CN1876277A - 压铸机和压铸方法 - Google Patents

Abstract

一种压铸机，包括：一个沿垂直方向进行延伸的套筒；一个在所述套筒内部沿垂直方向朝上运动的柱塞；一个布置在所述套筒上侧面上方的铸模；罩壳构件，所述罩壳构件由不导电构件构成且至少覆盖套筒的下端并且形成一个包括套筒下端的封闭空间；将所述封闭空间的内部连接到所述封闭空间的外部的连通管；以及高频感应线圈，所述高频感应线圈被构造用以从所述罩壳构件的外部对放置在所述柱塞上的金属材料进行加热并且熔化所述金属材料。

Description

压铸机和压铸方法

相关申请的交叉参考

本申请以于2005年6月9日提交的在先日本专利申请No.2005-170060为基础并要求后者的优先权；所述申请的全部内容在此作为参考而被引用。

技术领域

本发明涉及一种用来铸造具有非晶相成型产品的压铸机以及一种压铸方法。

背景技术

先前已公知，即便是在一个特定类的合金以等于或小于100℃/s的冷却速度进行冷却的情况下，该特定类的合金进行玻璃化转变而变成非晶态金属材料(金属玻璃)(例如参见“Monthly FunctionalMaterial”，CMC出版物，2002年6月，第22卷，第6期，5-9页)。金属玻璃具有非晶态性质例如高强度、低杨氏模量以及高弹性极限，因而预计金属玻璃会广泛地用于结构构件中。

作为金属玻璃的制造方法，能列举出水淬法、电弧熔化法、永久型铸造法、高压注射铸造法、真空铸造法、锁型铸造法、旋盘滚压法等。此外已公知，采用这些方法可制造出形状较大的金属玻璃(大块金属玻璃)(参见“Monthly Functional Material”，CMC出版物，2002年6月，第22卷，第6期，26-31页)。

如上面所述，预计金属玻璃将会被广泛地用作结构构件，而且在许多情况下该结构构件通常具有包括多个凹凸部分的复杂形状。在上文提及的多种方法中，已存在这样的情况：该金属材料不能成型为复杂形状，并且即便是在该金属材料能成型为复杂形状时该金属材料也不变成非晶态。

同时，作为一种将金属材料成型为复杂形状的方法，已公知通常用来成型轻金属的高压压铸法。此外，高压压铸法被分为水平高压压铸法和垂直(铅垂)高压压铸法，这取决于被加热的金属材料(熔融物)的压射方向。

具体地说，水平高压压铸法能进行调整，使得该压铸机高度较低、结构简单以及损伤故障减少。因此，水平高压压铸法已经成为成型轻金属的高压压铸法的主流。顺便提一下，在水平高压压铸法中，当套筒内的气氛为空气气氛时，在压射熔融物(金属材料)情况下空气(气氛)倾向于被卷入。因此，通常在借助于使用排气装置或真空抽气系统排出套筒内空气之后才压射该熔融物。而且，在水平高压压铸法中，还借助于以低速运动一个柱塞来排出套筒内的空气并且在用熔融物(金属材料)填充套筒之后借助于以高速运动该柱塞来压射该熔融物(例如，Itsuo Ohnaka，另一篇“Melt-processibility”，Corona出版物，1987年9月，119-120页)。

反之，在垂直高压压铸法中，熔融物(金属材料)和套筒的接触面积以及该熔融物和套筒内空气(气氛)的接触面积均较小。因此，根据垂直高压压铸法，铸造出具有良好表面性能的薄壁成型产品较为容易。

作为垂直高压压铸法的一个典型实例，列举出一种用来在将50MPa至200MPa高压施加在熔融物上的同时固化该熔融物的挤压压铸法。该挤压压铸法能铸造出具有良好表面性能的薄壁成型产品，但只能铸造其形状允许压力施加在整个熔融物上的简单成型产品。此外，由于在挤压压铸法中施加高压，金属铸模容易损坏。所以挤压压铸法仅用于铸造特定成型产品的情况(例如，Itsuo Ohnaka，另一篇“Melt-processibility”，Corona出版物，1987年9月，120-122页)。

此外，一种方法(真空压铸法)也已得到推荐，它能通过在用外罩盖住加热金属材料(锆-铜-镍-铍)的加热器、套筒等的同时在该外罩内形成真空因而在将热量施加在金属材料时防止该金属材料发生氧化(例如，日本专利公开No.1999-156517)。

然而，上文提及的现有技术(水平压铸法、垂直压铸法和真空压铸法)存在下述情况：当熔融物(金属材料)从熔化炉浇入套筒中时，熔融物的温度降低从而产生不均匀形核现象。换句话说，按照上文提及的现有技术，由于把多个晶体结合到成型产品中，因此增大在该成型产品内所含的非晶相比率是困难的。

此外，为了使金属材料熔化，通常使用在加热方面高效的高频感应线圈作为加热器用以对金属材料进行加热。然而，在上述真空压铸法中，除非外罩内的真空度得到极大的增高，否则当用高频感应线圈对外罩内的金属材料进行加热的时候，会产生电晕放电。因此，除了使用电炉等以外没有其它的选择，而电炉的加热效率要低于高频感应线圈的加热效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够使用高频感应线圈作为加热器对金属材料进行加热并且增大成型产品内所含非晶相比率的压铸机。

根据本发明的一个方面，所述压铸机包括：一个沿垂直方向进行延伸的套筒；一个在所述套筒内部沿垂直方向朝上运动的柱塞；一个布置在所述套筒上侧面上方的铸模；罩壳构件，所述罩壳构件由不导电构件构成且覆盖套筒的下端并且形成一个包括套筒下端的封闭空间；将所述封闭空间的内部连接到所述封闭空间的外部的连通管；以及高频感应线圈，所述高频感应线圈被构造用以从所述罩壳构件的外部对放置在所述柱塞上的金属材料进行加热并且熔化所述金属材料。

根据这种压铸机，所述高频感应线圈对放置在所述柱塞上的金属材料进行加热并且熔化所述金属材料。由于该金属材料(熔融物)不是从熔化炉浇入套筒中，因此所述压铸机有可能抑制熔融物温度的降低，并且增大成型产品内所含非晶相的比率。

此外，所述高频感应线圈从所述罩壳构件的外部对金属材料进行加热，所述罩壳构件覆盖包括套筒下端的封闭空间。由于所述罩壳构件的外部是空气气氛，因此即便是在所述封闭空间处于真空的状态下对金属材料进行加热时，所述压铸机也能够防止产生电晕放电。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的压铸机100的示意图；

图2是根据本发明的一个实施例的柱塞顶部105周边的放大视图；

图3是根据本发明的一个实施例的成型产品300的示意图；

图4是显示根据本发明的一个实施例的压铸方法的流程图；

图5是显示根据本发明的一个实施例用来评定非晶程度的标准的示意图；

图6A和6B为示出了该模制物的XRD曲线的一个实例的曲线图；

图7是显示根据一个比较实例的该模制物质量的表格；和

图8是显示根据本发明的一个实施例的成型产品300的质量的表格。

具体实施方式

(根据本发明的一个实施例的压铸机)

下面参照附图，对根据本发明的一个实施例的压铸机进行描述。图1是根据本发明的一个实施例的压铸机100的示意图。

如图1所示，压铸机100包括：一个底座单元101；多根立柱102(一根立柱102a和一根立柱102b)；一个套筒支承单元103；一个套筒104；一个柱塞顶部105；一个加强构件106；一根压射杆107；一个压射108；一个下模109；一个上模110；一根铸模锁定杆111；一个铸模锁定缸112；多个高频感应线圈113(一个高频感应线圈113a和一个高频感应线圈113b)；一根连通管114；一个罩壳构件115；以及多个铸模加热器116(一个铸模加热器116a和一个铸模加热器116b)。

此外，在下模109和上模110之间形成一个模腔117以便通过锁定上模110而制造成型产品(成型产品300将在下文中进行描述)。另外，在柱塞顶部105上放置用于成型产品300的材料(金属材料200)。顺便提一下，金属材料200(成型产品300)是一种含锆基或钛基的合金。

底座单元101具有如一块板那样的形状。在底座单元101上设有多根沿垂直方向进行延伸的立柱102、覆盖套筒104的罩壳构件115以及多个高频感应线圈113等等。

立柱102具有沿垂直方向进行延伸的形状并被设置在底座单元101上。此外，立柱102支承着套筒支承单元103以及铸模(下模109和上模110)。

套筒支承单元103受到立柱102的支承并且被连接到下模109上。此外，套筒支承单元103支承着位于套筒支承单元103和下模109之间的套筒104。

套筒104具有沿垂直方向进行延伸的形状。在此，套筒104优选由例如石墨构成。此外，套筒104包括一条柱塞在该套筒内部上下运动的柱塞通道。顺便提一下，该柱塞包括柱塞顶部105、加强构件106以及压射杆107并且是通过在套筒104内部沿垂直方向进行运动而将金属材料200压射到模腔117内的构件。

柱塞顶部105优选由例如石墨构成。此外，金属材料200被放置在柱塞顶部105上。

这里，将石墨选定作为套筒104和柱塞顶部105的材料的理由是因为被高频感应线圈113熔化的金属材料200(熔融物)以及柱塞顶部105在它们之间不引起反应的情况下保持适当的热导率。该理由进一步是因为：通过保持该适当的热导率，在抑制压射金属材料200的速度(压射速度)的同时保持金属材料200的层流。该理由进一步是因为：在套筒104内壁(内壁104a将在下文中进行描述)和柱塞顶部105之间的间隙因石墨具有可滑动特性而减小。

加强构件106是一个用来加强压射杆107从而使得在金属材料200上施加压力时压射杆107不产生断裂的构件。此外，柱塞顶部105在不连接加强构件106的情况下仍能静止立在加强构件106之上。

压射杆107的上端连接在加强构件106上，而压射杆107的下端被安装在压射缸108内部。此外，压射杆107在套筒104内部(柱塞通道中)向上和向下进行运动。

压射缸108是用来沿垂直方向使压射杆107进行运动的缸。这里，该缸例如为一个液压缸。具体地说，通过使压射杆107沿垂直方向朝上进行运动，压射缸108沿垂直方向朝上挤出放置在柱塞顶部105上的金属材料200，同时将金属材料200(熔融物)压射到模腔117中。

这里，压射缸108优选以大约0.1m/s至2m/s的速度沿垂直方向使压射杆107朝上进行运动。换句话说，优选将压射金属材料200的速度(压射速度)设定在从0.1m/s至2m/s的速度范围内。

将压射速度设定在大约0.1m/s至2m/s范围内的理由是防止由于压射速度太慢而致使金属材料200(熔融物)发生固化，所述熔融物由套筒104内部的高频感应线圈113进行熔化。此外，该理由在于防止由于压射速度过高而使该熔融物在套筒104内部产生紊流流动并保持该熔融物的层流。

此外，压射缸108优选沿垂直方向使压射杆107朝上进行运动，从而使得大约5MPa至50MPa的压力被施加到被高频感应线圈113熔化的金属材料200(熔融物)上。换句话说，要被施加在金属材料200(熔融物)上的压力(柱塞压力)优选被设定在大约5MPa至50MPa的范围内。

将施加在金属材料200(熔融物)上的压力(柱塞压力)设定在5MPa至50MPa的范围内的理由在于用金属材料200(熔融物)充分地填充模腔117的内部并且减小施加在该铸模(下模109和上模110)上的压力。

下模109和上模110构成了用于铸造成型金属材料200的铸模。具体地说，通过锁定上模110，下模109和上模110形成模腔117，如上所述。

这里，下模109和上模110优选由热导率为大约20W/m²至120W/m²的金属(包括合金)构成。

将该铸模的热导率设定在大约20W/m²至120W/m²的理由在于通过设定该铸模热导率等于或高于大约20W/m²从而便于对该铸模进行热调节，以及在于通过设定该铸模热导率等于或低于大约120W/m²而防止该铸模内部的金属材料200(熔融物)因该铸模迅速冷却而产生固化。

铸模锁定杆111的上端被安装在铸模锁定缸112的内部，而铸模锁定杆111的下端被连接到上模110上。此外，铸模锁定杆111向上和向下进行运动。

铸模锁定缸112是用来使铸模锁定杆111进行上下运动的缸。这里，该缸例如是一个液压缸。具体地说，铸模锁定112通过使铸模锁定杆111向下运动而将上模110锁定在下模109上。

高频感应线圈113通过将放置在套筒104内部的金属材料200(放置在柱塞顶部105上的金属材料200)加热至大约1200℃而使金属材料200熔化。另外，高频感应线圈113被布置在罩壳构件115(封闭空间115a)的外部。

连通管114使封闭空间115a的内部和封闭空间115a的外部相连，所述封闭空间由底座单元101和罩壳构件115形成。此外，在用真空排气设备(图中未示出)等排出封闭空间115a内部的空气(气氛)时使用连通管114。

此外，连通管114可以不仅用于排出封闭空间115a内部的空气，而且还用于使用惰性气体以取代封闭空间115a内的空气(气氛)。

罩壳构件115是一种不导电构件，所述罩壳构件至少覆盖套筒104的下端并且形成一个包括套筒104下端的封闭空间115a。这里，所述不导电构件优选例如为石英、玻璃或陶瓷。具体地说，罩壳构件115与上模110被锁定到下模109上的铸模以及底座单元101一起形成封闭空间115a，所述封闭空间包括模腔117和套筒104的内部。

顺便提一下，在这个实施例中，封闭空间115a由上模110被锁定到下模109上的铸模、底座单元101和罩壳构件115形成。然而，该封闭空间115a并不局限于此并且该封闭空间115a可仅由上模110被锁定到下模109上的铸模和罩壳构件115形成。

优选铸模加热器116加热该铸模(下模109和上模110)并且将下模109和上模110的温度保持在从大约150℃至250℃的范围内。顺便提一下，铸模加热器116包括电炉、高频线圈和YAG激光器等等。另外，铸模加热器116不一定被设置在该铸模外部，而可能是将被插入到该铸模内部的筒式加热器。

这里，将铸模(下模109和上模110)的温度保持在从大约150℃至250℃范围内的理由在于：防止金属材料200(熔融物)在模腔117用金属材料200(熔融物)充满之前因铸模温度太低而发生固化，以及防止金属材料200(熔融物)因铸模温度过高而没有固化进程。

模腔117是一个通过锁定上模110而由下模109和上模110形成的空间。此外，金属材料200被该柱塞压射到模腔117内部，并且该金属材料200根据模腔117的形状而模制成型。此外，模腔117具有沿水平方向进行延伸的形状。

按照这种方法，该铸模由下模109和上模110组成，并且下模109和上模110形成沿水平方向进行延伸的模腔117的理由在于：与模腔117具有沿垂直方向进行延伸的形状相比较，压射到模腔117内部的熔融物在不对抗重力的情况下均匀地流动。

图2是根据本发明的一个实施例的柱塞顶部105周边的放大视图。如图2所示，优选在套筒104的内壁104a与柱塞顶部105之间的距离(距离C1和距离C2)等于或小于大约0.01mm。换句话说，优选在柱塞顶部105的外径a和套筒104的内径b之间的一侧尺寸(间隙；即径向空间)的容许间隙等于或小于大约0.01mm。

此外，通过将上模110锁定到下模109上，下模109和上模110形成一个模腔117，该模腔具有沿水平方向进行延伸的形状。此外，下模109和上模110形成多个模腔(第一模腔117a和第二模腔117b)，这些模腔相对于沿垂直方向进行延伸的套筒104的中心线104b而言相互对称。

这里，第一模腔117a和第二模腔117b相对于沿垂直方向进行延伸的套筒104的中心线104b而言相互对称的理由在于：因为压射到模腔117内部的多个熔融物流也相对于中心线104b相互对称以及高效地铸造出具有较高非晶相比率的多个成型产品300。

(根据本发明的一个实施例的成型产品)

下面，将参照附图对根据本发明的一个实施例的成型产品进行描述。图3是根据本发明的一个实施例的成型产品300的示意图。

如图3所示，成型产品300由金属材料200按照上文提及的模腔117的形状铸造而成，所述金属材料为一种含锆基或钛基的合金。具体地说，成型产品300包括：第一成型部分300a和第二成型部分300b，所述第一成型部分是根据沿水平方向进行延伸的第一模腔117a的形状铸造而成的部分，而所述第二成型部分是根据沿水平方向进行延伸的第二模腔117b的形状铸造而成的部分。

(一种根据本发明的一个实施例的压铸方法)

下面参照附图，对根据本发明的一个实施例的压铸方法进行描述。图4是显示根据本发明的一个实施例的压铸方法的流程图。

如图4所示，在步骤101中将金属材料200放置在柱塞顶部105上。

在步骤102中，压铸机100通过使铸模锁定杆111向下运动而将上模110锁定在下模109上。注意通过将上模110锁定到下模109上而形成上文提及的封闭空间115a。

在步骤103中，压铸机100通过上文提及的连通管114排出封闭空间115a内的空气(气氛)，并且在封闭空间115a内形成真空，处于柱塞在套筒104之下等待的状态，从而使得足以确保在柱塞(柱塞顶部105、加强构件106和压射杆107)与套筒104之间形成空气(气氛)通路。

在步骤104中，压铸机100通过使用高频感应线圈113将金属材料200加热至大约1200℃从而熔化柱塞顶部105上的金属材料200，在柱塞抬升到一定位置处之后，可在套筒104中对柱塞顶部105上的金属材料200进行加热。

在步骤105中，压铸机100通过沿垂直方向使柱塞顶部105朝上运动而沿垂直方向朝上压射金属材料200(熔融物)。这里，压铸机100优选以大约0.1m/s至2m/s的速度压射金属材料200(熔融物)。

在步骤106中，压铸机100将压力施加在被压射到模腔117内部的金属材料200(熔融物)上。这里，压铸机100优选在金属材料200(熔融物)上施加大约5MPa至50MPa的压力。

在步骤107中，压铸机100通过冷却被压射到模腔117内部的金属材料200(熔融物)而使金属材料200(熔融物)发生固化。这里，压铸机100优选将该铸模温度保持在从大约150℃至250℃的范围内。

在步骤108中，压铸机100通过连通管114将大气引入封闭空间115a内部(漏泄工艺)从而使封闭空间115a内部的压力恢复成大气压力。

在步骤109中，压铸机100通过使铸模锁定杆111向上运动而从下模109处打开上模110。

在步骤110中，取出已在模腔117内部铸造成型的成型产品300。

根据本发明的一个实施例中的压铸机100，高频感应线圈113加热放置在柱塞(柱塞顶部105)上的金属材料200并熔化金属材料200。因此，压铸机100能够抑制该熔融物的温度降低，这是由于不一定使金属材料200(熔融物)从熔化炉流入套筒104。

此外，由于铸模(下模109和上模110)被设置在沿垂直方向进行延伸的套筒104的上侧部之上并且柱塞(柱塞顶部105)在套筒104内沿垂直方向朝上运动，因此压铸机100能够使金属材料200(熔融物)与套筒104内部接触的面积较小，由此有可能抑制熔融物温度的降低。

也就是说，压铸机100能够增加在成型产品内所含非晶相的比率。

另外，由于压铸机100包括使封闭空间115a的内部与封闭空间115a的外部相连的连通管114，因此，压铸机100能够通过连通管114而排出封闭空间115a内部的空气(气氛)，并且能够通过连通管114用多种惰性气体取代封闭空间115a内部的空气(气氛)。

此外，所述高频感应线圈从所述罩壳构件115的外部对金属材料200进行加热，所述罩壳构件形成包括套筒104内部和模腔117的封闭空间115a。由于所述罩壳构件115的外部是空气气氛，因此即便是在所述封闭空间115a处于真空的状态下对金属材料进行加热时，所述压铸机100也能够防止产生电晕放电。

此外，形成封闭空间115a的罩壳构件115至少覆盖套筒104的下端并且不覆盖铸模(下模109和上模110)。因此，与通过覆盖铸模(下模109和上模110)而形成封闭空间的情况相比，有可能使封闭空间115a的尺寸更小。

因此，所述压铸机100能够缩短排出封闭空间115a内部的空气(气氛)的时间，并且还能够减小真空排气设备的尺寸。另外，所述压铸机100能够缩短用多种惰性气体取代封闭空间115a内部的空气(气氛)的时间。

如上所述，已经结合实例对本发明进行了详细描述。然而，本领域的技术人员十分清楚，本发明不受本申请内描述实施例的限制，在不偏离由所附技术方案所指定的本发明精神和范围的情况下，可对本发明的压铸机和压铸方法作出多种改变和变型，并且本发明可体现为其它多种形式。因此，本申请的说明书旨在解释实例而对于本发明没有任何限制的意思。

实例

在下文中，将参照附图对本发明的一个实例进行描述。首先，将参照附图描述根据本发明的该实施例的评定非晶程度的标准(评定标准)。图5是显示根据本发明的一个实施例用来评定非晶程度的标准的示意图。

如图5所示，借助XRD(X射线衍射仪)法的测量结果(XRD曲线)和成型产品的韧度被采纳为评定标准。具体地说，在XRD曲线中没有尖峰出现并且韧度大于130KJ/m²的成型产品被评定为“G5”。反之，在XRD曲线中有尖峰出现并且韧度小于70KJ/m²的成型产品被评定为“G0”。

下面，将参照附图说明一个XRD曲线实例。图6A为示出了被评定为“G0”的成型产品的XRD曲线的曲线图。图6B为示出了被评定为“G5”的成型产品的XRD曲线的曲线图。

如图6A所示，在XRD曲线中具有尖峰的成型产品被评定为“G0”，所述“G0”表示按照上文提及评定标准的最低的非晶程度。反之，如图6B所示，在XRD曲线中没有尖峰的成型产品被评定为“G5”，所述“G5”表示按照上文提及评定标准的最高的非晶程度。

接下来，将参照附图对根据多个比较实例的成型产品的质量进行说明。图7是显示根据一个比较实例的该模制物质量的表格。具体地说，在该比较实例中，一种锆(55％)-铜(30％)-铝(10％)-镍(5％)的合金在1200℃熔化，此后将已熔化合金(熔融物)浇入套筒并将该熔融物压射到模腔内部。

如图7所示，在下述情况下成型产品不能进行铸造：即套筒内的气氛为空气气氛的情况(比较实例2)；套筒和柱塞顶部之间的尺寸公差(间隙)大的情况(比较实例4)；以及借助于柱塞的熔融物压射速度低的情况(比较实例5)。

此外，在下述情况下成型产品的外观质量有缺陷：即模具钢被用作套筒和柱塞顶部材料的情况(比较实例3)；由柱塞施加在熔融物上的压力(柱塞压力)小的情况(比较实例7)；模具温度不适当的情况(比较实例9和10)；以及模具热导率太高的情况(比较实例11)。

另外，在下述情况下成型产品不变成非晶态：即熔融物压射方向沿着水平方向的情况(比较实例1和12)；以及用柱塞压射熔融物的速度(压射速度)太高的情况(比较实例6)。

还有，在比较实例8中，成型产品的外观质量良好并且成型产品变为非晶态。然而，由于柱塞压力为70MPa较大，因此施加在铸模上的压力(载荷)变大从而增大对铸模造成损伤的可能性。

因此，如同比较实例1至12所示，当金属材料(合金)被熔化然后浇入套筒并且套筒内的该熔融物被压射时，不可能在抑制施加在铸模上的压力的同时铸造出具有良好外观质量和高非晶相比率的成型产品。

最后，将参照附图对根据本发明的一个实施例的成型产品300的质量进行说明。图8是显示根据本发明的一个实施例的成型产品300的质量的表格。注意到，在根据本发明的一个实施例中，含锆(55％)-铜(30％)-铝(10％)-镍(5％)的合金通过在柱塞上加热至1200℃而被熔化，在此之后将该已熔化合金(熔融物)压射到模腔内部。

如图8所示，在实施例实例1至14中，有可能在抑制施加在铸模上的压力(柱塞压力)的同时铸造出具有良好外观质量和高非晶相比率的成型产品。

Claims (2)

1、一种压铸机，包括：

一个沿垂直方向进行延伸的套筒；

一个在所述套筒内部沿垂直方向朝上运动的柱塞；

一个布置在所述套筒上侧面上方的铸模；

罩壳构件，所述罩壳构件由不导电构件构成且至少覆盖套筒的下端并且形成一个包括套筒下端的封闭空间；

将所述封闭空间的内部连接到所述封闭空间的外部的连通管；以及

高频感应线圈，所述高频感应线圈被构造用以从所述罩壳构件的外部对放置在所述柱塞上的金属材料进行加热并且熔化所述金属材料。

2、根据权利要求1所述的压铸机，其中所述罩壳构件由石英、玻璃和陶瓷中的任何一种材料制成。

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