[发明专利]超声波压缩成型铸造法及其专用设备

说明书

技术领域

本发明属于金属材料加工成型生产领域，特别涉及一种超声波压缩成型铸造法及其专用设备。

背景技术

挤压铸造是将定量的液态金属浇入到铸型型腔内，并施加较高的机械压力，使其凝固和成形，从而获得铸件的一种工艺方法。挤压铸造的特点是：1、可消除铸件内部的气孔、缩孔和疏松等缺陷，产生局部的塑性变形，使铸件组织致密。且挤压铸造是在压力下结晶，有明显的细化晶粒、加快凝固速度和使组织均匀化的作用。因而，其力学性能好，机械性能高于普通铸件。2、由于液态金属是在压力下凝固和成形，所以，铸件与型腔壁贴合紧密，挤压铸件具有较高的尺寸精度，且表面粗糙度小，加工余量小。3、在凝固过程中，挤压铸件各部位处于压应力状态，有利于铸件的补缩和防止铸造裂纹的产生。因而，挤压铸造工艺的适用性较强，使用的合金不受铸造性能好坏的限制。4、便于实现机械化、自动化，且挤压铸造通常没有浇冒口，毛坏精化，铸件尺寸精度高，因而，金属材料的利用率高，有利于降低成本，提高生产效率。

振动也是铸造生产领域常用的一种方法，振动对铸件组织与性能的影响如下：1、振动可使液态金属与型腔壁直接接触，从而改善其冷却效果。因为在液态金属外表面有一层氧化膜，而振动可使氧化膜破坏，有助于液态金属直接浸润型腔壁，并在其上进行结晶。2、振动可促使型腔壁上生成的晶体脱落，使正在成长的枝晶发生机械变形或动态破碎，使枝晶重熔，从而在液态金属中造成较强的温度起伏和产生晶体数目的增殖，这些均有助于晶粒细化。3、振动可使液态金属产生“动态形核”作用，例如，凝固时体积收缩的金属在纵波密布时的压力作用下，熔点升高，有效过冷度增加，从而促进晶核的形成。反之，对凝固时体积膨胀的金属，在疏布时负压作用下也有类似的动态形核的作用。所以，在工艺选配得当的条件下，振动结晶可减少铸件组织的不均匀性，即扩大等轴晶区，缩小或消除柱状晶区，细化晶粒，从而提高铸件的机械性能。

为了进一步改善铸件的内部组织，提高铸件的机械性能，人们将压力与振动相结合，采用压力与振动并用的方式处理铸件。目前，现有技术中压力与振动并用处理铸件的方式主要有三种：1、液态金属在机械振动和压力下结晶，振动频率为80Hz～150Hz，振动由推料杆从下面输入，在冲头加压前，振动的效果很明显，但挤压以后，由于压力机冲头的高压力，使推料杆被压得振不起来。因此，对铸件在压力下的结晶过程不可能产生多大的影响。2、液态金属在脉冲压力下结晶，用液压谐振振荡器与压力机液压系统相连，挤压时形成脉冲压力，并通过冲头传递到液态金属上，起到压力与振动并用的作用，振动对液态金属的结晶过程有一定的作用。3、液态金属在圆形振动和压力联合作用下结晶，振动频率为50Hz，振幅为1～1.5mm，其铸件易出现与离心铸件相似的层状低倍组织，而且，对提高铸件机械性能的效果也不大，这是由于圆形振动的共振驻波周期性的影响液态金属从型腔开始的连续结晶进程所致。上述压力与振动并用处理铸件的方式存在的问题是：由于振动纵波疏布时的“空化效应”，会促使溶入液态金属中的气体加速析出成为气泡。但是，加压前如果气泡来不及浮出，则挤压时将被留在铸件中而形成分散的压扁的气孔缺陷，以致降低铸件的机械性能。

本发明要解决的技术问题是，克服上述现有技术中存在的振动除气效果不理想、铸件中有气孔缺陷的问题，把超声波处理金属熔体技术与挤压铸造结合起来，提供一种具有强烈搅拌作用、能够直接制备高品质铸件的超声波压缩成型铸造法及其专用设备。

本发明超声波压缩成型铸造法是按下述步骤实现的：

1、按照零件的成分要求进行配料，将配好的原料放入熔化炉或坩埚中，使之熔化，并过热10～150℃；

2、对液态金属熔体进行除气处理，除气时间为1～10分钟；

3、将浇铸凹模进行预热，凹模预热的温度为200～1000℃；

4、将除气后的液态金属熔体快速浇入预热后的凹模中；

5、对凹模中的液态金属熔体施加高能超声波，超声频率为15～100KHz，超声功率为100～3000W，对金属熔体施加超声波的时间为1～30秒；

6、与此同时，对液态金属熔体施加压力，压力为1×10⁷～5×10⁷牛顿/米²，时间为5～40秒，或直到金属熔体凝固，即得到具有均匀细小的等轴晶组织的挤压成型件。