一种非晶合金构件铸造成型设备和工艺 技术领域

本发明涉及非晶合金成型技术领域， 具体涉及一种非晶合金构件铸造成型设 备和工艺。 背景技术

±夬状非晶合金由于其具有独特的长程无序、 短程有序的原子排列结构， 表现 出一系列优异的物理、 化学和力学性能， 如高强度、 高弹性、 高断裂顿性、 高比 强度、 超塑性、 高耐蚀性、 突出的磁特性、 优良的成型性等， 从而越来越被广泛 的应用在航空、 航天以及民用领域。 目前， 非晶合金应用最为成功的性能是其突 出的软磁特性， 这方面取得了惊人的进歩和极大的效益。 以非晶合金作为磁性部 件的小型发动机以及变压器在商业上已经取得 初歩的成功。 Zr基非晶合金所具有 的高弹性， 使得其被作为结构件成功应用到了高尔夫球杆 的顶端， 网球拍等体育 用品之上， 非晶合金优异的成型性及超塑性使得它可以被 用来制备微小、 精密的 器件， 例如精密微型齿轮和轴承。 另外， 非晶合金还往往被用作涂层材料、 光学 材料和电极材料。

随着大块非晶应用的日益广泛， 非晶合金的加工和成型工艺也逐渐的受到了 广泛的关注， 从而为非晶合金进一歩发展铺平了道路。 例如非晶合金的悍接、 切 削、 精密铸造等等。 其中， 美国的专利 US6021840、 US6070643 和中国专利 CN102527982A报道了非晶合金工件的压铸设备， 这些技术中， 合金熔炼和压射 筒为两个独立的工作单元，二者都置于较大的 真空腔室和保护气氛保护的腔室中， 当每次成型的所有动作完成后， 必然要破坏主腔室的真空， 或者造成气体的大量 浪费， 这样会导致非晶合金工件每次工作周期的延长 和生产效率的降低。 此外， 模具为了实现真空条件下的成型， 添加了密封圈， 因而导致在充型过程中， 模腔 周围没有排气孔， 使得在非晶合金构件的表面容易形成气孔或者 缩孔。 已报道的 技术中， 其真空腔室或者保护气氛腔室都需要一段时间 进行抽取真空， 或者充入 具有一定压力的气体， 这些都导致非晶合金构件成型效率降低。 发明内容

本发明的目的在于提供一种非晶合金构件铸造 成型设备和工艺， 采用该铸造 成型设备进行非晶合金构件的制备， 能够有效提高非晶合金构件的成型效率和成 型质量。

为实现上述目的， 本发明的技术方案是：

一种非晶合金构件铸造成型设备， 包括压射系统、 合金熔炼系统、 原材料进 给系统、 模具系统、 真空系统和保护气氛系统， 其中：

压射系统： 包括压射筒、 压射机构和压射杆， 所述压射杆能够沿压射筒内壁 方向运动， 通过所述压射机构控制压射杆的运动方向和速 度；

合金熔炼系统： 用于合金的熔炼， 包括熔炼腔室和加热装置， 加热装置用于 对熔炼腔室内合金料的熔化， 所述加热装置采用感应线圈或电阻丝加热； 将所述 压射筒其内部空间的一部分作为熔炼腔室， 所述加热装置设于压射筒外；

原材料进给系统： 包括储料罐和过渡腔， 所述储料罐用于放置合金料， 所述 过渡腔为两端开口的筒状结构， 所述压射杆能够在过渡腔内滑动； 所述储料罐放 置于过渡腔的上方， 且与过渡腔内空间相连通；

模具系统： 包括定模、 密封圈、 动模、 模腔、 排气通道、 定压单向阀门、 模 具浇道和合模开模机构； 其中： 合模开模机构用于控制动模和定模的开合， 动模 和定模闭合后， 其内形成模腔， 模腔通过模具浇道与压射筒实现连通， 模腔通过 排气通道实现与外界 ¾ ， 排气通道末端设有定压单向阀门， 动模和定模之间通 过密封圈实现密封；

真空系统： 包括真空机组和真空罐体， 真空机组通过阀门 II连接真空罐体， 真空罐体通过高真空连接管连接压射筒， 所述高真空连接管上设有阀门 III； 所述 真空罐体与压射筒的连接处位于熔炼腔室与过 渡腔之间。

保护气氛系统： 包括保护气氛气瓶以及与之相连接的储气罐， 储气罐再通过 充气管连接到压射筒； 所述充气管上设有阀门 IV， 所述保护气氛气瓶与储气罐相 连接的管道上设有阀门 I ·， 所述储气罐与压射筒的连接处位于熔炼腔室与 过渡腔 之间。

所述压射筒上设有伸缩式观察窗， 用于观察熔炼腔室内合金的熔化状态。 所述铸造成型设备还设有控制面板， 用于对动模和定模的开合控制、 加热装 置的温度控制和压射杆的运动控制。

所述铸造成型设备能够根据实际需求在真空或 者正压气氛下进行工作。

所述压射装置通过密封环与过渡腔实现密封连 接。

所述伸缩式观察窗通过三棱镜观察合金料的熔 化情况。

所述保护气氛气瓶内装有惰性气体。

当铸造成型设备的加热方式为感应加热的时候 ， 位于加热位置的压射筒材质 应为陶瓷材料或者带有陶瓷涂层的顺磁材料。

所述模具系统中的定压单向阀安装在在定模和 /或动模上，定压单向阀的数量 为一个或一个以上， 数目根据工件的尺寸和形状进行确定。

禾拥上述设备进行非晶合金构件铸造成型工艺 ， 包括以下歩骤：

( 1 )定模和动模之间依靠密封圈形成密封连接，� �气通道装有定压单向阀门， 最终获得密闭的模腔；

(2)打开阀门 II，通过真空机组使得真空罐内实现真空，当� ��具实现密封后， 打开阀门 III， 使得模腔、 压射筒和储料罐都获得所需真空度； 当需要在真空条件 下进行工作时， 直接进行歩骤（3)， 当需要在正压保护气氛下进行工作时， 打开 阀门 I， 先向储气罐内充入一定压力的保护气氛， 然后打开阀门 IV， 使得模腔、 压射筒和储料罐都获得所需压力的保护气氛， 压力可以通过定压单向阀进行设置;

(3)储料箱内装满合金料后， 用于装入合金料的填料口封闭；

(4)压射杆从原始位置（是指压射杆的末端位于 过渡腔的最左端时）向右移 动到一定位置， 使合金料依靠自身重力落入过渡腔内， 压射杆向左推动合金料将 其送到熔炼腔室， 随后再向右移动， 离开加热装置一定距离；

(5) 降下观察窗；

(6)通过加热装置将合金熔化， 当观察到合金熔化完成后， 升起观察窗， 压 射杆以所需速度和加载力向左推移， 合金熔体经过模具浇道后充满模腔， 在合金 熔体即将充满模腔的时候， 定压单向阀门打开， 使得模腔中的多余气体排出， 有 利于合金熔体的填充成型， 有效防止表面缺陷的形成；

(7)合金熔体在模腔中充型完毕冷却后，通过充 气管充入与外界压力平衡的 气体， 打开模腔， 整个工件的铸造成型流程完毕；

(8)重新开始下一个流程。 在第一个流程中合金熔化和充型的过程中， 通过真空机组使得真空罐实现高 真空，贝 IJ在下一个流程中省略相应操作（下一流程为� ��真空条件下工作时)；或者， 在第一个流程中合金熔化和充型的过程中， 打开阀门 I， 向储气罐内充入一定压 力的保护气氛， 贝 IJ在下一个流程中省略相应操作（下一流程为� ��正压保护气氛下 工作时)。

上述成型工艺过程中， 需要在真空下进行工作的时候， 真空度为 10- ² Pa。 上述成型工艺过程中， 需要在具有正压保护气氛条件下工作的时候， 保护气 体压力介于 1-1.5个大气压之间。

本发明设备及工艺可用于非晶合金构件的制备 ， 如： Zr基非晶合金、 Ί 基非 晶合金、 Fe基非晶合金、 Ni基非晶合金、 A1基非晶合金、 Mg基非晶合金或 Cu 基非晶合金； 也可用于活性金属如 Ti合金、 A1合金和 Mg合金工件的制备。

本发明原理如下：

本发明铸造成型设备， 熔炼系统和压射系统有效的进行结合， 使得铸造成型 设备的结构大大简化， 需要实现真空或者保护气氛保护的腔室空间减 小， 缩短了 获得真空的时间， 减小保护气氛的使用量。 在真空或者保护气氛系统中引入真空 罐和储气罐， 当设备在熔炼和脱模、 装模的时候， 可以预先对真空罐和储气罐进 行抽取真空和充入正压的保护气氛， 随后通过阀门很快的实现工作的真空度或者 一定压力的保护气氛， 这些都有效的缩短了每次非晶构件的工作周期 ， 提高了生 产效率。 此外， 该设备结构简单， 制造和维护成本很低， 能够实现连续自动化生 、、 本发明主要用于非晶合金构件的制备， 可以实现在真空和正压气体保护下进 行非晶合金构件铸造成型， 本发明中的设备需要实现的真空或者正压保护 气氛空 间大幅度减小， 在模具上添加排气口， 有效解决合金构件成型过程中表面微小缩 孔的形成， 提高非晶合金构件质量。 通过使用高真空罐或者保护气体罐， 有效解 决成型过程中真空或者正压保护气氛的获得， 缩短成型周期， 节约生产成本， 极 大提高生产效率。

本发明具有以下优点：

1、本发明中的铸造成型设备结构简单，需要� �现真空或者保护气氛保护的腔 室空间减小， 缩短了获得真空的时间， 减小保护气氛的使用量。

2、 在设备上添加了原料的进给系统， 使得原材料补给的周期延长。 3、 有效的缩短了每次非晶构件的工作周期， 提高了生产效率。

4、 该设备结构简单， 制造和维护成本很低， 能够实现连续自动化生产。 附图说明

图 1为本发明铸造成型设备结构示意图。

其中： 1-保护气氛气瓶； 2-储气罐； 3-阀门 I、 5-阀门 II、 7-阀门 III、 26-阀门 IV； 4-真空机组； 6-真空罐； 8-合金料； 9-储料罐； 10-伸缩式观察窗； 11-高真空 连接管； 12-控制面板； 13-定模； 14-模腔； 15-密封圈； 16-排气通道； 17-定压单 向阀； 18-合模开模机构； 19-动模； 20-模具浇道； 21-加热装置； 22-压射筒； 23- 充气管道； 24-过渡腔； 25-密封环； 27-压射机构； 28-压射杆； 29-熔炼腔室。 具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细描述， 但是应当理解本发明的保护范围并不 受具体实施方式的限制。

如图 1所示， 本发明铸造成型设备包括压射系统、 合金熔炼系统、 原材料进 给系统、 模具系统、 真空系统和保护气氛系统， 其中：

压射系统：包括压射筒 22、压射机构 27和压射杆 28，所述压射杆 28能够沿 压射筒 22内壁方向运动，通过所述压射机构 27控制压射杆 28的运动方向和速度。

合金熔炼系统： 用于合金的熔炼， 包括熔炼腔室 29和加热装置 21， 力口热装 置 21用于对熔炼腔室 29内合金料 8的熔化，所述加热装置 21采用感应线圈或电 阻丝加热； 将所述压射筒 22其内部空间的一部分作为熔炼腔室 29， 所述加热装 置 21设于压射筒 22外； 当铸造成型设备采用感应线圈加热的时候， 位于加热位 置的压射筒材质应为陶瓷材料或者带有陶瓷涂 层的顺磁材料。 所述压射筒上还设 有伸缩式观察窗 10， 用于观察熔炼腔室 29内合金料 8的熔化状态， 伸缩式观察 窗通过三棱镜观察合金料的熔化情况。

原材料进给系统：包括储料罐 9和过渡腔 24，所述储料罐 9用于放置合金料 8， 所述过渡腔 24为两端开口的筒状结构， 所述压射杆 28能够在过渡腔 24内滑 动，压射杆 28通过密封环 25与过渡腔 24实现密封连接；所述储料罐 9放置于过 渡腔 24的上方， 且与过渡腔 24内空间相连通。

模具系统： 包括定模 13、 密封圈 15、 动模 19、 模腔 14、 排气通道 16、 定压 单向阀门 17、模具浇道 20和合模开模机构 18;其中：合模开模机构 18用于控制 动模 19和定模 13的开合，动模 19和定模 13闭合后，其内形成模腔 14，模腔 14 通过模具浇道 20与压射筒 22实现 ¾ ， 模腔 14通过排气通道 16实现与外界连 通， 动模 19和定模 13之间通过密封圈 15实现密封； 排气通道 16末端设有定压 单向阀门 17， 所述模具系统中的定压单向阀 17安装在在定模和 /或动模上， 定压 单向阀 17的数量为一个或一个以上， 数目根据工件的尺寸和形状进行确定。

真空系统：包括真空机组 4和真空罐体 6，真空机组 4通过阀门 II 5连接真空 罐体 6， 真空罐体 6通过高真空连接管 11连接压射筒 22， 所述高真空连接管 11 上设有阀门 ΠΙ7;所述真空罐体 6与压射筒 22的连接处位于熔炼腔室 29与过渡腔 24之间。

保护气氛系统： 包括保护气氛气瓶 1 以及与之相连接的储气罐 2， 储气罐 2 再通过充气管 23连接到压射筒 22， 所述保护气氛气瓶 1内装有惰性气体； 所述 充气管 23上设有阀门 IV26，所述保护气氛气瓶 1与储气罐 2相连接的管道上设有 阀门 I 3；所述储气罐 2与压射筒 22的连接处位于熔炼腔室 29与过渡腔 24之间。

所述铸造成型设备能够根据实际需求在真空或 者正压气氛下进行工作。 所述 铸造成型设备还设有控制面板 12，用于对动模 19和定模 13的开合控制、加热装 置 21的温度控制和压射杆 28的运动控制。

禾拥上述设备进行非晶合金构件铸造成型工艺 ， 包括以下歩骤：

(1 )定模 13和动模 19之间依靠密封圈 15形成密封连接，排气通道 16装有 定压单向阀门 17， 最终获得密闭的模腔 14;

(2)打开阀门 115， 通过真空机组 4使得真空罐 6内实现真空， 当模具实现 密封后， 打开阀门 1117， 使得模腔 14、 压射筒 22和储料罐 9都获得所需真空度； 当需要在真空条件下进行工作时， 直接进行歩骤 3， 当需要在正压保护气氛下进 行工作时，打开阀门 1 3，先向储气罐 2内充入一定压力的保护气氛，然后打开阀 门 IV26， 使得模腔 14、 压射筒 22和储料罐 9都获得所需压力的保护气氛， 压力 可以通过定压单向阀 17进行设置；

(3)储料箱 9内装满合金料 8后， 用于装入合金料 8的填料口封闭；

(4)压射杆 28从原始位置（是指压射杆 28的末端位于过渡腔的最左端时) 向右移动到一定位置， 使合金料 8依靠自身重力落入过渡腔 24内， 压射杆 28向 左推动合金料将其送到熔炼腔室 29，随后再向右移动，离开加热装置 5—定距离； (6)通过加热装置 21将合金熔化， 当观察到合金熔化完成后， 升起观察窗 10， 压射杆 28以所需速度和加载力向左推移， 合金熔体经过模具浇道 20后充满 模腔 14， 在合金熔体即将充满模腔的时候， 定压单向阀门 17打开， 使得模腔 14 中的多余气体排出， 有利于合金熔体的填充成型， 有效防止表面缺陷的形成；

(7)合金熔体在模腔 14中充型完毕冷却后，通过充气管 23充入与外界压力 平衡的气体， 打开模腔 14， 整个工件的铸造成型流程完毕；

(8)重新开始下一个流程。

在第一个流程中合金熔化和充型的过程中， 通过真空机组 4使得真空罐 6实 现高真空， 贝 IJ在下一个流程中省略相应操作（下一流程为� ��真空条件下工作时)； 或者，在第一个流程中合金熔化和充型的过程 中，然后打开阀门 1 3， 向储气罐内 充入一定压力的保护气氛， 贝 IJ在下一个流程中省略相应操作（下一流程为� ��正压 保护气氛下工作时)。

上述成型工艺过程中， 需要在真空下进行工作的时候， 真空度为 10- ² Pa。 上述成型工艺过程中， 需要在具有正压保护气氛条件下工作的时候， 保护气