专利名称：超声波压缩成型铸造法及其专用设备的制作方法
技术领域：
本发明属于金属材料加工成型生产领域，特别涉及一种超声波压縮 成型铸造法及其专用设备。
技术背景挤压铸造是将定量的液态金属浇入到铸型型腔内，并施加较高的机 械压力，使其凝固和成形，从而获得铸件的一种工艺方法。挤压铸造的特点是l、可消除铸件内部的气 L、縮孔和疏松等缺陷，产生局部的塑 性变形，使铸件组织致密。且挤压铸造是在压力下结晶，有明显的细化 晶粒、加快凝固速度和使组织均匀化的作用。因而，其力学性能好，机械性能高于普通铸件。2、由于液态金属是在压力下凝固和成形，所以，铸件与型腔壁贴合紧密，挤压铸件具有较高的尺寸精度，且表面粗糙度小，加工余量小。3、在凝固过程中，挤压铸件各部位处于压应力状态， 有利于铸件的补縮和防止铸造裂纹的产生。因而，挤压铸造工艺的适用 性较强，使用的合金不受铸造性能好坏的限制。4、便于实现机械化、自 动化，且挤压铸造通常没有浇冒口，毛坏精化，铸件尺寸精度高，因而， 金属材料的利用率高，有利于降低成本，提高生产效率。振动也是铸造生产领域常用的一种方法，振动对铸件组织与性能的 影响如下1、振动可使液态金属与型腔壁直接接触，从而改善其冷却效 果。因为在液态金属外表面有一层氧化膜，而振动可使氧化膜破坏，有 助于液态金属直接浸润型腔壁，并在其上进行结晶。2、振动可促使型腔壁上生成的晶体脱落，使正在成长的枝晶发生机械变形或动态破碎，使 枝晶重熔，从而在液态金属中造成较强的温度起伏和产生晶体数目的增殖，这些均有助于晶粒细化。3、振动可使液态金属产生"动态形核"作 用，例如，凝固时体积收縮的金属在纵波密布时的压力作用下，熔点升 高，有效过冷度增加，从而促进晶核的形成。反之，对凝固时体积膨胀 的金属，在疏布时负压作用下也有类似的动态形核的作用。所以，在工 艺选配得当的条件下，振动结晶可减少铸件组织的不均匀性，即扩大等 轴晶区，縮小或消除柱状晶区，细化晶粒，从而提高铸件的机械性能。为了进一步改善铸件的内部组织，提高铸件的机械性能，人们将压 力与振动相结合，采用压力与振动并用的方式处理铸件。目前，现有技术中压力与振动并用处理铸件的方式主要有三种1、液态金属在机械振动和压力下结晶，振动频率为80Hz 150Hz，振动由推料杆从下面输入， 在冲头加压前，振动的效果很明显，但挤压以后，由于压力机冲头的高 压力，使推料杆被压得振不起来。因此，对铸件在压力下的结晶过程不 可能产生多大的影响。2、液态金属在脉冲压力下结晶，用液压谐振振荡 器与压力机液压系统相连，挤压时形成脉冲压力，并通过冲头传递到液 态金属上，起到压力与振动并用的作用，振动对液态金属的结晶过程有 一定的作用。3、液态金属在圆形振动和压力联合作用下结晶，振动频率 为50Hz，振幅为l 1.5mm，其铸件易出现与离心铸件相似的层状低倍 组织，而且，对提高铸件机械性能的效果也不大，这是由于圆形振动的 共振驻波周期性的影响液态金属从型腔开始的连续结晶进程所致。上述 压力与振动并用处理铸件的方式存在的问题是由于振动纵波疏布时的 "空化效应"，会促使溶入液态金属中的气体加速析出成为气泡。但是， 加压前如果气泡来不及浮出，则挤压时将被留在铸件中而形成分散的压扁的气孔缺陷，以致降低铸件的机械性能。本发明要解决的技术问题是，克服上述现有技术中存在的振动除气 效果不理想、铸件中有气孔缺陷的问题，把超声波处理金属熔体技术与 挤压铸造结合起来，提供一种具有强烈搅拌作用、能够直接制备高品质 铸件的超声波压縮成型铸造法及其专用设备。本发明超声波压縮成型铸造法是按下述步骤实现的1、 按照零件的成分要求进行配料，将配好的原料放入熔化炉或坩 埚中，使之熔化，并过热10 15(TC;2、 对液态金属熔体进行除气处理，除气时间为1 10分钟；3、 将浇铸凹模进行预热，凹模预热的温度为200 100(TC;4、 将除气后的液态金属熔体快速浇入预热后的凹模中；5、 对凹模中的液态金属熔体施加高能超声波，超声频率为 15 100KHz，超声功率为100~3000W，对金属熔体施加超声波的时间为 卜30秒；6、 与此同时，对液态金属熔体施加压力，压力为1X107~5X107牛 顿/米2 ，时间为5 40秒，或直到金属熔体凝固，即得到具有均匀细小 的等轴晶组织的挤压成型件。一种实施上述超声波压縮成型铸造法的专用设备，它有一个工作 台，在工作台上有一个由上型和下型构成的浇铸凹模，其特殊之处是， 在工作台上有一个保温炉，浇铸凹模放置在保温炉中，在浇铸凹模的上 面有一个超声波换能器，在超声波换能器的下部装有变幅杆，变幅杆的 下部装有作为压头的超声波传振杆，通过超声波传振杆即可同时对液态 金属熔体进行挤压和施加超声波作用。本发明的优点在于-1、 本发明将超声波处理金属熔体技术与挤压铸造结合在一起，在 对液态金属熔体进行挤压的同时施加超声波振动，利用超声波对液态金 属熔体的强烈搅拌作用改变金属的结晶组织，使金属的结晶组织有了较 大改观，清除了液态金属熔体中的气泡，从而获得晶粒细小、不含气孔、 组织致密、没有偏析的完全由致密细化的等轴晶构成的高品质铸件，为 有色金属与合金的精密成型开辟出一种崭新的材料成型方法和装置，并 对研究外场的细化作用机制，以及超声波场下金属熔体的变化规律，发 展和完善材料成型制备技术都具有重要的科学意义。2、 将超声波传振杆设计成挤压铸造的挤压头，在超声波传振杆实 施挤压的过程中，实现了超声波对金属熔体的处理，制造方法及生产设 备简单，投入小，实现了高品质、低成本、多品种的生产精密成型件。
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
实施例1:本发超声波压縮成型铸造法的具体步骤是1、 按照零件的成分要求进行配料，以低熔点合金Al—1.0。/。Cu为 例，将配好的原料放入熔化用的坩埚中，使之熔化，并过热8(TC;2、 对液态金属熔体进行除气处理，在液态金属熔体中加入铝合金 除气精炼剂HGHJ-2，铝合金除气精炼剂HGHJ-2的加入量为液态金属 熔体重量的0.3%,除气时间为1分钟；3、 将浇铸凹模进行预热，凹模预热的温度为70(TC;4、 将除气后的液态金属熔体快速浇入预热后的凹模中；5、 对凹模中的液态金属熔体施加高能超声波，超声频率为20KHz，超声功率为2000W，对金属熔体施加超声波的时间为1秒；6、与此同时，用超声波传振杆对液态金属熔体施加压力，压力为1X107，时间为5秒，或直到金属熔体凝固，即得到具有均匀细小的等轴晶组织的挤压成型件。 实施例2:1、 按照零件的成分要求进行配料，以低熔点合金Al—18。/。Si为例， 将配好的原料放入熔化炉中，使之熔化，并过热1(TC;2、 对液态金属熔体进行除气处理，在液态金属熔体中加入铝合金 除气精炼剂HS-C，铝合金除气精炼剂HS-C的加入量为液态金属熔体重 量的0.8%，除气时间为5分钟；3、 将浇铸凹模进行预热，凹模预热的温度为20(TC;4、 将除气后的液态金属熔体快速浇入预热后的凹模中；5、 对凹模中的液态金属熔体施加高能超声波，超声频率为15KHz， 超声功率为100W，对金属熔体施加超声波的时间为30秒；6、 与此同时，用超声波传振杆对液态金属熔体施加压力，压力为3 X107，时间为40秒，或直到金属熔体凝固，即得到具有均匀细小的等 轴晶组织的挤压成型件。实施例3:1、 按照零件的成分要求进行配料，以锡青铜合金ZQSn5-5-5为例， 将配好的原料放入熔化炉中，使之熔化，并过热12(TC;2、 对液态金属熔体进行除气处理，在液态金属熔体中加入青铜除 气精炼剂HT-TJ3，青铜除气精炼剂HT-TJ3的加入量为液态金属熔体重 量的0.3%，除气时间为l分钟；3、 将浇铸凹模迸行预热，凹模预热的温度为800。C;4、 将除气后的液态金属熔体快速浇入预热后的凹模中；5、 对凹模中的液态金属熔体施加高能超声波，超声频率为25KHz， 超声功率为2500W，对金属熔体施加超声波的时间为10秒；6、 与此同时，用超声波传振杆对液态金属熔体施加压力，压力为4 X107，时间为10秒，或直到金属熔体凝固，即得到具有均匀细小的等 轴晶组织的挤压成型件。实施例4:1、 按照零件的成分要求进行配料，以低碳钢Frl.O%C为例，将 配好的原料放入熔化炉中，使之熔化，并过热15(TC;2、 对液态金属熔体进行除气处理，在液态金属熔体中加入除气剂 细铝丝，除气剂细铝丝的加入量为液态金属熔体重量的0.1%，利用氧化 一还原反应除去液态金属熔体中的氧，时间为10分钟；3、 将浇铸凹模进行预热，凹模预热的温度为100(TC;4、 将除气后的液态金属熔体快速浇入预热后的凹模中；5、 对凹模中的液态金属熔体施加高能超声波，超声频率为lOOKHz， 超声功率为3000W，对金属熔体施加超声波的时间为15秒；6、 与此同时，用超声波传振杆对液态金属熔体施加压力，压力为5 X107，时间为20秒，或直到金属熔体凝固，即得到具有均匀细小的等 轴晶组织的挤压成型件。下面对实施上述超声波压縮成型铸造法的专用设备进行详细说明 如图1所示，它有一个工作台9，在工作台9上有一个由上型5和 下型8构成的浇铸凹模，凹模采用45号钢制作，也可以采用其他耐热钢 材制作；在上型5和下型8中装有加热元件11，加热元件11为浇铸凹 模及液态金属熔体加热和保温；在工作台9上有一个保温炉6，保温炉68由SiC炉胆和电阻加热元件构成，电阻加热元件包裹在炉胆内；浇铸凹模放置在保温炉6中，利用保温炉6为浇铸凹模及液态金属烙体加热和 保温；在保温炉6的上面有一个保温盖4，保温盖4用隔热材料制作， 以避免温度散失；在浇铸凹模的上面有一个超声波换能器1，超声波换 能器1为现有结构，它主要由外壳、压电陶瓷组、换能装置等构成；超 声波换能器1通过滑动支架13安装在立柱12上，滑动支架13上装有液 压装置14，液压装置14通过支架15固定在立柱12上，使滑动支架13 沿着立柱12作上下移动，从而带动超声波换能器1作上下运动；所述的 立柱12固定在工作台9上，在超声波换能器1的下部装有变幅杆2，变 幅杆2的下部装有作为压头的超声波传振杆3，超声波传振杆3为不锈 钢质的圆棒，超声波传振杆3下部与液态金属熔体相接触的部分涂有一 层陶瓷，以防止挤压时超声波传振杆3与液态金属熔体发生粘连，通过 超声波传振杆3即可同时对液态金属熔体进行挤压和施加超声波作用， 液态金属熔体凝固后即成为成型件7;在液态金属熔体的下面还有一个 推料杆10，推料杆10向上推动成型件7，使成型件7从浇铸凹模的下型 8中脱出。本发明专用设备的操作过程是将液态金属熔体浇入放在工作台9上的浇铸凹模内，即浇铸到上型 5和下型8中，然后，液压装置14通过滑动支架13带动超声波换能器1、 变幅杆2和超声波传振杆3向下移动，对其施加高能超声波，同时，对 液态金属熔体进行挤压，液态金属熔体凝固成型后，再用推料杆10将成 型件7从下型8中推出，即完成一个成型件7的制作过程。
权利要求
1、一种超声波压缩成型铸造法，其特征在于，它是按下述步骤实现的1.1、按照零件的成分要求进行配料，将配好的原料放入熔化炉或坩埚中，使之熔化，并过热10～150℃；1.2、对液态金属熔体进行除气处理，除气时间为1～10分钟；1.3、将浇铸凹模进行预热，凹模预热的温度为200～1000℃；1.4、将除气后的液态金属熔体快速浇入预热后的凹模中；1.5、对凹模中的液态金属熔体施加高能超声波，超声频率为15～100KHz，超声功率为100～3000W，对金属熔体施加超声波的时间为1～30秒；1.6、与此同时，对液态金属熔体施加压力，压力为1×107～5×107牛顿/米2，时间为5～40秒，或直到金属熔体凝固，即得到具有均匀细小的等轴晶组织的挤压成型件。
2、 一种实施权利要求1所述超声波压縮成型铸造法的专用设备， 它有一个工作台，在工作台上有一个由上型和下型构成的浇铸凹模，其 特征在于，在工作台上有一个保温炉，浇铸凹模放置在保温炉中，在浇 铸凹模的上面有一个超声波换能器，在超声波换能器的下部装有变幅杆， 变幅杆的下部装有作为压头的超声波传振杆。
全文摘要
一种超声波压缩成型铸造法及其专用设备，解决了现有技术中存在的振动除气效果不理想、铸件中有气孔缺陷的问题，本发明的方法是按下述步骤实现的将配好的原料熔化并过热，对液态金属熔体进行除气处理，将浇铸凹模进行预热，将除气后的液态金属熔体快速浇入预热后的凹模中，对凹模中的液态金属熔体施加高能超声波和压力，即得到具有均匀细小的等轴晶组织的挤压成型件；实施上述超声波压缩成型铸造法的专用设备，它有一个工作台，工作台上有一个浇铸凹模，其特殊之处是，在工作台上有一个保温炉，浇铸凹模放置在保温炉中，在浇铸凹模的上面有一个超声波换能器，在超声波换能器的下部装有变幅杆，变幅杆的下部装有作为压头的超声波传振杆。
文档编号B22D27/00GK101234420SQ20081001058
公开日2008年8月6日 申请日期2008年3月5日 优先权日2008年3月5日
发明者李军文 申请人:辽宁工业大学