專利名稱：脫氧鑄造、鋁鑄造和鑄造設備的制作方法
背景技術：
本發(fā)明涉及脫氧鑄造、鋁鑄造和一種鑄造設備。
已知有許多種鑄造方法，如重力鑄造、低壓鑄造、壓鑄、擠壓鑄造、觸變鑄造。在任何一種鑄造方法中，都要將熔融金屬澆注到鑄造模型的型腔中，固化該金屬成預定形狀?？筛鶕?jù)熔融金屬的材料和需鑄造的產(chǎn)品選擇鑄造方法。
許多種類的產(chǎn)品都是鑄造產(chǎn)品。在鑄造形狀復雜或性能高的產(chǎn)品情況下，必須確保型腔中填滿熔融金屬，不會形成鑄造缺陷，達到規(guī)定的強度，防止變形，并具有良好的外形。
鋁和鋁合金廣泛用作熔融金屬材料。在鋁鑄造時，鋁易形成氧化膜。由于在熔融鋁的表面形成了氧化膜，熔融金屬的表面張力變得更大，因此降低熔融金屬的流動性和焊接性質(zhì)，有時還會產(chǎn)生鑄造缺點。為解決這些缺點，已經(jīng)研究了許多方面的改進，如潤滑劑、澆注方式、澆注速度、澆注壓力。
例如，在重力鑄造和低壓鑄造中，通過涂布絕熱脫模劑，調(diào)整澆口排列等，可以減慢熔融金屬的溫度下降，從而抑制因熔融金屬表面形成氧化膜而導致的熔融金屬流動不良、皺縮、冷隔等毛病。在壓鑄中，通過調(diào)整澆注速度，澆注壓力、澆口排列等，可以高壓在短時間內(nèi)填入熔融金屬。在擠壓鑄造中，可在其重力鑄造階段大大提高震顫壓，使氧化膜以破碎和熔化。
然而，常規(guī)的鑄造方法存在一些缺點，目前尚沒有很完善的方法。尤其是，熔融金屬接觸鑄造模型型腔內(nèi)表面時形成的氧化膜，會在產(chǎn)品表面形成裂紋和冷隔現(xiàn)象，氧化膜使熔融金屬不能充分填入模型。在飛機和機動車的鑄件情況，其表面應力和破損部分會嚴重影響安全性等，因此需采用熒光探傷的方式檢驗每個鑄造產(chǎn)品。所以，產(chǎn)品的制造成本必定很高。而且，不能保證產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。
不僅在鋁的鑄造，而且在其它材料的鑄造中也會出現(xiàn)氧化膜問題。
發(fā)明概述本發(fā)明目的旨在解決熔融金屬表面產(chǎn)生的氧化膜所引起的問題。
本發(fā)明的一個目的是提供一種脫氧鑄造的方法，這種方法可以防止在熔融金屬表面形成氧化膜，改善其對鑄造模型型腔內(nèi)表面的潤濕性，能以高的鑄造效率鑄造出高質(zhì)量產(chǎn)品。
本發(fā)明第二個目的是提供實施上述方法的脫氧鑄造設備。
本發(fā)明的脫氧鑄造方法包括下列步驟令一種金屬氣體與一種活性氣體起反應形成的脫氧化合物與熔融金屬反應；使熔融金屬表面上的氧化膜脫氧。
根據(jù)熔融金屬選擇用于金屬氣體的金屬。例如，由鎂氣體與氮氣反應形成的氮化鎂(Mg3N2)可以用作有效的脫氧化合物，該化合物可使熔融金屬表面形成的氧化膜脫氧。鎂在室溫至高溫范圍穩(wěn)定，并容易升華。所以，鎂適合用于這種方法。氮化鎂化合物的高脫氧性能，能使熔融金屬表面的氧化膜有效脫氧。
本發(fā)明的脫氧鑄造涉及這種方法，即能使熔融金屬表面上形成的氧化膜脫氧，生成純的熔融金屬。所以，在用易形成氧化膜的熔融金屬進行鑄造的情況下，本發(fā)明方法能夠使氧化膜有效脫氧，并以純?nèi)廴诮饘倭己玫剡M行鑄造。
通過使熔融金屬表面上的氧化膜脫氧，熔融金屬的表面張力下降，流動性提高，其對鑄造模型型腔內(nèi)表面的潤濕性也提高。由于是純?nèi)廴诮饘俳佑|型腔的內(nèi)表面，它能在鑄造模型中容易流動，即提高了熔融金屬的流動性能，可以確保熔融金屬填入型腔，直到其細小的空間。
在有一種常規(guī)鑄造方法中，是使用潤滑劑或絕熱脫模劑來保持鑄造模型在高溫，從而保持熔融金屬的流動性。本發(fā)明方法中，熔融金屬的流動性更高，不需要潤滑劑或絕熱脫模劑。因此，鑄造模型的制造和調(diào)整更方便，鑄造效率更高。
常規(guī)鑄造方法中，對鑄造模型加熱至高溫，用以保持熔融金屬的流動性。將熔融金屬澆注到加熱的鑄造模型中。通過冷卻該模型來使熔融金屬固化。而本發(fā)明方法中，熔融金屬的流動性很高，因此不必加熱鑄造模型。所以，熔融金屬可以在短時間內(nèi)固化，可以快速固化獲得產(chǎn)品，產(chǎn)品的韌性高，可防止產(chǎn)品的變形如縮斑(sink mark)和伸長，因此產(chǎn)品質(zhì)量高。鑄造模型可以在室溫下使用。
常規(guī)的重力鑄造中，在鑄造模型中形成一補縮冒口，熔融金屬借助其本身重量從補縮冒口引入型腔。本發(fā)明中，熔融金屬在鑄造模型中的流動性很高，因此可減少補縮冒口的容積。常規(guī)模型中，補縮冒口的容積占模型容積的50-60％。本發(fā)明方法中，由于熔融金屬的流動性較高，補縮冒口的容積可減小到只占鑄造模型容積的10-20％。所以，能有效地使用熔融金屬，并使鑄造模型容易制造。通過減小補縮冒口容積，可加速熔融金屬的固化，縮短鑄造周期，提高鑄造效率。而且，本發(fā)明中，產(chǎn)品容易和鑄造模型分離，因此能迅速取出產(chǎn)品，提高鑄造效率。
有兩種使熔融金屬與脫氧化合物在鑄造模型型腔中反應的方法。一種方法包括下列步驟在鑄造模型外面形成脫氧化合物；將脫氧化合物引入型腔；將熔融金屬澆注到型腔中。另一種方法包括下列步驟在鑄造模型型腔內(nèi)形成脫氧化合物；在型腔中澆注熔融金屬。
脫氧化合物沉積在型腔內(nèi)表面上，使其與熔融金屬反應。為了將脫氧化合物有效地沉積在型腔內(nèi)表面上，將制備脫氧化合物用的金屬進行蒸發(fā)獲得金屬氣體，令其與活性氣體如氮氣進行反應。
脫氧化合物可以自外引入型腔，也可以在型腔內(nèi)形成，在該型腔內(nèi)先要是無氧氣氛，以免脫氧化合物的脫氧功能降低。產(chǎn)生無氧氣氛的辦法是先對型腔抽氣，然后通入惰性氣體，從中將空氣吹掃掉等辦法。
本發(fā)明的方法可恰當用于鋁或鋁合金作為熔融金屬的鑄造。在鋁鑄造中，使鎂氣體和氮氣反應產(chǎn)生的氮化鎂與熔融鋁反應，就能容易地使熔融鋁表面形成的氧化膜脫氧。在鋁鑄造的情況下，在熔融金屬表面易于形成氧化膜。通過氮化鎂使氧化膜脫氧，可制造高質(zhì)量的產(chǎn)品。
在鋁鑄造中，也有兩種使熔融金屬和脫氧化合物在鑄造模型型腔內(nèi)反應的方法。一種方法包括下列步驟首先使鎂氣體和氮氣反應形成氮化鎂；將氮化鎂化合物引入型腔；在該型腔內(nèi)澆注熔融金屬。另一種方法包括下列步驟將鎂氣體和氮氣分別引入鑄造模型型腔，形成氮化鎂化合物；在該型腔內(nèi)澆注熔融鋁。氮化鎂化合物是一種脫氧化合物，它先沉積在包含一個型芯的型腔內(nèi)表面上，然后在其中澆注熔融鋁。當熔融鋁接觸型腔內(nèi)表面時，通過脫氧化合物的脫氧功能，從熔融鋁表面的氧化膜除去氧，使熔融鋁表面為純的鋁。
當熔融鋁接觸型腔內(nèi)表面時，就通過脫氧作用除去熔融鋁表面上形成的氧化膜，因此可以防止在產(chǎn)品表面形成的皺縮和表面缺陷。尤其在鑄造產(chǎn)品形狀復雜時，過去是不能消除表面缺陷的。然而，用本發(fā)明方法，由于純?nèi)廴阡X的高潤濕性和毛細管現(xiàn)象，可以鑄造出沒有表面缺陷的優(yōu)良產(chǎn)品。
在型腔中制備氮化鎂的情況下，首先將鎂氣體引入型腔，然后在其中引入氮氣。鎂是在惰性氣體如氬氣或一種脫氧氣體如氫中加熱，直到鎂升華，制得鎂氣體的。將鎂氣體引入型腔。鎂氣體是和一種非氧化載氣一起引入的。適當調(diào)節(jié)載氣的壓力和流量。載氣宜為惰性氣體如氬。鎂在700-850℃升華后，依靠載氣能方便地將鎂氣體引入型腔。
在型腔中引入鎂氣體時，型腔應處于無氧氣氛中。為產(chǎn)生無氧氣氛，型腔可預先抽空或用氮氣吹掃等辦法。除去型腔中的氧后，將鎂氣體均勻引入型腔。
鎂氣體引入型腔后，在該型腔中再引入氮氣，形成氮化鎂化合物。氮化鎂化合物主要以粉末形式沉積在型腔內(nèi)表面上。
在型腔中通入氮氣時，適當調(diào)節(jié)氮氣的壓力和流量。為了促進氮氣與鎂氣體反應，可以預熱氮氣來加熱鑄造模型。反應時間可為5-90秒。如果反應時間太長，鑄造模型的溫度下降，因此合適的反應時間為15-60秒。
在型腔中通入氮氣制備氮化鎂時，重要的是要防止氮化鎂與鑄造模型反應。因為熔融金屬將直接接觸型腔內(nèi)表面，熔融金屬的表面狀況對產(chǎn)品表面狀況的影響很大。所以，氮化鎂化合物的脫氧作用必須作用于型腔內(nèi)表面。
型腔內(nèi)表面不可和氮化鎂化合物反應。如果在型腔內(nèi)表面上存在容易和氮化鎂化合物反應的氧自由基等，在將熔融金屬澆注到型腔之前，脫氧功能就喪失了。所以，在型腔內(nèi)表面上涂布氧化材料如潤滑劑、脫模劑是不合適的。型腔內(nèi)表面上可以涂布非氧化性材料如石墨。還可以將金屬表面暴露于型腔內(nèi)表面而不涂布潤滑劑等。露出的金屬表面可經(jīng)加熱或氮化處理。氮化鎂化合物存在于型腔內(nèi)表面上時，在該型腔中澆注熔融金屬，在型腔內(nèi)表面上的氮化鎂化合物就與熔融金屬反應，除去氧化膜的氧，即使氧化膜脫氧。通過該反應，使熔融鋁的潤濕性加大，在型腔內(nèi)表面上的流動性更高，使毛細管現(xiàn)象有效。由于熔融金屬表面已成為純的鋁，產(chǎn)品具有優(yōu)良的外形，沒有皺縮和表面缺陷。
附圖簡述通過舉例方式并參考附圖描述本發(fā)明。


圖1是本發(fā)明第一個實施方案的脫氧鑄造設備的示意圖。
圖2A是鑄造模型連接部分的剖面圖；圖2B是連接部分的正視圖；圖3是本發(fā)明第二個實施方案的脫氧鑄造設備的示意圖；圖4是本發(fā)明第三個實施方案的脫氧鑄造設備的示意圖；圖5是另一個鑄造模型例子的剖面圖；圖6是鎂進料機構的示意圖；圖7是爐子另一例子的示意圖；圖8是爐子另一例子的示意圖；圖9是本發(fā)明第四個實施方案的脫氧鑄造設備的示意圖；圖10是本發(fā)明第五個實施方案的脫氧鑄造設備的示意圖；圖11是本發(fā)明第六個實施方案的脫氧鑄造設備的示意圖；圖12是本發(fā)明第七個實施方案的脫氧鑄造設備的示意圖；圖13是熔融金屬和脫氧化合物反應方式的示意圖；圖14是儲存在儲器中的熔融金屬反應方式的示意圖；圖15是本發(fā)明方法所制產(chǎn)品表面的顯微照相圖；圖16是采用常規(guī)方法所制產(chǎn)品表面的顯微照相圖。
較好實施方案的詳細描述下面參見附圖詳細描述本發(fā)明的一些較好實施方案。
首先，說明本發(fā)明的基本原理。使脫氧化合物和熔融金屬反應的方法有很多。例如，可以使脫氧化合物在鑄造模型的澆注口，在熔融金屬通過其澆注時與熔融金屬反應，或使脫氧化合物在澆包中和熔融金屬反應，或使脫氧化合物在儲存有熔融金屬的儲器中和熔融金屬反應。圖13中，在鑄造模型200的澆注口的邊緣形成進口202和204。鎂氣體和氮氣分別引入澆注口，使這些氣體與澆注到震顫口(purring mouth)的熔融金屬反應。氮化鎂化合物是一種脫氧化合物，在澆注口中形成，氮化鎂化合物可以和熔融金屬反應。用這種結構，當熔融金屬澆注到鑄造模型中時，在熔融金屬表面形成的氧化膜可以脫氧，因此可以鑄造高質(zhì)量的產(chǎn)品。
圖13中，熔融金屬儲存在一個澆包208中。向澆包中的熔融金屬加入脫氧化合物，可使熔融金屬表面的氧化膜脫氧即除去。脫氧化合物還可以加到一儲器中的熔融金屬中。
圖14所示為脫氧化合物和熔融金屬反應的另一個例子。熔融金屬206盛在儲器210中。脫氧化合物在一鼓泡部件212中形成，鼓泡部件的下端浸在熔融金屬206中，通入熔融金屬206。向鼓泡部件212通入鎂氣體和氮氣形成脫氧化合物，該脫氧化合物通入熔融金屬206中，使熔融金屬206表面的氧化膜脫氧除去。由于除去了氧化膜，熔融金屬的流動性較高，可以鑄造高質(zhì)量的產(chǎn)品。
圖15是采用本發(fā)明方法鑄造的鋁產(chǎn)品表面的顯微照相圖，；圖16是采用常規(guī)方法鑄造的鋁產(chǎn)品表面的顯微照相圖。圖16中，在產(chǎn)品表面觀察到皺縮。而圖15中采用本發(fā)明方法鑄造的產(chǎn)品，它具有非常光滑的表面，沒有皺縮。
下面，參見圖1-5，說明本發(fā)明的一些實施方案。這些實施方案中，鎂氣體和氮氣分別引入型腔形成脫氧化合物，然后，將熔融金屬澆注到該型腔中。
圖1所示是第一實施方案的鑄造設備的大概。鑄造模型12連接到一儲器14。通過活塞16的向上運動，從儲器14流出規(guī)定量的熔融鋁18。熔融金屬表面暴露在型腔12a的內(nèi)表面上。氮氣鋼瓶20通過管道22連接到鑄造模型12。打開閥24將氮氣通入該鑄造模型。氬氣鋼瓶25通過管道26連接到爐子28。打開閥30將氬氣通入爐子28。加熱器32對爐子28進行加熱。爐中溫度上升到800℃或更高溫度，以便使鎂粉升華。
氬氣鋼瓶25通過管道34還連接到罐36，在該罐中儲存有鎂粉，管道34上有閥33。罐36通過管道38連接到管道26，管道38的末端連接到在閥30之后的管道26。在管道38上裝有閥40。爐子28通過管道42和44連接到鑄造模型12，管道44貫穿活塞16。管道42上裝有閥45。
圖2A和2B所示是與管道22連接的鑄造模型12的連接部分13。
如圖2A所示，連接部分13形成一錐形內(nèi)孔，其內(nèi)徑向外逐漸增大。裝在管22前端的錐形連接活塞(未示出)可拆卸地連接到連接部分13。連接部分13通過一些通風孔15連接到型腔12a。
下面說明采用鑄造設備10實施的鑄造方法。
首先，打開閥24，通過管道22將氮氣從鋼瓶20引入鑄造模型12。引入了氮氣，就吹掃或排出鑄造模型12內(nèi)的空氣。在鑄造模型12的上部有一些通風孔(圖中未示出)，從這些通風孔排出空氣，使得在鑄造模型12內(nèi)是無氧氣氛。從鑄造模型12吹掃出空氣后，閥24立刻關閉。在從鑄造模型吹掃出空氣的同時打開閥30，使氬氣通入爐子28，在爐子28中也產(chǎn)生無氧氣氛。
之后，關閉閥30，打開閥40，借助氬氣壓力將儲存在罐36中的鎂粉通入到爐子28中。此時，通過流量調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)氬氣的流量和壓力。由于使用加熱器加熱爐子28至800℃或更高溫度，通入的鎂粉就升華，產(chǎn)生了鎂氣體。
然后，關閉閥40，打開閥30和45，通過管道42和44將鎂氣體引入鑄造模型12。此時，調(diào)節(jié)氬氣的流量和壓力。鎂氣體引入鑄造模型12后，關閉閥45，打開閥24，將氮氣引入鑄造模型12。由于氮氣引入鑄造模型12，鎂氣體就和氮氣在鑄造模型12的型腔12a中反應，產(chǎn)生氮化鎂化合物(Mg3N2)。氮化鎂化合物以粉末形式沉積在型腔12a的內(nèi)表面上。
在這種狀態(tài)下，活塞16向上運動，令儲存在儲器14中的熔融金屬澆注到鑄造模型12中。澆注到鑄造模型12的熔融鋁18與沉積在型腔12a內(nèi)表面上的氮化鎂化合物反應。通過該反應，氮化鎂化合物從熔融鋁18表面上形成的氧化膜除去氧，因此使熔融鋁表面脫氧，形成純鋁表面。留在鑄造模型12或包含在熔融鋁18中的氧，會成為氧化鎂或氫氧化鎂，包含在熔融鋁18中。氧化鎂或氫氧化鎂的量很少，對鋁產(chǎn)品不會有不良影響。
由于沉積在型腔12a內(nèi)表面上的氮化鎂化合物從形成在熔融鋁18表面的氧化膜除去了氧，當鋁固化時獲得純鋁，這樣就能鑄造鋁，而不會形成氧化膜。金屬表面與型腔12a的內(nèi)表面接觸，使氮化鎂化合物固定在型腔12a的內(nèi)表面上，沒有損失，所以能確保對熔融金屬的脫氧。型腔12a內(nèi)表面的表面狀況對產(chǎn)品的外形有極大影響，由于能確保氮化鎂化合物的形成并固定在型腔12a的內(nèi)表面上，因此能鑄造良好外形的產(chǎn)品。
氮化鎂化合物能防止在熔融鋁18表面形成氧化膜，使熔融金屬18的表面張力較小，改善熔融金屬18的潤濕性、流動性、操作性能和光滑度。所以，可鑄造沒有皺縮的高質(zhì)量鋁產(chǎn)品。
應注意到這個實施方案中，氮氣從氣體鋼瓶20引入型腔12a，排出在型腔12a內(nèi)的空氣?？梢允褂枚栊詺怏w如氬氣代替氮氣，來排出空氣。排出空氣，是為了防止氮化鎂化合物和氧在型腔12a中反應。
為了從型腔12a排出空氣，將氮氣或氬氣引入型腔12a。還可以通過真空泵52對型腔12a抽出空氣，在型腔12a內(nèi)產(chǎn)生無氧環(huán)境。這種情況下，打開閥19，通過管道17對型腔12a抽空，然后，關閉閥19，將鎂氣體引入型腔12a(見圖1)。
將氮氣引入型腔12a，在其中產(chǎn)生氮化鎂化合物時，同時對型腔12a通入氬氣，氬氣作為鎂氣體的載氣。但型腔12a中有一些通風孔，當澆注熔融金屬18時這些通風孔將空氣排出，使型腔12a內(nèi)的壓力在澆注熔融金屬18后逐漸下降。由于壓力降低，新鮮空氣會侵入型腔12a。為防止空氣侵入，打開閥24，在倒入熔融金屬18時從氣體鋼瓶20向型腔12a提供氮氣。氮氣供應量等于排出空氣量和生成氮化鎂化合物消耗的氮氣量的總和。根據(jù)供給型腔12a的鎂氣體量可知消耗的氮氣量。通過在管道22上的流量計21和閥24控制氮氣供應量。
上述實施方案中，本發(fā)明方法應用于重力鑄造。本發(fā)明的脫氧鑄造法不限于重力鑄造。
現(xiàn)參見圖3說明本發(fā)明的第二個實施方案。鑄造模型12由上模部分50和壓模部分51組成。即本發(fā)明方法可應用于高壓鑄造。與第一實施方案中說明的重力鑄造的鑄造模型不同，第二實施方案的鑄造模型12的氣密性較高。
第二實施方案中，管道53從管道22分支出來，管道22將氮氣鋼瓶20連接于鑄造模型12，管道53連接于降壓泵52。在管道22的中部裝有閥54。型腔12a有一管道55連接到外面，管道55上裝有閥56。
在此實施方案的鑄造設備中，首先關閉閥24和56，打開閥54，然后開動降壓泵52，對鑄造模型12抽空，在其中產(chǎn)生無氧環(huán)境。同時，氬氣從鋼瓶25引入爐子28，閥33打開，氬氣進入罐36，將鎂粉從罐36送入爐子28。鎂粉在爐子28中升華，產(chǎn)生鎂氣體。在關閉閥54和56的情況下，閥45打開，將鎂氣體和氬氣一起引入鑄造模型12。
之后，關閉閥56，打開閥24和54，將氮氣從鋼瓶20引入鑄造模型12。氮氣引入鑄造模型12后，鎂氣體和氮氣相互反應，氮化鎂化合物粉末沉積在型腔12a的內(nèi)表面上。
在此情況下，通過壓模部分51向上運動，熔融鋁澆注進入型腔12a中。此時，在型腔12a內(nèi)表面包括上模部分50的內(nèi)表面和壓模部分51的內(nèi)表面上，覆蓋有氮化鎂化合物，和第一實施方案一樣，鑄造時可以防止在熔融鋁18表面形成氧化膜。
此實施方案中，型腔12a的內(nèi)表面經(jīng)熱處理形成四氧化三鐵。圖3中，符號12b代表四氧化三鐵熱處理層。四氧化三鐵層與型腔12a內(nèi)表面上的氮化鎂化合物不會發(fā)生反應。所以，可以保持氮化鎂化合物的脫氧功能，使熔融鋁18上的氧化膜有效脫氧。除進行了上述熱處理外，型腔12a的內(nèi)表面還可以有效地進行氮化處理。要澆注熔融鋁18時，壓模部分51加壓，打開閥56，方便地澆注熔融鋁18。
現(xiàn)參見圖4說明第三個實施方案的鑄造設備10。上述那些實施方案中，是在鑄造模型外面制得鎂氣體的。而在第三個實施方案中，如圖4所示，在鑄造模型12底部提供加熱部分32a，它包括導熱部件71、用于加熱導熱部件71的加熱器72和用于防止熱量傳導到鑄造模型12從而保持導熱部件溫度在800℃或更高的隔熱器73。用這種結構，鎂可以在鑄造模型12內(nèi)升華，即在鑄造模型12內(nèi)產(chǎn)生鎂氣體。
本實施方案中，鑄造模型12的型腔12a通過降壓泵52抽空，或通過在型腔12a內(nèi)通入惰性氣體如氬氣從型腔12a吹掃出空氣。然后，對在鑄造模型12的型腔12a內(nèi)的鎂加熱使其升華，并將氮氣從鋼瓶20引入型腔12a，使氮化鎂化合物沉積在型腔12a的內(nèi)表面上。
型腔12a的內(nèi)表面上預先涂布了一種非氧化性材料12c。當形成氮化鎂化合物時，該非氧化性材料12c不會和氮化鎂化合物反應，可以保持氮化鎂的脫氧功能。當熔融鋁18澆注到鑄造模型12中時，在熔融鋁表面形成的氧化膜被脫氧除去，因此是用純鋁進行鑄造。由于是用純鋁鑄造，可以鑄造出沒有皺縮和表面缺陷的高質(zhì)量產(chǎn)品。
現(xiàn)參見圖5說明鑄造模型12的另一個例子，這種鑄造模型有一個鎂氣體進口和一個氮氣進口。鑄造模型12中，活塞16裝在澆口11a中，能夠在垂直方向運動。澆口11a通過澆注通道11b連接到型腔12a。鎂氣進口44a連接到澆注通道1 1b的中部和管42。在管座23a和23b之間形成型腔12a，這兩個管座是垂直排列的。在管座23a和23b中裝有氮氣進口22a和/或抽氣孔17a。管座23a和23b以及型腔12a通過一些連接通道15相連。鎂氣進口44a、氮氣進口22a和抽氣孔17a中的一個用作通風孔為宜，以便當熔融金屬18澆注進入型腔12a時從其排出空氣。
此實施例的鑄造模型12中，氮氣通過氮氣進口22a引入型腔12a，從該型腔12a吹掃出空氣，然后，鎂氣體和氬氣載氣通過鎂氣進口44a一起引入型腔12a，在該型腔12a內(nèi)形成氮化鎂化合物。在預先對型腔12a抽空的情況下，可通過抽氣孔17a進行。
如圖5所示，鎂氣體和氮氣是通過不同途徑引入鑄造模型12的型腔12a的，因此可防止管22和42被沉積物封閉，易于維護，提高鑄造效率。
圖6-8所示為其它例子，其中，金屬如鎂蒸發(fā)，蒸發(fā)的金屬氣體通入鑄造模型的型腔中。
圖6中，一固定量的鎂粉供給到爐子28中。儲存有鎂粉的罐120通過管道122連接到爐子28，管道122上裝閥124和126，在閥124和126之間為固定量的儲存段128。固定量的儲存段為圓柱形，通過調(diào)節(jié)其長度和/或內(nèi)徑來控制儲存在其中的鎂粉量。
鎂粉從固定量儲存段128供給爐子28。首先，關閉閥124，打開閥126，氬氣從鋼瓶25通入罐120，從罐120向固定量儲存段128提供一固定量的鎂粉。然后，關閉閥33，打開閥30和124，將鎂粉引入爐子28。此時，通過流量計129觀察從鋼瓶25送出的氬氣量和壓力。采用上述結構，可確保將鎂粉供給爐子28。
圖7中，外殼100由隔熱材料組成，其上面敞開。爐子28的爐腔101由耐熱材料組成。蓋102覆蓋在爐腔101上，用螺釘103將其固定到法蘭104上。在爐腔101和外殼100之間有加熱器105，對爐腔101進行加熱。
蓋102上有三個開口部分106、107和108，它們連接到爐腔101。一根引入管109連接到管26，管26連接到罐36，引入管109穿過開口部分106進入爐腔101。引入管109的下端敞開，位于爐腔101底部附近。熱電偶110穿過開口部分107進入爐腔101。排出管111連接到管42，該管連接到鑄造模型12，排出管111穿過開口部分108。管111的上端位于爐腔101之上，對空氣敞開。
用耐熱材料制成的六塊板112a-112f平行排列，在垂直方向上相隔預定的距離。引入管109穿過板112a-112f上鉆出的通孔。引入管的下端位于爐腔101底部和最下面的板112a之間的空間中是開口的。
在最下面的板112a上鉆有一個通孔114a，與引入管109隔開。板112a-112f分別有通孔114a、114b和114，這些通孔在垂直方向交錯排列。
在板112b底面上裝有一隔板116b。隔板116b將板112a和112b之間的空間分成兩部分一部分連接通孔114a；另一部分連接通孔114b。注意，在隔板116b的底面和板112a的上表面之間有一小的間隙。所以，這兩部分是通過該小間隙相互連通的。在相鄰板112b-112f之間的空間中都有隔板116，在這些空間中也有小的間隙。
在爐腔101內(nèi)可以制備鎂氣體。首先，借助氬氣壓力通過管道226和109將鎂粉從罐36供給到爐腔101中。由于鎂粉很輕，鎂粉和氬氣一起噴射到爐腔101的下部，并在上面分散。但是，爐內(nèi)空間被板112a-112f隔成交錯空間，當鎂粉在交錯空間中上升時，鎂粉就升華，形成鎂氣體，需要一定時間才能充分地升華全部鎂粉。在爐子28中，爐腔101內(nèi)的空間垂直分成多個子空間，鎂粉和氬氣一起進入爐腔101的最下面的子空間，因此鎂粉的分散受到限制，需要一定的時間上升這些鎂粉。用這種結構，鎂粉能完全加熱并且充分升華，不會有鎂粉通過管道111進入到鑄造模型12中。爐子28中的鎂氣體和氬氣一起供給到鑄造模型的型腔12a中，氬氣用作載氣。
圖8中，鎂片140供給到爐子28中，在爐內(nèi)熔化并蒸發(fā)，產(chǎn)生的鎂氣體通入鑄造模型12的型腔。在爐子28上部形成鎖氣室142，鎖氣室為氣密的，儲存著鎂片140。規(guī)定量的鎂片140下落進入爐子28。是打開閘板144，使鎂片從鎖氣室142進入爐子28中的。鎂片140在爐子28內(nèi)熔化。規(guī)定量的鎂片供給到鎖氣室142中后，關閉蓋子146，從鋼瓶25將氬氣引入鎖氣室142。然后，鎖氣室中的空氣從排出管148排出，在鎖氣室142中產(chǎn)生無氧氣氛。爐子28中的鎂氣體和氬氣一起供給到鑄造模型12的型腔中，氬氣來自鋼瓶25，用作載氣。
現(xiàn)參見圖9-11，說明第四至第六個實施方案，各實施方案中，鎂氣體和氮氣在鑄造模型12的外面預先反應，產(chǎn)生氮化鎂化合物(Mg3N2)，將氮化鎂化合物引入型腔中后，熔融金屬澆注到型腔中。
第四個實施方案的鑄造設備10示于圖9。鑄造模型12連接到一儲器14，其中儲存有熔融金屬18。通過活塞16的向上運動，規(guī)定量的熔融鋁18澆注進入鑄造模型12。氮氣鋼瓶20通過管道22連接到鑄造模型12。打開閥24，將氮氣引入鑄造模型12，吹掃鑄造模型12中的空氣。氣體鋼瓶20通過管道26連接到爐子28，打開閥30，將氮氣引入爐子28。加熱器32加熱爐子達到800℃或更高溫度，使鎂粉升華。氣體鋼瓶20通過管道34連接到罐36，罐中儲存有鎂粉。罐36通過管38連接到管26上閥30的位于爐子28的那部分。管38上裝有閥40。爐子28通過管道42和44連接到鑄造模型12，管44穿過活塞16伸入鑄造模型12中。將管22連接到鑄造模型12的連接部分13的結構與圖2所示第一個實施方案相同。
現(xiàn)說明在鑄造設備10中實施的脫氧鑄造法。
首先，打開閥24，將氮氣從鋼瓶20經(jīng)管道22引入鑄造模型12，直到鑄造模型12中充滿氮氣。鑄造模型12的空氣被吹掃通過通風孔(未示出)排出。然后，打開閥30，將氮氣引入爐子28。
之后，關閉閥24和30，并將管22的連接活塞與連接部分13分開。打開閥40，從罐36將鎂粉和氮氣一起通入爐子28。鎂粉在爐子28中升華，鎂氣體和氮氣反應，使得氮化鎂化合物氣體經(jīng)管道42和44引入鑄造模型12。氮化鎂化合物以粉末形式沉積在鑄造模型12型腔12a的內(nèi)表面上。
然后，活塞16向上運動，將熔融鋁18澆注進入鑄造模型12。熔融鋁18和氮化鎂化合物在鑄造模型12的型腔12a的內(nèi)表面上反應，氮化鎂化合物從熔融鋁表面形成的氧化膜除去氧，熔融鋁成為純鋁。一些留在型腔或包含在熔融鋁18內(nèi)的氧變成氧化鎂或氫氧化鎂，但仍包含在熔融鋁18中。氧化鎂和氫氧化鎂的量很少，而且是化學穩(wěn)定的化合物，因此，它們不會對鋁產(chǎn)品有不良影響。通過通風孔(未示出)將過量氣體排出到鑄造模型12之外。
如上所述，氮化鎂化合物從熔融鋁18表面上形成的氧化膜除去氧，而留在型腔內(nèi)或包含在熔融鋁18中的氧變成氧化鎂或氫氧化鎂，并包含在熔融鋁18中。所以，在熔融鋁18的表面不存在氧化膜。
由于沒有氧化膜，所以熔融鋁的表面張力不會變大，提高了熔融鋁18的流動性、操作性能和潤濕性，可以鑄造平滑度很高的高質(zhì)量鋁產(chǎn)品。
對鑄造模型12中的氮化鎂化合物的量和密度沒有限制。氮化鎂化合物的密度即使較低，氮氣和氮化鎂化合物仍能充滿鑄造模型12，可以極大降低鑄造模型12中氧的量，防止形成氧化膜。
氮氣不必預先通入鑄造模型12。就是說，可將氮氣和氮化鎂化合物直接通入鑄造模型12，從其中排出空氣。
在第四個實施方案中，本發(fā)明的脫氧鑄造應用于重力鑄造。本發(fā)明方法不限于這一實施方案。
現(xiàn)參見圖10說明第五個實施方案。高壓鑄造的鑄造模型12包括上模部分50和壓模部分51。與圖9所示的第四個實施方案不同，圖10所示的鑄造模型12具有較高的氣密性。鑄造模型12的型腔12a通過管道53連接到降壓泵52，而不是與用于引入氮氣的管道22(見圖9)相連。管55將型腔12a連接到鑄造模型12的外面。在管52和55上分別有閥54和56。
本實施方案中，打開閥54，關閉閥56，從鑄造模型12抽出空氣，產(chǎn)生無氧環(huán)境，然后在鑄造模型12中沉積氮化鎂化合物。這種情況下，氮化鎂化合物沉積在鑄造模型12中時，同樣未開始脫氧，使得氮化鎂化合物能有效用于熔融金屬18表面形成的氧化膜的脫氧。注意到，進行高壓澆鑄時可以打開閥56，以便使熔融金屬18容易地澆注進入鑄造模型12中。
現(xiàn)參見圖11說明第六個實施方案。儲存著鎂粉的罐36連接到爐子28，氮氣鋼瓶20和氬氣鋼瓶25連接到爐子28上。連接到罐36和鋼瓶25的管道26以及連接到鋼瓶20的管道22都延伸到靠近爐子28底部的內(nèi)表面。管22和26的22a和26a在爐子28中延伸。管42將爐子28連接到鑄造模型12，該管的下端在爐子28上部敞開。
在第六個實施方案中，首先打開閥24和45，通過管22和42，將氮氣引入爐子28和鑄造模型12中，吹掃爐子28和鑄造模型12內(nèi)的空氣或排出空氣。然后，立刻關閉閥24和45。注意，通過打開閥30并引入氬氣，可吹掃爐子28和鑄造模型12內(nèi)的空氣。
之后，關閉閥30，打開閥33、40和45，將鎂粉從罐36與氬氣一起供給到爐子28中。同時，打開閥24，將氮氣引入爐子28。爐子28在800℃或更高溫度下加熱，使鎂粉升華。通入該爐子28的鎂粉升華產(chǎn)生鎂氣體，因此，鎂氣體和氮氣反應形成氮化鎂化合物，這種化合物是脫氧化合物的一個例子。氬氣作為載氣將氮化鎂化合物送入鑄造模型12的型腔，氮化鎂化合物以粉末形式沉積在型腔內(nèi)表面上。
在氮化鎂化合物沉積在型腔內(nèi)表面上的同時，將熔融鋁澆注進入該型腔。在型腔中，熔融鋁和氮化鎂化合物在型腔內(nèi)表面上反應，結果在鑄造的同時使熔融鋁表面形成的氧化膜脫氧。
現(xiàn)參見圖12，說明第七個實施方案，該實施方案中，產(chǎn)生鎂氣體的裝置與反應室如爐子28是分開的。產(chǎn)生鎂氣體裝置150的主要部分151由絕熱材料制成。通過加熱器32a將主要部分151加熱至800℃或更高溫度。管道26連接到儲存有鎂粉的罐，氬氣罐連接到主要部分151。主要部分151通過管152連接到爐子28。氮氣鋼瓶20通過管道22連接到爐子28。
此實施方案中，鎂粉借助氬氣經(jīng)管道26供給到產(chǎn)生鎂氣體的裝置150中。進入的鎂粉加熱升華，產(chǎn)生鎂氣體。鎂氣體經(jīng)管道152通入爐子28。，管道152最好通過加熱器154加熱，以保持鎂氣體的溫度。
氮氣經(jīng)管道22通入爐子28。打開管道152和22，這兩個管道在爐子28內(nèi)相對，使鎂氣體和氮氣在爐子28內(nèi)相互碰撞。通過將鎂氣體和氮氣引入爐子28，這兩種氣體就反應，形成氮化鎂化合物(脫氧化合物)。
用加熱器33保持爐子28的高溫，以便加速兩種氣體的相互反應，將活性脫氧化合物引入高溫的鑄造模型12的型腔12a中。所以，脫氧化合物能有效地用于熔融金屬。較好的是，將爐子28就裝在鑄造模型12上，使得與型腔12a的距離很近。連接通道156將爐子28連接到鑄造模型12的澆口或靠近型腔12a的某個部分。由于熔融金屬與脫氧化合物反應后立即進入型腔12a，熔融金屬在型腔12a中的流動性提高，因此可有效地鑄造熔融金屬。
上述這些實施方案中，是純鋁用作熔融金屬，但是其它金屬材料，如包含硅、鎂、銅、鎳的鋁合金，都可用作鑄造金屬。本發(fā)明中，“鋁”這個詞包括鋁合金。
除了鋁和鋁合金外，其它金屬如鎂、鐵及它們的合金也可按照本發(fā)明方法鑄造。
本發(fā)明可包括其它不偏離本發(fā)明精神或其基本特征的具體形式。因此，在此的一些實施方案只用于說明，不構成對本發(fā)明的限制，由權利要求書而不是前面的描述確定的本發(fā)明范圍和在權利要求書的意義和等價范圍內(nèi)的所有變化都包括在權利要求書中。
權利要求
1.一種脫氧鑄造方法，該方法包括下列步驟通過一種金屬氣體和一種活性氣體反應制得的脫氧化合物與熔融金屬反應；使熔融金屬表面上的氧化膜脫氧。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于所述脫氧化合物是通過分別將所述金屬氣體和所述活性氣體引入鑄造模型的型腔，使這兩種氣體反應制得，并將熔融金屬澆注到型腔中進行鑄造。
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于所述金屬氣體和所述活性氣體經(jīng)引入孔分別引入型腔12a，這些孔形成在鑄造模型中并和型腔連通。
4.如權利要求2所述的方法，其特征在于所述脫氧化合物沉積在鑄造模型的型腔內(nèi)表面上。
5.如權利要求2所述的方法，其特征在于使用惰性氣體作為載氣，用于將所述金屬氣體引入鑄造模型的型腔。
6.如權利要求2所述的方法，其特征在于所述氣體是在型腔中產(chǎn)生無氧氣氛后被引入鑄造模型的型腔。
7.如權利要求6所述的方法，其特征在于通過對鑄造模型型腔進行抽空來產(chǎn)生所述無氧氣氛。
8.如權利要求6所述的方法，其特征在于通過在模型的型腔中引入惰性氣體并從其中吹掃出空氣產(chǎn)生所述無氧氣氛。
9.如權利要求2所述的方法，其特征在于所述型腔用一種氣體增壓，該氣體在該型腔內(nèi)與所述脫氧化合物反應，然后將熔融金屬澆注到增壓的型腔中。
10.如權利要求1所述的方法，其特征在于所述金屬氣體和所述活性氣體在鑄造模型的外面反應制得脫氧化合物，再將所述的脫氧化合物引入鑄造模型的型腔，然后在該型腔中澆注熔融金屬。
11.如權利要求10所述的方法，其特征在于一種作為載氣的惰性氣體將脫氧化合物引入鑄造模型型腔中。
12.如權利要求10所述的方法，其特征在于在型腔中產(chǎn)生無氧氣氛，然后將所述脫氧化合物引入該型腔。
13.如權利要求12所述的方法，其特征在于通過對鑄造模型型腔進行抽空來產(chǎn)生無氧氣氛。
14.如權利要求12所述的方法，其特征在于通過在型腔內(nèi)引入一種惰性氣體并從該型腔吹掃出空氣來產(chǎn)生無氧氣氛。
15.如權利要求10所述的方法，其特征在于所述型腔用一種氣體增壓，該氣體在該型腔內(nèi)與所述脫氧化合物反應，然后將熔融金屬澆注到增壓的型腔。
16.如權利要求1所述的方法，其特征在于當熔融金屬澆注到型腔中時，所述脫氧化合物與熔融金屬反應，使熔融金屬表面的氧化膜脫氧。
17.一種鑄造鋁的方法，該方法包括下列步驟通過鎂氣體和氮氣反應制得的氮化鎂化合物與熔融鋁反應；使熔融鋁表面上的氧化膜脫氧。
18.如權利要求17所述的方法，其特征在于所述氮化鎂化合物是通過分別將所述鎂氣體和所述氮氣引入鑄造模型的型腔，使這兩種氣體反應制得，并將熔融金屬澆注到型腔中進行鑄造。
19.如權利要求18所述的方法，其特征在于使用氬氣作為載氣，用于將所述鎂氣體引入鑄造模型的型腔。
20.如權利要求17所述的方法，其特征在于所述鎂氣體和所述氮氣在鑄造模型的外面反應制得氮化鎂化合物，再將所述的氮化鎂化合物引入鑄造模型的型腔，然后在該型腔中澆注熔融鋁。
21.如權利要求20所述的方法，其特征在于使用氬氣作為載氣，用于將所述鎂氣體引入鑄造模型的型腔。
22.一種脫氧鑄造的設備，在其中鎂氣體和氮氣反應制得的氮化鎂化合物與熔融鋁反應，并通過氮化鎂化合物使熔融鋁表面的氧化膜脫氧，該設備包括有型腔的鑄造模型，在其中澆注熔融鋁，鑄造出預定形狀的鋁；用于將氮氣引入型腔的裝置；用于通過加熱和升華鎂來產(chǎn)生鎂氣體的爐子；用于將鎂氣體從所述爐子和載氣一起引入所述鑄造模型型腔，以便鎂氣體和氮氣在型腔內(nèi)反應制得氮化鎂化合物的裝置。
23.一種脫氧鑄造設備，在其中鎂氣體和氮氣反應制得的氮化鎂化合物與熔融鋁反應，并通過氮化鎂化合物使熔融鋁表面的氧化膜脫氧，該設備包括有型腔的鑄造模型，在其中澆注熔融鋁，鑄造出預定形狀的鋁；與所述鑄造模型分開的反應室；用于將氮氣和鎂引入所述反應室的裝置；用于將氮化鎂化合物和載氣一起引入型腔的裝置，該氮化鎂化合物是在所述反應室中通過加熱和升華鎂產(chǎn)生的鎂氣體與氮氣反應制得。
全文摘要
本發(fā)明的脫氧鑄造方法能夠使熔融金屬表面形成的氧化膜脫氧，改善與鑄造模型型腔內(nèi)表面的潤濕性，以高的鑄造效率鑄造高質(zhì)量的產(chǎn)品。本發(fā)明的脫氧鑄造方法包括下列步驟通過一種金屬氣體和一種活性氣體反應制得的脫氧化合物與熔融金屬反應；使熔融金屬表面的氧化膜脫氧。
文檔編號B22D21/00GK1400071SQ0112505
公開日2003年3月5日 申請日期2001年7月31日 優(yōu)先權日2001年7月31日
發(fā)明者伴惠介, 荻原晃一 申請人:日信工業(yè)株式會社