本發(fā)明涉及制造用于在低至零度的過(guò)熱溫度下鑄造的熔融金屬的方法。

背景技術(shù)：

在汽車產(chǎn)業(yè)、電氣產(chǎn)業(yè)、農(nóng)業(yè)或玩具產(chǎn)業(yè)中，若干組件如合金輪、電子外殼、方向盤或壓縮機(jī)部件都通過(guò)高壓模鑄法、低壓模鑄法或重力鑄造法大量生產(chǎn)。在這些批量生產(chǎn)鑄造方法中，澆注并鑄造溫度基本上高于液相線溫度的熔融金屬合金。然后，該操作需要等鑄件完全凝固后，將其從模型或模具中移出。為了加快凝固過(guò)程，常常對(duì)模具施加借助空氣或水的內(nèi)部冷卻。在若干情況下，在將部件移出后，用含有脫模劑的冷卻液噴射模具的表面。用內(nèi)外冷卻模具的方法使該工序的循環(huán)時(shí)間減至最小，這有助于提高生產(chǎn)率。

澆注溫度與液相線溫度或凝固溫度之差被稱為“過(guò)熱溫度”。在工業(yè)實(shí)踐中，過(guò)熱溫度相當(dāng)高，根據(jù)鑄件的復(fù)雜度、尺寸和截面厚度，通常在80℃至高達(dá)200℃的范圍內(nèi)。在批量生產(chǎn)的鑄造方法中的過(guò)熱溫度高的原因?yàn)?，例如?1)為了保證完全填充模腔；(2)為了避免熔爐或澆包中不均勻熱損失造成該熔爐或澆包中金屬堆積，從而造成模具填充問(wèn)題和某些區(qū)域過(guò)早凝固，這樣造成收縮孔；(3)為了允許有時(shí)間完全定向凝固，生產(chǎn)有少許或沒有收縮孔的部件；以及(4)為了使夾帶的氣泡在因凝固被困住之前在熔體流動(dòng)期間排出。

這些高過(guò)熱鑄造方法已被充分接受并在批量生產(chǎn)中廣泛實(shí)施。然而，這些方法導(dǎo)致若干成本缺陷，包括：(1)循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)；(2)熔融和保持熔融金屬的能量成本高；(3)冷卻水的能量成本高；(4)因模具噴射造成的水處理成本高；(5)冷卻劑和脫模劑成本高；以及(6)因收縮孔造成的廢品率高。這些缺陷導(dǎo)致該方法效率低且生產(chǎn)成本增加。

為了解決這些問(wèn)題，已經(jīng)提出了若干涉及在半固體狀態(tài)下鑄造的發(fā)明，例如在US6640879、US6645323、US6681836和EP1981668中所公開的。半固體金屬鑄造涉及鑄造其溫度低于液相線或凝固溫度且包含一小部分凝固的固體核的金屬。預(yù)凝固固體核有助于減少湍流問(wèn)題和收縮孔，結(jié)果形成高質(zhì)量鑄件。然而，由于半固體金屬的鑄造溫度低且粘度高，因此在成功應(yīng)用該方法之前需要修改鑄造工藝和模具設(shè)計(jì)。在半固體金屬鑄造中，可能需要專門的金屬傳輸裝置以將半固體金屬供應(yīng)到壓射室中，然后供應(yīng)到模具中。還可能需要對(duì)模具設(shè)計(jì)進(jìn)行修改以使半固體金屬完全填充在模腔中。通常，流動(dòng)距離越短，需要的閘門(gate)越厚。因此，在批量生產(chǎn)方法中應(yīng)用半固體金屬需要一些時(shí)間和投入。這些半固體鑄造方法并不是充分成本有效的，因此它們尚未廣泛用在鑄造產(chǎn)業(yè)中。因此，本發(fā)明的目的是解決在高過(guò)熱溫度情況下的常規(guī)鑄造和半固體金屬鑄造的缺點(diǎn)，以通過(guò)在低至零度的過(guò)熱溫度下鑄造熔融金屬來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)省金屬鑄造產(chǎn)業(yè)中的成本，同時(shí)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量高。盡管在低至零度的過(guò)熱溫度情況下的鑄造能夠產(chǎn)生若干益處，但是目前的鑄造方法不能在批量生產(chǎn)中簡(jiǎn)單地應(yīng)用該技術(shù)。在沒有對(duì)鑄造方法做任何特殊修改的情況下難以澆注和鑄造過(guò)熱溫度低至零度的熔體，因?yàn)殡y以將鑄造熔爐或澆包中每個(gè)地方的熔體溫度控制均勻。實(shí)際上，在鑄造熔爐或澆包的壁、中心、頂部和底部的熔體溫度并不相同。因此，在低過(guò)熱溫度的情況下，存在首先在溫度最低的地方形成凝固的金屬薄膜或薄層的高風(fēng)險(xiǎn)。這些大的薄層然后會(huì)隨熔體流入模腔中，導(dǎo)致流動(dòng)性低和收縮進(jìn)料的問(wèn)題。結(jié)果，該鑄造方法造成缺陷和部件報(bào)廢。來(lái)自熔爐或澆包的壁的凝固薄層還在批量生產(chǎn)中造成其他問(wèn)題。如果不徹底除去，這些凝固薄層會(huì)在熔爐壁上堆積。這樣，必須有用于除去它們的裝置或方法，這就會(huì)增加生產(chǎn)成本。由于這些問(wèn)題，如果不適當(dāng)修改和控制工藝，那么鑄造過(guò)熱溫度低的金屬并不實(shí)際。因此，存在制備鑄造前的過(guò)熱溫度低至零度的熔融金屬的方法將是可取的。在本發(fā)明的某些方面，提供了實(shí)現(xiàn)這樣的情況的方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種制造用于在低至零度的過(guò)熱溫度下鑄造的熔融金屬的方法。過(guò)熱溫度低至零度的熔體的所需狀態(tài)是通過(guò)用排熱裝置在熔體容器內(nèi)部攪動(dòng)熔體實(shí)現(xiàn)的。熔融容器如熔爐或澆包被構(gòu)造成產(chǎn)生的熱損失率低于排熱裝置的熱損失率。該方法包括將排熱裝置置于初始溫度高于液相線溫度的熔體中以除去可控量的熱量的步驟。然后，對(duì)熔體施加劇烈對(duì)流以確保熔體幾乎均勻地冷卻至液相線溫度或非常接近液相線溫度。實(shí)現(xiàn)該對(duì)流的手段可以是通過(guò)鼓入惰性氣體。將氣體直接從排熱裝置注入到熔體中在確保熔體均勻冷卻和避免固體堆積在排熱裝置上特別有利。也可以使用其他形式的攪動(dòng)，如轉(zhuǎn)動(dòng)、攪拌或振動(dòng)。也可以使用這些對(duì)流方式的組合。然后，在達(dá)到所需的熔體溫度時(shí)，從熔體中快速將排熱裝置移除。最后，將熔體快速轉(zhuǎn)移到模具中鑄造成件，或快速轉(zhuǎn)移到壓射室中注入模腔中。

在本發(fā)明中，如果使部分熔體降至低于液相線溫度，則在熔體中可產(chǎn)生一小部分細(xì)小的固體核。假如這些固體核保持小尺寸，熔體仍能很好地流入模腔中。當(dāng)存在細(xì)小的固體核時(shí)，其賦予根據(jù)本專利的教導(dǎo)生產(chǎn)的部件其他優(yōu)點(diǎn)：它們(1)提供異質(zhì)成核位點(diǎn)，這有助于產(chǎn)生細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)；(2)減少收縮孔，這產(chǎn)生更小的鑄件廢品率；以及(3)略微增加熔體粘度，產(chǎn)生更少的流動(dòng)相關(guān)缺陷。由于稱為“熟化(ripening)”的現(xiàn)象，金屬熔體中的小固體金屬粒子在尺寸方面快速長(zhǎng)大。因此，本專利的重要教導(dǎo)在于，要將存在的任何粒子保持為極小尺寸，本描述的方法必須快速實(shí)施。例如，充分理解的是，對(duì)于許多種金屬合金熔體，極小的固態(tài)熔體粒子(粒子直徑為10μm或更小)在20秒內(nèi)生長(zhǎng)至約40μm，且在60秒內(nèi)生長(zhǎng)至約70μm。因此，例如在本文描述的方法中，為了確保最大粒徑為約70μm，有必要在小于60秒內(nèi)進(jìn)行從排熱裝置進(jìn)入熔體中的步驟到熔體轉(zhuǎn)移到模型或壓射室中的步驟。

本發(fā)明在金屬鑄造產(chǎn)業(yè)中的益處包括：由于暴露于低溫下使得模具壽命延長(zhǎng)；節(jié)省熔融能量；節(jié)省模具冷卻工藝的能量；節(jié)省冷卻劑和脫模劑；由于使用較少模具噴射而節(jié)省水處理；循環(huán)時(shí)間減少，從而增加了生產(chǎn)率；因收縮減少和粘度增加而缺陷減少。

附圖說(shuō)明

圖1是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的設(shè)備的示意圖。

圖2是經(jīng)快速冷卻的過(guò)熱溫度接近于零度的熔體的光學(xué)顯微照片，其顯示出一小部分固體核精細(xì)分布在經(jīng)快速凝固的熔體的基體中。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提供一種制造用于在低至零度的過(guò)熱溫度下鑄造的熔融金屬的方法。

本文使用的措辭“低至零度的過(guò)熱溫度”的意思是在熔體中至少有一部分的過(guò)熱溫度小于約5-10℃，優(yōu)選小于5℃。在某些金屬和合金中，過(guò)熱溫度可基本上為0，從而使得至少一部分熔體的溫度為液相線溫度或略低于液相線溫度。

本發(fā)明的方法包括圖1所示的4個(gè)步驟。

通過(guò)將排熱裝置1置于容納在容器3內(nèi)部的熔體2中開始步驟1，來(lái)自該容器的排熱低。熔體初始溫度高于液相線溫度，優(yōu)選比液相線溫度高不超過(guò)80℃。

在步驟2中，對(duì)熔體施加劇烈對(duì)流，以確保熔體幾乎均勻冷卻至低過(guò)熱溫度。該對(duì)流可通過(guò)各種技術(shù)完成，例如注射通過(guò)排熱裝置分配的惰性氣體并通過(guò)振動(dòng)、通過(guò)攪拌、通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)或通過(guò)它們的組合使熔體內(nèi)部產(chǎn)生氣泡。固體核4在熔體內(nèi)逐漸形成。

在步驟3中，當(dāng)達(dá)到所需的熔體溫度時(shí)，從快速冷卻的熔體5中快速移除排熱裝置，以基本上停止進(jìn)一步冷卻。在排熱裝置浸入期間的熔體冷卻速率應(yīng)該為大于10℃/min。

然后，在步驟4中，將經(jīng)快速冷卻的包含過(guò)熱溫度低至零度的一部分熔體的熔體5快速轉(zhuǎn)移到第二容器6中，如用于將經(jīng)快速冷卻的熔體注入到模鑄工序7中的模具中或重力鑄造(未示出)中的模型中的壓射室。第二容器6或用于鑄造的模具(die)或模型(mold)需要處于低于熔體的溫度，以穩(wěn)定產(chǎn)生的固體核并允許其生長(zhǎng)。

考慮到進(jìn)入模腔所需的流動(dòng)性能，從排熱裝置進(jìn)入熔體到金屬進(jìn)入模型中的時(shí)間應(yīng)小于約60秒，以保證固體核的尺寸細(xì)小?？杉尤肭鍧嵐ば颍员ＷC在每個(gè)工藝循環(huán)后沒有固體粘附在排熱裝置上。

圖2示出的是經(jīng)快速冷卻的處于低過(guò)熱溫度的鋁熔體的微觀結(jié)構(gòu)。光學(xué)顯微照片顯示一小部分亮粒子均勻分散在基體中。這些亮粒子是在排熱裝置浸入期間(圖1的步驟2)產(chǎn)生的固體核4。這些固體核4尺寸非常細(xì)小，直徑大約小于100μm。為了產(chǎn)生大量這樣的細(xì)小固體核，有必要在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生。因此，排熱裝置浸入時(shí)間應(yīng)小于30秒，優(yōu)選小于15秒。

以下兩個(gè)實(shí)施例說(shuō)明了本發(fā)明的兩個(gè)實(shí)施方式。根據(jù)考慮文本公開的說(shuō)明書或本發(fā)明的實(shí)施，本發(fā)明的其它實(shí)施方式對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見的。

實(shí)施例1：鋁合金的高壓模鑄

以下是對(duì)Al-Mg合金件的高壓模鑄工藝中鑄造處于低過(guò)熱溫度且在熔體中包含一小部分細(xì)小固體核的熔融金屬的描述及其益處。

在本實(shí)施例中，Al-Mg合金的液相線溫度為約640℃。在目前的商業(yè)流體鑄造工藝中，澆注到高壓模鑄機(jī)器的壓射室中的合金的澆注溫度為約740℃(過(guò)熱溫度為約100℃)。

將本發(fā)明應(yīng)用于目前的商業(yè)生產(chǎn)工藝中，主要?jiǎng)訖C(jī)在于提高生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本以及延長(zhǎng)模具的壽命。在本實(shí)施例中，Al-Mg合金在處于約660℃的溫度的澆包中用排熱裝置處理2秒。通過(guò)使細(xì)小的惰性氣泡以2-10升/分鐘的流動(dòng)速率流過(guò)排熱裝置(如多孔排熱裝置)來(lái)實(shí)現(xiàn)劇烈對(duì)流。對(duì)于排熱裝置浸入熔融金屬中的每次循環(huán)，排熱裝置的溫度被控制為幾乎相同，在50℃至150℃的范圍內(nèi)。在該處理后，將熔體溫度降低至約645℃，其比液相線溫度高約5攝氏度(過(guò)熱溫度為約5℃)，伴隨的一小部分固體估計(jì)低于約3-5重量％。然后，在小于10秒內(nèi)將熔體快速轉(zhuǎn)移到壓射室中，然后在小于3秒內(nèi)注入模型中。從排熱裝置進(jìn)入熔體到金屬入模型中的總時(shí)間為約15秒。利用本發(fā)明進(jìn)行的批量生產(chǎn)工藝的結(jié)果顯示出若干預(yù)期的益處，包括將用于熔融鋁的天然氣的用量減少了約25％、模占用時(shí)間減少了40％、模噴射時(shí)間減少了40％，以及模具壽命延長(zhǎng)超過(guò)2倍，并且鑄件廢品率從30％降低至5％。

實(shí)施例2：鋁合金的重力模鑄

以下是對(duì)Al-Si-Mg合金組件的重力模鑄工藝中鑄造處于低過(guò)熱溫度且熔體中包含一小部分細(xì)小固體核的熔融金屬的描述及其益處。

在本實(shí)施例中，Al-Si-Mg合金被鑄造成金屬模具。該合金的液相線溫度為約613℃。在每個(gè)鑄造循環(huán)前將模具預(yù)熱至約400℃。常規(guī)流體鑄造工藝澆注約680℃(過(guò)熱溫度為約67℃)的熔融金屬合金。在本發(fā)明的情況下，鑄造溫度被降低至約614℃，高于液相線溫度約1℃(過(guò)熱溫度為約1℃)。在本實(shí)施例中，熔體在處于約630℃的溫度的澆包中用排熱裝置處理約5秒。通過(guò)使細(xì)小的惰性氣泡以2-10升/分鐘的流動(dòng)速率流過(guò)排熱裝置(如多孔排熱裝置)來(lái)實(shí)現(xiàn)劇烈對(duì)流。對(duì)于排熱裝置浸入熔融金屬中的每次循環(huán)，排熱裝置的溫度被控制為幾乎相同，在50℃至150℃的范圍內(nèi)。然后，在小于12秒內(nèi)將熔體快速轉(zhuǎn)移并澆注到模型中。從排熱裝置進(jìn)入熔體到金屬進(jìn)入模型中的總時(shí)間為約17秒。結(jié)果表明，本發(fā)明產(chǎn)生了更好的機(jī)械性能。過(guò)熱溫度為67℃的流體鑄造工藝得到的最終拉伸強(qiáng)度為287MPa，伸長(zhǎng)率為10.5％。根據(jù)本發(fā)明的鑄造工藝得到的最終拉伸強(qiáng)度為289MPa，伸長(zhǎng)率為11.2％。利用本發(fā)明的鑄造工藝的生產(chǎn)率也更高了。這是因?yàn)槟Ｐ椭械娜垠w的凝固時(shí)間從過(guò)熱溫度高(為67℃)的常規(guī)流體鑄造的133秒減少到了過(guò)熱溫度接近于零度的本發(fā)明鑄造的46秒。這表明在生產(chǎn)過(guò)程中開模時(shí)間可減少約65％。

本發(fā)明的另一關(guān)鍵益處為節(jié)省了熔融能量。在本發(fā)明的情況下，爐的保持溫度可降低約100℃。該降低能夠顯著節(jié)省能量并延長(zhǎng)爐壽命。

以上描述被認(rèn)為是僅對(duì)優(yōu)選實(shí)施方式的描述。做出或利用本發(fā)明的本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)修改本發(fā)明。因此，應(yīng)理解的是，上述實(shí)施方式僅僅是出于示例性目的，而不旨在限制本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的范圍由下面的權(quán)利要求按根據(jù)專利法的原則(包括等同原則)所解釋的來(lái)限定。