專利名稱：用于壓鑄高熔點(diǎn)材料的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及壓鑄，更具體地說涉及一種壓鑄高熔點(diǎn)如超過2000°F(1093℃)的材料的裝置。
高熔點(diǎn)材料，如鎳基超耐熱合金和鈦基合金普遍應(yīng)用于各種行業(yè)。通常，詞語“超耐熱合金”是指在高溫如900°F及以上溫度下具有高強(qiáng)度的材料。這樣的典型材料是鎳基合金、鈷基合金和/或鐵基合金。鈦合金在要求重量輕和高度強(qiáng)-重量比的應(yīng)用中采用。這些合金具有良好的耐腐蝕性及在達(dá)到如1000°F(538℃)的中等溫度下保持良好的強(qiáng)度。
例如在燃?xì)廨啓C(jī)中，一般在渦輪部分采用高熔點(diǎn)材料如鎳基和鈷基超耐熱材料，有時(shí)在發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮機(jī)部分的后部，包括但不限于螺旋槳例如槳片和葉片，以及靜止的和結(jié)構(gòu)部件如塞環(huán)、殼體和密封圈也采用高熔點(diǎn)材料。這些材料的熔點(diǎn)一般超過2500°F(1371℃)。一種普遍應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)的鎳基超耐熱合金是因科鎳合金718(IN718)，其主要成分重量百分比為碳(C)0.01-0.05、鉻(Cr)13-25、鉬(Mo)2.5-3.5、鈳(Cb)(也指鈮(Nb)+鉭(Ta)為5.0-5.75、鈦(Ti)0.7-1.2、鋁(Al)0.3-0.9、鐵(Fe)約21、其余基本上是鎳(Ni)。IN718的熔點(diǎn)為2450°F(1343℃)。
一般也在發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻器部分如壓縮機(jī)部分采用鈦合金，包括但不限于螺旋槳如槳片和葉片，以及在靜止的和結(jié)構(gòu)部件如中部、壓縮機(jī)殼體和壓縮機(jī)隔板上采用鈦合金。一般鈦合金的熔點(diǎn)超過3000°F(1649℃)。一種廣泛應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)上的鈦合金是Ti6Al-4V(“Ti6-4”)，其成分為4-8w/o(重量百分比)的鋁、3-5w/o的釩，其余為鈦。對(duì)于較高溫度的應(yīng)用，如果需要改進(jìn)其高溫蠕變性能，可以使用Ti6Al-2Sn-4Zr-2Mo(“Ti6-2-4-2”)，其成分為5-7w/o(重量百分比)的鋁、1.5-2.5w/o的錫(tin)、3.0-5.0w/o的鋯、1.5-2.5w/o的鉬，其余一般為鈦。其它鈦合金包括Ti8-1-1和鋁化鈦。Ti8-1-1的成分為7-8.5w/o的鋁、0.5-1.5w/o的鉬和0.5-1.5w/o的釩，其余一般為鈦。通常，鋁化鈦主要是按化學(xué)分子式計(jì)算的鈦和鋁量組成的，如TiAl和TiAl3。除了上述性能外，這些材料應(yīng)該至少能夠形成相對(duì)復(fù)雜、三維形狀如螺旋槳，并且特別在中等溫度下應(yīng)該抗氧化。
在燃?xì)廨啓C(jī)行業(yè)，用鍛造來生產(chǎn)具有復(fù)雜三維形狀的部件如槳片和葉片。
簡要來說，為了鍛造像螺旋槳這樣的部件，將材料錠坯變成坯段形狀，對(duì)于槳片和葉片來說一般是圓柱形，為了使材料塑性變形成為所要求的部件形狀，然后進(jìn)行熱加工處理，如在模具和/或鍛錘之間加熱和沖壓幾次，逐漸形成類似于所要求的形狀。一般鍛壓模具可以加熱。每個(gè)部件通常進(jìn)行熱處理以得到所要求的性能，如硬度/強(qiáng)度、消除應(yīng)力、阻止裂紋伸展和特定水平的HCF抗力，如需要提供精密形狀、幾何尺寸和/或表面性能的部件的話，也可進(jìn)行精加工，如機(jī)加工、化學(xué)研磨和/或介質(zhì)拋光。
通過鍛造方法生產(chǎn)部件是一種昂貴、費(fèi)時(shí)的工藝，因而它一般僅保證要求有特別平衡性能的部件，如在室溫和中溫兩種情況下的高強(qiáng)度、低重量和耐久性。至于得到鍛造材料，某些材料要求長的交貨時(shí)間。一般鍛造包括一系列操作，每個(gè)操作要求單獨(dú)的模具和相關(guān)的設(shè)備。鍛后進(jìn)行精整操作如機(jī)加工槳片的根部和進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚?，?gòu)成生產(chǎn)鍛件總成本的重要部分，包括必須丟棄鍛件的重要部分。
在鍛造鍛件期間，許多原料(達(dá)85％，這取決于鍛造尺寸)被去掉，沒有成為最終鍛件的一部分，即，加工損耗。生產(chǎn)的鍛件形狀的復(fù)雜性僅僅增加了工作量和所要求制造的部件的費(fèi)用，這對(duì)于具有特別復(fù)雜形狀的燃?xì)廨啓C(jī)部件正是需要考慮的問題。一些合金也具有彈性。鍛造期間的特性在鍛造期間應(yīng)該計(jì)算進(jìn)去，也就是說，鍛件應(yīng)該進(jìn)行“過度鍛造”(“overforged”)。如上所述，最終鍛件可能仍然需要大量的鍛后處理。此外，如果應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件來進(jìn)行計(jì)算流體動(dòng)力分析，產(chǎn)生更具空氣動(dòng)力效力的螺旋槳形狀，這樣的螺旋槳和部件甚至具有更復(fù)雜的三維形狀。將鈦合金精密地鍛造成這些先進(jìn)的更復(fù)雜的形狀是很困難或不可能的，復(fù)雜形狀還增加部件的成本或使得部件昂貴，在使用發(fā)動(dòng)機(jī)的某些先進(jìn)技術(shù)方面是不經(jīng)濟(jì)的，或者對(duì)一些部件形狀采用特殊合金。
鍛件可能含有難于檢查的鍛造缺陷。而且，也應(yīng)考慮精確再現(xiàn)性-鍛造不能使鍛件與鍛件之間的尺寸精確相同。在檢查后，許多鍛件還必須重新加工。通常，鍛件必須報(bào)廢或約20％的時(shí)間重新加工。此外，較新的、較先進(jìn)的或高合金材料將增加鍛造的困難(如果不是不可能的話)，并且相應(yīng)地增加鍛造費(fèi)用。這些將僅涉及到采用較復(fù)雜的三維螺旋槳的幾何形狀。
鑄造已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)相當(dāng)接近精確成形(near-finished-shape)的鑄件。
將熔融金屬注入具有要鑄造鑄件形狀的型腔陶瓷殼里的熔模精密鑄造，可以用于生產(chǎn)這樣的鑄件。然而，精密鑄造產(chǎn)生巨大的晶粒，如ASTM0或更大(鍛造可獲得相對(duì)小的平均晶粒尺寸)，在一些情況下，整個(gè)鑄件是一個(gè)單晶。此外，因?yàn)槊總€(gè)鑄件用一個(gè)模具生產(chǎn)，這種加工工藝很昂貴。鑄件與鑄件之間非常精確尺寸的重復(fù)再現(xiàn)性很難達(dá)到。如果材料被熔化，特別是對(duì)于含有反應(yīng)元素如鈦或鋁的材料，在存在氣體的情況下澆鑄和/或凝固，鑄件可能具有不合需要的特性如夾雜和氣孔。陶瓷殼的分裂也將導(dǎo)致夾雜和雜質(zhì)的存在。
將熔融金屬注入一多部分的、可重復(fù)使用的鑄型，在重力作用下流入鑄型的永久鑄型鑄造，一般也用于鑄造部件。見由colvin提出的美國專利US5,505,246。然而，永久鑄型鑄造具有一些缺點(diǎn)。對(duì)于薄鑄件如螺旋槳，重力可能不足以迫使材料進(jìn)入較薄的部分，特別是在高熔點(diǎn)材料和低過熱度的情況下更是如此，從而使鑄型不能均勻充滿，鑄件肯定報(bào)廢。尺寸公差肯定相對(duì)大一些，要求相應(yīng)較多的鑄造后續(xù)工作，可重復(fù)性很難達(dá)到。永久鑄型鑄造也導(dǎo)致比較差的表面精度，也需要大量的鑄后加工。
將熔融金屬在壓力作用下注入一可重復(fù)使用的鑄型的壓力鑄造，在過去已經(jīng)成功應(yīng)用于鑄造較低熔點(diǎn)如低于2000°F(1093℃)材料的鑄件。如前所述，例如在美國專利US2,932,865、US3,106,002、US3,532,561和US3,646,990中,傳統(tǒng)的壓鑄機(jī)包括一安裝(一般是固定)在一多部件模具壓板上的壓射缸，例如，一個(gè)具有固定和可移動(dòng)壓板的兩個(gè)部件的模具，這兩個(gè)壓板共同形成一個(gè)模具型腔。壓射缸呈水平、垂直或在水平和垂直之間傾斜放置。壓射缸一般僅在其一端用模具固定，如，壓射缸不嵌入部件中。壓射缸與模具的橫澆口連接，并包括一個(gè)在壓射缸上澆鑄熔融金屬通過的開口?；钊趬荷涓字锌梢苿?dòng)地放置，一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)移動(dòng)活塞并使熔融金屬從壓射缸進(jìn)入模具。在“冷室”壓鑄機(jī)中，壓射缸一般位于水平位置并且不加熱。通常在大氣狀態(tài)下鑄造，即設(shè)備不是定位于非反應(yīng)環(huán)境中如真空室或惰性氣氛中。
例如在美國專利US3,646,990中已經(jīng)論述了這些壓鑄機(jī)的缺點(diǎn)，特別是不能使用這些設(shè)備鑄造高熔點(diǎn)如超過2000°F(1093℃)材料的問題。注入壓射缸的熔融材料僅占據(jù)和迅速地加熱壓射缸的較低部分。因此僅僅在壓射缸的底部加熱。因?yàn)閴荷涓滓欢耸芰ψ冃危詨荷涓鬃冃位颉俺晒位蛳憬缎巍?。如果沿壓射缸長度方向的縱向變形足夠大，將阻止活塞在壓射缸中的移動(dòng)，從而導(dǎo)致裝置的損壞。假設(shè)活塞和壓射缸之間的公差是必要而緊密的，僅僅小的變形就能導(dǎo)致活塞與壓射缸之間的粘結(jié)或損壞。這些變形一般隨壓射缸的外徑、內(nèi)徑、長度、構(gòu)成壓射缸的材質(zhì)、熔融金屬與壓射缸之間的溫差、被熔融金屬占據(jù)的壓射缸部分(導(dǎo)致壓射缸的不均勻加熱)以及工藝周期(將熔融合金注入壓射缸之間所花費(fèi)的時(shí)間)而變化。已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，參見′440和′990專利，這些變形是導(dǎo)致冷室壓鑄機(jī)不能用于壓鑄熔點(diǎn)在2000°F(1093℃)以上材料的主要原因。
熱變形也影響壓射缸的橫截面形狀。如上所述，壓射缸一般是圓柱形狀，因而具有圓形橫截面(垂直壓射缸長度方向觀察)。當(dāng)熔融金屬注入壓射缸時(shí)，壓射缸較低部分(與熔融金屬相接觸的部分)相對(duì)于上部即壓射缸很少加熱的部分膨脹。壓射缸是這樣變形的，即壓射缸的橫截面形狀變得有些橢圓形(包括一部分變得比未加熱的壓射缸小)，而活塞則保持較圓的形狀，具有小的熱變形。因此，壓射缸形狀和活塞形狀就不匹配，如果不匹配相差很大，那么活塞就與壓射缸粘在一起，或允許熔融合金從活塞與壓射缸之間通過-即所謂的“泄漏”，從而導(dǎo)致裝置不能工作或損壞。橫截面變形一般隨上述壓射缸香蕉化的同樣因素而變化。
此外，如果壓射缸未加熱或加熱了但維持在低于澆注材料熔點(diǎn)的溫度，熔融金屬凝固在壓射缸的內(nèi)壁上而結(jié)皮或“結(jié)殼”，為了在壓射缸中移動(dòng)活塞來將熔融金屬注入模具，活塞必須使壓射缸上的結(jié)皮脫落和“破碎結(jié)殼”。然而，如果能形成一結(jié)構(gòu)堅(jiān)固的部件，如以由壓射缸所支撐的圓柱體的形式，活塞和/或用于移動(dòng)活塞的相關(guān)部件則會(huì)被損壞或破壞。
總之，普通的“冷室”壓鑄裝置不能成功地用于生產(chǎn)高熔點(diǎn)例如Tm在2000°F(1093℃)以上的材料，如超耐熱合金和鈦合金的鑄件。如專利′990所提出的，使用普通裝置將導(dǎo)致壓鑄機(jī)不工作和/或損壞，同時(shí)造成鑄件的質(zhì)量低劣如含有雜質(zhì)(例如，由于凝固的材料是隨熔融材料注入的)，不能接受的氣孔率，較低的強(qiáng)度和低的疲勞周期性能。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種用于壓鑄高熔點(diǎn)材料的裝置，高熔點(diǎn)材料如鎳基、鈷基、鐵基超耐熱合金和鈦基合金。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種用于壓鑄具有難于而非不可能鍛造的復(fù)雜三維形狀鑄件的裝置。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，用于壓鑄高熔點(diǎn)(Tm在2000°F(1093℃)以上)和/或含有反應(yīng)合金的材料的鑄件的裝置。該裝置利用一限定模具型腔和含有至少兩部分的可重復(fù)使用的模具。該裝置的熔化部件熔化至少一次裝料量的金屬，例如足以充滿模具型腔和相關(guān)的橫澆口和直澆口的裝料量。該裝置還包括一段一般為水平放置的壓射缸，該壓射缸與模具連接并且具有帶有內(nèi)徑和外徑的圓柱形狀。最好選擇壓射缸使其容積至少大于模具型腔容積(包括相關(guān)的橫澆口、內(nèi)澆口和余料的容積)的兩倍，最好為三倍，且一般用如硬化的H13工具鋼材料制造。在一些例子中，壓射缸的容積等于或稍大于模具型腔的容積也是可以接受的。
壓射缸外半徑與內(nèi)半徑的比率(Ro/Ri)最好至少為1.3，更好為1.5。這樣的組合可提供足夠的熔融金屬容積，也充分減小了當(dāng)熔融金屬部分充滿壓射缸時(shí)，壓射缸熱變形的趨勢-沿長度方向的弓形化和橫截面上的橢圓化，從而防止了壓鑄機(jī)故障。該裝置的活塞部件用于將熔融金屬從壓射缸注入模具，同樣作為轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)將熔融金屬從熔化部件轉(zhuǎn)運(yùn)到壓射缸。
典型的高熔點(diǎn)合金包括鈦合金(Tm一般在3000°F(1649℃)以上)、鈷基和鎳基超耐熱合金(Tm一般在2400°F(1315℃)以上)。典型的反應(yīng)合金包括鈦合金和超耐熱合金(Tm一般在2400°F(1315℃)以上)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是可以使用以前認(rèn)為不能用于鑄造高熔點(diǎn)材料的普通壓鑄機(jī)來壓鑄高熔點(diǎn)材料鑄件。
現(xiàn)在將參照附圖，描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。


圖1表示使用本發(fā)明裝置壓鑄的鑄件；圖2和圖3表示根據(jù)本發(fā)明的壓鑄機(jī)的示意圖；圖4是圖2裝置的壓射缸沿5-5線的剖面圖，表示壓射缸橫截面的變形；圖5是一個(gè)圖表，表示當(dāng)壓射缸內(nèi)局部充滿熔融金屬時(shí)，壓射缸的變形隨壓射缸內(nèi)外半徑而變化；圖6的圖表與圖5類似，表示壓射缸橫截面變形的趨勢隨壓射缸內(nèi)外半徑而變化。
現(xiàn)在參考圖1，由高熔點(diǎn)材料構(gòu)成的并根據(jù)本發(fā)明壓鑄的超耐熱合金鑄件用數(shù)字10表示。在所示的實(shí)施例中，此鑄件是一燃?xì)廨啓C(jī)上的渦輪葉片10，它包括一螺旋槳12、平臺(tái)部分14和根部16。如這里所采用的，高熔點(diǎn)材料是指那些熔點(diǎn)至少約2000°F(1093℃)，高達(dá)3000°F(1649℃)甚至更高。本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于有不同用途的高熔點(diǎn)材料如鎳基、鈷基和鐵基超耐熱合金以及鈦基合金，并不局限于任何具體的超耐熱合金或燃?xì)廨啓C(jī)部件。
如上所述，用于燃?xì)廨啓C(jī)的典型鎳基超耐熱合金是因科內(nèi)爾鎳鉻鐵耐熱耐蝕合金718(IN718)，其主要成分重量百分比為碳(C)0.01-0.05、錳(Mn)約0.4、硅(Si)約0.2、鉻(Cr)13-25、鈷(Co)約1.5、鉬(Mo)2.5-3.5、鈳(Cb)+鉭(Ta)為5.0-5.75、鈦(Ti)0.7-1.2、鋁(Al)0.3-0.9、鐵(Fe)約21、其余基本上是鎳(Ni)。IN718的熔點(diǎn)為2450°F(1343℃)。也可采用其他合金，如IN713，其標(biāo)準(zhǔn)成分百分比為碳(C)0.025、錳(Mn)約0.4、硅(Si)約0.4、鉻(Cr)12-16、鉬(Mo)3-6、鈳(Cb)+鉭(Ta)為0.8-3.5、鈦(Ti)0.7-1.3、鋁(Al)5.25-6.75、鐵(Fe)約1、其余基本上是鎳(Ni)和鈷(Co)。IN713的熔點(diǎn)為2300°F(1260℃)。沃斯帕洛尹合金(Waspaloy)是另一種可用于這種應(yīng)用的材料，在美國專利US4,574,015和US5,120,373中以例子的形式披露。通常，沃斯帕洛尹合金的成分重量百分比為碳(C)0.02-0.15、鉻(Cr)12-20、鈷(Co)約10-20、鉬(Mo)2-5.5、鈦(Ti)3-7、鋁(Al)1.2-3.5、鋯(Zr)0.01-0.15、硼(B)0.002-0.05、其余基本上是鎳(Ni)。沃斯帕洛尹合金的熔點(diǎn)為2400°F(1315℃)。
其他合金包括B-1900，其成分為鉻(Cr)約8、鈷(Co)10、鉬(Mo)6、鉭(Ta)4、鋁(Al)6、鈦(Ti)1、碳(C)0.1、硼(B)0.015和鋯(Zr)0.1。參見如Sims和Hagel所著的“超耐熱合金”(Wiley & Sons 1972)，第596-7頁。鈷基合金，如MAR-M-509也用于較高溫度的應(yīng)用。MAR-M-509的成分重量百分比約為鉻(Cr)23.5、鎳(Ni)10、鎢(W)7、鉭(Ta)3.5、鈦(Ti)0.2、鋯(Zr)0.5，其余基本上是鈷。參見美國專利US3,647,517及Sims和Hagel所著的“超耐熱合金”(Wiley & Sons 1972)，第596-7頁。IN939是另一種鎳基合金，可用溫度約達(dá)1500°F，其成分約為鉻(Cr)22.5、鈷(Co)19、鉬(Mo)6、鋁(Al)2、鈦(Ti)3.7、鎢(W)2、鈳(Cb)+鉭(Ta)為3.3、碳(C)0.15、硼(B)0.005，其余一般為鎳(Ni)。Gatorized Waspaloy是一種改進(jìn)成分的沃斯帕洛尹合金(Waspaloy)，在強(qiáng)度和溫度性能方面超過普通的沃斯帕洛尹合金。參見美國專利US4,574,015和US5,120,373，其成分重量百分比為鉻(Cr)15.00-17.00、鈷(Co)12.00-15.00、鉬(Mo)3.45-4.85、鈦(Ti)4.45-4.75、鋁(Al)2.0-2.40。Gator Waspaloy合金也可能有少量的其他元素，如鋯(Zr)0.02-0.12、硼(B)0.003-0.010、鎂(Mg)0.0010-0.005。
如上所述，也可以采用鈦合金，且其熔點(diǎn)一般超過3000°F(1649℃)。廣泛用于燃?xì)廨啓C(jī)上的典型合金是Ti6Al-4V(“Ti6-4”)，其成分為4-8w/o(重量百分比)的鋁、3-5w/o的釩，其余為鈦。對(duì)于較高溫度的應(yīng)用，需要提高其高溫性能，可以使用Ti6Al-2Sn-4Zr-2Mo(“Ti6-2-4-2”)，其成分為5-7w/o(重量百分比)的鋁、1.5-2.5w/o的錫(tin)、3.0-5.0w/o的鋯、1.5-2.5w/o的鉬，其余一般為鈦。其它鈦合金包括Ti8-1-1和鋁化鈦。Ti8-1-1的成分為7-8.5w/o的鋁、0.5-1.5w/o的鉬和0.5-1.5w/o的釩，其余一般為鎳。鋁化鈦是以按化學(xué)分子式計(jì)算的鈦和鋁量組成的，其典型化合物是TiAl和TiA13。
現(xiàn)在參考圖2和圖3，本發(fā)明的裝置用參考數(shù)字18表示。它可以制備出高質(zhì)量的壓鑄件，重要的是在非反應(yīng)環(huán)境中熔化材料，以防止對(duì)最終鑄件質(zhì)量可能有不良影響的反應(yīng)、污染或其他情況的產(chǎn)生。因?yàn)樵谌刍h(huán)境中的任何氣體可能被誘捕到熔融材料中，并導(dǎo)致壓鑄件中過多的氣孔，我們最好在真空環(huán)境下熔化材料而不是在惰性環(huán)境下，如氬氣環(huán)境下熔化材料。最好在與一真空源22相連的熔化室20中熔化材料，該熔化室內(nèi)保持低氣壓，如小于100μmHg，最好小于50μm Hg。
我們最好熔化一次的裝料量，因?yàn)槿刍^小數(shù)量的材料比熔化較大數(shù)量的材料一般要快一些，且因?yàn)槿刍^小裝料量的熔化設(shè)備更容易設(shè)置在真空室內(nèi)。特別是在材料含有反應(yīng)成分的情況下，我們最好用感應(yīng)爐重熔或熔化設(shè)備(ISR)24(induction skull remelting or melting)熔化高熔點(diǎn)材料，例如，由新澤西州Rancocas的Consarc公司生產(chǎn)的設(shè)備來熔化，它具有快速、清潔熔化用于鑄造的單批裝料量的能力，單批裝料量如50磅(22.7公斤)。在ISR中，材料在一個(gè)坩鍋中熔化，該坩鍋由多個(gè)金屬(一般是銅)條一個(gè)挨一個(gè)排列而形成的。坩鍋由與電源26連接的感應(yīng)線圈所圍繞。金屬條含有用于使來自水源并到達(dá)水源的冷卻水(未示出)循環(huán)的通道，以防止金屬條的熔化。由線圈產(chǎn)生的電場加熱和熔化位于坩鍋內(nèi)的材料。此電場也使熔融金屬攪動(dòng)或攪拌。一薄材料層在坩鍋壁上凝結(jié)并形成結(jié)殼。通過適當(dāng)選擇坩鍋和線圈以及施加到線圈上的功率水平和頻率，就有可能促使熔融材料離開坩鍋，進(jìn)一步減小熔融材料對(duì)坩鍋壁的沖擊。
因?yàn)樵诓牧先刍蛯⑷廴诓牧献⑷氲侥＞咧行枰欢ǖ臅r(shí)間量，所以材料熔化要有一個(gè)有限制的過熱度-足夠高以保證材料在注入前至少基本上保持熔融狀態(tài)，但要足夠低以保證在注入后快速凝固，能夠形成小的晶粒，且也能使壓鑄裝置上的熱負(fù)荷降到最小(特別是裝置上那些與熔融金屬相接觸的部分)。一般原則，對(duì)于高熔點(diǎn)材料我們一般限定在熔點(diǎn)以上其過熱度在約200°F(111℃)以內(nèi)，最好小于100°F(55℃)，小于50°F(28℃)更好。我們發(fā)現(xiàn)，在1或2秒內(nèi)澆鑄和注入熔融材料的過程，使具有未加熱壓射缸的壓鑄機(jī)工作得良好。
如果我們希望用一個(gè)ISR設(shè)備裝多批料，該材料可以用其他方式熔化，如采用真空感應(yīng)熔化(VIM)和電子束熔化，只要熔化的材料不是明顯被污染即可。此外，我們不排除在真空環(huán)境下熔化大量的材料，如一次熔化多批裝料量，然后將單批量的熔融材料轉(zhuǎn)運(yùn)到用于注入進(jìn)模具的壓射缸中。然而，在真空熔化材料的情況下，用于轉(zhuǎn)運(yùn)熔融金屬的任何設(shè)備一般都必須具有承受高溫的能力并位于真空室內(nèi)，因此真空室應(yīng)該相對(duì)大一些。附屬設(shè)備使費(fèi)用增加，相應(yīng)大的真空室將花費(fèi)較長時(shí)間來抽氣，從而影響了循環(huán)周期。
為了將熔融材料從坩鍋中轉(zhuǎn)運(yùn)到裝置的壓射缸30中，安裝坩鍋使其可以平移(圖3中箭頭32)并相對(duì)于澆鑄軸線可以轉(zhuǎn)動(dòng)(圖2中箭頭33)，該坩鍋又與一馬達(dá)(未示出)連接，該馬達(dá)用于轉(zhuǎn)動(dòng)坩鍋將熔融材料從坩鍋中通過壓射缸30的澆口35來進(jìn)行澆鑄。坩鍋的轉(zhuǎn)運(yùn)發(fā)生在熔化材料的熔化室20和壓射缸所在的單獨(dú)真空室34的位置之間。澆鑄室34也保持為非反應(yīng)環(huán)境，最好是氣壓小于100μm的真空環(huán)境，更好是氣壓小于50μm的真空環(huán)境。熔化室20和澆鑄室34可能由一閥門或其他適用的部件(未示出)隔開，以減小在一個(gè)室暴露在大氣中例如在某室中加入一組分時(shí)真空的損失。雖然圖示實(shí)施例包括分開的熔化室和澆鑄室，但是在一個(gè)室中進(jìn)行熔化和澆鑄也是可能的。為了減小某一特定部件必須暴露在大氣中如維修熔化部件壓射缸或移走鑄件時(shí)真空環(huán)境的損失，我們最好采用單獨(dú)的真空室。
壓射缸30一般是用硬化的H13工具鋼制成的。我們已經(jīng)測定上述壓射缸熱變形問題能夠消除，使得這樣的壓鑄機(jī)可以用于鑄造熔點(diǎn)超過2000°F(1093℃)甚至3000°F(1649℃)的材料。此應(yīng)用很大程度上取決于內(nèi)外半徑之間的關(guān)系。如圖4所示，當(dāng)壓射缸是圓柱形時(shí)，例如冷卻時(shí)，壓射缸具有一內(nèi)半徑Ri和一外半徑Ro。如圖中虛線所示，當(dāng)熔融材料澆注到壓射缸較低的部分時(shí)，較低部分相對(duì)于上部膨脹和變形，或基本上使壓射缸成“橢圓形”。形成的橢圓(非圓形)形狀一般可以分別用長軸Ma和短軸Mm表示。壓射缸的過度橢圓化和壓射缸縱向的變形(在圖2中虛線所示)是使得這樣的裝置以前不能用于壓鑄高熔點(diǎn)材料的主要原因。下面將論述能進(jìn)行這樣壓鑄的壓射缸的參數(shù)和設(shè)計(jì)。
壓射缸最好這樣選擇，使其容積至少大于鑄模型腔體積(包括額外的容積，例如與鑄件相連的澆道和金屬塊)的兩倍，最好至少三倍。對(duì)于要注入的給定材料體積，使用具有較小內(nèi)(和外)半徑的壓射缸，需要使用較長的活塞行程(并因此用較長的注入時(shí)間)，因?yàn)閷?duì)于氣缸來說，其容積一般與活塞行程/長度有關(guān)，且容積＝π×Ri2×行程/長度。最好壓射缸內(nèi)徑與外徑的比率(Ro/Ri)至少約為1.3，更好約為1.5。我們已經(jīng)測定，這樣的組合可提供足夠的熔融材料體積，特別是當(dāng)壓射缸僅部分充滿熔融材料時(shí)，而且可充分減小壓射缸熱變形的趨勢(圖2中虛線所示)-沿長度方向呈弓形而在截面上呈橢圓形(圖4)，因此可避免壓鑄機(jī)的堵塞。令人驚奇的是，能使此壓鑄機(jī)用于壓鑄高熔點(diǎn)材料如超耐熱合金和鈦合金的上述組合，在降低成本上很重要。在使用鈦的澆鑄重量大約為7磅(3.2kg)的原型壓鑄機(jī)上的研究工作顯示，最佳內(nèi)半徑至少為1.5英寸(38mm)、最佳外半徑至少為2.25英寸(57mm)。雖然上述壓射缸尺寸對(duì)可估算的熔融材料重量來說是優(yōu)選的，但是對(duì)于壓射缸半徑的臨界比率和對(duì)于一個(gè)較寬范圍的熔化和澆鑄重量，可以概括為壓射缸幾何形狀。雖然可以使用較小的壓射缸尺寸，如內(nèi)直徑小于1.5英寸(38mm)，但是為避免結(jié)殼，特別是在熔融材料是鈦的情況下，壓射缸的充滿程度必須保持在大約50％以下。如果所示壓射缸30是非加熱的，但是，為了維持壓射缸在一些要求如減小溫度方面的目的，壓射缸可以連接有加熱部件(未示出)以減小當(dāng)熔融材料注入壓射缸時(shí)所引起的熱沖擊或壓射缸的熱平衡。相反地，可以冷卻壓射缸以移走熱量并保持較低的溫度。在某些例子中，可以使用雙重材料壓射缸或復(fù)合壓射缸以保持熱平衡。
如上所述，熔融材料從坩鍋24中通過澆口35轉(zhuǎn)運(yùn)到壓射缸30中。壓射缸30與多部件、可重復(fù)使用的模具36連接，該模具限定了一模具型腔38。將足夠量的熔融材料澆鑄到壓射缸中以充滿模具型腔，模具型腔可以包括一部分或多于一部分。我們已經(jīng)成功地在一次壓鑄中鑄造了多達(dá)12部分，如用一有12個(gè)型腔的模具。
圖示模具36包括兩個(gè)部件36a、36b(但也可包括多部件)，例如在形成壓縮機(jī)葉片或燃?xì)廨啓C(jī)葉片時(shí)，它們共同合作形成了模具型腔38。模具36也最好與真空源直接相連，且也通過壓射缸與真空源相連，以使模具在熔融材料注入之前抽真空。模具也可以位于真空室內(nèi)。模具的兩部分36a、36b的一部分一般是固定的，而另一部分可相對(duì)于那部分移動(dòng)，例如通過一液壓機(jī)構(gòu)(未示出)移動(dòng)。模具最好包括推頂銷(未示出)以便于將凝固的材料從模具中推出。模具也可包括一用于當(dāng)材料還熱時(shí)從模具中移走鑄件的脫模機(jī)構(gòu)(未示出)，以進(jìn)一步減小模具上的熱負(fù)荷及減小鑄件的凝固收縮應(yīng)力。
模具可以用各種材料構(gòu)成，它應(yīng)該有良好的熱傳導(dǎo)率(能使熔融材料快速凝固并得到細(xì)的晶粒)，能抵抗來自熔融材料注入時(shí)的腐蝕和化學(xué)沖擊。一個(gè)可能的材料的全面清單將是很大的，包括的材料有金屬、陶瓷、石墨、陶瓷基復(fù)合材料和金屬基復(fù)合材料。對(duì)于模具材料，我們已成功采用工具鋼如H13和V57、鉬和鎢基材料如TZM和Anviloy、銅基材料如高硬度的銅鈹合金“Moldmax”、鈷基合金如F75和L605、鎳-鐵基合金如IN100和Rene95、鐵基超耐熱合金如IN718及低碳鋼如1018和1030。模具材料的選擇對(duì)于生產(chǎn)壓鑄件的經(jīng)濟(jì)性很關(guān)鍵，并取決于所鑄鑄件的復(fù)雜性和數(shù)量，也取決于組件的現(xiàn)行成本。
每種模具材料具有這樣的特性，即，使之適合于不同的應(yīng)用。對(duì)于低成本模具材料，由于容易進(jìn)行機(jī)加工和制造模具，我們優(yōu)選低碳鋼和銅鈹合金。對(duì)于較高成本和較高容積應(yīng)用來說，由于其在較高溫度下具有良好的強(qiáng)度，優(yōu)選難熔金屬如鎢和鉬基材料。鈷基和鎳基合金和高合金工具鋼在這兩組材料之間提供了一個(gè)折衷方案。也可以采用利用涂層和表面處理來增強(qiáng)裝置的性能和成品的質(zhì)量。在操作期間，模具也可以連接到一冷卻液源例如水，或加熱源例如油(未示出)上，以控制模具的溫度。另外，也可將模具潤滑劑施加到模具的一個(gè)或多個(gè)選定的部件上和壓鑄裝置上。任何潤滑劑一般應(yīng)能改善所得壓鑄件成品的質(zhì)量，更具體來說應(yīng)能抵抗熱損壞，使之不要污染所要注入的材料。
將熔融金屬從坩鍋24轉(zhuǎn)運(yùn)到壓射缸30中。將足夠數(shù)量的熔融金屬注入壓射缸中以便僅部分充滿壓射缸，但隨后充滿模具。如前所述和如圖4所示，壓射缸的填充量優(yōu)選小于50％(用虛線50表示)，最好是小于40％(用虛線52表示)，更好是小于30％-33％(用點(diǎn)劃線54表示)。在一些例子中，如材料為IN718時(shí)，完全充滿壓射缸也是可接受的。
注入部件如活塞40與壓射缸30合作，液壓或其它合適部件(未示出)在箭頭42的方向上驅(qū)動(dòng)活塞，使活塞在實(shí)線所示位置和虛線所示位置40′之間移動(dòng)，從而將熔融材料從壓射缸30中注入型腔38中。在實(shí)線所示位置，活塞和壓射缸共同限定了一個(gè)容積，如上所述，該容積基本上大于要注入的熔融材料的體積量。因?yàn)閴荷涓變H局部充滿，所以凝固在壓射缸上的任何材料或外殼僅形成一個(gè)部分圓筒，如一開放的弓形表面，它在金屬注入期間易于剝落或破碎，再進(jìn)入到熔融材料中。對(duì)于一些材料，其凝固范圍足夠大，因此其外殼的形成減小，可能較全部充滿壓射缸。
現(xiàn)在參考圖5和圖6，我們已經(jīng)測定外半徑和內(nèi)半徑之間的關(guān)系，半徑本身是能使傳統(tǒng)冷室壓鑄機(jī)可以用于生產(chǎn)高熔點(diǎn)材料鑄件的關(guān)鍵。圖5和圖6是基于3100°F(1704℃)的熔融材料和壓射缸充滿25％的情況而做出的。圖5表示外半徑和內(nèi)半徑(Ro/Ri)與壓射缸沿長度方向變形趨勢之間的關(guān)系，是指上述縱向變形或“香蕉形化”(見圖2中用虛線所示部分)。通常，較少的縱向變形或香蕉形化對(duì)應(yīng)于減小的堵塞可能性。當(dāng)外半徑和內(nèi)半徑的比率接近1.0時(shí)，如壓射缸有一個(gè)較薄的壁，部分充滿的壓射缸的變形明顯增加。當(dāng)比率超過2.0時(shí)，變形趨向于相對(duì)小一些，其數(shù)量級(jí)小于0.005英寸(0.127mm)。如果此變形太大，我們認(rèn)為所發(fā)生的變形大于0.005英寸(0.127mm)(對(duì)于12英寸(305mm)的壓射缸來說)，那么將由于活塞的損壞而使活塞堵塞在壓射缸中，從而致使壓鑄機(jī)不工作。
如圖5和圖6所示，對(duì)于具有約1英寸(25mm)內(nèi)半徑的壓射缸來說，我們推薦外半徑與內(nèi)半徑的比率至少為1.3，外半徑至少約1.3英寸(33mm)。對(duì)于具有約1.5英寸(38mm)內(nèi)半徑的壓射缸來說，我們推薦外半徑與內(nèi)半徑的比率至少為1.3，最好為1.5，外半徑至少為2.25英寸(57mm)。對(duì)于具有約2英寸(51mm)內(nèi)半徑的壓射缸來說，我們推薦外半徑與內(nèi)半徑的比率至少為1.7，外半徑至少為3.4英寸(86mm)。雖然使用小的內(nèi)半徑(小于1英寸(25mm))的壓射缸將導(dǎo)致對(duì)壓射缸更多的變形阻抗，但是為了減小壓射缸“結(jié)殼”(canning)，使用的這些較小壓射缸必須與控制壓射缸充滿程度的要求相適應(yīng)。因而，我們推薦外半徑與內(nèi)半徑的比率位于每個(gè)曲線“拐點(diǎn)”的右邊。
圖6表示當(dāng)壓射缸部分充滿熔融材料時(shí)，外半徑和內(nèi)半徑(Ro/Ri)與壓射缸橢圓化趨勢之間的關(guān)系，例如，當(dāng)壓射缸部分充滿和熔融材料沿壓射缸的較低部分停留時(shí)，壓射缸圓柱形截面有變成非圓或橢圓的趨勢。當(dāng)外半徑和內(nèi)半徑比率接近1.0時(shí)，由于部分充滿熔融材料(小于50％)，壓射缸的變形或橢圓化明顯增加。當(dāng)比率超過2.0時(shí)，變形趨向于相對(duì)小一些，其數(shù)量級(jí)小于1.5％，這大約在每條曲線的拐點(diǎn)位置。當(dāng)熔融材料充滿壓射缸的較低部分，較低部分的膨脹超過上面的部分，使壓射缸橢圓化，該橢圓一般可用具有一比原始尺寸(半徑)稍大的長軸和一比原始尺寸(半徑)稍小的短軸來表示。如果此橢圓化太大，也就是，短軸變得較小于活塞的半徑，圓柱形活塞將在橢圓形壓射缸內(nèi)卡住，或熔融材料從活塞和壓射缸之間通過(“泄漏”)，從而導(dǎo)致壓鑄機(jī)不能工作。因此，我們推薦，外半徑與內(nèi)半徑的比率應(yīng)位于每條曲線“拐點(diǎn)”的右邊。對(duì)于具有約1英寸(25mm)內(nèi)半徑的壓射缸來說，我們推薦外半徑與內(nèi)半徑的比率至少為1.3，外半徑至少為1.3英寸(33mm)。對(duì)于具有約1.5英寸(38mm)內(nèi)半徑的壓射缸來說，我們推薦外半徑與內(nèi)半徑的比率至少為1.3，最好為1.5，外半徑至少為2.25英寸(57mm)。對(duì)于具有約2英寸(51mm)內(nèi)半徑的壓射來說，我們推薦外半徑與內(nèi)半徑的比率至少為1.5，外半徑至少為3英寸(76mm)。
壓射缸應(yīng)能承受縱向變形和橫向橢圓化。另外，壓射缸應(yīng)該具有一定的容積，該容積足以接收熔融材料，充滿程度(最好)小于33％，并且活塞的行程不能太長(注入將花費(fèi)太長的時(shí)間，壓射缸中的熔融材料將會(huì)凝固)。因此，對(duì)于如刀片和葉片的壓鑄件(如，Ti6-4材料的裝料量約7磅(3.2kg))，我們采取一種折衷方案，使用的壓射缸內(nèi)半徑為1.5英寸(38mm)，外徑與內(nèi)徑的比率約為1.5。
根據(jù)本發(fā)明的壓鑄裝置具有很大的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明可以使用“冷室”壓鑄機(jī)來生產(chǎn)高熔點(diǎn)材料的鑄件，如Tm超過2000°F(1093℃)甚至超過3000°F(1649℃)。本發(fā)明可以壓鑄這樣材料的鑄件。而且可以在一次鑄造中生產(chǎn)多個(gè)鑄件，從而減小每個(gè)鑄件的生產(chǎn)成本。
雖然上面相當(dāng)詳細(xì)地描述了本發(fā)明，但是在不脫離本發(fā)明精神或下面權(quán)利要求的范圍下，可以做出多種變化和替換。因此，應(yīng)該理解的是，上述對(duì)本發(fā)明的描述是對(duì)本發(fā)明的說明而非限定。
權(quán)利要求
1.一種用于生產(chǎn)材料熔點(diǎn)超過2000°F的鑄件的壓鑄裝置，該裝置包括一熔化部件(24)，用于熔化至少一個(gè)批次的裝料量；一多部件、限定模具型腔的模具(36)；一通常為圓柱形的壓射缸(30)，該壓射缸(30)與模具(36)流體連通，并用于接受來自熔化部件(24)的熔融材料，壓射缸具有外半徑(Ro)和內(nèi)半徑(Ri)；及一活塞部件(40)，該活塞部件密封壓射缸并沿活塞行程與壓射缸(30)可移動(dòng)結(jié)合，用于將壓射缸(30)中的材料壓入模具型腔(38)；其中對(duì)于給定壓射缸內(nèi)半徑Ri，選擇外半徑與內(nèi)半徑的比率(Ro/Ri)，以便當(dāng)熔融材料注入壓射缸時(shí)使壓射缸(30)的熱變形最小。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中熱變形包括氣缸沿長度方向的撓曲和壓射缸圓柱橫截面的變形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其中還包括用于給熔化部件(24)、模具(36)和壓射缸(30)提供減壓環(huán)境的部件(22)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其中減壓部件分別對(duì)熔化部件(24)、模具(36)和壓射缸(30)提供減壓環(huán)境。
5.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的裝置，其中材料的熔點(diǎn)超過3000°F。
6.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的裝置，其中內(nèi)半徑(Ri)至少為1英寸(25mm)。
7.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的裝置，其中比率(Ro/Ri)至少為1.25。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述比率(Ro/Ri)至少為1.5。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其中內(nèi)半徑(Ri)至少約為1.5英寸(38mm)。
10.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的裝置，其中所述模具(36)是由從低碳鋼、銅鈹合金、鎢基合金、鈷基合金和鉬基合金組中選擇的材料制成的。
11.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的裝置，其中所述壓射缸(30)是用H13工具鋼制成的。
12.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的裝置，其中所述模具(30)限定了一模具型腔容積(38)，壓射缸(30)限定的容積至少為模具型腔(36)容積的兩倍。
13.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的裝置，其中還包括一用于控制壓射缸溫度的部件。
14.一種用于壓鑄裝置的一般為圓柱形的壓射缸(30)，壓射缸(30)具有至少25mm的內(nèi)半徑Ri，外半徑Ro與內(nèi)半徑Ri的比率至少為1.3。
15.一種用具有一圓柱形壓射缸(30)的裝置壓鑄高熔點(diǎn)材料的方法，該壓射缸具有一內(nèi)半徑(Ri)和一外半徑(Ro)，其中，選擇半徑(Ro和Ri)和Ro/Ri比率，使得壓射缸(30)的縱向變形保持低于0.005英寸(0.13mm)和/或壓射缸(30)的橢圓化保持低于1.5％。
全文摘要
一種用于生產(chǎn)如超耐熱合金和鈦基合金熔點(diǎn)超過2000°F材料的鑄件的壓鑄裝置,包括一用于熔化至少一個(gè)批次裝料量的熔化部件,和一多部件、限定模具型腔的模具。一通常為圓柱形的壓射缸與模具連通,并接收來自熔化部件的熔融材料。壓射缸具有外半徑Ro和內(nèi)半徑Ri。該裝置還包括一活塞,該活塞密封壓射缸并與壓射缸可移動(dòng)結(jié)合?；钊苿?dòng)將壓射缸中的材料壓入模具型腔。選擇半徑Ri,Ro和外半徑與內(nèi)半徑的比率Ro/Ri,以減小壓射缸的熱變形。
文檔編號(hào)B22D17/20GK1260254SQ99127818
公開日2000年7月19日 申請日期1999年12月23日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月23日
發(fā)明者約翰·J·希拉, 戴維·W·安德森, 小約翰·J·馬辛, 埃伯哈特·普里維澤, 杰弗里·W·塞繆爾森, 約翰·S·圖 申請人:聯(lián)合工藝公司