连。
2.将预热至350℃的铝合金锭放置在石英坩埚内，关闭真空罐侧门，以真空置换的方式对罐体内进行真空化处理，真空稳定后继续将罐内真空抽至-0.086MPa，然后向罐体内通入纯度为99.99％的氮气，使罐内压力达到0.28MPa，然后再对真空罐进行抽真空，使得罐内真空度达-0.05MPa，罐体内常压-真空高压-真空的转换过程在180s内完成；当真空罐第一次抽真空时，中频感应炉就开始通电熔化铝合金，并在380s内将铝合金全部熔化，当熔体温度达到720℃时，保温20s，断开加热炉电源，倾转感应炉，开始浇注铸件。
3.当熔体完成铸件第1层结构充型后，1号导线实现导通，此时1号压力阀开启，将真空罐内压力调整至-0.03MPa；当熔体完成铸件第2层结构充型后，2号导线实现导通，此时2号压力阀开启，将真空罐内压力调整至-0.008MPa；当熔体完成铸件第3层结构充型后，3号导线实现导通，此时3号压力阀开启，将真空罐内压力调整至0.17MPa；当熔体完成铸件第4层结构充型后，4号导线实现导通，此时4号压力阀开启，将真空罐内压力调整至0.36MPa；随后保压340s后，开启罐体放气阀，直至罐体内外压力一致，开罐取出铸件。
ZL205铝合金导管铸件在0.1MPa气压下进行气密性测试，保压60分钟后，压降为0.0025MPa，铸件主体壁厚为1mm，璧厚差为±0.15mm，铸件内部质量为1级。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超薄壁高气密性铝合金件真空熔炼、变压力凝固成型方法，其特征在于，所述超薄壁高气密性铝合金件真空熔炼、变压力凝固成型方法采用中频感应加热铝合金，熔炼环境为氮气洗涤后的低真空环境；采用高纯度石英坩埚作为熔炼容器，加入铝合金材料，实现一次加料全部浇注；在熔体充型过程中，保证铸件不同高度最远端良好充型，提高铸件凝固压力。
2.如权利要求1所述的超薄壁高气密性铝合金件真空熔炼、变压力凝固成型方法，其特征在于，所述超薄壁高气密性铝合金件真空熔炼、变压力凝固成型方法包括以下步骤：
步骤一，在真空罐体内设置中频感应加热炉，加热炉坩埚采用5～8mm厚石英坩埚，石英纯度不低于99.99％；
步骤二，将预热至300～350℃的铝合金锭放置在石英坩埚内，关闭真空罐侧门，以真空置换的方式对罐体内进行真空化处理；
步骤三，当熔体完成铸件第1层结构充型后，1号导线实现导通，此时1号压力阀开启，将真空罐内压力调整至-0.03～-0.02MPa；当熔体完成铸件第2层结构充型后，2号导线实现导通，此时2号压力阀开启，将真空罐内压力调整至-0.01～-0.005MPa；当熔体完成铸件第3层结构充型后，3号导线实现导通，此时3号压力阀开启，将真空罐内压力调整至0.1～0.2MPa；当熔体完成铸件第4层结构充型后，4号导线实现导通，此时4号压力阀开启，将真空罐内压力调整至0.3～0.36MPa；随后保压260～340s后，开启罐体放气阀，直至罐体内外压力一致，开罐取出铸件。
3.如权利要求2所述的超薄壁高气密性铝合金件真空熔炼、变压力凝固成型方法，其特征在于，所述步骤一中将预热至280～320℃的铸型放置在加热炉下方，铸型内沿着重力方向的不同高度，分别在熔体充型最远端位置放置4层次不锈钢导线，导线末端与真空罐压力调控系统相连。
4.如权利要求2所述的超薄壁高气密性铝合金件真空熔炼、变压力凝固成型方法，其特征在于，所述步骤二中以真空置换的方式对罐体内进行真空化处理，真空稳定后继续将罐内真空抽至-0.08～-0.09MPa，然后向罐体内通入纯度为99.99％的氮气，使罐内压力达到0.26～0.3MPa，然后再对真空罐进行抽真空，使得罐内真空度达-0.05～-0.06MPa，罐体内常压-真空高压-真空的转换过程在150～180s内完成；当真空罐第一次抽真空时，中频感应炉就开始通电熔化铝合金，并在350～380s内将铝合金全部熔化，当熔体温度达到710～720℃时，保温20～40s，断开加热炉电源，倾转感应炉，开始浇注铸件。
5.一种由权利要求1～4任意一项所述超薄壁高气密性铝合金件真空熔炼、变压力凝固成型方法得到的超薄壁高气密性铝合金构件，其特征在于，所述超薄壁高气密性铝合金构件的铸件在0.08～0.12MPa气压下进行气密性测试，保压60分钟后，压降不大于0.0025MPa，铸件主体壁厚为1±0.2mm，璧厚差不大于±0.15mm，铸件内部质量为1级。
6.一种由权利要求1～4任意一项所述超薄壁高气密性铝合金件真空熔炼、变压力凝固成型方法制造的铝合金铸件。
7.一种包含权利要求6所述铝合金铸件的汽车。
8.一种包含权利要求6所述铝合金铸件的飞机。
9.一种包含权利要求6所述铝合金铸件的航天器。
10.一种包含权利要求6所述铝合金铸件的发动机。
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