薄壁铸件铸造用真空感应炉及铸造薄壁钛合金铸件的方法

技术领域

本发明属于特种铸造技术领域，涉及一种薄壁零件铸造用真空感 应炉，本发明还涉及利用上述真空感应炉铸造薄壁钛合金铸件的方 法。

背景技术

真空感应炉是冶金工业中用于熔炼耐热合金、磁性材料、电工材 料与高强度钢等特种合金的一种真空电炉，其工作原理是在真空环境 下，利用交变电流作用到感应线圈产生交变磁场，交变磁场在炉料上 感应出交变的电流——“涡流”，炉料就是靠“涡流”加热并熔化的。 和其他类型电炉相较，真空感应炉具有加热速度快、设备生产率高及 氧化损失少的优点，真空感应炉中，金属密封于坩埚内进行熔炼，熔 炼出的金属液干净、无杂质，整个浇注过程也是在密闭的真空环境中 进行的，可有效防止金属的氧化；此外，由于有电磁搅拌功能，有利 于脱气以及合金成分的均匀化。

现有的真空感应炉的浇注部分无加热装置和保温装置，金属液在 浇注过程中难以维持在较高的温度区间内，使得金属液充型能力差， 难以铸造出高质量和表面无缺陷的薄壁金属铸件。在浇铸薄壁铸件 时，由于金属液散热快，凝固时间较短，极大的壁面张力和粘性阻力 都限制了充型过程的顺利进行，难以实现薄壁铸件的顺利充填，这样 将会出现铸件浇不足或冷隔的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种薄壁铸件铸造用真空感应炉，能够铸 造出高质量、表面无缺陷的薄壁金属零件。

本发明的另一目的在于提供利用上述真空感应炉铸造薄壁钛合 金铸件的方法。

本发明所采用的第一种技术方案是，薄壁铸件铸造用真空感应 炉，包括有真空感应炉壳体，真空感应炉壳体上端设置有真空炉上盖， 真空感应炉壳体内对称设置有熔炼腔和浇注腔，熔炼腔内设置有熔炼 装置，浇注腔内设置有加热浇注装置，熔炼腔与浇注腔的上部与真空 炉上盖之间设置有熔炼装置的翻转空间，真空感应炉壳体外还设置有 无线热电偶温度变送器。

本发明第一种技术方案的特点还在于，

熔炼装置，包括有坩埚和翻转架，坩埚的外壁上设置有电感线圈， 坩埚固定于翻转架内，翻转架依次与翻转机构及翻转电控按钮连接， 翻转电控按钮设置于真空感应炉壳体的外壁上。

炉体上盖上设置有有机玻璃窗。

加热浇注装置，包括有加热浇注装置壳体，加热浇注装置壳体的 下端与真空感应炉壳体底部固定连接，加热浇注装置壳体的顶部设置 有凹台，浇注内胆与加热浇注装置壳体顶部的凹台间隙配合，浇注内 胆的上部设置有导流装置，浇注内胆的下部设置有加热装置，加热装 置与加热浇注装置壳体之间的空余部分填充有保温材料；

无线热电偶温度变送器包括有热电偶探针和热电偶显示屏。

导流装置，包括有导流槽和设置于导流槽下端的浇注口，浇注口 与浇注内胆连通。

加热装置，包括有加热炉胆，加热炉胆的外壁上缠绕有加热丝， 加热丝与所述加热炉胆四周的间隙相等；无线热电偶温度变送器的热 电偶探针设置于加热浇注装置壳体的保温材料内，靠近加热炉胆一侧 壁处，热电偶显示屏设置于真空感应炉壳体外部。

本发明所采用的第二种技术方案是，薄壁铸件铸造用真空感应炉 铸造薄壁钛合金铸件的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、将钛合金金属固体放入真空感应炉壳体内的坩埚中，启 动冷却水循环，水压表显示正常后启动真空系统，调整真空感应炉壳 体内的气压值：

步骤2、将步骤1中的钛合金金属固体进行熔炼和铸型预热处理；

步骤3、将经步骤2铸型预热处理的钛合金金属液浇注到浇注内 胆内；

步骤4、打开真空炉上盖，先取出导流装置，将导流装置置于烘 箱中烘干，再取出浇注内胆中的薄壁钛合金铸件。

本发明第二种技术方案的特点还在于，

步骤1具体按照以下步骤实施：

步骤1.1、取钛合金金属固体，其中钛合金金属固体为Ti-6Al-4V；

步骤1.2、将步骤1.1中的钛合金金属固体放入真空感应炉壳体 内的坩埚中，钛合金金属固体的体积不超过坩埚体积的80%；

步骤1.3、先启动冷却水循环，再将真空系统与真空感应炉壳体 内连通，对真空感应炉壳体内进行抽真空，待真空感应炉壳体内的气 压值为0.01Pa，关闭真空系统；

步骤1.4、关闭真空系统后，将氩气瓶与真空感应炉壳体内连接， 向真空感应炉壳体内输入氩气，利用氩气进行一次或多次冲刷，待外 接的机械压力表上显示的压力值为0.02MPa～0.08MPa，停止给真空 感应炉壳体内供应氩气。

步骤2具体按照以下方法实施：

接通电源，开启真空感应炉壳体内的熔炼装置，在真空度为 0.01Pa并有氩气保护的条件下，用电感线圈对坩埚内的钛合金金属固 体进行熔炼，熔炼温度控制为1700℃～1800℃，得到钛合金金属液；

坩埚中的温度升高到1000℃时，启动加热浇注装置内的加热丝， 加热丝开始对加热炉胆进行加热，加热炉胆同时加热浇注内胆至热电 偶显示屏显示温度为800℃～900℃，即完成浇注内胆的铸型预热处 理。

步骤3具体按照以下步骤实施：

步骤3.1、启动翻转电控按钮，坩埚产生翻转，将温度为1700℃ ～1800℃的钛合金金属液倒入导流装置内，钛合金金属液经导流槽、 浇注口进入浇注内胆内，浇注钛合金金属液要控制在2s～10s内完成；

步骤3.2、经步骤3.1完成浇注5min～30min后，关闭加热装置电 源，加热丝停止加热，待真空感应炉冷却至常温。

本发明的有益效果在于：

（1）本发明的真空感应炉中在浇注装置外部增加了加热装置， 该加热装置可为铸型提供预热温度，减少金属液和浇注内胆之间的温 差，提高充型能力；

（2）在本发明的真空感应炉中，加热装置可为浇注到浇注内胆 中的金属液提供持续的加热，同时通过无线热电偶温度变送器监测和 控制浇注内胆的温度，金属液在浇注过程中可保持较高的温度，保证 金属液具有良好的充型能力；

（3）本发明的真空感应炉的浇注装置外还设置有保温装置，能 够有效防止浇注过程中金属液热量的大量散失；

（4）采用本发明的真空感应炉和铸造方法可以铸造出0.3mm～ 0.5mm之间的钛合金薄壁铸件，根据不同金属的熔点还可以铸造出多 种薄壁金属铸件。

附图说明

图1是本发明的薄壁铸件铸造用真空感应炉的俯视结构示意图；

图2是本发明的薄壁铸件铸造用真空感应炉中加热浇注装的剖 面结构示意图；

图3是本发明的薄壁铸件铸造用真空感应炉中导流装置的结构 图。

图中，1.熔炼装置，2.真空感应炉体壳体，3.加热浇注装置，4. 热电偶探针，5.导流槽，6.浇注内胆，7.加热丝，8.加热浇注装置壳 体，9.保温材料，10.加热炉胆，11.第一导流斜面，12.第二导流斜面， 13.第三导流斜面，14.浇注口，15.导流装置。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的薄壁铸件铸造用真空感应炉，其结构如图1所示，包括 有真空感应炉壳体2，真空感应炉壳体2上端设置有真空炉上盖，真 空感应炉壳体2内对称设置有熔炼腔和浇注腔，熔炼腔内设置有熔炼 装置1，浇注腔内设有加热浇注装置3，熔炼腔与浇注腔的上部与真 空炉上盖之间设置有熔炼装置1的翻转空间。

熔炼装置1，包括有坩埚和翻转架，坩埚的外壁上设置有电感线 圈，坩埚固定于翻转架内，翻转架依次与翻转机构及翻转电控按钮连 接，翻转电控按钮设置于真空感应炉壳体2的外壁上。

其中，熔炼装置1内供坩埚翻转的翻转装置，主要利用了传动轴 的传动供坩埚产生翻转的动力，传动轴一端为用于延伸至真空感应炉 体壳体2内的动力输出端，另一端为用于延伸至真空感应炉体壳体2 外的动力输入端，该翻转装置还通过外传动机构与传动轴的动力输入 端连接，驱动传动轴绕其转动轴线往复转动的液压缸，传动轴的动力 输入端直接与翻转架固连，或通过内传动机构与翻转架连接，以带动 翻转架翻转的连接段，本发明中的翻转装置翻转角度小于120°。

真空感应炉壳体2的炉体上盖上设置有有机玻璃窗，红外线测温 仪通过有机玻璃窗对准坩埚即可监测到坩埚内的温度；真空感应炉壳 体2的侧壁上设置有无线热电偶温度变送器，无线热电偶温度变送器 包括有热电偶探针4和热电偶显示屏。

真空感应炉壳体2外接有真空系统；真空系统包括有真空泵、真 空阀体、真空检测仪表组成，真空系统为现有真空系统。

加热浇注装置3，包括有加热浇注装置壳体8，加热浇注装置壳 体8的下端与真空感应炉壳体2底部固定连接，加热浇注装置壳体8 的顶部设置有凹台，浇注内胆6与加热浇注装置壳体8顶部的凹台间 隙配合，浇注内胆6的上部设置有导流装置15，浇注内胆6的下部 连接有加热装置；加热装置采用压紧方式设置于加热浇注装置壳体8 内，加热装置与加热浇注装置壳体8之间的空余部分填充有保温材料 9。

无线热电偶温度变送器包括有热电偶探针4和热电偶显示屏，热 电偶探针4插入保温材料9内，靠近加热炉内胆10一侧壁处，热电 偶显示屏设置于真空感应炉壳体2外部。

导流装置15，其结构如图4所示，包括有导流槽5和设置于导 流槽5下端的浇注口14，浇注口14与浇注内胆6连通。

导流槽5包括有设置于导流装置两侧的第一导流斜面11和第三 导流斜面13，第一导流斜面11的下端通过第二导流斜面12与浇注 口14的一端连接，第三导流斜面13的下端与浇注口14的另一端连 接，第一导流斜面11与导流装置15上表面呈55°的夹角，第一导 流斜面11与第二导流斜面12之间呈135°的夹角，第二导流斜面12 与浇注口14之间呈105°夹角，第三导流斜面13与导流装置15上 表面呈70°的夹角，第一导流斜面11的长度小于第三导流斜面13 的长度，第三导流斜面的长度小于第二导流斜面的长度。

加热装置，包括有加热炉胆10，加热炉胆10的外壁上缠绕有加 热丝7，加热丝7与加热炉胆10四周的间隙相等。

采用本发明的薄壁零件铸造用真空感应炉铸造钛合金薄壁铸件 的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、将整块钛合金金属固体放入真空感应炉壳体2内的坩埚 中，启动冷却水循环，水压表显示正常后启动真空系统，调整真空感 应炉壳体内2的气压值：

步骤1.1、取钛合金金属固体，其中钛合金金属固体为Ti-6Al-4V；

步骤1.2、将步骤1.1中的钛合金金属固体放入真空感应炉壳体2 内的坩埚中，钛合金金属固体的体积不超过坩埚体积的80%；

步骤1.3、启动冷却水循环，保证真空系统中的真空泵组、真空 感应炉壳体内的感应线圈以及电源维持正常的工作温度；

之后，将真空系统与真空感应炉壳体2内连通，对真空感应炉壳 体2内进行抽真空，待真空感应炉壳体2内的气压值为0.01Pa，关闭 真空系统；

步骤1.4、经步骤1.3抽真空处理后，将氩气瓶与真空感应炉壳 体2内连通，向真空感应炉壳体2内输入氩气，利用氩气进行一次或 多次冲刷，待真空感应炉壳体2外接的机械压力表上显示的压力值为 0.02MPa～0.08MPa，停止给真空感应炉壳体2内供应氩气。

步骤2、将步骤1中的钛合金金属固体进行熔炼和铸型预热处理：

接通电源，开启真空感应炉壳体2内的熔炼装置1，在真空度为 0.01Pa并有氩气保护的条件下，利用真空感应原理，用电感线圈对坩 埚内的钛合金金属固体进行熔炼，熔炼温度控制为1700℃～1800℃， 得到钛合金金属液；

在熔炼金属液的过程中，通过红外线测温仪可以实时监测坩埚1 内的温度变化，坩埚1的熔炼温度与待熔炼金属的熔点有关，即根据 待熔炼金属的熔点确定熔炼温度。

坩埚中的温度升高到1000℃时，启动加热浇注装置3内的加热 丝7，加热丝7开始对加热炉胆10进行加热，加热炉胆10同时加热 浇注内胆6至热电偶显示屏显示温度为800℃～900℃，即完成浇注内 胆的铸型预热处理。

步骤3、将经步骤2铸型预热处理的钛合金金属液浇注到浇注内 胆6内：

步骤3.1、启动翻转电控按钮，坩埚产生翻转，将温度为1700℃ ～1800℃的钛合金金属液倒入导流装置15内，钛合金金属液经导流槽 5、浇注口14进入浇注内胆6内，浇注钛合金金属液要控制在2s～10s 内完成；

步骤3.2、经步骤3.1完成浇注5min～30min后，关闭加热装置电 源，加热丝7停止加热，待真空感应炉在循环冷水的作用下冷却至室 温（常温），冷却的目的是防止开炉后薄壁钛合金铸件和坩埚被氧化， 待坩埚彻底变暗，从视窗看不见为止，这个时间为1h～2h。

步骤4、打开真空炉上盖，取出导流装置15，将导流装置15置 于烘箱中烘干，防止大量吸气而降低下一次抽真空效率，取出浇注内 胆6中薄壁钛合金铸件。

本发明的真空感应炉可供特殊钢、高温合金、精密合金在真空或 保护气氛下进行熔炼和铸锭之用，亦可供小型零件的真空精密铸造使 用。