CN110508777A - 一种非晶合金立式压铸机和压铸方法 - Google Patents

一种非晶合金立式压铸机和压铸方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及非晶合金的真空压铸技术领域，公开了一种非晶合金立式压铸机和压铸方法。该非晶合金压铸机包括坩埚、真空系统、加热系统、压铸系统、模具、冷却系统和控制系统。其中，真空系统包括真空腔室、机械泵、分子泵和控制阀门；加热系统包括物料的熔化加热单元和模具的保温加热单元；压铸系统选用气动方式，用于完成陶瓷托盘的抽出和金属推杆的挤压；冷却系统包括冷水机组及相应管路，用于冷却真空系统、加热系统和模具；模具由纯铜制作而成。本发明的有益效果是，由于上述技术方案，本发明具有结构简单，使用方便，成型效果好，且制备的非晶合金制品内部无气孔；由于选用冷却速度大纯铜作为模具材质，非晶合金成分选择范围广泛。

Description

一种非晶合金立式压铸机和压铸方法
技术领域
本发明涉及非晶合金的真空压铸技术领域，尤其涉及适用于大块非晶合金的一种非晶合金立式压铸机和压铸方法。
背景技术
非晶合金是一种处于非晶态的金属固体材料，又被称为“金属玻璃”。非晶合金具有高强度、高硬度、高弹性等优良的机械性能，在电子、机械、光学等领域具有广泛的应用前景。
目前，大块非晶合金零件的制备一般在传统的卧室真空压铸机上实现，传统的卧室真空压铸机包括(如图1所示)：静止模具131及相连接的水平套筒121；可动模具132，相对于静止模具131，可以沿水平方向移动；感应熔炼炉111，用于加热母合金112；水平推杆122，用于挤压熔体进入型腔133；还包括真空系统(未在图1中绘出)，用于保证整个铸造过程在真空或惰性气体环境中实现。模具材质一般选用普通模具钢，采用电阻或加热油的方式确保模具保持相应的温度。
如图1顺序示出了卧室真空压铸机制备非晶合金零件的过程：第一步，真空机组将腔室抽至要求的真空度，再充入一定压力的保护气体，母合金112在保护气体的保护下采用感应加热的方式被熔化；第二步，将熔化的合金液体倾倒入水平套筒121；第三步，启动水平推杆122，将液态熔体挤入模具型腔133；第四步，移开可动模具132，将冷却的零件114取出。
为了能够确保充型完整，熔体须在液态或半固态的情况下被挤入型腔；所以，这种传统的真空压铸方式一般选用普通模具钢(导热系数远低于铜)，且模具需要保持一定的温度，熔体冷却速度低，非晶合金材料组分选择范围窄，这大大限制了其商业应用。
吸铸是另一种用于非晶合金零件的制备方法，其装置示意于图2所示，包括反应真空腔室210、抽气系统211、真空阀门212、电弧杆213、铜模具220、铜模具型腔221、熔化合金液体222。
图2所示吸铸法装置制备合金零件的过程为：在充满氩气保护的真空腔室210，采用电弧熔炼的方式将原料熔化成液体222，然后打开阀门212后抽气系统211将管路及模具下方的气体抽走，腔室210中的氩气将熔体222由底部小孔迅速挤入铜模具型腔221并在铜模具220的迅速冷却下形成非晶。
这种非晶零件制备方法无法制备相对复杂的大块非晶零件；而且制备的非晶零件内部含有气孔，这将导致零件的机械性能大大降低。
发明内容
本公开实施例公开了一种非晶合金立式压铸机和压铸方法，以解决现有技术的上述以及其他潜在问题中任一问题。
为了达到上述目的，本公开实施例公开了一种非晶合金立式压铸机,所述非晶合金立式压铸机包括：
一加热系统，用于对置于坩埚内的非晶合金原料加热并熔化，并对成型模具进行保温；
一真空系统，用于排出的空气，防止在加热时非晶合金原料被氧化；
一压铸系统，用于将熔化后的非晶合金熔体压入模具中；
一模具，用于对非晶合金熔体的进行成型；
一冷却系统，用于对所述加热系统、真空系统和模具进行冷却；
其中，所述压铸系统、加热系统和模具均设置在所述真空系统的真空腔室内部；且所述压铸系统、加热系统和模具从上到下依次设置；呈倒圆锥台型、且上下均开口的坩埚置于所述加热系统内；所述冷却系统设置在所述真空系统的真空腔室的外部；
所述控制系统分别与所述真空系统、加热系统、压铸系统和冷却系统控制连接。
根据本公开实施例，所述真空系统包括真空腔室、机械泵、分子泵和控制阀门；
其中，所述真空腔室的一侧设有排气口，所述排气口通过管路与所述机械泵和分子泵连接，所述控制阀门设置在所述排气口与所述机械泵之间的管路上。
根据本公开实施例，所述原料熔化加热单元包括高频感应线圈和红外测温装置；
所述高频感应线圈设置在所述坩埚的外侧，所述红外测温装置设置在所述坩埚的顶部用于测量非晶合金熔体温度；
所述保温加热单元包括电阻加热丝和热电偶，所述电阻加热丝设置在所述模具的外部，所述热电偶置于所述模具上相应圆孔内用于测量模具温度。
根据本公开实施例，所述压铸系统包括抽出单元和挤压单元；
其中，所述抽出单元包括陶瓷托盘、金属托杆和抽出气动缸，所述陶瓷托盘水平设置在所述坩埚的底部，并与所述坩埚的底部接触，所述金属托杆通过密封结构与真空腔室相连接，且所述金属托杆一端与所述陶瓷托盘固接，另一端与设置在所述真空腔室外部的所述抽出气动缸驱动连接；
所述挤压单元包括推杆和挤压气动缸；所述推杆通过密封结构设置在真空腔室的顶部，并与设置在真空腔室外部的挤压气动缸驱动连接。
根据本公开实施例，所述模具包括模具主体、模具型腔和石墨浇道，所述模具型腔设置在所述模具主体的内部，并与设置在所述模具顶部的入料口连通，所述石墨浇道设置在位于所述模具顶部的入料口一侧，所述石墨浇道位于入料口的一侧为导料部，所述导料部的端面为与所述模具的入料口竖直面呈15～60°倾斜的斜面。
根据本公开实施例，所述冷却系统为冷却机组和冷却管路(图上未显示)，所述冷却机组与所述冷却管路连接。
根据本公开实施例，所述控制阀门为挡板阀。
本公开实施例的另一目的提供一种采用上述的非晶合金立式压铸机的压铸方法，所述方法具体包括以下步骤：
S1将坩埚置于陶瓷托盘上，并将非晶合金原料放入坩埚内；关闭真空腔室；
S2)对真空腔室进行第一次抽真空；关闭控制阀门，充入氩气；再次抽真空，关闭挡板阀，再次充入氩气；
S3)启动高频感应线圈对坩埚内非晶合金原料加热；
S4)加热至非晶合金原料的熔体温度并保温，外部的抽出气动缸迅速抽走陶瓷托盘，坩埚中熔化的非晶合金原料落入石墨浇道上，并经石墨浇道进入模具型腔，间隔一定时间后，挤压气动缸启动，驱动推杆进一步压铸合金熔体完成充型并迅速冷却形成非晶制品；
S5)打开真空腔室盖门，取出零件即得到非晶合金零件。
根据本公开实施例，所述S4)中的熔体温度为980-1040℃，保温时间为15-30s，间隔时间为0.2-0.5s。
根据本公开实施例，所述S2)中第一次抽真空至真空度为6.5×10-4Pa-8.6×10- 4Pa；再次抽真空至真空度为6×10-4Pa-8×10-4Pa。
本发明的有益效果是，由于上述技术方案，本发明克服了传统卧室真空压铸机冷却速度慢、非晶合金成分选择范围窄以及吸铸方法无法制备复杂零件、零件内部含有气孔的缺点。具有结构简单，使用方便，成型效果好，且制备的非晶合金制品内部无气孔；由于选用冷却速度大纯铜作为模具材质，非晶合金成分选择范围广泛。
附图说明
图1为传统卧室非晶真空压铸机压流程示意图。
图2为吸铸方法制备非晶合金示意图。
图3为本发明一种非晶合金立式压铸机的结构示意图。
图4为本发明一种非晶合金立式压铸机的压铸示意图。
图5为实施例1所制作的非晶零件。
图6为实施例2所制作的非晶零件。
图7为实施例3所制作的非晶零件。
图中：
111.感应熔炼炉，112.母合金，121.水平套筒，122.水平推杆，131.静止模具，132.可动模具，13.型腔，
210.反应真空腔室，211.抽气系统，212.真空阀门，213.电弧杆，220.铜模具，221.模具成型腔，222.熔化合金液体，
311.真空腔室，312.挡板阀，313.分子泵，314.机械泵，321.高频感应线圈，322.坩埚，323.电阻加热丝，331.挤压气动缸，332.推杆，341、陶瓷托盘，342.金属托杆，343.抽出气动缸，344.模具，345.石墨浇道，346.模具型腔，351.非晶合金原料，352.非晶制品，353.红外测温装置，354.热电偶，355.密封结构，356.控制系统。
具体实施方式
为了进一步说明本发明的内容以下结合实例作进一步详细阐述；此处所提到的具体实施案例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图3-图4所示，本公开实施例公开了一种非晶合金立式压铸机,所述晶合金立式压铸机包括：坩埚、真空系统、加热系统、压铸系统、模具、冷却系统和控制系统；
所述坩埚，用于盛放非晶合金原料；
所述加热系统，用于对所述坩埚内非晶合金原料加热并熔化，并对成型模具进行保温；
所述真空系统，用于排出空气，防止原料被氧化；
所述压铸系统，用于将坩埚内熔化后的非晶合金熔体压入模具中；
所述模具，用于对被压入的非晶合金熔体的进行成型；
所述冷却系统，用于成型后的模具中非晶合金熔体的进行降温；
其中，所述加热系统包括原料熔化加热单元和模具的保温加热单元，所述坩埚设置在所述原料熔化加热单元内部，所述模具设置在所述保温加热单元内部，所述坩埚和所述压铸系统均设置在位于所述模具的入料口的上方，所述坩埚为倒圆锥台型，呈倒圆锥台型的所述坩埚上下均开口；
所述坩埚、压铸系统、加热系统和模具均位于所述真空系统的真空腔室内部；
所述冷却系统设置在所述真空系统的真空腔室的外部，并与所述真空腔联通；
所述控制系统与所述真空系统、加热系统、压铸系统和冷却系统控制连接。
根据本公开实施例，所述真空系统包括真空腔室、机械泵和控制阀门；
其中，所述真空腔室的一侧设有排气口，所述排气口通过管路与所述机械泵连接，所述控制阀门设置在所述排气口与所述机械泵连接的管路上。
根据本公开实施例，所述料熔化加热单元包括高频感应线圈和红外测温装置；
所述高频感应线圈设置在所述坩埚的外侧，所述红外测温装置设置在所述坩埚的顶部用于测量非晶合金熔体温度；
所述保温加热单元包括电阻加热丝和热电偶置，所述电阻加热丝设置在所述模具的外部，所述热电偶置于所述模具上相应圆孔内用于测量模具温度。
根据本公开实施例，所述压铸系统包括抽出单元和挤压单元；
其中，所述抽出单元包括陶瓷托盘、金属托杆和抽出气动缸，所述陶瓷托盘水平设置在所述坩埚的底部，并与所述坩埚的底部接触，所述托杆通过密封结构与真空腔室相连接，且所述金属托杆一端与所述陶瓷托盘固接，另一端与设置在所述真空腔室外部的所述抽出气动缸驱动连接；
所述挤压单元包括推杆和挤压气动缸；所述推杆通过密封结构设置在真空腔室的顶部，并与设置在真空腔室外部的挤压气动缸驱动连接。
根据本公开实施例，所述包括模具主体、模具型腔和石墨浇道，所述模具型腔设置在所述模具主体的内部，并与设置在所述模具顶部的入料口连通，所述石墨浇道设置在位于所述模具顶部的入料口一侧，所述石墨浇道位于入料口的一侧为导料部，所述导料部为与所述模具的入料口竖直面呈15～60°倾斜的斜面。
所述冷却系统为分子泵。
所述控制阀门为挡板阀。
本公开实施例另一目的是提出一种采用上述的非晶合金立式压铸机的非晶合金压铸方法，所述方法具体包括以下步骤：
S1)将坩埚置于陶瓷托盘上，并将非晶合金原料放入坩埚内；关闭真空腔室；
S2)对真空腔室进行第一次抽真空；关闭控制阀门，充入氩气；再次抽真空，关闭挡板阀，再次充入氩气；
S3)启动加热系统对坩埚内非晶合金原料加热；
S4)加热至非晶合金原料的熔体温度并保持一定时间，外部的抽出气动缸驱动迅速抽走陶瓷托盘，熔化的物料落入石墨浇道上，并经石墨浇道进入模具型腔，间隔一定时间，挤压气动缸启动，驱动推杆进一步压铸合金液体完成充型并迅速冷却形成非晶制品(如图4所示)；
S5)打开真空腔室盖门，取出零件即得到非晶合金零件。
根据本公开实施例，所述S4)中的温度为980-1040℃，保持时间为15-30s，间隔时间为0-5s。
根据本公开实施例，所述S2)中第一次抽真空至真空度为6.5×10-4Pa-8.6×10- 4Pa，再次抽真空至真空度为6×10-4Pa-8×10-4Pa。
实施例1：
所选用的合金成分为Zr45Cu40Ag8Al7，具体步骤如下：
步骤一、将石英坩埚322置于陶瓷托盘341上，并将非晶合金原料原料351放入管状石英坩埚322内；
步骤二、关闭真空腔室311；
步骤三、对真空腔室311抽真空；真空度达到6.5×10-4Pa，关闭挡板阀312，充入氩气；再次抽真空，真空度达到6×10-4Pa后，关闭挡板阀312，再次充入氩气；
步骤四、启动高频感应线圈321对非晶合金原料351加热；
步骤五、当熔体温度达到980℃并保持30秒，外部的抽出气动缸343迅速抽走陶瓷托盘341，熔化的物料落入石墨浇道345，并经石墨浇道345进入模具型腔346，经过0.2秒的时间间隔，挤压气动缸331启动，推杆332进一步压铸熔融合金液体完成充型并迅速冷却形成非晶制品352。
步骤六、打开真空腔室311盖门，取出零件352；如图5所示为制作的非晶零件。
实施例2：
所选用的合金成分为Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5，具体步骤如下：
步骤一、将石英坩埚322置于陶瓷托盘341上，并将非晶合金原料原料351放入管状石英坩埚322内；
步骤二、关闭真空腔室311；
步骤三、对真空腔室311抽真空；真空度达到7.5×10-4Pa，关闭挡板阀312，充入氩气；再次抽真空，真空度达到7×10-4Pa后，关闭挡板阀312，再次充入氩气；
步骤四、启动高频感应线圈321对非晶合金原料351加热；
步骤五、当熔体温度达到1000℃并保持30秒，外部的抽出气动缸343迅速抽走陶瓷托盘341，熔化的物料351落入石墨浇道345，并经浇道进入模具型腔346，经过0.2秒的时间间隔，挤压气动缸331启动，推杆332进一步压铸合金液体完成充型并迅速冷却形成非晶制品352。
步骤六、打开真空腔室311盖门，取出零件352；如图6所示为制作的非晶零件。
实施例3：
所选用的合金成分为Ti37.31Zr22.75Be25.48Fe5.46Cu9，具体步骤如下：
步骤一、将石英坩埚322置于陶瓷托盘341上，并将非晶合金原料原料351放入管状石英坩埚322内；
步骤二、关闭真空腔室311；
步骤三、对真空腔室311抽真空；真空度达到8.6×10-4Pa，关闭挡板阀312，充入氩气；再次抽真空，真空度达到8×10-4Pa后，关闭挡板阀312，再次充入氩气；
步骤四、启动高频感应线圈321对非晶合金原料351加热；
步骤五、当熔体温度达到1020℃并保持20秒，外部的抽出气动缸343迅速抽走陶瓷托盘341，熔化的非晶合金物料351落入石墨浇道345，并经石墨浇道345进入模具型腔346，经过0.2秒的时间间隔，挤压气动缸331启动，推杆332进一步压铸合金液体完成充型并迅速冷却形成非晶制品352。
步骤六、打开真空腔室311盖门，取出零件352；图6为制作的非晶零件。
本发明一种非晶合金立式压铸机和压铸方法。该非晶合金压铸机包括坩埚、真空系统、加热系统、压铸系统、模具、冷却系统和控制系统。其中，真空系统包括真空腔室、机械泵、分子泵和控制阀门；加热系统包括物料的熔化加热单元和模具的保温加热单元；压铸系统选用气动方式，用于完成陶瓷托盘的抽出和金属推杆的挤压；冷却系统包括冷水机组及相应管路，用于冷却真空系统、加热系统和模具；模具由纯铜制作而成。本发明的有益效果是，由于上述技术方案，本发明具有结构简单，使用方便，成型效果好，且制备的非晶合金制品内部无气孔；由于选用冷却速度大纯铜作为模具材质，非晶合金成分选择范围广泛。
本文虽然已经给出了本发明的几个实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。

Claims (10)

1.一种非晶合金立式压铸机,其特征在于，所述非晶合金立式压铸机包括：
一加热系统，用于对置于坩埚内的非晶合金原料加热并熔化，并对成型模具进行保温；
一真空系统，用于排出的空气，防止在加热时非晶合金原料被氧化；
一压铸系统，用于将熔化后的非晶合金熔体压入模具中；
一模具，用于对非晶合金熔体的进行成型；
一冷却系统，用于对所述加热系统、真空系统和模具进行冷却；
其中，所述压铸系统、加热系统和模具均设置在所述真空系统的真空腔室内部；且所述压铸系统、加热系统和模具从上到下依次设置；呈倒圆锥台型、且上下均开口的坩埚置于所述加热系统内；所述冷却系统设置在所述真空系统的真空腔室的外部；
所述控制系统分别与所述真空系统、加热系统、压铸系统和冷却系统控制连接。
2.根据权利要求1所述的非晶合金立式压铸机，其特征在于，所述真空系统包括真空腔室、机械泵、分子泵和控制阀门；
其中，所述真空腔室的一侧设有排气口，所述排气口通过管路与所述机械泵和分子泵连接，所述控制阀门设置在所述排气口与所述机械泵之间的管路上。
3.根据权利要求1所述的非晶合金立式压铸机，其特征在于，所述原料熔化加热单元包括高频感应线圈和红外测温装置；
所述高频感应线圈设置在所述坩埚的外侧，所述红外测温装置设置在所述坩埚的顶部用于测量非晶合金熔体温度；
所述保温加热单元包括电阻加热丝和热电偶，所述电阻加热丝设置在所述模具的外部，所述热电偶置于所述模具上相应圆孔内用于测量模具温度。
4.根据权利要求1所述的非晶合金立式压铸机，其特征在于，所述压铸系统包括抽出单元和挤压单元；
其中，所述抽出单元包括陶瓷托盘、金属托杆和抽出气动缸，所述陶瓷托盘水平设置在所述坩埚的底部，并与所述坩埚的底部接触，所述金属托杆通过密封结构与真空腔室相连接，且所述金属托杆一端与所述陶瓷托盘固接，另一端与设置在所述真空腔室外部的所述抽出气动缸驱动连接；
所述挤压单元包括推杆和挤压气动缸；所述推杆通过密封结构设置在真空腔室的顶部，并与设置在真空腔室外部的挤压气动缸驱动连接。
5.根据权利要求1所述的非晶合金立式压铸机，其特征在于，所述模具包括模具主体、模具型腔和石墨浇道，所述模具型腔设置在所述模具主体的内部，并与设置在所述模具顶部的入料口连通，所述石墨浇道设置在位于所述模具顶部的入料口一侧，所述石墨浇道位于入料口的一侧为导料部，所述导料部的端面为与所述模具的入料口竖直面呈15～60°倾斜的斜面。
6.根据权利要求1所述的非晶合金立式压铸机，其特征在于，所述冷却系统为冷却机组和冷却管路，所述冷却机组与所述冷却管路连接。
7.根据权利要求2所述的非晶合金立式压铸机，其特征在于，所述控制阀门为挡板阀。
8.一种采用如权利要求1-7任一项所述的非晶合金立式压铸机的压铸方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：
S1)将坩埚置于陶瓷托盘上，并将非晶合金原料放入坩埚内；关闭真空腔室；
S2)对真空腔室进行第一次抽真空；关闭控制阀门，充入氩气；再次抽真空，关闭挡板阀，再次充入氩气；
S3)启动高频感应线圈对坩埚内非晶合金原料加热；
S4)加热至非晶合金原料的熔体温度并保温，外部的抽出气动缸迅速抽走陶瓷托盘，坩埚中熔化的非晶合金原料落入石墨浇道上，并经石墨浇道进入模具型腔，间隔一定时间后，挤压气动缸启动，驱动推杆进一步压铸合金熔体完成充型并迅速冷却形成非晶制品；
S5)打开真空腔室盖门，取出零件即得到非晶合金零件。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述S4)中的熔体温度为980-1040℃，保温时间为15-30s，间隔时间为0.2-0.5s。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述S2)中第一次抽真空至真空度为6.5×10-4Pa-8.6×10-4Pa；再次抽真空至真空度为6×10-4Pa-8×10-4Pa。
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