TWI789125B

TWI789125B - 低壓鑄造金屬發泡系統及中間發泡裝置

Info

Publication number: TWI789125B
Application number: TW110143236A
Authority: TW
Inventors: 林建佑; 吳鎮宇; 鄭勝元; 施景祥; 施博錕
Original assignee: 財團法人金屬工業研究發展中心
Priority date: 2021-11-19
Filing date: 2021-11-19
Publication date: 2023-01-01
Also published as: TW202320933A

Abstract

一種低壓鑄造金屬發泡系統包括一持溫爐、一模具及一升液管，該持溫爐經由該升液管與該模具相連通，其特徵在於：一中間發泡裝置，設置於該升液管與該模具之間，其中該中間發泡裝置包括一中間發泡室，該中間發泡室、該升液管與該模具共同形成一流體通道，且該中間發泡室與該升液管之對接處設有一注氣單元，該注氣單元用以供氣體於該流體通道內朝向該模具方向流動；其中，該中間發泡裝置以一參數控制單元調節該中間發泡室之溫度、壓力、飽壓時間及注氣量。

Description

低壓鑄造金屬發泡系統及中間發泡裝置

本發明是有關於一種低壓鑄造金屬發泡系統，且特別是有關於一種具有中間發泡裝置的低壓鑄造金屬發泡系統。

低壓鑄造機是製造鋁合金的通用設備，可廣泛應用於汽車、摩托車、儀錶、紡織機械與航空航太工業中鋁合金鑄件的生產。由於其所使用壓力較低，故稱作低壓鑄造。低壓鑄造機的原理是向密封的持溫爐充入一定壓力的乾燥空氣，使持溫爐內的金屬熔湯在壓力作用下，通過升液管將熔煉好的金屬熔湯從持溫爐的下部由下而上抽出進入模具而充填成型，固化形成鑄件。

發泡金屬具有別於傳統金屬的優異特性，以發泡鋁金屬為例，發泡鋁具有質輕，絕熱，電磁遮罩高等優良特性，在建築，航空航太等行業都有廣泛的應用；為了滿足各行業的應用需求，發泡鋁的高效製備成為冶金領域研究重點。

目前工業上針對不同的需求主要有兩種發泡鋁製備方法，直接吹氣法和熔體發泡法。直接吹氣法是指在金屬熔湯內通入氣體從而生產成發泡鋁材料。熔體發泡法是指在金屬熔湯內，發泡劑分解產生氣體，金屬熔湯迅速冷卻，氣體滯留在鋁金屬內部形成泡沫固體(閉孔泡沫)。然而，現有發泡鋁製備方法尚未應用於低壓鑄造機，作為生產發泡金屬之用。

因此，便有需要提供一種具有中間發泡裝置的低壓鑄造金屬發泡系統能夠解決前述的問題。

本發明之一目的是提供一種具有中間發泡裝置的低壓鑄造金屬發泡系統。

依據上述之目的，本發明提供一種低壓鑄造金屬發泡系統，包括一持溫爐、一模具及一升液管，該持溫爐經由該升液管與該模具相連通，其特徵在於：一中間發泡裝置，設置於該升液管與該模具之間，其中該中間發泡裝置包括一中間發泡室，該中間發泡室之一第一流體通道、該升液管之一第二流體通道與該模具之一第三流體通道共同形成一流體通道，且該中間發泡室與該升液管之對接處設有一注氣單元，該注氣單元用以供氣體於該流體通道內朝向該模具方向流動；其中，該中間發泡裝置以一參數控制單元調節該中間發泡室之溫度、壓力、飽壓時間及注氣量。

本發明更提供一種中間發泡裝置，用以匹配所述之低壓鑄造金屬發泡系統，該中間發泡裝置包括：一中間發泡室，具有一第一流體通道及一注氣單元，該注氣單元用以供氣體於該第一流體通道內朝向該模具方向流動；以及一參數控制單元，用以調節該中間發泡室之溫度、壓力、飽壓時間及注氣量。

由於本發明之低壓鑄造金屬發泡系統的中間發泡裝置可將半固態金屬熔湯進行溫度控制、壓力控制及保壓時間控制及注氣量控制，以及在升液管進行該金屬熔湯之溫度控制，因此可使氣體泡沫與該半固態金屬熔湯有效充分的接觸，氣體泡沫比較均勻地分布在該半固態金屬熔湯中，進而改善發泡金屬材孔隙的均勻性(孔洞體積分率大於90%)。據此，本發明之低壓鑄造金屬發泡系統可得到機械性能更好、密度更均勻的發泡金屬材，是對目前的低壓鑄造金屬發泡系統之有效的改進。

1:低壓鑄造金屬發泡系統

10:金屬熔湯

10’:半固態金屬熔湯

10”:發泡金屬材

101:陶瓷粉末

102:氣體泡沫

11:持溫爐

12:升液管

121:加熱件

13:中間發泡裝置

131:中間發泡室

1310:對接處

132:加熱單元

1321:電阻式加熱棒

133:殼體單元

1331:不銹鋼殼體

134:注氣單元

1340:氣孔

1341:直通管

1342:長條磚

1343:錐形磚

135:參數控制單元

1350:處理器

1351:第一溫度感測器

1352:第二溫度感測器

1353:壓力感測器

1354:計時器

136:流體通道

136a:第一流體通道

136b:第二流體通道

136c:第三流體通道

14:模具

15:模具驅動機構

16:液壓動力裝置

171:空氣壓縮機

172:空氣乾燥機

173:壓縮乾燥空氣

18:電力箱

19:控制箱

圖1為本發明之一實施例之低壓鑄造金屬發泡系統之結構示意圖。

圖2為本發明之一實施例之低壓鑄造金屬發泡系統之持溫爐、升液管、中間發泡裝置及模具的剖面示意圖。

圖3為本發明之一實施例之中間發泡裝置之分解立體示意圖。

圖4a~圖4c為本發明之三種實施例之中間發泡裝置之注氣單元分之立體示意圖。

圖5a~圖5d分別為先前技術知比較例及本發明之實施例1~3之發泡鋁金屬材的剖面圖。

為讓本發明之上述目的、特徵和特點能更明顯易懂，茲配合圖式將本發明相關實施例詳細說明如下。

茲配合圖式將本發明實施例詳細說明如下，其所附圖式主要為簡化之示意圖，僅以示意方式說明本發明之基本結構，因此在該等圖式中僅標示與本發明有關之元件，且所顯示之元件並非以實施時之數目、形狀、尺寸比例等加以繪製，其實際實施時之規格尺寸實為一種選擇性之設計，且其元件佈局形態有可能更為複雜。

圖1為本發明之一實施例之低壓鑄造金屬發泡系統之結構示意圖。圖2為本發明之一實施例之低壓鑄造金屬發泡系統之持溫爐、升液管、中間發泡裝置及模具的剖面示意圖。請參考圖1及圖2，該低壓鑄造金屬發泡系統1主要包括：一持溫爐11、一升液管12、一中間發泡裝置13及一模具14。該持溫爐11容置有金屬熔湯10。該金屬熔湯10可為含陶瓷粉末101的金屬熔湯。該升液管12伸入該持溫爐11內，在密封的持溫爐11充入一定壓力的壓縮乾燥空氣，使持溫爐11內的金屬熔湯10在壓縮乾燥空氣的壓力作用下，通過該升液管12將該金屬熔湯10從持溫爐11的底部由下而上抽出進入該中間發泡裝置13。該模具14連通該中間發泡裝置13，用以將經過該中間發泡裝置13之半固態金屬熔湯10’固化成一發泡金屬材10”。

請再參考圖1，該低壓鑄造金屬發泡系統1更包括：一模具驅動機構15，用以驅動該模具14開啟或閉合；一液壓動力裝置16，用以提供液壓動力給該模具驅動機構15；一空氣壓縮機171及一空氣乾燥機172，用以提供壓縮乾燥空氣173給該持溫爐11；一電力箱18，用以提供電力給該低壓鑄造金屬發泡系統1之各項裝置；以及，一控制箱19，用以控制該低壓鑄造金屬發泡系統1之各項裝置。

請再參考圖2，該持溫爐11經由該升液管12與該模具14相連通，該中間發泡裝置13設置於該升液管12與該模具之間，其中該中間發泡裝置13具有一中間發泡室131，該中間發泡室131之第一流體通道136a、該升液管12之第二流體通道136b與該模具14之第三流體通道136c共同形成一流體通道136，且該中間發泡室131與該升液管12之對接處設有一注氣單元134，該注氣單元134用以供氣體於該流體通道136之第一流體通道136a內朝向該模具方向流動。該中間發泡裝置13以一參數控制單元135調節該中間發泡室131之溫度、壓力、飽壓時間及注氣量。

圖3為本發明之一實施例之中間發泡裝置之分解立體示意圖。該中間發泡裝置13用以匹配本發明所述之低壓鑄造金屬發泡系統1。請參考圖2及圖3，該中間發泡裝置13更包括一加熱單元132及一殼體單元133。該中間發泡室131連通該升液管12，用以接收來自該升液管12的金屬熔湯10。該注氣單元134設置於該中間發泡室131與該升液管12之對接處1310，亦即該中間發泡室131的底部，用以將氣體注入該中間發泡室131內之半固態金屬熔湯10’中而產生氣體泡沫102。該加熱單元132環設於該中間發泡室131外周面，用以加熱該升液管12內的金屬熔湯10及該中間發泡室131內之半固態金屬熔湯10’。該加熱單元132可包括複數電阻式加熱棒1321，例如鎳鉻棒。該殼體單元133環繞該加熱單元132及該中間發泡室131，並可包括耐火磚、合金鋼外殼及保溫棉，由內而外依序設置。該加熱單元132的複數電阻式加熱棒1321亦可間隔埋設於一不銹鋼殼體1331內，以共同形成該加熱單元132。該殼體單元133可更包括：鎖扣件及可轉動栓作為開啟或閉合該中間發泡室131之用。該升液管12外周面設有另一加熱件121，例如該另一加熱件121環繞該升液管12，用以加熱該升液管12內的金屬熔湯10。該另一加熱件121可為感應線圈式加熱器。

請再參考圖2，該參數控制單元135設置於該殼體單元133外，例如該參數控制單元135設置於該控制箱19(圖1所示)內，用以進行該中間發泡室131的溫度控制、壓力控制、飽壓時間控制及注氣量控制。該參數控制單元135 包括訊號連接的第一溫度感測器1351(例如兩個第一溫度感測器1351)，該第一溫度感測器1351設置於該中間發泡室131之內部，用以量測該中間發泡室131內之熔湯溫度。該參數控制單元135更包括訊號連接的第二溫度感測器1352，該第二溫度感測器1352設置於該升液管12之內部，用以量測該升液管12內之熔湯溫度。該加熱單元132可由該參數控制單元135之訊號連接的處理器1350利用該中間發泡室131及該升液管12內的實際溫度與預設溫度之溫度差控制該加熱單元132進行該中間發泡室131之溫度調節，將該中間發泡室131的半固態金屬熔湯10’的溫度控制在半固態溫度區間，亦即600~900℃之間的範圍(此溫度範圍為根據半固態鋁金屬熔湯或鋁合金熔湯之溫度控制)。

請再參考圖2，該參數控制單元135更包括訊號連接的壓力感測器1353，該壓力感測器1353設置於該中間發泡室131之內部，用以量測該中間發泡室131內之熔湯壓力，當該中間發泡室131之內部的壓力不足時，可由該處理器1350利用實際的承受壓力與目標壓力值之壓力差控制使該持溫爐11內的金屬熔湯10在壓縮乾燥空氣173的壓力作用下，再次通過該升液管12將該金屬熔湯10從該持溫爐11的進入該中間發泡室131而進行該半固態金屬熔湯10’之流量補償及該中間發泡室131之壓力調節，如此可將該半固態金屬熔湯10’進行壓力保持(200~300mbar)。該參數控制單元135更包括訊號連接的計時器1354，用以計算該中間發泡室的飽壓時間(120~300秒)。

該參數控制單元135亦訊號連接於該注氣單元134，用以調節該中間發泡室131之注氣量，將氣體注入該半固態金屬熔湯10’中，以形成含氣體泡沫102的半固態金屬熔湯10’。例如：所注入的氣體1251可為氮氣(N2)、空氣(Air)、氬氣(Ar)...等，注氣流量可為15sccm以上，其中sccm是ml/min，也是流量單位。由於陶瓷粉末101會阻得該半固態金屬熔湯10’中的氣體泡沫102上升，因此氣體泡沫102比較均勻地分布在該半固態金屬熔湯10’中。請參考圖4a，該注氣單元為一直通管1341，其伸入該流體通道之表面開設有複數氣孔1340。請參考圖4b，該注氣單元為一長條磚1342，該長條磚1342伸入該流體通道之表面形成有複數氣孔1340。請參考圖4c，該注氣單元為一錐形磚1343，其截面朝氣體流動方向漸縮，該錐形磚1343的伸入該流體通道之表面形成有複數氣孔1340。

本發明之一實施例中，當該金屬熔湯10為鋁金屬熔湯或鋁合金熔湯時，該低壓鑄造金屬發泡系統1將該金屬熔湯10形成含陶瓷粉末101的半固態金屬熔湯10’，該注氣單元134透過注氣發泡磚注入氣體，並通過該中間發泡室131，將半固態金屬熔湯10’在該中間發泡室131進行溫度控制(600~900℃)、壓力控制(200~300mbar)、飽壓時間控制(120~300秒)、注氣量控制(15~30L/min)，以及在升液管進行該金屬熔湯10之溫度控制(600~700℃)。據此，可改善發泡金屬材的孔洞成形率與均勻性。

請參考圖5a~圖5d，其顯示先前技術知比較例及本發明之實施例1~3之發泡鋁金屬材的剖面圖。本發明之實施例1~3之中間發泡室溫度、中間發泡室壓力、飽壓時間、注氣量及升液管溫度與發泡鋁金屬材的孔洞體積分率的關係表，如表一所示。

由於本發明之低壓鑄造金屬發泡系統的中間發泡裝置可將半固態金屬熔湯進行溫度控制、壓力控制及保壓時間控制及注氣量控制，以及在升液管進行該金屬熔湯之溫度控制，因此可使氣體泡沫與該半固態金屬熔湯有效充分的接觸，氣體泡沫比較均勻地分布在該半固態金屬熔湯中，進而改善發泡金屬材孔隙的均勻性(本發明之實施例1~3之發泡鋁金屬材的孔洞體積分率皆大於90%)。據此，本發明之低壓鑄造金屬發泡系統可得到機械性能更好、密度更均勻的發泡金屬材，是對目前的低壓鑄造金屬發泡系統之有效的改進。

綜上所述，乃僅記載本發明為呈現解決問題所採用的技術手段之較佳實施方式或實施例而已，並非用來限定本發明專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。