CN117600436A - 一种半固态浆料的节能型连续真空铸造成型方法及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半固态浆料的节能型连续真空铸造成型方法及设备，包括如下步骤：加料和一次抽真空处理：真空送料和熔炼处理：二次抽真空和测温：合金熔体输送：半固态真空制浆：半固态合金熔体压铸：本发明中从加料、熔炼、送料道压铸成型的全过程实现超高真空保护，减少氧化成分和含气量，促使合金熔体内部夹杂上浮、氢气体逸出，在电磁搅拌作用下，夹杂粘附于控温倾斜板上形成大量初生球状晶核，抑制合金熔体因过冷而产生枝晶，通过在超高真空下进行合金熔体保护，提供无氧化制浆环境，最大程度避免半固态合金熔体制备过程中发生氧化和卷气现象，进一步提高半固态合金熔体的品质，进而提升高温易氧化合金金属的压铸成型效果。
Description
技术领域
本发明属于半固态浆料真空铸造技术领域，具体涉及一种半固态浆料的节能型连续真空铸造成型方法及设备。
背景技术
压铸是将各种金属熔液以高速高压填充于金属模内而进行铸造的方法，由于产品的结构越来越复杂，对性能和外观的要求也越来越高，因此使用常规压铸成型设备成型部件，很容易在熔融成型时出现氧化渣，气体掺于金属熔体内部形成气孔等缺陷，基于上述原因，常规压铸成型设备难以高质量完成高性能铸件，而常规压铸机在大气环境下熔化和压铸成型时，对氧含量的某些性能比较敏感，对易氧化金属在压铸成型时比较无力，同时高温金属熔液容易与空气接触产生大量烟气，熔液在含有空气和大量烟气环境下凝固而成的压铸件内部含有不同大小的无数气孔穴，导致压铸件的强度低，并且该类型的压铸件在受热的情况下，其内部的气孔会发生受热膨胀，进而发生形变，导致该压铸件无法进行正常使用。
金属半固态浆料的制备是高性能半固态压铸成型技术关键，目前半固态浆料的制备方法多种多样，如双螺旋搅拌法、机械搅拌法、电磁搅拌法、超声波搅拌法、冷却斜槽法、强力剪切法等；但是传统半固态制浆熔体剧烈波动，存在易氧化、易引入夹杂、易卷气、易产生粗大枝晶/蔷薇晶、晶粒尺寸和分布不均匀等问题，影响成形件性能，限制半固态成形的快速发展。
为了解决上述问题，真空压铸技术应运而生，现有的真空压铸技术一般有两种方法，一种方法是只对密封的压铸模进行简单抽真空，当压铸机注入到一定行程超过压铸的浇注口时，根据触发条件开始对模具进行抽真空，利用冲头与模具型腔之间的密封，监控真空关闭的时间点，从而达到负压条件形成简单的粗真空，该方法抽真空程度低，只能达到10KPa左右的水平，对触发条件控制要求高，模具结构复杂等问题，不适合易氧化金属的成型；另一种方法是用一个大炉体覆盖所有熔化部分和压铸部分，然后对整个炉体进行真空处理，使整个熔化和压铸成型过程都在真空条件下进行，虽然该方法可以实现抗氧化真空压铸，但是因为大尺寸的真空炉体,不容易布局，整个炉体的真空抽取是非常缓慢的，尤其是在每个生产周期需要再次抽真空下，这将严重影响设备的生产效率，为此我们提出一种半固态浆料的节能型连续真空铸造成型方法及设备。
发明内容
本发明的目的在于提供一种半固态浆料的节能型连续真空铸造成型方法及设备，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种半固态浆料的节能型连续真空铸造成型方法，包括如下步骤：
A、加料和一次抽真空处理：
将连续真空铸造设备装配好并进行调试合模，使连续真空铸造设备内部形成密闭空间，向真空加料室内加入待熔融合金材料，关闭真空加料室的真空送料阀，并对连续真空铸造设备的真空加料室内部进行一次抽真空处理；
B、真空送料和熔炼处理：
打开真空加料室内的真空送料阀，将真空加料室内的待熔融合金材料送入真空熔炼室内，并对真空熔炼室内的待熔融合金材料进行真空加热熔炼；
C、二次抽真空和测温：
待真空熔炼室内的待熔融合金材料加热至通红状态时进行二次抽真空处理，并通过真空熔炼室观察孔观察待熔融合金材料熔化至液体状态后，获得合金熔体，静置一段时间并持续真空精炼，并使用熔炼热电偶对合金熔体进行测温；
D、合金熔体输送：
当合金熔体达到指定温度后，对真空熔炼室、真空压铸室和模具型腔进行迅速抽真空到20Mbar，打开真空熔炼室和真空压铸室之间的真空隔离阀，然后拔出塞杆，将合金熔体定量输送至输送通道内的控温倾斜板上，关闭塞杆和真空真空隔离阀；
E、半固态真空制浆：
通过电磁搅拌和冷却处理，合金熔体冲刷到控温倾斜板上，通过移动液流冲击控温倾斜板，在电磁搅拌力、机械振动力和冲击力的作用下始终保持高速的环形流动，使合金熔体在高速环形流场的作用下充分成核，使依附于控温倾斜板壁面形成的大量初生球状晶核，抑制合金熔体因过冷而产生枝晶，获得半固态合金熔体，然后半固态合金熔体流入真空压铸室内；
F、半固态合金熔体压铸：
当真空压铸室内的半固态合金熔体定量浇注完成后，半固态合金熔体在压射冲头的推动下进行高速压射，使半固态合金熔体从真空压铸室压射进入模具型腔中，并通过锁模机构将已充型完成的模具型腔连接起来，待模具型腔中的铸件完全凝固后，打开模具取出铸件，并根据真空熔炼室内合金熔体的容量情况，重复步骤D-F，实现半固态浆料的连续真空铸造。
优选的，在步骤A中，加料和一次抽真空处理的具体过程如下：
A1、将连续真空铸造设备装配好，并将熔炼热电偶和铸造热电偶均上移至方便加料的位置，在模具动模的推动下，模具完成合模动作，使连续真空铸造设备内部形成密闭空间；
A2、打开真空加料室的仓门，向真空加料室内加入待熔融合金材料，然后关闭真空加料室的仓门，打开抽真空系统，对连续真空铸造设备内部进行一次抽真空处理，直至连续真空铸造设备内部达到10-3Pa的超高真空状态。
优选的，在步骤B中，真空送料和熔炼处理的具体过程如下：
B1、打开真空加料室内的真空送料阀，将真空加料室内的待熔融合金材料送入真空熔炼室内，然后关闭真空加料室内的真空送料阀；
B2、接通真空熔炼室和真空压铸室的加热电源，对真空熔炼室内的待熔融合金材料进行真空加热熔炼，移动铸造热电偶靠近真空熔炼室内的熔炼坩埚壁并测量温度，并设置真空熔炼室内的坩埚加热温度为650-750℃。
优选的，在步骤C中，二次抽真空和测温的具体过程如下：
C1、将真空熔炼室内的待熔融合金材料加热至通红状态时，进行二次抽真空处理，待真空熔炼室内的真空度达到10-3Pa以下，真空熔炼室持续抽真空，将真空熔炼室内释放的气体持续抽出；
C2、通过真空熔炼室观察孔观察待熔融合金材料熔化至液体状态后，获得合金熔体，静置2-5min，并持续真空精炼10-30min，将熔炼热电偶插入熔炼坩埚内对合金熔体进行测温处理。
优选的，在步骤D中，合金熔体输送的具体过程如下：
当合金熔体达到650-750℃后，打开真空熔炼室和真空压铸室之间的真空隔离阀，然后拔出塞杆，将合金熔体定量输送至输送通道内的控温倾斜板上。
优选的，在步骤E中，半固态制浆的具体过程如下：
合金熔体输送至输送通道内的控温倾斜板上时，合金熔体接触到控温倾斜板得到迅速冷却，温度快速冷却至固液温度区间，通过电磁搅拌和冷却处理，使依附于控温倾斜板壁面形成的大量初生球状晶核，通过控温倾斜板的机械振动器产生振动，控温倾斜板的振动方向和倾斜方向垂直，通过移动合金熔体冲击控温倾斜板，在机械振动力、沿控温倾斜板的倾斜方向向下流动产生的纵向剪切力和电磁搅拌器产生的横向剪切力的共同作用下始终保持高速的环形流动，使晶粒间相互碰撞、摩擦，使合金熔体在高速环形流场的作用下充分成核，最终促进经过冷却的熔体产生大量自由球状晶体，破碎长大的树枝晶，晶核迅速进入合金熔体内部，抑制液态合金熔体因过冷而产生枝晶，获得均匀的半固态合金熔体，同时合金熔体的剧烈冲击扰动均是在10-3Pa下的高真空状态下进行，然后均匀的半固态合金熔体流入真空压铸室内，此时真空压铸室内的温度为180-220℃。
优选的，电磁搅拌的电流为200-500A，频率为2-20Hz，电磁搅拌区域温度为450-550℃。
优选的，在步骤F中，半固态合金熔体的高速压射速率为5-15m/s，压射比压为30-90MPa，保压时间为4-12s，压射冲头的温度为300-400℃。
一种半固态浆料的节能型连续真空铸造成型设备，应用在半固态浆料的节能型连续真空铸造成型方法中，包括真空加料室、真空熔炼室、真空保温室、真空压铸室和模具，所述真空加料室和所述真空熔炼室通过真空送料阀连接，所述真空熔炼室设置在所述真空保温室内，所述真空熔炼室上设置有感应加热器，所述真空熔炼室和所述真空压铸室之间设置有输送通道，所述真空熔炼室和所述真空压铸室之间还设置有真空隔离阀，所述真空熔炼室内的所述输送通道处设置有塞杆，所述输送通道处设置有电磁搅拌器、机械振动器和控温倾斜板，所述真空压铸室内通过压射杆设置有压射冲头，所述真空压铸室与所述模具连接；
所述真空加料室、所述真空熔炼室、所述真空保温室和所述真空压铸室上均设置有真空抽气口，所述真空抽气口通过真空管道外接有抽真空系统，每个所述真空管道节点处均设置有真空分配器，所述抽真空系统和所述真空分配器均连接有计算机控制系统。
优选的，所述真空熔炼室处的所述输送通道处设置有冷却水循环机构，所述压射杆和所述压射冲头之间设置有冷却机构。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明中从加料、熔炼、送料道压铸成型的全过程实现超高真空保护，真空度达到10-3Pa的超高真空，能充分减少氧化成分和含气量，且超高真空环境下促使合金熔体内部夹杂上浮、氢气体逸出，并在电磁搅拌、机械振动和强制冷却作用下，夹杂粘附于控温倾斜板上形成大量初生球状晶核，该初生球状晶核为细小圆整的球形晶，迅速进入合金熔体内部，抑制合金熔体因过冷而产生的枝晶，获得半固态合金熔体，同时熔体的剧烈冲击扰动均是在10-3Pa下的高真空状态下进行，一方面消除了传统压铸导致的卷气问题，另一方面冲击分散的熔体液滴可以最大限度的暴漏在高真空环境中得到进一步精炼，通过在超高真空下进行合金熔体保护，提供无氧化制浆环境，最大程度避免半固态合金熔体制备过程中发生氧化和卷气现象，进一步提高半固态合金熔体的品质，进而提升高温易氧化合金金属的压铸成型效果；
2、传统常规真空压铸时，由于抽真空总时间较短，不到1s、真空通道位于模具远端等原因，压铸时模具型腔中的实际真空度往往低于设定值，因此传统常规真空压铸铸件内部仍然存在比较明显的气孔，而本发明的超高真空压铸分别对真空加料室、真空熔炼室、真空压铸室和模具分别进行抽真空，特别是对真空熔炼室可一直进行抽气处理，每次生产抽真空的精炼时间高达数小时，对合金金属材料从固态到液态可一直保持抽真空处理，始终保持10-3Pa的极限超高真空状态进行脱气精炼，且对真空压铸室的抽真空工序位于合金熔体浇注之前，抽真空时间显著增加，每次开模仅对真空压铸室和模具进行抽真空即可，可以极大的提高真空精炼脱气效率，采用本发明技术方案，可以使真空熔炼室一直保持10-3Pa的超高真空状态，真空压铸时密闭空间的实际真空度远小于50mbar，即达到真正的超高真空状态；
3、在传统的普通真空环境制浆下熔炼、浇注、成形过程中真空室内的微量气体仍然会导致熔体氧化、烧损以及有害气体杂质元素的引入，且真空环境下散热缓慢，一般制备浆料需要至少1min，不适合易氧化的镁合金等大体积浆料；而本发明在全流程制浆料真空度可以达到保持10-3Pa的超高真空，且熔体冷却散热快，制浆效率高，制浆时间一般为2-10s，适合大体积铝合金、镁合金及其它复合材料半固态熔体制备；
4、采用本发明的半固态浆料的节能型连续真空铸造成型方法制备的压铸件抗拉强度提高>40％，屈服强度提高>30％，伸长率提高>100％。
附图说明
图1为本发明的节能型连续真空铸造成型设备的结构示意图；
图2为实施例一制备的半固态压铸AlSi10MnMg合金的金相观察图；
图3为对比例一制备的半固态压铸AlSi10MnMg合金的金相观察图。
图4为实施例二制备的半固态压铸A380铝合金的SEM观察图。
图5为对比例二制备的半固态压铸A380铝合金的SEM观察图。
图中：1、真空加料室；2、真空熔炼室；3、真空压铸室；4、模具；5、感应加热器；6、输送通道；7、塞杆；8、电磁搅拌器；9、压射杆；10、压射冲头；11、真空抽气口；12、控温倾斜板；13、机械振动器；14、真空隔离阀。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供的半固态浆料的节能型连续真空铸造成型方法，包括如下步骤：
A、加料和一次抽真空处理：
将连续真空铸造设备装配好并进行调试合模，使连续真空铸造设备内部形成密闭空间，向真空加料室内加入待熔融合金材料，关闭真空加料室的真空送料阀，并对连续真空铸造设备的真空加料室内部进行一次抽真空处理；
在步骤A中，加料和一次抽真空处理的具体过程如下：
A1、将连续真空铸造设备装配好，并将熔炼热电偶和铸造热电偶均上移至方便加料的位置，在模具动模的推动下，模具完成合模动作，使连续真空铸造设备内部形成密闭空间；
A2、打开真空加料室的仓门，向真空加料室内加入待熔融合金材料，然后关闭真空加料室的仓门，打开抽真空系统，对连续真空铸造设备内部进行一次抽真空处理，直至连续真空铸造设备内部达到10-3Pa的超高真空状态；
B、真空送料和熔炼处理：
打开真空加料室内的真空送料阀，将真空加料室内的待熔融合金材料送入真空熔炼室内，并对真空熔炼室内的待熔融合金材料进行真空加热熔炼；
在步骤B中，真空送料和熔炼处理的具体过程如下：
B1、打开真空加料室内的真空送料阀，将真空加料室内的待熔融合金材料送入真空熔炼室内，然后关闭真空加料室内的真空送料阀；
B2、接通真空熔炼室和真空压铸室的加热电源，对真空熔炼室内的待熔融合金材料进行真空加热熔炼，移动铸造热电偶靠近真空熔炼室内的熔炼坩埚壁并测量温度，并设置真空熔炼室内的坩埚加热温度为650-750℃；
C、二次抽真空和测温：
待真空熔炼室内的待熔融合金材料加热至通红状态时进行二次抽真空处理，并通过真空熔炼室观察孔观察待熔融合金材料熔化至液体状态后，获得合金熔体，静置一段时间并持续真空精炼，并使用熔炼热电偶对合金熔体进行测温；
在步骤C中，二次抽真空和测温的具体过程如下：
C1、将真空熔炼室内的待熔融合金材料加热至通红状态时，进行二次抽真空处理，待真空熔炼室内的真空度达到10-3Pa以下，真空熔炼室持续抽真空，将真空熔炼室内释放的气体持续抽出；
C2、通过真空熔炼室观察孔观察待熔融合金材料熔化至液体状态后，获得合金熔体，静置2-5min，并持续真空精炼10-30min，将熔炼热电偶插入熔炼坩埚内对合金熔体进行测温处理；
D、合金熔体输送：
当合金熔体达到指定温度后，对真空熔炼室、真空压铸室和模具型腔进行迅速抽真空到20Mbar，打开真空熔炼室和真空压铸室之间的真空隔离阀，然后拔出塞杆，将合金熔体定量输送至输送通道内的控温倾斜板上，关闭塞杆和真空真空隔离阀；
在步骤D中，合金熔体输送的具体过程如下：
当合金熔体达到650-750℃后，对真空熔炼室、真空压铸室和模具型腔进行迅速抽真空到20Mbar，打开真空熔炼室和真空压铸室之间的真空隔离阀，然后拔出塞杆，将合金熔体定量输送至输送通道内的控温倾斜板上，关闭塞杆和真空真空隔离阀；
E、半固态真空制浆：
通过电磁搅拌和冷却处理，合金熔体冲刷到控温倾斜板上，通过移动液流冲击控温倾斜板，在电磁搅拌力、机械振动力和冲击力的作用下始终保持高速的环形流动，使合金熔体在高速环形流场的作用下充分成核，使依附于控温倾斜板壁面形成的大量初生球状晶核，抑制合金熔体因过冷而产生枝晶，获得半固态合金熔体，然后半固态合金熔体流入真空压铸室内；
在步骤E中，半固态制浆的具体过程如下：
合金熔体输送至输送通道内的控温倾斜板上时，合金熔体接触到控温倾斜板得到迅速冷却，温度快速冷却至固液温度区间，通过电磁搅拌和冷却处理，使依附于控温倾斜板壁面形成的大量初生球状晶核，通过控温倾斜板的机械振动器产生振动，控温倾斜板的振动方向和倾斜方向垂直，通过移动合金熔体冲击控温倾斜板，在机械振动力、沿控温倾斜板的倾斜方向向下流动产生的纵向剪切力和电磁搅拌器产生的横向剪切力的共同作用下始终保持高速的环形流动，使晶粒间相互碰撞、摩擦，使合金熔体在高速环形流场的作用下充分成核，最终促进经过冷却的熔体产生大量自由球状晶体，破碎长大的树枝晶，晶核迅速进入合金熔体内部，抑制液态合金熔体因过冷而产生枝晶，获得均匀的半固态合金熔体，同时合金熔体的剧烈冲击扰动均是在10-3Pa下的高真空状态下进行，然后均匀的半固态合金熔体流入真空压铸室内，此时真空压铸室内的温度为180-220℃，电磁搅拌的电流为200-500A，频率为2-20Hz，电磁搅拌区域温度为450-550℃；
F、半固态合金熔体压铸：
当真空压铸室内的半固态合金熔体定量浇注完成后，半固态合金熔体在压射冲头的推动下进行高速压射，使半固态合金熔体从真空压铸室压射进入模具型腔中，半固态合金熔体的高速压射速率为5-15m/s，压射比压为30-90MPa，保压时间为4-12s，压射冲头的温度为300-400℃，并通过锁模机构将已充型完成的模具型腔连接起来，待模具型腔中的铸件完全凝固后，打开模具取出铸件，并根据真空熔炼室内合金熔体的容量情况，重复步骤D-F，实现半固态浆料的连续真空铸造。
本发明中从加料、熔炼、送料道压铸成型的全过程实现超高真空保护，真空度达到10-3Pa的超高真空，能充分减少氧化成分和含气量，且超高真空环境下促使合金熔体内部夹杂上浮、氢气体逸出，并在电磁搅拌、机械振动和强制冷却作用下，夹杂粘附于控温倾斜板上形成大量初生球状晶核，该初生球状晶核为细小圆整的球形晶，迅速进入合金熔体内部，抑制合金熔体因过冷而产生的枝晶，获得半固态合金熔体，同时熔体的剧烈冲击扰动均是在10-3Pa下的高真空状态下进行，一方面消除了传统压铸导致的卷气问题，另一方面冲击分散的熔体液滴可以最大限度的暴漏在高真空环境中得到进一步精炼，通过在超高真空下进行合金熔体保护，提供无氧化制浆环境，最大程度避免半固态合金熔体制备过程中发生氧化和卷气现象，进一步提高半固态合金熔体的品质，进而提升高温易氧化合金金属的压铸成型效果；
传统常规真空压铸时，由于抽真空总时间较短，不到1s、真空通道位于模具远端等原因，压铸时模具型腔中的实际真空度往往低于设定值，因此传统常规真空压铸铸件内部仍然存在比较明显的气孔，而本发明的超高真空压铸分别对真空加料室、真空熔炼室、真空压铸室和模具分别进行抽真空，特别是对真空熔炼室可一直进行抽气处理，每次生产抽真空的精炼时间高达数小时，对合金金属材料从固态到液态可一直保持抽真空处理，始终保持10-3Pa的极限超高真空状态进行脱气精炼，且对真空压铸室的抽真空工序位于合金熔体浇注之前，抽真空时间显著增加，每次开模仅对真空压铸室和模具进行抽真空即可，可以极大的提高真空精炼脱气效率，采用本发明技术方案，可以使真空熔炼室一直保持10-3Pa的超高真空状态，真空压铸时密闭空间的实际真空度远小于50mbar，即达到真正的超高真空状态；
在传统的普通真空环境制浆下熔炼、浇注、成形过程中真空室内的微量气体仍然会导致熔体氧化、烧损以及有害气体杂质元素的引入，且真空环境下散热缓慢，一般制备浆料需要至少1min，不适合易氧化的镁合金等大体积浆料；而本发明在全流程制浆料真空度可以达到保持10-3Pa的超高真空，且熔体冷却散热快，制浆效率高，制浆时间一般为2-10s，适合大体积铝合金、镁合金及其它复合材料半固态熔体制备；
采用本发明的半固态浆料的节能型连续真空铸造成型方法制备的压铸件抗拉强度提高>40％，屈服强度提高>30％，伸长率提高>100％。
在本实施例中，如图1所示，半固态浆料的节能型连续真空铸造成型设备，应用在半固态浆料的节能型连续真空铸造成型方法中，包括真空加料室1、真空熔炼室2、真空压铸室3和模具4，所述真空加料室1和所述真空熔炼室2通过真空送料阀连接，所述真空熔炼室2设置在所述真空保温室内，所述真空熔炼室2上设置有感应加热器5，所述真空熔炼室2和所述真空压铸室3之间设置有输送通道6，所述真空熔炼室2和所述真空压铸室3之间还设置有真空隔离阀14，所述真空熔炼室2内的所述输送通道6处设置有塞杆7，所述输送通道6处设置有电磁搅拌器8、机械振动器13和控温倾斜板12，所述真空压铸室3内通过压射杆9设置有压射冲头10，所述真空压铸室3与所述模具4连接，所述真空熔炼室2处的所述输送通道6处设置有冷却水循环机构，所述压射杆9和所述压射冲头10之间设置有冷却机构；
所述真空加料室1、所述真空熔炼室2、所述真空保温室和所述真空压铸室3上均设置有真空抽气口11，所述真空抽气口11通过真空管道外接有抽真空系统，每个所述真空管道节点处均设置有真空分配器，所述抽真空系统和所述真空分配器均连接有计算机控制系统。
实施例一：
制备AlSi10MnMg合金：采用2000吨卧式压铸机，冲头直径为120mm，真空压铸室长度为665mm，浇注温度为690℃，模具温度为180℃,合金液相线温度为596℃，固相线温度为557℃，包括以下步骤：
A、加料和一次抽真空处理：
A1、将连续真空铸造设备装配好，并将熔炼热电偶和铸造热电偶均上移至方便加料的位置，在模具动模的推动下，模具完成合模动作，使连续真空铸造设备内部形成密闭空间；
A2、打开真空加料室的仓门，向真空加料室内加入20KG的AlSi10MnMg合金，然后关闭真空加料室的仓门，打开抽真空系统，对连续真空铸造设备内部进行一次抽真空处理，直至连续真空铸造设备内部达到10-3Pa的超高真空状态；
B、真空送料和熔炼处理：
B1、打开真空加料室内的真空送料阀，将真空加料室内的AlSi10MnMg合金送入真空熔炼室内，然后关闭真空加料室内的真空送料阀；
B2、接通真空熔炼室和真空压铸室的加热电源，对真空熔炼室内的AlSi10MnMg合金进行真空加热熔炼，移动铸造热电偶靠近真空熔炼室内的熔炼坩埚壁并测量温度，并设置真空熔炼室内的坩埚加热温度为690℃；
C、二次抽真空和测温：
C1、将真空熔炼室内的待熔融合金材料加热至通红状态时，进行二次抽真空处理，待真空熔炼室内的真空度达到10-3Pa后，抽真空持续真空精炼；
C2、通过真空熔炼室观察孔观察AlSi10MnMg合金熔化至液体状态后，获得合金熔体，静置2-5min，并持续真空精炼15min，将熔炼热电偶插入熔炼坩埚内对合金熔体进行测温处理；
D、合金熔体输送：
当合金熔体达到690℃后，打开真空熔炼室和真空压铸室之间的真空隔离阀，然后拔出塞杆，将合金熔体定量输送至输送通道内的控温倾斜板上；
E、半固态制浆：
合金熔体输送至输送通道内的控温倾斜板上时，控温倾斜板温度设置300℃，通过机械振动、电磁搅拌和冷却处理，机械振动频率20Hz，电磁搅拌的电流为200-500A，频率为2-20Hz，电磁搅拌区域温度为450-550℃，使依附于控温倾斜板壁面形成的大量初生球状晶核，通过移动液流冲击控温倾斜板，在电磁搅拌力、冲击力和弹射力的作用下始终保持高速的环形流动，使合金熔体在高速环形流场的作用下充分成核，通过提高成核速率，合金熔体总是以更快的速率形核，快速形成的晶核，迅速进入合金熔体内部，抑制合金熔体因过冷而产生枝晶，获得半固态合金熔体，半固态浆料的固相体积分数为50％，半固态浆料中含气量≤0.01mL/100g，然后半固态合金熔体流入真空压铸室内，此时真空压铸室内的温度为200℃；
F、半固态合金熔体压铸：
当真空压铸室内的半固态合金熔体定量浇注完成后，半固态合金熔体在压射冲头的推动下进行高速压射，半固态合金熔体的高速压射速率为5m/s，使半固态合金熔体从真空压铸室压射进入模具型腔中，并通过锁模机构将已充型完成的模具型腔连接起来，待模具型腔中的铸件完全凝固后，打开模具取出铸件，并根据真空熔炼室内合金熔体的容量情况，重复步骤D-F，实现半固态浆料的连续真空铸造。
对铝合金铸件力学性能和金相观察，未发现气孔和夹杂，平均晶粒尺寸为80μm，铸锭抗拉强度达到320MPa、延伸率15%。
对比例一：
制备AlSi10MnMg合金：采用2000吨卧式压铸机，冲头直径为120mm，真空压铸室长度为665mm，浇注温度为690℃，模具温度为180℃，合金液相线温度为596℃，固相线温度为557℃；
包括以下步骤：在大气下熔炼AlSi10MnMg合金，通入氩气10min，对合金进行精炼、除气、扒渣，并将熔炼热电偶和铸造热电偶均上移至方便加料的位置，在模具动模的推动下，模具完成合模动作；将合金熔液浇入压射室中，将超声变幅杆插入合金熔体中进行超声处理，超声功率2kW，处理时间为1.5min，得到固相率为10％的铝合金半固态浆料，封闭所述压射室，启动所述压射冲头，开启所述真空阀对所述型腔和所述压射室抽真空，使真空度为70kPa，采用通用的三级压射工艺将浆料压入所述型腔300，控制慢压射速度为0.5m/s,快压射射速度为5m/s，压射压力60MPa，对铝合金铸件力学性能和金相观察，仍然发现气孔和夹杂，平均晶粒尺寸为200μm，铸锭抗拉强度达到240MPa、延伸率8%。
如图2和图3所示，实施例一和对比例一制备的AlSi10MnMg合金相对比，本发明实施例一的半固态压铸AlSi10MnMg合金，未发现半固态组织内部的气孔；对比例一采用传统半固态压铸AlSi10MnMg合金，发现半固态组织内部仍然存在气孔。
实施例二：
制备A380铝合金：采用2000吨卧式压铸机，冲头直径为120mm，真空压铸室长度为665mm，浇注温度为720℃，模具温度为180℃，合金固相线温度为560℃，液相线温度为610℃，包括以下步骤：
A、加料和一次抽真空处理：
A1、将连续真空铸造设备装配好，并将熔炼热电偶和铸造热电偶均上移至方便加料的位置，在模具动模的推动下，模具完成合模动作，使连续真空铸造设备内部形成密闭空间；
A2、打开真空加料室的仓门，向真空加料室内加入20KG的A380铝合金，然后关闭真空加料室的仓门，打开抽真空系统，对连续真空铸造设备内部进行一次抽真空处理，直至连续真空铸造设备内部达到10-3Pa的超高真空状态；
B、真空送料和熔炼处理：
B1、打开真空加料室内的真空送料阀，将真空加料室内的A380铝合金送入真空熔炼室内，然后关闭真空加料室内的真空送料阀；
B2、接通真空熔炼室和真空压铸室的加热电源，对真空熔炼室内的A380铝合金进行真空加热熔炼，移动铸造热电偶靠近真空熔炼室内的熔炼坩埚壁并测量温度，并设置真空熔炼室内的坩埚加热温度为720℃；
C、二次抽真空和测温：
C1、将真空熔炼室内的待熔融合金材料加热至通红状态时，进行二次抽真空处理，待真空熔炼室内的真空度达到10-3Pa后，持续抽真空精炼；
C2、通过真空熔炼室观察孔观察A380铝合金熔化至液体状态后，获得合金熔体，静置3min,并持续真空精炼20min，将熔炼热电偶插入熔炼坩埚内对合金熔体进行测温处理；
D、合金熔体输送：
当合金熔体达到720℃后，打开真空熔炼室和真空压铸室之间的真空隔离阀，然后拔出塞杆，将合金熔体定量输送至输送通道内的控温倾斜板上；
E、半固态制浆：
合金熔体输送至输送通道内的控温冷却倾斜板上时，倾斜板温度250℃，通过机械振动、电磁搅拌和冷却处理，机械振动频率为30Hz，电磁搅拌的电流为350A，频率为10Hz，电磁搅拌区域温度为450-550℃，通过移动液流冲击控温倾斜板，在电磁力、冲击力和弹射力的作用下始终保持高速的环形流动，使金属熔体在高速环形流场的作用下充分成核。通过提高成核速率，金属熔体总是以更快的速率形核，快速形成的晶核，迅速进入合金熔体内部，抑制合金熔体因过冷而产生枝晶，获得半固态合金熔体，半固态浆料的固相体积分数为40％，半固态浆料中含气量≤0.01mL/100g，然后半固态合金熔体流入真空压铸室内，此时真空压铸室内的温度为200℃；
F、半固态合金熔体压铸：
当真空压铸室内的半固态合金熔体定量浇注完成后，半固态合金熔体在压射冲头的推动下进行高速压射，半固态合金熔体的高速压射速率为5m/s，使半固态合金熔体从真空压铸室压射进入模具型腔中，并通过锁模机构将已充型完成的模具型腔连接起来，待模具型腔中的铸件完全凝固后，打开模具取出铸件，并根据真空熔炼室内合金熔体的容量情况，重复步骤D-F，实现半固态浆料的连续真空铸造。
对镁合金铸件力学性能和金相观察，平均晶粒尺寸为50μm，铸锭边部抗拉强度达到200 MPa、延伸率5%。
对铝合金铸件力学性能和金相观察，未发现气孔和夹杂，平均晶粒尺寸为20μm，铸锭抗拉强度达到350MPa、延伸率6%。
对比例二：
制备A380铝合金：采用2000吨卧式压铸机，冲头直径为120mm，真空压铸室长度为665mm，浇注温度为690℃，模具温度为180℃，合金固相线温度为560℃，液相线温度为610℃；
包括以下步骤：在大气下熔炼A380铝合金，通入氩气10min，对合金进行精炼、除气、扒渣，并将熔炼热电偶和铸造热电偶均上移至方便加料的位置，在模具动模的推动下，模具完成合模动作；将合金熔液浇入压射室中，将机械搅拌杆插入合金熔体中进行搅拌处理，处理时间为3 min，得到固相率为15％的铝合金半固态浆料，封闭所述压射室，启动所述压射冲头，开启所述真空阀对所述型腔和所述压射室抽真空，使真空度为50kPa，采用通用的三级压射工艺将浆料压入所述型腔，控制慢压射速度为0.5m/s,快压射射速度为5 m/s，压射压力60MPa，对铝合金铸件力学性能和金相观察，仍然发现气孔和夹杂，平均晶粒尺寸为140μm，铸锭抗拉强度达到310MPa、延伸率3%。
如图4和图5所示，实施例二和对比例二相比较，本发明实施例二制备的半固态压铸A380铝合金，硅尺寸细小、未发现半固态组织内部的气孔；采用对比例二制备的半固态压铸A380铝合金，硅尺寸仍然粗大、发现半固态组织内部仍然存在气孔。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种半固态浆料的节能型连续真空铸造成型方法，其特征在于，包括如下步骤：
A、加料和一次抽真空处理：
将连续真空铸造设备装配好并进行调试合模，使连续真空铸造设备内部形成密闭空间，向真空加料室内加入待熔融合金材料，关闭真空加料室的真空送料阀，并对连续真空铸造设备的真空加料室内部进行一次抽真空处理；
B、真空送料和熔炼处理：
打开真空加料室内的真空送料阀，将真空加料室内的待熔融合金材料送入真空熔炼室内，并对真空熔炼室内的待熔融合金材料进行真空加热熔炼；
C、二次抽真空和测温：
待真空熔炼室内的待熔融合金材料加热至通红状态时进行二次抽真空处理，并通过真空熔炼室观察孔观察待熔融合金材料熔化至液体状态后，获得合金熔体，静置一段时间并持续真空精炼，并使用熔炼热电偶对合金熔体进行测温；
D、合金熔体输送：
当合金熔体达到指定温度后，对真空熔炼室、真空压铸室和模具型腔进行迅速抽真空到20Mbar，打开真空熔炼室和真空压铸室之间的真空隔离阀，然后拔出塞杆，将合金熔体定量输送至输送通道内的控温倾斜板上，关闭塞杆和真空真空隔离阀；
E、半固态真空制浆：
通过电磁搅拌和冷却处理，合金熔体冲刷到控温倾斜板上，通过移动液流冲击控温倾斜板，在电磁搅拌力、机械振动力和冲击力的作用下始终保持高速的环形流动，使合金熔体在高速环形流场的作用下充分成核，使依附于控温倾斜板壁面形成的大量初生球状晶核，抑制合金熔体因过冷而产生枝晶，获得半固态合金熔体，然后半固态合金熔体流入真空压铸室内；
F、半固态合金熔体压铸：
当真空压铸室内的半固态合金熔体定量浇注完成后，半固态合金熔体在压射冲头的推动下进行高速压射，使半固态合金熔体从真空压铸室压射进入模具型腔中，并通过锁模机构将已充型完成的模具型腔连接起来，待模具型腔中的铸件完全凝固后，打开模具取出铸件，并根据真空熔炼室内合金熔体的容量情况，重复步骤D-F，实现半固态浆料的连续真空铸造。
2.根据权利要求1所述的一种半固态浆料的节能型连续真空铸造成型方法，其特征在于：在步骤A中，加料和一次抽真空处理的具体过程如下：
A1、将连续真空铸造设备装配好，并将熔炼热电偶和铸造热电偶均上移至方便加料的位置，在模具动模的推动下，模具完成合模动作，使连续真空铸造设备内部形成密闭空间；
A2、打开真空加料室的仓门，向真空加料室内加入待熔融合金材料，然后关闭真空加料室的仓门，打开抽真空系统，对连续真空铸造设备内部进行一次抽真空处理，直至连续真空铸造设备内部达到10-3Pa的超高真空状态。
3.根据权利要求1所述的一种半固态浆料的节能型连续真空铸造成型方法，其特征在于：在步骤B中，真空送料和熔炼处理的具体过程如下：
B1、打开真空加料室内的真空送料阀，将真空加料室内的待熔融合金材料送入真空熔炼室内，然后关闭真空加料室内的真空送料阀；
B2、接通真空熔炼室和真空压铸室的加热电源，对真空熔炼室内的待熔融合金材料进行真空加热熔炼，移动铸造热电偶靠近真空熔炼室内的熔炼坩埚壁并测量温度，并设置真空熔炼室内的坩埚加热温度为650-750℃。
4.根据权利要求1所述的一种半固态浆料的节能型连续真空铸造成型方法，其特征在于：在步骤C中，二次抽真空和测温的具体过程如下：
C1、将真空熔炼室内的待熔融合金材料加热至通红状态时，进行二次抽真空处理，待真空熔炼室内的真空度达到10-3Pa以下，真空熔炼室持续抽真空，将真空熔炼室内释放的气体持续抽出；
C2、通过真空熔炼室观察孔观察待熔融合金材料熔化至液体状态后，获得合金熔体，静置2-5min，并持续真空精炼10-30min，将熔炼热电偶插入熔炼坩埚内对合金熔体进行测温处理。
5.根据权利要求1所述的一种半固态浆料的节能型连续真空铸造成型方法，其特征在于：在步骤D中，合金熔体输送的具体过程如下：
当合金熔体达到650-750℃后，打开真空熔炼室和真空压铸室之间的真空隔离阀，然后拔出塞杆，将合金熔体定量输送至输送通道内的控温倾斜板上。
6.根据权利要求1所述的一种半固态浆料的节能型连续真空铸造成型方法，其特征在于：在步骤E中，半固态制浆的具体过程如下：
合金熔体输送至输送通道内的控温倾斜板上时，合金熔体接触到控温倾斜板得到迅速冷却，温度快速冷却至固液温度区间，通过电磁搅拌和冷却处理，使依附于控温倾斜板壁面形成的大量初生球状晶核，通过控温倾斜板的机械振动器产生振动，控温倾斜板的振动方向和倾斜方向垂直，通过移动合金熔体冲击控温倾斜板，在机械振动力、沿控温倾斜板的倾斜方向向下流动产生的纵向剪切力和电磁搅拌器产生的横向剪切力的共同作用下始终保持高速的环形流动，使晶粒间相互碰撞、摩擦，使合金熔体在高速环形流场的作用下充分成核，最终促进经过冷却的熔体产生大量自由球状晶体，破碎长大的树枝晶，晶核迅速进入合金熔体内部，抑制液态合金熔体因过冷而产生枝晶，获得均匀的半固态合金熔体，同时合金熔体的剧烈冲击扰动均是在10-3Pa下的高真空状态下进行，然后均匀的半固态合金熔体流入真空压铸室内，此时真空压铸室内的温度为180-220℃。
7.根据权利要求6所述的一种半固态浆料的节能型连续真空铸造成型方法，其特征在于：电磁搅拌的电流为200-500A，频率为2-20Hz，电磁搅拌区域温度为450-550℃。
8.根据权利要求1所述的一种半固态浆料的节能型连续真空铸造成型方法，其特征在于：在步骤F中，半固态合金熔体的高速压射速率为5-15m/s，压射比压为30-90MPa，保压时间为4-12s，压射冲头的温度为300-400℃。
9.一种半固态浆料的节能型连续真空铸造成型设备，应用在权利要求1-8任意一项所述的一种半固态浆料的节能型连续真空铸造成型方法中，其特征在于，包括真空加料室、真空熔炼室、真空保温室、真空压铸室和模具，所述真空加料室和所述真空熔炼室通过真空送料阀连接，所述真空熔炼室设置在所述真空保温室内，所述真空熔炼室上设置有感应加热器，所述真空熔炼室和所述真空压铸室之间设置有输送通道，所述真空熔炼室和所述真空压铸室之间还设置有真空隔离阀，所述真空熔炼室内的所述输送通道处设置有塞杆，所述输送通道处设置有电磁搅拌器、机械振动器和控温倾斜板，所述真空压铸室内通过压射杆设置有压射冲头，所述真空压铸室与所述模具连接；
所述真空加料室、所述真空熔炼室、所述真空保温室和所述真空压铸室上均设置有真空抽气口，所述真空抽气口通过真空管道外接有抽真空系统，每个所述真空管道节点处均设置有真空分配器，所述抽真空系统和所述真空分配器均连接有计算机控制系统。
10.根据权利要求9所述的一种半固态浆料的节能型连续真空铸造成型设备，其特征在于：所述真空熔炼室处的所述输送通道处设置有冷却水循环机构，所述压射杆和所述压射冲头之间设置有冷却机构。
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- 2023-11-29 CN CN202311608006.2A patent/CN117600436B/zh active Active
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117600436B (zh) | 2024-06-11 |
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