專利名稱：控制壓力作用下的金屬制品失泡沫鑄造過程的改進的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在控制壓力作用下，金屬制品，特別是鋁和合金制品的失泡沫鑄造過程的改進，正如1988年5月20日公布的主專利NO.2606688中所說明的那樣。
對于技術(shù)熟練的人，主要從美國專利NO.3157924中可以得知，將聚苯乙烯泡沫埋入由不含粘結(jié)劑的干砂制成的鑄模中所得到的模型可用于鑄造。在這個過程中，要澆鑄的金屬事先被熔化，然后借助穿過砂子的通道流入模型中，與模型接觸，將模型燃燒和使之轉(zhuǎn)化為蒸氣，逐漸代替所述的模型中，蒸氣則從砂粒之間逸出。
這種方法在工業(yè)上很有吸引力，因為它不需要預先制造和型芯相連接的堅固的鑄模，并可以簡單地回收鑄件和容易重復利用鑄造材料，通常鑄模的預先制造需要把粉狀的耐火材料壓實和加熱粘結(jié)，而鑄模與型芯的連接也是相當復雜，要借助許多通道才能實現(xiàn)。
但是，這個方法也受到若干缺點的影響-凝固作用較慢，這樣會促使產(chǎn)生氣孔;
-熱量梯度相對較弱，因此假如制品外形使得補縮難以進行時，會產(chǎn)生微收縮。
為了克服這些缺點，申請人開發(fā)出一種失泡沫鑄造過程，這也是在法國公布的專利申請NO.2606688的內(nèi)容。
這個申請說明，當鑄模被熔化的金屬充滿后，即是說當模型完全被金屬破壞，泡沫放出的蒸氣已經(jīng)排出，最好在金屬開始凝固之前，在鑄模和金屬組件上產(chǎn)生等壓的氣體壓力。這個壓力的數(shù)值隨著時間而增加，以避免產(chǎn)生金屬滲透現(xiàn)象，因此必需在小于15秒的時間內(nèi)達到壓力的最大值。
在這個申請中，最大壓力值在0.5至1.5兆帕之間。然而，這個范圍在1989年9月7日提交的法國增補發(fā)明證書NO.89-11943中已經(jīng)擴展至10兆帕，因此，在各種改進中，所生產(chǎn)的制品的疲勞強度可以提高。
同時，申請人還發(fā)現(xiàn)，除了導致制品變形的金屬滲透現(xiàn)象之外，在泡沫被金屬燃燒的過程中，這些泡沫首先液化，然后氣化，并產(chǎn)生壓力，這樣氣體就滲入金屬中，并在其中形成砂眼，并同時出現(xiàn)碳的夾渣，這是由于殘余泡沫燃燒不完全造成的。
為了解決這個問題，他們推薦了一種改進方法，這就是1989年3月7日提交的增補發(fā)明證書NO.89-03706的內(nèi)容，它包括隨著砂粒尺寸和埋入模型的深度變化而增加壓力，壓力迅速地和暫時地在熔融金屬與砂的交界地區(qū)，在熔化金屬中產(chǎn)生一個比在砂中較高的壓力，這個壓力可通過砂子損失填料而得到;這個超載壓力的值處在兩個極限值之間，當所述的壓力增加時即降低，然后保持所述壓力不變，直至凝固作用完成。
壓力增加的速率最好在0.003～0.3兆帕/秒之間，制品的厚度越厚，則速率越低，所述的最大超載壓力應在小于2秒的時間內(nèi)達到。
申請人還想在基本的專利申請及其改進的范圍內(nèi)進一步改善其過程。事實上，眾所周知，最大壓力必須在澆鑄金屬達到一定程度的凝固之前就加上去，否則所述壓力的作用會大大降低?，F(xiàn)在，還可以看到，為了避免產(chǎn)生金屬滲透現(xiàn)象和由泡沫氣化產(chǎn)生的氣體滲透到制品中去，必需一開始就有一個給定范圍的超載壓力。這里還假定，為了避免過份高的超載壓力，在加壓的最初幾秒鐘內(nèi)，壓力的增加應該適當。然而，如果在整個加壓的過程中，壓力的增加都保持同一數(shù)值，則可以發(fā)現(xiàn)，通常在達到最大壓力之前，所有金屬實際上已經(jīng)凝固了，因此，這個過程的效果受到限制。
這就是為什么申請人有這個想法，擬分兩個階段來增加壓力。因為，過程的特點是一開始，在第一個階段壓力以0.003～0.3兆帕/秒的速率增加，那末，在第二階段，壓力增加的速率應比第一階段的更高，直到達到最大壓力為止，第一階段通常是指從壓力上升開始至多5秒的一段時間。
現(xiàn)在可以來看看防止金屬滲透和碳夾渣以及在金屬完全凝固之前達到最大壓力的條件。第一階段最好至多為2秒，因為這個數(shù)值通常已足夠來避免上述缺點了。可有兩種不同的方法來增加壓力升高的速率-一種方法是分兩階段進行，在每一階段中，首先用較低的，固定不變的速率，然后才用較高的，固定不變的速率。因此，壓力與時間的關(guān)系曲線可用兩條直線段來表示，其公共點位于時間t≤5秒處。在氣體回路中放置一個或兩個閥，該閥具有兩部分，分別帶有不同的開度就可做到這點。
-或者另一種方法是，在過程中速率是連續(xù)增加的。因此，壓力曲線可用一條連續(xù)上升的曲線來表示，在時間t≤5秒處V的數(shù)值小于0.3兆帕/秒。這點可利用一個閥來達到，閥的過流截面是逐漸增大的。本過程的一個非限定的例子包括配上一種開度的規(guī)律，該規(guī)律給出一種 (dp)/(dt) ＝Kt形式的速率隨時間呈線性增加的關(guān)系，這使得壓力的規(guī)律呈拋物線形式P＝1/2Kt2。
本發(fā)明可用下列實施例來說明。
例1內(nèi)燃機的頂蓋用A-S7U3G型鋁合金制造，該合金以重量計含有6.9%的硅，3.1%的銅，0.3%的鎂，其余為鋁和常規(guī)的雜質(zhì)。頂蓋具有厚的凸緣和薄的輻板，其厚度為3毫米，達到凝固程度為30%所需的時間約為4秒，此外，金屬流動的路徑較長，這導致在充填的最后階段，供料速率較低，必需使金屬過熱。
金屬澆鑄入鑄模中，鑄模包含有一個聚苯乙烯的模型，它埋入砂中，根據(jù)本發(fā)明，要加1.5兆帕的最大壓力，過程按照下列步驟進行-在最初的2秒過程中，速率的增加為0.25兆帕/秒，這樣可獲得0.5兆帕的壓力。
-在以后的2秒過程中，速率的增加為0.5兆帕/秒，這樣可獲得1.5兆帕的壓力。
將具有不同橫截面的兩個閥放在氣體供給回路中就可進行這個步驟。
當?shù)玫皆谀坛绦蜻_到30%以前達到最大壓力的條件時，就可避免產(chǎn)生金屬滲透和在制品上形成碳夾渣的問題。
根據(jù)申請的先有技術(shù)，為了在4秒內(nèi)達到1.5兆帕的壓力就必須加壓力，壓力隨時間的增加速率應達到0.375兆帕/秒，這個數(shù)值超過了在NO.89-03706號申請中所指的0.30兆帕/秒的極限。
例2一種懸臂用A-S7G0.3型鋁合金制成，按重量計它包括7.5%硅，0.25%鎂，其余為鋁及常規(guī)雜質(zhì)。這個臂的厚度是正常的，為6～8毫米，為得到30%的凝固程度所需的時間約為20秒。
金屬澆鑄至鑄模中，根據(jù)本發(fā)明需加的最大壓力為8兆帕，過程按以下步驟進行，該步驟包括利用控制閥，使壓力按照公式P＝2×10-2t2呈拋物線升高，式中P用兆帕表示，t用秒表示，為了做到這點，壓力升高的速率應為 (dp)/(dt) ＝4×10-2t。
這個步驟允許-在最初的2秒過程中，所得到的壓力上升速率不超過0.08兆帕/秒，因此，遠遠低于在申請NO.89-03706中所指出的，為了避免發(fā)生金屬滲透現(xiàn)象的極限0.30兆帕/秒，但是從t＝0.075秒起，卻高于下限0.003兆帕/秒，此下限可保證從模型中產(chǎn)生的氣體和液體的殘渣能徹底排除干凈。
-20秒鐘以后，壓力必需達到8兆帕，以便充分發(fā)揮壓實成型的作用。
這樣，通過采用這些條件，即在凝固程度達到30%之前，得到最大壓力，就可以避免金屬滲透和在制品中碳夾渣的問題。
根據(jù)申請的先有技術(shù)，為了在20秒內(nèi)達到8兆帕的壓力，所加的隨時間而增大的壓力，其上升速率應達到0.4兆帕/秒，這個數(shù)值超過了為避免產(chǎn)生金屬滲透現(xiàn)象所需要的極限。
權(quán)利要求
1.在控制壓力作用下，金屬制品，特別是鋁及其合金制品的失泡沫鑄造過程的改進，其中要澆鑄的制品的有機泡沫模型埋入鑄模中，鑄模的壁為不含粘結(jié)劑的干砂，鑄模用液態(tài)金屬充填，金屬將泡沫燃燒，逐漸取代泡沫，然后最好在金屬開始凝固之前，加到鑄模和金屬中，并加一準等壓的氣體壓力，此壓力隨時間而增大，直至達到0.5～10兆帕的固定值為止；在壓力升高階段，在熔融的金屬中產(chǎn)生一個相對于砂子的超載壓力，其最大值必需在壓力升高的最初5秒內(nèi)達到；這種改進方法的特點在于在第一階段，壓力一開始是以0.003～0.3兆帕/秒的速率增加的，此階段從壓力上升開始算起，至多為5秒，然后在第二階段過程中，以比第一階段較高的速率增加，直至達到最大值為止。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的改進，其特征為第一階段至多為2秒。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的改進，其特征為在兩個階段的每一階段中，壓力上升速率為固定不變。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的改進，其特征為在兩個階段過程中，速率是連續(xù)增大的。
全文摘要
本發(fā)明涉及在控制壓力作用下，金屬制品失泡沫鑄造過程的改進。這個改進包括，一開始時在第一階段，以0.003～0.3兆帕/秒的速率增大壓力，第一階段從壓力升高開始算起至多為5秒，然后在第二階段，以比第一階段較高的速率增大壓力，直至達到最大壓力為止。這個改進可使制品具有與模型相適應的形狀，而不會有砂眼。
文檔編號B22D27/09GK1051319SQ9010870
公開日1991年5月15日 申請日期1990年10月31日 優(yōu)先權(quán)日1989年10月31日
發(fā)明者米切爾·加拉特 申請人:皮奇尼鋁公司