CN1887481A - 镁合金液态金属控制装置 - Google Patents

Abstract

一种镁合金液态金属控制装置，属于镁及镁合金的压铸技术领域。该装置包括：快速熔炉(10)、搅拌测量装置(20)；快速熔炉(10)与搅拌测量装置(20)之间以带绝缘保温层的虹吸管(43)相连；快速熔炉包括：坩埚、感应线圈、推拉门、保护气体供应管、可移动的基座放在坩埚底部。坯锭支撑框架把熔融的坯锭限制在熔炉中央。搅拌测量装置包括：温度控制筒、单螺旋、变速传动装置、控制螺旋器往复运动的直线平移传动装置、进口阀门、出口阀门、容量控制活塞、保护气体供应管、传输管。优点在于；熔体输出设备体积小、操作方法灵活，成本较低、维护简易。快速熔化、液态金属停留时间短有效解决了镁合金熔体的防护和准确的定量输送。

Description

镁合金液态金属控制装置

技术领域

本发明属于镁及镁合金的压铸技术领域，特别是提供了一种镁合金液态金属控制装置。

发明背景

发明是关于镁及镁合金的压铸(HPDC)。压铸工艺是一种生产大量金属零件的金属制造方法，具有高效率、低成本和优质的特点。因此，在汽车工业和消费品方面使用广泛。概括而言，压铸可以分为热室压铸工艺和冷室压铸工艺。在热室压铸工艺中，压射杆浸在热的金属浴中，液态金属通过一个加热的所谓鹅颈管的S形管道传送到模腔中；而在冷室压铸工艺中，是将液态金属直接传送到压射室里，压射室不用加热器等外部加热的方法进行加热。基于他们各自的特点，冷压工艺通常用于铝合金，而热压工艺通常用于锌合金。

在冷室压铸工艺中，液态金属控制***将具有一定合金成分、温度和重量的液态金属传送到压射室里，由此，由一个液压活塞将其压入模腔中从而在凝固之后生产出所需的零件。大致来讲，压铸机由两部分组成，一个液态金属控制***和一个零件成形***(压铸机)。

这个发明是特别针对镁合金冷室压铸的液态金属控制***。。与铝合金和锌合金不同，镁及镁合金在液态下非常活泼。它具有很高的蒸汽压，并且与氧有很强的亲和力。与潮湿空气相遇，镁与氧剧烈反应，引起剧烈燃烧。这使得液态镁合金操作控制成为压铸工业的一项很有挑战的难题。

传统的液态镁合金控制***由一个位于电或煤气加热炉中密封的钢制坩埚和一个向压铸机传输液态镁的测量装置组成。坩埚中熔化的镁用气体来保护，保护气体用不少于1％(vol％)SF₆的干燥空气或者不少于1％(vol％)SO₂的干燥空气。镁熔体的定量通常用几种技术来实现，包括气体活塞泵，活塞式泵，离心泵，真空传输***，电磁泵，阿基米德螺旋泵和虹吸管重力传输，后两种是最常用的定量技术。为了减少镁熔化中的氧化，常用双炉***控制液态镁。其中一个炉子特别设计用做接收和熔化镁锭，另一个炉子用来保温和输送镁熔液到压铸机中。熔化炉和保温炉通过一个虹吸管来保持熔体在两个炉子中处于同一水平。这必然导致液态金属控制***在体积上比较庞大。

液态金属控制***的主要作用就是向压铸机中传输确定量的具有一定温度的纯净镁熔体。这里的纯净镁熔体指的是含最少量的氧和金属夹杂、以及不含任何金属杂质如Ni、Cu、Fe。然而，传统液态金属控制***对于这种基本要求解决的并不尽如人意。

认识熔炉中的氧化过程可以帮助我们识别液态金属控制***中的问题，并找出解决办法。镁熔炉中的氧化过程用图6来详细描述。在炉盖(1)密封的钢制坩埚(8)中，保护气体(混和了0.5％SF₆的干燥空气)(2)传输到坩埚中占据了液态金属上方的空间。SF₆比空气重的多，就在干燥空气和镁熔体之间形成了一层SF₆层(3)。就是这个SF₆惰性气体层为镁合金熔体提供了主要的保护。在SF₆和镁熔体的界面，残留的氧与液态镁发生反应形成固态氧化镁(MgO)，这是镁熔体顶端粘性渣层(氧化层)(4)的主要成分。MgO颗粒比液态镁重，会逐渐形成氧化物(6)大量沉积最后到达坩埚底部，成为所谓的渣泥(7)的主要来源。重力驱使氧化物颗粒通过镁熔体(5)沉淀。沉淀速度与熔体和氧化物颗粒的密度差成正比，与熔体的粘度成反比。渣层越厚，或者液态金属层越稀(即粘度越小)，或者渣层由于装锭而破坏。氧化物越下沉加剧。显然，只要在熔体顶端有一层渣层，那么通过镁熔体的氧化物颗粒(图6)就不可避免。因此，熔体不可能纯净，并且在炉底不可避免的会有渣泥的形成。

传统熔炉中形成的渣泥和氧化层的主要化学成分如表1所示。氧化层中有50％是氧化物，渣泥中有30％是氧化物。从表1中可以看出，氧化层和渣泥的形成引起了液态金属控制过程中大量熔体的损失。

表1传统熔炉中熔融物的典型化学组成

熔融物	AZ91D	渣泥	氧化层
				金属，％	99.95	70	50
氧化物，％	0.05	30	50

从科学意义上来讲，像其他的化学反应，氧化产物的量是和氧化速率和氧化时间成正比的。为了减少氧化，应该减小氧化速率和液态金属的停留时间。而且，根据反应动力学，降低反应温度、SF₆层的氧分压和暴露到氧气中的镁熔体的总面积，就可以降低氧化速率。实际上，为了减少氧化，一方面必须降低液态金属的温度，减少熔体表面积和熔体的停留时间，另一方面必须增强保护气体的有效性。对液态镁氧化的这种了解可以用来分析传统液态镁控制***。

目前广泛使用的镁熔化控制***的主要缺点是：(1)与坯锭熔化之前的原始氧含量相比，有10倍甚至更多的氧夹杂进入到最后的固态零件中。在铸件中有这么高的夹杂，一方面会降低力学性能，另一方面会减小零件的抗腐蚀性。(2)双炉***的另一个缺点是体积庞大。在当前的工业应用中，熔炉的体积需要是大概每小时熔体消耗率的3.5倍。这对液态金属的处理操作有很大弊端。一个大的熔炉意味着较长的液态金属停留时间(通常2-5小时)，并且有大的熔体表面积，这两点都有助于形成更多的氧化物；更多的氧化物就意味着更多的氧化层和更多的渣泥；除去氧化层和渣泥这样的定时清洁工作(通常一天几次)就变成了一项必要而繁琐的工作，这不仅导致更多的停产时间，并且提高生产成本。(3)一个大的熔炉造价更高，也要求更大的厂房空间以及更多的维护工作，这些全都会增加一个零件的成本。(4)氧化层和渣泥会导致熔体的损耗以及熔体化学组成的恶化。(5)。坯锭的表层，通常厚度不超过10μm，它以薄片的形式存在于熔体中，形成氧化物的量虽不大，却严重影响镁熔体的铸造性能。在给定的温度下大大降低了熔体的流动性，造成欠铸并引起铸造缺陷。(6)测量的精确度低，与规定量相比通常会有±10％的误差。当液态金属测量偏低时，零件有缺陷，当液态金属测量偏高时，损耗增多。

(7)熔体的过氧化。传统液态金属控制***的又一个缺点是冷压室通常在过热(650-710℃)的温度下工作。这种高的熔体温度会引起熔体的过氧化，从而导致最后的铸件的含氧量升高。

(8)熔炉内的熔体量较大并且具有较大的表面积而需要保护气体的消耗很大。

因此，为了开发有效的液态金属控制***，必须解决熔体的氧化问题。这包括：(1)通过降低熔体温度、减小熔体表面积以及保证保护气体的有效供应来减小氧化率；(2)缩短熔体的停留时间；(3)通过分散氧化物团簇以及细化坯锭表层来使熔炉中夹杂的有害作用尽量降低；(4)传输液态金属的温度应有利于细化凝固结构。

发明说明

本发明的目的在于提供一种镁合金液态金属控制装置，解决了镁合金熔体的有效防护和准确的定量输送。通过用感应加热作为加热手段，实现把镁锭快速熔化到需要的温度，将准确量的液态镁传送到压铸机的冷压室里以完成零件生产。可以对熔体温度的准确性和均一性提供有效的温度控制。

通过一个搅拌装置来降低氧化物夹杂对最终零件的力学性能的有害作用。这个搅拌装置可以分散熔体中的氧化物团簇并且细化坯锭表层，提供一个具有紧密结构的精细的氧化物颗粒的均匀分布。可以在一个准确均匀的温度下传输液态金属，因此可以在一个较大的温度范围内进行铸造，即从合金(过热合金)的液相线之上的温度到合金的液相线以下的温度(半固态铸造)。

本发明的控制装置包括：快速熔炉10、搅拌测量装置20；快速熔炉10与搅拌测量装置20之间以带绝缘保温层的虹吸管43相连。

快速熔炉包括：坩埚11、感应线圈12、推拉门13、保护气体供应管14、可移动的基座15、坯锭支撑框架16，圆柱形状的陶瓷(或者钢)坩埚11、感应线圈12作为加热装置、推拉门13从顶端对熔炉进行密封、保护气体供应管14、可移动的基座15放在坩埚底部；坯锭支撑框架16把熔融的坯锭17限制在熔炉中央。

坩埚11呈圆形，并且高度与直径之比等于3-5。坩埚的容积应该和感应线圈的熔化能力以及压铸机对液态金属的消耗率相匹配。坩埚的材料选择陶瓷材料或钢。

感应线圈12位于坩锅11的外层，二者隔以绝缘材料，由铜管缠绕而成，中间通水冷却。频率和功率输入与坩锅容量相匹配，可以实现快速熔化，同时与压铸机的镁合金消耗率相匹配。

推拉门13位于坩锅11的上沿，采用滑动的形式，可以使预热的镁锭放置比较容易，并且对熔炉内部进行密封从而避免熔炉内外任何的气体交换。

保护气体供应管14由坩锅11和感应线圈12的上沿穿入坩锅，沿内壁呈环状均匀分布圆孔型出口的圆管。使保护气体可以按照一定的组成和消耗率来平稳的进气。保护气体是混有SF₆或SO₂的干燥空气。

基座15位于坩锅11底部、感应线圈12以内，是可拆卸式的。采用与坩锅相同的材料，其绝热作用可以使基座的热损失最小，密封作用可以避免从坩埚和基座之间缝隙的任何泄漏，便捷通道使得清理坩埚内部的渣泥以及周期维护变得很容易。

坯锭支撑框架16放置在坩锅11的中央，下面与基座15相接。其主要作用是把熔融的坯锭17限制在熔炉的中央位置，这样可以获得更有效的加热。坯锭支撑框架的另外一个作用就是就是减少坯锭在放置过程中对坩埚的影响。坯锭支撑框架的又一个作用是通过在坯锭支撑框架中放置一个合适的过滤器18来收集坯锭引入的大块夹杂。

快速熔炉的主要作用是：接受来自预热站的坯锭；对液态金属提供有效保护；把坯锭快速转换成液态金属；对熔体温度的初步控制；对氧化层和渣泥的清洁措施；为搅拌定量装置提供纯净的液态金属。

搅拌测量装置包括：温度控制筒21、单螺旋22、变速传动装置23、控制螺旋器往复运动的直线平移传动装置24、进口阀门40、出口阀门50、容量控制活塞27、保护气体供应管28、传输管29。

温度控制筒21装备了加热元件31和冷却通道32。单螺旋22安装于温度控制筒21内，其顶端装有变速传动装置23驱动单螺旋旋转。主要作用是在温度控制筒21内对液态金属给予强烈的分散和置换搅拌作用。单螺旋22的外形为等距柱螺旋，可以液压传动或者电力传动。单螺旋22的轴向移动靠一个紧邻变速传动装置23的直线平移传动装置24来实现，可以液压传动或者气压传动。传输管29固定在温度控制筒21的底部，把处理过的液态金属传输到压铸机的压射室30里。温度控制筒21和容量控制活塞27之间的间隙控制在0.2mm

搅拌是在保护气体供应管28供给的保护气体下完成的。考虑到液态金属在搅拌器中强烈的进行搅拌运动，保护气体的保护作用应该比传统液态金属控制***更加有效。更可取的保护气体是氩气、氮气、或者是混和了一定量SF₆或SO₂的气体。另外，保护气体应该采取缓慢均匀的输送方式，通过一个多出口的管道输送到温度控制筒内。

进口阀门(图3中的40)是把液态金属通过一个虹吸管43从熔炉10中传送到搅拌测量装置20中。进口阀门40由一个安装在螺旋轴42上面的阀门主体41和一个温度控制的虹吸管43组成。

阀门主体41由与搅拌叶片46相连接的两个缸44、45组成(图4)。阀门主体41牢固的安装在螺旋轴42上，它与温度控制筒21之间的间隙48控制在0.2mm。这样它就随着螺旋的转动而转动。搅拌叶片46在搅拌过程中对液态金属进行搅拌。搅拌叶片46的形状应该设计得可以提高搅拌效率。液态金属通过阀门主体41的开放通道47在搅拌测量装置20的顶部和下部之间传动。螺旋沿着螺旋轴进行直线平移，在搅拌过程中虹吸管开放，在搅拌器排出状态时虹吸管关闭。

出口阀门(图5中的50)位于温度控制筒21的底部，由出口阀门主体51和出口阀座54组成。出口阀门主体51固定在螺旋轴42上随着螺旋而转动。沿着螺旋轴而进行直线平移运动，从而在搅拌过程中密封出口通道52，在处理过的液态金属进行排放时开放出口通道52。是把处理过的液态金属通过一个传输管29从搅拌测量装置中传输到压射室里。出口阀门的排放速率通过改变螺旋的转动速率来改变。

通过安装在螺旋轴上的定量活塞27正确定位来实现准确定量(图1)。定量活塞27以下、温度控制筒21以内的液态金属的量刚好是单独压射一次的量。定量活塞27的高度应该比在熔炉内放置预热坯锭时产生的金属液面的波动位置19要高10-50mm。温度控制筒21和定量活塞27之间的间隙控制在0.2mm，可以做到气体可以畅通而液体难以通过。

搅拌测量装置的基本作用是：达到准确均匀的温度；分散氧化物团簇；细化片状氧化物；准确测量；提供半固态浆料(可以选择)；快速进料，传输到压铸***中。

本发明的优点在于：快速熔化、液态金属停留时间短(定义为放入坯锭到形成固体零件的时间间隔)、熔体温度低、测量准确、熔体输出设备体积小、操作方法灵活。与传统液态金属控制***相比，铸造前熔体较纯净，氧化充分减少，氧化层和渣泥的形成减少甚至消除，由于减少了表面面积因此气体保护更加有效，设备成本更低，设备维护更少。

附图说明

图1为本发明的液态金属控制***的示意图。其中，快速熔炉10、坩埚11、感应线圈12、推拉门13、保护气体供应管14、可移动的基座15、坯锭支撑框架16、熔融的坯锭17、过滤器18、搅拌测量装置20、温度控制筒21、单螺旋22、变速传动装置23、容量控制气缸27、保护气体供应管28、压铸机压射室30、进口阀门40、虹吸管43、出口阀门50。

图2为本发明的用于液态金属控制***的搅拌测量装置的示意图。其中，传输管29、加热元件31、冷却通道32。控制单螺旋往复运动的直线平移传动装置24、传输管29。

图3为本发明的用于液态金属控制***的进口阀的示意图。其中，阀门主体41、螺旋轴42、阀门主体与温度控制筒之间的间隙48。

图4为本发明的用于液态金属控制***的进口阀A-A截面的示意图。其中，缸44、45、搅拌叶片46、开放通道47，

图5为本发明的用于液态金属控制***的出口阀的示意图。其中，螺旋轴42，出口阀门主体51、出口通道52、出口阀座54。

图6为压铸工艺中传统液态金属控制***的氧化过程示意图。其中，炉盖1、保护气体2、SF₆气体层3、氧化层4、镁合金熔体5、氧化物6、渣泥7、坩锅8。

具体实施方式

把一个单独的坯锭从预热的位置放入到熔炉10中。坯锭17浸入熔体中并竖直的立在坯锭支撑框架16中，并在感应加热线圈12的强力作用下在原处快速熔化。由于磁场的搅拌行为，熔炉内部的熔体温度应该是比较均匀的。这个发明的搅拌测量装置以循环方式操作。在一个周期的开始，旋转的单螺旋22在靠下的位置，这样进口阀门是开放的，出口阀门是关闭的。熔炉中的熔体通过虹吸管43传送到搅拌测量装置20中。定量活塞27的位置决定了进料量是一次压射所需准确的量。搅拌测量装置10中的熔体靠转动的单螺旋(22)进行强烈搅拌。在进行一段时间的搅拌后，把单螺旋提起来，关闭进口阀门，打开出口阀门，这样把搅拌后的液态金属排放到压铸机的压射室30里。出料之后，把螺旋放到靠下的位置，关闭出口阀门，打开进口阀门，为下一周期做准备。在每个周期过程中，螺旋旋转速度根据液态金属的进料、搅拌和出料分别设定不同的水平。

液态金属控制***是整个压铸***的主要部分。所有功能单元应该通过一个中央控制单元同步进行的。

这个发明的液态金属控制***采取三种不同的方式操作。一种是在零件成形时把过热金属从搅拌测量装置中传送到压射室里。这种方法能够保证液态金属高的流动性，适合于压铸薄壁零件。另一种方式是，搅拌测量装置设定一个接近被加工金属液相线的温度。通过提高压射室里液态金属的总体形核率来形成具有低固相分数的半固态浆料。这就是所谓的液相线浇铸。这种方法适合于铸造复杂零件。第三种操作方式是把温度控制筒的温度设定在此合金的液相线和固相线之间，从而在搅拌测量装置中形成半固态浆料。半固态浆料的固相分数通过改变温度控制筒的温度来进行调整。这就是所谓的半固态压铸工艺，适用于完整性要求很高的零件。

Claims (6)

1、一种镁合金液态金属控制装置，其特征在于：该装置包括：快速熔炉(10)、搅拌测量装置(20)；快速熔炉(10)与搅拌测量装置(20)之间以带绝缘保温层的虹吸管(43)相连；快速熔炉包括：坩埚(11)、感应线圈(12)、推拉门(13)、保护气体供应管(14)、可移动的基座(15)、坯锭支撑框架(16)、可移动的基座(15)放在坩埚底部、感应线圈(12)以内；坯锭支撑框架(16)放置在坩锅(11)的中央，下面与基座(15)相接，把熔融的坯锭(17)限制在熔炉的中央位置；在坯锭支撑框架中放置过滤器(18)来收集坯锭引入的大块夹杂；搅拌测量装置包括：温度控制筒(21)、单螺旋(22)、变速传动装置(23)、控制螺旋器往复运动的直线平移传动装置(24)、进口阀门(40)、出口阀门(50)、容量控制活塞(27)、保护气体供应管(28)、传输管(29)；温度控制筒(21)装有加热元件(31)和冷却通道(32)；单螺旋(22)安装于温度控制筒(21)内，其顶端装有变速传动装置(23)驱动单螺旋旋转，在温度控制筒(21)内对液态金属给予强烈的分散和置换搅拌作用，单螺旋(22)的外形为等距柱螺旋，以液压传动或者电力传动，单螺旋(22)的轴向移动靠一个紧邻变速传动装置(23)的直线平移传动装置(24)来实现，以液压传动或者气压传动，传输管(29)固定在温度控制筒(21)的底部，把处理过的液态金属传输到压铸机的压射室里。

2、按照权利要求1所述的装置，其特征在于：坩埚(11)呈圆形，并且高度与直径之比3-5，坩埚的容积应该和感应线圈的熔化能力以及压铸机对液态金属的消耗率相匹配，坩埚的材料选择陶瓷材料或钢。

3、按照权利要求1所述的装置，其特征在于：感应线圈(12)位于坩锅(11)的外层，二者隔以绝缘材料，由铜管缠绕而成，中间通水冷却，频率和功率输入与坩锅容量相匹配，实现快速熔化，同时与压铸机的镁合金消耗率相匹配；推拉门(13)位于坩锅(11)的上沿，采用滑动的形式，使预热的镁锭放置比较容易，并且对熔炉内部进行密封从而避免熔炉内外任何的气体交换；保护气体供应管(14)由坩锅(11)和感应线圈(12)的上沿穿入坩锅，沿内壁呈环状均匀分布圆孔型出口的圆管，使保护气体按照一定的组成和消耗率来平稳的进气。

4、按照权利要求1所述的装置，其特征在于：进口阀门是把液态金属通过一个虹吸管(43)从熔炉(10)中传送到搅拌测量装置(20)中，进口阀门(40)由一个安装在螺旋轴(42)上面的阀门主体(41)和一个温度控制的虹吸管(43)组成；阀门主体由与搅拌叶片(46)相连接的两个缸(44、45)组成，阀门主体(41)牢固的安装在螺旋轴上，搅拌叶片(46)在搅拌过程中对液态金属进行搅拌，液态金属通过阀门主体(41)的开放通道(47)在搅拌测量装置(20)的顶部和下部之间流动，螺旋沿着螺旋轴进行直线平移，在搅拌过程中虹吸管开放，在搅拌器排出状态时虹吸管关闭。

5、按照权利要求1所述的装置，其特征在于：出口阀门位于温度控制筒(21)的底部，出口阀门主体(51)固定在螺旋轴(42)上随着螺旋而转动，出口阀门(50)沿着螺旋轴而进行直线平移运动，在搅拌过程中密封出口通道(52)，在处理过的液态金属进行排放时开放出口通道(52)，再把处理过的液态金属通过传输管(29)从搅拌测量装置中传输到压射室里。

6、按照权利要求1所述的装置，其特征在于：通过安装在螺旋轴上的定量活塞(27)正确定位来实现准确定量，定量活塞(27)以下、温度控制筒(21)以内的液态金属的量刚好是单独压射一次的量；温度控制筒21和定量活塞(27)之间的间隙控制在0.2mm，做到气体可以畅通而液体难以通过。

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