专利名称：用于铸造半固态金属合金的方法
技术领域：
本发明涉及工业金属成型，更具体地说涉及用于由非枝晶半固态金属浆液形成金属部件的方法。
背景技术：
众所公知，当将熔融金属合金转移到模具中以形成部件时，该金属经受从液态到固态的相变。金属密度在该相变过程中变化，从而导致体积变化。对于大多数金属而言，密度在凝固期间增大，从而导致体积减小。在铸造中，这种体积减小产生出被称为收缩的铸造缺陷。将铸模设计成该部件按照定向的方式凝固，这使得熔融金属能够填充到由于体积减小而产生出的孔隙中。这个补偿收缩的步骤被称为“补缩”。
熔融金属即使在开始凝固之后也将继续流动。在正常凝固条件下，固相将具有被称为枝晶的形态。枝晶意味着该固相具有树枝状结构，并且固体的分支和侧臂伸入到液体中。枝晶具有较大的表面积-体积比。随着金属凝固，枝晶在合金中占据更大的体积百分比，并且在一些点处，这些枝晶形成了阻碍部分固化的合金流动的网络。在这种情况下，部分固化的合金不能补偿收缩。在金属停止流动并且适应收缩时存在于合金中的固体的量被称为凝聚部分固体(coherency fractionsolid)。该凝聚部分固体将在根据凝固合金的形态改变部分固体时出现。该凝聚部分固体相对较少，通常大约为0.20部分固体；因此，通常的铸造过程采用了过热例如高于液相线温度100℃的熔融合金。这个额外热量使得合金能够更长时间保持熔融以允许补偿收缩。用来将合金加热至更高温度的能量，由于必须在零件成型期间通过铸造过程去除额外热量而导致相关的循环时间增加，并且模具寿命由于在工具上的热冲击增大而减小。
现有的半固态铸造过程依靠对固相形态的控制，使得固相具有球形、类球状或椭圆状形状。具体地说，已经发现通过用非枝晶半固态金属浆液铸造或以其它方式成型金属，能够实现各种加工和物理性能优点。因为防止了形成枝晶网络，所以这使得固相在其凝固时更容易运动。在半固态浆液中的非枝晶金属颗粒与包含有枝晶颗粒的半固态金属合金组分相比对于给定的固态比例而言具有实质降低的粘性。粘性的差异往往为几个数量级。收缩补偿更容易适应球状非枝晶形态。迄今为止，大部数半固态方法使用了高压注入系统以强迫半固态合金进入相关的模具中。
在将熔融合金保持在正好为液相线温度或稍高的温度处时，随着将金属转移到模具，在熔融物内形成固体颗粒的大量成核。所得到的固体颗粒非常小并且细微地分散，从而随着金属在模具中凝固，该金属由于枝晶通常更圆所以继续流动并且补缩。通过该过程增强了收缩补偿。
采用这种方法存在一些缺陷。例如，由于炉子温度波动，所以从工业角度看将熔融合金保持在正好高于液相线的温度是一个挑战。炉子通常通过中央进料系统或从熔池定义充满熔融金属。将该熔融合金过加热至高于液相线温度，以防止金属在金属转移系统中开始凝固。在将新的金属加入到保持炉时，所得到的金属温度通常高于液相线温度，从而不可能利用上述方法。另外，固体颗粒非常小并且分散在液体内，但是它们的形状仍然是枝晶状。从细小枝晶形成圆形颗粒需要时间让这些颗粒的表面积减小。由低温浇铸产生出的细小枝晶与液态铸造方法相比增强了补缩，但是在现有的方法中没有完全实现采用球状颗粒可能实现的优点。
更近一些的方法已经采用已经用“晶粒细化剂”改进的熔融金属。将晶粒细化剂加入到熔融金属中以促进固相的大量成核，从而形态在短时间内变为非枝晶状和球状。让枝晶粗化为圆形颗粒所需的时间使得在工业过程中难以使用晶粒细化剂。在工业过程中，熔体需要冷却并且保持在让这些固态颗粒能够粗化成圆形颗粒的温度。
固体比高于大约0.4的非枝晶半固态浆液、即高比例固体浆液，由于该浆液的随剪切变化的粘性的缘故，在非剪切状态中具有类固体性能(例如，该浆液能够在有限的时间内支撑其自身的重量)。通过用足以产生出足够剪切力以降低浆液粘性并且能够填充型腔的注入力通过高压铸机将浆液注入到模具中。通常，高压主机采用了大于1000psi的力，并且至少大于500psi。因为需要剪切力来启动流动，所以已经采用高压注入式铸机(注射模铸、模铸、或压铸机)来铸造具有其固体比例高于大约0.4的半固态浆液。
固体比例较低(大约小于0.20)的半固态浆液没有足够的粘度或强度来支撑其自身的重量，迄今为止，由于许多原因低固体比例浆液至今都没有广泛用在高压工业铸造中。首先，人们认为，将低固体比例浆液转移到相对较冷的容器(例如，模具或冷腔室)中会使浆液的微观结构返回到枝晶状态。浆液流进模具因此会在比高固体比例浆液低得多的固体比例下停止。第二，低固体比例浆液比高固体比例浆液具有更多的热，因此不能实现使用半固态优于液态铸造的全部好处。最后，现有的半固态方法没有设计成形成适用于铸造的低固体比例浆液。设备被设计成处理更类似固体的材料，而不是更低粘度的低固体比例浆液。
在低比例半固态浆液方面的最近工作已经显示出该浆液在高压模铸期间在整个模具填充过程中保持基本上非枝晶。高压模铸机目前铸造低固体比例浆液并且实现了许多半固态加工的好处，例如循环时间减少、模具寿命提高并且铸造机械性能增强。另外，铸造设备使用高固体比例浆液的主要挑战不再存在。
许多现有的液态合金(即，没有固体)铸造方法没有采用高压注入。这些低压过程包括砂型铸造、重力或低压永久模具、熔模铸造和消失模铸造(lost foam casting)。这些方法分别相对于高压铸造方法而言在生产某些逐渐方面具有特殊的优点。用砂型铸造和消失模铸造方法可以生产出复杂形状，因为与这些方法相关联的模具在几何形状方面没有限制。模具制造成本更低并且使得小体积部件的铸造更加经济。铸造设备与高压铸造方法相比更不昂贵。当前用这些方法生产出的汽车零件包括闭舱式内燃机、进气歧管、活塞和车轮。在这些方法中，熔融金属填充速度比高压铸造方法慢得多。因此，为了能够填充整个模具，铸造部件的壁厚通常比相当的高压铸件更厚，以确保该合金在流进壁中之前不会固化。但是，低压模铸技术存在一些缺点。例如，从熔融金属去除热量所需的时间相应地比高压方法中更长。
使用低压方法来生产铸件已经受到限制，因为周期相对较长，尤其是相对于高压铸造方法“保压时间”较长。
低压铸造方法的另一个问题是与高压铸件相比这些铸件的机械强度更低。给定合金的机械强度与固化铸件的晶粒尺寸成反比。晶粒尺寸与在铸件内的金属冷却速度直接相关。
发明内容
本发明的一个方面在于一种形成金属零件的方法。该方法包括加热金属合金以形成基本上没有金属固体的液体。将该液体冷却以形成固体重量百分比在大约1％至大约30％的范围中的半固态金属合金浆液，并且其中该浆液基本上没有枝晶固体。在低压下将该半固态金属合金浆液转移到模具中，并且该金属合金浆液将用来铸造基本上为固体的零件。
本发明的另一个方面是一种铸造金属零件的方法。该方法包括形成包含球状固体的半固态金属合金浆液。该半固态金属合金浆液基本上没有枝晶固体。将该金属合金浆液转移到具有与型腔连接的浇口和浇道的模具中，并且该金属合金浆液穿过浇口和浇道流进型腔中。该金属合金在型腔中冷却以使金属合金基本上固化并且形成零件。在金属合金的冷却期间，在大约每平方英寸100磅或更小的压力下在型腔中对金属合金加压。
本发明的另一个方面在于一种制作铸造金属零件的系统。该系统包括具有适用于保存液态金属合金的加热容器的炉子。该系统还包括半固态浆液生产设备，该设备具有可动搅拌构件，它构成用来搅拌金属合金以生产出非枝晶固体的重量百分比为大约1％至大约20％的半固态金属合金浆液。该系统还包括具有型腔以及与该型腔连接的进入浇道和通气孔的模具。金属转送装置将半固态金属合金浆液从半固态浆液生产设备中转移给模具。
本领域普通技术人员通过参考下面的说明书、权利要求书和附图将进一步理解和了解本发明的这些和其它特征、优点和目的。
图1为根据本发明一个方面用于制作铸造金属零件的系统的示意性顶部平面图；并且图2为图1的系统的模具的局部示意图。
具体实施例方式
为了在这里的说明，术语“上”、“下”、“右”、“左”、“后”、“前”、“垂直”、“水平”以及其派生出来的术语应该涉及如在图1和2中取向的本发明。但是，要理解的是，本发明可以采取各种可选取向和步骤顺序，除了明确相反规定之外。还要理解的是，在这些附图中所示并且在下面说明书中所述的具体装置和过程仅仅为在所述权利要求中限定的本发明构思的示例性实施方案。因此，与在这里所披露的实施方案相关的具体尺寸和其它物理特征不应该被认为是进行限定，除了权利要求另外明确指出。
非枝晶半固态成型的益处包括更高速度的零件成型、高速连铸、更低的模具磨蚀、更低的能耗、更好的模具填充、氧化物减少从而改善了最终金属部件的可机加工性，并且更少的气体夹杂从而减小了孔隙率。用半固态浆液铸造或以其它方式形成金属部件的其它优点包括在金属部件的成型期间收缩更小，即近终形铸造，在所形成的金属部件终的孔隙更少并且孔隙率更低，更少的宏观偏析，对热撕裂的敏感度更小，并且机械性能(例如，强度)更加均匀。在铸造或其它成型技术期间还可以采用非枝晶半固态合金组分来形成更加复杂的零件。例如，可以形成具有更薄的壁并且强度性能提高的零件。
本发明提供了一种将低百分比固体浆液用在非高压压铸过程中的改进方法。更具体地说，本发明提供了一种将低百分比固体浆液用于非高压铸造过程中的方法，这导致过程周期时间降低大约50％。还有，在低压铸造过程中的半固态浆液的热量降低，这减小了晶粒尺寸并且改善了铸件的机械性能。
如在这里所用的一样，低百分比固体浆液指的是其非枝晶固体的重量百分比足够低的半固态浆液，从而该半固态浆液容易在剪切应力较小或者没有施加剪切应力的情况下按照粘性的方式流动。相反，高百分比固体浆液需要有限制施加剪切应力以启动粘性流。随着时间流逝，高百分比固体浆液将在没有施加剪切应力的情况下流动(即，由于其自身的重量的原因)；但是需要相对较长的持续时间来实现粘性流，并且在长持续时间之后实现的粘性流量可以忽略不计。另外，实现粘性流所需的长持续时间比在工业金属铸造和成型过程中所期望的周期时间明显更大。如将在下面更详细地说明的一样，低百分比固体浆液可以在适用于工业金属铸造和成型过程的持续时间中并且在没有施加任何剪切应力的情况下实现粘性流，并且可以通过施加较低压力来增强该粘性流。非枝晶固体的适当重量百分比将取决于这些变量例如合金组分、模具结构和其它这些工艺变量。一般来说，非枝晶固体的优选重量百分比将在大约1至20的范围中，并且更优选在大约5至15的范围内。但是，在一些用途中可以采用达到30％或35％的更高一些的固体重量百分比。在由共同发明人Raul A.Martinez-Ayers于2004年9月发表的“Formation and Processing of RheocastMicrostructures”，RhD Thesis，Massachusetts Institute of Technology中给出了形成和加工流变铸造结构的说明，其全部内容被引用作为参考。在低百分比固体浆液中的固体的重量百分比足以允许利用非高压压铸方法(低压铸造方法)进行铸造，它利用了比模铸等明显更低的压力。
低压铸造方法的例子包括砂型铸造、重力或低压永久模具、熔模铸造和消失模铸造。但是，对于特定用途而言也可以采用其它低压方法。这些低压铸造方法通常采用了在大气压至大约每平方英寸100磅(psi)的范围中的压力，但是根据特定用途的需求可以采用高至500psi的压力，或者低至0.1psi的压力。
根据本发明一个方面的方法将低百分比固体浆液用于低压压铸过程。图1为根据本发明另一个方面的铸造系统1的局部示意性平面图。炉子2保存有处于高于其液相线温度的温度下的熔融金属合金4。炉子2为商业上可获得的装置，它包括形成了提供了通向熔融金属合金4的通道的下沉井的容器5。机器人10或其它商业上可获得的转送装置包括可动容器11等，用于将熔融金属合金4从炉子2转移到半固态浆液生产设备3。已经开发出各种浆液生产设备和方法。半固态浆液生产设备和方法的一个例子为在美国专利No.6645323中所披露的那种，其全部内容被引用作为参考。在半固态浆液生产设备3中搅拌和冷却该金属合金以生产具有接近球状结构的非枝晶固体的浆液。机器人10将浆液12转移到模具13。在将浆液12转移到模具13时，该浆液12的固体含量重量百分比优选为大约1％至大约20％，并且更优选为大约5％至大约10％。多个模具13可以安装在可旋转工作台14上以能够同时进行填充、冷却和将零件从模具13取出。虽然显示出四个模具13，但是要理解的是该工作台14可以包括任意数量的模具(例如，六个)。
该模具13包括低压模具，所述低压模具具有采用了压力低于500psi、更优选低于100psi、并且进一步优选低于14.7psi(大气压)的低压铸造方法。进一步参照图2，所示的示例性模具13包括浇注槽15、浇口16和铸口17，它们与型腔18流体连通。通气孔19也与型腔18流体连通。要理解的是，该模具13可以包括多个型腔、浇道或特定用途所需的其它特征。型腔18可以具有相对复杂的形状，它在铸件上形成最终或者接近最终的表面，从而使额外的机加工等最小化或消除。还有，如果特定用途所需的话，可以向型腔18施加真空以促进浆液12的流动，或者可以例如通过施加气动活塞在浇注槽15中向浆液12施加机械力。采用真空或机械力增大了在浇注槽侧和浆液12的通气孔侧之间的压力差，从而增大了浆液12的粘性流流速。
因为在浆液12中的固体重量百分比相对较低，所以在模具13中的浆液12必须以相对较慢的速度冷却以防止在浆液中形成枝晶固体颗粒。可允许的冷却速度取决于用于特定用途的合金。还有，该冷却速度将受到模具材料和所要铸造的零件的几何形状影响。例如，如果所要铸造的零件包括容易以较快的速度冷却的薄壁部分，则型腔18能够设计成提供开始填充有浆液的容器部分。在该容器中的浆液将以相对较慢的速度冷却，从而所形成的固体为非枝晶。在固体的百分比增加至允许更高的冷却速度的程度之后，可以将该浆液导入进模具的薄壁部分中。
本申请可以采用各种合适的铸造金属。例如，可以采用铝、镁、铜、锌和铁合金。
在前面的说明中，本领域普通技术人员很容易理解的是，在不脱离在这里所披露的构思的情况下可以对本发明做出许多变型。这些变型被认为包括在下面的权利要求中，除非这些权利要求通过其语言另外明确指出。
权利要求
1.一种形成金属零件的方法，该方法包括加热金属合金组分以形成基本上没有金属固体的液体；冷却该液体以形成半固态金属合金浆液，所述半固态金属合金浆液的固体重量百分比在大约1％至大约30％的范围内并且基本上没有枝晶固体；将半固态金属合金浆液转移到模具中；在大约每平方英寸100磅或更小的压力下冷却在模具中的半固态金属合金浆液，以铸造出基本上为固体的零件。
2.如权利要求1所述的方法，其中在大约每平方英寸15磅或更小的压力下铸造所述半固态金属合金浆液。
3.如权利要求1所述的方法，其中在大气压下铸造所述半固态金属合金浆液。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述基本上为固体的零件是采用砂型铸造方法铸造的。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述基本上为固体的零件是采用消失模铸造方法铸造的。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述半固态金属合金浆液的固体重量百分比为大约1％至大约20％。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述半固态金属合金浆液的固体重量百分比为大约5％至大约10％。
8.如权利要求1所述的方法，其中在半固态金属合金浆液中的固体包括基本上为球形的颗粒。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述金属合金包括铝。
10.如权利要求1所述的方法，其中所述金属合金包括钛合金。
11.一种铸造金属零件的方法，该方法包括形成半固态金属合金浆液，所述半固态金属合金浆液的固体重量百分比为大约30％或更小，所述半固态金属合金浆液基本上没有枝晶固体；将半固态金属合金浆液转移到具有型腔的模具中，从而该半固态金属合金浆液流进该型腔中；冷却在型腔中的半固态金属合金浆液，以使半固态金属合金浆液基本上固化并且形成零件；在金属合金冷却时，以低的压力对型腔中的半固态金属合金浆液加压。
12.如权利要求11所述的方法，其中在大约每平方英寸100磅或更小的压力下铸造所述半固态金属合金浆液。
13.如权利要求11所述的方法，其中所述半固态金属合金浆液包括球形固体。
14.如权利要求11所述的方法，其中所述模具还包括与型腔流体连通的浇口和浇道以及与浇口相连的向上打开的浇注槽；并且所述半固态金属合金浆液被浇入到浇注槽中。
15.如权利要求11所述的方法，其中所述半固态金属合金浆液包括铝。
16.如权利要求11所述的方法，其中所述模具包括砂型。
17.如权利要求11所述的方法，其中所述模具是通过用泥浆涂覆蜡材料来构成的。
18.如权利要求11所述的方法，其中向型腔施加真空，以将半固态金属合金浆液拉入型腔中。
19.一种制造铸造金属零件的系统，该系统包括炉子，所述炉子具有用于保存液态金属合金的加热容器；半固态浆液生产设备，用于生产基本上没有枝晶固体的低百分比固态半固态金属合金浆液；模具，所述模具具有用于在低压下接收半固态金属合金浆液的型腔；以及金属转移装置，适用于从半固态浆液生产设备将半固态金属合金浆液转移到所述模具中。
20.如权利要求19所述的系统，其中所述金属转移装置为机器人。
21.如权利要求19所述的系统，其中所述半固态浆液生产设备包括构成用来搅拌液态金属合金的搅拌构件。
22.如权利要求21所述的系统，其中所述搅拌构件是可转动的。
23.如权利要求20所述的系统，其中所述半固态金属合金浆液包括重量百分比为大约1％至大约20％的固体。
24.如权利要求20所述的系统，其中所述型腔在大约大气压下接收半固态金属合金浆液。
全文摘要
一种形成金属零件的方法，该方法包括加热金属合金组分以形成基本上没有金属固态的液体。将该液体冷却以形成具有低重量百分比的基本上非枝晶固体的半固态金属合金浆液。在低压下将该半固态金属合金浆液转移到模具中，并且冷却以铸造出基本上固体零件。
文档编号B22D17/00GK101065201SQ200480035784
公开日2007年10月31日 申请日期2004年12月6日 优先权日2003年12月4日
发明者J·A·尤尔科, M·C·弗莱明斯, R·A·马丁内斯, R·W·布劳尔 申请人:伊德拉王子公司