CN113319267A - 悬浮熔炼设备配备的挤压铸造装置和悬浮熔炼-挤压铸造的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种在悬浮熔炼设备中配备挤压铸造装置和实现悬浮熔炼‑挤压铸造的方法，包括悬浮熔炼设备和挤压铸造装置，挤压铸造装置包括模具装置压机装置，通过模具装置中的模具、压杆和压头，对液态物料进行挤压。在压力作用下凝固时，物料中一旦出现微裂纹，高温物料在压力作用下能即使进行填充以发生“焊合”使微裂纹被消除。本发明可以对熔炼得到的液态物料在铸造后直接施加压力，获得无铸造缺欠高致密度的优质铸造产品，适合于制备高端金属材料的坯料，特别适合于在高温下具有脆性的难以施加热加工处理的高端金属材料。

Description

悬浮熔炼设备配备的挤压铸造装置和悬浮熔炼-挤压铸造的 方法

技术领域

本发明涉及一种悬浮熔炼设备配备的挤压铸造装置和实现悬浮熔炼-挤压铸造的方法，具体为一种在真空电磁悬浮熔炼过程采用挤压铸造技术获得产品的技术，属于金属和合金的熔炼和铸造技术领域。

背景技术

真空电磁悬浮熔炼技术(以下简称“悬浮熔炼”)是一种先进的材料制备技术，这种技术特别适合于熔炼活泼金属和合金、难熔金属和合金以及高纯和超纯金属和合金。

可是，在悬浮熔炼之后利用重力铸造制备的铸造材料可能会产生缩孔、孔隙、裂纹等缺欠，而且晶粒比较粗大。虽然通过对铸锭进行热加工和热处理可以部分地消除铸造缺欠，也能使晶粒细化，可是这增加了制造工序，提高了制造成本，而且一些在高温下缺乏塑性的材料无法接受热加工。所以，在很多情况下，不得不采用粉末冶金技术生产金属和合金产品。但是，粉末冶金技术的工艺流程比较长，产品的致密性不理想，材料中的氧含量比较高，这是一些高端的材料产品所不期望的结果。例如广泛应用于薄膜技术的靶材产品，它们对材料的致密度要求很高，对氧含量的要求很严格。

现有的专利ZL 201721135724.2提供一种定向结晶炉熔炼装置，其在传统的炉型熔炼系统上引入了下感应线圈与冷凝装置，可以细致的对金属液态的凝固过程进行控制，精确的调整各部分温度场的分布，从而实现定向凝固，消除了横向晶界，以避免是裂纹产生和扩展。尽管设置有下感应线圈与冷凝装置，减弱了温度降低的不均匀性，但是，液态物料在冷凝过程中位于边界处和中心处的物料温度差依然存在，无法完全避免收缩的不均匀导致锁孔或者裂隙的产生。

同样的，现有的专利申请201210443791.6公开一种连续悬浮式冷坩埚定向凝固铸造装置，其同样通过设置上下两个感应线圈，以进行顺序填充和定向凝固，能够在一定程度上减弱微孔的产生，但是其效果同样较差，难以满足高质量合金的需求。

因此，提供一种在悬浮熔炼设备中直接获得具有材质优异的高端产品的铸造装置及方法是当前急需解决的难题之一是遍期望实现的目标。

发明内容

针对上述现有技术，本发明的目的在于提供一种悬浮熔炼设备配备的挤压铸造装置和实现悬浮熔炼-挤压铸造的方法，使经过悬浮熔炼注入模具的金属液在压力作用下凝固成型，形成材质优良的铸造坯料。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种悬浮熔炼设备配备的挤压铸造装置，包括悬浮熔炼设备和挤压铸造装置，悬浮熔炼设备包括水冷铜坩埚、模具、感应圈、真空炉体、真空机组、感应电源、冷却系统和控制系统，水冷铜坩埚安装在真空炉体内，模具放置在水冷铜坩埚的前面，挤压铸造装置包括模具装置，模具装置包括模具、位于模具上方的压杆和安装在压杆上的压头，压头形状和尺寸与模具的口径配合，挤压铸造装置包括从模具装置上方加压的模式和从模具装置下方加压的模式。

进一步的，从模具装置上方加压的模式中，模具包括模具筒和模具底，模具底的下面安装有压力传感器

进一步的，模具筒的上端面的内口放置一块模具盖，模具盖的中心设置有铸造口且边缘装有小的薄片，模具盖通过薄片担在模具筒的上口，压头中心设有与铸造口匹配柱状凸起。

进一步的，模具筒的上端面固定安装模具盖，模具盖的中心向上设置直径小于模具筒内径并且与模具筒的内部相连通的铸造筒，压头与铸造筒的口径配合，或者压头设置有柱状凸起，柱状凸起与铸造筒的口径配合。

进一步的，从模具装置下方加压的模式中，模具包括模具筒、模具底和模具盖，模具底以可以沿模具筒的内壁上下移动的方式嵌装在模具筒内，压杆和压头设置在模具的下方，其中压头顶在模具底的底面上，模具盖与模具筒为分体结构。

进一步的，模具盖下表面的中心设置有向下的柱状凸起，和/或者模具底的上表面的中心设置向上的柱状凸起。

进一步的，模具底的中心向下设置直径小于模具筒内径并且与模具筒的内部相连通的铸造筒，压头与铸造筒的口径配合，或者压头设置有柱状凸起，柱状凸起与铸造筒的口径配合。

进一步的，模具筒的周围设置有模具加热器和模具保温装置，和/或铸造筒的外面设置有铸造筒加热器和铸造筒保温装置。

一种悬浮熔炼-挤压铸造的方法，用于挤压铸造装置，其特征在于包括如下工艺步骤：

步骤1，模具和压头准备：在熔炼工作开始前，将模具、压头和压杆清洁、干燥、安装定位，在模具和压头的接触液态物料的表面制备涂料；

步骤2，熔炼和物料入模：在熔炼开始前，对真空炉体抽真空或者抽真空后充入氩气，在真空条件下或在充氩气氛中，之后感应电源产生的高频电流输入到感应圈中，感应圈产生的高频电磁场加热和熔化水冷铜坩埚中的物料，将液态物料注入模具中；

步骤3，挤压过程：液态物料注入模具之后，立即启动压杆，使压头与模具接触且压杆停止移动，当液态物料的温度降低到物料的固相线与液相线之间的温度后立即施加压力，保持施加压力至物料完全凝固，保压过程结束后，将压杆和压头回位，卸除模具上的压力；

步骤4，冷却过程：按照预设的程序使物料降温。

进一步的，压杆停止移动以模具下面的压力传感器感觉到有压力出现为信号。

本发明的有益效果是：

1)通过压杆和压头对液态物料的挤压，可以使经过悬浮熔炼的物料在铸造过程中在压力作用下凝固，排除凝固过程中在材料中可能出现的缩孔、孔隙、疏松和裂纹等铸造缺欠。

2)在模具和/或铸造筒的周围设置模具加热器和保温装置或者铸造筒加热器和铸造筒保温装置，防止注入模具的液态物料过快地冷却凝固，影响挤压铸造的效果。

3)一些脆性材料在凝固过程中由于热应力会形成裂纹。而在压力作用下凝固时，材料中一旦出现微裂纹，高温物料在压力作用下能发生焊合使微裂纹被消除，因此本发明特别适合于在高温下具有脆性的难以施加热加工处理的高端金属材料，熔炼后直接获得具有优良材质的产品坯料，例如溅射靶材。

4)铸造筒的设置使压头下面区域的物料受到的压应力增大了几倍，对于提高铸造材料的材质具有明显的作用。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为悬浮熔炼设备的结构组成。

图2为第一种设计模式的第一种模具装置的设计方式。

图3为第一种设计模式的第二种模具装置的设计方式。

图4为第一种设计模式的第三种模具装置的设计方式。

图5为第一种设计模式的第三种模具装置的设计方式下的受力分析。

图6为第二种设计模式的第一种模具装置的设计方式。

图7为第二种设计模式的第二种模具装置的设计方式。

图8为第二种设计模式的第三种模具装置的设计方式。

图9为第一种设计模式的压机装置的设计方式。

图10为第二种设计模式的压机装置的设计方式。

图11为在第二种设计模式的条件下，模具盖的移动和固定方式。

其中，1-水冷铜坩埚、2-模具、3-感应圈、4-真空炉体、5-真空机组、6-感应电源、7-冷却系统、8-控制系统、9-模具筒、10-模具底、11-压杆、12-压头、 13-液态物料、14-压力传感器、15-模具加热器、16-模具保温装置、17-模具盖、 18-铸造口、19-薄片、20-柱状凸起、21-铸造筒、22-铸造筒加热器、23-铸造筒保温装置、24-油箱、25-油泵、26-阀门、27-输油管、28-油缸、29-施力横梁、 30-活塞杆、31-模具脚柱、32-承力横梁、33-压机立柱、34-炉体支架。

在图2～图4中和图6～图8中，图a表示加压前向模具注入金属液的过程，图b表示对模具中的金属液施加压力的过程。在图5中，图c表示压头直径等于模具内径的加压过程，图d表示压头直径小于于模具内径的加压过程。在图 11中，图e表示模具盖移出模具侧面向模具注入金属液的过程，图f表示将模具盖移到模具上用横梁固定其位置，然后从模具下方向模具中的金属液施加压力的过程。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明公开，并且能够将本发明公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

如图1-11所示，根据本发明的实施方式，提出一种悬浮熔炼设备配备的挤压铸造装置，包括悬浮熔炼设备和挤压铸造装置。所述悬浮熔炼设备包括水冷铜坩埚1、模具2、感应圈3、真空炉体4、真空机组5、感应电源6、冷却系统7 和控制系统8。所述水冷铜坩埚1安装在真空炉体4内，所述模具2放置在水冷铜坩埚1的前面。所述真空机组5对真空炉体4抽真空之后，感应电源6产生的高频电流输入到环绕水冷铜坩埚1的感应圈3中，所述感应圈3产生的高频电磁场加热和熔化所述水冷铜坩埚1中的物料。所述冷却系统7向水冷铜坩埚1、感应圈3、感应电源6、真空炉体4、真空机组5供应冷却水，保护这些设备。在对真空炉体4抽真空之后，可以向真空炉体4充入保护性气体，例如氩气。实际上，大多数悬浮熔炼过程是在氩气保护下进行的。

本发明的挤压铸造装置包括压机装置和模具装置，所述真空炉体4内部的模具装置包括模具2、压杆11和压头12等元件。所述挤压铸造装置包括两种设计模式：第一种是从模具装置上方加压的模式，第二种是从模具装置下方加压的模式。

如图2-5所示，在挤压铸造装置的第一种设计模式第一模式中，第一种设计方式是模具2由模具筒9和模具底10组成，模具底10可以与模具筒9为整体结构，也可以是分体结构。优选的，模具底10为分体结构，可以方便脱模。在模具2的上方装有一支柱状的带压头12的压杆11，压头12的形状和尺寸则应该与模具2的口径配合。为了获得饼状铸造坯料可以使用筒状模具，截面形状取决于对坯料的形状要求。为了控制加压的压力，在模具底10的下面安装压力传感器14。为了防止注入模具2的液态物料过快地冷却凝固，影响挤压铸造的效果，可以在模具筒9的周围和模具底10的下面设置模具加热器15和模具保温装置 16。

物料经过悬浮熔炼之后，将液态物料注入模具2中，然后迅速下降压杆11，使压头12降入模具2接触液态物料表面，等待设定的时间后对物料施加压力，使液态物料在压力作用下冷却，凝固，令压力保持一定的时间，然后升高压杆 11，卸除压力，完成挤压铸造过程。

进一步的，所述挤压铸造装置还包括模具加热装置15，在使用带有模具加热器15的挤压铸造装置时，需要在铸造之前预先启动模具加热器15，将模具2 加热到设定的温度，使凝固过程在比较高的温度下加压、保压，然后在设定的降温程序下冷却。

物料在凝固过程中，其底部、边缘和表面的液体先冷却和凝固并且发生体积收缩，模具2中间的液体向凝固区补缩。由于最后剩余的液体在凝固和收缩时缺乏物料补缩，所以利用常规的铸造技术获得的铸造材料，其内部总会有缩孔、孔隙和疏松，特别是在铸锭中心偏上的部位，一些脆性材料在凝固过程中由于热应力还会形成裂纹。使用本发明提供的挤压铸造装置，液体物料在压力作用下冷却时，凝固收缩产生的微孔、孔隙由于物料的流动变会立即得到补充，所以不会形成缩孔、孔隙和疏松，能获得很高的致密性。在压力作用下凝固时，材料中一旦出现微裂纹，高温物料在压力作用下能发生焊合使微裂纹被消除。此外，在常规的铸造过程中，物料凝固时一般都会形成很粗大的晶粒组织，导致铸件的力学性能比较差。在PVD过程中，溅射靶材如果晶粒粗大则会导致溅射薄膜不均匀，而且靶材表面也会出现不均匀损耗，使其寿命缩短。而采用挤压铸造装置时，在压力作用下凝固，结晶形成的晶粒不断被压碎，所以能获得细晶组织。

在第一模式中，第二种设计方式是预先在模具筒9的上端面的内口放置一块模具盖17，其形状和尺寸与所述模具筒9的口径配合。所述模具盖17的中心设置有铸造口18。模具盖17边缘装有小的薄片19，模具盖17通过这些薄片19担在模具筒9的上口。采用第二种设计方式时，需要在压头12中心制备出一个柱状凸起20，其形状和尺寸与模具盖17的铸造口18匹配。当液态物料通过模具盖的铸造口18注入模具2之后，迅速降低压杆11，使压头12端面的柱状凸起 20穿入铸造口18，柱状凸起20周围的压头12压到模具盖17表面使模具盖17降低到物料液面，使物料在压力作用下冷却和凝固，防止压头突然接触物料液面时发生液体飞溅。

第一种设计模式第一模式的第三种设计方式是在模具筒9的上端面牢固地安装模具盖17，在模具盖17的中心向上设置直径小于模具筒9内径并且与模具筒9的内部相连通的铸造筒21。加压的压头12呈柱状或带有柱状凸起，其形状和尺寸与铸造筒21的口径配合。采用第三种设计方式，可以将经过悬浮熔炼的液态物料通过铸造筒21注入模具2，令物料的液面升到铸造筒21中达到一定的高度。然后迅速降低压杆，使柱状压头或压头12的柱状凸起降入铸造筒21，在它们接触到物料的液面后停留设定的时间再施加压力，使模具2中的物料在压力作用下冷却、凝固。进一步的，为了保证注入铸造筒21的物料能够在接受压力之前保持其液态状态，在铸造筒21的外面还设置有铸造筒加热器22和铸造筒保温装置23。在第一种设计模式第一模式的第二种设计方式和第三种设计方式中，都可以根据需要模具加热器及其保温装置，以及铸造筒加热器及其保温装置。

利用带有铸造筒21的挤压铸造方式具有的优点在于将压力装置产生的压力集中作用于铸造材料的中心，特别是中心的上部，这个位置是物料最后凝固的区域，也是铸造材料中最容易形成铸造缺欠的位置。假设总压力为T₀，无铸造筒的大压头的直径为D₀，则压头产生的压力为P₀＝4T₀/ΠD₀ ²；在采用铸造筒的装置中，设与铸造筒内径匹配的柱状压头的直径为D₁，则压头产生的压力为P₁＝ 4T₀/ΠD₁ ²。若D₁＝(1/3)D₀，则P₁＝9P₀，即，在采用带有铸造筒之后，在压头下面的区域，物料受到的压应力增大了9倍。这对于提高铸造材料的材质具有明显的作用。

如图6-9所示，挤压铸造装置的第二种设计模式是从模具2下方加压的模式。第二种设计模式的第一种设计方式是，模具2由模具筒9、模具底10和模具盖 17组成，模具底10以可以沿模具筒9的内壁上下移动的方式嵌装在模具筒9内的下端。压杆11和压头12设置在模具2的下方，压头12顶在模具底10的底面上。模具盖17与模具筒9为分体结构。

在铸造之前，模具盖17放置在模具筒9的一侧。将液态物料注入模具2后，立即将模具盖17迅速移到模具筒9的上端面，并且牢固地固定。然后迅速升高压杆11，使压头12通过模具底10将模具内的液态物料整体升高，使液体表面与模具盖17的下端面接触。在等待设定的时间之后，压杆11通过压头12和模具底10向物料施加压力，在压力作用下冷却和凝固。经过一定时间的保压之后，降低压杆11和压头12卸除压力，完成挤压铸造过程。在这种装置中，也可以装设压力传感器14、模具加热器15和模具保温装置16。

如图7所示，第二种设计模式的第二种设计方式。为了使模具心部的铸造材料能在很大的压应力条件下凝固，可以采用与第一种模式的第三种设计相似的设计结构：令模具盖17下表面的中心设置向下的柱状凸起，和/或或者模具底10 的上表面的中心设置向上的柱状凸起，利用柱状凸起可以将挤压铸造的压力集中到铸造材料的心部。在这种设计方式中，挤压铸造的过程与第一种设计模式第一模式的第二种设计方式相同。

第二种设计模式的第三种设计方式是在模具底10的中心向下设置直径小于模具筒9内径并且与模具筒9的内部相连通的铸造筒21。进一步的，压头12为柱状形状和尺寸与铸造筒9的口径相匹配，或者中心设有柱状凸起，柱状凸起的形状和尺寸与铸造筒9的口径相匹配。在铸造过程启动之前，将压头12升高到接触模具底10的底面，并且将压头的柱体伸入到模具底的铸造筒21中。液态物料注入模具并且进入铸造筒9之后，迅速将模具盖移到模具筒9的上端面固定。然后迅速升高压杆11，使压头12通过模具底10将模具内的液态物料整体升高，使液体表面与模具盖17的下端面接触利用模具底10和压头12同时向物料施加压力，并且在物料的中心产生集中的应力。以后的铸造过程与第一模式的相似。

在第二种设计模式的各种设计方式中，都可以根据需要模具加热器及其保温装置，以及铸造筒加热器及其保温装置。

第二种设计模式的优点在于:1)在铸造过程开始之前，压头12已经处于模具的位置，在液态物料注入模具之后压杆11不需要有长距离的移动；2)在开始加压的过程中，不会产生液体飞溅的现象；3)这种设计模式的挤压铸造装置具有比较简单的结构。

对于悬浮熔炼-挤压铸造过程，本发明对于模具、压头和压杆有以下技术要求：

1)在本发明中，模具的各个部件均采用金属材料，根据熔炼材料的熔点，可以选用铸铁，碳钢，不锈钢和难熔金属，也可以使用石墨；

2)在本发明中，压杆和压头采用强度较高的金属材料，可以在碳钢，不锈钢和合金钢中选用，可以设计成带有水冷的结构；

3)模具的各个元件，以及压头和压头的柱状凸起，它们的形状和尺寸需要相互匹配。所谓的匹配，是指匹配件之间能够相对移动，但是间隙不能太大，要避免液体物料能通过间隙泄漏。按照不同的物料，间隙可以在0.1～0.1mm的范围内选取

4)在本发明中，在模具元件和压头的接触液态物料的表面最好制备有涂料。涂料的作用是为了便于脱模，也是为了在物料凝固过程中，受压的固态物料在冷却收缩时其表面能在模具内滑动，减小在热应力下形成裂纹的倾向。涂料可以采用金属模具通常应用的材料，要求之一是必须能在模具表面牢固地附着，二是在真空环境下不放气，三是有较高的高温稳定性和化学稳定性；

5)在挤压铸造过程中，液态物料在冷却和凝固过程中会释放一些气体，要在模具中为这些气体预制放气的通道，例如，模具元件之间的间隙，模具盖中的细孔，模具内壁的浅沟槽等。

上面是本发明挤压铸造装置的模具装置的结构。挤压铸造装置中第二部分是压机装置，其压力的产生可以是电机驱动，气动驱动和液压驱动等方式，优选为，液压驱动方式，一般采用油压驱动。在液压驱动方式中，压机装置的结构包括以下几部分：

液压工作站，它主要包括油箱24、油泵25、阀门26和控制装置。其中，油泵25将油箱24中的液压油加压，通过阀门26和输油管27输入油缸28；

油缸28和活塞杆30——输入油缸28的液压油推动活塞杆30，活塞杆30推动压杆11和压头12将压力施加到模具和物料上。

压机结构装置——它是固定施压装置和受压装置的结构，它包括安装油缸 28的施力横梁29，安装模具的受力横梁32，以及支撑两个横梁的两支压机立柱 33组成。对于真空设备，对压机装置的要求是避免使真空炉体的结构承受压力。

对于挤压铸造的两种设计模式，压机装置有不同的设计方式：

如图9所示，在第一种设计模式中，安装油缸29的施力横梁位于真空炉体 4上方，油缸29的活塞杆30通过真空密封向下延伸到真空炉体4内部，其下端与模具上面的压杆11相结合；位于真空炉体4内部的模具被模具脚柱31所支撑，模具脚柱31通过真空密封向下延伸到真空炉体4的下面，安装在真空炉体4下面的受力横梁32上。两支压机立柱33位于真空炉体4的两侧，两个横梁分别装在压机立柱33上部和下部的适当的位置。

如图10所示，在第二种设计模式中，安装油缸28的施力横梁29位于真空炉体1下方，油缸29的活塞杆30通过真空密封向上延伸到真空炉体4内部，其上端与模具下面的压杆11相结合，模具则装在真空炉体4内部的受力横梁32上。在这种模式中，两支压机立柱33位于模具的两侧，它们的上部位于真空炉体4 的内部，压机立柱33的下部通过真空密封向下延伸到真空炉4体的下面，施力横梁29装在压机立柱33下部位于真空炉体4下面的位置。在这种模式中，压机装置的尺寸比第一种设计模式第一模式要小得多。

在第二种设计模式中，在液态物料注入模具之前模具盖17只能放置在模具的一侧。当液态物料注入模具之后，必须立即将模具盖17送到模具的上口牢固地固定，优选的，把模具盖卡在模具与横梁的结构之间。

本发明的悬浮熔炼-挤压铸造的方法的具体过程包括以下几个工艺步骤：

1)模具和压头准备：在熔炼工作开始前，将模具2的各个元件、压头11和压杆12清洁、干燥、安装定位，在模具2和压头12的接触液态物料的表面制备涂料。

2)熔炼和物料入模：在熔炼开始前，对安装水冷铜坩埚1的真空炉体4抽真空，如果需要，再充入氩气，在真空条件下或在充氩气氛中，物料在电磁场的作用下被加热和熔炼，熔炼过程结束后，液态物料被注入模具2。对于挤压铸造，熔化物料的过热度可以按照高于液相线50～100℃选取，不需要太大的过热度。

3)挤压过程：在物料注入模具2之后，立即启动压杆11，使压头12与模具2接触。压头12在接触到模具2之后，等待一段很短的时间，在液态物料的温度降低到固相线与液相线之间的温度后立即施加压力。在液态物料中出现了少量的固相处于零流动状态下，加压凝固的效果最好。在施加压力之后，需要将压力保持一定的时间，保压时间按照物料完全凝固需要的时间选取。保压过程结束后，将压杆11和压头12回位，卸除模具2上的压力。如果物料的温度降低地过快，在开始加压时物料中已经形成了较厚的凝固硬壳，则加压凝固的效果会受到严重影响。所以需要对模具进行预热，在熔炼工作开始之前就要启动模具加热器和铸造筒加热器。

4)冷却过程：模具压力卸除后，物料开始降温。如果有需要，降温过程需要按照设定的程序进行，其目的包括两个方面：消除热应力，防止材料在冷却过程中开裂或形成裂纹；获得要求的相组织，实现要求的性能。

本发明的悬浮熔炼-挤压铸造过程包括以下控制环节：

1)压杆开始启动的时间和速度——要求液体注入模具后尽快启动压杆，压杆以较高的速度移动；

2)压杆停止移动的位置和时刻——以压头或模具盖下降到开始接触物料液面的位置和时刻作为控制压杆停止移动的标志，可以用模具下面的压力传感器感觉到有压力出现作为信号；

3)加压前的等待时间，即开始加压的时刻——按照预先确定的数据设定；

4)保压的压力和时间——压力用模具下面的压力传感器控制。保压后启动压杆移动回位；

5)模具加热器和铸造管加热器的启动，温度设定，以及降温过程的程序。

除了上述加压过程外，设备运行的其它过程也需要有控制，它们包括：

1)抽真空的过程和充氩过程；

2)熔炼过程和液态物料注入模具的过程。

加压过程和这些过程可以编制成一个总体的悬浮熔炼-挤压铸造程序，实现全流程的程序控制。

根据本发明提供的悬浮熔炼设备配备的挤压铸造装置和悬浮熔炼-挤压铸造的方法，采用第一模式和第二种设计模式分别进行应用，优选如下两个实施例。

实施例1

本实施例显示用悬浮熔炼-挤压铸造设备制备金属钛-铝合金靶材的例子。

在该实施例中，悬浮熔炼设备包括水冷铜坩埚1、模具2、感应圈3、真空炉体4、真空机组5、感应电源6、冷却系统7和控制系统8。水冷铜坩埚1装在真空炉体4内，模具2放置在水冷铜坩埚1的前面。感应电源6的功率为200kW，频率为15kHz，水冷铜坩埚1的内径为140mm。压机装置按照本发明的第一模式设计，其结构见图9，油缸29在真空炉体4的上方，压机装置的压力为50T。模具按照第一模式的第一种设计方式设计——压杆11和压头12在模具2的上方 (见图2)，模具2内径为205mm。

水冷铜坩埚1中装有10kg的钛-铝合金，启动感应电源6后10分钟内，物料完全熔化，保温2分钟后，倾转水冷铜坩埚1将合金液注入模具3。然后，立即降低压杆11，在压头12接触合金液的表面之后停留20秒。接着向压头12输入30吨的压力，保压2分钟后升高压杆，令模具2自然冷却。

经过1小时冷却后，开启真空炉，打开模具2取出钛-铝合金坯料。坯料表面光亮，致密，无明显的铸造缺欠。

实施例2

本实施例显示用悬浮熔炼-挤压铸造设备制备金属铬靶材的例子。

该实施例所用的悬浮熔炼设备与实施例1相同。压机装置按照本发明的第二种设计模式设计，其结构见图10，油缸29在真空炉体4的下方，压机装置的压力为50T。模具按照第二种设计模式的第一种设计方式设计——压杆11和压头 12在模具2的下方(见图6)，模具2内径为205mm。模具2周围装有模具加热器15和模具保温装置16。在启动感应电源4之前启动模具加热器15，使模具2 在600℃保温。

水冷铜坩埚1中装有15kg的金属铬，启动感应电源4后12分钟内物料完全熔化，保温2分钟后，倾转水冷铜坩埚1将铬液注入模具2。然后，立即盖上模具盖17，升高压杆11，在压头12有压力信号后停留15秒。接着向压头12施加 50吨的压力，保压3分钟后降低压杆11，同时模具加热器15停止加热，令模具 2缓慢冷却。

经过1小时冷却后，开启真空炉体1，打开模具2取出金属铬坯料。坯料表面光亮，致密，无明显铸造缺欠。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，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以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种悬浮熔炼设备配备的挤压铸造装置，包括悬浮熔炼设备和挤压铸造装置，所述悬浮熔炼设备包括水冷铜坩埚(1)、模具(2)、感应圈(3)、真空炉体(4)、真空机组(5)、感应电源(6)、冷却系统(7)和控制系统(8)，所述水冷铜坩埚(1)安装在真空炉体(4)内，所述模具(2)放置在水冷铜坩埚(1)的前面，其特征在于：所述挤压铸造装置包括模具装置，所述模具装置包括模具(2)、位于模具(2)上方的压杆(11)和安装在压杆(11)上的压头(12)，所述压头(12)形状和尺寸与模具(2)的口径配合，所述挤压铸造装置包括从模具装置上方加压的模式和从模具装置下方加压的模式。

2.根据权利要求1所述的挤压铸造装置，其特征在于：所述从模具装置上方加压的模式中，所述模具(2)包括模具筒(9)和模具底(10)，所述模具底(10)的下面安装有压力传感器(14)。

3.根据权利要求2所述的挤压铸造装置，其特征在于：所述模具筒(9)的上端面的内口放置一块模具盖(17)，所述模具盖(17)的中心设置有铸造口(18)且边缘装有小的薄片(19)，所述模具盖(17)通过薄片(19)担在模具筒(9)的上口，所述压头(12)中心设有与铸造口(18)匹配柱状凸起(20)。

4.根据权利要求2所述的挤压铸造装置，其特征在于：所述模具筒(9)的上端面固定安装模具盖(17)，所述模具盖(17)的中心向上设置直径小于模具筒(9)内径并且与模具筒(9)的内部相连通的铸造筒(21)，所述压头(12)与铸造筒(21)的口径配合，或者所述压头(12)设置有柱状凸起(20)，柱状凸起(20)与铸造筒(21)的口径配合。

5.根据权利要求1所述的挤压铸造装置，其特征在于：所述从模具装置下方加压的模式中，所述模具(2)包括模具筒(9)、模具底(10)和模具盖(17)，所述模具底(10)以可以沿模具筒(9)的内壁上下移动的方式嵌装在模具筒(9)内，所述压杆(11)和压头(12)设置在模具(2)的下方，其中压头(12)顶在模具底(10)的底面上，所述模具盖(17)与模具筒9为分体结构。

6.根据权利要求5所述的挤压铸造装置，其特征在于：所述模具盖(17)下表面的中心设置有向下的柱状凸起(20)，和/或者所述模具底(10)的上表面的中心设置向上的柱状凸起(20)。

7.根据权利要求5所述的挤压铸造装置，其特征在于：所述模具底(10) 的中心向下设置直径小于模具筒(9)内径并且与模具筒(9)的内部相连通的铸造筒(21)，所述压头(12)与铸造筒(21)的口径配合，或者所述压头(12)设置有柱状凸起(20)，柱状凸起(20)与铸造筒(21)的口径配合。

8.根据权利要求2-7任一项所述的挤压铸造装置，其特征在于：所述模具筒(9)的周围设置有模具加热器(15)和模具保温装置(16)，和/或铸造筒(21)的外面设置有铸造筒加热器(22)和铸造筒保温装置(23)。

9.一种悬浮熔炼-挤压铸造的方法，用于如权利要求1-8任意一项所述的挤压铸造装置，其特征在于包括如下工艺步骤：

步骤1，模具和压头准备：在熔炼工作开始前，将所述模具(2)、压头(11)和压杆(12)清洁、干燥、安装定位，在所述模具(2)和压头(12)的接触液态物料的表面制备涂料；

步骤2，熔炼和物料入模：在熔炼开始前，对所述真空炉体(4)抽真空或者抽真空后充入氩气，在真空条件下或在充氩气氛中，之后感应电源(6)产生的高频电流输入到感应圈(3)中，所述感应圈(3)产生的高频电磁场加热和熔化所述水冷铜坩埚1中的物料，将液态物料注入模具(2)中；

步骤3，挤压过程：液态物料注入模具(2)之后，立即启动压杆(11)，使压头(12)与模具(2)接触且压杆停止移动，当液态物料的温度降低到物料的固相线与液相线之间的温度后立即施加压力，保持施加压力至物料完全凝固，保压过程结束后，将压杆(11)和压头(12)回位，卸除模具(2)上的压力；

步骤4，冷却过程：按照预设的程序使物料降温。

10.根据权利要求9所述的悬浮熔炼-挤压铸造的方法，其特征在于：所述压杆(11)停止移动以模具(2)下面的压力传感器感觉到有压力出现为信号。

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