制造用于在低至零度的过热温度下铸造的熔融金属的方法与流程

本发明涉及制造用于在低至零度的过热温度下铸造的熔融金属的方法。

背景技术：

在汽车产业、电气产业、农业或玩具产业中，若干组件如合金轮、电子外壳、方向盘或压缩机部件都通过高压模铸法、低压模铸法或重力铸造法大量生产。在这些批量生产铸造方法中，浇注并铸造温度基本上高于液相线温度的熔融金属合金。然后，该操作需要等铸件完全凝固后，将其从模型或模具中移出。为了加快凝固过程，常常对模具施加借助空气或水的内部冷却。在若干情况下，在将部件移出后，用含有脱模剂的冷却液喷射模具的表面。用内外冷却模具的方法使该工序的循环时间减至最小，这有助于提高生产率。

浇注温度与液相线温度或凝固温度之差被称为“过热温度”。在工业实践中，过热温度相当高，根据铸件的复杂度、尺寸和截面厚度，通常在80℃至高达200℃的范围内。在批量生产的铸造方法中的过热温度高的原因为，例如：(1)为了保证完全填充模腔；(2)为了避免熔炉或浇包中不均匀热损失造成该熔炉或浇包中金属堆积，从而造成模具填充问题和某些区域过早凝固，这样造成收缩孔；(3)为了允许有时间完全定向凝固，生产有少许或没有收缩孔的部件；以及(4)为了使夹带的气泡在因凝固被困住之前在熔体流动期间排出。

这些高过热铸造方法已被充分接受并在批量生产中广泛实施。然而，这些方法导致若干成本缺陷，包括：(1)循环时间长；(2)熔融和保持熔融金属的能量成本高；(3)冷却水的能量成本高；(4)因模具喷射造成的水处理成本高；(5)冷却剂和脱模剂成本高；以及(6)因收缩孔造成的废品率高。这些缺陷导致该方法效率低且生产成本增加。

为了解决这些问题，已经提出了若干涉及在半固体状态下铸造的发明，例如在US6640879、US6645323、US6681836和EP1981668中所公开的。半固体金属铸造涉及铸造其温度低于液相线或凝固温度且包含一小部分凝固的固体核的金属。预凝固固体核有助于减少湍流问题和收缩孔，结果形成高质量铸件。然而，由于半固体金属的铸造温度低且粘度高，因此在成功应用该方法之前需要修改铸造工艺和模具设计。在半固体金属铸造中，可能需要专门的金属传输装置以将半固体金属供应到压射室中，然后供应到模具中。还可能需要对模具设计进行修改以使半固体金属完全填充在模腔中。通常，流动距离越短，需要的闸门(gate)越厚。因此，在批量生产方法中应用半固体金属需要一些时间和投入。这些半固体铸造方法并不是充分成本有效的，因此它们尚未广泛用在铸造产业中。因此，本发明的目的是解决在高过热温度情况下的常规铸造和半固体金属铸造的缺点，以通过在低至零度的过热温度下铸造熔融金属来实现节省金属铸造产业中的成本，同时实现产量高。尽管在低至零度的过热温度情况下的铸造能够产生若干益处，但是目前的铸造方法不能在批量生产中简单地应用该技术。在没有对铸造方法做任何特殊修改的情况下难以浇注和铸造过热温度低至零度的熔体，因为难以将铸造熔炉或浇包中每个地方的熔体温度控制均匀。实际上，在铸造熔炉或浇包的壁、中心、顶部和底部的熔体温度并不相同。因此，在低过热温度的情况下，存在首先在温度最低的地方形成凝固的金属薄膜或薄层的高风险。这些大的薄层然后会随熔体流入模腔中，导致流动性低和收缩进料的问题。结果，该铸造方法造成缺陷和部件报废。来自熔炉或浇包的壁的凝固薄层还在批量生产中造成其他问题。如果不彻底除去，这些凝固薄层会在熔炉壁上堆积。这样，必须有用于除去它们的装置或方法，这就会增加生产成本。由于这些问题，如果不适当修改和控制工艺，那么铸造过热温度低的金属并不实际。因此，存在制备铸造前的过热温度低至零度的熔融金属的方法将是可取的。在本发明的某些方面，提供了实现这样的情况的方法。

技术实现要素：

本发明提供一种制造用于在低至零度的过热温度下铸造的熔融金属的方法。过热温度低至零度的熔体的所需状态是通过用排热装置在熔体容器内部搅动熔体实现的。熔融容器如熔炉或浇包被构造成产生的热损失率低于排热装置的热损失率。该方法包括将排热装置置于初始温度高于液相线温度的熔体中以除去可控量的热量的步骤。然后，对熔体施加剧烈对流以确保熔体几乎均匀地冷却至液相线温度或非常接近液相线温度。实现该对流的手段可以是通过鼓入惰性气体。将气体直接从排热装置注入到熔体中在确保熔体均匀冷却和避免固体堆积在排热装置上特别有利。也可以使用其他形式的搅动，如转动、搅拌或振动。也可以使用这些对流方式的组合。然后，在达到所需的熔体温度时，从熔体中快速将排热装置移除。最后，将熔体快速转移到模具中铸造成件，或快速转移到压射室中注入模腔中。

在本发明中，如果使部分熔体降至低于液相线温度，则在熔体中可产生一小部分细小的固体核。假如这些固体核保持小尺寸，熔体仍能很好地流入模腔中。当存在细小的固体核时，其赋予根据本专利的教导生产的部件其他优点：它们(1)提供异质成核位点，这有助于产生细晶粒结构；(2)减少收缩孔，这产生更小的铸件废品率；以及(3)略微增加熔体粘度，产生更少的流动相关缺陷。由于称为“熟化(ripening)”的现象，金属熔体中的小固体金属粒子在尺寸方面快速长大。因此，本专利的重要教导在于，要将存在的任何粒子保持为极小尺寸，本描述的方法必须快速实施。例如，充分理解的是，对于许多种金属合金熔体，极小的固态熔体粒子(粒子直径为10μm或更小)在20秒内生长至约40μm，且在60秒内生长至约70μm。因此，例如在本文描述的方法中，为了确保最大粒径为约70μm，有必要在小于60秒内进行从排热装置进入熔体中的步骤到熔体转移到模型或压射室中的步骤。

本发明在金属铸造产业中的益处包括：由于暴露于低温下使得模具寿命延长；节省熔融能量；节省模具冷却工艺的能量；节省冷却剂和脱模剂；由于使用较少模具喷射而节省水处理；循环时间减少，从而增加了生产率；因收缩减少和粘度增加而缺陷减少。

附图说明

图1是根据本发明的实施方式的设备的示意图。

图2是经快速冷却的过热温度接近于零度的熔体的光学显微照片，其显示出一小部分固体核精细分布在经快速凝固的熔体的基体中。

具体实施方式

本发明提供一种制造用于在低至零度的过热温度下铸造的熔融金属的方法。

本文使用的措辞“低至零度的过热温度”的意思是在熔体中至少有一部分的过热温度小于约5-10℃，优选小于5℃。在某些金属和合金中，过热温度可基本上为0，从而使得至少一部分熔体的温度为液相线温度或略低于液相线温度。

本发明的方法包括图1所示的4个步骤。

通过将排热装置1置于容纳在容器3内部的熔体2中开始步骤1，来自该容器的排热低。熔体初始温度高于液相线温度，优选比液相线温度高不超过80℃。

在步骤2中，对熔体施加剧烈对流，以确保熔体几乎均匀冷却至低过热温度。该对流可通过各种技术完成，例如注射通过排热装置分配的惰性气体并通过振动、通过搅拌、通过转动或通过它们的组合使熔体内部产生气泡。固体核4在熔体内逐渐形成。

在步骤3中，当达到所需的熔体温度时，从快速冷却的熔体5中快速移除排热装置，以基本上停止进一步冷却。在排热装置浸入期间的熔体冷却速率应该为大于10℃/min。

然后，在步骤4中，将经快速冷却的包含过热温度低至零度的一部分熔体的熔体5快速转移到第二容器6中，如用于将经快速冷却的熔体注入到模铸工序7中的模具中或重力铸造(未示出)中的模型中的压射室。第二容器6或用于铸造的模具(die)或模型(mold)需要处于低于熔体的温度，以稳定产生的固体核并允许其生长。

考虑到进入模腔所需的流动性能，从排热装置进入熔体到金属进入模型中的时间应小于约60秒，以保证固体核的尺寸细小。可加入清洁工序，以保证在每个工艺循环后没有固体粘附在排热装置上。

图2示出的是经快速冷却的处于低过热温度的铝熔体的微观结构。光学显微照片显示一小部分亮粒子均匀分散在基体中。这些亮粒子是在排热装置浸入期间(图1的步骤2)产生的固体核4。这些固体核4尺寸非常细小，直径大约小于100μm。为了产生大量这样的细小固体核，有必要在短时间内产生。因此，排热装置浸入时间应小于30秒，优选小于15秒。

以下两个实施例说明了本发明的两个实施方式。根据考虑文本公开的说明书或本发明的实施，本发明的其它实施方式对于本领域技术人员而言是显而易见的。

实施例1：铝合金的高压模铸

以下是对Al-Mg合金件的高压模铸工艺中铸造处于低过热温度且在熔体中包含一小部分细小固体核的熔融金属的描述及其益处。

在本实施例中，Al-Mg合金的液相线温度为约640℃。在目前的商业流体铸造工艺中，浇注到高压模铸机器的压射室中的合金的浇注温度为约740℃(过热温度为约100℃)。

将本发明应用于目前的商业生产工艺中，主要动机在于提高生产率，降低生产成本以及延长模具的寿命。在本实施例中，Al-Mg合金在处于约660℃的温度的浇包中用排热装置处理2秒。通过使细小的惰性气泡以2-10升/分钟的流动速率流过排热装置(如多孔排热装置)来实现剧烈对流。对于排热装置浸入熔融金属中的每次循环，排热装置的温度被控制为几乎相同，在50℃至150℃的范围内。在该处理后，将熔体温度降低至约645℃，其比液相线温度高约5摄氏度(过热温度为约5℃)，伴随的一小部分固体估计低于约3-5重量％。然后，在小于10秒内将熔体快速转移到压射室中，然后在小于3秒内注入模型中。从排热装置进入熔体到金属入模型中的总时间为约15秒。利用本发明进行的批量生产工艺的结果显示出若干预期的益处，包括将用于熔融铝的天然气的用量减少了约25％、模占用时间减少了40％、模喷射时间减少了40％，以及模具寿命延长超过2倍，并且铸件废品率从30％降低至5％。

实施例2：铝合金的重力模铸

以下是对Al-Si-Mg合金组件的重力模铸工艺中铸造处于低过热温度且熔体中包含一小部分细小固体核的熔融金属的描述及其益处。

在本实施例中，Al-Si-Mg合金被铸造成金属模具。该合金的液相线温度为约613℃。在每个铸造循环前将模具预热至约400℃。常规流体铸造工艺浇注约680℃(过热温度为约67℃)的熔融金属合金。在本发明的情况下，铸造温度被降低至约614℃，高于液相线温度约1℃(过热温度为约1℃)。在本实施例中，熔体在处于约630℃的温度的浇包中用排热装置处理约5秒。通过使细小的惰性气泡以2-10升/分钟的流动速率流过排热装置(如多孔排热装置)来实现剧烈对流。对于排热装置浸入熔融金属中的每次循环，排热装置的温度被控制为几乎相同，在50℃至150℃的范围内。然后，在小于12秒内将熔体快速转移并浇注到模型中。从排热装置进入熔体到金属进入模型中的总时间为约17秒。结果表明，本发明产生了更好的机械性能。过热温度为67℃的流体铸造工艺得到的最终拉伸强度为287MPa，伸长率为10.5％。根据本发明的铸造工艺得到的最终拉伸强度为289MPa，伸长率为11.2％。利用本发明的铸造工艺的生产率也更高了。这是因为模型中的熔体的凝固时间从过热温度高(为67℃)的常规流体铸造的133秒减少到了过热温度接近于零度的本发明铸造的46秒。这表明在生产过程中开模时间可减少约65％。

本发明的另一关键益处为节省了熔融能量。在本发明的情况下，炉的保持温度可降低约100℃。该降低能够显著节省能量并延长炉寿命。

以上描述被认为是仅对优选实施方式的描述。做出或利用本发明的本领域技术人员会修改本发明。因此，应理解的是，上述实施方式仅仅是出于示例性目的，而不旨在限制本发明的范围。本发明的范围由下面的权利要求按根据专利法的原则(包括等同原则)所解释的来限定。