CN114734022B

CN114734022B - 一种制备中小型铸件的金属型低压浇铸置顶凝固装置和方法

Info

Publication number: CN114734022B
Application number: CN202210659263.8A
Authority: CN
Inventors: 樊振中; 熊艳才; 姚惟斌; 赵鹏
Original assignee: AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials
Current assignee: AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials
Priority date: 2022-06-13
Filing date: 2022-06-13
Publication date: 2022-08-30
Anticipated expiration: 2042-06-13
Also published as: CN114734022A

Abstract

本发明提出了一种制备中小型铸件的金属型低压浇铸置顶凝固装置及方法。与传统的砂型低压浇铸工艺相比，本发明的铸型材料为金属型，金属铸型可重复使用多次、无需更换，铸件产品的批产制造费用大幅减少且环境污染问题明显改善；金属型铸型材料的激冷能力为硅砂的几十乃至上百倍，在合金熔体凝固过程可起到良好的激冷效果，细化铸态晶粒尺寸，同时有色金属铸件的成型尺寸精度可至少提高两个级别；置顶激冷水凝器在低压浇铸充型初期可作为排气口与排渣口，改善有色金属铸件的冶金质量，在充型末期可在金属型铸型顶端形成一个自上而下的凝固温度梯度，利于合金熔体的充型补缩与整体冷却凝固，合金材料的机械力学性能与疲劳性能可得到明显提高。

Description

一种制备中小型铸件的金属型低压浇铸置顶凝固装置和方法

技术领域

本发明属于有色金属铸造工艺装备与成型技术领域，具体涉及一种制备中小型铸件的金属型低压浇铸置顶凝固装置和方法。

背景技术

铝合金密度低、比强/刚度高、耐蚀性好、塑性好、加工性能优异，且具有良好的焊接性能，优良的导电性、导热性，在军工装备领域得到了广泛的应用。铝合金按照加工工艺主要可分为变形铝合金与铸造铝合金两类，其中铸造铝合金因具有良好的工艺流动性能与中等载荷承载能力，在导弹壳体、载油舱壳体、发动机附件机匣、发动机油路管道、汽车发动机缸体、汽车发动机缸盖等产品制造上得到了广泛的应用。

铸造铝合金传统的铸造成型工艺主要是重力浇铸，通过在浇铸系统布置补缩冒口、保温冒口来提高合金熔体的补缩效果，减少疏松与偏析等冶金缺陷的数量。重力浇铸的充型能力主要取决于重力，因此合金熔体自直浇道充型至横浇道与内浇口，合金熔体不断冲刷铸型及铸型表层的涂料，严重时甚至在直浇道浇注时产生卷气涡流，在铸件内部形成严重的气孔与夹杂物缺陷，因此重力浇铸通常应用于民用铝合金铸件制备；军工装备大型铝合金铸件目前多选用低压充型浇铸工艺。低压充型浇铸工艺是使坩埚内的金属溶液在气体压力作用下，沿升液管自下而上平稳地进入铸型中，并保持压力直至铸件完全凝固为止，从而获得铸件。低压充型整体过程比较平稳，可有效减少氧化夹杂物与夹渣的形成，同时简化了铸件的浇注系统并节省了冒口，低压充型结束后尚未凝固的金属溶液可回流至坩埚内，金属溶液消耗少，铸件工艺出品率高。

发明内容

研究发现，目前军工装备用中小型铸件低压浇铸造型工艺多选用砂型，由于砂型的导热性差，导致所浇铸的铝合金铸件或镁合金铸件，铸态组织粗大、力学性能偏低且砂型浇铸成形的铸件内腔尺寸精度较差。

为了解决现有军工装备用中小型有色金属铸件采用砂型低压浇铸工艺时，铸件成形尺寸精度差、力学性能低、冶金质量波动大、生产成本高且环境污染严重等问题，本发明提出了一种制备中小型铸件的金属型低压浇铸置顶凝固装置和方法。与现有的砂型低压浇铸工艺相比，本发明的金属型铸型可重复使用5000次以上，节省了大量的硅砂，环境污染大幅减少，同时批产中小型有色金属铸件的生产成本大幅降低、产品批产质量稳定性大幅提高；本发明的金属型铸型的激冷能力是传统硅砂材料的几十倍乃至百倍以上，合金熔体在凝固过程中的激冷能力与非平衡凝固结晶形核核心数量大幅提高，结合置顶激冷水凝器在充型初期的排气排渣效果与充型末期的顺序凝固梯度作用，可显著改善有色金属铸件的内在冶金质量与铸态晶粒尺寸，同步提高合金材料的机械力学性能与疲劳性能，实现军工装备用中小型铸件低成本、短周期与高冶金质量工程化批产制造。

本发明的技术方案如下所述：

一种金属型低压浇铸置顶凝固装置，所述金属型低压浇铸置顶凝固装置包括炉衬、坩埚、合金熔体、升液管、低压浇铸机盖板、横浇道型腔、内浇口型腔、金属型下铸型、金属型铸造密封块、砂芯、金属型上铸型、置顶激冷水凝器、压缩气体储气罐、低压充型气体管路、充型气体流量计和充型气体电磁阀；

所述坩埚置于炉衬内，所述低压浇铸机盖板置于炉衬顶部，所述坩埚内盛装合金熔体；所述升液管的一端置于合金熔体中，所述升液管的另一端通过低压浇铸机盖板与横浇道型腔连通；

所述金属型下铸型设置在低压浇铸机盖板上方，所述金属型上铸型设置在金属型下铸型上方；所述金属型下铸型和所述金属型上铸型通过金属型铸型密封块密封连接；

所述金属型下铸型内设置横浇道型腔与内浇口型腔；

所述砂芯内置于金属型下铸型和金属型上铸型内并形成铸造型腔；

所述置顶激冷水凝器设置在金属型上铸型上方；

所述压缩气体储气罐通过充型气体流量计和充型气体电磁阀与低压充型气体管路相连；所述低压充型气体管路置于合金熔体内。

本发明还提供一种制备铝合金铸件的方法，所述方法是基于上述的装置，所述方法包括如下步骤：

（a）熔体转运静置处理：将合金熔体注入坩埚中，静置处理15min~20min；

（b）金属型低压浇铸：待合金熔体升温至浇铸温度时，开启充型气体电磁阀与充型气体流量计，压缩气体储气罐内的压缩气体沿低压充型气体管路进入坩埚内，合金熔体沿升液管、横浇道型腔与内浇口型腔完成对金属型下铸型和金属型上铸型内铸型型腔的充填；

（c）合金熔体置顶激冷凝固：当合金熔体充填至金属型上铸型顶端时，启动置顶激冷水凝器，冷却水沿置顶激冷水凝器进行水冷循环，对合金熔体实施激冷处理。

有益效果：

本发明提出了一种制备中小型铸件的金属型低压浇铸置顶凝固装置及方法。与传统的砂型低压浇铸工艺相比，本发明的铸型材料为金属型，金属铸型可重复使用多次、无需更换，铸件产品的批产制造费用大幅减少且环境污染问题明显改善；金属型铸型材料的激冷能力为硅砂的几十乃至上百倍，在合金熔体凝固过程可起到良好的激冷效果，细化铸态晶粒尺寸，同时有色金属铸件的成型尺寸精度可至少提高两个级别；置顶激冷水凝器在低压浇铸充型初期可作为排气口与排渣口，改善有色金属铸件的冶金质量，在充型末期可在金属型铸型顶端形成一个自上而下的凝固温度梯度，利于合金熔体的充型补缩与整体冷却凝固，合金材料的机械力学性能与疲劳性能可得到明显提高。本发明的装置投资成本少、工艺适用性强、工艺改善效果显著。本发明的金属型低压浇铸凝固装置及方法可实现军工状备用中小型有色金属铸件的低成本、短周期与高冶金质量和高尺寸精度的绿色铸造，且经济效益显著。

附图说明

图1是本发明的金属型低压浇铸置顶凝固装置的结构示意图；

附图标记：1为炉衬，2为坩埚，3为合金熔体，4为升液管，5为低压浇铸机盖板，6为横浇道型腔，7为内浇口型腔，8为金属型下铸型，9为金属型铸型密封块，10为砂芯，11为金属型上铸型，12为置顶激冷水凝器，13为压缩气体储气罐，14为低压充型气体管路，15为充型气体流量计，16为充型气体电磁阀。

图2是本发明的置顶激冷水凝器的结构示意图；

附图标记：12-1为进水口、12-2为进水口流量电磁控制阀、12-3为置顶激冷水凝器金属型外衬套、12-4为置顶激冷水凝器水路管道、12-5为置顶激冷水凝器金属型内衬芯、12-6为出水口流量电磁控制阀、12-7为出水口。

图3是实施例2采用金属型低压浇铸置顶凝固工艺浇铸成形的ZL114A过渡段金属壳体铸件的结构示意图。

图4是实施例3采用金属型低压浇铸置顶凝固工艺浇铸成形的ZM5级间段金属壳体铸件的结构示意图。

具体实施方式

<金属型低压浇铸置顶凝固装置>

本发明提供一种金属型低压浇铸置顶凝固装置，其中，所述金属型低压浇铸置顶凝固装置包括炉衬1、坩埚2、合金熔体3、升液管4、低压浇铸机盖板5、横浇道型腔6、内浇口型腔7、金属型下铸型8、金属型铸造密封块9、砂芯10、金属型上铸型11、置顶激冷水凝器12、压缩气体储气罐13、低压充型气体管路14、充型气体流量计15和充型气体电磁阀16；

所述坩埚2置于炉衬1内，所述低压浇铸机盖板5置于炉衬1顶部，所述坩埚2内盛装合金熔体3；所述升液管4的一端置于合金熔体3中，所述升液管4的另一端通过低压浇铸机盖板5与横浇道型腔6连通；

所述金属型下铸型8设置在低压浇铸机盖板5上方，所述金属型上铸型11设置在金属型下铸型8上方；所述金属型下铸型8和所述金属型上铸型11通过金属型铸型密封块9密封连接；

所述金属型下铸型8内设置横浇道型腔6与内浇口型腔7；

所述砂芯10内置于金属型下铸型8和金属型上铸型11内并形成铸造型腔；

所述置顶激冷水凝器12设置在金属型上铸型11上方；

所述压缩气体储气罐13通过充型气体流量计15和充型气体电磁阀16与低压充型气体管路14相连；所述低压充型气体管路14置于合金熔体3内。

本发明综合考虑了铸型的选材与有色金属铸件在低压浇铸过程中的温度梯度分布控制，设计了上述制备中小型铸件的金属型低压浇铸置顶凝固装置。铸型材料选择金属型，可显著提高铸型的激冷能力，细化铸态晶粒尺寸，同时铸件内腔的尺寸精度可由HB6103-2004之CT9级~CT11级提高至CT6级~CT8级。考虑到中小型铸件的铸件高度一般小于400mm，在金属型铸型顶端布设了置顶激冷水凝器，采用水冷循环在金属型铸型顶端形成了一个“激冷源”，在低压浇铸充型初期，置顶激冷水凝器可以作为有效的排气装置，利于金属型铸型型腔内气体与微小浮渣的排出；在低压浇铸充型结束后可使合金熔体形成一个自上而下的顺序凝固梯度，利于合金熔体补缩的同时也有效增加了合金熔体的激冷程度，铸态晶粒尺寸可得到明显细化，合金材料经热处理后可获得较佳的机械力学性能与疲劳性能。

根据本发明的实施方式，所述坩埚2置于炉衬1正中间，且所述坩埚2的开口与所述炉衬1的开口齐平。

根据本发明的实施方式，所述低压浇铸机盖板5置于炉衬1顶部用于封装所述炉衬1和坩埚2。

根据本发明的实施方式，所述坩埚2内层涂刷防火涂料。

根据本发明的实施方式，所述防火涂料由防火涂料粉剂与水组成；

当合金熔体3为铝合金时，防火涂料粉剂与水的质量比为1.6~2.0:1，防火涂料粉剂成分组成与质量比为氧化锌20%~25%，氧化镁20%~25%，氧化钛15%~20%，滑石粉10%~15%，短陶瓷纤维3%~5%，余量为硼酸；

当合金熔体3为镁合金时，防火涂料粉剂与水的质量比为1.4~1.8:1，防火涂料粉剂成分组成与质量比为氯化镁30%~35%，氯化钾25%~30%，氯化钡6%~8%，氟化钙4%~6%，氯化钙6%~10%，余量为氧化镁。

根据本发明的实施方式，所述金属型下铸型8的材质为低碳钢、不锈钢或模具钢；所述金属型铸型密封块9材质为陶瓷、不锈钢或耐高温塑料，厚度为6mm~10mm；所述金属型上铸型11材质为低碳钢、不锈钢或模具钢。

根据本发明的实施方式，所述横浇道型腔6为环状结构，宽度为50mm~80mm，高度为30mm~50mm；所述内浇口型腔7为锥状拔模结构，拔模角度为12°~20°，底端截面积不小于3000mm²，顶端截面积不大于1000mm²，高度为40mm~70mm。

根据本发明的实施方式，内置于金属型下铸型8和金属型上铸型11的砂芯10与金属型下铸型8和金属型上铸型11之间存在空腔结构，即为铸造型腔；

根据本发明的实施方式，在金属型下铸型8侧边区域正上方放置金属型铸型密封块9，在金属型铸型密封块9上方放置金属型上铸型11，通过金属型铸型密封块9密封连接金属型下铸型8和金属型上铸型11。

根据本发明的实施方式，待合金熔体3升温至浇铸温度时，开启充型气体电磁阀16与充型气体流量计15，压缩气体储气罐13内的压缩气体沿低压充型气体管路14进入坩埚2内，合金熔体3沿升液管4、横浇道型腔6与内浇口型腔7完成对金属型下铸型8和金属型上铸型11内铸型型腔的充填。

根据本发明的实施方式，当合金熔体3充填至金属型上铸型11顶端时，启动置顶激冷水凝器12，冷却水沿置顶激冷水凝器12进行水冷循环，对合金熔体3实施激冷处理。

根据本发明的实施方式，所述压缩气体储气罐13内为压缩空气。

根据本发明的实施方式，所述装置用于制备中小型铝合金铸件。

根据本发明的实施方式，所述置顶激冷水凝器12包括进水口12-1、进水口流量电磁控制阀12-2、置顶激冷水凝器金属型外衬套12-3、置顶激冷水凝器水路管道12-4、置顶激冷水凝器金属型内衬芯12-5、出水口流量电磁控制阀12-6与出水口12-7；

所述进水口12-1与进水口流量电磁控制阀12-2、所述出水口12-7与出水口流量电磁控制阀12-6分别螺接连接在置顶激冷水凝器金属型外衬套12-3上，所述置顶激冷水凝器金属型内衬芯12-5设置在置顶激冷水凝器金属型外衬套12-3内部，所述置顶激冷水凝器水路管道12-4位于置顶激冷水凝器金属型外衬套12-3与置顶激冷水凝器金属型内衬芯12-5之间，并分别与进水口12-1和出水口12-7相连通。

根据本发明的实施方式，通过调节进水口流量电磁控制阀12-2和出水口流量电磁控制阀12-6，调整置顶激冷水凝器水路管道12-4中的水流量，以实现对置顶激冷水凝器金属型内衬芯12-5的激冷，进而作用于合金熔体，实现中小型铸件的高强高韧铸造成型制备。

根据本发明的实施方式，所述置顶激冷水凝器水路管道12-4的形状为环状结构。

根据本发明的实施方式，所述置顶激冷水凝器金属型内衬芯12-5的顶部设置有顶部排气口，所述置顶激冷水凝器金属型内衬芯12-5的内部设置有激冷螺旋台阶。

根据本发明的实施方式，所述置顶激冷水凝器金属型内衬芯12-5的顶部排气口的夹角a为18°~30°。夹角过小时充型过程铸型型腔与合金熔体内的气体得不到有效排出；夹角过大时不利于合金熔体的激冷凝固，易产生喷溅，因此夹角a范围控制为18°~30°。

根据本发明的实施方式，所述置顶激冷水凝器金属型内衬芯12-5内部两相邻激冷螺旋台阶的夹角b为25°~45°。夹角过小时合金熔体易与置顶激冷水凝器金属型内衬芯12-5产生粘连，不易脱除；夹角过大时置顶激冷水凝器金属型内衬芯12-5的激冷能力大幅下降，不利于合金熔体激冷凝固，因此夹角b范围控制为25°~45°。

根据本发明的实施方式，所述置顶激冷水凝器金属型内衬芯12-5的顶部排气口的直径Φ为4.0mm~8.0mm，直径过小时易产生憋气，产生浇不足与疏松缺陷；直径过大时合金熔体易发生吸氢，液态氢含量大幅上升，产生针孔缺陷，因此直径Φ范围控制为4.0mm~8.0mm。

根据本发明的实施方式，所述置顶激冷水凝器金属型内衬芯12-5的激冷螺旋台阶的内圆角R1为3.0mm~8.0mm，R1过小时受合金熔体持续充型时易产生热应力集中而出现热裂；R1过大时则难以有效促进置顶激冷水凝器金属型内衬芯12-5中合金熔体的凝固形核，因此内圆角R1范围控制为3.0mm~8.0mm。

根据本发明的实施方式，所述置顶激冷水凝器金属型内衬芯12-5的激冷螺旋台阶的外圆角R2为6.0mm~10.0mm，R2过小时不便于合金熔体凝固后从置顶激冷水凝器金属型内衬芯12-5中有效脱除；R2过大时则合金熔体在置顶激冷水凝器金属型内衬芯12-5中的凝固形核时间大幅增加，铸件的制造周期与成本将大幅上升，因此R2范围控制为6.0mm~10.0mm。

根据本发明的实施方式，所述置顶激冷水凝器金属型内衬芯12-5的顶部排气孔圆角半径R3为8.0mm~15.0mm，R3过小时不利于充型时气体的排出，R3过大时不利于排气口处合金熔体的激冷凝固，因此R3范围控制为8.0mm~15.0mm。

本发明还提供一种制备铝合金铸件的方法，特别是一种制备中小型铝合金铸件的方法，所述方法是基于上述的装置。

根据本发明的实施方式，所述方法包括如下步骤：

（a）熔体转运静置处理：将合金熔体3注入坩埚2中，静置处理15min~20min；

（b）金属型低压浇铸：待合金熔体3升温至浇铸温度时，开启充型气体电磁阀16与充型气体流量计15，压缩气体储气罐13内的压缩气体沿低压充型气体管路14进入坩埚2内，合金熔体3沿升液管4、横浇道型腔6与内浇口型腔7完成对金属型下铸型8和金属型上铸型11内铸型型腔的充填；

（c）合金熔体置顶激冷凝固：当合金熔体3充填至金属型上铸型11顶端时，启动置顶激冷水凝器12，冷却水沿置顶激冷水凝器12进行水冷循环，对合金熔体3实施激冷处理。

根据本发明的实施方式，步骤（a）中，合金熔体3在转运和注入过程应尽量平稳，避免出现紊流与激烈振荡导致熔体表面的氧化物防护层破碎进入合金熔体3内。

根据本发明的实施方式，步骤（b）中，浇铸温度为690℃~720℃，升液速度为40mm·s^-1~70mm·s^-1，充型压力为45kPa~80kPa，充型增压压力为5kPa~15kPa，结壳压力为4kPa~10kPa，充型速度为40mm·s^-1~60mm·s^-1，保压时间为300s~720s。

根据本发明的实施方式，步骤（c）中，所述置顶激冷水凝器12中的冷却介质为去离子水，水温为5℃~25℃，水流量为0.30L.min^-1~0.60L.min^-1，置顶激冷水凝器的工作时间为10min~18min。

下文将结合具体实施例对本发明做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法；下述实施例中所用的试剂、材料等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

实施例1：

本发明实施例提供一种适用于中小型铸件的金属型低压浇铸置顶凝固装置，其中，所述金属型低压浇铸置顶凝固装置包括炉衬1、坩埚2、合金熔体3、升液管4、低压浇铸机盖板5、横浇道型腔6、内浇口型腔7、金属型下铸型8、金属型铸造密封块9、砂芯10、金属型上铸型11、置顶激冷水凝器12、压缩气体储气罐13、低压充型气体管路14、充型气体流量计15和充型气体电磁阀16；

所述金属型下铸型8内设置横浇道型腔6与内浇口型腔7；

所述置顶激冷水凝器12设置在金属型上铸型11上方；

所述置顶激冷水凝器12包括进水口12-1、进水口流量电磁控制阀12-2、置顶激冷水凝器金属型外衬套12-3、置顶激冷水凝器水路管道12-4、置顶激冷水凝器金属型内衬芯12-5、出水口流量电磁控制阀12-6与出水口12-7；

所述进水口12-1与进水口流量电磁控制阀12-2、所述出水口12-7与出水口流量电磁控制阀12-6分别螺接连接在置顶激冷水凝器金属型外衬套12-3上，所述置顶激冷水凝器金属型内衬芯12-5设置在置顶激冷水凝器金属型外衬套12-3内部，所述置顶激冷水凝器水路管道12-4位于置顶激冷水凝器金属型外衬套12-3与置顶激冷水凝器金属型内衬芯12-5之间，并分别与进水口12-1和出水口12-7相连通；

所述置顶激冷水凝器水路管道12-4的形状为环状结构。

所述置顶激冷水凝器金属型内衬芯12-5的顶部设置有顶部排气口，所述置顶激冷水凝器金属型内衬芯12-5的内部设置有激冷螺旋台阶。

所述置顶激冷水凝器金属型内衬芯12-5的顶部排气口的夹角a为18°~30°。顶部排气口的直径Φ为4.0mm~8.0mm。顶部排气孔圆角半径R3为8.0mm~15.0mm。

根据本发明的实施方式，所述置顶激冷水凝器金属型内衬芯12-5内部两相邻激冷螺旋台阶的夹角b为25°~45°。所述置顶激冷水凝器金属型内衬芯12-5的激冷螺旋台阶的内圆角R1为3.0mm~8.0mm。激冷螺旋台阶的外圆角R2为6.0mm~10.0mm。

本实施例还提供一种制备中小型铝合金铸件的方法，所述方法是基于上述的装置，所述方法包括如下步骤：

（a）熔体转运静置处理：将合金熔体3注入坩埚2中，静置处理15min~20min；其中，合金熔体3在转运和注入过程应尽量平稳，避免出现紊流与激烈振荡导致熔体表面的氧化物防护层破碎进入合金熔体3内；

实施例2

采用实施例1的金属型低压浇铸置顶凝固装置制备ZL205A铝合金外壳体铸件，所述金属型低压浇铸置顶凝固装置中，横浇道型腔6为环状结构，宽度为50mm，高度为50mm；内浇口型腔7为锥状拔模结构，拔模角度为12°，底端截面积为4000 mm²，顶端截面积为900mm²，高度为40mm；置顶激冷水凝器12中a角度范围为18°，b角度范围为25°，R1半径范围为3.0mm，R2半径范围为6.0mm，R3半径范围为8.0mm，Ф直径范围为4.0mm。

所述置顶激冷水凝器12中的冷却介质为去离子水，水温为5℃，水流量为0.30L.min^-1，置顶激冷水凝器的工作时间为10min。

所述金属型低压浇铸工艺参数中浇铸温度为690℃，升液速度为40mm·s^-1，充型压力为45kPa，充型增压压力为5kPa，结壳压力为4kPa，充型速度为40mm·s^-1，保压时间为300s。

所述坩埚2内层涂刷防火涂料，防火涂料由防火涂料粉剂与水组成，防火涂料粉剂与水的质量配比为1.6:1，防火涂料粉剂成分组成与质量配比为氧化锌20%，氧化镁20%，氧化钛15%，滑石粉10%，短陶瓷纤维3%，余量为硼酸。

实施例3

采用实施例1的金属型低压浇铸置顶凝固装置制备ZL114A过渡段金属壳体铸件，所述金属型低压浇铸置顶凝固装置中，横浇道型腔6为环状结构，宽度为60mm，高度为40mm；内浇口型腔7为锥状拔模结构，拔模角度为16°，底端截面积为3600mm²，顶端截面积为800mm²，高度为55mm；置顶激冷水凝器12中a角度范围为24°，b角度范围为35°，R1半径范围为5.0mm，R2半径范围为8.0mm，R3半径范围为11.0mm，Ф直径范围为6.0mm。

所述置顶激冷水凝器12中的冷却介质为去离子水，水温为15℃，水流量为0.45L.min^-1，置顶激冷水凝器的工作时间为14min。

所述金属型低压浇铸工艺参数中浇铸温度为705℃，升液速度为55mm·s^-1，充型压力为60kPa，充型增压压力为10kPa，结壳压力为6kPa，充型速度为50mm·s^-1，保压时间为600s。

所述坩埚2内层涂刷防火涂料，防火涂料由防火涂料粉剂与水组成，防火涂料粉剂与水的质量配比为1.8:1，防火涂料粉剂成分组成与质量配比为氧化锌22%，氧化镁23%，氧化钛18%，滑石粉12%，短陶瓷纤维4%，余量为硼酸。

图3所示为发明实施例3采用金属型低压浇铸置顶凝固工艺浇铸成形的ZL114A过渡段金属壳体铸件的结构示意图。

实施例4

采用实施例1的金属型低压浇铸置顶凝固装置制备ZM5级间段金属壳体铸件，所述金属型低压浇铸置顶凝固装置中，横浇道型腔6为环状结构，宽度为80mm，高度为50mm；内浇口型腔7为锥状拔模结构，拔模角度为20°，底端截面积为4500mm²，顶端截面积为750mm²，高度为70mm；置顶激冷水凝器12中a角度范围为30°，b角度范围为45°，R1半径范围为8.0mm，R2半径范围为10.0mm，R3半径范围为15.0mm，Ф直径范围为8.0mm。

所述置顶激冷水凝器12中的冷却介质为去离子水，水温为20℃，水流量为0.60L.min^-1，置顶激冷水凝器的工作时间为18min。

所述金属型低压浇铸工艺参数中浇铸温度为715℃，升液速度为65mm·s^-1，充型压力为75kPa，充型增压压力为10kPa，结壳压力为8kPa，充型速度为60mm·s^-1，保压时间为600s。

所述坩埚2内层涂刷防火涂料，防火涂料由防火涂料粉剂与水组成，防火涂料粉剂与水的质量配比为1.6:1，防火涂料粉剂成分组成与质量配比为氯化镁35%，氯化钾30%，氯化钡8%，氟化钙6%，氯化钙10%，余量为氧化镁。

图4所示为发明实施例4采用金属型低压浇铸置顶凝固工艺浇铸成形的ZM5级间段金属壳体铸件的结构示意图。

对比例2：

其他操作同实施例2，区别仅在于所述ZL205A铝合金外壳体铸件在铸造过程中，不使用本发明的置顶激冷水凝器。

表1 实施例2和对比例1制备的ZL205A铝合金外壳体铸件的性能测试结果

对比例2：

其他操作同实施例3，区别仅在于所述ZL114A过渡段金属壳体铸件在铸造过程中，使用的是硅砂砂型，而非金属型铸型。

表2 实施例3和对比例2制备的ZL114A过渡段金属壳体铸件的性能测试结果

实施工艺

T6态抗拉强度

T6态屈服强度

T6态延伸率

T6态布氏硬度

铸态平均晶粒尺寸

铸态二次枝晶臂间距

Kt=1、R=0.2、f=50Hz、试验应力=180MPa下的疲劳寿命

实施例3

368MPa

302MPa

9.2%

110HBS

86μm

28μm

1.84×10<sup>7</sup>

对比例2

302MPa

246MPa

4.4%

98HBS

132μm

65μm

7.12×10<sup>5</sup>

对比例3：

其他操作同实施例4，区别仅在于所述ZM5级间段金属壳体铸件在铸造过程中，使用的铸型材质为硅砂铸型，且未使用本发明的置顶激冷水凝器。

表3 实施例4和对比例3制备的ZM5级间段金属壳体铸件的性能测试结果

以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种制备中小型铸件的金属型低压浇铸置顶凝固装置，其特征在于，所述金属型低压浇铸置顶凝固装置包括炉衬（1）、坩埚（2）、合金熔体（3）、升液管（4）、低压浇铸机盖板（5）、横浇道型腔（6）、内浇口型腔（7）、金属型下铸型（8）、金属型铸型密封块（9）、砂芯（10）、金属型上铸型（11）、置顶激冷水凝器（12）、压缩气体储气罐（13）、低压充型气体管路（14）、充型气体流量计（15）和充型气体电磁阀（16）；

所述坩埚（2）置于炉衬（1）内，所述低压浇铸机盖板（5）置于炉衬（1）顶部，所述坩埚（2）内盛装合金熔体（3）；所述升液管（4）的一端置于合金熔体（3）中，所述升液管（4）的另一端通过低压浇铸机盖板（5）与横浇道型腔（6）连通；

所述金属型下铸型（8）设置在低压浇铸机盖板（5）上方，所述金属型上铸型（11）设置在金属型下铸型（8）上方；所述金属型下铸型（8）和所述金属型上铸型（11）通过金属型铸型密封块（9）密封连接；

所述金属型下铸型（8）内设置横浇道型腔（6）与内浇口型腔（7）；

所述砂芯（10）内置于金属型下铸型（8）和金属型上铸型（11）内并形成铸造型腔；

所述置顶激冷水凝器（12）设置在金属型上铸型（11）上方；

所述压缩气体储气罐（13）通过充型气体流量计（15）和充型气体电磁阀（16）与低压充型气体管路（14）相连；所述低压充型气体管路（14）置于合金熔体（3）内；

所述置顶激冷水凝器（12）包括进水口（12-1）、进水口流量电磁控制阀（12-2）、置顶激冷水凝器金属型外衬套（12-3）、置顶激冷水凝器水路管道（12-4）、置顶激冷水凝器金属型内衬芯（12-5）、出水口流量电磁控制阀（12-6）与出水口（12-7）；

所述进水口（12-1）与进水口流量电磁控制阀（12-2）、所述出水口（12-7）与出水口流量电磁控制阀（12-6）分别螺接连接在置顶激冷水凝器金属型外衬套（12-3）上，所述置顶激冷水凝器金属型内衬芯（12-5）设置在置顶激冷水凝器金属型外衬套（12-3）内部，所述置顶激冷水凝器水路管道（12-4）位于置顶激冷水凝器金属型外衬套（12-3）与置顶激冷水凝器金属型内衬芯（12-5）之间，并分别与进水口（12-1）和出水口（12-7）相连通；

所述置顶激冷水凝器金属型内衬芯（12-5）的顶部设置有顶部排气口，所述置顶激冷水凝器金属型内衬芯（12-5）的内部设置有激冷螺旋台阶；

所述置顶激冷水凝器金属型内衬芯（12-5）的顶部排气口的夹角a为18°~30°；所述置顶激冷水凝器金属型内衬芯（12-5）内部两相邻激冷螺旋台阶的夹角b为25°~45°；所述置顶激冷水凝器金属型内衬芯（12-5）的顶部排气口的直径Φ为4.0mm~8.0mm；所述置顶激冷水凝器金属型内衬芯（12-5）的激冷螺旋台阶的内圆角R1为3.0mm~8.0mm；所述置顶激冷水凝器金属型内衬芯（12-5）的激冷螺旋台阶的外圆角R2为6.0mm~10.0mm；所述置顶激冷水凝器金属型内衬芯（12-5）的顶部排气孔圆角半径R3为8.0mm~15.0mm。

2.根据权利要求1所述的金属型低压浇铸置顶凝固装置，其特征在于，所述坩埚（2）置于炉衬（1）正中间，且所述坩埚（2）的开口与所述炉衬（1）的开口齐平。

3.根据权利要求2所述的金属型低压浇铸置顶凝固装置，其特征在于，所述坩埚（2）内层涂刷防火涂料；所述防火涂料由防火涂料粉剂与水组成；

当合金熔体（3）为铝合金时，防火涂料粉剂与水的质量比为1.6~2.0:1，防火涂料粉剂成分组成与质量比为氧化锌20%~25%，氧化镁20%~25%，氧化钛15%~20%，滑石粉10%~15%，短陶瓷纤维3%~5%，余量为硼酸；

当合金熔体（3）为镁合金时，防火涂料粉剂与水的质量比为1.4~1.8:1，防火涂料粉剂成分组成与质量比为氯化镁30%~35%，氯化钾25%~30%，氯化钡6%~8%，氟化钙4%~6%，氯化钙6%~10%，余量为氧化镁。

4.根据权利要求1所述的金属型低压浇铸置顶凝固装置，其特征在于，所述横浇道型腔（6）为环状结构，宽度为50mm~80mm，高度为30mm~50mm；所述内浇口型腔（7）为锥状拔模结构，拔模角度为12°~20°，底端截面积不小于3000mm²，顶端截面积不大于1000mm²，高度为40mm~70mm。

5.根据权利要求1所述的金属型低压浇铸置顶凝固装置，其特征在于，在金属型下铸型（8）侧边区域正上方放置金属型铸型密封块（9），在金属型铸型密封块（9）上方放置金属型上铸型（11），通过金属型铸型密封块（9）密封连接金属型下铸型（8）和金属型上铸型（11）。

6.一种制备铝合金铸件的方法，其特征在于，所述方法是基于权利要求1-5任一项所述的装置，所述方法包括如下步骤：

（a）熔体转运静置处理：将合金熔体（3）注入坩埚（2）中，静置处理15min~20min；

（b）金属型低压浇铸：待合金熔体（3）升温至浇铸温度时，开启充型气体电磁阀（16）与充型气体流量计（15），压缩气体储气罐（13）内的压缩气体沿低压充型气体管路（14）进入坩埚（2）内，合金熔体（3）沿升液管（4）、横浇道型腔（6）与内浇口型腔（7）完成对金属型下铸型（8）和金属型上铸型（11）内铸型型腔的充填；

（c）合金熔体置顶激冷凝固：当合金熔体（3）充填至金属型上铸型（11）顶端时，启动置顶激冷水凝器（12），冷却水沿置顶激冷水凝器（12）进行水冷循环，对合金熔体（3）实施激冷处理。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤（b）中，浇铸温度为690℃~720℃，升液速度为40mm·s^-1~70mm·s^-1，充型压力为45kPa~80kPa，充型增压压力为5kPa~15kPa，结壳压力为4kPa~10kPa，充型速度为40mm·s^-1~60mm·s^-1，保压时间为300s~720s；

步骤（c）中，所述置顶激冷水凝器（12）中的冷却介质为去离子水，水温为5℃~25℃，水流量为0.30L.min^-1~0.60L.min^-1，置顶激冷水凝器的工作时间为10min~18min。