一种块状非晶态合金高真空压铸成形设备和工艺的制作方法

本发明属于非晶态合金材料成形加工技术领域，具体涉及一种块状非晶态合金高真空压铸成形设备和工艺。

背景技术：

近年来，随着非晶态合金研究的不断深入，形成了众多的研究成果，例如，开发出一系列具有优异非晶形成能力的合金体系；在非晶合金的形成、熔体结构、变形机理等方面进行了广泛的研究。因此，非晶态合金的应用也受到了越来越多的关注，其中，非晶态合金的成形加工技术对于非晶材料的应用起着决定性的影响，研究所、大学和商业公司等都在这方面做了很多的工作，开发出不同的非晶态合金成形技术，主要分为两类，一类是液态成形技术，另一类是过冷液态区成形技术。其中第一类受到了更为广泛的关注。基于此，美国的专利US6021840、US6070643和中国专利CN102527982A报道了非晶合金工件的压铸设备，这些技术中，合金的抽真空通道和熔炼线圈相对分离，如果需要增大抽真空开口，腔体的尺寸必然增加，使得获取高真空的时间加长，降低生产效率。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种块状非晶态合金高真空压铸成形设备和工艺，采用该铸造成型设备进行非晶合金零部件和产品的制备，能够有效提高非晶合金零部件和产品的成型效率。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种块状非晶态合金高真空压铸成形设备，该设备包括高真空压室、高真空感应加热系统、高真空模具系统和真空系统；其中：

高真空压室：包括料筒、压射机构和压射杆，所述压射杆能够带动压射头沿着料筒内壁方向运动，通过所述压射机构控制压射杆的运动方向和速度，所述压射杆与料筒之间通过密封圈进行密封；

高真空感应加热系统：用于合金的熔炼和浇注，包括熔炼腔室和加热器；所述熔炼腔室的底部开设浇口，浇口与料筒相连通并通过密封圈(或者波纹管)进行密封连接；所述熔炼腔室内部设有熔炼坩埚，所述加热器用于对熔炼坩埚内合金的熔化，所述熔炼腔室的顶部连接给料机构；

高真空模具系统：包括定模、密封圈、动模、模腔、定模抽真空通道、模具浇道和合模开模机构；合模开模机构用于控制动模和定模的开合，动模和定模闭合后，其内形成模腔，模腔通过模具浇道与料筒实现连通，所述料筒的末端密封于定模上；模腔与定模内开设的定模抽真空通道相连通，所述定模抽真空通道通过管道与真空管路相连；动模和定模之间通过密封圈实现密封；

真空系统：所述真空系统用于对熔炼腔室和模腔进行抽真空处理，通过真空管路接入熔炼腔室；所述真空系统的真空管路上还通过充气管道连接气瓶，充气管道上设置充气阀，使得所述铸造成型设备能够根据实际需求在真空或者惰性气氛保护下进行工作。

该设备还设有同轴电极杆，同轴电极杆与加热器相连接，通过电机驱动固定于同轴电极杆上的旋转盘，使得加热器带动熔炼坩埚能够旋转到浇注所需角度，使熔炼坩埚内的合金熔体经由浇口进入料筒中。

所述加热器采用感应线圈或电阻丝套装于熔炼坩埚外侧对其进行加热，所述熔炼坩埚为石英、三氧化二铝、氧化钙或者氮化硼材质。

所述熔炼腔室上还设有用于测量熔炼坩埚中合金液温度的红外测温仪和监控合金熔化状态的摄像头。

所述设备还设有控制面板，用于对动模和定模的开合控制，以及对加热器的温度控制和压射杆的运动控制。

利用所述设备进行块状非晶态合金高真空压铸成形的工艺，包括以下步骤：

(1)定模和动模之间依靠密封圈形成密封连接，定模抽真空通道通过管道与真空管路相连接，获得密闭的模腔；

(2)将所需质量的合金料经过给料机构送入到熔炼坩埚中；

(3)当成形设备实现密封后，通过真空系统抽取真空，使得模腔、料筒和熔炼腔室内都获得所需真空度；当需要在真空条件下进行工作时，直接进行步骤(4)，当需要在惰性气氛保护下进行工作时，打开充气阀，进行充气，充入所需压力的保护气氛；

(4)通过加热器将熔炼坩埚内的合金料熔化，利用电机带动旋转盘、同轴电极杆、熔炼坩埚和加热器一起翻转，将熔炼坩埚内的合金熔体通过浇口倒入料筒内，随后压射杆以设定速度和加载力通过压射头将合金熔体挤入模腔中；

(5)合金熔体在模腔中充型完毕冷却后，通过管道和真空管路充入与外界压力平衡的气体，打开模腔，整个工件的铸造成型流程完毕；

(6)重新开始下一个流程。

该工艺中，在真空下进行工作的时候，真空度为10^-3Pa-10^-2Pa。

该工艺中，在惰性气氛保护下工作的时候，保护气体压力为100Pa。

该工艺用于Zr基非晶合金、Ti基非晶合金、Fe基非晶合金、Ni基非晶合金、Al基非晶合金、Mg基非晶合金或Cu基非晶合金材料及其构件的压铸成形加工，也适用于Al合金、Mg合金、Zn合金、Cu合金或Ti合金的晶态压铸材料及其构件的压铸成形加工。

本发明原理如下：

本发明主要用于非晶合金零部件和产品的制备制备，可以实现在真空和惰性气氛保护下进行非晶合金构件铸造成型。本发明将熔炼电极、熔炼腔室和真空系统进行有效的改进和结合，使得设备的结构大大简化，加热系统采用同轴电极进行合金的加热熔化，一方面有效提高加热效率，另外一方面与抽真空通道有机结合，简化了腔体结构，获得了高的抽真空效率，获得高的真空度，提高生产效率，降低生产成本。

本发明具有以下优点：

1、本发明中采用同轴电极进行合金的加热熔化，提高加热效率。

2、简化了腔体结构，提高了真空的抽取速率。

3、降低生产能耗，提高生产效率，从而降低生产成本。

4、该设备结构简单，制造和维护成本很低，能够实现连续自动化生产。

附图说明

图1为本发明铸造成型设备结构示意图。

图2为同轴电极结构俯视示意图。

其中：1-压铸机、2-压射头、3-压射杆、4-压射机构、5-真空机组、6-真空管路、7-给料机构、8-红外测温仪、9-摄像头、10-控制面板、11-定模、12-模腔、13-管道、14-定模抽真空通道、15-密封圈、16-动模、17-合模开模机构、18-模具浇道、19-料筒、20-加热器、21-熔炼坩埚、22-浇口、23-熔炼腔室24-充气管道、25-充气阀、26-气瓶、27-截止阀、28-感应电源、29-同轴电极杆、30-旋转盘、31-电机。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细描述，但是应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

如图1-2所示，本发明铸造成型设备包括高真空压室、高真空感应加热系统、高真空模具系统和真空系统，其中：

高真空压室：包括料筒19、压射机构4和压射杆3；所述料筒19的上部开口用于合金熔体的进入，料筒的一端与压射杆3密封连接，料筒的另一端伸入模具中并与膜腔相连通。所述压射杆3的顶端安装压射头2，压射杆3能够带动压射头2沿着料筒19内壁方向运动，压射杆3与料筒19之间通过密封圈进行密封，使压射杆在运动过程中能够保证压室的真空不泄露；通过所述压射机构4控制压射杆3的运动方向和速度。

高真空感应加热系统：用于合金的熔炼和浇注，包括熔炼腔室23和加热器20；所述熔炼腔室的底部开设浇口22，浇口22与料筒19相连通并通过密封圈(或者波纹管)进行密封连接；熔炼腔室23内部设有熔炼坩埚21，所述加热器20用于对熔炼坩埚21内合金的熔化，熔炼腔室23的顶部连接送料机构7。坩埚内合金形成熔体后，通过坩埚的翻转使合金熔体通过浇口浇注到料筒中，该过程通过同轴电极杆、旋转盘和加热器等实现；如图2所示，同轴电极杆与加热器20相连接，同轴电极杆29上固定旋转盘30，通过电机31驱动固定于同轴电极杆29上的旋转盘30旋转一定角度，进一步使得加热器20带动熔炼坩埚21能够旋转到浇注所需角度，使熔炼坩埚21内的合金熔体经由浇口22进入料筒中。

所述加热器20采用感应线圈或电阻丝并通过感应电源28对熔炼坩埚21进行加热，所述熔炼坩埚21为石英、三氧化二铝、氧化钙或者氮化硼材质，所述加热器20设于熔炼坩埚21外。所述熔炼腔室23上还设有用于测量熔炼坩埚21中合金液温度的红外测温仪8和监控合金熔化状态的摄像头9。

高真空模具系统：包括定模11、密封圈15、动模16、模腔12、定模抽真空通道14、模具浇道18和合模开模机构17。合模开模机构17用于控制动模16和定模11的开合(通过控制动模的移动，实现动模和定模的开合)，动模16和定模11闭合后，其内形成模腔12，模腔12通过模具浇道18与料筒19实现连通(膜腔同时也和熔炼腔室相连通)，模腔12与定模抽真空通道14相连通，定模抽真空通道14通过管道13与真空管路6相连；动模16和定模11之间通过密封圈15实现密封。

真空系统：所述真空系统用于对熔炼腔室23和模腔12抽真空处理，通过真空管路6接入熔炼腔室23，真空管路6上设有截止阀27；所述真空系统的真空管路6上还通过充气管道24连接气瓶26，充气管道24上设置充气阀25，使得所述铸造成型设备能够根据实际需求在真空或者惰性气氛保护下进行工作。所述真空系统包括真空机组5，真空机组5包括机械泵、扩散泵(或者分子泵等高真空装置)等真空器械。该系统中真管路6分为两路，一路连接模腔，一路连接熔炼腔室，与熔炼腔室相连的通道和同轴电极结构结合，简化腔体结构，增大了真空通道口径。腔室和料筒之间通过管道密封连接，实现对料筒进行抽真空。

所述铸造成型设备还设有控制面板10，用于对动模16和定模11的开合控制、对加热器20的温度控制和压射杆3的运动控制。

利用上述设备进行非晶合金构件铸造成型工艺，包括以下步骤：

(1)定模11和动模16之间依靠密封圈15形成密封连接，定模抽真空通道14通过管道13与真空管路6相连接，获得密闭的模腔12；

(2)将一定质量的合金料经过给料机构7送入到熔炼坩埚21；

(3)当模具实现密封后，通过真空机组5和真空管路6抽取真空，使得模腔12、料筒19和熔炼腔室23内都获得所需真空度；当需要在真空条件下进行工作时，直接进行步骤(4)，当需要在惰性气氛(氩气、氮气的一种或者混合气体)保护下进行工作时，打开充气阀25，进行充气，充入所需压力的保护气氛；

(4)通过加热器20将熔炼坩埚21内的合金料熔化，利用电机31带动旋转盘30和同轴电极杆29动作，使熔炼坩埚21和加热器20一起翻转，将熔炼坩埚21内的合金熔体通过浇口22倒入料筒19内，随后压射杆3以一定速度和加载力向左通过压射头2将合金熔体挤入模腔12中。

(5)合金熔体在模腔12中充型完毕冷却后，通过管道13和真空管路6充入与外界压力平衡的气体，打开模腔，整个工件的铸造成型流程完毕；

(6)重新开始下一个流程。

其中，步骤1)和步骤2)的顺序可以调换。

上述铸造成型工艺中，在真空下进行工作的时候，真空度为10^-2Pa。

上述铸造成型工艺中，在惰性气氛保护下工作的时候，保护气体压力介于100Pa左右。