CN110769952A - 具有用于提高熔融金属质量的超声波单元的压铸炉*** - Google Patents

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Abstract

一种压铸炉***包括压铸保温炉单元，该压铸保温炉单元限定用于保持熔融金属的腔。在腔的内部布置有配料单元，并且该配料单元限定配料区域，该配料区域布置成与腔流体连通以用于在腔的增压期间接收熔融材料。所述压铸保温炉单元的腔具有第一贮存容量，并且所述配料单元的配料区域具有小于第一贮存容量的第二贮存容量。超声波单元与有限尺寸的配料区域可操作地联接，并且该超声波单元构造成将振动引入接收的熔融材料中以有助于使气体从接收的熔融材料中移除。利用超声波单元对有限尺寸的配料区域进行处理获得了通过现有技术的***所不能实现的改善的金属清洁度和精确度。

Description

具有用于提高熔融金属质量的超声波单元的压铸炉***
相关申请的交叉引用
本PCT国际专利申请要求于2017年6月16日提交的题为“Die Casting DosingFurnace With Ultrasonic Degassing System For Improved Aluminum Molten MetalQuality(具有用于提高铝熔融金属质量的超声波脱气***的压铸配料炉)”的美国临时专利申请序列No.62/520,940的权益，该美国临时专利申请的全部公开内容被认为是本申请的公开内容的一部分，并且通过参引并入本文。
发明背景
发明领域
本公开总体上涉及用于提高压铸保温炉单元中的熔融金属的质量的***和方法。
相关技术
本部分提供与本公开有关的背景技术信息，该背景技术信息不一定是现有技术。
传统的配料炉是具有喷嘴的封闭式保温炉，该喷嘴用于将直接金属(例如，液体金属或熔融金属)输送至冷室压铸机中。传统的配料炉设计成使得整个炉子必须针对机器的每个循环都增压。当配料炉中的金属液面被增压时，配料炉中的全部金属物理地向上移动。在压射之后，配料炉被减压并且金属返回至最低液面。这种类型的震荡可能产生浮渣、淤渣、氧化物等。另外，现有的配料炉在配料单元的底部处使用多孔塞以使氢气从金属(例如，铝)中脱气或移除。尚未实现将旋转式脱气单元成功引入增压配料炉内，因为这将导致关于配料炉本身的气密性，以及引入湍流、比如浮渣、氧化物等的问题。已尝试将超声波脱气用于小型保温炉；然而，常规的配料炉中的金属体积过大而不能有效地实施超声波脱气振动/波动。
发明内容
本部分提供本公开的总体概述，而不是本公开的全部范围或本公开的所有的特征、方面和目标的全面公开。
一种压铸炉***包括压铸保温炉单元，该压铸保温炉单元限定用于保持熔融金属的腔。压铸炉***还包括配料单元，该配料单元布置或定位在腔的内部并且限定配料区域，该配料区域布置成与腔流体连通以用于在腔的增压期间接收熔融材料。与配料区域可操作地联接有超声波单元，并且该超声波单元构造成将振动引入接收的熔融材料中以有助于使气体在熔融材料移动进入压铸机之前从接收的熔融材料中移除。
通过使用具有小型配料单元——该小型配料单元布置在压铸保温炉单元内——的压铸炉***，超声波单元对最佳体积量的熔融金属(例如，铝)进行操作，以在熔融金属被引入压铸机之前直接实现尽可能高的金属质量。本***还通过使用超声波单元与布置在压铸炉单元的腔内的配料单元的组合，获得了压铸炉***中的金属清洁度和精确度的最佳组合。因此，超声波单元提供了金属的熔融物质量方面的大的提高。实际上，如将在下面更详细地说明的，相较于氩(Ar)旋转式脱气和其他***，浮渣和/或氢气的量减小了多于五倍。因此，有限尺寸的配料单元与超声波单元结合的组合相对于现有技术的***有利地提供了具有更低的氢气含量、更高的密度、更低的孔隙数和更高的拉伸性能的经处理熔融金属。
本发明的这些和其他目标、特征及优点将根据以下描述而变得更加明显。
附图说明
本发明的其他优点将容易被领会，因为本发明的其他优点通过参照在结合附图考虑时的下述详细描述而变得更好理解，在附图中：
图1是示出处于再填充循环期间的包括配料单元的压铸保温炉***的横截面侧视图；
图2是示出配料循环的压铸保温炉***的横截面侧视图；
图3A是压铸保温炉***的横截面侧视图，其示出了与配料单元可操作地联接的超声波单元；
图3B是图3A的一部分的放大视图，该放大视图示出了超声波单元的探头，其定位在配料单元中的熔融金属内用于引入脱气剂并且产生空化气泡；
图4是压铸保温炉***的横截面侧视图，其示出了与配料单元可操作地联接的自动式晶粒细化单元；
图5A是压铸保温炉***的横截面侧视图，其示出了与超声波单元可操作地联接的用于金属基复合材料(MMC)的自动给料单元；以及
图5B是图5A的一部分的放大视图，该放大视图示出了超声波单元的定位在熔融金属内的用于引入脱气剂以及从自动给料单元接收的陶瓷颗粒的探头。
具体实施方式
参照附图，其中，贯穿若干视图，相似的附图标记指示对应的部分，在图1至图5中总体上示出了被称为双室炉的压铸保温炉***100。压铸保温炉***100包括压铸保温炉单元102，该压铸保温炉单元102限定有腔103，该腔103具有用于保持熔融金属或熔融材料104的第一贮存容量。熔融金属104可以包括铝、Al-Si-Mg合金(300系列铝)或者其他金属或合金。炉单元102是封闭式保温炉，该封闭式保温炉具有通向压铸机压射套筒106的流槽***，以用于将熔融金属106从压铸保温炉单元102通过压射套筒104分配至压铸机108。
在腔103的内部布置或定位有配料单元110，并且配料单元110限定了配料区域112，该配料区域112布置成与腔103流体连通以用于在再填充循环期间接收熔融金属104。例如，图1示出了在该再填充循环期间的压铸保温炉***100，在该再填充循环中，从正在施加于配料区域112的压力减小或移除例如60毫巴(mbar)的压力，从而使配料区域112被熔融金属104填满。换句话说，在再填充循环期间，压铸炉单元102内部的正压力使配料单元110内部的熔融金属104的液面增高，直到熔融金属104达到特定的液面或液面范围为止。如图中所示，由配料单元110限定的配料区域112具有第二贮存容量，该第二贮存容量小于压铸炉单元102的腔103的第一贮存容量。如将在下面更详细地解释的那样，与压铸炉单元102的腔103相比，配料区域112的这种较小的或有限的尺寸允许对再填充循环期间接收的熔融金属104在其被引入压铸机108之前进行优化处理。
如在图1中进一步所示，配料区域112具有入口113和出口114，该入口113布置成与腔103流体连通以用于从压铸保温炉单元102接收熔融金属104，该出口114布置成与压射套筒106流体连通。在入口113中布置有例如单向球阀的止回阀115，以用于允许熔融金属104在再填充循环期间穿过入口113，同时防止熔融金属104在被接收在配料区域112内时返回至腔103。
图2示出了在配料循环期间的压铸保温炉***100。配料循环开始于在配料单元110内部产生的正压力、例如再施加上述的60mbar，使得止回阀115关闭并且熔融金属104通过压射套筒106被排出并进入压铸机108中。当特定量的熔融金属104被输送到压铸机108中时，通过使施加至配料单元110的压力减小或解除而结束配料过程。熔融金属104的特定量可以是预定的量。当配料循环完成时，配料单元110中的熔融金属104的液面处于比配料循环开始之前的熔融金属104的液面低的液面处。在配料循环完成之后，压铸保温炉***100准备开始再填充循环。如图1中所示，再填充循环运行直到配料区域112内的熔融金属104的液面再次返回至特定的液面为止，并且压铸保温炉***100准备开始另一个配料循环。
如在图3A中最佳示出的，压铸保温炉***100包括超声波单元116，该超声波单元116与配料单元112以可操作的方式联接，并且该超声波单元116构造成将振动引入在再填充循环之后接收在配料区域112内的熔融金属104中。如将在下面更详细地说明的，超声波单元116有助于在接收的熔融金属104被分配至压射套筒106之前从接收的熔融金属104中移除气体。超声波单元116包括探头117，该探头117附接至保温炉单元102并且向下延伸成定位在配料区域112中布置或接收的熔融金属104内。探头117构造成产生振动并且另外在配料区域112内提供脱气剂118，该脱气剂118用以在熔融金属104移动进入压铸机108之前与熔融金属104相互作用。脱气剂118用于使气体比如氢气从熔融金属104中移除以对进入压铸机108的熔融金属104提供净化。如前所述，配料区域110具有限定的或有限的贮存容量，该贮存容量比保温炉单元102的腔103更小。因此，超声波单元114结合配料区域112的这种有限的贮存容量提供了对熔融金属104的改进的净化，这是因为超声波单元仅对布置在配料单元110内的熔融金属104进行处理，并且因此超声波单元更适合地定尺寸成使熔融金属104有效且高效地脱气。
如在图3B中最佳示出的，脱气剂包括由探头117引入熔融金属104中的载体气体120和空化气泡122两者。空化气泡122可以在其在整个熔融金属104中移动、包括到达熔融金属104的表面时通过空化气泡122运输气体。然而，在没有任何帮助的情况下，空化气泡122可能会在到达表面之前破裂。因此，载体气体120可以用于在整个熔融金属104中运输空化气泡122和被溶解的气体。从超声波单元114的探头117产生的高强度超声波振动使载体气体120气泡破裂并且产生大量的空化气泡122。载体气体120气泡可能残存在熔融金属104中，因为载体气体120气泡在熔融金属104中不溶解。当载体气体120在整个熔融金属104中移动时，载体气体120收集含有溶解的气体的空化气泡122，并且在整个熔融金属104中均匀地运输所述空化气泡122，从而提高了脱气效率。另外，超声波振动还产生较小的脱气剂气泡，这在使熔融金属104脱气的同时允许更大的表面区域。在超声波单元116对熔融金属104进行操作之后，熔融金属104移动穿过压铸机压射套筒106、朝向压铸机108移动并且移动到压铸机108中。
为了生产高质量铝合金产品，需要对铸造结构进行精密控制。用以提供精细且均匀的铸态晶粒结构的有效方法是向熔融金属104添加诸如成核剂之类的晶粒细化剂128以在固化期间控制晶体形成。如在图4中最佳示出的，压铸保温炉***100包括自动式晶粒细化单元130，该自动式晶粒细化单元130与配料区域112可操作地联接以将晶粒细化剂128引入接收的熔融金属104中。晶粒细化单元130包括线杆132，该线杆132定位在配料单元110中，以在熔融金属104再填充配料区域112时引入晶粒细化剂128。该步骤在压铸机(DCM)循环之间执行。晶粒细化单元130将晶粒细化剂128添加到配料区域110中以用于与熔融金属104直接接触。晶粒细化剂128可以是添加至熔融金属104或合金的用以控制晶粒成长的化学制剂、比如SiO2或TiB2。
如在图5A中最佳示出的，压铸保温炉***100包括自动式金属基复合材料(MMC)给料单元134，该自动式金属基复合材料(MMC)给料单元134与超声波单元116可操作地联接，并且该自动式金属基复合材料(MMC)给料单元134构造成向超声波单元116提供陶瓷颗粒136。如在图5B中最佳示出的，超声波单元116然后经由探头117将脱气剂118和陶瓷颗粒136两者释放到熔融金属104中。陶瓷颗粒136直接给料到超声波中以用于在整个熔融金属104中均匀分布。陶瓷颗粒136可以包括SiC、B4C、纳米氧化铝(Al2O3)装饰铝或SiO2陶瓷复合材料或其他合适的材料。
由自动式MMC给料单元134提供的超声波辅助装置包括用于洛伦兹(Lorentz)力搅拌和焦耳(Joule)加热两者的电磁泵138。如在图5A中所示，电磁泵138向导体施加交变磁场(单相或多相)以在导体中感应电流，其中，磁场用作非侵入性搅拌装置，并且使电流穿过导体以产生热。换句话说，电磁泵138是利用电磁作用使熔融金属104(即，液体金属或任何导电性液体)移动的泵。当熔融金属104移动到磁场中时，电流穿过熔融金属104，从而产生使熔融金属104与脱气剂118和陶瓷颗粒136一起移动的电磁力。这防止了陶瓷颗粒136在到达压铸机108之前在熔融Al的均匀分布中沉淀。
如上所述，由超声波单元116提供的带有脱气剂的超声波振动与配料区域112的有限的贮存容量结合实现了金属的熔融物质量方面的大的提高。例如，如由下面的表1建立的，这种结合使得浮渣量相较于氩旋转式脱气减小了多于五倍。这种结合相较于其他***也提供了氢气量的减少。
更详细地，表1是对Al-Si-Mg合金使用不同的脱气方法之后250kg的经脱气的Al-Si-Mg合金的各种性能的比较。例如，对250kg的Al-Si-Mg合金使用超声波脱气产生0.17cm3/g的分子氢含量、2.706g/cm3的密度、1至2的孔隙数和245MPa(每单位面积的力)的统一螺纹标准(UTS)的拉伸性能以及5.1％El(延伸率)。与其他脱气方法相比较，使用超声波脱气是更有利的方法，因为使用超声波脱气产生更低的氢气含量、更高的密度、更低的孔隙数和更高的拉伸性能。
表1
Figure BDA0002319766150000061
在一个实施方式中，诸如SiO2的低成本且更有效的晶粒细化剂128经由配料单元110被引入到熔融金属104中。晶粒细化剂SiO2比通常使用的TiB2中间合金便宜并且在晶粒细化方面更有效。参照表2至表5，SiC和/或B4C陶瓷复合材料按照小剂量被添加直到材料成为原位MMC为止。该复合材料可以具有提高的强度和模量。然而，该复合材料可能具有较低的延展性。
表2是当陶瓷复合材料按照小剂量被添加时，原位MMC的密度特性的比较。例如，随着陶瓷复合材料的量增加，MMC的密度增大(即，从不添加陶瓷复合材料的情况下的2.65g/cm3至陶瓷复合材料构成MMC的15％的情况下的2.82g/cm3)。
表2
Figure BDA0002319766150000071
表3是当陶瓷复合材料按照小剂量被添加时，原位MMC的硬度特性的比较。例如，随着陶瓷复合材料的量增加，MMC的硬度增大(即，从不添加陶瓷复合材料的情况下的62HBW至陶瓷复合材料构成MMC的15％的情况下的72HBW)。
表3
Figure BDA0002319766150000072
表4是当陶瓷复合材料按照小剂量被添加时，原位MMC的拉伸模量特性的比较。例如，随着陶瓷复合材料的量增加，MMC的拉伸模量增大(即，从不添加陶瓷复合材料的情况下的75GPa至陶瓷复合材料构成MMC的15％的情况下的125.25GPa)。
表4
Figure BDA0002319766150000073
表5是当陶瓷复合材料按照小剂量被添加时，原位MMC的拉伸性能的比较。例如，随着陶瓷复合材料的量增加，MMC的每单位面积的力增大(即，从不添加陶瓷复合材料的情况下的205UTS至陶瓷复合材料构成MMC的15％的情况下的260UTS)，而MMC的延伸率减小(即，从不添加陶瓷复合材料的情况下的15％El至陶瓷复合材料构成MMC的15％的情况下的13％El)。
表5
如在本公开中所描述的具有配料单元110和超声波单元116的组合的压铸保温炉***100具有各种有益的结果。一个有益的结果是超纯净熔融金属104、比如熔融铝。另一益处是该压铸保温炉***100的配料精确度在+/-1％内。此外，在配料区域112既被熔融金属104再填充又同时被增压的情况下，配料是精确的。这与常规***不同，常规***由于比例阀在再填充期间变得混乱、炉子金属液面变化等而具有***增压方面的问题。另一益处是对配料金属的更好的温度控制。
再一益处是，压铸保温炉***100允许小添加量的晶粒细化剂128、例如TiB2和/或SiO2被直接添加至熔融金属104，从而由于超声波而形成均匀分布。压铸保温炉***100还允许小添加量的陶瓷颗粒136被直接添加至熔融金属104，从而由于超声波而形成均匀分布，这产生原位MMC材料。
为了说明和描述的目的，已经提供了实施方式的前述描述。该前述描述并非旨在穷举或限制本公开。特定实施方式的各个元件或特征通常不限于该特定实施方式，而是在适用的情况下能够互换，并且即使在未具体示出或描述的情况下也可以在选定的实施方式中使用。特定实施方式的各个元件或特征也可以以多种方式变化。这些变型不被认为是背离本公开，并且所有这些改型都旨在包括在本公开的范围内。

Claims (15)

1.一种压铸炉***，包括：
压铸保温炉单元，所述压铸保温炉单元限定用于保持熔融金属的腔；
配料单元，所述配料单元布置在所述腔内并且限定配料区域，所述配料区域布置成与所述腔流体连通，以用于在所述腔的增压期间接收熔融材料；以及
超声波单元，所述超声波单元与所述配料区域可操作地联接，并且所述超声波单元构造成在接收的熔融材料中引入振动以有助于从所述接收的熔融材料中移除气体。
2.根据权利要求1所述的压铸炉***，其中，所述超声波单元包括探头，所述探头延伸到所述配料区域中，以在所述超声波单元与所述配料区域之间建立所述可操作的联接并且另外将脱气剂引入所述接收的熔融材料中。
3.根据权利要求2所述的压铸炉***，其中，所述压铸保温炉单元的所述腔具有第一贮存容量，并且所述配料单元的所述配料区域具有小于所述第一贮存容量的第二贮存容量。
4.根据权利要求3所述的压铸炉***，其中，所述配料区域具有入口和出口，所述入口布置成与所述腔流体连通以用于从所述压铸保温炉单元接收所述熔融材料，所述出口布置成与压射套筒流体连通以用于将所述熔融材料在通过所述脱气剂处理之后从所述配料单元分配并且分配到压铸机中。
5.根据权利要求4所述的压铸炉***，其中，所述脱气剂包括载体气体，并且所述探头构造成产生超声波振动以用于使所述载体气体破裂并且将多个空化气泡引入所述接收的熔融材料中。
6.根据权利要求5所述的压铸炉***，还包括自动式晶粒细化单元，所述自动式晶粒细化单元与所述配料区域可操作地联接以将晶粒细化剂引入所述接收的熔融材料中。
7.根据权利要求6所述的压铸炉***，其中，所述自动式晶粒细化单元包括线杆，所述线杆定位在所述配料区域内以在所述自动式晶粒细化单元与所述配料区域之间建立所述可操作的联接。
8.根据权利要求7所述的压铸炉***，其中，所述晶粒细化剂包括SiO2或TiB2中的至少一者。
9.根据权利要求5所述的压铸炉***，还包括：
自动式金属基复合材料给料单元，所述自动式金属基复合材料给料单元与所述超声波单元可操作地联接，并且所述自动式金属基复合材料给料单元构造成向所述超声波单元提供陶瓷颗粒；并且
所述探头构造成将所述陶瓷颗粒与所述载体气体和所述空化气泡一起引入所述接收的熔融材料中。
10.根据权利要求9所述的压铸炉单元，其中，所述陶瓷颗粒包括SiC、B4C或纳米氧化铝(Al2O3)装饰铝中的至少一者。
11.根据权利要求9所述的压铸炉单元，还包括电磁泵，所述电磁泵与所述压射套筒可操作地联接，以用于使从所述配料区域的所述出口分配的熔融材料移动穿过所述压射套筒并且防止所述陶瓷颗粒在到达所述压铸机之前从分配的熔融材料中沉淀出来。
12.根据权利要求11所述的压铸炉单元，其中，所述电磁泵构造成对所述分配的熔融材料产生洛伦兹(Lorentz)力搅拌和焦耳(Joule)加热两者。
13.根据权利要求4所述的压铸炉单元，其中，所述配料区域的所述入口包括止回阀，所述止回阀用于允许所述熔融材料在所述压铸保温炉单元的所述腔的所述增压期间穿过所述入口，并且用于防止所述熔融材料在被接收在所述配料区域内时返回至所述腔。
14.根据权利要求1所述的压铸炉单元，其中，所述压铸保温炉单元是封闭式保温炉。
15.根据权利要求2所述的压铸炉单元，其中，所述探头紧固至所述压铸保温炉单元并且向下延伸到所述配料区域中。
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