專利名稱：集料模制成型鑄件的凝固微結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬鑄件。更具體地，本發(fā)明涉及具有精細凝固微結(jié)構(gòu)的集 料成型金屬鑄件。
背景技術(shù)：
在常規(guī)鑄造法中，熔融金屬被澆注至模型內(nèi)并且因?qū)υ撃Ｐ褪岫?或凝結(jié)。當足夠的熱量已經(jīng)從金屬丟失，從而金屬已經(jīng)凝結(jié)時，所得的產(chǎn)物 即鑄件可以支撐自身重量。隨后將該鑄件從模型中脫除。
現(xiàn)有技術(shù)不同類型的模型具有某些優(yōu)勢。例如，濕砂模由集料，型砂組 成，其中所述的集料以粘合劑(如粘土和水的混合物)固定在一起。該類模型
可以在自動化模型制造工廠中迅速地，例如對簡單模型而言在十(10)秒內(nèi)制
造。另外，型砂-還可以相對容易^^回收以進一步#_用。
其它砂模通常使用具有高尺寸精度及高硬度的樹脂基化學粘合劑。該類 經(jīng)樹脂粘合的砂模比濕砂?；ㄙM略微較長的時間來制造，其原因是粘合劑 的固化反應必須發(fā)生以起效并促使模型形成。如在粘土粘合的模型中那樣， 型砂往往可以進行回收，盡管需要一些處理以除去樹脂。
除了制造相對快速及經(jīng)濟外，砂模也具有高生產(chǎn)率。在已經(jīng)澆注熔融金 屬后，可以將砂才莫擱置在一旁以便使所述金屬冷卻和凝固，從而允許澆注其 它模型。
在砂才莫制中用作集料的型砂最常見是二氧化硅。然而，已經(jīng)使用其它礦
物以避免a-石英在約570攝氏度(。C)或1058華氏度(。F)不期望地轉(zhuǎn)變成(3-石英，其中所述的礦物包括橄欖石、鉻鐵礦和鋯石。這些型砂中的某些種類 在導熱性上顯示與普通二氧化硅型砂的細小差別，并且有時作為模型或核心 部分(core section)與二氧化硅砂混合或相互混合以便嘗試和幫助實現(xiàn)定向凝 固。這些礦物具有某些缺點，如橄欖石在其化學組成上經(jīng)?？勺?，這導致用 化學粘合劑的均勻性控制問題。鉻鐵礦一般被粉碎，這形成在鑄件上產(chǎn)生低劣表面光潔度并且迅速磨損工具的角形顆粒。鋯石是沉重的，這增加了用來 形成及處理模型的設備需要并且引起工具迅速磨損?；旌献鳛閱蝹€模型中不 同組分的這些型砂、也〗吏回收型砂、的工作繁瑣。
此外，由于二氧化硅及替代性礦物的特性所引起的劣勢，含有粘土和化 學粘合劑的砂模因它們相對較低的導熱性而通常不允許熔融金屬快速冷卻。 熔融金屬的快速冷卻往往是期望的，因為在現(xiàn)有技術(shù)中已知這種冷卻改善鑄 件的機械性能。另外，快速冷卻允許在溶液中保留更多合金元素，從而有可 能取消后續(xù)固熔處理，這節(jié)省時間和費用。取消固熔處理則不再需要一般隨 之而來的淬火，從而解決鑄件中因淬火造成的變形和殘余應力問題。就機械 性能而言，鑄件微結(jié)構(gòu)的細度與冷卻及凝固的速率相關(guān)。 一般，隨冷卻和凝 固的速率增加，鑄件的凝固微結(jié)構(gòu)變得更精細。
作為砂模的替代物，有時使用金屬制成的模型或半永久性模型或冷模 型。這些金屬模型是特別有利的，原因是他們相對高的導熱性允許鑄造的熔 融金屬迅速冷卻和凝固，從而在鑄件中產(chǎn)生有利的機械性能。例如， 一種稱
作壓力鑄造法(pressure die casting)的特殊鑄造法利用金屬模型、并且已知該 鑄造法具有快速凝固速率。這種快速凝固速率由鑄件中細微枝晶臂間距 (DAS)的存在指示。如現(xiàn)有技術(shù)中已知，凝固速率越快，則DAS越小。然 而，因為填充模型期間極端表面擾動在熔融金屬中發(fā)生，故壓力鑄造往往在 鑄造部件中導致缺陷形成。細微枝晶臂間距的存在也可以通過局部冷卻或翅 片冷卻鑄件而實現(xiàn)。此類技術(shù)包括固體冷卻材料(如金屬團塊冷卻物或者可 模壓的冷卻集料等)的局部應用，其中所述的冷卻材料在待冷卻的鑄件部分 附近并入模型中。然而，這些方法僅在施加冷卻物的區(qū)域內(nèi)提供局部作用。 這種局部作用與本申請所討論的本發(fā)明益處形成反差，其中若正確地實施本 發(fā)明，則所述精細微結(jié)構(gòu)的益處可以廣泛地適用整個鑄件。這是本申請的重 要方面，因為最終益處是鑄件表現(xiàn)這樣的性能，其不但通常更高，而且還在 整個產(chǎn)品內(nèi)U本上均勻的，并且因此對該產(chǎn)品的設計人極有益處。所述產(chǎn) 品現(xiàn)在基本上具有通常與鍛件相關(guān)的均勻性。
已知永久性模制法的一個變體包括某些類型的半固體鑄造法，在所述的 永久性^f莫制法中在結(jié)構(gòu)內(nèi)的殘留液相可以經(jīng)歷快速冷卻。在這種方法中，金 屬漿料在模型外形成并且由在殘留液體中混懸液內(nèi)的枝晶片段組成。將這種混合物轉(zhuǎn)移至金屬模中則導致剩余液體迅速凝固，從而形成一種精細結(jié)構(gòu)，
不過這種精細結(jié)構(gòu)由往往處于退化枝晶、菊花狀共晶(rosette)或球結(jié)形式的 相對粗糙且分散的枝晶包圍。
然而，由金屬制成的全部模型具有重大的經(jīng)濟劣勢。因為從模型中取出 之前，鑄件必須凝結(jié)，故必須使用多個金屬模型來實現(xiàn)高生產(chǎn)率。永久模鑄 法中需要多個金屬模型則增加工具加工成本(costs for tooling)并且一般產(chǎn)生 比那些與砂模有關(guān)的成本多至少5倍的成本。
在鑄造工業(yè)中熟知并充分理解的常規(guī)成型鑄件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的另 一個共同
通常具有較粗糙的結(jié)構(gòu)。此類的鑄件區(qū)域通常具有明顯較低的機械性能。此 外，這類區(qū)域通常顯示有縮孔或孔隙，原因是它們在凝固后期更容易與原料 金屬分離。例如，常常在相對纖薄的板材上由孤立突座(boss)所形成的熱點 或在位于兩個相似部分之間T型連接處發(fā)現(xiàn)的熱點中見到此類區(qū)域。在復 雜鑄件中往往遍布此類特征，這有礙實現(xiàn)任何程度的性能均勻性。該問題使 產(chǎn)品設計人的工作十分繁瑣。例如，增厚某個部分旨在增加其強度則降低性 能，并且在最糟糕的情況下甚至可以產(chǎn)生缺陷，并且因此往往在某個不定程 度上適得其反。
在凝固緩慢的鑄件區(qū)域中，不僅(i)結(jié)構(gòu)粗糙，以粗糙DAS為典型，還 (ii)存在孑L,并且(iii)對于通常遭受鐵污染(commonly suffer iron as an impurity) 的鋁合金而言，富鐵相的巨大片樣晶體可以形成。全部這些因素極大有損于 合金的延展性。
極精細鑄造微結(jié)構(gòu)已經(jīng)在各種科學研究中作為實驗室新事物制成(例 如，G.S. Reddy和J.A. Sekhar在Acta Metallurgica, 1989，第37巻，第5期，第 1509-1519頁中的研究論文，以及L. Snugovsky, J.F. Major, D. D. Pe謂ic和 J. W. Rutter 的研究論文"Silicon segregation inaluminium casting alloy"Materials Science and Technology 2000 16 125-128.)。
然而，與這類實驗室研究相反，本申請中所述的發(fā)明提供其中通過一種 生產(chǎn)方法而常規(guī)地產(chǎn)生本文中所述凝固微結(jié)構(gòu)的獨特條件，其生產(chǎn)方法可以 產(chǎn)生一次性或大量生產(chǎn)的三維成型鑄件。
通常較少了解的是鑄件的內(nèi)部可以因成型鑄件中的幾何效應而經(jīng)歷加速凝固。接近鑄件表皮的早期凝固基本上單向地發(fā)生，并且一般地速率隨時 間呈拋物線下降變化；即當固化層的厚度增加時，凝固速率降低。相反，在 鑄件中心仍保持液態(tài)的體積將隨時間而縮小，并從額外方向上散熱，從而凝
固速度可以大大提高。這種效應由本發(fā)明人之一充分地描述。參見英國牛津
Butterworth Heinemann出版的John Campbell的《Castings》，第125-126頁(第 二版，2003))，該文獻的全部內(nèi)容通過引用的方式并入本文中。這種特性解 釋了鐵鑄件中的所謂反白口效應，其中所述鑄件的中心有時似乎不能解釋地 顯示明顯冷卻的白色結(jié)構(gòu)，與仍然保持灰色、顯示緩慢冷卻速率的鑄件外側(cè) 區(qū)域形成反差。
因此，希望開發(fā)這樣的鑄造法和相關(guān)裝置，其具有金屬;f莫具的快速凝固 優(yōu)點，同時還具有與砂才莫有關(guān)的低成本、高產(chǎn)出率和高再生能力。
也希望提供這樣的集料模制成型鑄件，其在鑄件的大量區(qū)域內(nèi)顯示有精 細凝固微結(jié)構(gòu)區(qū)域，從而明顯地增進與鍛件的那些性能相似的均勻性能。(因 為性能對于在本申請中所用的高冷卻速率上的冷卻速率變化相對不敏感，故 稍后(例如在圖4中)討論的變化沒有明顯地影響性能，從而賦予鑄造產(chǎn)品中 性能的基本均勻性)。尤其，希望提供這樣的集料模制成型金屬鑄件，其具 有比常規(guī)集料鑄造法所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)更精細、甚至可能比永久性模型所產(chǎn)生的 結(jié)構(gòu)更精細的精細凝固微結(jié)構(gòu)。
還希望提供這樣的集料模制成型鑄件，其具有從鑄件的遠端點至進料器 或冒口的基本上連續(xù)的精細凝固微結(jié)構(gòu)區(qū)域。

發(fā)明內(nèi)容
本公開在各類實施方案中提供通過燒蝕鑄造法在集料模型中形成的成 型金屬鑄件，該鑄件包含這樣的精細凝固微結(jié)構(gòu)，其比通過常規(guī)集料鑄造法 產(chǎn)生的具有相似重量或截面厚度的相似金屬的鑄件的微結(jié)構(gòu)更精細，其中所 述的精細凝固微結(jié)構(gòu)包括一種或多種晶粒、枝晶、共晶相或其組合。
本公開在各類實施方案中提供顯示有鑄造微結(jié)構(gòu)的金屬鑄件，所述的微 結(jié)構(gòu)包含位于此金屬鑄件表面附近的第 一 區(qū)域，所述第 一 區(qū)域包含粗糙凝固 微結(jié)構(gòu)；和位于所述第一區(qū)域內(nèi)部的第二區(qū)域，所述第二區(qū)域包含精細凝固 微結(jié)構(gòu)。
在另 一方面，本公開在各類實施方案中提供從含共晶的合金中形成的金屬鑄件，所述的鑄件包含二元凝固微結(jié)構(gòu)區(qū)域，其中所述的二元凝固微結(jié)構(gòu) 區(qū)域包括(l)含有粗糙枝晶的一個或多個區(qū)域，以及(li)含有精細枝晶的一個 或多個區(qū)域。
另外，本公開提供了在至少部分地是集料模型的模型中形成的成型金屬 鑄件，該鑄件包含二元凝固微結(jié)構(gòu)區(qū)域，其中所述的二元凝固微結(jié)構(gòu)區(qū)域包
含至少一個這樣的粗糙凝固微結(jié)構(gòu)部分其具有在常規(guī)集料模型或金屬模型 中通常所期望范圍內(nèi)的晶粒大小和/或枝晶臂間距和/或共晶間距，和至少一 個這樣的精細凝固微結(jié)構(gòu)部分，其具有比鑄件該部分的常規(guī)間距的三分之一 更小的晶粒大小和/或枝晶臂間距和/或共晶間距。
在又一方面，本公開提供在集料模型中產(chǎn)生的成型金屬鑄件，所述鑄件 包含二元凝固微結(jié)構(gòu)區(qū)域，其中所述二元凝固微結(jié)構(gòu)區(qū)域包含具有約50-約200微米枝晶臂間距的至少一個粗糙凝固微結(jié)構(gòu)部分；和具有小于約15 微米枝晶臂間距的至少一個精細凝固微結(jié)構(gòu)部分。
在另一方面，本公開提供通過燒蝕鑄造法在集料;漠型中形成的成型金屬 鑄件，該鑄件包含具有如此枝晶臂間距的精細凝固微結(jié)構(gòu)，其中所述的枝晶 臂間距比由常規(guī)集料模型和永久才莫鑄造法產(chǎn)生的具有相似重量或截面厚度 的相似金屬的鑄件的枝晶臂間距更細小。
另夕卜，本公開提供這樣的成型金屬鑄件，其具有巨大的堅固性和高度及 基本上均勻的性能，所述性能在一定程度上類似于通常與鍛件相關(guān)的那些特 點。
參考附圖具體實施方式
、實施例和權(quán)利要求書進一步理解本公開的鑄 件的其它特點和優(yōu)勢。


圖1是經(jīng)歷枝晶凝固的固熔體合金的冷卻曲線；
圖1A是顯示枝晶臂間距與凝結(jié)速率或凝固魂率之間關(guān)系的曲線圖2是顯示由常規(guī)鑄造法鑄造的固熔體合金的微結(jié)構(gòu)的顯微照片(x200
倍)；
圖3是包含由燒蝕作用產(chǎn)生的精細凝固微結(jié)構(gòu)區(qū)域(二元DAS結(jié)構(gòu))的 固熔體合金的顯微照片；
圖4A-4E是包含精細凝固微結(jié)構(gòu)區(qū)域的金屬鑄件的示意圖；圖5是混合的枝晶及共晶合金的冷卻曲線；
圖6是A356合金的微結(jié)構(gòu)的顯微照片(x200倍)，該照片顯示通過常規(guī) 方法鑄造的粗糙共晶硅粒子；
圖7是燒蝕-凝固的A356合金的顯微照片(x200倍)，其中所述的A356 合金具備粗糙枝晶及精細枝晶材料區(qū)域(二元DAS的結(jié)構(gòu))和精細共晶材料 的區(qū)域；
圖8是燒蝕-凝固的A356合金的部分的顯微照片(x200倍)，該照片顯 示均勻的粗糙DAS和均勻的精細共晶相；
圖9是燒蝕-凝固的A356合金的顯微照片(x200倍)，其中所述的A356 合金具有精細共晶區(qū)域，但是在固溶熱處理后某種程度地被糙化；
圖10是燒蝕-凝固的A356合金的顯微照片(x200倍)，其中所述的A356 合金顯示有粗糙枝晶微結(jié)構(gòu)和大部分精細的共晶微結(jié)構(gòu)，不過還含有微量粗 糙共晶相；
圖11是在較高放大率(xlOOO倍)上的圖IO的顯微照片細節(jié)；
圖12描述根據(jù)示例性實施方案所形成的枝晶合金的不同部分的凝固速
率；
圖13是描述示例性實施方案鑄件的不同部分的冷卻速率的曲線圖14是顯示不同示例性實施方案鑄件的機械性能的表；
圖15是比較由各種鑄造法所形成的金屬鑄件的機械性能的柱狀圖和
表；
圖16是顯示鋁合金的枝晶胞尺寸與凝固速率之間關(guān)系的圖； 圖17a是直徑2.75"的鋁合金棒的常規(guī)鑄造永久性模型微結(jié)構(gòu)的顯微照 片(xlOO倍)；
部分)的顯微照片(x 100倍)；
圖17c是燒蝕結(jié)束部分的顯微照片(xioo倍)；
圖18是顯示燒蝕凝固的B206合金自動控制臂的照片，該照片顯示熱 處理后從其中力口工出拉伸試驗棒的位置(加框部分)；
圖19是顯示在具體示例性實施方案B206鋁合金鑄件中從一個極厚截 面中獲得的機械性能的表；圖20是顯示源自文獻通過多種鑄造法獨立鑄造的A206拉伸試驗棒的 數(shù)據(jù)；
圖21是從鑄態(tài)(F-回火)B206鑄件中拍攝的顯微照片，其中所述的鑄件 從圖18中所述的厚截面的中央獲得并且具有粗糙枝晶及精細枝晶材料(二元 DAS結(jié)構(gòu))。
意圖限制各實施方案的開發(fā)。
具體實施例方式
本公開涉及包含至少精細凝固微結(jié)構(gòu)區(qū)域的集料模制成型鑄件。本公開 的集料模制成型金屬鑄件包括比通過常規(guī)集料模制法獲得的凝固微結(jié)構(gòu)更 精細的凝固微結(jié)構(gòu)區(qū)域。在一些實施方案中，本公開的集料模制成型金屬鑄 件具備基本上不含縮孔的凝固微結(jié)構(gòu)。
所述凝固微結(jié)構(gòu)的類型或性質(zhì)將變化并且取決于經(jīng)歷凝固的金屬和/或 金屬合金。各種類型的微結(jié)構(gòu)包括枝晶、共晶相、晶粒等。例如在一個實施 方案中，所述的成型鑄件可以僅包含單一類型的微結(jié)構(gòu)。此外，合金可以顯 現(xiàn)包含一種或多種不同微結(jié)構(gòu)的凝固微結(jié)構(gòu)。例如，在一個實施方案中，成 型鑄件可以顯現(xiàn)包含枝晶和晶粒組合的微結(jié)構(gòu)。在另一個實施方案中，成型 鑄件可以顯現(xiàn)枝晶和共晶相的組合。在又一個實施方案中，成型鑄件可以顯 現(xiàn)枝晶、共晶相和晶粒的組合。這些實施方案不是限制性實施方案。因為其 它組合和/或其它微結(jié)構(gòu)是可能的，
如本文所用，共晶合金包括形成共晶相的任意合金，所述合金包括亞共 晶、近共晶或過共晶合金。
本公開的集料模制成型金屬鑄件可以通過如在2003年7月7日提交的 美國申請系列號10/614,601中描述的方法形成，并且該文獻的完整公布內(nèi)容 通過引用的方式并入本文。 一般地，申請系列號10/614,601披露了用于快速 冷卻和凝固集料模制成型鑄件的方法。該方法還提供脫模。在申請系列號 10/614,601中描述的方法在本文稱作"燒蝕"。
在燒蝕過程期間凝固時，金屬鑄件顯示出這樣的精細凝固微結(jié)構(gòu)，其比 通過常規(guī)集料模型鑄造法產(chǎn)生的相似金屬的鑄件的顯微結(jié)構(gòu)更精細，其中所 述的鑄件具有相似的重量或截面厚度。微結(jié)構(gòu)的細度可以依據(jù)由特定類型微結(jié)構(gòu)所顯示的大小或間距進行定義。例如，晶粒顯示晶粒大小，枝晶顯示枝 晶臂間距并且共晶相顯示共晶間距。
參照圖1,顯示了固熔體合金的冷卻曲線或凝固曲線。固熔體型合金在 凝固期間僅形成晶粒和/或枝晶。冷卻曲線顯示固熔體合金隨時間從澆注溫 度(Tp)經(jīng)液相線溫度(TO至固相線溫度(Ts)的冷卻過程，固相線溫度是凝固完 成的溫度點。
常規(guī)集料模型中固熔體型合金的冷卻由時間-溫度模式曲線"abcdef "代 表。使用常規(guī)方法冷卻的總時間處于分鐘至小時范圍內(nèi)，并且當然尤其取決 于鑄件厚度以及熱量傳輸至該模型內(nèi)的速率。由于在枝晶形成期間形成的潛 熱，冷卻速率在液相線溫度上(TL)緩慢。凝固在固相線溫度(Ts)完成，并且 一旦潛熱發(fā)展消退，則溫度下降的速率增加。
在圖1中的"e"點處，由于應用任意快速冷卻法太晚，也不能對凝固微 結(jié)構(gòu)產(chǎn)生任何影響。因此，例如，冷卻曲線"el"將不對凝固微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生任何 影響并且它不是本專利申請的部分。然而，冷卻曲線如"el"通常用在鑄件從 金屬模型取出并直接在水中淬火的鑄造工業(yè)中。
固熔體合金的凝固結(jié)構(gòu)一般幾乎完全由枝晶組成，其中所述的枝晶由厚 度可忽略的枝晶間殘留材料限定。二次枝晶臂間距(在本申請中往往更簡單 地稱為枝晶臂間距或DAS)取決于凝結(jié)時間(freezing time),即凝固時間，其 中所述的凝結(jié)時間是鑄件中固定部位在所述合金的液相線溫度TL與固相線 溫度Ts之間的溫度上存在的時間。在圖la中就此時間段而言，將它視為ts 二
圖1顯示在眾多常見鋁合金中局部DAS與局部ts之間的近似對數(shù)關(guān)系。 本圖說明為降低DAS達10倍，需要降低ts達幾乎IOOO倍。(不幸地是未對 晶粒和共晶間距研究這種關(guān)系，從而不能輕易地清晰定量描述改進某些合金 的凝固結(jié)構(gòu)的這類其它特征。因此，對通過在本申請中所述的燒蝕作用改進 結(jié)構(gòu)的定量性預測集中在DAS。然而，應當理解相似但非定量的改進在晶 粒尺寸和共晶間距方面平行進行)。因此，需要極大提高冷卻速率以根本影 響凝固微結(jié)構(gòu)的細度。
雖然就枝晶和枝晶臂間距方面描述了圖1中例舉的定量關(guān)系，但是在包 含晶粒和/或共晶相的合金中期望在晶粒尺寸和/或共晶間距方面相似的平行改進。
就常規(guī)集料鑄造法而言，對于幾磅或幾公斤重的鋁合金小鑄件，局部凝 固時間一般在約1000秒的級別。這些常規(guī)集料鑄造法產(chǎn)生具有約100微米、
有時約50微米-約200微米DAS的鑄件。如本文所用，具有大于50微米 DAS的凝固微結(jié)構(gòu)稱作"粗糙"微結(jié)構(gòu)。圖2是描述通過常規(guī)方法鑄造的固 熔體鑄造合金A206 (標稱Al-4.5wt%Cu合金)的粗糙微結(jié)構(gòu)的顯微照片。
本公開的鑄件包含在該鑄件的至少一部分中存在精細凝固微結(jié)構(gòu)。也就 是說，鑄件可以包含大于0%-至多到100%的精細凝固微結(jié)構(gòu)。在一個實施 方案中，該鑄件基本上不含任何粗糙凝固微結(jié)構(gòu)并且包含在整個該鑄件內(nèi)連 續(xù)存在的至多到100。/。的精細凝固微結(jié)構(gòu)。在另一個實施方案中，該鑄件包 含鄰近該鑄件表面的包含至多到100 %粗糙凝固微結(jié)構(gòu)的第 一 區(qū)域以及在 所述第一區(qū)域內(nèi)部的第二區(qū)域，其中所述的第二區(qū)域包含至多到100%的精 細凝固微結(jié)構(gòu)。在又一個實施方案中，本公開的鑄件包括從該鑄件遠端至其 近端(即鄰近進料器或冒口的末端)延伸的連續(xù)或至少基本上連續(xù)的精細凝 固微結(jié)構(gòu)區(qū)域。
在其它實施方案中，鑄件包含在粗糙凝固微結(jié)構(gòu)區(qū)域與精細凝固微結(jié)構(gòu) 區(qū)域之間的二元凝固微結(jié)構(gòu)區(qū)域。如本文所用，二元微結(jié)構(gòu)區(qū)域是包括粗糙 微結(jié)構(gòu)區(qū)的區(qū)域，其中所述的粗糙微結(jié)構(gòu)區(qū)在其內(nèi)部穿插有一個或多個精細 微結(jié)構(gòu)區(qū)。在又另一個實施方案中，鑄件中的所述二元凝固微結(jié)構(gòu)從鑄件遠 端至進料器整體基本上連續(xù)的。
枝晶臂間距通常取決于凝固發(fā)生持續(xù)的時間。如圖1A中所示，枝晶臂 間距與凝結(jié)時間的log/log關(guān)系是線性的，并且例如對于鋁合金而言，具有 大約1 / 3的斜率。該圖顯示對每100倍的凝結(jié)時間，存在大約5倍的間距 減少。因此，在常規(guī)^莫型中的特定鑄件剖面可以在1000秒中經(jīng)歷凝固，產(chǎn) 生相應的100微米DAS。在美國專利申請系列號10/614,601內(nèi)描述的燒蝕 鑄造技術(shù)中，相同的鑄件剖面將產(chǎn)生僅約IO秒的局部凝固時間，產(chǎn)生約20 微米枝晶臂間距。對全部的實驗時間，間距與凝結(jié)時間之間的相互關(guān)系均保 持恒定。圖3是顯示精細微結(jié)構(gòu)區(qū)域和粗糙微結(jié)構(gòu)區(qū)域兩者的顯微照片。
參照圖4A-4E,顯示了包含精細凝固微結(jié)構(gòu)區(qū)域的集料模制成型金屬鑄 件的多種示例性實施方案。參照圖4A,顯示了其中鑄件包含小百分比的精細凝固微結(jié)構(gòu)的實施方
案。圖4A中的鑄件代表這樣的情況，其中在鑄造過程后期應用快速冷卻法， 如燒蝕。在圖4A中的鑄件中， 一些固化已經(jīng)在快速冷卻(例如燒蝕)之前發(fā) 生，并且該鑄件的部分(如具有小幾何模量(體積與冷卻面積比)的那些部分) 常規(guī)地凝固。二元凝固顯微結(jié)構(gòu)區(qū)域在某些部分在燒蝕前已經(jīng)凝固，但是其 它部分在燒蝕開始的時間上保持液狀的區(qū)域出現(xiàn)。甚至在這樣一個實施例 (如圖4a)中，其中鑄件的一部分已經(jīng)在快速冷卻法之前凝固并且因此構(gòu)成決 非最佳的本發(fā)明應用，然而，即便存在少量的精細凝固微結(jié)構(gòu)也是有利的。 具體而言，在常規(guī)方法中，金屬合金中仍留下的小百分比例殘留液體若不造 成缺陷如縮孔則特別難以凝固。然而，采用快速冷卻技術(shù)(如燒蝕)將這些區(qū) 域從缺陷帶轉(zhuǎn)化成精細結(jié)構(gòu)帶。與常規(guī)凝固的鑄件的那些缺陷帶相比，微小 精細結(jié)構(gòu)帶的存在提供良好的機械性能。雖然圖4a中所示殘留液體的截留 區(qū)域預期顯示一些縮孔，不過對該區(qū)域的燒蝕凝固將降低收縮的程度并將該 區(qū)域替換為相應的強、堅固材料區(qū)域。當快速冷卻步驟相當晚地、更接近于 但在圖1曲線的點"e"之前應用時，可預期圖4a的凝固微結(jié)構(gòu)曲線。
在另 一個實施方案中，集料模制成型鑄件包含精細凝固微結(jié)構(gòu)區(qū)域和二 元凝固微結(jié)構(gòu)區(qū)域，其中所述的二元凝固微結(jié)構(gòu)區(qū)域從鑄件遠端到鑄件近端 A^本上連續(xù)的。圖4B的實施方案是含有基本上連續(xù)的二元凝固微結(jié)構(gòu)區(qū) 域的鑄件實施方案的實例。圖4B的凝固微結(jié)構(gòu)曲線是從圖1下列冷卻曲線 "abcdjk，，中預測到的曲線。在圖4B中，凝固點抵達至并通過這樣的溫度 點，在所述溫度點上收縮截面的自然凝固抵達該截面的中心。該鑄件通過快 速冷卻法(如燒蝕)而從該鑄件的更遠部分直至中心點處凝固。如果由快速凝 固產(chǎn)生的精細結(jié)構(gòu)區(qū)域在達到模量收縮時被終止(如其在圖4B的實施方案 那樣)，則鑄件將完全凝固到此點。盡管二元凝固微結(jié)構(gòu)在圖4B的實施方案 中局部收縮區(qū)域內(nèi)不存在，但是快速局部凝固時間在鑄件的整個其余部分范 圍內(nèi)產(chǎn)生基本上連續(xù)的精細和無缺陷的合金帶，不含收縮缺陷。因此，通過 定向地驅(qū)動從遠端區(qū)域至靠近進料器的那些區(qū)域凝固，鑄件的更遠部分顯示 出通過常規(guī)方法無法實現(xiàn)的精細凝固微結(jié)構(gòu)和機械堅固性。
在圖4C內(nèi)的實施方案中，所述鑄件包括更高百分比的精細凝固微結(jié)構(gòu), 并且二元凝固微結(jié)構(gòu)區(qū)域在整個鑄件收縮區(qū)域是連續(xù)的。這種期望的凝固微結(jié)構(gòu)可以通過在比圖4B的時間更早的時間上應用快速冷卻法(如燒蝕)而實 現(xiàn)。在另一個實施方案，如圖4D的實施方案中，金屬鑄件包括從鑄件遠端 至進料器處基本上連續(xù)的期望的精細凝固微結(jié)構(gòu)區(qū)域。這種凝固微結(jié)構(gòu)可以 通過在冷卻曲線早期應用快速冷卻法實現(xiàn)。在這個實施方案中，所述鑄件可 以還包括二元凝固微結(jié)構(gòu)區(qū)域和粗糙凝固微結(jié)構(gòu)區(qū)域?？赏ㄟ^應用快速冷卻預期圖4C及4D的凝固微結(jié)構(gòu)曲線，從而該鑄件的最窄部分將遵循起始于 圖1中的冷卻曲線上c與d之間的一個點開始的^f各徑。在又一個實施方案，如圖4E的實施方案中，完整的凝固微結(jié)構(gòu)包含精 細凝固微結(jié)構(gòu)。這種期望的結(jié)構(gòu)可以在圖1的冷卻曲線中點"b"處應用快速 冷卻法并且沿曲線"abghi"而獲得。如果凝固不因模型熱量損失而發(fā)生，并 且這種凝固完全單向且高速率地發(fā)生，則會出現(xiàn)這種期望的結(jié)構(gòu)。然而，這 種結(jié)構(gòu)不容易獲得，并且僅由本發(fā)明人實驗地獲得。獲得這種凝固微結(jié)構(gòu)的 困難源于液體致冷劑對仍呈液態(tài)的鑄件表面的直接的沖擊?？梢栽谀承l件 下獲得包含100%精細凝固微結(jié)構(gòu)的鑄件，如使用高度絕熱的模型并且釆用 高度定向性凝固方法。集料模制成型金屬鑄件可以包含約1-約100%的精細凝固微結(jié)構(gòu)。希望 有甚至少量的凝固微結(jié)構(gòu)以提高鑄件的機械性能。這在以下情況中尤其如 此，在該情況，少量的精細凝固微結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生(如本發(fā)明中所迷，定向凝固 作用)和由此的優(yōu)化進料，防止缺陷(如縮孔)在鑄件中出現(xiàn)。本公開包含精細凝固微結(jié)構(gòu)區(qū)域的鑄件可以從以枝晶方式固化的任何 固溶體合金中形成。這些固溶體合金包括鐵材料和非鐵材料。粗糙和精細凝 固微結(jié)構(gòu)區(qū)域的枝晶臂間距將根據(jù)所用金屬而變化。對鋁合金而言，粗糙凝 固微結(jié)構(gòu)區(qū)域通常具有大于約50微米的枝晶臂間距。在一些實施方案中， 粗糙凝固微結(jié)構(gòu)具有約50-約200微米的枝晶臂間距。同樣在鋁合金中，精 細凝固微結(jié)構(gòu)具有小于約15微米的枝晶臂間距，并且在一些實施方案中， 枝晶臂間距是約5-約15微米。這樣的合金也可以顯示有精細枝晶微結(jié)構(gòu)和/或精細共晶微結(jié)構(gòu)，在所 述合金中凝固部分通過枝晶凝固和部分通過共晶凝固發(fā)生，這是眾多Al-Si 合金(例如Al-7Si-0.4Mg(A356)合金)的特征?；旌现?共晶合金的常規(guī)冷卻曲線在圖5中描述為曲線"a-h"。在點"a，，處的澆注溫度(Tp)開始，液態(tài)合金冷 卻到點"c"處的液相線溫度(TO,其中點"c"是枝晶開始形成的點。枝晶的生 長在點"e"處結(jié)束，其中點"e"點是共晶溫度(TR)。溫度的下降停滯，從而形 成平直部分直至在點"g，，處共晶凝固的完成。在點"g，，處，鑄件完全凝固并且 沿"gh"繼續(xù)冷卻至室溫。從本發(fā)明的應用中大大受益的共晶Al-Si合金的第 二合金實例是廣泛使用的A319合金。這種合金還包含一些銅。該合金某種 程度上與A356合金的差異在于具有非等溫的共晶形成區(qū)"eg",即圖5的水 平平直部分"eg"區(qū)替換為穩(wěn)定下行的斜線。然而，相同原理完全適用。這種在例如二氧化硅砂模中的緩慢常規(guī)冷卻產(chǎn)生了具有200微米低至 50微米DAS的枝晶結(jié)構(gòu)。所述枝晶由共晶包圍，其中所述的共晶以20微 米低至2微米間距為特征。為描述目的，這表示為常規(guī)或"粗糙"共晶微結(jié)構(gòu) (圖6)。若有可能通過燒蝕作用使合金經(jīng)歷完整冷卻，則冷卻曲線將沿"bijkl"路 徑進行，從而完整的凝固微結(jié)構(gòu)將由精細枝晶和極細共晶組成。然而，如上 文所討論，雖然這種結(jié)構(gòu)不容易獲得，并且還不得不由本發(fā)明人進行測試， 然而它在特殊條件下是可獲得的。這些條件可能包括其中^t型具有高度絕熱 性并且凝固具有高度定向性的條件。然而，在不借助這些特殊條件的情況下， 具有優(yōu)良機械性能的鑄件是可獲得的。一般地，更實用的冷卻曲線由冷卻曲線"abcdmno "說明。在這種情況下， 來自"cd "的預冷產(chǎn)生粗糙枝晶以在施加冷卻劑之前強化處于灼熱、部分凝 固并且因而薄弱狀態(tài)下的鑄件。后續(xù)的枝晶和共晶隨后均經(jīng)受快速冷卻，從 而精細凝固微結(jié)構(gòu)包含精細枝晶(30微米低至5微米區(qū)域的DAS)和精細共 晶(在1000 x倍放大率上不可分辨，因其間距僅為約1微米)。在顯微鏡下觀察時，所得二元凝固微結(jié)構(gòu)的兩種區(qū)域形成眼觀明顯不同 的區(qū)域。圖7顯示一種結(jié)構(gòu)，在所述的結(jié)構(gòu)中及時應用燒蝕以凝固某些枝晶 材料，隨后快速凝固全部共晶。該共晶如此精細，以致于它在本圖中不可分 辨，而顯示為均勻的淺灰色相(在這種情況下，沒有加入化學改良劑如Na 或Sr進行該合金的細化作用)。此外，因為全部共晶沿路徑"mn"凝固，故在 圖7中見到粗糙枝晶與精細枝晶之間的完整共晶相是均勻精細的。均勻且極精細的共晶是燒蝕的凝固微結(jié)構(gòu)的共同特征并且是燒蝕冷卻的合金特有的，其中所述燒蝕冷卻的合金沒有從作為輔助的以細化微結(jié)構(gòu)的Na或Sr的化學改良處理中獲益。在圖8中，其中也可以在該結(jié)構(gòu)中觀察到 一些細微分布的浮渣和連接孔隙。鑄件的機械性能似乎對絕大多數(shù)的這種變 化和尺寸缺陷是相當不敏感的。圖9顯示固熔熱處理后相似的精細共晶。在 圖9中，該共晶已經(jīng)某種程度地粗化以降低其界面能，這對于經(jīng)受高溫處 理的雙相結(jié)構(gòu)是常見的。原則上，雖然通常不是期望的，然而有可能使全部枝晶以粗糙結(jié)構(gòu)凝固， 從而僅晚期(例如圖5中的"f，點處)應用燒蝕冷卻。在這種情況下，所述共晶 中的某些將以粗糙共晶結(jié)構(gòu)凝固。在圖10中顯示這樣的結(jié)構(gòu)。該共晶中借 助燒蝕冷卻益處而凝固的最終區(qū)域采用極精細的結(jié)構(gòu)并且一般不含孔并且 僅顯示精細的富鐵相，所述富鐵相通常太小以致于在圖10中看不到。在較 高i文大率上，可以看到少許富鐵相，如圖11中所示。對于混合枝晶/共晶合金，圖10和圖11中所見的那些結(jié)構(gòu)獲得了燒蝕 作用的絕大多數(shù)益處，原因在于殘留液體的逐步凝固仍對鑄件定向進料發(fā)生 效力。例如，圖10的合金已經(jīng)進行熱處理以便因此某種程度地糙化共晶相 中的全部硅粒子。然而在實踐中，希望并且容易實現(xiàn)的是在應用燒蝕前(始于圖5中點"d") 形成一些粗糙枝晶結(jié)構(gòu)。因此，通常所得的枝晶微結(jié)構(gòu)就上文所述意義而言 是二元的并且包括相對均勻精細的共晶。如前所述，若冷卻劑施加極晚，例如沿著圖5中的路徑"gq",則燒蝕的 作用不能影響鑄件的凝固微結(jié)構(gòu)，因為鑄件在施加任何冷卻劑之前當然已經(jīng) 完全凝固。鑄件的這種冷卻不構(gòu)成本專利申請的部分，而屬于本領(lǐng)域技術(shù)人 員所熟知的鑄件生產(chǎn)方案。對于常規(guī)冷卻的鑄件(采用結(jié)束于"h"或"q"的冷卻路徑的那些鑄件)， 待凝固的鑄件最后區(qū)域經(jīng)常含有孔。此外，當用常見鋁合金如A356合金產(chǎn) 生時，該類鑄件經(jīng)常含有還有損性能的P-鐵冷凝物纖薄片狀體(thin platelets of beta-iron precipitate)。包含精細凝固微結(jié)構(gòu)的燒蝕冷卻的鑄件(包括枝晶鑄件和枝晶/共晶鑄 件)通常不含在通過常規(guī)鑄造法形成的鑄件中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)的缺陷。在一個實施 方案中，包含精細凝固微結(jié)構(gòu)部分的鑄件基本上不含孔。通過燒蝕產(chǎn)生的快速冷卻和定向進料減少了孔和縮孔。在另一個實施方案中，包含精細凝固微 結(jié)構(gòu)部分的鑄件基本不含大體積損害性富鐵片狀體。在其它實施方案中，鑄 件基本上不含孔和富鐵片狀體。不受任何具體理論約束，富鐵片狀體的尺寸 縮小可以是液態(tài)合金更迅速冷卻的結(jié)果?？椎臏p少也得益于這種速度。此外， 它明顯得益于燒蝕過程的天然逐步作用，在燒蝕過程中水(或其它流體)的冷 卻作用沿鑄件長度方向高度定向地向供料金屬源穩(wěn)定移動，以推動凝固作 用。另外，通過施加高的溫度梯度維持相對狹窄的糊狀帶，這樣極有效地協(xié) 助鑄件的進料。大量減少或消除縮孔具有重要意義，并且可以重申如下。通常期望縮孔存在于鑄件的如未進料熱點(unfed hot spot)區(qū)域。然而，原則上，如果定向 地實施凝固過程，則這些區(qū)域可以進料。施加水或其它冷卻流體以燒灼并冷 卻該模型，并且在鑄造進程中有序地引起凝固，從而產(chǎn)生極強烈的定向溫度 梯度。因此，當正確應用本發(fā)明的益處時，常規(guī)鑄件中原本與進料液體已經(jīng) 分離的那些區(qū)域容易且自動地被進料，進而堅固或堅固大大增加。出于此原因，通常因熱脆性問題而不能鑄造為成型鑄件的合金(如可鍛 合金6061和7075等)或者具有長凝固范圍的合金(如合金7075和852)可以 容易且有益地通過燒蝕技術(shù)鑄造為成型形狀。此外，燒蝕鑄件的特征是成型 鑄件中獨特的直接可鑒定的凝固微結(jié)構(gòu)。參考如下實施例進一步描述包含精細凝固微結(jié)構(gòu)區(qū)域的集料模制成型金屬鑄件。所述實施例的目的僅為說明具有精細凝固微結(jié)構(gòu)區(qū)域的成型金屬 鑄件的可能實施方案，并且不意圖限制其實施方案。 實施例在本申請中描述的技術(shù)應用的一個實施例中，模制了直徑20毫米和長 度200毫米的單根試驗棒，該試驗棒在一端配備被填充以充當進料器的錐形 小澆口杯。模型材料是用如共同待決申請?zhí)?0/614,601中描述的水溶性無機 粘合劑粘合的二氧化硅型砂。將熱電偶插入所述進料器基部的模腔內(nèi)，在所述模腔基部。將兩個額外 的熱電偶延軸線以相等間隔放置。這四個熱電偶標記為TC1 (冒口)， TC2 (頂 部中段)，TC3 (底部中段)和TC4 (底部)。將溫度730 。C (1350 。F)的6061鋁合金澆注到模腔中，其中所述模腔與其軸線垂直放置。接著在大約10秒范圍內(nèi)，從指向所述模型基部的噴嘴中
施加20。C (68 。F)的水，從而從所述基部向上開始模型的燒蝕。燒蝕前沿的上行速度是大約25mm/秒。
如圖12中所見那樣記錄所述四個熱電偶的冷卻曲線。觀察到熱電偶TC4迅速冷卻，用信號報告在僅約2秒內(nèi)凝固并冷卻至水沸點以下。與此同時，緊鄰其上的熱電偶TC3仍記錄到所述金屬還是熔融的，并且冷卻僅僅才開始。這種模式在所述模型上不斷地重復。(TC2的溫度躍升記錄了本實驗中冷卻水的意外短暫損失)。熱曲線證實通過應用燒蝕而引起的溫度梯度足以在比熱電偶間間距更小的距離(50 mm)內(nèi)凝固熔融體并且冷卻至近乎環(huán)境溫度。此外，對于平均的普通汽車鑄件長度而言，該效應是可容易且精確維持的。
在第二實施例中， 一種汽車鉤爪鑄件用合金A356制成。多種鉤爪鑄件以難鑄造著稱，原因在于其復雜性，鉤爪鑄件具有遠離進料點的沉重部分。該鑄件也不例外。在傾斜的澆注操作臺上用750 °C(1385 。F)的金屬充填該鑄件，充填用時8秒，產(chǎn)生良好的表面光潔度。進料器(冒口)位于遠離澆口杯和直澆口的鑄件遠端。在圖13中顯示直澆口和進料器中的熱電偶。觀察到在首先被燒蝕的澆口內(nèi)大約20秒內(nèi)發(fā)生凝固。隨后，造成凝固過程進展遍及整個鑄件，稍后約90秒后抵達所述進料器，在該位置點上引起所述進料器在僅約20秒的相似時間中凝固。
為了對該鑄件實現(xiàn)燒蝕，釆用三組水噴嘴，水壓是大約0.7Bar(大約10psi)并且溫度大約40 。C (大約100 。 F)。
發(fā)現(xiàn)所述鑄件是完全堅固的并且具有超過規(guī)范要求的性能。
在第三實施例中，用如對實施例1所詳述的模造材料模制一種控制臂鑄件(汽車的轉(zhuǎn)向/懸架組件)。模型用大約700 。C (大約1400 ° F)的組成大致為Al-7Si-0.35Mg-0.2Fe的A356合金澆注。燒蝕冷卻該模型產(chǎn)生這樣的鑄件，其中所述的鑄件隨后受到切割和枳4成加工以產(chǎn)生經(jīng)受T6熱處理的拉伸試驗棒。固熔處理是538 。C(1000 。F)持續(xù)0.5小時、在26 。C(78 。F)上的水淬和在182 。C (360 。 F)老化2.5小時。自編號45、 46和47的三種鑄件的每種鑄件切割四根試驗棒。所述試驗棒進行拉伸試驗，并且在圖14中列出結(jié)果及平均值。(低延伸值9%，因為包含了大量氧化物，已知對熔體質(zhì)量的控制在這種情況下是次優(yōu)的)。在圖15中比較所述結(jié)果與來自竟爭性鑄造法的結(jié)果。該鑄件的性能顯然是有吸引力的，其優(yōu)于全部當前最有竟爭性的方法的性能。
應當理解使用燒蝕鑄造法時，某些潛在工藝條件可能產(chǎn)生燒蝕的模型中
的常規(guī)微結(jié)構(gòu)。作為實例，已知852鋁合金(Al-6Sn-2Cu-lNi-0.75Mg合金)為寬范圍凝固合金，其中共晶大約在錫的熔點(232。C， 61。F)上凝固。使用燒蝕鑄造法燒蝕這種合金。所述模型是對稱性的，從而允許相同半模從單面模型板中產(chǎn)生并且隨后加以組裝。在700。C (1275。F)上或接近該溫度澆注金屬。鑄件截面厚度在徑向上是大約75毫米(3英寸)。在10秒內(nèi)實現(xiàn)模型的重力澆注。然后，擱置該模型等候近180秒時間以實現(xiàn)大部分固化的(x相。在模制集料(此時是二氧化硅型砂)控制正常凝固速率的這段時間后，燒蝕該模型。
燒蝕條件如下。用于燒蝕的水壓是大約lbar(15psi)。噴霧體積受噴嘴限制。然而，因所述壓力控制水對鑄態(tài)表面的沖擊，故水體積幾乎是不重要的。該方法獲得常規(guī)但均勻的冷卻速率，所述冷卻速率產(chǎn)生的性能與由金屬模型(即永久性模型，見圖16)產(chǎn)生的性能相似。在這方面，圖16顯示一系列多種鑄造法的型譜和鋁合金的枝晶胞尺寸與凝固速率間的關(guān)系。在圖17A中描述常規(guī)永久性模模型微結(jié)構(gòu)。圖17B和圖17C顯示相同的合金，不過此時該合金使用燒蝕法產(chǎn)生。在全部三幅圖17a-c中，使用相同的放大率100 x。最終共晶結(jié)構(gòu)與通過永久性;漠型生成的共晶結(jié)構(gòu)極相似。雖然這種常規(guī)微結(jié)構(gòu)可以在該燒蝕法中獲得，然而在某些條件下，也可以觀察到為燒蝕作用獨有的那些微結(jié)構(gòu)，這可能包括枝晶的極精細相，不過最經(jīng)常包括極精細共晶的極精細相。
為使用燒蝕法來獲得常規(guī)微結(jié)構(gòu)(如永久性模型產(chǎn)生的常規(guī)微結(jié)構(gòu))，幾種變量具有重大潛能。 一個重要參數(shù)是集料模型本身。此外，在脫模中使用而同時引起金屬凝固的介質(zhì)的體積、壓力和溫度當然也是重要的。在沿鑄件長度方向前進時，冷卻噴霧在鑄件上的停留時間可以有益地加以調(diào)整以實現(xiàn)局部表面/體積比(幾何模量)。可以降低模型粘合劑的溶解速率來延減緩模型的燒蝕速率，并且從而降低散熱(thermal extraction)速率。這可限制散熱速率，以至產(chǎn)生常規(guī)微結(jié)構(gòu)。另外，水壓可變的。首先，較高壓強可以用來除去才莫型的集料。隨后，可以降低該壓強以產(chǎn)生與常規(guī)金屬模制法的冷卻速率相似的冷卻速率。
盡管常規(guī)微結(jié)構(gòu)可以按照這種方式實現(xiàn)，然而燒蝕法提供了明顯的額外益處，其中所述的明顯額外使燒蝕法尤其令人合意。首先，改善鑄件中殘余
應力的控制，其原因是在最終凝固前沿(final solidification front)之前有足量液體能夠徹底調(diào)節(jié)熱應變的情況下發(fā)生最終凝固。其次，鑄件中的孔明顯減少(實際上在大多數(shù)情況下至零)，原因在于優(yōu)異的定向凝固。這種情況因燒蝕作用獨特實現(xiàn)的高的使用溫度梯度所致。
在第四實施例中，用如對實施例1所詳述的材料模制汽車懸架控制臂鑄件。才莫型用組成大致為Al-4.8Cu-0.4Mn-0.28Mg-0.07Fe的B206合金在大約1265。F土15。F下澆注。燒蝕冷卻該^t型產(chǎn)生鑄件，鑄件隨后經(jīng)受T4和T7熱處理。所討論部件的照片出現(xiàn)在帶一個方框的圖18中，其中所述的方框顯示隨后從其中加工出拉伸樣品的位置。從該部件中獲得的拉伸性能在圖19中顯示，并且在圖20中與來自此類型合金的公開文獻中獨立鑄造的試驗棒的數(shù)據(jù)的表值進行了比較。從熱處理前所述部件之一的厚截面的中心處拍攝的顯微照片在圖21中顯示。所述性能也極有吸引力，其幾乎等同于從獨立鑄造的永久性模型試驗棒中產(chǎn)生的那些性能，并且超過在全部其它鑄造學^某體中列出的性能?？紤]到這些值從超過2英寸截面厚度的區(qū)域中獲得，因此它們特別有吸引力。在常規(guī)砂模法和永久性模制法中，本領(lǐng)域技術(shù)人員將期望從該大的截段中加工的棒材實現(xiàn)比圖20中所列的獨立鑄造的試驗棒的數(shù)值低得多的延展性值，在圖20中具有鑄態(tài)表面的直徑1/2英寸規(guī)格的棒材是標準材料。應當指出這些比較還未考慮這樣的事實，即利用永久性模型，以任何A2XX系列合金制造具有圖18中所示部件的尺寸和幾何形狀的部件將是一項嚴峻工程挑戰(zhàn)，其原因是該鑄造法/合金的組合中固有的熱拉裂傾向性升高。事實上，不采用使所得部件過度昂貴的措施，上述情況實際上可能無法實現(xiàn)。
圖21中的顯微照片顯示在燒蝕凝固的部件中所見的前述二元凝固微結(jié)構(gòu)。具有高至85pm的間距的平均43pm的粗糙DAS包含具有平均在22pm級別DAS的精細得多的小塊。圖17中報告的機械性能是將從更精細的DAS中預期到的那些機械性能內(nèi)更有代表性的。圖19中可見的金屬間化合物主要是在固炫熱處理期間溶解的銅-鋁化物，其中所用的固熔熱處理為后續(xù)T4
和T7回火的一部分。就熱處理的經(jīng)濟性而言，生產(chǎn)200系列鋁鑄件的本領(lǐng)域技術(shù)人員將認識到精細結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢?？梢韵冗M行溶解前述厚砂模的銅-鋁化物所需的三階段固熔操作，這有利于在薄和/或快速凝固鑄件情況下最常使用的二階段處理法。
具備時間凝固微結(jié)構(gòu)的集料模制或成型鑄件已經(jīng)參照本公開和各種示例性實施方案加以描述。應當理解變化和修改可以處在本領(lǐng)域技術(shù)人員的能力范圍內(nèi)并且本申請和權(quán)利要求書意圖包括此類修改。所希望的是此項開發(fā)應當視作包括全部此類修改和變化，只要它們處于以下權(quán)利要求書及其等效物的范圍內(nèi)即可。
權(quán)利要求
1. 一種通過燒蝕鑄造法在包含集料的模型中形成的成型金屬鑄件，所述鑄件包含這樣的精細凝固微結(jié)構(gòu)，其比通過常規(guī)集料模型鑄造法產(chǎn)生的具有相似重量或截面厚度的金屬的鑄件的凝固微結(jié)構(gòu)更精細，其中所述的精細凝固微結(jié)構(gòu)包括一種或多種晶粒、枝晶、共晶相或其組合。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的成型金屬鑄件，其中所述的精細凝固微結(jié)構(gòu)比通過常 規(guī)集料鑄造法產(chǎn)生的相似金屬的鑄件的凝固微結(jié)構(gòu)更精細約5倍。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1的成型金屬鑄件，其中所述的鑄件包含約100%的精細 凝固微結(jié)構(gòu)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1的成型金屬鑄件，其中所述的精細凝固微結(jié)構(gòu)從所述鑄 件的遠端至其近端是連續(xù)的。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1的成型金屬鑄件，其中所述的精細凝固微結(jié)構(gòu)從所述鑄 件的遠端至其近端是基本上連續(xù)的。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1的成型金屬鑄件，其中所述的鑄件基本上不含孔。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1的成型金屬鑄件，還包含這樣的二元凝固微結(jié)構(gòu)區(qū)域， 其包含(i)粗糙凝固微結(jié)構(gòu)部分，和(ii)穿插在所述粗糙凝固微結(jié)構(gòu)內(nèi)部的精 細微結(jié)構(gòu)部分。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7的成型金屬鑄件，其中所述的二元凝固微結(jié)構(gòu)區(qū)域從所 述鑄件的遠端至其近端是基本上連續(xù)的。
9. 一種通過快速冷卻法在包含集料的模型中形成并顯示鑄件微結(jié)構(gòu)的金屬 鑄件，所述的微結(jié)構(gòu)包含位于此金屬鑄件表面附近的第一區(qū)域，所述第一 區(qū)域包含粗糙凝固微結(jié)構(gòu)；和位于所述第一區(qū)域內(nèi)部的第二區(qū)域，所述第二 區(qū)域包含精細凝固微結(jié)構(gòu)
10. 根據(jù)權(quán)利要求9的金屬鑄件，其中所述的第二區(qū)域從所述鑄件的遠端至 其近端是基本上連續(xù)的。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9的金屬鑄件，其中所述第二區(qū)域的精細凝固微結(jié)構(gòu)比通 過常規(guī)集料鑄造法制成的、具有相似重量或截面厚度的相似金屬的鑄件的精 細凝固微結(jié)構(gòu)更精細。
12. 根據(jù)權(quán)利要求9的金屬鑄件，其中所述的第二區(qū)域包含具有約20微米或更小枝晶臂間距的枝 晶。
13. 權(quán)利要求9的金屬鑄件，其中所述的第二區(qū)域包含具有約5-約15微米 枝晶臂間距的枝晶。
14. 權(quán)利要求9的金屬鑄件，其中所迷的第一區(qū)域包含具有約20-約200微 米枝晶臂間距的枝晶。
15. 權(quán)利要求9的金屬鑄件，其中所述的鑄件基本上不含以下項至少之一 (i)縮孔和(ii)損害性富鐵片狀體。
16. 權(quán)利要求9的金屬鑄件，其中所述的第一區(qū)域包含大約100%粗糙凝固 微結(jié)構(gòu)，并且所述的第二區(qū)域包含大約100%精細凝固微結(jié)構(gòu)。
17. 權(quán)利要求16的金屬鑄件，還包含位于所述第一區(qū)域與第二區(qū)域之間的第 三區(qū)域，其中所述的第三區(qū)域包含這樣的二元凝固微結(jié)構(gòu)，其包含(i) 一個 或多個粗糙凝固微結(jié)構(gòu)部分，以及(ii)一個或多個精細微結(jié)構(gòu)部分。
18. 權(quán)利要求17的金屬鑄件，其中所述二元凝固微結(jié)構(gòu)區(qū)域的一個或多個 粗糙凝固微結(jié)構(gòu)部分包含具有約20-約200微米枝晶臂間距的枝晶，并且所 述二元凝固微結(jié)構(gòu)區(qū)域的一個或多個精細凝固微結(jié)構(gòu)部分包含具有約15微 米或更小枝晶臂間距的枝晶。
19. 權(quán)利要求17的金屬鑄件，其中所述的第三區(qū)域在所述金屬鑄件的全部形 狀范圍內(nèi)^&本上連續(xù)的。
20. —種從含共晶的合金中形成的金屬鑄件，所述鑄件包含二元凝固微結(jié)構(gòu) 區(qū)域，其中所述的二元凝固微結(jié)構(gòu)區(qū)域包含(i)一個或多個精細枝晶部分，以 及(ii)一個或多個精細共晶部分。
21. 權(quán)利要求20的金屬鑄件，還包含位于所述二元凝固微結(jié)構(gòu)區(qū)域和所述金 屬鑄件表面之間的粗糙凝固微結(jié)構(gòu)區(qū)域。
22. 權(quán)利要求21的金屬鑄件，還包含位于所述二元凝固微結(jié)構(gòu)區(qū)域附近的精 細凝固微結(jié)構(gòu)區(qū)域。
23. 權(quán)利要求20的金屬鑄件，其中所述一個或多個精細枝晶部分具有約5-約30微米枝晶臂間距，并且所述的一個或多個精細共晶部分具有1微米或 更小的共晶臂間距。
24. 權(quán)利要求20的金屬鑄件，其中所述的鑄件基本上不含縮孔。
25. 權(quán)利要求20的金屬鑄件，其中所述的鑄件基本不含損害性富鐵片狀體。
26. —種在包含集料的模型中產(chǎn)生的成型金屬鑄件，所述的鑄件包含二元凝 固微結(jié)構(gòu)區(qū)域，其中所述的二元凝固微結(jié)構(gòu)區(qū)域包含具有約50-約200微 米枝晶臂間距的至少一個粗糙凝固微結(jié)構(gòu)部分；和具有小于約15微米的枝 晶臂間距的至少 一個精細凝固微結(jié)構(gòu)部分。
27. 權(quán)利要求26的金屬鑄件，其中所述的至少一個精細凝固微結(jié)構(gòu)區(qū)域從金 屬鑄件的遠端至其近端是基本上連續(xù)的。
28. 權(quán)利要求26的金屬鑄件，其中所述的至少一個精細凝固微結(jié)構(gòu)區(qū)域包含 位于所述金屬鑄件的遠端附近的第 一精細凝固微結(jié)構(gòu)區(qū)域和位于所述金屬 鑄件的近端附近的第二精細凝固微結(jié)構(gòu)區(qū)域。
29. 權(quán)利要求26的金屬鑄件，還包含在所述二元凝固微結(jié)構(gòu)區(qū)域內(nèi)部且與其 不同的基本上連續(xù)的精細凝固微結(jié)構(gòu)區(qū)域。
30. 權(quán)利要求26的金屬鑄件，其中所述的至少一個精細凝固微結(jié)構(gòu)部分具有 約5-約15微米的枝晶臂間距。
31. 權(quán)利要求26的金屬鑄件，其中所述的鑄件基本上不含以下項至少之一 (i)縮孔和(ii)損害性富鐵片狀體。
全文摘要
一種在集料模型中產(chǎn)生的成型金屬鑄件包含這樣的精細凝固微結(jié)構(gòu)，其比從常規(guī)模制法中產(chǎn)生的類似金屬鑄件的凝固微結(jié)構(gòu)更精細。所述的凝固微結(jié)構(gòu)可以比常規(guī)制備的鑄件的凝固微結(jié)構(gòu)更精細至多達5倍。在優(yōu)選的實施方案中，作為定向凝固的結(jié)果，所述的精細凝固微結(jié)構(gòu)從該鑄件的遠端到該鑄件近端是基本上連續(xù)的，并顯示出大大增強的堅固性。因為控制了該鑄件凝固的均勻度，故該鑄件的性能是基本上均勻的。
文檔編號B22D25/00GK101522341SQ200780036127
公開日2009年9月2日 申請日期2007年8月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月16日
發(fā)明者J·福瑞德·玫杰, 約翰·R·格萊斯, 約翰·坎貝爾 申請人:阿羅泰克有限責任公司;艾爾坎國際有限公司