电磁搅拌砂型铸件的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种用于电磁搅拌砂型铸件的铸造系统、铸造模具和铸造方法。在实施例中，所述铸造模具包括模体，所述模体具有位于其中的空腔和将所述空腔与所述模体的外部流体连接的通道。所述通道允许将熔融金属引导到所述空腔中。所述模体进一步包括嵌入在所述模体的上砂箱中的至少一个感应线圈；和嵌入在所述模体的下砂箱中的至少一个感应线圈。所述感应线圈配置用于产生电磁场，所述电磁场用于当熔融金属铸件在所述模具内凝固时搅拌所述熔融金属铸件。
【专利说明】电磁搅拌砂型铸件
【技术领域】
[0001]本发明总体涉及金属铸件的电磁搅拌。更具体地，本发明涉及一种用于电磁搅拌砂型铸件的铸造系统、铸造模具和铸造方法。
【背景技术】
[0002]砂型铸造是指使用使用砂作为模具材料的金属铸造过程。例如粘土或树脂的粘结剂可与砂混合，并且可将所述混合物弄湿。这产生具有合适的强度和塑性以形成模具的骨料。砂材料围绕一个模样填充，并且随后移除所述模样，在模具中留下一个空腔。
[0003]在铸造过程中，熔融金属通过浇注系统注入模具空腔中，并且允许所述熔融金属在模具中凝固。对于大型金属铸件，例如像风力涡轮机的重量可能在4，500kg至5，OOOkg以上(约10，000磅至11，000磅)的钢部件，凝固过程可能花费几天至一周或更长的时间。在铸件冷却之后，所述铸件可从I吴具中振动出来。
[0004]与砂型铸造相关联的漫长的冷却时间存在若干挑战。钢和其他合金铸件在冷却过程中可能由于不同的反应而容易产生元素偏析。冷却花费的时间越长，即，循环时间越长，发生这种情况的风险就越大。元素偏析可在所得铸件中产生削弱结构的缺陷。当原料金属由于金属冷却并凝固而不可用于补偿收缩时，也可发生收缩缺陷。这些缺陷可自然地聚集在铸件的热中心，从而可不成比例地削弱所得铸件的那个区域。
【发明内容】
[0005]本发明的第一方面提供一种模具，所述模具包括其中具有空腔的模体；所述模体进一步包括:将所述空腔与所述模具的外部流体连接的通道，其中所述通道允许将熔融金属引入所述空腔中；以及嵌入在所述模具的上砂箱(cope)或上型(top half)中的至少一个感应线圈和嵌入在所述模具的下砂箱或下型中的至少一个感应线圈。
[0006]本发明的第二方面提供一种铸造系统，所述铸造系统包括模体和引导到模具中的熔融金属。所述模体可包括:在所述模体中的空腔；将所述空腔与所述模体的外部流体连接的通道；以及嵌入在所述模体的上砂箱中的至少一个流体冷却感应线圈和嵌入在所述模体的下砂箱中的至少一个流体冷却感应线圈。所述至少一个流体冷却感应线圈可嵌入在模体的上砂箱中，并且所述至少一个流体冷却感应线圈可嵌入在模体的下砂箱中，以便产生用于在熔融金属凝固期间搅拌所述熔融金属的电磁场。
[0007]本发明的第三方面提供一种方法，所述方法包括:制备用于铸造的金属，所述制备包括将金属熔化；将熔融金属引导到模体内的空腔中；以及使用至少一个感应线圈，在熔融金属于模具中凝固期间将电磁场施加于所述熔融金属。
[0008]阅读以下详细说明可清楚地了解本发明的这些和其他方面、优势和显著特征，当与附图结合阅读时，以下说明用于公开本发明的实施例，在附图中，类似的部分用类似的参考符号表不。【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1示出根据本发明的实施例的电磁搅拌装置的示意图。
[0010]图2示出根据本发明的实施例的电磁搅拌装置的三维视图。
[0011]图3示出描绘根据本发明的实施例的过程的流程图。
【具体实施方式】
[0012]如上文所指出，本发明的各方面提供图1至图2中所示的一种用于生产金属铸件的铸造系统和模具结构以及图3中所示的一种铸造方法。
[0013]参照图1，铸造系统100包括模体110。在实施例中，模体110可由型砂制成，且可包括用作粘结剂的树脂。其他可能的粘结剂可包括粘土、油或硅酸钠等等粘结剂。模体110包括设置在其中的空腔120，所述空腔120可采取规则或不规则的形状，视所需铸件的三维形状而定。浇口(gating)或通道130将空腔120与模体110的外部140流体连接。通道130允许将熔融金属125引导到空腔120中。金属125可为任何金属，并且可特定地为合金，例如像钢、任何黑色金属或任何有色导电金属。
[0014]参照图2,至少一个感应线圈150可嵌入在模体110的上砂箱155中，且至少一个感应线圈160可嵌入在模体110的下砂箱165中。每个感应线圈150、160均围绕空腔120或其特征设置。所应用线圈150、160的数目可根据空腔120以及因此金属125的特定几何形状而改变。例如，如果空腔120和金属125具有需要特定性能的一个或多个特征，则感应线圈150、160可应用于每个特征。
[0015]感应线圈150、160进行流体冷却。在一些实施例中，流体可为水。更确切地，在一些实施例中，可使用去离子水。在其他实施例中，感应线圈150和160为低频感应线圈，在例如约20Hz至约IOkHz的频率下操作。感应线圈150、160可进一步具有在约5mm与约30mm之间的截面直径，并且可具有圆形或矩形的截面形状。在其他实施例中，感应线圈150、160由铜制成，并且涂覆有陶瓷，以便提供改良的耐热性。
[0016]返回参照图1,感应线圈150、160可用于产生电磁场170,所述电磁场170在金属125凝固时，搅拌空腔120中的金属125。由电磁场170对金属125的搅拌用于使铸造结构均匀化，并且因此使得金属125铸件中偏析的劣化影响最小化。电磁搅拌将任何收缩缺陷情况进一步分散在整个金属125铸件上，而不是允许它们聚集在金属125铸件的热中心。所得金属125铸件改进了对于残余元素的承受极限。此外，由于提高的冷却速率，金属125铸件可具有更精细的颗粒结构、减小的孔隙度百分比和改良的机械性能。更快的冷却还减少循环时间，从而提高过程效率。
[0017]参照图3，还提供一种铸造方法。在步骤SI中，将金属熔化并制备以用于铸造。所制备的金属可以是合金，例如像钢。在步骤S2中，将熔融金属引导到模具中的空腔中。在一个实施例中，模具可包括型砂。在步骤S3中，产生电磁场并且将所述电磁场施加于金属，当所述金属在模具中凝固时搅拌它。电磁场可通过至少一个感应线圈来产生。在一些实施例中,在模具的上砂箱和下砂箱中的每一个中均可存在至少一个感应线圈。在步骤S4中，金属在相当一部分上是通过流体流过感应线圈来冷却，所述感应线圈充当冷却元件。流体可以是水，或更确切地，去离子水。在步骤S5中，可将金属铸件从模具中移除。
[0018]以这种方式，可生产电磁搅拌砂型铸件。本说明书所使用的术语“第一”、“第二”等等不指示任何次序、数量或重要性，而是用来区分不同的元件，并且术语“一个”和“一种”在本说明书中不指示对数量的限制，而是指示存在至少一个所提及的项目。与数量结合使用的限定词“约”包括所述的值，并且具有上下文所指示的意义(例如，包括与特定数量的测量相关联的误差度)。另外，本说明书所使用的后缀“(S) ”旨在包括其限定的术语的单数和复数，由此可以包括该术语的一者或多者(例如，金属(metal (S))包括一种或多种金属)。本说明书中所述的范围包括范围边界，并且可独立组合(例如，范围“不超过约5，OOOkg,或更确切地，约4，500kg至约5，000kg”包括范围“约4，500kg至约5，000kg”的端点以及所有中间值，等等)。
[0019]尽管本说明书中描述了多个实施例，但从说明书中应了解，所属领域中的技术人员可以对其中的元件进行各种组合、变化或改进，这些组合、变化或改进在本发明的范围内。此外，可在不脱离本发明的基本范围的情况下做出许多修改，以使特殊情况或材料适用于本发明的教义。因此，意图的是，本发明并不限于作为预期用于实施本发明的最佳模式来公开的特定实施例，相反本发明将包括落入所附权利要求书范围内的所有实施例。
【权利要求】
1.一种模具，所述模具包括其中具有空腔的模体，所述模体进一步包括: 将所述空腔与所述模体的外部流体连接的通道，其中所述通道允许将熔融金属引导到所述空腔中； 嵌入在所述模体的上砂箱中的至少一个感应线圈；以及 嵌入在所述模体的下砂箱中的至少一个感应线圈。
2.如权利要求1所述的模具，其中所述模体进一步包括型砂。
3.如权利要求1所述的模具，其中所述金属进一步包括钢、黑色金属或有色导电金属中的一种。
4.如权利要求1所述的模具，其中嵌入在所述模体的所述上砂箱中的所述至少一个感应线圈和嵌入在所述模体的所述下砂箱中的所述至少一个感应线圈进行流体冷却。
5.如权利要求4所述的模具，其中所述冷却流体进一步包括去离子水。
6.如权利要求1所述的模具，其中嵌入在所述模体的所述上砂箱中的所述至少一个感应线圈和嵌入在所述模体的所述下砂箱中的所述至少一个感应线圈进一步包括铜，其中所述铜涂覆有陶瓷。
7.如权利要求1所述的模具，其中嵌入在所述模体的所述上砂箱中的所述至少一个感应线圈和嵌入在所述模体的所述下砂箱中的所述至少一个感应线圈以约20Hz与约IOkHz之间的频率工作。
8.如权利要求1所述的模具，其中嵌入在所述模体的所述上砂箱中的所述至少一个感应线圈和嵌入在所述模体的所述下砂箱中的所述至少一个感应线圈配置用于产生用于在所述熔融金属凝固期间搅拌所述熔融金属的电磁场。
9.如权利要求1所述的模具，其中嵌入在所述模体的所述上砂箱中的所述至少一个感应线圈和嵌入在所述模体的所述下砂箱中的所述至少一个感应线圈进一步包括圆形或矩形的截面形状和约5mm至约30mm的截面直径。
10.一种铸造系统，所述铸造系统包括: 模体，所述模体包括: 其中的空腔； 将所述空腔与所述模体的外部流体连接的通道，其中所述通道允许将熔融金属引导到所述空腔中；以及 嵌入在所述模体的上砂箱中的至少一个流体冷却感应线圈和嵌入在所述模体的下砂箱中的至少一个流体冷却感应线圈， 其中嵌入在所述模体的上砂箱中的所述至少一个流体冷却感应线圈和嵌入在所述模体的下砂箱中的所述至少一个流体冷却感应线圈配置用于产生用于在所述熔融金属凝固期间搅拌所述熔融金属的电磁场。
11.如权利要求10所述的铸造系统，其中所述模体进一步包括型砂。
12.如权利要求10所述的铸造系统，其中所述金属进一步包括钢、黑色金属或有色导电金属中的一种。
13.如权利要求10所述的铸造系统，其中嵌入在所述模体的所述上砂箱中的所述至少一个感应线圈和嵌入在所述模体的所述下砂箱中的所述至少一个感应线圈进一步包括铜，其中所述铜涂覆有陶瓷。
14.如权利要求10所述的铸造系统，其中所述冷却流体进一步包括去离子水。
15.如权利要求10所述的铸造系统，其中嵌入在所述模体的所述上砂箱中的所述至少一个感应线圈和嵌入在所述模体的所述下砂箱中的所述至少一个感应线圈以约20Hz与约IOkHz之间的频率工作。
16.如权利要求10所述的铸造系统，其中嵌入在所述模体的所述上砂箱中的所述至少一个感应线圈和嵌入在所述模体的所述下砂箱中的所述至少一个感应线圈进一步包括圆形或矩形的截面形状和约5mm至约30mm的截面直径。
17.—种方法,所述方法包括: 将金属熔化用于铸造； 将所述熔融金属引导到模体中的空腔中；以及 使用至少一个感应线圈，以在对所述模体中的所述熔融金属进行凝固期间将电磁场施加于所述熔融金属。
18.如权利要求17所述的方法，所述方法进一步包括冷却所述熔融金属，其中所述冷却包括使流体流过所述至少一个感应线圈，并且其中所述冷却流体进一步包括去离子水。
19.如权利要求17所述的方法，其中所述熔融金属进一步包括钢、黑色金属或有色导电金属中的一种。
20.如权利要求17所述的方法，其中所述模体进一步包括型砂。
【文档编号】B22D27/02GK103930224SQ201280055290
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2012年11月9日 优先权日:2011年11月10日
【发明者】朴埈永, J.R.帕罗利尼, J.C.谢菲尔 申请人:通用电气公司