超聲波壓縮成型鑄造法及其專用設備的製作方法

2023-10-31 03:10:52 1

專利名稱：超聲波壓縮成型鑄造法及其專用設備的製作方法
技術領域：
本發明屬於金屬材料加工成型生產領域，特別涉及一種超聲波壓縮 成型鑄造法及其專用設備。
技術背景擠壓鑄造是將定量的液態金屬澆入到鑄型型腔內，並施加較高的機 械壓力，使其凝固和成形，從而獲得鑄件的一種工藝方法。擠壓鑄造的特點是l、可消除鑄件內部的氣 L、縮孔和疏鬆等缺陷，產生局部的塑 性變形，使鑄件組織緻密。且擠壓鑄造是在壓力下結晶，有明顯的細化 晶粒、加快凝固速度和使組織均勻化的作用。因而，其力學性能好，機械性能高於普通鑄件。2、由於液態金屬是在壓力下凝固和成形，所以，鑄件與型腔壁貼合緊密，擠壓鑄件具有較高的尺寸精度，且表面粗糙度小，加工餘量小。3、在凝固過程中，擠壓鑄件各部位處於壓應力狀態， 有利於鑄件的補縮和防止鑄造裂紋的產生。因而，擠壓鑄造工藝的適用 性較強，使用的合金不受鑄造性能好壞的限制。4、便於實現機械化、自 動化，且擠壓鑄造通常沒有澆冒口，毛坏精化，鑄件尺寸精度高，因而， 金屬材料的利用率高，有利於降低成本，提高生產效率。振動也是鑄造生產領域常用的一種方法，振動對鑄件組織與性能的 影響如下1、振動可使液態金屬與型腔壁直接接觸，從而改善其冷卻效 果。因為在液態金屬外表面有一層氧化膜，而振動可使氧化膜破壞，有 助於液態金屬直接浸潤型腔壁，並在其上進行結晶。2、振動可促使型腔壁上生成的晶體脫落，使正在成長的枝晶發生機械變形或動態破碎，使 枝晶重熔，從而在液態金屬中造成較強的溫度起伏和產生晶體數目的增殖，這些均有助於晶粒細化。3、振動可使液態金屬產生"動態形核"作 用，例如，凝固時體積收縮的金屬在縱波密布時的壓力作用下，熔點升 高，有效過冷度增加，從而促進晶核的形成。反之，對凝固時體積膨脹 的金屬，在疏布時負壓作用下也有類似的動態形核的作用。所以，在工 藝選配得當的條件下，振動結晶可減少鑄件組織的不均勻性，即擴大等 軸晶區，縮小或消除柱狀晶區，細化晶粒，從而提高鑄件的機械性能。為了進一步改善鑄件的內部組織，提高鑄件的機械性能，人們將壓 力與振動相結合，採用壓力與振動並用的方式處理鑄件。目前，現有技術中壓力與振動並用處理鑄件的方式主要有三種1、液態金屬在機械振動和壓力下結晶，振動頻率為80Hz 150Hz，振動由推料杆從下面輸入， 在衝頭加壓前，振動的效果很明顯，但擠壓以後，由於壓力機衝頭的高 壓力，使推料杆被壓得振不起來。因此，對鑄件在壓力下的結晶過程不 可能產生多大的影響。2、液態金屬在脈衝壓力下結晶，用液壓諧振振蕩 器與壓力機液壓系統相連，擠壓時形成脈衝壓力，並通過衝頭傳遞到液 態金屬上，起到壓力與振動並用的作用，振動對液態金屬的結晶過程有 一定的作用。3、液態金屬在圓形振動和壓力聯合作用下結晶，振動頻率 為50Hz，振幅為l 1.5mm，其鑄件易出現與離心鑄件相似的層狀低倍 組織，而且，對提高鑄件機械性能的效果也不大，這是由於圓形振動的 共振駐波周期性的影響液態金屬從型腔開始的連續結晶進程所致。上述 壓力與振動並用處理鑄件的方式存在的問題是由于振動縱波疏布時的 "空化效應"，會促使溶入液態金屬中的氣體加速析出成為氣泡。但是， 加壓前如果氣泡來不及浮出，則擠壓時將被留在鑄件中而形成分散的壓扁的氣孔缺陷，以致降低鑄件的機械性能。本發明要解決的技術問題是，克服上述現有技術中存在的振動除氣 效果不理想、鑄件中有氣孔缺陷的問題，把超聲波處理金屬熔體技術與 擠壓鑄造結合起來，提供一種具有強烈攪拌作用、能夠直接製備高品質 鑄件的超聲波壓縮成型鑄造法及其專用設備。本發明超聲波壓縮成型鑄造法是按下述步驟實現的1、 按照零件的成分要求進行配料，將配好的原料放入熔化爐或坩 堝中，使之熔化，並過熱10 15(TC;2、 對液態金屬熔體進行除氣處理，除氣時間為1 10分鐘；3、 將澆鑄凹模進行預熱，凹模預熱的溫度為200 100(TC;4、 將除氣後的液態金屬熔體快速澆入預熱後的凹模中；5、 對凹模中的液態金屬熔體施加高能超聲波，超聲頻率為 15 100KHz，超聲功率為100~3000W，對金屬熔體施加超聲波的時間為 卜30秒；6、 與此同時，對液態金屬熔體施加壓力，壓力為1X107~5X107牛 頓/米2 ，時間為5 40秒，或直到金屬熔體凝固，即得到具有均勻細小 的等軸晶組織的擠壓成型件。一種實施上述超聲波壓縮成型鑄造法的專用設備，它有一個工作 臺，在工作檯上有一個由上型和下型構成的澆鑄凹模，其特殊之處是， 在工作檯上有一個保溫爐，澆鑄凹模放置在保溫爐中，在澆鑄凹模的上 面有一個超聲波換能器，在超聲波換能器的下部裝有變幅杆，變幅杆的 下部裝有作為壓頭的超聲波傳振杆，通過超聲波傳振杆即可同時對液態 金屬熔體進行擠壓和施加超聲波作用。本發明的優點在於-1、 本發明將超聲波處理金屬熔體技術與擠壓鑄造結合在一起，在 對液態金屬熔體進行擠壓的同時施加超聲波振動，利用超聲波對液態金 屬熔體的強烈攪拌作用改變金屬的結晶組織，使金屬的結晶組織有了較 大改觀，清除了液態金屬熔體中的氣泡，從而獲得晶粒細小、不含氣孔、 組織緻密、沒有偏析的完全由緻密細化的等軸晶構成的高品質鑄件，為 有色金屬與合金的精密成型開闢出一種嶄新的材料成型方法和裝置，並 對研究外場的細化作用機制，以及超聲波場下金屬熔體的變化規律，發 展和完善材料成型製備技術都具有重要的科學意義。2、 將超聲波傳振杆設計成擠壓鑄造的擠壓頭，在超聲波傳振杆實 施擠壓的過程中，實現了超聲波對金屬熔體的處理，製造方法及生產設 備簡單，投入小，實現了高品質、低成本、多品種的生產精密成型件。


圖1是本發明的結構示意圖。
具體實施方式
實施例1:本發超聲波壓縮成型鑄造法的具體步驟是1、 按照零件的成分要求進行配料，以低熔點合金Al—1.0。/。Cu為 例，將配好的原料放入熔化用的坩堝中，使之熔化，並過熱8(TC;2、 對液態金屬熔體進行除氣處理，在液態金屬熔體中加入鋁合金 除氣精煉劑HGHJ-2，鋁合金除氣精煉劑HGHJ-2的加入量為液態金屬 熔體重量的0.3%,除氣時間為1分鐘；3、 將澆鑄凹模進行預熱，凹模預熱的溫度為70(TC;4、 將除氣後的液態金屬熔體快速澆入預熱後的凹模中；5、 對凹模中的液態金屬熔體施加高能超聲波，超聲頻率為20KHz，超聲功率為2000W，對金屬熔體施加超聲波的時間為1秒；6、與此同時，用超聲波傳振杆對液態金屬熔體施加壓力，壓力為1X107，時間為5秒，或直到金屬熔體凝固，即得到具有均勻細小的等軸晶組織的擠壓成型件。 實施例2:1、 按照零件的成分要求進行配料，以低熔點合金Al—18。/。Si為例， 將配好的原料放入熔化爐中，使之熔化，並過熱1(TC;2、 對液態金屬熔體進行除氣處理，在液態金屬熔體中加入鋁合金 除氣精煉劑HS-C，鋁合金除氣精煉劑HS-C的加入量為液態金屬熔體重 量的0.8%，除氣時間為5分鐘；3、 將澆鑄凹模進行預熱，凹模預熱的溫度為20(TC;4、 將除氣後的液態金屬熔體快速澆入預熱後的凹模中；5、 對凹模中的液態金屬熔體施加高能超聲波，超聲頻率為15KHz， 超聲功率為100W，對金屬熔體施加超聲波的時間為30秒；6、 與此同時，用超聲波傳振杆對液態金屬熔體施加壓力，壓力為3 X107，時間為40秒，或直到金屬熔體凝固，即得到具有均勻細小的等 軸晶組織的擠壓成型件。實施例3:1、 按照零件的成分要求進行配料，以錫青銅合金ZQSn5-5-5為例， 將配好的原料放入熔化爐中，使之熔化，並過熱12(TC;2、 對液態金屬熔體進行除氣處理，在液態金屬熔體中加入青銅除 氣精煉劑HT-TJ3，青銅除氣精煉劑HT-TJ3的加入量為液態金屬熔體重 量的0.3%，除氣時間為l分鐘；3、 將澆鑄凹模迸行預熱，凹模預熱的溫度為800。C;4、 將除氣後的液態金屬熔體快速澆入預熱後的凹模中；5、 對凹模中的液態金屬熔體施加高能超聲波，超聲頻率為25KHz， 超聲功率為2500W，對金屬熔體施加超聲波的時間為10秒；6、 與此同時，用超聲波傳振杆對液態金屬熔體施加壓力，壓力為4 X107，時間為10秒，或直到金屬熔體凝固，即得到具有均勻細小的等 軸晶組織的擠壓成型件。實施例4:1、 按照零件的成分要求進行配料，以低碳鋼Frl.O%C為例，將 配好的原料放入熔化爐中，使之熔化，並過熱15(TC;2、 對液態金屬熔體進行除氣處理，在液態金屬熔體中加入除氣劑 細鋁絲，除氣劑細鋁絲的加入量為液態金屬熔體重量的0.1%，利用氧化 一還原反應除去液態金屬熔體中的氧，時間為10分鐘；3、 將澆鑄凹模進行預熱，凹模預熱的溫度為100(TC;4、 將除氣後的液態金屬熔體快速澆入預熱後的凹模中；5、 對凹模中的液態金屬熔體施加高能超聲波，超聲頻率為lOOKHz， 超聲功率為3000W，對金屬熔體施加超聲波的時間為15秒；6、 與此同時，用超聲波傳振杆對液態金屬熔體施加壓力，壓力為5 X107，時間為20秒，或直到金屬熔體凝固，即得到具有均勻細小的等 軸晶組織的擠壓成型件。下面對實施上述超聲波壓縮成型鑄造法的專用設備進行詳細說明 如圖1所示，它有一個工作檯9，在工作檯9上有一個由上型5和 下型8構成的澆鑄凹模，凹模採用45號鋼製作，也可以採用其他耐熱鋼 材製作；在上型5和下型8中裝有加熱元件11，加熱元件11為澆鑄凹 模及液態金屬熔體加熱和保溫；在工作檯9上有一個保溫爐6，保溫爐68由SiC爐膽和電阻加熱元件構成，電阻加熱元件包裹在爐膽內；澆鑄凹模放置在保溫爐6中，利用保溫爐6為澆鑄凹模及液態金屬烙體加熱和 保溫；在保溫爐6的上面有一個保溫蓋4，保溫蓋4用隔熱材料製作， 以避免溫度散失；在澆鑄凹模的上面有一個超聲波換能器1，超聲波換 能器1為現有結構，它主要由外殼、壓電陶瓷組、換能裝置等構成；超 聲波換能器1通過滑動支架13安裝在立柱12上，滑動支架13上裝有液 壓裝置14，液壓裝置14通過支架15固定在立柱12上，使滑動支架13 沿著立柱12作上下移動，從而帶動超聲波換能器1作上下運動；所述的 立柱12固定在工作檯9上，在超聲波換能器1的下部裝有變幅杆2，變 幅杆2的下部裝有作為壓頭的超聲波傳振杆3，超聲波傳振杆3為不鏽 鋼質的圓棒，超聲波傳振杆3下部與液態金屬熔體相接觸的部分塗有一 層陶瓷，以防止擠壓時超聲波傳振杆3與液態金屬熔體發生粘連，通過 超聲波傳振杆3即可同時對液態金屬熔體進行擠壓和施加超聲波作用， 液態金屬熔體凝固後即成為成型件7;在液態金屬熔體的下面還有一個 推料杆10，推料杆10向上推動成型件7，使成型件7從澆鑄凹模的下型 8中脫出。本發明專用設備的操作過程是將液態金屬熔體澆入放在工作檯9上的澆鑄凹模內，即澆鑄到上型 5和下型8中，然後，液壓裝置14通過滑動支架13帶動超聲波換能器1、 變幅杆2和超聲波傳振杆3向下移動，對其施加高能超聲波，同時，對 液態金屬熔體進行擠壓，液態金屬熔體凝固成型後，再用推料杆10將成 型件7從下型8中推出，即完成一個成型件7的製作過程。
權利要求
1、一種超聲波壓縮成型鑄造法，其特徵在於，它是按下述步驟實現的1.1、按照零件的成分要求進行配料，將配好的原料放入熔化爐或坩堝中，使之熔化，並過熱10～150℃；1.2、對液態金屬熔體進行除氣處理，除氣時間為1～10分鐘；1.3、將澆鑄凹模進行預熱，凹模預熱的溫度為200～1000℃；1.4、將除氣後的液態金屬熔體快速澆入預熱後的凹模中；1.5、對凹模中的液態金屬熔體施加高能超聲波，超聲頻率為15～100KHz，超聲功率為100～3000W，對金屬熔體施加超聲波的時間為1～30秒；1.6、與此同時，對液態金屬熔體施加壓力，壓力為1×107～5×107牛頓/米2，時間為5～40秒，或直到金屬熔體凝固，即得到具有均勻細小的等軸晶組織的擠壓成型件。
2、 一種實施權利要求1所述超聲波壓縮成型鑄造法的專用設備， 它有一個工作檯，在工作檯上有一個由上型和下型構成的澆鑄凹模，其 特徵在於，在工作檯上有一個保溫爐，澆鑄凹模放置在保溫爐中，在澆 鑄凹模的上面有一個超聲波換能器，在超聲波換能器的下部裝有變幅杆， 變幅杆的下部裝有作為壓頭的超聲波傳振杆。
全文摘要
一種超聲波壓縮成型鑄造法及其專用設備，解決了現有技術中存在的振動除氣效果不理想、鑄件中有氣孔缺陷的問題，本發明的方法是按下述步驟實現的將配好的原料熔化並過熱，對液態金屬熔體進行除氣處理，將澆鑄凹模進行預熱，將除氣後的液態金屬熔體快速澆入預熱後的凹模中，對凹模中的液態金屬熔體施加高能超聲波和壓力，即得到具有均勻細小的等軸晶組織的擠壓成型件；實施上述超聲波壓縮成型鑄造法的專用設備，它有一個工作檯，工作檯上有一個澆鑄凹模，其特殊之處是，在工作檯上有一個保溫爐，澆鑄凹模放置在保溫爐中，在澆鑄凹模的上面有一個超聲波換能器，在超聲波換能器的下部裝有變幅杆，變幅杆的下部裝有作為壓頭的超聲波傳振杆。
文檔編號B22D27/00GK101234420SQ20081001058
公開日2008年8月6日 申請日期2008年3月5日 優先權日2008年3月5日
發明者李軍文 申請人:遼寧工業大學