一种自带模具预热功能的真空射铸装置及射铸方法与流程

1.本发明属于金属材料制造装备技术领域，具体涉及一种自带模具预热功能的真空射铸装置及射铸方法。


背景技术：

2.真空射铸技术一般用于细长金属管棒材坯料制备，其制备的金属管棒材具有尺寸精度好、制造周期短、生产成本低等优点。
3.由于在传统射铸工艺中，模具一般通过底部的熔池温度通过热辐射加热，导致模具预热温度不均匀且不可控；另外，设备所能达到的最大射铸压力较低，最快平压时间较长，从而金属液进入模具后不可避免会导致金属管棒材坯料顶部出现缩松和孔洞，影响铸件射铸质量，降低型铸件工艺出品率。


技术实现要素：

4.针对以上不足，本发明的目的是提供一种自带模具预热功能的真空射铸装置及其制备方法，通过在顶部模具夹持区域增加模具预热装置，使射铸模具在射铸前能充分均匀预热，从而有效避免了模具预热不均匀和模具预热温度不可控的情况，改善金属管棒材坯料顶部的铸造质量。
5.本发明的技术方案如下：
6.一种自带模具预热功能的真空射铸装置，该装置结构包括真空熔炼室、感应熔炼装置、模具夹持装置、熔炼电源、模具预热装置；
7.真空熔炼室内部上段位置，设置有模具预热装置，模具预热装置结构内部可以将真空熔炼室内部的模具夹持装置夹持的模具周围环绕包裹；
8.感应熔炼装置设置在真空熔炼室内部的下段位置，感应熔炼装置通过与下区段真空熔炼室侧壁上的同轴电极及动密封传动轴与真空熔炼室进行固定连接；
9.同轴电极与真空熔炼室外部熔炼电源连接。
10.所述模具预热装置为环形筒状结构，模具预热装置的环形结构内部可以将模具夹持装置夹持的模具周围环绕包裹；模具预热装置下沿与模具完全进入预热段后的下端头平齐，模具预热装置配有单独的加热电源，采用上段真空熔炼室侧边的接线端子实现模具预热装置的送电加热和温度测量。
11.所述真空熔炼室顶部为顶盖，在顶盖外部设置有升降装置。
12.所述升降装置装配有升降杆，升降杆通过顶盖中心的开口进入到真空熔炼室的内部，升降杆与真空熔炼室内的模具夹持装置连接。
13.所述模具夹持装置挂在升降杆底部的主支撑环挂钩上，并且通过预紧压套装配结构套在升降杆底部的，主支撑环上的圆柱销和预紧压套上倾斜的导向槽使预紧压套紧压模具底部，模具夹持装置外径范围在12mm
‑
22mm，且无极可调。
14.所述真空熔炼室为单室形式，包括顶盖、上下两部分区段，真空熔炼室外部铰链与
上部及下部真空熔炼室连接，真空熔炼室上下段之间的开合面锁紧方式采用气动错齿圈结构。
15.所述感应熔炼装置包括感应熔炼线圈、坩埚和炉衬；炉衬设置在感应熔炼线圈底部的炉衬支架上，坩埚设置在炉衬中，感应熔炼线圈通过底部的3个炉衬支架固定。
16.所述炉衬支架通过与下区段真空熔炼室侧壁上的同轴电极及动密封传动轴与真空熔炼室进行固定连接。
17.一种射铸方法，(1)将真空熔炼室上下段打开，将升降杆伸出模具预热段；(2)在升降杆上安装模具；(3)将炉衬放到感应熔炼线圈底部的炉衬支架上，并在炉衬中放入坩埚，在感应熔炼线圈中安放坩埚和炉衬；(4)模具与坩埚对中操作，记录模具行程，并将模具缩回模具预热段；(5)在坩埚中装入金属原材料；(6)在储气罐中预先充入一定压力的惰性气体；(7)关闭锁真空熔炼室上下段，开始抽真空；(8)设定模具预热温度参数，当真空熔炼室内真空度＜10pa后开始预热模具；(9)真空度与模具预热温度均达到实验指标后开始升温熔炼；(10)金属完全熔化后倾转同轴电极带动感应熔炼圈进行倾转，采用红外测温设备从窥视窗对熔体温度进行测量；(11)达到射铸工艺实验指标后关闭真空系统；(12)关闭模具预热，降下模具伸入坩埚内熔体液面以下；(13)快速充气并保压一定时间后提升模具离开熔体液面；(14)关闭感应加热，待模具冷却后泄压；(15)将模具缩回模具预热段中后打开真空熔炼室，将已充型完成的模具从预热段中降下；(16)取下已充型完成的射铸模具，并更换新模具坩埚，重复(1)～(15)操作，准备下炉次射铸试验。
18.本发明的有益效果在于：
19.(1)通过设计模具预热装置，可实现射铸前模具预热温度的准确控制。
20.(2)通过制定合理的射铸模具预热工艺参数，能有效改善金属管棒材坯料顶部铸造缺陷，提升金属铸件射铸质量。
21.(3)通过快速向真空熔炼室内通入一定压力惰性气体，使金属液充入模具后进一步密实，能提高金属管棒材坯料组织致密度，获得尺寸长度大、表面质量好的大长径比金属管棒材坯料。
22.(4)本装置具有较好的通用性，可适用于熔点≤1700℃的金属材料的大长径比管棒材坯料的射铸工艺制备。
23.(5)本装置采用储气罐与真空熔炼室之间实现压力平衡的形式充入气体，可以实现金属液＜1s的快速充型，避免因充型时间过长导致金属液在冷却过程中因流动性下降而产生的铸造缺陷。
附图说明
24.图1为本发明的装置整体结构示意图。
25.图中：1、真空熔炼室；2、感应熔炼装置；3、模具夹持装置；4、升降装置；5、熔炼电源；8、模具；9、坩埚；10、炉衬；12、模具预热装置；13、感应熔炼圈；14、窥视窗；
具体实施方式
26.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
27.基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.如图所示，一种自带模具预热功能的真空射铸装置，该装置的主要结构包括：真空熔炼室1、感应熔炼装置2、模具夹持装置3、升降装置4、熔炼电源5、模具8、坩埚9、炉衬10、模具预热装置12。
29.所述真空熔炼室1采用单室形式，包括顶盖、上下两部分区段，真空熔炼室1外部铰链与上部及下部真空熔炼室1连接，真空熔炼室1的各区段可沿铰链相对独立运动和旋转，真空熔炼室1上下段之间的开合面锁紧方式采用气动错齿圈结构，开启采用手动推拉方式和机械辅助相结合的方式。
30.真空熔炼室1顶部为顶盖，在顶盖外部设置有升降装置4，升降装置4装配有升降杆，升降杆通过顶盖中心的开口进入到真空熔炼室1的内部，升降杆与真空熔炼室1内的模具夹持装置3连接。
31.真空熔炼室1内部上段位置，设置有环形筒状结构的模具预热装置12，模具预热装置12的环形结构内部可以将模具夹持装置3夹持的模具周围环绕包裹；模具预热装置12下沿与模具完全进入预热段后的下端头平齐。
32.感应熔炼装置2设置在真空熔炼室1内部的下区段，感应熔炼装置1包括感应熔炼线圈13、坩埚9和炉衬10；炉衬10设置在感应熔炼线圈13底部的炉衬支架上，坩埚9设置在炉衬10中，感应熔炼线圈13通过底部的3个炉衬支架固定，炉衬支架具备倾转功能，通过与下区段真空熔炼室1侧壁上的同轴电极及动密封传动轴与真空熔炼室1进行固定连接，同轴电极与真空熔炼室1外部熔炼电源5连接，倾转角度为0～45
°
；
33.真空熔炼室1中部位置设置有窥视窗14，窥视窗14直径80mm，设置有红外测温装置的一侧窥视窗14为前窥视窗，感应熔炼线圈13倾转方向为前窥视窗方向，倾转角度为0～45
°
，炉体上窥视窗直径80mm，在感应熔炼线圈13倾转状态可从真空熔炼室1上设置的窥视窗14观察和测量坩埚9内熔池情况和温度，前窥视窗14上设置可偏转红外测温装置。
34.所述真空系统与真空熔炼室1之间用采用气动高压蝶阀与高真空挡板阀进行连接，确保真空熔炼室1内通过射铸装置充气射铸时真空系统与真空熔炼室1腔室压力有良好的物理隔离。
35.所述射铸装置射铸压力≤0.7mpa，采用储气罐与真空熔炼腔室1之间用气动阀门和手动阀门两级连接，每次充气射铸前先在储气罐中预先充入一定压力气体，并调节手动阀门的开合角度，射铸时只需打开气动阀门，通过储气罐与真空熔炼室之间实现压力平衡平压的形式充入气体，最快平压时间＜1s，且连续可调。
36.所述模具夹持装置3挂在升降杆底部的主支撑环挂钩上，并且通过预紧压套装配结构套在升降杆底部的，主支撑环上的圆柱销和预紧压套上倾斜的导向槽使预紧压套紧压模具底部，模具夹持装置外径范围在12mm
‑
22mm，且无极可调，模具可以采用整体固定后与在模具夹持装置上后再在升降杆上进行装卸，也可以采用单支独立在升降杆底部的夹持装置上进行装卸。
37.所述模具预热装置12为圆筒状加热结构，预热装置加热区长度大于500mm，通过上段真空熔炼室1内部焊接的支架实现模具预热装置12与真空熔炼室1的安装定位，模具预热装置12配有单独的加热电源，采用上段真空熔炼室1侧边的接线端子实现模具预热装置12
的送电加热和温度测量，实现模具预热装置12预热温度的精确控制和预热功能，模具预热温度范围在600～1200℃。
38.利用以上设备和设施可以实现细长金属棒材的制备，其制备的基本操作步骤如下：(1)将真空熔炼室1上下段打开，将升降杆伸出模具预热段；(2)在升降杆上安装模具；(3)将炉衬10放到感应熔炼线圈13底部的炉衬支架上，并在炉衬10中放入坩埚9，在感应熔炼线圈13中安放坩埚9和炉衬10；(4)模具与坩埚9对中操作，记录模具行程，并将模具缩回模具预热段；(5)在坩埚9中装入金属原材料；(6)在储气罐中预先充入一定压力的惰性气体；(7)关闭锁真空熔炼室1上下段，开始抽真空；(8)设定模具预热温度参数，当真空熔炼室1内真空度＜10pa后开始预热模具；(9)真空度与模具预热温度均达到实验指标后开始升温熔炼；(10)金属完全熔化后倾转同轴电极带动感应熔炼圈13进行倾转，采用红外测温设备从窥视窗14对熔体温度进行测量；(11)达到射铸工艺实验指标后关闭真空系统；(12)关闭模具预热，降下模具伸入坩埚9内熔体液面以下；(13)快速充气并保压一定时间后提升模具离开熔体液面；(14)关闭感应加热，待模具冷却后泄压；(15)将模具缩回模具预热段中后打开真空熔炼室，将已充型完成的模具从预热段中降下；(16)取下已充型完成的射铸模具，并更换新模具坩埚9，重复(1)～(15)操作，准备下炉次射铸试验。
39.一种真空射铸方法，采用本发明制备细长金属棒材坯料的步骤如下：(1)准备块状射铸原材料若干，去除材料表面氧化皮和油污后，用电子称称量5kg块状射铸原材料放在箱式电阻炉中预热备用；(2)在坩埚9内表面涂刷一层y2o3，对带涂层的坩埚和炉衬进行预热除气后备用，打开真空熔炼室1上下段，通过升降杆顶部的升降装置，将升降杆完全伸出模具预热段；(3)向上抬起预紧压套，在升降杆底部的主支撑环周向挂槽上安装10件石英管状模具，安装完毕后将预紧压套放下，利用主支撑环上的圆柱销和预紧压套上倾斜的导向槽，使预紧压套紧压模具底部；(4)在感应熔炼线圈13中放置出气后的带涂层的坩埚9和炉衬10，并采用石棉垫对坩埚9和炉衬10之间间隙进行填充；(5)测量模具与坩埚9中心位置，确定模具底部从模具预热段中初始位置到距离坩埚内9底10mm处的位移行程，并在控制面板上输入升降杆运动程序参数，之后通过升降杆顶部的升降装置将模具缩回模具预热段中初始位置；(6)在坩埚9中逐层放入5kg预热后的块状射铸原材料；(7)用橡皮管连接ar气瓶和储气罐，并在储气罐中预先充入1.2mpa的高纯ar气；(8)关闭并锁紧真空熔炼室1上下段，打开设备供水系统和高压蝶阀，之后逐级开启真空系统中的泵和阀门对真空熔炼室抽真空；(9)在控制面板上输入模具预热温度参数：预热温度1200℃，当真空熔炼室内真空度＜10pa后开始预热模具；(10)真空熔炼室真空度达到1
×
10
‑2pa、模具预热温度达到1200℃后，开启感应熔炼电源，对坩埚9中的射铸原材料进行升温熔炼；(11)随感应熔炼时间逐渐提升感应电源熔炼功率至50kw，待待射铸原材料完全熔化后倾转感应线圈，采用红外测温设备从窥视窗14对原材料熔体温度进行测量；(12)待射铸原材料熔体温度达到～1600℃后，将感应熔炼线圈13复位，关闭高压蝶阀和真空系统；(13)关闭模具预热，按前期升降杆运动程序降下模具并伸入坩埚9内射铸原材料熔体液面以下；(14)打开真空熔炼室与储气罐间的充气阀门，使高纯ar气快速充入真空熔炼室，待真空熔炼室1与储气罐压力稳定在0.6mpa左右后保压30s，之后提升升降杆使石英模具离开坩埚9中残余射铸原材料熔体液面；(15)关闭感应加热，待模具和模具保温段温度降至100℃后，打开放气阀，卸出真空熔炼室内正压；(16)将模具缩回模具预热段初始位置后打开真空熔炼室，将已充型完成的石英模具从模具预热段中
降下；(17)取下已充型完成的射铸模具，并在手套箱中进行脱模，完成射铸原材料细长金属棒材坯料制备；(18)更换新的石英模具和熔炼坩埚9，重复(1)
‑
(18)操作，准备下炉次射铸试验。
40.可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。
41.需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。
42.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
43.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
44.本发明公开实施例附图中，只涉及到与本公开实施例涉及到的方法，其他方法可参考通常设计，在不冲突情况下，本发明同一实施例及不同实施例可以相互组合；
45.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。