專利名稱：薄膜金屬型鑄造設備及其鑄造方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種薄膜金屬型鑄造設備及其工藝方法，主要用于鑄造鋁和鋁合金的鑄件，其壁厚大于5毫米；使用特定的鑄造工藝方法，屬于鑄造設備和鑄造工藝的技術(shù)領域。
現(xiàn)有的鑄造方法可使金屬熔體快速有序結(jié)晶，在鑄型接納金屬熔體以后逐漸浸入冷卻介質(zhì)中，這一類方法雖可使金屬熔體實現(xiàn)快速有序結(jié)晶，但無法分型、鑄型只能一次性使用，因此只能鑄造形狀簡單的鑄件，另外采用金屬型鑄造、壓鑄、低壓鑄造等，由于型壁厚重，熱容量大，所以金屬熔體在鑄型中的熱流方向呈紊亂狀態(tài)，不能實現(xiàn)有序結(jié)晶。
中國專利87102954“薄壁金屬鑄型鑄造法”如

圖10，包括上鑄型50、下鑄型51、壓邊圈52、坩堝53、升液管54、進氣管55、澆注箱56、液態(tài)低熔點金屬57等。采用金屬薄板或金屬網(wǎng)制成鑄型1、2，利用低熔點金屬57承受鑄造熔體的壓力，吸收和傳導熱量，起支撐和激冷薄壁鑄型作用的液態(tài)低熔點金屬在澆注前后或在澆注過程中適時進入澆注箱內(nèi)，鑄件冷卻以后，液態(tài)低熔點金屬排出澆注箱，然后將充滿凝固澆注金屬的薄壁鑄型從澆注箱內(nèi)取出并脫型，主要缺點是該發(fā)明在鑄型薄壁化以后并設有出現(xiàn)快速有序結(jié)晶的特征，以液態(tài)低熔點金屬57作冷卻介質(zhì)，對鑄造金屬的熱擴散速度與硬模鑄造相似，液態(tài)低熔點金屬57對鑄造熔體的熱擴散方向的影響沒有提出任何特定的方法，也就是該發(fā)明對快速有序結(jié)晶無積極效果；當鑄件高度達到一定數(shù)值時，液態(tài)低熔點金屬57對鑄型50、51的支撐作用只能在液態(tài)低熔點金屬57與鑄造熔體同步上升并保持一定的壓頭差時才能實現(xiàn)，否則鑄型將受到鑄造熔體的壓力或液態(tài)低熔點金屬57的負壓而產(chǎn)生很大的塑性形變及彈性形變，另外，當鑄件大到一定程度時，縱向分型和多次分型均極困難，因此該發(fā)明在鑄件形狀或單件規(guī)模上都受到很大的限制。
本發(fā)明的目的是要提供一種薄膜金屬型鑄造設備，它可以克服上述的缺點，實現(xiàn)快速結(jié)晶以及有序結(jié)晶，主要用于鋁或鋁合金的鑄造。
本發(fā)明的另一目的是要提供使用薄膜金屬型的鑄造方法，它可以結(jié)合薄膜金屬型鑄造設備，可有效地控制注前型溫，薄膜金屬型還可以分型；而且鋁熔體在系統(tǒng)內(nèi)熱平衡以后仍處于液體狀態(tài)。完全消除補縮胃口，提高金屬收得率。并使鑄件通體是細密的等軸晶狀。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的，采用薄膜金屬型，其厚度在0.2～3mm之間，薄膜金屬型可以分型，適合于鑄造鋁和鋁合金鑄件，而不拘其形狀復雜程度；薄膜型沿分型面延伸形成合型副，合型副繼續(xù)延伸形成型沿。合型副依托于型相與骨條共有的剛性平面。
薄膜金屬型置于型箱之中，在薄膜金屬型與型箱之間裝有頂板和拉桿，拉桿一端固定在薄膜金屬型上，另一端以螺紋方式拉緊在型箱上，頂板內(nèi)側(cè)緣與薄膜金屬型相關(guān)部位的外輪廓相吻合，并處處觸實，頂板外側(cè)與型箱固定，型箱可以是一個整體，也可以由多塊箱板組合而成，這時頂板被夾持在兩塊相鄰的箱板之間。
兩塊相鄰頂板間形成垂直方向通道，至少有一個噴嘴可以自由地在通道中運動，其速度可以調(diào)整、噴嘴是將冷卻介質(zhì)自下而上循序地供給薄膜金屬型外表面，以便實現(xiàn)快速有序結(jié)晶，在薄膜金屬型上端裝有加熱器，它把流動的氣體傳熱介質(zhì)傳遞給薄膜金屬型，使薄膜金屬型受到加熱。
當鑄造具有空腔的鑄件必須采用殼狀型芯時，薄膜金屬型與型芯共同構(gòu)成型腔，加熱器可同時對型芯也進行加熱。
在采用上述鑄造設備鑄造鋁及其合金時，其工藝方法是薄膜化鑄型-裝型-型內(nèi)壁噴涂涂料-合型-控制注前型溫-澆注-系統(tǒng)內(nèi)熱平衡-自下而上地向薄膜金屬型噴射冷卻介質(zhì)-脫型。
鑄型薄膜化可以使它的熱容量很小，使熔體的結(jié)晶過程成為可控狀態(tài)?？刂谱⑶靶蜏乜梢赃M一步限定薄膜金屬型的吸熱量，因此在系統(tǒng)內(nèi)熱平衡完成以后，鑄造熔體與薄膜金屬型進行一個預定數(shù)量的熱交換，該預定數(shù)量的熱交換完成以后，薄膜金屬型吸收的熔體熱量不足以使熔體結(jié)晶仍處于液態(tài)。
圖1為薄膜金屬型鑄造設備示意圖。
圖2為圖1的A-A剖視圖。
圖3為圖2的B-B剖視圖。
圖4為頂板和拉桿示意圖。
圖5為圖4的C-C剖視圖。
圖6為組合式型箱局部剖視圖。
圖7為圖6的K向視圖。
圖8為鑄造設備實施例示意圖。
圖9為圖8的D-D剖視圖。
圖10為現(xiàn)有技術(shù)示意圖。
茲結(jié)合附圖對薄膜金屬型鑄造設備及其工藝方法詳細敘述。
由圖1，薄膜金屬型1用金屬薄膜制成，其壁厚限定在0.2～3毫米之間，材質(zhì)是不銹耐熱鋼、炭素結(jié)構(gòu)鋼、低合金結(jié)構(gòu)鋼，例如4Cr9Si2,1Cr18Ni9Ti,Q235A,25,16Mn等。型箱11與薄膜金屬型1之間排布多個頂板3和拉桿2，頂板3的內(nèi)側(cè)緣與薄膜金屬型相關(guān)部位的外輪廓相吻合，頂板內(nèi)側(cè)緣的加工精度應能使它與薄膜金屬型相關(guān)部位可以處處觸實，頂板3外側(cè)與型箱11相固定，拉桿2一端固定在薄膜金屬型1上，另一端以螺紋方式固定和拉緊在型箱11上，型箱11底部是封閉狀態(tài)時必須有冷卻介質(zhì)排出口4，薄膜金屬型分型面上具有可以使鋁熔體形成波流的澆道4，鑄件15的結(jié)晶界面6沿噴嘴12移動方向推移，各噴嘴12的運動步驟和速度由一個程控系統(tǒng)13統(tǒng)一控制。
薄膜金屬型可以分型，它沿分型面延伸形成合型副5，再延伸至型箱11之外形成一型沿6，與合型副有關(guān)的頂板17具有一骨條9，型箱11在分型面外周有箱輞8上，合型副依托于型箱11、骨條9共有的剛性平面M，一對合型副利用型箱與骨條傳遞的合型壓力形成密合面。
圖2是圖1的A-A剖視圖。
薄膜金屬型1位于型箱11的中央位置，四周分布多個噴嘴12，拉桿2一端固定在薄膜金屬型1上，另一端以螺紋方式固定于型箱11上，薄膜金屬型1有澆道14，澆道14設計在分型面上，澆道底部有與澆道連為一體的合型副5，澆道14兩邊設置保溫材料18，可使?jié)驳纼?nèi)的熔體滯后結(jié)晶。
圖3是圖2的B-B剖視圖。
在合型副5周圍的頂板17具有雙重的功能，一方面可以具有支持薄膜金屬型1的作用，另一方面可以固定骨條9，頂板17、骨條9、型箱11，三者構(gòu)成一體后加工得到剛性平面M，為了不阻礙冷卻介質(zhì)供給薄膜金屬型1，頂板17的排布方向須與冷卻介質(zhì)的噴射方向一致，型沿6利用壓條7固定在箱輞8上。
圖4是頂板和拉桿的示意圖。
圖5是圖4的C-C剖視圖。
頂板3的內(nèi)側(cè)緣呈尖薄狀態(tài)，拉桿2的直徑趨小選擇，這樣可減小頂板3和拉桿2與薄膜金屬型的接觸面積，使通過頂板3和拉桿2傳遞的熔體熱量也因而減少，相鄰的頂板3之間可以加置穩(wěn)定板19。
圖6是組合式型箱局部示意圖。
圖7是圖6的K向視圖。
型箱11可由多塊橫截面為匚形的箱板20組成，2塊相鄰的箱板20用螺栓螺母加以緊固，頂板3被夾持在兩塊相鄰的箱板20之間，頂板3上設置長形孔21，便于調(diào)整頂板與薄膜金屬型1處處觸實。
圖8是薄膜金屬型鑄造設備的實施例示意圖。
圖9是圖8的D-D剖視圖。
底座24，型芯29都固定在鑄床25上面，如果型芯29足夠大，可以在適當?shù)奈恢迷O置芯頭27，芯頭27上面置有帶有支點的零件26，該零件26與芯頭27共同作用，進一步穩(wěn)定型芯29。
當鑄件28具有空腔時，必須安置殼狀型芯29，這里薄膜金屬型1實際上有2次分型，附圖8中表示一次分型，而圖9中表示了另一次分型，在薄膜金屬型1的合型副5和底座24之間裝有柔性石黑墊圈30，在常溫下柔性石黑具有塑性，因此相應的合型副5就不需要依托剛性平面。合型操作系統(tǒng)10在合型時要完成2個動作，首先以水平方向的推力來實現(xiàn)圖9中表示的分型，其次再以垂直方向的推力來實現(xiàn)圖8中表示的分型。
在圖8中，薄膜金屬型1上端裝有一個以氣體為傳熱介質(zhì)的加熱器23，加熱器23和氣體加熱堆(圖中未表示)及型腔共同組成管道回路。在管道回路中設備一個高鋁質(zhì)或陶瓷質(zhì)或金屬的風扇22，以驅(qū)動氣體傳熱介質(zhì)在該回路中流動，加熱堆把氣體傳熱介質(zhì)加熱到500-900℃，以對流的方式把熱量傳遞給薄膜金屬型1和型芯29，通過實踐證明空氣作為傳熱介質(zhì)是非常適用的，加熱器以機械方式可以與薄膜金屬型進行對接或脫離，圖中無標注箭頭表示傳熱介質(zhì)的流動方向。
在相鄰2塊頂板3之間的垂直方向通道內(nèi)，至少有1個噴嘴可以無阻礙地在通道內(nèi)作升降運動，在鑄件開始結(jié)晶時，所有的噴嘴12都處在與薄膜金屬型底端齊平的水平面上，噴嘴的數(shù)量應該使冷卻介質(zhì)可以涉及薄膜金屬型所有的散熱面，在鑄件需要多個噴嘴時，這些噴嘴可以同步地以相同速度上升，也可以異步地以不同的速度上升，這就需要根據(jù)鑄件各部位所處的空間位置以及壁厚進行選擇。
使用薄膜金屬型鑄造設備的鑄造工藝方法如下，在壁厚為0.2～3mm的薄膜鑄型1四周分布一定數(shù)量的噴嘴12，鑄件15的結(jié)晶界面16沿噴嘴的移動方向推移，使結(jié)晶界面16以上的液相區(qū)始終保持高于液相點的溫度，主要使薄膜化的鑄型，其熱容量限定在很小的數(shù)值，控制澆注前型溫進一步限定了薄膜金屬型吸熱量，因此在澆注系統(tǒng)熱平衡完成以后，薄膜金屬型吸收的熔體熱量不足以使熔體結(jié)晶，熔體仍處于液態(tài)，要準確控制熱交換量，必須準確控制薄膜金屬型的澆注前溫度，可按下式公式控制其溫度。
Tx=A[T1-0.5 (δ2)/(δ1) (T2-T1)]；其中Tx-薄膜金屬型注前受控溫度(絕對溫度K)T2-熔體的鑄造溫度(絕對溫度K)T1-熔體的液相點溫度(絕對溫度K)δ2-鑄件最小壁厚(毫米)δ1-薄膜金屬型壁厚(毫米)A-修正系數(shù)(1.1～1.25)從上述公式求出Tx數(shù)值，是鋁熔體與薄膜金屬型熱交換的間接量化反應，也就是將注前型溫控制在Tx值上，系統(tǒng)內(nèi)熱平衡完成以后熔體可以處于液相點溫度以上。這個系統(tǒng)是指鑄造設備中能直接或間接吸收熔體熱量的零件與熔體的總和，當鋁熔體注入薄膜金屬型以后，該系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生一個預定數(shù)量的熱變換，在達到熱平衡以后，劇烈的熱交換就停止，結(jié)晶界面以上的液相區(qū)在冷卻介質(zhì)涉及以前始終保持為液體狀態(tài)，直至鑄件通體結(jié)晶完畢。在實際生產(chǎn)中，T1、δ2、δ1的數(shù)值都是給定的，根據(jù)y=f(x)，設令Tx=f(T2)，所以Tx值是以T2為自變量的因變量，δ1值在本發(fā)明限定范圍以內(nèi)，對于(T2-T1)之值限定為30℃～80℃之間，A之值限定為1.1～1.25之間。
修正系數(shù)A對四個因素進行綜合修正，由于在系統(tǒng)內(nèi)熱平衡完成以后，熔體溫度不可能準確地處于理論的液相溫度點上，利用A進行修正，可使熔體處于高于液相點溫度的一個范圍之內(nèi)；在熱平衡完成以后，該系統(tǒng)雖然停止了劇烈的熱交換，但薄膜金屬型外圍件以及空氣仍要繼續(xù)吸收或傳遞一些熔體熱量，其數(shù)值亦由修正系數(shù)預以修定；另外對熔體的鑄造工藝溫度和環(huán)境溫度的測定控制，均會發(fā)生一些誤差，也須加以修正，其次是公式Tx=A[T1-0.5 (δ2)/(δ1) (T2-T1)]；是建立在熔體焓值的減量與薄膜金屬型焓值的增量相等的基礎上的，設鑄件體積為S2×δ2，薄膜金屬型體積為S1×δ1，并假定S2是與S1相等，但是，隨著鑄件壁厚的增大，S2與S1的差值就越來越大，亦須加以修正，綜合上述四個因素條件，A之值選為1.1-1.25以后，可以保證結(jié)晶界面以上的液相區(qū)在冷卻介質(zhì)涉及以前仍保持為液態(tài)。
在鑄造厚壁零件時，也就是δ2/δ1比值足夠大時，Tx值會低于環(huán)境溫度，這時薄膜金屬型由環(huán)境溫度升到熱平衡溫度的焓增量全部由熔體供給，而且還有余量，因此可以使薄膜金屬型取環(huán)境溫度澆注，反之，當Tx值高于環(huán)境溫度時，以氣體傳熱介質(zhì)向薄膜金屬型加熱到溫Tx以后再進行澆注。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本薄膜金屬型鑄造設備和鑄造工藝方法具有下列優(yōu)點1.噴嘴以結(jié)晶線速度自下而上循序推進，結(jié)晶界面以上的液相區(qū)始終保持高于液相點溫度進而實現(xiàn)有序結(jié)晶。
2.薄膜化的鑄型并帶有以鋼性平面為依托的合型副，合型以后分型面對鋁熔體有液密性，并阻斷了冷卻介質(zhì)從分型面進入鑄型的渠道，進而可以進行任意方向的多次分型，可以鑄造任意形狀的鑄件。
3.鑄型薄膜化，其熱容量特小，使結(jié)晶過程中的熱擴散可以處于可控狀態(tài)，而鋁熔體與冷卻介質(zhì)之間可以實現(xiàn)快速熱變換達到快速結(jié)晶。
4.采用頂板和帶骨條頂板的結(jié)構(gòu)以及拉桿的組合，在鋁熔體的鑄造溫度點上，薄膜金屬型能夠承受鋁熔體壓力而不致發(fā)生塑性變形。
5.所得鑄件通體是細密的等軸晶，無針孔與疏松。
6.完全取消了補縮冒口，使金屬收得率提高到90%以上。
實施例根據(jù)附圖9、10，鑄件28是鋁合金的發(fā)動機缸體，其牌號為ZL108，液相點溫度為640℃，熔體鑄造溫度為710℃，鑄件最小壁厚為9mm，A為1.16；按公式Tx=A[T1-0.5 (δ2)/(δ1) (T2-T1)]計算，得到Tx值為286℃。
于是以700℃預熱空氣對薄膜金屬型和型芯進行加熱，當型溫升到286℃時就可以澆注鋁熔體，這時所有的噴咀12都位于薄膜金屬型底端的水平面上，當型腔內(nèi)澆注足夠的鋁熔體時，系統(tǒng)內(nèi)的熱平衡也已基本完成，屆時或稍隔幾秒鐘，可通過噴咀12開始向薄膜金屬型供給冷卻水，噴咀的上升速度是與鑄件的結(jié)晶線速度完全一致的，在結(jié)晶界面16與水平面夾角為45°時，結(jié)晶線速度的計算值是鑄件下部較薄區(qū)段為12mm/秒，上部較厚區(qū)段為5mm/秒，噴咀分別以所在區(qū)段的結(jié)晶速度上升，直到鑄件全部結(jié)晶為止。
權(quán)利要求
1.一種薄膜金屬型鑄造設備，它在型箱內(nèi)置放薄膜型，其特征在于薄膜金屬型(1)和型箱(11)之間排布頂板(3)和拉桿(2)，頂板(3)的內(nèi)側(cè)緣與薄膜金屬型(1)相關(guān)部件的外輪廓吻合，且處處觸實，頂板(3)外側(cè)與型箱(1)相固定；薄膜金屬型(1)沿分型面延伸形成合型副(5)，再延伸于型箱(11)外形成型沿(6)；頂板(17)具有骨條(9)，拉桿(2)一端固定在薄膜金屬型(1)上，另一端以螺紋方式拉緊于型箱(11)上；薄膜金屬型(1)四周分布有噴咀(12)；在薄膜金屬型上端裝有加熱器(23)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑄造設備，其特征在于骨條(9)和型箱(11)共有一個與分型面平行的剛性平面，合型副(5)依附在該平面上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑄造設備，其特征在于型箱(11)可以由多塊橫截面為匚形的箱板(20)組成，相鄰的箱板(20)用螺栓螺母緊固，頂板(3)就夾持在兩塊相鄰的箱板(20)之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑄造設備，其特征在于拉桿(2)和頂板(3)之間焊接或粘接穩(wěn)定板(19)。
5.一種薄膜金屬型用于澆注鋁及鋁合金的鑄造方法，該方法使用一個型箱(11)，型箱內(nèi)固定薄膜金屬型(1)，其特征在于a、采用薄膜金屬型，其壁厚為0.2～3mm之間；b、控制鑄前型溫，使金屬熔體注入薄膜金屬型以后與薄膜金屬型進行預定數(shù)量的熱交換，該熱交換完成后，熔體溫度仍處在液相點溫度以上，鑄前型溫Tx按公式Tx=A[T1-0.5 (δ2)/(δ1) (T2-T1)]；式中Tx-薄膜金屬型注前受控溫度(絕對溫度K)T2-熔體的鑄造溫度(絕對溫度K)T1-熔體的液相點溫度(絕對溫度K)δ2-鑄件最小壁厚(毫米)δ1-薄膜金屬型壁厚(毫米)A-修正系數(shù)；用預熱空氣為傳熱介質(zhì)對薄膜金屬型加熱到溫Tx；噴嘴以鑄件相應部位的最快結(jié)晶線速度上升并向薄膜金屬型外表面供給液態(tài)冷卻介質(zhì)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的鑄造方法，其特征在于修正系數(shù)A選為1.1～1.25。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的鑄造方法，其特征在于T2-T1之值選定為30～80℃。
全文摘要
一種薄膜金屬型鑄造設備及其鑄造方法，主要用于鑄造鋁或鋁合金鑄件，薄膜金屬型與型箱之間裝有頂板和拉桿，薄膜金屬型沿分型面延伸形成合型副，薄膜金屬型上部裝有加熱器，四周裝有冷卻介質(zhì)噴嘴，型箱可以是整體或由許多箱板組成，主要控制注前溫度，使鋁熔體在系統(tǒng)熱平衡以后仍處于液體狀態(tài)，保證鑄件實現(xiàn)快速有序的結(jié)晶。本發(fā)明所得鑄件無針孔、無疏松、通體皆為細密等軸晶，金屬收得率提高到90％以上。
文檔編號B22D21/04GK1098344SQ9310913
公開日1995年2月8日 申請日期1993年8月3日 優(yōu)先權(quán)日1993年8月3日
發(fā)明者孫金根, 胡佩民, 戴文珍, 王林江, 姜金陵 申請人:上海開元鑄鋁合金技術(shù)開發(fā)研究所