CN114850450A - 难熔高活多元复杂合金悬浮感应熔炼负压吸铸装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种难熔高活多元复杂合金悬浮感应熔炼负压吸铸装置及方法，涉及合金铸造技术领域。本装置包括负压浇铸室和真空悬浮熔炼室等，负压浇铸室连接在真空悬浮熔炼室下方，真空悬浮熔炼室内设置有悬浮熔炼坩埚，悬浮熔炼坩埚包括坩埚主体和坩埚底，坩埚底连接在坩埚主体底部，坩埚主体的外壁上缠绕有第一感应线圈，坩埚底的外壁上缠绕有第二感应线圈，坩埚底的下端口与模具的浇铸口连通，模具位于负压浇铸室内，模具的外壁缠绕有第三感应线圈；第一感应线圈、第二感应线圈、第三感应线圈分别与第一电源、第二电源、第三电源连接。本发明有效避免了铸件内部气孔多、浇铸缺陷多的问题，实现了高熔点、高活性、流动性差的金属材料的吸铸成形。

Description

难熔高活多元复杂合金悬浮感应熔炼负压吸铸装置及方法

技术领域

本发明涉及合金铸造技术领域，尤其涉及一种难熔高活多元复杂合金悬浮感应熔炼负压吸铸装置及方法。

背景技术

真空吸铸是一种在型腔内造成真空，把金属由上而下的吸入型腔，进行凝固成形的铸造方法，能够使铸件获得致密的组织，提高铸件的力学性能，生产过程易于机械化、自动化，生产效率高。然而对于一些熔点高、流动性差、活性高的复杂合金，目前吸铸成形的效果较差。

现有技术中提出了一种针对高活性合金的吸铸设备，包括钨电极、坩埚、吸铸阀门、模具等部件，通过钨电极对坩埚中的合金块进行加热，将合金块熔化成合金液，合金液经过吸铸阀门流入到模具中，进行冷凝成形。该技术存在吸铸合金熔点低，一般针对于铝合金、铜合金等低熔点合金的吸铸，对于高熔点、高粘度的复杂合金，当前工艺实现困难。并且该技术存在钨电极对金属液造成污染、铸件纯净度差等且单次吸铸量均在1kg以下，只能成形简单构件简单，一般吸铸件为棒材。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种难熔高活多元复杂合金悬浮感应熔炼负压吸铸装置及方法，以解决上述问题。

基于上述目的，本发明提供了一种难熔高活多元复杂合金悬浮感应熔炼负压吸铸装置，包括：负压浇铸室、真空悬浮熔炼室、悬浮熔炼坩埚、模具、第一感应线圈、第二感应线圈、第三感应线圈、第一电源、第二电源和第三电源；负压浇铸室连接在真空悬浮熔炼室下方，真空悬浮熔炼室内设置有悬浮熔炼坩埚，悬浮熔炼坩埚包括坩埚主体和坩埚底，坩埚底连接在坩埚主体底部，坩埚主体的外壁上缠绕有第一感应线圈，坩埚底的外壁上缠绕有第二感应线圈，坩埚底的下端口与模具的浇铸口连通，模具位于负压浇铸室内，模具的外壁缠绕有第三感应线圈；第一感应线圈、第二感应线圈、第三感应线圈分别与第一电源、第二电源、第三电源连接。

进一步地，坩埚底为漏斗型结构，坩埚底的底端开口直径为5至20mm。

进一步地，本装置还包括负压吸铸机，负压吸铸机的端口与模具的排气口连接；用于将金属液吸入模具内成形。

进一步地，本装置还包括真空泵，真空泵通过管道分别与真空悬浮熔炼室、负压浇铸室连通；用于将真空悬浮熔炼室和负压浇铸室抽至真空状态。

进一步地，真空悬浮熔炼室的侧壁上开设有惰性气体接入口；用于向真空悬浮熔炼室内通入惰性气体。

进一步地，本装置还包括加料器、红外测温仪、观察窗和捣料杆，真空悬浮熔炼室包括熔炼室上盖和熔炼室主体，熔炼室上盖盖在熔炼室主体上，加料器的端部和捣料杆的端部分别穿过熔炼室上盖伸入至悬浮熔炼坩埚上方，红外测温仪安装在熔炼室上盖上，观察窗开设在熔炼室上盖上。红外测温仪用于测量真空悬浮熔炼室内的温度，观察窗用于观察坩埚内合金的状态，通过加料器能够直接向坩埚内加入合金块，捣料杆用于对坩埚内的合金进行搅拌，使合金受热更均匀。

难熔高活多元复杂合金悬浮感应熔炼负压吸铸方法，按以下步骤进行：

S1、将合金块放入至悬浮熔炼坩埚内，将负压浇铸室和真空悬浮熔炼室均抽至真空状态，当真空度达到1×10^-2Pa以下时，向熔炼室内充入氩气；

S2、开启第一电源，第一电源功率为50至100kW，对合金块进行升温加热5至20分钟；同时开启第三电源，第三电源功率为40至200kW，使模具内温度保持300至1800℃；

S3、调整第一电源功率为100至150kW，继续对合金块加热5至20分钟；

S4、调整第一电源功率为200至250kW，继续对合金块进行加热5至20分钟；

S5、当合金块完全熔化后，将第一电源功率提高50至200kW，且保持功率不变；

S6、开启第二电源，第二电源功率为60至200kW；

S7、开启负压吸铸机，设置负压值小于7×10^-3Pa，将熔化的合金液吸入至模具中，形成铸件。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：采用悬浮熔炼感应加热方法对合金块进行熔炼，并将坩埚设置成分体结构，通过第一感应线圈和第二感应线圈分别对坩埚主体和坩埚底进行加热，既加强了对坩埚底部的加热效果，又增强底部金属液的悬浮能力，避免凝壳的产生，实现了对难熔、高活、多元复杂合金的均匀化熔炼，有效提高熔炼效率和材料的利用率。并且在本发明中，不需要任何电极对合金块进行直接加热熔化，避免引入杂质，真正意义上实现了全纯净熔炼，从而提高铸件的纯净度。在模具的外壁设置感应线圈对模具进行加热，减缓模具中金属液的凝固速度，使铸件进行充分的液体补缩、排气，从而解决了熔体流动性差的材料在浇铸过程中难以成形的问题。同时，由于减缓了模具中金属液的凝固速度，显著提高了充型能力，使本发明适用于20kg以上大尺寸铸件的吸铸成形。通过本发明有效提高了铸件表面的光洁度，避免了铸件内部气孔多、浇铸缺陷多的问题，实现了高熔点、高活性、流动性差的金属材料的纯净熔炼负压浇铸、吸铸成形。

附图说明

图1为本发明实施例提供的难熔高活多元复杂合金悬浮感应熔炼负压吸铸装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的难熔高活多元复杂合金悬浮感应熔炼负压吸铸装置的悬浮熔炼坩埚拆分截面图。

图中标记为：1、负压浇铸室；2、熔炼室主体；3、坩埚主体；4、第一感应线圈；5、第二感应线圈；6、第三感应线圈；7、第一电源；8、负压吸铸机；9、真空泵；10、惰性气体接入口；11、熔炼室上盖；12、加料器；13、红外测温仪；14、观察窗；15、捣料杆；16、模具；17、坩埚底；18、第二电源；19、第三电源。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，本发明提出的一种难熔高活多元复杂合金悬浮感应熔炼负压吸铸装置，由负压浇铸室1、真空悬浮熔炼室、悬浮熔炼坩埚、模具16、第一感应线圈4、第二感应线圈5、第三感应线圈6、第一电源7、第二电源18、第三电源19、负压吸铸机8和真空泵9等组成。真空悬浮熔炼室由熔炼室上盖11和熔炼室主体2组成，熔炼室上盖11盖在熔炼室主体2上，熔炼室上盖11上分别设置有加料器12、红外测温仪13、观察窗14和捣料杆15。红外测温仪13安装在熔炼室上盖11上，用于测量真空悬浮熔炼室内的温度。观察窗14为开设在熔炼室上盖11上的窗口，用于观察坩埚内合金的状态。加料器12由加料盒、加料盖和加料管组成，加料盖盖在加料盒上，加料盒连接在熔炼室上盖11上，加料管的一端与加料盒连通，加料管的另一端穿过熔炼室上盖11伸入至悬浮熔炼坩埚上方，通过加料器12向悬浮熔炼坩埚内添加合金块。捣料杆15连接在熔炼室上盖11上，捣料杆15的端部伸入至悬浮熔炼坩埚上方，用于对坩埚内的合金进行搅拌，使合金受热更均匀。熔炼室主体2的侧壁开设有惰性气体接入口10，通过惰性气体接入口10向真空悬浮熔炼室内通入惰性气体，例如氩气。

真空悬浮熔炼室内设置有悬浮熔炼坩埚，悬浮熔炼坩埚采用水冷铜坩埚，可实现对高熔点多元复杂合金的熔炼，并且能够避免与高活性的合金发生反应，影响铸件的纯净度。如图2所示，悬浮熔炼坩埚由圆筒状结构的坩埚主体3和漏斗型结构的坩埚底17组成，坩埚底17的底端开口直径为5至20mm，坩埚底17与坩埚主体3固定连接。坩埚主体3的外壁上均匀缠绕有第一感应线圈4，第一感应线圈4与第一电源7连接，用于加热坩埚内的合金块，将合金块熔化。通过水冷铜坩埚和第一感应线圈4配合使用的方式对合金进行熔炼，熔炼温度更均匀，冷壳更少。而在现有技术中使用的钨电极类的熔炼过程中，金属熔化区仅仅局限于电弧加热的局部区域，当熔炼的金属尺寸增大或熔炼量增多时，很难保证金属的熔炼均匀性，金属液容易产生较厚的凝壳，导致吸铸材料的利用率低，并且铸造效率低。本装置通过悬浮熔炼感应加热实现了对合金的均匀化熔炼，有效提高熔炼效率，使材料的浇铸利用率可达到90%以上。由于不需要任何电极的直接加热熔化，避免了钨电极类的电弧熔炼过程中引入的钨杂质，真正意义上实现了全纯净熔炼。

坩埚底17的外壁上均匀缠绕有第二感应线圈5，第二感应线圈5与第二电源18连接。通过设置第二感应线圈5，使金属液向下流的过程中，可以持续对金属液进行加热，起到保温作用，防止温度损失而凝固。坩埚采用分体结构，使坩埚底17部能够增加更多的感应线圈，通过两个独立设置的第一感应线圈4和第二感应线圈5分别对坩埚主体3和坩埚底17进行加热，避免发生干涉，加强对坩埚底17部的加热效果，增强底部金属液的悬浮能力，防止凝壳的产生。

负压浇铸室1固定连接在真空悬浮熔炼室正下方，负压浇铸室1和真空悬浮熔炼室之间的隔板的中心位置开设有通孔。负压浇铸室1内设置有模具16，模具16的上表面与隔板的下表面固定连接。坩埚底17的端部、隔板的通孔以及模具16的浇筑口相对设置，并通过法兰将坩埚底17、隔板以及模具16固定连接在一起，使坩埚内的金属液通过坩埚底17直接流入模具16中。真空泵9通过管道分别与真空悬浮熔炼室、负压浇铸室1连通。负压吸铸机8的端口与模具16的排气口连接，利用负压将熔融金属吸入模具16中以形成铸件。

模具16的外壁上均匀缠绕有第三感应线圈6，第三感应线圈6与第三电源19连接，用于对模具16进行加热，减缓模具16中金属液的凝固速度，使金属液完全的充满型腔。通过本装置可有效解决大容量长时间的浇铸过程中，金属液的凝固导致浇铸缺陷的问题，实现了20kg以上大尺寸铸件的吸铸成形。

难熔高活多元复杂合金悬浮感应熔炼负压吸铸方法，按以下步骤进行：

S1、将合金块放入至悬浮熔炼坩埚内，将负压浇铸室1和真空悬浮熔炼室均抽至真空状态，当真空度达到1×10^-2Pa以下时，向熔炼室内充入氩气，进行惰性气体保护。

S2、开启第一电源7，第一电源7功率为50至100kW，对合金进行升温加热5至20分钟。同时开启第三电源19，第三电源19功率为40至200kW，使模具16内温度保持300至1800℃。

S3、调整第一电源7功率为100至150kW，继续对合金加热5至20分钟。

S4、调整第一电源7功率为200至250kW，继续对合金进行加热5至20分钟。

S5、当合金完全熔化后，将第一电源7功率升高50至200kW，且保持功率不变。

S6、开启第二电源18，第二电源18功率为60至200kW，提高坩埚底17部金属液的悬浮能力。

S7、开启负压吸铸机8，设置负压值小于7×10^-3Pa，利用压差值将熔化的合金液充分吸入至模具16中，形成铸件。吸铸完成后，依次关闭三个电源和负压吸铸机8。

本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种难熔高活多元复杂合金悬浮感应熔炼负压吸铸装置，包括：负压浇铸室、真空悬浮熔炼室、悬浮熔炼坩埚、模具、第一感应线圈、第二感应线圈、第三感应线圈、第一电源、第二电源和第三电源；其特征在于，

负压浇铸室连接在真空悬浮熔炼室下方，真空悬浮熔炼室内设置有悬浮熔炼坩埚，悬浮熔炼坩埚包括坩埚主体和坩埚底，坩埚底连接在坩埚主体底部，坩埚主体的外壁上缠绕有第一感应线圈，坩埚底的外壁上缠绕有第二感应线圈，坩埚底的下端口与模具的浇铸口连通，模具位于负压浇铸室内，模具的外壁缠绕有第三感应线圈；第一感应线圈、第二感应线圈、第三感应线圈分别与第一电源、第二电源、第三电源连接。

2.根据权利要求1所述的难熔高活多元复杂合金悬浮感应熔炼负压吸铸装置，其特征在于，坩埚底为漏斗型结构，坩埚底的底端开口直径为5至20mm。

3.根据权利要求1所述的难熔高活多元复杂合金悬浮感应熔炼负压吸铸装置，其特征在于，还包括负压吸铸机，负压吸铸机的端口与模具的排气口连接。

4.根据权利要求1所述的难熔高活多元复杂合金悬浮感应熔炼负压吸铸装置，其特征在于，还包括真空泵，真空泵通过管道分别与真空悬浮熔炼室、负压浇铸室连通。

5.根据权利要求1所述的难熔高活多元复杂合金悬浮感应熔炼负压吸铸装置，其特征在于，真空悬浮熔炼室的侧壁上开设有惰性气体接入口。

6.根据权利要求1所述的难熔高活多元复杂合金悬浮感应熔炼负压吸铸装置，其特征在于，还包括加料器、红外测温仪、观察窗和捣料杆，真空悬浮熔炼室包括熔炼室上盖和熔炼室主体，熔炼室上盖盖在熔炼室主体上，加料器的端部和捣料杆的端部分别穿过熔炼室上盖伸入至悬浮熔炼坩埚上方，红外测温仪安装在熔炼室上盖上，观察窗开设在熔炼室上盖上。

7.一种使用权利要求1至6任一项所述的难熔高活多元复杂合金悬浮感应熔炼负压吸铸装置的难熔高活多元复杂合金悬浮感应熔炼负压吸铸方法，其特征在于，按以下步骤进行：

S1、将合金块放入至悬浮熔炼坩埚内，将负压浇铸室和真空悬浮熔炼室均抽至真空状态，当真空度达到1×10^-2Pa以下时，向熔炼室内充入氩气；

S2、开启第一电源，第一电源功率为50至100kW，对合金块进行升温加热5至20分钟；同时开启第三电源，第三电源功率为40至200kW，使模具内温度保持300至1800℃；

S3、调整第一电源功率为100至150kW，继续对合金块加热5至20分钟；

S4、调整第一电源功率为200至250kW，继续对合金块进行加热5至20分钟；

S5、当合金块完全熔化后，将第一电源功率提高50至200kW，且保持功率不变；

S6、开启第二电源，第二电源功率为60至200kW；

S7、开启负压吸铸机，设置负压值小于7×10^-3Pa，将熔化的合金液吸入至模具中，形成铸件。

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