CN115007839A - 一种半固态流变成形低压铸造方法 - Google Patents

一种半固态流变成形低压铸造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种半固态流变成形低压铸造方法，属于低压铸造领域。本方法所用装置包括机架、保温炉和升液管；保温炉中设有用于盛放金属熔体的坩埚，在坩埚的外周侧由内至外同轴设有下冷却水管、下绝热管、坩埚加温器和下电磁搅拌器；坩埚内的液面上方设有与外界连通的进气管和出气管，坩埚内设有伸入液面下方的热电偶和升液管，升液管的另一端与模具型腔连通；位于坩埚外部的升液管的外周侧由内至外同轴设有上冷却水管、上绝热管、加热装置和上电磁搅拌器。本发明打破了传统低压铸造机的局限，生产的半固态成形件组织致密，内部气孔、偏析等缺陷少，力学性能高。

Description

一种半固态流变成形低压铸造方法
技术领域
本发明属于低压铸造领域，具体涉及一种复合电磁搅拌式的流变成形低压铸造装置和半固态流变成形低压铸造方法。
背景技术
低压铸造是将压缩惰性气体作用在密封坩埚的熔融金属液上，使金属液克服重力沿着升液管上升，经过浇口从而充填模具型腔并在持续的气体压力作用下凝固成型的铸造方法。低压铸造克服了传统的重力铸造方法存在的材料利用率低、凝固过程补缩不足导致铸件容易产生缩孔缩松缺陷等问题，实现了浇注充填的自动化，充型平稳，提升了铸件产品性能，降低了残次品率。但是，传统的低压铸造方法由于要保证金属液的流动性和顺序凝固，浇注温度和模温一般都很高，因此凝固速度慢，铸造周期长，生产效率低，且浇注温度较高时，铸件收缩量增大，卷气增加，易出现气孔缺陷。
金属半固态加工技术是在金属冷却凝固过程中，通过剧烈搅拌或凝固过程的控制，得到一种液态金属母液中均匀地悬浮着近球形固相组分的半固态浆料，并将之加工成形的方法。半固态浆料具有很好的流动性，加工过程中充型平稳，无湍流和喷溅，因此铸件内部组织致密，气孔、偏析缺陷少，且半固态加工的凝固收缩小，成形温度低，凝固时间缩短，有效提高生产效率。半固态成形工艺主要有流变成形和触变成形两种。流变成形是将金属从液态冷却到半固态温度，对所得到的半固态浆料直接成形，如压铸、挤压或轧制；触变成形是将半固态浆料完全凝固，先制备成坯料，然后根据产品尺寸下料，再重新加热到半固态温度成形。对于触变成形，由于半固态坯料便于输送，易于实现自动化，因此在工业中较早得到了广泛应用。对于流变成形，将部分凝固的半固态浆料直接成形的方法具有节能、流程短、成本低、效率高、适用合金多等优点，近年来也得到发展。目前，流变压铸是流变成形的主要成形方式，还基本没有将流变成形应用在低压铸造上的成熟案例。
电磁搅拌是常用的用来生产半固态浆料的方法，经检索，申请号为201980003368.4的专利，公开了一种采用电磁搅拌技术的低压充型方法和装置，在金属熔体流过升液管时，对金属熔体进行电磁搅拌。该发明利用电磁搅拌将产生的树枝晶打散，增加新晶核，细化晶粒组织，从而能够采用较低的浇注温度，减少铸件吸气量与收缩量。但是，该发明未对具体的铸造工艺参数和电磁搅拌技术参数作出说明，且未对坩埚内的金属熔体进行除气处理，无法保证最终铸件质量，更重要的是，充型时模具型腔未作抽真空处理，当铸造薄壁件时由于低压铸造的压力较小，半固态浆料很可能未充满型腔就已经凝固，极易产生冷隔、浇不足等缺陷。
发明内容
本发明要解决的技术问题是如何将金属半固态流变成形技术应用在低压铸造方法上，克服现有的低压铸造方法生产效率低、浇注温度高导致缺陷不易控制等缺点，并实现高质量的、性能良好的薄壁铸件成形，本发明提供了一种半固态流变成形低压铸造方法。
本发明所采用的具体技术方案如下：
本发明提供了一种半固态流变成形低压铸造方法，该方法通过复合电磁搅拌式的流变成形低压铸造装置实现，所述复合电磁搅拌式的流变成形低压铸造装置包括机架、保温炉和升液管；所述机架上平行设有上横板和下横板，上横板上设有升降装置，升降装置的升降端部位于上横板下方并用于与上模可拆卸式固定连接，下横板用于可拆卸式固定下模，上模和下模之间能通过升降装置压紧密封并构成模具型腔；所述下横板下方设有保温炉，保温炉中设有用于盛放金属熔体的坩埚，在坩埚的外周侧由内至外同轴设有下冷却水管、下绝热管、坩埚加温器和下电磁搅拌器；所述坩埚内的液面上方设有与外界连通的进气管和出气管，坩埚内设有伸入液面下方的热电偶和升液管，升液管的另一端与所述模具型腔连通；位于坩埚外部的升液管的外周侧由内至外同轴设有上冷却水管、上绝热管、加热装置和上电磁搅拌器；
所述半固态流变成形低压铸造方法具体如下：
S1：将预制好的金属熔体加入坩埚中；
S2：将上模固定于升降装置的升降端部，将下模固定于下横板上；利用加热器将上模和下模分别预热至第一设定温度，并在型腔表面喷涂涂料；随后通过升降装置将上模和下模配对压紧密封，利用加热器将上模和下模分别预热至第二设定温度；
S3：通过进气管向坩埚内吹入精炼剂进行喷粉精炼，同时开启下电磁搅拌器对金属熔体进行电磁搅拌，以促进熔体流动、细化熔体颗粒、对熔体进行除气；在电磁搅拌过程中，通过下冷却水管、热电偶和坩埚加温器的作用使坩埚中的金属熔体保持其液相线温度；
S4：开启上电磁搅拌器，向坩埚中通入干燥的压缩气体，使金属熔体在气体压力作用下沿升液管上升；金属熔体从坩埚经升液管进入模具型腔的过程中，在上电磁搅拌器的强剪切作用下迅速冷却至半固态温度，以流变状态充入模具型腔；在向坩埚中通入压缩气体的同时，开启与模具型腔相连的抽真空系统，以保持模具型腔内的真空度；
S5：待模具型腔中充满金属熔体后，关闭抽真空系统，继续向坩埚中通入干燥的压缩气体，待气体压力增大到所需值时保持恒定，使金属熔体在恒定压力作用下完全凝固，以得到组织致密的铸件；
S6：停止向坩埚中通入压缩气体，卸掉气体压力，使升液管和浇道中尚未凝固的金属熔体通过升液管重新回流至坩埚中；
S7：通过升降装置使上模和下模分开，取出铸件。
作为优选，所述升降装置与上模之间、下横板和下模之间均通过螺栓固定连接。
作为优选，所述升液管内部同轴集成有陶瓷管。
作为优选，所述上电磁搅拌器和下电磁搅拌器均为水平电磁搅拌器。
作为优选，所述步骤S2中，在型腔表面喷涂的涂料为668涂料；通过保持喷枪喷嘴与型腔表面距离20～30cm、均匀喷涂3～4层，使涂料厚度为0.2mm。
作为优选，所述加热器为筒状加热器，第一设定温度为300±50℃，第二设定温度为350℃。
作为优选，所述步骤S4中压缩气体为压力为0.08～0.1MPa的氩气。
作为优选，所述升降装置为液压升降装置。
作为优选，所述模具型腔内的真空度为0.02～0.03MPa。
作为优选，所述步骤S5中的气体压力为0.15MPa。
本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
本发明将半固态流变成形技术应用在传统的低压铸造机上，开发出流变成形低压铸造装置，通过复合电磁搅拌技术破坏金属熔体凝固时产生的枝晶结构，从而控制固体颗粒尺寸，获得细小球状初生相颗粒分布均匀的理想半固态浆料，然后由升液管经浇口充入预抽真空的模具型腔，实现了高质量、性能稳定的薄壁铸件成形。
附图说明
图1为复合电磁搅拌式的流变成形低压铸造装置的结构示意图；
图2为半固态流变成形低压铸造方法的流程图；
图中标号说明：1-上横板2-升降装置3-上模4-模具型腔5-加热器6-机架7-抽真空系统8-下横板9-保温炉10-进气管11-下电磁搅拌器12-热电偶13-金属熔体14-陶瓷管15-升液管16-坩埚17-下冷却水管18-下绝热管19-坩埚加温器20-出气管21-上电磁搅拌器22-加热装置23-上绝热管24-上冷却水管25-下模。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
本发明将金属半固态流变成形技术应用在低压铸造工艺上，提供了一种复合电磁搅拌式的流变成形低压铸造装置及利用该装置的半固态流变成形低压铸造方法。本发明克服了现有的低压铸造方法生产效率低、浇注温度高导致缺陷不易控制等缺点，实现了高质量、性能良好的薄壁铸件成形。
如图1所示，为本发明提供的一种复合电磁搅拌式的流变成形低压铸造装置，该流变成形低压铸造装置主要包括机架6、保温炉9、升液管15和复合电磁搅拌系统，其中，复合电磁搅拌系统包括上电磁搅拌器21和下电磁搅拌器11。下面将对各部件的结构和连接方式进行具体说明。
本装置的机架6上设有上横板1和下横板8，上横板1和下横板8均沿水平方向平行设置。上横板1位于机架6的上方，板面上固定有升降装置2。升降装置2的升降端部穿过上横板1的板面并位于上横板1下方，升降端部能与上模3可拆卸式固定连接。下横板8位于上横板1下方，顶部能可拆卸式固定下模25，上模3和下模25之间能通过升降装置2压紧密封并构成模具型腔4。在实际应用时，上模3和下模25均带有独立温度控制的筒式加热器5，两者之间形成的模具型腔4与抽真空系统7相连。
在实际应用时，升降装置2与上模3之间、下横板8和下模25之间均可以通过螺栓实现可拆卸式固定连接。升降装置2优选采用液压升降装置。
本装置的下横板8下方设有保温炉9，为了保证装置的一体化布设，可以将保温炉9与机架6整体相连以便于共同移动，但也可以根据需要将保温炉9与机架6单独设置。保温炉9中放置有坩埚16，坩埚16用于盛放金属熔体13。在坩埚16的外部同轴设有下电磁搅拌器11，从坩埚16到下电磁搅拌器11之间由内到外依次设有下冷却水管17、下绝热管18和坩埚加温器19。
本装置的坩埚16中还设有进气管10、出气管20、热电偶12和升液管15。进气管10和出气管20的一端均与外界连通，另一端位于坩埚16内部且在液面上方；热电偶12的一端位于坩埚16内部且伸入液面下方，另一端位于坩埚16外部；升液管15的一端位于坩埚16内部且伸入液面下方，另一端与模具型腔4连通。
本装置中位于坩埚16外部的升液管15的外部同轴设有上电磁搅拌器21，从升液管15到上电磁搅拌器21之间由内到外依次设有上冷却水管24、上绝热管23和加热装置22。
在实际应用时，当铸造过程持续较长时间时，由于金属熔体在升液管内的粘附特性，熔体会发生凝固。为了防止此类问题的发生，可以在金属材质的升液管15内部同轴集成设有陶瓷管14，也可以在升液管15内壁上涂覆一层陶瓷层。上电磁搅拌器21和下电磁搅拌器11均可以采用水平电磁搅拌器，具体为三相两级水平电磁搅拌器，即内部装有空间对称排列的三相绕组，线圈的极对数选用两级。该种搅拌器根据线圈和铁芯的形状，利用三相电流形成电磁场，并通过垂直于铁芯安装的线圈产生的旋转磁场沿圆周方向水平搅拌熔体。在电磁搅拌期间，由于熔体的辐射热，温度升高，这可能会导致线圈燃烧。为了防止这种情况，本发明还在电磁搅拌器(包括上电磁搅拌器21和下电磁搅拌器11)内部设计了冷却水管(包括上冷却水管24和下冷却水管17)。
如图2所示，利用本发明复合电磁搅拌式的流变成形低压铸造装置的半固态流变成形低压铸造方法，具体如下：
步骤1，金属熔体转包：将预制好的金属熔体从熔化炉中转运出来，倒入保温炉9中。
步骤2，模具喷涂：将上模3固定于液压升降装置2的升降端部，将下模25放置在下横板8上，下横板8与机架6安装固连，首先对模具进行喷砂处理，将模具表面的残留粘结物清理干净，随后打开筒式加热器5，将模具加热至300±50℃，然后在上模3和下模25的型腔表面喷涂预先配置好的668涂料，手持喷枪，保持喷嘴与模具表面距离约20～30cm，匀速移动喷枪，雾状喷涂，喷上3～4层，涂层厚度控制在0.2mm左右。喷涂涂料可以提高模具寿命，且有利于铸件脱模，防止粘砂，提高铸件质量。
在实际应用时，喷涂模具所用涂料视具体工艺而定。
步骤3，合模及预热模具：启动升降装置2将上模3与下模25配对压紧密封后，利用独立温控的筒式加热器5将上模和下模预热至350℃。
步骤4，保温炉预搅拌：通过进气管10向坩埚内吹入精炼剂进行喷粉精炼，利用下电磁搅拌器11对保温炉的金属熔体13进行电磁搅拌。在搅拌过程中，一方面促进熔体流动、细化熔体颗粒、对金属熔体进行除气，另一方面使其整体均匀地降低到液相线温度，为之后金属熔体流经升液管时对其完全搅拌作准备。熔体的液相线温度由下冷却水管17、热电偶12和坩埚加温器19形成闭环反馈控制来保持。
步骤5，打开上电磁搅拌器：停止喷粉精炼，保持上电磁搅拌器21处于工作状态，准备浇注。上电磁搅拌器的作用是对流经升液管的金属熔体进行强烈地电磁搅拌，使金属熔体在强剪切作用下迅速冷却至半固态温度，获得理想的半固态浆料，在流变状态下充入模具型腔。
步骤6：加压及模具抽真空：向保温炉通入干燥的压缩气体，使经过预搅拌的金属熔体在气体压力作用下沿升液管上升，在通入压缩气体的同时，打开抽真空系统7，迅速对其抽真空，保证型腔内的真空度在0.02～0.03MPa，提高了半固态充型的流动性，亦可减少成形件的气孔缺陷。在实际应用时，压缩气体可以采用压力为0.08～0.1MPa的氩气。
步骤7，保压：待半固态浆料充满模具型腔后，关闭抽真空系统7，继续往坩埚通入氩气，待压力达到0.15MPa时，保持气体压力恒定，使浆料在恒定压力作用下完全凝固，保证铸件组织致密。
步骤8，卸压：卸掉气体压力，使升液管和浇道中尚未凝固的金属熔体流回到保温炉。
步骤9，开模：升降装置往上运动将上下模分开，随后取出铸件，至此完成一次半固态流变成形低压铸造。
实施例1
本实施例生产了一种厚度为2mm的A356铝合金薄板，具体包括如下步骤：
步骤1，铝液转包：在700～710℃的熔化炉中将A356铝合金基体材料熔化，将制备好的铝液从熔化炉中转运出来，倒入保温炉9中；
步骤2，模具喷涂：将上模3固定于液压升降装置2的升降端部，将下模25放置在下横板8上，下横板8与机架6安装固连，首先对模具进行喷砂处理，将模具表面的残留粘结物清理干净，随后打开筒式加热器5，将模具加热至300±50℃，然后在上模3和下模25的型腔表面喷涂预先配置好的668涂料，手持喷枪，保持喷嘴与模具表面距离约20～30cm，匀速移动喷枪，雾状喷涂，喷上3～4层，涂层厚度控制在0.2mm左右。喷涂涂料可以提高模具寿命，且有利于铸件脱模，防止粘砂，提高铸件质量。
步骤3，合模及预热模具：启动升降装置2将上模3与下模25配对压紧密封后，利用独立温控的筒式加热器5将上模和下模预热至350℃。因为模具温度过高会导致铸件与模具表面黏着力增强，导致抽模困难，模具表面粗糙度变差；同时，由于型腔厚度只有2mm，如果模具温度较低，则铝液一进入模具就会发生凝固，因此模具温度保持在350℃是合理的。
步骤4，保温炉预搅拌：通过进气管10向坩埚16内吹入精炼剂进行喷粉精炼，同时使下电磁搅拌器11处于工作状态，搅拌电流设置为80A，对保温炉的铝液进行初步电磁搅拌，一方面促进熔体流动、细化熔体颗粒、加强除气效果，另一方面使其整体均匀地降低到液相线温度，为之后铝液流经升液管时对其完全搅拌作准备。铝液的液相线温度由热电偶、加温器和冷却器形成闭环反馈控制来保持，控制在615℃上下1～2℃。
步骤5：打开上电磁搅拌器：保持上电磁搅拌器处于工作状态，准备浇注。由于铝液流过升液管的时间较短，搅拌时间只有约4秒，为了增强搅拌效果，搅拌电流设置为100A。上电磁搅拌器的作用是对流经升液管的铝液进行强烈地电磁搅拌，使铝液在强剪切作用下迅速冷却至半固态温度，获得理想的半固态浆料，在流变状态下充入模具型腔。
步骤6，加压及模具抽真空：向坩埚中通入干燥的压缩氩气，气体压力设置为0.08～0.1Mpa，使经过预搅拌的金属熔体在气体压力作用下沿升液管上升，考虑到模具型腔壁厚为2mm，氩气施加的压力可能不足以使半固态铝合金浆料充满型腔，在通入压缩氩气的同时，打开抽真空系统7，迅速对其抽真空，保证型腔内的真空度在0.02～0.03MPa，提高了半固态充型的流动性，亦可减少成形件的气孔缺陷。
步骤7，保压：待半固态铝合金浆料充满模具型腔后，关闭抽真空系统7，继续往坩埚通入氩气，待压力达到0.15MPa时，保持气体压力恒定，使半固态铝合金浆料在恒定压力作用下完全凝固，保证铸件组织致密。
步骤8，卸压：卸掉气体压力，使升液管和浇道中尚未凝固的铝液流回到保温炉。
步骤9，开模：升降装置2往上运动将上模3和下模25分开，随后取出铸件，至此完成一次半固态流变成形低压铸造。
本发明提供了一种复合电磁搅拌式的流变成形低压铸造装置和半固态流变成形低压铸造方法，将金属半固态流变成形技术应用在低压铸造上，克服了现有的低压铸造方法生产效率低、浇注温度高导致缺陷不易控制等缺点。因为半固态加工的凝固收缩小，成形温度低，凝固时间缩短，所以可有效提高生产效率。另外，半固态浆料处于流变状态，以层流的形式充填模具型腔，与液相相比，层流具有更高的粘度，有效减少卷气，产品内部的气体或孔隙导致的缺陷可以减少。因此用本发明提供的复合电磁搅拌式的流变成形低压铸造装置可以打破传统低压铸造机的局限，生产的半固态成形件组织致密，内部气孔、偏析等缺陷少，力学性能高。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种半固态流变成形低压铸造方法，其特征在于，该方法通过复合电磁搅拌式的流变成形低压铸造装置实现，所述复合电磁搅拌式的流变成形低压铸造装置包括机架(6)、保温炉(9)和升液管(15)；所述机架(6)上平行设有上横板(1)和下横板(8)，上横板(1)上设有升降装置(2)，升降装置(2)的升降端部位于上横板(1)下方并用于与上模(3)可拆卸式固定连接，下横板(8)用于可拆卸式固定下模(25)，上模(3)和下模(25)之间能通过升降装置(2)压紧密封并构成模具型腔(4)；所述下横板(8)下方设有保温炉(9)，保温炉(9)中设有用于盛放金属熔体(13)的坩埚(16)，在坩埚(16)的外周侧由内至外同轴设有下冷却水管(17)、下绝热管(18)、坩埚加温器(19)和下电磁搅拌器(11)；所述坩埚(16)内的液面上方设有与外界连通的进气管(10)和出气管(20)，坩埚(16)内设有伸入液面下方的热电偶(12)和升液管(15)，升液管(15)的另一端与所述模具型腔(4)连通；位于坩埚(16)外部的升液管(15)的外周侧由内至外同轴设有上冷却水管(24)、上绝热管(23)、加热装置(22)和上电磁搅拌器(21)；
所述半固态流变成形低压铸造方法具体如下：
S1：将预制好的金属熔体(13)加入坩埚(16)中；
S2：将上模(3)固定于升降装置(2)的升降端部，将下模(25)固定于下横板(8)上；利用加热器(5)将上模(3)和下模(25)分别预热至第一设定温度，并在型腔表面喷涂涂料；随后通过升降装置(2)将上模(3)和下模(25)配对压紧密封，利用加热器(5)将上模(3)和下模(25)分别预热至第二设定温度；
S3：通过进气管(10)向坩埚(16)内吹入精炼剂进行喷粉精炼，同时开启下电磁搅拌器(11)对金属熔体(13)进行电磁搅拌，以促进熔体流动、细化熔体颗粒、对熔体进行除气；在电磁搅拌过程中，通过下冷却水管(17)、热电偶(12)和坩埚加温器(19)的作用使坩埚(16)中的金属熔体(13)保持其液相线温度；
S4：开启上电磁搅拌器(21)，向坩埚(16)中通入干燥的压缩气体，使金属熔体(13)在气体压力作用下沿升液管(15)上升；金属熔体(13)从坩埚(16)经升液管(15)进入模具型腔(4)的过程中，在上电磁搅拌器(21)的强剪切作用下迅速冷却至半固态温度，以流变状态充入模具型腔(4)；在向坩埚(16)中通入压缩气体的同时，开启与模具型腔(4)相连的抽真空系统(7)，以保持模具型腔(4)内的真空度；
S5：待模具型腔(4)中充满金属熔体(13)后，关闭抽真空系统(7)，继续向坩埚(16)中通入干燥的压缩气体，待气体压力增大到所需值时保持恒定，使金属熔体(13)在恒定压力作用下完全凝固，以得到组织致密的铸件；
S6：停止向坩埚(16)中通入压缩气体，卸掉气体压力，使升液管(15)和浇道中尚未凝固的金属熔体(13)通过升液管(15)重新回流至坩埚(16)中；
S7：通过升降装置(2)使上模(3)和下模(25)分开，取出铸件。
2.根据权利要求1所述的半固态流变成形低压铸造方法，其特征在于，所述升降装置(2)与上模(3)之间、下横板(8)和下模(25)之间均通过螺栓固定连接。
3.根据权利要求1所述的半固态流变成形低压铸造方法，其特征在于，所述升液管(15)内部同轴集成有陶瓷管(14)。
4.根据权利要求1所述的半固态流变成形低压铸造方法，其特征在于，所述上电磁搅拌器(21)和下电磁搅拌器(11)均为水平电磁搅拌器。
5.根据权利要求1所述的半固态流变成形低压铸造方法，其特征在于，所述步骤S2中，在型腔表面喷涂的涂料为668涂料；通过保持喷枪喷嘴与型腔表面距离20～30cm、均匀喷涂3～4层，使涂料厚度为0.2mm。
6.根据权利要求1所述的半固态流变成形低压铸造方法，其特征在于，所述加热器(5)为筒状加热器，第一设定温度为300±50℃，第二设定温度为350℃。
7.根据权利要求1所述的半固态流变成形低压铸造方法，其特征在于，所述步骤S4中，压缩气体为压力为0.08～0.1MPa的氩气。
8.根据权利要求1所述的半固态流变成形低压铸造方法，其特征在于，所述升降装置(2)为液压升降装置。
9.根据权利要求1所述的半固态流变成形低压铸造方法，其特征在于，所述模具型腔(4)内的真空度为0.02～0.03MPa。
10.根据权利要求1所述的半固态流变成形低压铸造方法，其特征在于，所述步骤S5中的气体压力为0.15MPa。
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