專利名稱：提高定向凝固的鋁鑄件的排熱的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用砂型的鋁合金鑄件的制造，尤其是相對(duì)大型和/或復(fù)雜的 鑄件的制造，例如制造高質(zhì)量的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的鋁缸體。
技術(shù)背景由美國(guó)專利No.5297611和其同族No.5477906可知，生產(chǎn)鋁合金缸體，其10中在7轉(zhuǎn)卩過(guò)程中在鑄件中形成熱梯度以ffi31利用導(dǎo)熱插入件(其功能為散熱片 并且在工業(yè)中通稱為"激冷鑄型")提高砂型中的鋁合金溶液的控制凝固。為 了達(dá)到散熱片的功能，激冷板具有至少在低于鋁合金的凝固、鵬的溫度開(kāi)始的 物質(zhì)(通常為鐵)。由此促進(jìn)在與新鑄造缸體接觸的激冷鑄型的表面開(kāi)始的缸 體的初期凝固。典型地放置激冷鑄型以沿朝向熔融金屬源的方向，通常在缸體15的相對(duì)端，進(jìn)行定向凝固。這樣避免在缸體通向熔融金屬源(其堵塞防止充滿 鑄件的凝固過(guò)程中由冷卻帶來(lái)的收縮而弓胞的有害孔隙)的區(qū)域中過(guò)早凝固。 4OT這種激冷鑄型有助于生產(chǎn)高質(zhì)量發(fā)動(dòng)機(jī)體，因?yàn)殇X烙液以更加有秩序的的 方式ll固由此有助于消除這種經(jīng)常在允許缸體在所有方向無(wú)控制地^固時(shí)產(chǎn)生 的孔隙和伴隨產(chǎn)生的縮松。20 盡管現(xiàn)有技術(shù)建議能夠?qū)⒓?，型和熱芯與外部散熱片或其它排熱裝置連 接以此保持在整個(gè)凝固階段中從鑄件中進(jìn)行持續(xù)的排熱，但是所述專利對(duì)于實(shí) 施這種排熱的實(shí)際方式是不清楚的。他們指出一些手段，用于從凝固的熔體持 續(xù)散熱以此發(fā)展并保持強(qiáng)有力的熱梯度，對(duì)于獲得定向凝固是必要的，并且教 導(dǎo)了獲得這種冷卻的兩種通用的方式(a)通過(guò)設(shè)置具有冷卻翼的激冷板(如25需要，其育^l多與加壓的冷卻空氣或霧接觸)增大激冷鑄型的排熱區(qū)；以及(b)設(shè)置允許水循環(huán)以7賴卩激冷鑄型的穿過(guò)該激冷鑄型的M。這些和其它目前所使用的激冷鑄型的確為促進(jìn)定向凝固提供了裝置。然 而，申請(qǐng)者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，能夠通過(guò)謹(jǐn)慎地控制在凝固鑄件的特殊區(qū)域上選擇性的 進(jìn)行直接水的沖擊來(lái)實(shí)現(xiàn)更加快速和更好控制的定向凝固，并隨之提高鑄件的30質(zhì)量。這樣ffiil使用由可溶性粘結(jié)劑形成的砂型禾n/或砂芯可以部分完成，所述 粘結(jié)劑至少部分由水噴射去除以冷卻并直接在鑄件選擇的新凝固的金屬表皮上 快速開(kāi)始進(jìn)行，由此獲得鑄件的更大的熱梯度并更快速的冷卻，因此改善了缸 體的凝固并強(qiáng)烈地以期望的方向推進(jìn)。在最近公開(kāi)的美國(guó)專利申請(qǐng)No.2004/0050524Al (2004年3月18日申請(qǐng) 5 的、題為"Mold-Removal Casting Method and Apparatus")中披露了這種5爐 的一部分。該申請(qǐng)和在該文本中弓間的所有專利或其它文獻(xiàn)，以及在該申請(qǐng)的 所有引用文獻(xiàn)中引用的或參考的文獻(xiàn)，都在此結(jié)合引用。在該申請(qǐng)中所參考的 合并的文獻(xiàn)或此處的其它教導(dǎo)可以用在本發(fā)明的實(shí)踐中。然而，2004/0050524公布的教導(dǎo)和公開(kāi)內(nèi)容仍保留明顯的缺點(diǎn)。典型的 10可溶性粘結(jié)劑成本高并且具有較低的所需的模制特性。此外，難于控制冷卻水 (或MU)特別應(yīng)用到復(fù)^l件的精確限定和確定的區(qū)域(需要在冷卻的位置 實(shí)現(xiàn)最高的有效控制以獲得冷卻以及由此控制的凝固進(jìn)展的最佳的和定向的精 度并且由此獲得所期望的高質(zhì)量產(chǎn)品)。 發(fā)明內(nèi)容15 本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種在砂型中鑄造具有較高質(zhì)量的鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的新工藝和裝置，并且由此克服在目前公知的工藝中遇到的缺陷。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種在砂型中鑄造鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的新工藝 和裝置，其中通過(guò)利用流體冷卻齊嶼所述鑄件的精密的部位進(jìn)行接觸來(lái)提高凝 固鑄件的熱排放量從而使熔融金屬液的凝固以預(yù)定的方向進(jìn)行。20 Mil下面的優(yōu)選實(shí)施例和附圖的描述，將指出本發(fā)明的其它目的或使其清楚。提高鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)缸體或其它大型或復(fù)雜鑄件的質(zhì)量和機(jī)械性能的方法和 裝置，僅在所述鑄件的要求用于定向凝固的快速^4卩和/或提高局部的機(jī)械性能 的位置處設(shè)置由可溶粘結(jié)劑粘合的砂型，同時(shí)所述砂型在其余位置僅由更典型25的不可溶粘結(jié)劑粘合。本發(fā)明包括提高鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)缸體或其它大型或復(fù)雜鑄件的質(zhì)量和機(jī)械性 能的新工藝和裝置，僅在所述鑄件的要求用于定向凝固的快淑轉(zhuǎn)卩和/或提高局 部的機(jī)械性能的位置處設(shè)置由可溶粘結(jié)齊鵬合的砂芯，同時(shí)所述砂型在其余位 置僅由不可溶粘結(jié)齊鵬合，并且在所述工藝中，利用翻U流接觸所述部，所述30M!」流通常為水，開(kāi)始僅去除由可溶性粘結(jié)劑粘合的砂型的那些部，由此所述 y轉(zhuǎn)卩翻u僅去除可溶部并且精確地可選擇地接觸所述鑄件，由此提供最終提高 局部控制的集中冷卻，同時(shí)保持由使用較好確定的不可溶粘結(jié)齊u而典型地獲得 的較高質(zhì)量和較小費(fèi)用的優(yōu)點(diǎn)。離多有利地禾,保持在適當(dāng)位置的具有相對(duì)低導(dǎo)熱性的不可^^型以保護(hù)5相對(duì)鑄件的其余部延遲凝固的冷卻鑄件的那些部。此外，不可溶部定位于關(guān)鍵點(diǎn)以在硬化時(shí)支承鑄件，同時(shí)允許有效地去除 模型的其它部以，冷卻(全部在沒(méi)有不足以支承冷卻鑄件的滑動(dòng)或變形的危 險(xiǎn)下)。彼此相對(duì)和/或相對(duì)溶劑流和鑄件的相對(duì)的可溶部和不可溶部的精細(xì)地成10形有助于進(jìn)一步提高冷卻控制，例如通過(guò)使溶劑流呈漏斗狀和使可溶部的侵蝕定時(shí)。


圖1是表示本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的具有砂型和砂芯的鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的 正視圖。15 圖2是圖1所示的其中一個(gè)可溶性芯部的側(cè)視圖的示意圖，示出多個(gè)7賴口噴水口 ，其每一個(gè)直接進(jìn)入在所述芯部中預(yù)先形成的中空部以準(zhǔn)備沖走所述芯 部(以此在凝固初始階段快速開(kāi)始缸體上的直接沖擊，但具有有效的延遲以保 證所需的對(duì)熔融金屬的支承直到7轉(zhuǎn)卩有效地凝固鑄件的表面以能夠自支承)。
具體實(shí)施方式
20 參考圖i和圖2，標(biāo)號(hào)io通常表示砂型，其中M低壓鑄^r藝使鋁合 金溶液充滿型腔而澆鑄成缸體。盡管下面描述的本發(fā)明的 實(shí)施例是應(yīng)用于鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)缸體并且其澆 鑄是采用低壓鑄造工藝，但可以理解也能夠應(yīng)用于其它鑄件和鑄造工藝。 同樣地，在下面描述的優(yōu)選實(shí)施例中，溶劑描述為水，可溶粘結(jié)劑可以理25解是可溶性的；但是在本發(fā)明較寬的方面可以使用其它溶劑和可溶解在其中的 粘結(jié)劑。砂型10具有上型部12和下型部14。在該實(shí)施例中，上型和下型由不可 溶粘結(jié)劑制成。由可溶性粘結(jié)齊棉U備的多個(gè)砂芯以預(yù)定排列設(shè)置在所述砂型12 中，并且共同限定了由鋁合金溶液填充以形成缸體16的鑄件空腔。 30 由可溶性粘結(jié)劑制備的石英砂芯18放置在那些要求快速冷卻的鋁合金缸
體的區(qū)域內(nèi)。在此描述的本發(fā)明的實(shí)施例中，要求決速冷卻的缸體部分至少包括M由標(biāo)號(hào)24表示的曲軸箱的那些部分。這樣不僅實(shí)現(xiàn)自曲軸箱區(qū)域24的 定向冷卻控制，而且也可以通過(guò)更快速的在區(qū)域24的冷卻而實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)性硬化， 從而使鋁合金的硬化成分的沉淀最小化。5 多個(gè)噴嘴20將噴水口直接對(duì)準(zhǔn)由可溶性粘結(jié)齊鵬合的芯18，由此促使芯18破裂以此去除所述芯18。在芯18中任意地形成合適的空腔26以縮短可溶 性芯18所需的水溶解的時(shí)間。在空腔26處，至少與臨時(shí)支承結(jié)構(gòu)27 —起保 持在相鄰的空腔之間的的芯18的厚度足夠承受充滿鑄模10的鋁液的重量，同 時(shí)盡可能地小以易于芯18的快速破裂，以此能夠在沖擊的暴露區(qū)實(shí)現(xiàn)充分的io初時(shí)凝固的同時(shí)^7K接觸鋁合金。在另一個(gè)實(shí)施例中，能夠特別應(yīng)用本發(fā)明以在鑄造缸體的某些期望的區(qū)域 獲得良好的機(jī)械性能，例如，在設(shè)置螺栓以將其它發(fā)動(dòng)機(jī)組件緊固到缸體上的 區(qū)域。缸體的這樣的一個(gè)區(qū)域由標(biāo)號(hào)28表示。放置可溶性芯30連接于該區(qū)域 28以此當(dāng)噴水口對(duì)準(zhǔn)所述芯30時(shí)，溶解粘結(jié)劑并且沖走砂，由ltb7乂快速地與15已凝固的缸體金屬接觸。此處的缸體的淬火產(chǎn)生特別地快速^i卩，由此相對(duì)其 中冷卻不夠快速但機(jī)械性能并非臨界值的鑄件的大部分較遠(yuǎn)的區(qū)域，整個(gè)沖擊 區(qū)域的機(jī)械性能提高。可以利用具有不同程度的溶解度的粘結(jié)劑進(jìn)行更高的控制。例如，芯18 能夠由比制作芯30的粘結(jié)劑需要更長(zhǎng)時(shí)間溶解的粘結(jié)齊糊成(當(dāng)剝牛相同時(shí))。20 盡管描述為芯，但插入物30也能夠認(rèn)為是上型12的一部分(僅在其形狀和粘結(jié)劑上可能有差別).由不可溶粘結(jié)劑制備的模型的一部分可具有其它優(yōu)點(diǎn)；例如可選擇地以 "V"形形成芯30 (在頂點(diǎn)與鑄件接合)。這樣就允許冷卻水噴射流入V形的 一支路并從另一支路流出。這樣在狹窄通道內(nèi)是很有用的(同樣也有助于沖走25可能易于形成的、在所期望的區(qū)域28處的冷卻工藝減慢的堵塞蒸汽的任意薄 層)。應(yīng)當(dāng)理解通常V形也廣泛地包括U形。一開(kāi)始，育的多在V形的兩支路內(nèi)指引噴水口， 一旦V形兩支路內(nèi)的砂都 去除掉，接著關(guān)閉其中一個(gè)噴口，以此允許借助來(lái)自另一個(gè)噴口的連續(xù)的流體 3151V形暢通無(wú)阻地進(jìn)行水的沖洗。30 會(huì),更加廣泛地應(yīng)用V形原理；例如，通過(guò)設(shè)定以內(nèi)部芯(如與水套空 腔相似)為形狀的第一模型部(由可溶性粘結(jié)劑形成)，該第一模型部具有獲 取所述芯的入口支路和出口支路并且設(shè)置在第二模型部(由不可溶粘結(jié)劑形 成)的周圍。兩支路和芯育,呈任何形狀，只要通過(guò)溶劑噴口及時(shí)有效地去除砂和可溶性粘結(jié)劑是可行的。M31噴水口去除所述兩支路的砂使流體皿第二5部以此有助于集中并輔助y賴卩水流到用于加速冷卻所限定的芯區(qū)域。作為其廣泛方面中的一個(gè)，在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，模型會(huì)g^如此成 形，即不僅具有形成模腔的由不可溶粘結(jié)劑制備的部，而且具有其中靠匠期望 快速冷卻的區(qū)域的部，該部非常薄并且通過(guò)由可溶性粘結(jié)劑形成的模型部的支 承層支承。這樣使成品鑄件的表面將會(huì)有更高的均勻度，同時(shí)允許冷卻水替換10初期具有可溶粘結(jié)齊啲砂并且由此在薄部上快速進(jìn)行以在所期望的區(qū)域開(kāi)始初期定向冷卻。作為在該申請(qǐng)中的應(yīng)用，"大型復(fù)雜鑄件"通常指其具有足夠的尺寸和減 復(fù)雜度的鑄件，以此有必要進(jìn)行定向冷卻以避免所生產(chǎn)的鑄件中的孔隙或縮松 (以此防止最終的、商業(yè)不可接受的、大量缺陷的鑄件。)
權(quán)利要求
1. 一種限定形成鋁合金鑄件的空腔的砂型，包括由可溶于給定溶劑的粘 結(jié)劑形成的至少一個(gè)第一部和由不可溶于所述溶劑中的粘結(jié)劑形成的至少一個(gè)
2. 如權(quán)利要求1所述的砂型，其特征在于，所述可溶第一部可各自外部 接近蹄l」流，并且還定位在限定鑄件空腔的期望熔融鑄件相對(duì)快速地冷卻的區(qū) 域的各自位置上；其中一個(gè)或多個(gè)第二部定位成限定鑄件空腔的余部。
3. 如權(quán)利要求2所述的用于大型復(fù),條件的砂型，其特征在于，輸U(kuò)為 10 水。
4. 如權(quán)利要求2所述的用于大型復(fù)雜鑄件的砂型，其特征在于，由可溶 粘結(jié)劑形成的至少一個(gè)第一部具有預(yù)先成形的中空部，中空部被成形為以一定 中空部深度來(lái)接收翻啲溶解和冷卻流，加速各個(gè)第一部從鑄件表面去除，同 時(shí)在所述區(qū)域初始地支承最早熔融的澆鑄鑄件，直到此區(qū)域的鑄件自支承為 15 止。
5. 如權(quán)利要求2所述的用于大型復(fù)雜鑄件的砂型，其特征在于，至少一 個(gè)所述不可溶第二部定位和成形為有助于集中并輔助冷卻水流到至少各自 一個(gè) 所限定的區(qū)域，以便決速^4卩。
6. 如權(quán)利要求5所述的用于大型復(fù) 件的砂型，其特征在于，由可溶 20粘結(jié)劑形成的至少一個(gè)第一部具有大致V形形狀。
7. 如權(quán)利要求1所述的砂型，其特征在于，所述可溶第一部可各自外部 接近翻l」流，并且還定位在期望熔融鑄件相對(duì)快速地冷卻的各自位置上；其中 所述第二部限定可歸于砂型的鑄件空腔的整個(gè)區(qū)域，其中所述第二部在前述位 置處較薄以此允許更快速地冷卻，由此同時(shí)仍然呈現(xiàn)模腔的均勻表面，并且其 25中在前述位置處所述第二部在結(jié)構(gòu)上由各自的第一部支承。
8. —種鑄造裝置，包括 熔融金屬源；如權(quán)利要求2所述的用于力AM述金屬源接收熔融金屬的模型； 所述溶劑源；以及 30 至少一個(gè)噴嘴，定位成從其溶齊鵬噴射溶齊似在各自的一個(gè)由可溶粘結(jié)劑 形成的所述第一部上沖擊，用于沖走所述第一部，以在由沖擊而產(chǎn)生的區(qū)域上 沖擊并快速^i卩所述鑄件。
9. 一種用于鑄造鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的體，在如權(quán)利要求1所述的砂型 中，具有曲軸箱和用于缸蓋螺栓的支座，還包括 所述的一個(gè)可溶第一部，是形成用于限定所述缸體的曲軸箱部的模腔部的芯；以及所述的其它可溶第一部，是在所述螺栓支座的位置處形成模腔部的插入件。
10. —種在砂型中形成鋁合金鑄件的方法，包括提供限定形i^f述鑄件的空腔的砂型，具有由可溶于給定溶劑中的粘結(jié)劑形成的所述模型的至少一個(gè)第一部和由不可于所述溶劑中的溶粘結(jié)劑形成的至 少一個(gè)第二部，定位所述第一部以限定用于實(shí)現(xiàn)局部快速冷卻鑄件的鑄件空腔 的區(qū)域；由鋁合金熔、液充滿模型； 將至少一個(gè)翻啲冷卻流引到至少一個(gè)第一部上以沖走各自的第一部，從而暴露并直掛令卻凝固的鑄件，以實(shí)現(xiàn)限定區(qū)域的加速冷卻。
11. 如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，在鑄件仍舊為熔融時(shí)的每 一個(gè)冷卻流開(kāi)始，其中各自第一部的厚度及其通過(guò)冷卻流的去除被調(diào)節(jié)，使得 在所需的各自限定區(qū)域的初始7賴卩過(guò)程中，各自第一部保持足夠的完整，以支承熔融鑄件， 一旦在該限定區(qū)域的鑄件開(kāi)始自支承，通過(guò)去除，將該區(qū)域暴露 于所實(shí)現(xiàn)的直接沖擊，并在所述鑄件上保持所述沖擊一定時(shí)間，至少在緊接各 自限定區(qū)域的范圍內(nèi)有效地提高所述鑄件的冷卻率和機(jī)械性能。
12. 如權(quán)利要求11所述的形成大型復(fù)雜鋁合，件的方法，其特征在于， 定位所述各自限定的區(qū)域以避免孔隙和縮松的方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)離并指向所述鋁液源的定向冷卻。
13. 如權(quán)利要求10所述的用于在砂型中低壓鑄造鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的方 法，其特征在于，所述砂型具有限定曲軸箱和螺栓支座的區(qū)域，還包括設(shè)置其 中一個(gè)所述第一部為限定曲軸箱的砂芯并且設(shè)置其它第一部為限定螺栓支座的 砂芯。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種提高鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)缸體或其它大型或復(fù)雜鑄件的質(zhì)量和機(jī)械性能的方法和裝置，其通過(guò)僅在所述鑄件的位置提供由可溶粘結(jié)劑粘合的砂型，由此期望定向凝固的快速冷卻和/或提高局部的機(jī)械性能，所述模型此外在其余位置僅由更加典型的不可溶粘結(jié)劑粘合。
文檔編號(hào)B22C1/16GK101146634SQ200680008189
公開(kāi)日2008年3月19日 申請(qǐng)日期2006年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月16日
發(fā)明者J·F·莫吉卡-布里塞尼奧, O·加扎-安達(dá)扎 申請(qǐng)人:滕內(nèi)多拉內(nèi)馬克有限公司