一種塊狀非晶態合金高真空壓鑄成形設備和工藝的制作方法

本發明屬于非晶態合金材料成形加工技術領域，具體涉及一種塊狀非晶態合金高真空壓鑄成形設備和工藝。

背景技術：

近年來，隨著非晶態合金研究的不斷深入，形成了眾多的研究成果，例如，開發出一系列具有優異非晶形成能力的合金體系；在非晶合金的形成、熔體結構、變形機理等方面進行了廣泛的研究。因此，非晶態合金的應用也受到了越來越多的關注，其中，非晶態合金的成形加工技術對于非晶材料的應用起著決定性的影響，研究所、大學和商業公司等都在這方面做了很多的工作，開發出不同的非晶態合金成形技術，主要分為兩類，一類是液態成形技術，另一類是過冷液態區成形技術。其中第一類受到了更為廣泛的關注。基于此，美國的專利US6021840、US6070643和中國專利CN102527982A報道了非晶合金工件的壓鑄設備，這些技術中，合金的抽真空通道和熔煉線圈相對分離，如果需要增大抽真空開口，腔體的尺寸必然增加，使得獲取高真空的時間加長，降低生產效率。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種塊狀非晶態合金高真空壓鑄成形設備和工藝，采用該鑄造成型設備進行非晶合金零部件和產品的制備，能夠有效提高非晶合金零部件和產品的成型效率。

為實現上述目的，本發明的技術方案是：

一種塊狀非晶態合金高真空壓鑄成形設備，該設備包括高真空壓室、高真空感應加熱系統、高真空模具系統和真空系統；其中：

高真空壓室：包括料筒、壓射機構和壓射桿，所述壓射桿能夠帶動壓射頭沿著料筒內壁方向運動，通過所述壓射機構控制壓射桿的運動方向和速度，所述壓射桿與料筒之間通過密封圈進行密封；

高真空感應加熱系統：用于合金的熔煉和澆注，包括熔煉腔室和加熱器；所述熔煉腔室的底部開設澆口，澆口與料筒相連通并通過密封圈(或者波紋管)進行密封連接；所述熔煉腔室內部設有熔煉坩堝，所述加熱器用于對熔煉坩堝內合金的熔化，所述熔煉腔室的頂部連接給料機構；

高真空模具系統：包括定模、密封圈、動模、模腔、定模抽真空通道、模具澆道和合模開模機構；合模開模機構用于控制動模和定模的開合，動模和定模閉合后，其內形成模腔，模腔通過模具澆道與料筒實現連通，所述料筒的末端密封于定模上；模腔與定模內開設的定模抽真空通道相連通，所述定模抽真空通道通過管道與真空管路相連；動模和定模之間通過密封圈實現密封；

真空系統：所述真空系統用于對熔煉腔室和模腔進行抽真空處理，通過真空管路接入熔煉腔室；所述真空系統的真空管路上還通過充氣管道連接氣瓶，充氣管道上設置充氣閥，使得所述鑄造成型設備能夠根據實際需求在真空或者惰性氣氛保護下進行工作。

該設備還設有同軸電極桿，同軸電極桿與加熱器相連接，通過電機驅動固定于同軸電極桿上的旋轉盤，使得加熱器帶動熔煉坩堝能夠旋轉到澆注所需角度，使熔煉坩堝內的合金熔體經由澆口進入料筒中。

所述加熱器采用感應線圈或電阻絲套裝于熔煉坩堝外側對其進行加熱，所述熔煉坩堝為石英、三氧化二鋁、氧化鈣或者氮化硼材質。

所述熔煉腔室上還設有用于測量熔煉坩堝中合金液溫度的紅外測溫儀和監控合金熔化狀態的攝像頭。

所述設備還設有控制面板，用于對動模和定模的開合控制，以及對加熱器的溫度控制和壓射桿的運動控制。

利用所述設備進行塊狀非晶態合金高真空壓鑄成形的工藝，包括以下步驟：

(1)定模和動模之間依靠密封圈形成密封連接，定模抽真空通道通過管道與真空管路相連接，獲得密閉的模腔；

(2)將所需質量的合金料經過給料機構送入到熔煉坩堝中；

(3)當成形設備實現密封后，通過真空系統抽取真空，使得模腔、料筒和熔煉腔室內都獲得所需真空度；當需要在真空條件下進行工作時，直接進行步驟(4)，當需要在惰性氣氛保護下進行工作時，打開充氣閥，進行充氣，充入所需壓力的保護氣氛；

(4)通過加熱器將熔煉坩堝內的合金料熔化，利用電機帶動旋轉盤、同軸電極桿、熔煉坩堝和加熱器一起翻轉，將熔煉坩堝內的合金熔體通過澆口倒入料筒內，隨后壓射桿以設定速度和加載力通過壓射頭將合金熔體擠入模腔中；

(5)合金熔體在模腔中充型完畢冷卻后，通過管道和真空管路充入與外界壓力平衡的氣體，打開模腔，整個工件的鑄造成型流程完畢；

(6)重新開始下一個流程。

該工藝中，在真空下進行工作的時候，真空度為10^-3Pa-10^-2Pa。

該工藝中，在惰性氣氛保護下工作的時候，保護氣體壓力為100Pa。

該工藝用于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構件的壓鑄成形加工，也適用于Al合金、Mg合金、Zn合金、Cu合金或Ti合金的晶態壓鑄材料及其構件的壓鑄成形加工。

本發明原理如下：

本發明主要用于非晶合金零部件和產品的制備制備，可以實現在真空和惰性氣氛保護下進行非晶合金構件鑄造成型。本發明將熔煉電極、熔煉腔室和真空系統進行有效的改進和結合，使得設備的結構大大簡化，加熱系統采用同軸電極進行合金的加熱熔化，一方面有效提高加熱效率，另外一方面與抽真空通道有機結合，簡化了腔體結構，獲得了高的抽真空效率，獲得高的真空度，提高生產效率，降低生產成本。

本發明具有以下優點：

1、本發明中采用同軸電極進行合金的加熱熔化，提高加熱效率。

2、簡化了腔體結構，提高了真空的抽取速率。

3、降低生產能耗，提高生產效率，從而降低生產成本。

4、該設備結構簡單，制造和維護成本很低，能夠實現連續自動化生產。

附圖說明

圖1為本發明鑄造成型設備結構示意圖。

圖2為同軸電極結構俯視示意圖。

其中：1-壓鑄機、2-壓射頭、3-壓射桿、4-壓射機構、5-真空機組、6-真空管路、7-給料機構、8-紅外測溫儀、9-攝像頭、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-動模、17-合模開模機構、18-模具澆道、19-料筒、20-加熱器、21-熔煉坩堝、22-澆口、23-熔煉腔室24-充氣管道、25-充氣閥、26-氣瓶、27-截止閥、28-感應電源、29-同軸電極桿、30-旋轉盤、31-電機。

具體實施方式

以下結合附圖對本發明進行詳細描述，但是應當理解本發明的保護范圍并不受具體實施方式的限制。

如圖1-2所示，本發明鑄造成型設備包括高真空壓室、高真空感應加熱系統、高真空模具系統和真空系統，其中：

高真空壓室：包括料筒19、壓射機構4和壓射桿3；所述料筒19的上部開口用于合金熔體的進入，料筒的一端與壓射桿3密封連接，料筒的另一端伸入模具中并與膜腔相連通。所述壓射桿3的頂端安裝壓射頭2，壓射桿3能夠帶動壓射頭2沿著料筒19內壁方向運動，壓射桿3與料筒19之間通過密封圈進行密封，使壓射桿在運動過程中能夠保證壓室的真空不泄露；通過所述壓射機構4控制壓射桿3的運動方向和速度。

高真空感應加熱系統：用于合金的熔煉和澆注，包括熔煉腔室23和加熱器20；所述熔煉腔室的底部開設澆口22，澆口22與料筒19相連通并通過密封圈(或者波紋管)進行密封連接；熔煉腔室23內部設有熔煉坩堝21，所述加熱器20用于對熔煉坩堝21內合金的熔化，熔煉腔室23的頂部連接送料機構7。坩堝內合金形成熔體后，通過坩堝的翻轉使合金熔體通過澆口澆注到料筒中，該過程通過同軸電極桿、旋轉盤和加熱器等實現；如圖2所示，同軸電極桿與加熱器20相連接，同軸電極桿29上固定旋轉盤30，通過電機31驅動固定于同軸電極桿29上的旋轉盤30旋轉一定角度，進一步使得加熱器20帶動熔煉坩堝21能夠旋轉到澆注所需角度，使熔煉坩堝21內的合金熔體經由澆口22進入料筒中。

所述加熱器20采用感應線圈或電阻絲并通過感應電源28對熔煉坩堝21進行加熱，所述熔煉坩堝21為石英、三氧化二鋁、氧化鈣或者氮化硼材質，所述加熱器20設于熔煉坩堝21外。所述熔煉腔室23上還設有用于測量熔煉坩堝21中合金液溫度的紅外測溫儀8和監控合金熔化狀態的攝像頭9。

高真空模具系統：包括定模11、密封圈15、動模16、模腔12、定模抽真空通道14、模具澆道18和合模開模機構17。合模開模機構17用于控制動模16和定模11的開合(通過控制動模的移動，實現動模和定模的開合)，動模16和定模11閉合后，其內形成模腔12，模腔12通過模具澆道18與料筒19實現連通(膜腔同時也和熔煉腔室相連通)，模腔12與定模抽真空通道14相連通，定模抽真空通道14通過管道13與真空管路6相連；動模16和定模11之間通過密封圈15實現密封。

真空系統：所述真空系統用于對熔煉腔室23和模腔12抽真空處理，通過真空管路6接入熔煉腔室23，真空管路6上設有截止閥27；所述真空系統的真空管路6上還通過充氣管道24連接氣瓶26，充氣管道24上設置充氣閥25，使得所述鑄造成型設備能夠根據實際需求在真空或者惰性氣氛保護下進行工作。所述真空系統包括真空機組5，真空機組5包括機械泵、擴散泵(或者分子泵等高真空裝置)等真空器械。該系統中真管路6分為兩路，一路連接模腔，一路連接熔煉腔室，與熔煉腔室相連的通道和同軸電極結構結合，簡化腔體結構，增大了真空通道口徑。腔室和料筒之間通過管道密封連接，實現對料筒進行抽真空。

所述鑄造成型設備還設有控制面板10，用于對動模16和定模11的開合控制、對加熱器20的溫度控制和壓射桿3的運動控制。

利用上述設備進行非晶合金構件鑄造成型工藝，包括以下步驟：

(1)定模11和動模16之間依靠密封圈15形成密封連接，定模抽真空通道14通過管道13與真空管路6相連接，獲得密閉的模腔12；

(2)將一定質量的合金料經過給料機構7送入到熔煉坩堝21；

(3)當模具實現密封后，通過真空機組5和真空管路6抽取真空，使得模腔12、料筒19和熔煉腔室23內都獲得所需真空度；當需要在真空條件下進行工作時，直接進行步驟(4)，當需要在惰性氣氛(氬氣、氮氣的一種或者混合氣體)保護下進行工作時，打開充氣閥25，進行充氣，充入所需壓力的保護氣氛；

(4)通過加熱器20將熔煉坩堝21內的合金料熔化，利用電機31帶動旋轉盤30和同軸電極桿29動作，使熔煉坩堝21和加熱器20一起翻轉，將熔煉坩堝21內的合金熔體通過澆口22倒入料筒19內，隨后壓射桿3以一定速度和加載力向左通過壓射頭2將合金熔體擠入模腔12中。

(5)合金熔體在模腔12中充型完畢冷卻后，通過管道13和真空管路6充入與外界壓力平衡的氣體，打開模腔，整個工件的鑄造成型流程完畢；

(6)重新開始下一個流程。

其中，步驟1)和步驟2)的順序可以調換。

上述鑄造成型工藝中，在真空下進行工作的時候，真空度為10^-2Pa。

上述鑄造成型工藝中，在惰性氣氛保護下工作的時候，保護氣體壓力介于100Pa左右。