铸造系统及铝基复合材料铸件的制备方法与流程

1.本发明涉及复合材料制备技术领域，具体涉及一种铸造系统及铝基复合材料铸件的制备方法。


背景技术：

2.颗粒增强铝基复合材料具有比强度、比刚度高、高耐磨性、高的减振性等许多优点。增强颗粒能在保持较低含量下明显提高基体的弹性模量、屈服强度、抗磨性及高温蠕变性，因而逐渐受到重视。相比较于液态金属铸造，铝基复合材料由于熔体其中含有增强相的存在，充型情况与半固态铸造相似，具有充型平稳，铸件内部组织致密，内部气孔、偏析等缺陷少，凝固收缩小，形成零件尺寸精度高等优点。但由于增强相的存在，复合材料熔体的流动性差，充型能力较弱，因此在其铸造过程中通常需要通过外部条件来帮助其完整充型。
3.为解决以上问题，现有的解决方案中，有些提出采用铸锻一体化方法，但是这种方法对具有薄壁的复杂结构件很难有改善效果；还有些提出采用超声震动和液压相结合来控制浆料的充型，但这种方法所需成本昂贵且不易实现；因此如何成功制备具有优异性能的铝基复合材料零件是目前的难题。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的在于提供一种铸造系统及铝基复合材料铸件的制备方法，该铸造系统通过设计温控系统，尤其设计保温机构，可以通过调整不同位置处保温层的厚度来调节模具不同部位的温度，达到对模具不同部位保温效果的控制，获得想要的温度梯度，从而精确调控熔体成型时的凝固温度，可以得到充型完整、致密性高、性能优异的铸件，以解决现有技术中铝基复合材料在充型过程中由于流动性较差而导致成形不完整的技术问题。
5.为了实现上述目的，根据本发明的第一方面，提供了一种铸造系统。
6.该铸造系统包括：
7.模具，包括相互配合的上模和下模，所述上模和下模闭合后形成铸造的型腔；
8.浇道系统，包括浇口、与所述浇口连通的直流道，以及与所述直流道连通的横流道；所述横流道连通所述型腔；
9.多个冒口，所述多个冒口设置在所述上模上且分别与所述型腔连通；
10.温控系统，包括加热机构、保温机构和冷却机构，所述加热机构至少设置在所述浇口、直流道和所述多个冒口中的一个外部；所述保温机构至少设置在所述上模以及形成浇口、冒口、竖直道和横流道的侧壁中的一个上，并且所述保温机构为设置在其上的至少一层保温层；所述冷却机构连接所述下模，用于底部熔体的快速冷却。
11.进一步的，所述上模以及形成所述浇口、冒口、竖直道和横流道的侧壁均为多层结构；
12.所述多层结构由下到上依次为底部第一金属层、保温层和顶部第二金属层；
13.所述保温层的保温材料为保温棉或陶瓷材料。
14.进一步的，所述加热机构包括多个第一加热器和第二加热器，所述多个第一加热器分别设置在所述浇口和直流道的外部，所述多个第二加热器分别设置在所述多个冒口的外部。
15.进一步的，所述冷却机构包括泵体、控制阀和输送管道，所述下模内部设有冷却腔，所述泵体通过所述控制阀连通所述冷却腔的入口，所述冷却腔的出口通过所述输送管道连通所述泵体的吸入口。
16.进一步的，还包括：
17.加压机构，所述加压机构位于所述浇口和冒口上方，并与所述浇口和冒口配合，用于对熔体进行加压并保温；
18.升降机构，所述升降机构连接所述加压机构，用于驱动所述加压机构的上下往复运动。
19.进一步的，所述升降机构包括驱动电机、丝杆、螺母和横梁，所述丝杆的下端与所述驱动电机的输出轴端传动连接，所述螺母与所述丝杆螺纹连接配合，所述横梁连接所述螺母。
20.进一步的，所述加压机构包括浇口压头和多个冒口压头，所述浇口压头和冒口压头分别通过紧固件固定在所述横梁上，并且所述浇口压头与所述浇口配合，所述冒口压头与所述冒口配合；所述浇口压头和冒口压头与所述横梁的连接处分别设有弹性件。
21.进一步的，所述浇口压头和冒口压头内分别设有第三加热器。
22.为了实现上述目的，根据本发明的第二方面，提供了一种铝基复合材料铸件的制备方法。
23.该铝基复合材料铸件的制备方法包括以下步骤：
24.(1)提供铝基复合材料熔体，所述铝基复合材料熔体中增强颗粒的体积分数为20～40％；
25.(2)铸造准备，包括模具准备以及温控系统的设置；
26.(3)将所述铝基复合材料熔体通过浇口进行浇注；
27.(4)当所述铝基复合材料熔体开始从冒口流出时，停止浇注；
28.(5)可选的利用加压机构对所述浇口和冒口处熔体进行加压并保温；其中，加压压力为0.5～0.8mpa，时间为5～10min；
29.(6)冷却得到铝基复合材料铸件。
30.进一步的，步骤(2)中，所述温控系统的设置包括利用加热机构将所述模具的温度升温为300～500℃。
31.本发明通过保温机构以及冷却机构的配合设置，通过设计不同位置处保温层的厚度不同，从而调节不同位置的冷却速度，实现复合材料熔体的顺序凝固，形成温度梯度，能够得到具有梯度组织的复合材料铸件，也即工作面组织细小，逐渐组织粗大，具有梯度性能的构件。如制备得到的铝基复合材料制动盘耐磨性好、成形好、外观漂亮，且散热好。
32.本发明通过在浇、冒口处设置加热机构，能够避免熔体在浇注充型时，在浇、冒口发生堵塞；同时还可增强补缩效果。
33.本发明设置加压机构，浇注完成后，通过加压压头下行对浇、冒口内熔体进行保温并加压，改善铸造最后阶段的补缩效果。
34.本发明通过升降机构，使得加压压头的高度可调整，从而实现精确调整加压力，增强补缩效果。
35.本发明中的铸造系统适用于多种梯度材料及复合材料的制备，例如镁基复合材料、铜基复合材料、铁基复合材料、锌基复合材料、镍基复合材料、钴基复合材料、钛基复合材料等复合材料的制备。
附图说明
36.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
37.图1为本发明实施例中铸造系统的结构示意图；
38.图2为本发明实施例中浇口压头与横梁的连接剖视图。
39.图中：
40.1、上模；2、下模；3、横流道；4、浇口；5、冒口；6、保温层；7、第一加热器；8、第二加热器；9、浇口压头；10、冒口压头；11、驱动电机；12、丝杆；13、横梁；14、紧固件；15、弹性件；16、第三加热器；17、泵体；18、控制阀；19、输送管道；20、型腔。
具体实施方式
41.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
42.本发明公开了一种用于制备复合材料铸件的铸造系统，如图1所示，该铸造系统主要由模具、浇道系统和温控系统组成，其中：
43.模具主要由上模1和下模2组成，并且上模1和下模2相互配合，上模1和下模2闭合后形成铸造的型腔20；进一步地，上模1上设有多个冒口5，多个冒口5分别连通型腔20；在本发明的实施例中，冒口5通过流道连通型腔20，如图1所示；
44.浇道系统主要由浇口4、直流道和横流道组成，直流道的上端连通浇口4，直流道的下端连通横流道3的一端，横流道3的另一端连通型腔20；在浇口4浇入提前熔炼好的熔体，熔体经过直流道以及横流道3流入型腔20并开始充型，而当熔体开始涌入冒口5时停止浇铸；
45.温控系统主要由加热机构、保温机构和冷却机构组成，加热机构可以设置在浇口4、直流道和多个冒口5中的一个或多个外部，启动加热机构可以对模具进行加热，从而能够对顶部熔体进行加热；保温机构可以设置在上模1以及形成浇口4、冒口5、竖直道和横流道3的侧壁中的一个或多个上，并且保温机构为设置在上述位置处的至少一层保温层6，可以理解为当上模1上设有保温机构时，保温机构为设置在上模1上的至少一层保温层6，保温层6的设置主要用于对中部熔体进行保温，减少熔体中热量向外扩散；冷却机构连接下模2，用于底部熔体的快速冷却。
46.在上述实施例中，通过加热机构、保温机构以及冷却机构的设置，使得整个铸造系
统右下至上形成温度梯度，从而使得熔体由下至上的冷却速度逐渐减慢，最终可以得到具有梯度组织的复合材料铸件。而且，还可以通过调节不同位置处保温层6的厚度大小，来控制熔体充型时的温度场梯度，比如保温层6的厚度右下至上逐渐增大。
47.进一步地，冷却机构的设置使得底部熔体迅速冷却，获得晶粒细小的组织。
48.作为本发明的另一种实施例，上模1以及形成浇口4、冒口5、竖直道和横流道3的侧壁上均设有保温机构，保温机构的具体设置方式为：上模1以及形成浇口4、冒口5、竖直道和横流道3的侧壁均为多层结构，并且多层结构由下到上依次为底部第一金属层、保温层6和顶部第二金属层，也即将保温层6设置在中间，可以通过调节保温层6的厚度大小控制熔体充型时的温度场梯度。
49.作为本发明的另一种实施例，保温层6的保温材料可以为保温棉或陶瓷材料。
50.作为本发明的另一种实施例，加热机构包括多个第一加热器7和第二加热器8，如图1所示，多个第一加热器7分别设置在浇口4和直流道的外部，多个第二加热器8分别设置在多个冒口5的外部。第一加热器7以及第二加热器8的设置用于对模具进行加热，以充型熔体的温度，可以避免熔体在浇口4以及冒口5处发生堵塞。
51.在本发明的实施例中，第一加热器7和第二加热器8可以为加热线圈，当然也可以为其它能够实现加热线圈目的的加热结构。
52.作为本发明的另一种实施例，该铸造系统还包括冷却机构，冷却机构连接下模2，冷却机构主要用于底部熔体的快速冷却；具体地，如图1所示，
53.冷却机构包括泵体17、控制阀18和输送管道19，下模2内部设有冷却腔，泵体17通过控制阀18连通冷却腔的入口，冷却腔的出口通过输送管道19连通泵体17的吸入口，冷却腔内盛放有冷却液，并通过泵体17以及输送管道19的设置实现冷却液的循环流通，在本发明中通过循环的冷却液，可以为冷却水，加速熔体的凝固，在底部获得晶粒细小的组织。
54.作为本发明的另一种实施例，该铸造系统还包括加压机构和升降机构，其中：
55.加压机构位于浇口4和冒口5上方，并且加压机构分别与浇口4和冒口5配合，用于对熔体进行保温并加压；
56.升降机构连接加压机构，主要用于驱动加压机构的上下往复运动，从而实现加压机构对熔体进行适当加压，帮助补缩，减少成型铸件中的缺陷。
57.作为本发明的另一种实施例，升降机构主要由驱动电机11、丝杆12、螺母和横梁13组成，如图1所示，丝杆12的下端与驱动电机11的输出轴端传动连接，螺母与丝杆12螺纹连接配合，横梁13连接螺母。因此，驱动电机11转动，从而驱动丝杆12转动，横梁13在螺母的带动下沿着丝杆12进行上升或下降运动，也即通过丝杆12控制浇口压头9和冒口压头10的上升或下降。
58.作为本发明的另一种实施例，加压机构主要由浇口压头9和多个冒口压头10组成，结合图1和图2所示，浇口压头9和冒口压头10分别通过紧固件14固定在横梁13上，并且浇口压头9与浇口4配合，浇口压头9用于对浇口4处的熔体进行保温加压，对熔体进行适当加压可以帮助补缩，减少成型铸件中的缺陷，冒口压头10与冒口5配合，冒口压头10用于对浇口4处的熔体进行保温加压，对熔体进行适当加压可以帮助补缩，减少成型铸件中的缺陷；浇口压头9和冒口压头10与横梁13的连接处分别设有弹性件15，弹性件15的设置起到一定的缓冲减震的作用。
59.在本发明的实施例中，紧固件14可以为螺栓，简单实用。当然也可以根据需要将其替换为能够起到相同作用的紧固结构。
60.在本发明的实施例中，弹性件15为弹簧。
61.作为本发明的另一种实施例，浇口压头9和冒口压头10内分别设有第三加热器16，如图2所示，第三加热器16的设置可以保持充型熔体的温度，以及实现对熔体的加温加压。
62.在本发明的实施例中，第三加热器16可以为加热电阻棒，当然也可以为其它能够实现加热电阻棒目的的加热结构。
63.本发明还公开了一种铝基复合材料铸件的制备方法，该制备方法是基于上述的用于制备复合材料铸件的铸造系统，以下将通过具体实施例来具体说明该铝基复合材料的制备方法。
64.实施例1：
65.制备20％sic/ahs
‑
2复合材料铸件，中间层为3cm保温棉。
66.首先，打开浇口和冒口处的加热器，将模具升温至400℃，以对熔体进行加热，同时避免充型时熔体在浇口处发生堵塞；
67.升温结束后，打开下模的冷却水系统，并将熔炼好的700℃的复合材料熔体浇入到型腔中，当熔体开始从冒口流出时停止浇铸；
68.开动电机，将浇口压头和冒口压头分别置入浇口和冒口处，并设置压力为0.8mpa，保持压力5min促进补缩；
69.打开上模和下模，得到20％sic/ahs
‑
2复合材料铸件。
70.实施例2：
71.制备40％sic/ahs
‑
2复合材料铸件，中间层为2cm保温棉。
72.首先，打开浇口和冒口处的加热器，将模具升温至500℃，以免充型时在浇口处发生堵塞；
73.升温结束后，打开下模的冷却水系统，并将熔炼好的700℃的复合材料熔体浇入到型腔中，当熔体开始从冒口流出时停止浇铸；
74.开动电机，将浇口压头和冒口压头分别置入浇口和冒口处，并设置压力为0.5mpa，保持压力10min促进补缩；
75.打开上模和下模，得到40％sic/ahs
‑
2复合材料铸件。
76.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书中的术语“包括”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列部件不必限于清楚地列出的那些部件，而是可包括没有清楚地列出的或对于部件固有的其它部件。
77.在本发明中，术语“上”、“下”、“底”、“顶”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或者组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
78.并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或者位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或者连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。
79.另外，本发明中涉及的“第一”、“第二”等的描述，该“第一”、“第二”等的描述仅用
于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
80.另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
81.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。