本发明涉及新型压铸技术领域，具体地，涉及一种非晶合金熔炼压铸成型装置及方法。
背景技术：
非晶合金是由超急冷凝固时原子来不及有序结晶、得到一种长程无序的、没有晶粒、晶界的新型金属结构材料，又称为“金属玻璃”或者“液态金属”。非晶合金具有高强度、高硬度、高表面光洁度、高耐腐蚀性等一系列优异性能，被认为是21世纪最具有革命性新的材料之一，在军工航天、消费电子、体育器械、生物医疗具等领域有广泛的应用前景。在消费电子领域，目前，将非晶合金作为下一代手机的潜在应用材料，替代现有的不锈钢、铝合金等，实现产品升级换代，是当下的产业化研究热点。非晶合金的制备方法包括吸铸、水淬等工艺，然而该类工艺很难实现复杂结构零件的制备，无法满足工业化生产的要求。压铸工艺多用于复杂结构零件的近净成型，因此，近年来被尝试用于复杂形状的非晶合金零件的制备，以实现其产业化应用。众所周知，非晶合金的制备对氧含量的要求极其严格，在熔炼和凝固的过程中，微量的氧元素的引入，都有可能导致熔体中形成氧化物夹渣等，使零件无法获得非晶结构，急剧恶化材料性能。而传统的压铸设备，多在大气环境下熔炼压铸，因此，开发新型真空熔炼压铸设备是非晶合金产业化应用的前提。
目前，真空压铸成型装备总体有两种形式：第一种形式是如专利201210250803.3公开的一种真空压铸机，该种真空压铸机是仅仅当打料杆将熔体能压射到料筒某一位置时，才开始触发对模具型腔内抽真空，实现真空充型凝固。该种压铸设备无法实现熔炼、给汤、压射过程全程真空，因此，无法用于易于活泼的、氧化的非晶合金零件的生产。另外一种形式真空压铸设备是如专利号为：us6805758b2，201110421420.3，201510118673.1，201320785547.8以及201320783965.3公开的真空压铸机。该类真空压铸机是通过将熔炼的部分和压射部分密封在一个真空仓中，以实现熔炼、压射、凝固的全过程真空，该类压铸设备方案的提出为非晶合金的产业化应用提供了可能，是目前生产非晶合金的主要方案。然而，该类真空压铸机仍存在以下不足：
(1)熔炼仓体积大。该类真空压铸机虽然可以实现熔炼压铸的全程真空。但是，该种压铸机将打料杆等包含入真空熔炼仓内，致使熔炼仓的容积较大，抽真空时间长，效率低下。(2)获取低氧含量熔炼环境时间长。图1是现有熔炼压铸成型装置获取低氧含量熔炼环境的压强-时间示意图，如图1所示当真空度达到一定值时(一般100～1000pa)，其要获得低氧含量熔炼环境时，需进一步抽真空，直到达到非晶合金压铸生产所需的10pa以下的真空，其高真空的建立会大大延长抽真空的时间。(3)真空泵存在浪费。在上述真空压铸机中，每一台压铸机均配备一台或者多台机械泵+(一台或者多台)分子泵(或者扩散泵)。在生产过程中，真空泵一直处于常开状态。然而，在压铸设备压射、凝固、取样、模具清理的过程中，熔炼仓无需抽真空，而此时真空泵仍处于运转状态，存在严重的功率浪费。
随着非晶合金产业化的进行及市场需求的扩大，开发出更高效率的、快速活动低氧含量熔炼环境熔炼方法、及单位成本更低、效率更高的压铸成型设备对非晶合金大规模产业化具有重要意义。
技术实现要素：
鉴于以上问题，本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种非晶合金熔炼压铸成型装置及方法，以实现高效率抽真空、在低氧含量下熔炼非晶合金。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的一个方面是提供一种非晶合金熔炼压铸成型装置，包括多台压铸机、真空负压装置以及惰性气体供给装置，每台压铸机均与所述真空负压装置、所述惰性气体供给装置通过真空管道连接，所述真空负压装置与所述压铸机之间以及所述惰性气体供给装置与所述压铸机之间的真空管道上均安装有真空隔断阀，所述真空负压装置对所述压铸机抽真空，直至所述压铸机中的真空度与所述真空负压装置的真空度平衡，所述惰性气体供给装置向所述压铸机供给惰性气体，再次通过所述真空负压装置对所述压铸机抽真空，直至在所述压铸机中形成非晶合金熔炼环境，所述压铸机将非晶合金的金属原料熔炼压铸成型。
优选地，所述压铸机包括：
压铸模具，所述压铸模具包括锁模机构、动模和定模，所述锁模机构用于控制所述动模和所述定模的开启和闭合，所述动模与所述定模闭合时，在所述动模与所述定模之间形成模具型腔；
熔炼仓，所述熔炼仓内设置有熔炼杯，所述熔炼杯用于熔炼金属原料；
压射机构，所述压射机构包括打料筒、打料杆和锤头，所述打料筒与所述熔炼仓和所述模具型腔连接形成封闭空间，所述打料杆的一端连接驱动机构，所述打料杆的另一端连接所述锤头，所述锤头插入所述打料筒中；
驱动机构，所述驱动机构驱动所述打料杆带动所述锤头沿着所述打料筒移动，所述锤头推动从所述熔炼仓流进所述打料筒中的熔体进入所述模具型腔中；以及
控制系统，所述控制系统与所述锁模机构和所述驱动机构电连接，且所述控制系统在所述动模与所述定模闭合后向所述真空负压装置发送抽真空请求信号。
优选地，所述压铸机还包括压铸机台，所述压铸模具和所述驱动机构均固定在所述压铸机台上。
优选地，所述真空负压装置与所述熔炼仓通过真空管道连接，对所述打料筒、所述熔炼仓和所述模具型腔形成的封闭空间抽真空；所述惰性气体供给装置与所述模具型腔连接，向所述封闭空间供给惰性气体。
优选地，所述真空负压装置包括真空负压罐、真空泵以及电控柜，所述真空负压罐与所述压铸机和所述真空泵均通过真空管道连接，且在所述真空负压罐与所述真空泵之间的真空管道上安装有真空隔断阀。
优选地，所述惰性气体为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气和氡气中的一种或多种。
本发明的另一个方面是提供一种非晶合金熔炼压铸成型方法，包括以下步骤：
步骤s1，启动压铸机，向压铸机中加入待熔炼的金属原料，合模后，所述压铸机向真空负压装置发送抽真空请求信号；
步骤s2，通过真空负压装置接收压铸机发出的抽真空请求信号，启动真空负压装置与压铸机之间的真空隔断阀，对所述压铸机抽真空，直至所述压铸机中的真空度与所述真空负压装置的真空度平衡，关闭所述真空负压装置与所述压铸机之间的隔断阀；
步骤s3，启动惰性气体供给装置与压铸机之间的真空隔断阀，通过惰性气体供给装置向所述压铸机供给惰性气体；
步骤s4，关闭惰性气体供给装置与压铸机之间的真空隔断阀，并再次启动真空负压装置与压铸机之间的真空隔断阀，通过真空负压装置抽出所述压铸机中惰性气体与空气组成的混合气体，直至所述压铸机中的真空度与所述真空负压装置的真空度平衡，关闭惰性气体供给装置与压铸机之间的真空隔断阀；
步骤s5，判断所述压铸机中是否形成非晶合金熔炼环境，若在所述压铸机中形成非晶合金熔炼环境，则进行步骤s6，若在所述压铸机中未形成非晶合金熔炼环境，则进行所述步骤s3；
步骤s6，在压铸机中将待熔炼的金属原料压铸成型并取出工件。
优选地，所述压铸机包括熔炼仓、打料筒以及模具型腔连接形成的封闭空间，所述真空负压装置与所述熔炼仓连接，所述惰性气体供给装置与所述模具型腔连接，所述步骤s2中，所述真空负压装置对所述封闭空间抽真空；所述步骤s3中，所述惰性气体供给装置向所述封闭空间供给惰性气体；所述步骤s5中，所述非晶合金熔炼环境是所述模具型腔中的氧含量小于5000ppm。
优选地，所述步骤s6包括以下步骤：
步骤s61，通过熔炼仓中的熔炼杯在真空下熔炼金属原料；
步骤s62，当熔炼杯中熔体的温度达到所需熔炼温度时，将所述熔体从熔炼仓注入压射机构的打料筒中；
步骤s63，通过驱动机构驱动打料杆带动锤头沿着所述打料筒移动，通过所述锤头推动所述熔体进入模具型腔中进行凝固；
步骤s64，待工件在所述模具型腔中加工成型，开启锁模机构取出工件。
优选地，所述步骤s2中，所述真空负压装置对其中一台压铸机抽真空时，非晶合金熔炼压铸成型装置中的剩余压铸机分别处于加料、合模、熔炼压射凝固、开模取件和模具清理中的一个工艺阶段。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
本发明中，通过真空负压装置对压铸机抽真空，并通过惰性气体供给装置向压铸机中供给惰性气体，对压铸机中的空气进行稀释，再次将惰性气体与空气的混合物抽出，可以快速的获取较低氧含量的熔炼环境，降低低氧含量熔炼环境的获取时间，从而缩短零件的成型周期，可以有效的提高非晶零件的稳定性以及生产效率。并且，无需分子泵或扩散泵等设备，降低压铸设备成本。
本发明中的多台压铸机共用一个真空负压装置，实现压铸设备的快速抽真空，降低现有压铸设备的复杂程度，充分利用真空泵的功率，提高效率，降低成本，更适合大规模的产业化应用。
附图说明
图1是现有熔炼压铸成型装置获取低氧含量熔炼环境的压强-时间示意图；
图2是本发明所述非晶合金熔炼压铸成型装置的构成框图；
图3是本发明所述非晶合金熔炼压铸成型装置获取低氧含量熔炼环境的压强-时间示意图；
图4是本发明中所述压铸机的结构示意图；
图5是本发明中所述真空负压装置的结构示意图；
图6是本发明所述非晶合金熔炼压铸成型装置的一个可选实施例的结构示意图；
图7是本发明所述非晶合金熔炼压铸成型方法的流程示意图；
图8是本发明中压铸机将非晶合金压铸成型的流程示意图。
具体实施方式
下面将参考附图来描述本发明所述的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式或其组合对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。
下面结合图2-图8来详细说明本实施例。
图2是本发明所述非晶合金熔炼压铸成型装置的构成框图，如图2所示，本发明所述非晶合金熔炼压铸成型装置，包括多台压铸机100、真空负压装置200以及惰性气体供给装置300，每台压铸机100均与真空负压装置200、惰性气体供给装置300通过真空管道连接，并且真空负压装置200与压铸机100之间以及惰性气体供给装置300与压铸机100之间的真空管道上均安装有真空隔断阀，其中，真空负压装置200对压铸机100抽真空，直至压铸机100中的真空度与真空负压装置200的真空度平衡，惰性气体供给装置300向压铸机100供给惰性气体，再次通过真空负压装置200对压铸机100抽真空，直至在压铸机100中形成非晶合金熔炼环境，压铸机100将非晶合金的金属原料熔炼压铸成型。图2中仅以四台压铸机为例示出，而本发明并不限于此。
本发明通过真空负压装置对压铸机抽真空之后，利用惰性气体供给装置向压铸机中供给惰性气体，对压铸机中残留的空气进行稀释，再次通过真空负压装置将压铸机中惰性气体与残留空气的混合物抽出，经过多次“供给惰性气体-抽真空-供给惰性气体-抽真空”的循环，快速建立高真空低氧含量的非晶合金熔炼环境，大大节省时间，缩短非晶零件的成型周期，提高设备的生产效率。
本发明的工作原理如下：
在使用额度功率的真空泵对一定的体积的容器进行抽真空时，压铸机中的真空度可以在十分短的时间内达到一定的真空度(100～1000pa)，此时，压铸机中绝大部分空气已经抽干净。但如果需要建立高真空，以满足非晶熔炼时，其后阶段的抽真空的速率会急剧下降。即当要抽走容器内的相同的体积的气体，随着容器中的真空度下降，其所用的时间将急剧增加，容器中的残留的空气很难抽净。图3是本发明所述非晶合金熔炼压铸成型装置获取低氧含量熔炼环境的压强-时间示意图，如图3所示，对压铸机进行抽真空之后，通过惰性气体供给装置向压铸机中充入惰性气体，对残留的空气进行稀释，再快速抽真空，压铸机内残余的混合气体将可以很快被抽干净，经过多次重复，可以快速的获取活泼金属熔炼的低氧含量环境。
图4是本发明中所述压铸机的结构示意图，如图4所示，所述压铸机包括压铸模具、熔炼仓7、压射机构、驱动机构12以及控制系统，其中，压铸模具包括锁模机构1、动模15和定模3，锁模机构1用于控制动模15和定模3的开启和闭合，动模15与定模3闭合时，在动模15与定模3之间形成模具型腔；熔炼仓7内设置有熔炼杯4，熔炼杯4用于熔炼金属原料；压射机构包括打料筒8、打料杆13和锤头9，打料筒8与熔炼仓7和模具型腔连接形成封闭空间，打料杆13的一端连接驱动机构12，打料杆13的另一端连接锤头9，锤头9插入打料筒8中；驱动机构12驱动打料杆13带动锤头9沿着打料筒8移动，锤头9推动从熔炼仓7流进打料筒8中的熔体进入模具型腔中，其中，驱动机构可以是液压驱动机构；控制系统与锁模机构1和驱动机构12电连接，且控制系统在动模15与定模3闭合后向真空负压装置200发送抽真空请求信号。
优选地，压铸机100还包括压铸机台11，压铸模具和驱动机构12均固定在压铸机台11上。
优选地，真空负压装置200与熔炼仓7通过真空管道2连接，对打料筒8、熔炼仓7和模具型腔形成的封闭空间抽真空，且在真空负压装置200与熔炼仓7之间的真空管道2上安装有真空隔断阀5；惰性气体供给装置300与模具型腔通过真空管道2连接，向封闭空间供给惰性气体，稀释封闭空间中剩余的空气，且在惰性气体供给装置300与模具型腔之间的真空管道上安装有真空隔断阀5。打料杆13等部件均位于待抽真空的封闭空间之外，从而可以避免由于真空熔炼仓的体积过大而导致抽真空时间长，提高效率。且对打料筒8、熔炼仓7和模具型腔形成的封闭空间抽真空，可以实现熔炼、压射、凝固的全过程真空，便于活泼的、氧化的非晶合金零件的生产。
优选地，惰性气体供给装置300向压铸机100中供给的惰性气体为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气和氡气中的一种或多种。
在一个可选的实施例中，熔炼杯4是感应加热熔杯，可以设置加热装置，通过感应线圈或电阻丝等对熔炼杯进行加热，从而熔炼金属原料形成熔体。
在一个可选的实施例中，动模15与定模3之间设置有真空密封件，在打料筒8与打料杆13之间设置有真空密封件，以使得打料筒8、熔炼仓7和模具型腔形成的封闭空间的密封度更好。
为了便于对熔炼杯中的金属原料熔炼过程的监控，优选地，在熔炼仓7中设置温度传感器或红外测温仪，用于测量金属原料形成的熔体温度，待熔体温度达到所需要的熔炼温度时，将熔体从熔炼杯4中倒出。
在一个可选的实施例中，控制系统还用于控制熔炼杯4的自动倾斜，待熔炼杯4中熔体温度达到所需要的熔炼温度时，熔炼杯4自动倾斜，将杯中熔体倾倒至熔炼仓7中，从熔炼仓7流进打料筒8中。熔体流出后，控制系统控制熔炼杯4恢复至原始位置。
图5是本发明中所述真空负压装置的结构示意图，如图5所示，所述真空负压装置200包括真空负压罐6、真空泵17以及电控柜16，真空负压罐6与压铸机100和真空泵17均通过真空管道2连接，且在真空负压罐6与真空泵17之间的真空管道2上安装有真空隔断阀5。其中，真空泵17有两台。
图6是本发明所述非晶合金熔炼压铸成型装置的一个可选实施例的结构示意图，其中，图6中的非晶合金熔炼压铸成型装置中的压铸机以图4中所示的压铸机结构为例进行说明，而本发明并不限于此，如图6所示，所述非晶合金熔炼压铸成型装置包括六台压铸机100，分别为1号压铸机、2号压铸机、3号压铸机、4号压铸机、5号压铸机和6号压铸机，六台压铸机中的熔炼仓7均通过真空管道2与真空负压装置200连接，合模后形成的模具型腔均通过真空管道2与惰性气体供给装置300连接。实际生产中，根据生产任务的轻重，确定在非晶合金熔炼压铸成型装置中所需要开启的压铸机的数量。
本发明的另一个方面是提供一种非晶合金熔炼压铸成型方法，图7是本发明所述非晶合金熔炼压铸成型方法的流程示意图，如图7所示，所述非晶合金熔炼压铸成型方法包括以下步骤：
步骤s1，启动压铸机，向压铸机中加入待熔炼的金属原料，合模后，压铸机向真空负压装置发送抽真空请求信号；
步骤s2，通过真空负压装置接收压铸机发出的抽真空请求信号，启动真空负压装置与压铸机之间的真空隔断阀，对所述压铸机抽真空，直至所述压铸机中的真空度与所述真空负压装置的真空度平衡，关闭所述真空负压装置与所述压铸机之间的隔断阀，而无需建立超高真空环境；
步骤s3，启动惰性气体供给装置与压铸机之间的真空隔断阀，通过惰性气体供给装置向所述压铸机供给惰性气体；
步骤s4，关闭惰性气体供给装置与压铸机之间的真空隔断阀，并再次启动真空负压装置与压铸机之间的真空隔断阀，通过真空负压装置抽出所述压铸机中惰性气体与空气组成的混合气体，直至所述压铸机中的真空度与所述真空负压装置的真空度平衡，关闭惰性气体供给装置与压铸机之间的真空隔断阀；
步骤s5，判断所述压铸机中是否形成非晶合金熔炼环境，若在所述压铸机中形成非晶合金熔炼环境，则进行步骤s6，若在所述压铸机中未形成非晶合金熔炼环境，则进行所述步骤s3；
步骤s6，在压铸机中将待熔炼的金属原料压铸成型并取出工件。
在进行步骤s6之后，通过锁模机构将动模和定模再次合起，形成模具型腔，对模具型腔抽真空，为下一次的熔炼压铸成型做准备。
为了避免由于真空熔炼仓的体积过大而导致抽真空时间长，且实现熔炼、压射、凝固的全过程真空，便于活泼的、氧化的非晶合金零件的生产，优选地，压铸机包括熔炼仓、打料筒以及模具型腔连接形成的封闭空间，真空负压装置与熔炼仓通过真空管道连接，惰性气体供给装置与模具型腔通过真空管道连接，且在真空管道上均安装有真空隔断阀，在所述步骤s2中，所述真空负压装置对所述封闭空间抽真空；所述步骤s3中，所述惰性气体供给装置向所述封闭空间供给惰性气体；所述步骤s5中，所述非晶合金熔炼环境是所述模具型腔中的氧含量小于5000ppm。
图8是本发明中压铸机将非晶合金压铸成型的流程示意图，如图8所示，所述步骤s6包括以下步骤：
步骤s61，通过熔炼仓中的熔炼杯在真空下熔炼金属原料；
步骤s62，当熔炼杯中熔体的温度达到所需熔炼温度时，将所述熔体从熔炼仓注入压射机构的打料筒中；
步骤s63，通过驱动机构驱动打料杆带动锤头沿着所述打料筒移动，通过所述锤头推动所述熔体进入模具型腔中进行凝固；
步骤s64，待工件在所述模具型腔中加工成型，开启锁模机构取出工件。
在生产过程中，为了充分利用真空泵的功率，优选地，多台压铸机均与真空负压装置和惰性气体供给装置连接，在所述步骤s2中，真空负压装置对其中一台压铸机抽真空时，非晶合金熔炼压铸成型装置中的剩余压铸机分别处于加料、合模、熔炼压射凝固、开模取件和模具清理中的一个工艺阶段，从而实现对多台压铸机轮流抽真空，提高压铸成型装置的工作效率。例如，图6中所示非晶合金熔炼压铸成型装置包括六台压铸机，分别为1号压铸机、2号压铸机、3号压铸机、4号压铸机、5号压铸机和6号压铸机，如下表1所示，当3号压铸机处于抽真空的工序时，1号压铸机、2号压铸机、4号压铸机、5号压铸机和6号压铸机分别处于加料、合模、熔炼压射凝固、开模取件和模具清理中的一个工序，从而便于根据车间生产任务的轻重，确定需要开启的压铸机的数量，且调整各压铸机之间的工位，确保各台压铸机逐一向真空负压装置请求抽真空，真空泵处于常开状态且不会造成真空泵的功率浪费。
表1
其中，表1中，*表示当前工序。
下面以图6中所示非晶合金熔炼压铸成型装置为例进一步说明利用本发明所述非晶合金熔炼压铸成型方法进行非晶合金压铸成型的工作流程。其中，非晶合金熔炼装置中以惰性气体供给装置为高纯氩气室，向压铸机中供给氩气为例进行说明，而本发明并不限于此。启动真空负压装置中的真空泵17，待一段时间后，使得真空负压罐6处于最低大气压状态，真空泵17处于常开状态。逐一启动六台压铸机100，向熔炼杯4中加入待熔炼的金属原料，当其中一台压铸机处于抽真空的工艺阶段时，其他的五台压铸机分别处于加料、合模、熔炼压射凝固、开模取件和模具清理中的一个工艺阶段。
对于其中一台压铸机，动模15和定模3通过锁模机构1闭合后，形成包括打料筒8、熔炼仓7和模具型腔在内的封闭空间，向真空负压罐6发送抽真空请求信号，通过真空泵17对封闭空间抽真空，当封闭空间中的真空度与真空负压罐中的真空度平衡至接近1000pa时，关闭真空负压罐6与熔炼仓7之间的真空隔断阀2，由高纯氩气室向封闭空间中充入-0.5mpa的氩气，再次启动真空负压罐对封闭空间抽真空，平衡至接近1000pa时，关闭真空隔断阀2，重复多次“充氩气-抽真空-充氩气-抽真空”的步骤，例如，可以是2-3次，直至模具型腔中形成氧含量小于5000ppm的非晶合金熔炼环境，然后对金属原料压铸成型并取出工件。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。