一种镁合金反重力铸造装置及其方法
【专利摘要】本发明公开了一种镁合金反重力铸造装置，该装置包括：下罐19内置有熔化炉2和坩埚18，所述下罐19的上部采用密封盖板16与外部隔离；在所述熔化炉2和所述密封盖板16之间，所述下罐19与第一保护气体管道3连接；所述下罐19的中下部与加压装置1连接；负压气体保护箱11与第二保护气体管道8和负压管道9连接。本发明还公开了一种利用该装置进行铸造的方法。本发明所公开的一种镁合金反重力铸造装置，其可以生产大型、复杂和薄壁镁合金铸件，铸件表面质量和安全性高，满足生产要求，该装置制造简单，适合镁合金规模化生产，生产效率高。
【专利说明】一种镁合金反重力铸造装置及其方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种铸造【技术领域】，尤其涉及一种镁合金反重力铸造装置及其方法。【背景技术】
[0002]镁合金密度低，性能优良，作为重要的结构材料，被广泛应用于航空、航天、国防、汽车、电子通信等领域。目前，我国航空、航天、国防领域对减重的迫切需求为镁合金新材料、新工艺的开发与应用提供了机遇与挑战。当前，限制镁合金铸件广泛应用的主要因素之一是镁合金铸件铸造困难，尤其对于大型、复杂、薄壁镁合金铸件，目前很难生产出满足需求的铸件，其铸造难点之一在于没有一种适合镁合金铸造生产的设备，因为镁合金本身特点，其铸造难度比较大，浇注过程容易发生燃烧或氧化，成为制约镁合金铸件生产的一大瓶颈。
[0003]压铸是目前最普遍的镁合金成形工艺，90%以上的镁合金铸件都是压铸件，但压铸只能成形尺寸较小、结构简单的铸件，并且由于气孔的存在，铸件不能进行热处理或焊接，也不能进行比较深的机加工。
[0004]上海交通大学开发了镁合金大型铸件的精密低压铸造成型工艺，采用双熔炉、压力转炉方式保证镁液的高纯净度；采用新型坩埚密封技术对坩埚进行密封(低熔点合金密封法，提高保压压力；采用冷铁、气体冷却等方式达到铸件所需要的凝固顺序；采用保护气体加压技术，即在干燥压缩空气中添加新型的R152保护气体，采用涂层转移技术保障铸件非加工面的表面光洁度。但是该技术比较复杂，不易于操作。
[0005]对于镁合金石膏型精密铸造，中国兵器工业第五研究所发明一种陶瓷石膏复合铸型来解决镁合金充型过程氧化及燃烧问题，此外还有报道在石膏型基础粉中加入防燃剂，或抽真空浇注，将烘干的石膏型取出，清理型腔内的杂质，将所述抽真空管和真空泵连接，并将浇口密封，用真空泵抽至真空后开始浇注，该方法直接在铸型型腔上安放排气管，但以上几种研究都是对石膏型进行相关改进，并且工艺比较复杂，不适用大批量工业生产。
【发明内容】
[0006](一)要解决的技术问题
[0007]本发明所要解决的技术问题是:提供一种镁合金反重力铸造装置，以克服现有技术中由于镁合金在浇注过程容易发生燃烧或氧化的技术问题；以及提供一种利用该装置进行铸造的方法。
[0008](二)技术方案
[0009]为了解决上述技术问题，一方面，本发明提供了一种镁合金反重力铸造装置，该装置包括:下罐19内置有熔化炉2和坩埚18，所述下罐19的上部采用密封盖板16与外部隔离；在所述熔化炉2和所述密封盖板16之间，所述下罐19与第一保护气体管道3连接；所述下罐19的中下部与加压装置I连接；所述坩埚18内置有升液管17，所述升液管17的下端与所述坩埚18底部有一定距离，所述升液管17与镁合金熔液表面构成连通；所述升液管17上端口部穿过所述密封盖板16，与直接放在所述密封盖板16上的石膏铸型14的浇口对准；所述石膏铸型14内带有型腔15，其上面采用石棉13进行密封，所述石棉13上面盖有石棉压板7 ；
[0010]负压气体保护箱11与第二保护气体管道8和负压管道9连接；所述负压气体保护箱11直接放在所述石膏铸型14上，所述负压气体保护箱11的底部两端与所述石膏铸型14固定连接，其连接处采用密封硅胶圈5密封；所述负压气体保护箱11与所述密封盖板16固定连接，并通过锁紧机构4锁紧。
[0011]优选地，所述负压气体保护箱11内还设有弹簧12和调节螺柱10，所述石棉压板7通过所述弹簧12和调节螺柱10将所述石棉13和石膏铸型14紧固连接。
[0012]优选地，所述弹簧12和调节螺柱10设有4个，呈均匀分布。
[0013]优选地，在所述负压气体保护箱(11)内壁的中上部焊接有带孔的导向板(21)，所述弹簧(12)穿过所述导向板(21)。
[0014]优选地，所述升液管17与所述密封盖板16接触面均采用石棉进行密封。
[0015]优选地，所述第一保护气体管道3和第二保护气体管道8分别与第一保护气体注入装置和第二保护气体注入装置连接；或所述第一保护气体管道3和第二保护气体管道8与同一保护气体注入装置连接，该保护气体注入装置通过控制系统进行控制，所述控制系统在所述第一保护气体管道3设有第一控制阀，在所述第二保护气体管道8设有第二控制阀。
[0016]优选地，所述负压气体保护箱11与所述密封盖板16采用螺柱6连接。
[0017]优选地，所述第二保护气体管道8和负压管道9设在所述负压气体保护箱11的上部或侧壁。
[0018]优选地，所述保护气体为1-10%六氟化硫和90-99%氩气的混合气体。
[0019]另一方面，本发明还提供了一种利用上述所述的装置进行铸造的方法，该方法包括如下步骤:
[0020]步骤1、将镁合金放入熔化炉在730°C?820°C进行熔炼除渣，同时将石膏铸型在200°C?400°C进行加热；
[0021]步骤2、将经过熔炼除渣后的镁合金熔液放入坩埚中，并用密封盖板密封下罐，用石棉密封所述升液管与所述密封盖板的接触面，通过锁紧机构将所述密封盖板与所述下罐锁紧；
[0022]步骤3、把加热后的石膏铸型直接放在所述密封盖板上，浇口对准所述升液管的上端口部，并采用石棉对所述石膏铸型进行密封，然后将负压气体保护箱直接放在所述石膏铸型上，并与所述密封盖板固定连接；
[0023]步骤4、用1-10%六氟化硫和90-99%氩气的混合气体、气压为l_5KPa通过第一保护气体管道对下罐进行I?3分钟打压；
[0024]步骤5、通过位于所述负压气体保护箱的上部或侧壁的负压管道对所述负压气体保护箱进行抽真空，真空度达到-20?-30KPa ;然后立即将1-10%六氟化硫和90-99%氩气的混合气体通过第二保护气体管道注入负压气体保护箱，真空度达到-10?_20KPa ;调节调节螺柱，通过导向板使调节螺柱对准弹簧；
[0025]步骤6、通过加压装置采用10?80KPa的气压对所述镁合金熔液表面施压，使所述镁合金熔液沿着所述升液管由下而上进入型腔，实行低压浇注。
[0026](三)有益效果
[0027]本发明所提供的一种镁合金反重力铸造装置及方法具有如下优点:
[0028]一、通过负压管道对负压气体保护箱抽真空，然后通过第二保护气体通道注入保护气体，保护气体进入石膏铸型内，将型腔内的空气排出，防止了镁合金熔液与石膏铸型发生反应燃烧，避免了铸件表面氧化、夹渣和冷隔等缺陷，同时，保证了石膏型型腔处于负压状态，便于镁合金液充型，利于复杂薄壁件成形，提高铸件的表面质量及内部组织结构。负压气体保护箱结构独立，简便，便于操作，可以实现薄壁复杂镁合金件大批量生产，又便于对单件大型薄壁镁合金件进行试制或小批量生产。
[0029]二、通过第一保护气体管道向下罐注入保护气体，防止镁合金熔液燃烧，通过加压装置对下罐施加外力，以使镁合金熔液克服自身重力、粘滞力和型腔内的压力，使镁合金熔液沿着升液管由下向上运动，实现反重力浇注，保证镁合金熔液以平稳速度在型腔内流动，既能防止铸件产生冷隔现象，又能防止铸件形成氧化夹渣缺陷，从而有利于薄壁件的形成。
[0030]因此采用本发明的铸造装置，生产镁合金铸件安全性高，适应生产大型、复杂和薄壁镁合金铸件，铸件表面无氧化、夹渣、冷隔缺陷，内部组织致密，性能良好，满足生产要求；该装置制造简单，易于推广，适合镁合金规模化生产，生产效率高。
【专利附图】
【附图说明】
[0031]图1为本发明的一种镁合金反重力铸造装置的结构图；
[0032]图2为本发明负压气体保护箱结构及安装图；
[0033]图3为镁合金铸件部分被氧化的效果图。
【具体实施方式】
[0034]下面结合说明书附图及其实施例，对本发明的【具体实施方式】作进一步详细描述。以下实施例仅用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0035]实施例一:
[0036]如图1所示，本实施例记载了一种镁合金反重力铸造装置，该装置包括:下罐19内置有熔化炉2和坩埚18，下罐19的上部采用密封盖板16与外部隔离。为了避免镁合金熔液与氧发生燃烧，在熔化炉2和密封盖板16之间，下罐19与第一保护气体管道3连接。这样通过第一保护气体管道3注入的1-10%六氟化硫和90-99%氩气的混合气体，比重较大的六氟化硫就可以浮在镁合金熔液上面，与镁合金熔液发生反应，在镁合金熔液表面生成不同防护作用的表面膜，该表面膜致密度大，既能够将镁合金熔液与空气隔离，阻止反应继续进行，也能够阻止镁合金熔液的蒸发。在下罐19的中下部与加压装置I连接，可以保证在施压过程中，既能避免将镁合金熔液表面的保护气体吹开，防止镁合金熔液进一步燃烧的可能。在坩埚18内置有升液管17，升液管17的下端与坩埚18底部有一定距离，升液管17内部与镁合金熔液表面构成连通。当通过加压装置I向下罐19施压时，施加的外力克服镁合金熔液自身重力、粘滞力和型腔15内的压力，使镁合金熔液沿着升液管17由下向上运动，实现了反重力浇注。反重力浇注过程是一个可控制的工艺过程，可根据铸件的壁厚、高度、重量以及复杂度，调整施加的外力，为镁合金熔液提供稳定的升液压力、充型压力、结壳增压压力和结晶增压压力，以克服型腔15内因铸件的结构复杂而产生较大的阻力，保证镁合金熔液以平稳速度在型腔15内流动，既能防止铸件产生冷隔现象，又能防止铸件形成氧化夹渣缺陷，从而有利于薄壁件的形成。升液管17上端口部穿过密封盖板16，与石膏铸型14的浇口对准。石膏铸型14直接放在密封盖板16上，石膏铸型14的上面采用石棉13进行密封，石棉13上面盖有石棉压板7。
[0037]负压气体保护箱11的顶部或侧壁与第二保护气体管道8和负压管道9连接。负压气体保护箱11直接放在石膏铸型14上，负压气体保护箱11的底部两端与石膏铸型14通过沉头螺钉固定，其连接处采用密封硅胶圈5密封，减少了重量，便于拆卸，降低了成本。负压气体保护箱11通过螺柱与密封盖板16固定连接，并通过锁紧机构4锁紧，可提高装置的稳定性和密封性。
[0038]通过负压管道9，将负压气体保护箱11抽成真空，石膏铸型14内部的气体通过石棉13和石棉压板7被抽走，关闭负压管道9 ;然后通过第二保护气体管道8向负压气体保护箱11注入保护气体，使负压气体保护箱11内部的气压上升，但仍处于负压状态保。在负压状态下，保护气体通过石棉压板7和石棉13进入到型腔15内，将石膏铸型14与镁合金熔液隔离，防止镁合金与石膏铸型14发生反应，防止铸件表面被氧化，从而提高铸件的质量。
[0039]为了保证保护气体能顺利进入通过石棉13充入石膏铸型14内部，将型腔15内的空气排出，防止铸件部分氧化，如图3所示，因此在负压气体保护箱11内还设有弹簧12和调节螺柱10，石棉压板7通过弹簧12和调节螺柱10将石棉13和石膏铸型14紧固连接，如图2所示。通过调节螺柱10和弹簧12，调节石棉压板7对石膏铸型14压的松紧度，达到调节石膏铸型14的透气性目的。
[0040]为了保证保护气体均匀渗透型腔15内，保证型腔15的气体稳定，使镁合金熔液在型腔15内的流动稳定,从而有利于控制镁合金熔液在浇注过程中的升液压力和升液速度等工艺参数，提高铸件的表面质量。本方法可设I或多个弹簧12和调节螺柱10，优选4个，且呈均匀分布。
[0041]在调节调节螺柱10时，为了保证调节螺柱10对准弹簧12，使石棉压板7均匀受力，因而在负压气体保护箱11内壁的中上部焊接有带孔的导向板21，所述弹簧12穿过所述导向板21。
[0042]上述实施例中，升液管17与密封盖板16接触的上下面均采用石棉进行密封，防止外面的空气进入，使镁合金熔液发生燃烧。
[0043]上述实施例中，第一保护气体管道3和第二保护气体管道8分别与第一保护气体注入装置和第二保护气体注入装置连接；也可与同一保护气体注入装置连接，该保护气体注入装置通过控制系统进行控制，控制系统在第一保护气体管道3设有第一控制阀，在第二保护气体管道8设有第二控制阀。当向下罐19内注入保护气体，关闭第二控制阀，打开第一控制阀；反之，当向负压气体保护箱11内注入保护气体，关闭第一控制阀，打开第二控制阀。
[0044]实施例二:
[0045]本实施例记载了一种利用上述实施例所述的装置进行铸造的方法，该方法包括如下步骤:
[0046]步骤1、将镁合金放入熔化炉在730°C?820°C进行熔炼除渣，同时将石膏铸型在200°C?400°C进行加热。；
[0047]步骤2、将经过熔炼除渣后的镁合金熔液放入坩埚中，并用密封盖板密封下罐，用石棉密封所述升液管与所述密封盖板的接触面，通过锁紧机构将所述密封盖板与所述下罐锁紧。
[0048]步骤3、把加热后的石膏铸型直接放在所述密封盖板上，浇口对准所述升液管的上端口部，并采用石棉对所述石膏铸型进行密封，然后将负压气体保护箱直接放在所述石膏铸型上，并与所述密封盖板固定连接。
[0049]步骤4、用1-10%六氟化硫和90-99%氩气的混合气体、气压为l_5KPa通过第一保护气体管道对下罐进行I?3分钟打压。
[0050]步骤5、通过位于所述负压气体保护箱的上部或侧壁的负压管道对所述负压气体保护箱进行抽真空，真空度达到-20?-30KPa ;然后立即将1-10%六氟化硫和90-99%氩气的混合气体通过第二保护气体管道注入负压气体保护箱，真空度达到-10?_20KPa ;调节调节螺柱，通过导向板使调节螺柱对准弹簧；
[0051]步骤6、通过加压装置采用10?80KPa的气压对所述镁合金熔液表面施压，使所述镁合金熔液沿着所述升液管由下而上进入型腔，实行低压浇注。
[0052]下面详细介绍一种石膏型镁合金复杂薄壁件，平均壁厚1.5mm的制备:
[0053]1、原料选择:镁合金为ZM3，石膏型成分配比(质量分数)为:15%?20%的石英粉、6%?8%的滑石粉、60%?85%的α半水石膏、18%?25%的MgS04，外加水及其他材料，混合气体配比为5%六氟化硫和95%氩气的混合气体。
[0054]2、按步骤I的比例称取原料后,将镁合金熔炼，除洛后待烧注，合金熔体温度为790。。。
[0055]3、对石膏型预热到400°C，进行合箱盖上负压气体保护箱。
[0056]4、用5%六氟化硫和95%氩气的混合气体、气压为5KPa对下罐19进行2分钟打压。
[0057]5、对负压气体保护箱11抽真空，真空度为_30KPa，然后打入5%六氟化硫和95%氩气的混合气体，使负压气体保护箱11真空度达到-20KPa，然后按照步骤6工艺参数进行压力浇注。
[0058]6、浇注工艺参数为:升液速度30m/s、升液压力5KPa、充型速度30m/s、充型压力30KPa、结壳时间5s、结壳增压压力5KPa、结晶时间150s、结晶增压压力5KPa、阻力系数1.0。
[0059]按照上述所述的工艺步骤生产的一模12件石膏型镁合金试验棒，拉伸性能为190Mpa，延伸率为2%。
[0060]下面再详细介绍一种石膏铸型镁合金复杂薄壁件，平均壁厚2.4mm的制备，该石膏铸型镁合金的复杂程度较高，外部有加强筋，内部有凸台，无加工余量，具体制备如下:
[0061]1、原料选择:镁合金为ZM5，石膏型成分配比(质量分数)为:15%?20%的石英粉、6%?8%的滑石粉、60%?85%的α半水石膏、18%?25%的MgS04，外加水及其他材料，混合气体配比为5%六氟化硫和95%氩气的混合气体。
[0062]2、按步骤I的比例称取原料后，将镁合金熔炼，除渣后待浇注，合金熔体温度为820。。。
[0063]3、对石膏型预热到380°C，进行合箱盖上罐。
[0064]4、用5%六氟化硫和95%氩气的混合气体、气压为3KPa对下罐19进行3分钟打压。[0065]5、对负压气体保护箱11抽真空，真空度为_20KPa，然后打入5%六氟化硫和95%氩气的混合气体，使负压气体保护箱11真空度达到-lOKPa，然后按照步骤6工艺参数进行压力浇注。
[0066]6、浇注工艺参数为:升液速度45m/s、升液压力8KPa、充型速度50m/s、充型压力40KPa、结壳时间5s、结壳增压压力8KPa、结晶时间250s、结晶增压压力5KPa、阻力系数1.5。
[0067]按照上述所述的工艺步骤生产的一模一件石膏型薄壁铸件，铸件平均壁厚2.4mm,最大直径480mm,高600mm,表面光洁度为3.6。
[0068]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种镁合金反重力铸造装置，其特征在于，该装置包括: 下罐(19)内置有熔化炉(2)和坩埚(18)，所述下罐(19)的上部采用密封盖板(16)与外部隔离；在所述熔化炉(2)和所述密封盖板(16)之间，所述下罐(19)与第一保护气体管道(3)连接；所述下罐(19)的中下部与加压装置(I)连接；所述坩埚(18)内置有升液管(17)，所述升液管(17)的下端与所述坩埚(18)底部有一定距离，所述升液管(17)与镁合金熔液表面构成连通；所述升液管(17)上端口部穿过所述密封盖板(16)，与直接放在所述密封盖板(16)上的石膏铸型(14)的浇口对准；所述石膏铸型(14)内带有型腔(15)，其上面采用石棉(13)进行密封，所述石棉(13)上面盖有石棉压板(7)； 负压气体保护箱(11)与第二保护气体管道(8)和负压管道(9)连接；所述负压气体保护箱(11)直接放在所述石膏铸型(14)上，所述负压气体保护箱(11)的底部两端与所述石膏铸型(14)固定连接，其连接处采用密封硅胶圈(5)密封；所述负压气体保护箱(11)与所述密封盖板(16 )固定连接，并通过锁紧机构(4 )锁紧。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述负压气体保护箱(11)内还设有弹簧(12)和调节螺柱(10)，所述石棉压板(7)通过所述弹簧(12)和调节螺柱(10)将所述石棉(13)和石膏铸型(14)紧固连接。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述弹簧(12)和调节螺柱(10)设有4个，呈均匀分布。
4.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于，在所述负压气体保护箱(11)内壁的中上部焊接有带孔的导向板(21)，所述弹簧(12)穿过所述导向板(21)。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述升液管(17)与所述密封盖板(16)接触面均采用石棉进行密封。
6.根据权利要求1~5任一项所述的装置，其特征在于，所述第一保护气体管道(3)和第二保护气体管道(8)分别与第一保护气体注入装置和第二保护气体注入装置连接；或所述第一保护气体管道(3)和第二保护气体管道(8)与同一保护气体注入装置连接，该保护气体注入装置通过控制系统进行控制，所述控制系统在所述第一保护气体管道(3)设有第一控制阀，在所述第二保护气体管道(8 )设有第二控制阀。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述负压气体保护箱(11)与所述密封盖板(16)采用螺柱(6)连接。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二保护气体管道(8)和负压管道(9)设在所述负压气体保护箱(11)的上部或侧壁。
9.根据权利要求1~8任一项所述的装置，其特征在于，所述保护气体为1-10%六氟化硫和90-99%氩气的混合气体。
10.一种利用权利要求1-9任一项所述的装置进行铸造的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤: 步骤1、将镁合金放入熔化炉在730°C~820°C进行熔炼除渣，同时将石膏铸型在200°C~400° C进行加热； 步骤2、将经过熔炼除渣后的镁合金熔液放入坩埚中，并用密封盖板密封下罐，用石棉密封所述升液管与所述密封盖板的接触面，通过锁紧机构将所述密封盖板与所述下罐锁紧；步骤3、把加热后的石膏铸型直接放在所述密封盖板上，浇口对准所述升液管的上端口部，并采用石棉对所述石膏铸型进行密封，然后将负压气体保护箱直接放在所述石膏铸型上，并与所述密封盖板固定连接； 步骤4、用1-10%六氟化硫和90-99%氩气的混合气体、气压为l_5KPa通过第一保护气体管道对下罐进行I~3分钟打压； 步骤5、通过位于所述负压气体保护箱的上部或侧壁的负压管道对所述负压气体保护箱进行抽真空，真空度达到-20~-30KPa ;然后立即将1-10%六氟化硫和90-99%氩气的混合气体通过第二保护气体管道注入负压气体保护箱，真空度达到-10~-20KPa ;调节调节螺柱，通过导向板使调节螺柱对准弹簧； 步骤6、通过加压装置采用10~SOKPa的气压对所述镁合金熔液表面施压，使所述镁合金熔液沿 着所述升液管由下而上进入型腔，实行低压浇注。
【文档编号】B22D18/04GK103624237SQ201310692356
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年12月16日 优先权日:2013年12月16日
【发明者】历长云, 王狂飞, 许广涛, 张锦志, 周志杰, 米国发, 刘宝忠, 王有超 申请人:河南理工大学