铁金属铸件的制造方法与流程

铸造方法一般按照其制造形式来区分，在这里，尤其分为消失模铸造和永久模铸造，例如永久模铸造和压铸。根据本发明的方法融合了这两种铸造技术，做法是将具有用于容纳铸件的消失模装入敞开的分体式永久模中。消失模与永久模的这种组合原则上是已知的。例如参见出版物EP1131175B1和DE102010035440A1。

EP1131175B1关注在永久模中铸造铸铁的方法和装置，永久模的内壁接触由硬化的铸模材料构成的铸模或者湿型砂。在铸模被送入永久模之后，永久模的侧部件被闭合且借助压力机构承受可变的压紧力。永久模在熔体送入之后借助冷却机构被冷却。为此提出在整个冷却过程中控制冷却速度，直到珠光体转变结束，以保证铸件具有期望的机械性能。另外提出在珠光体转变过程中提高冷却速度，做法是打开该永久模，在这里，出现的空冷提高冷却速度并导致铸件具有更高强度。或者提出，当铸件温度处于奥氏体区时，通过打开永久模来降低冷却速度。为此，铸件应该紧接在打开之后被埋入绝热物质中或被其覆盖并被保持在此状态中，直到铸件温度下降至低于珠光体转变温度。DE102010035440A1提出，为了获得更好的铸件冷却可控性，在永久模与消失模(砂模)外壁之间设置至少一个冷却接介质通空间或者说绕砂模盘旋设置的冷却介质通道。

以下的发明利用了由消失模与包围消失模的永久模构成的这种或相似的装置。鉴于此，本发明的任务是更高效灵活地设计金属铸件制造方法。

该任务将通过一种具有权利要求1的特征的铁金属铸件的制造方法来完成。该方法具有以下步骤：

-将具有用于容纳铸造材料的空腔的消失模装入打开的分体式永久模，

-闭合该分体式永久模，

-给该消失模的空腔充注铸造材料，其中部分突入该消失模的空腔中的承载装置部分地用该铸造材料重铸，该消失模在充注之后在永久模中被冷却，

-该分体式永久模在冷却过程中在低于液相线温度之后、优选在低于固相线温度之后且尤其最好还在铸件达到共析相变温度之前被打开，且该消失模连同铸件从打开的永久模中被无损取出，

-以悬挂在承载装置上的方式被进一步冷却，至少直到完成铸件结构形成，

-铸件通过消失模的移除被脱模。

该消失模由砂子、尤其是由化学结合型砂并且通常例如按照克朗宁壳模铸造法、冷芯盒方法、热芯盒方法、呋喃树脂法或水玻璃-二氧化碳法来制造并且在此以下也被称为砂模或芯盒。

铁金属铸件是指由铁碳化合物构成的铸件，不管碳含量如何，即铸铁和钢。本文意义上的铸造材料是指铁金属铸件的熔体。如果它(至少部分)凝固，则是指铸品或铸件。

永久模优选是金属铸模，例如由钢、铸铁或黄铜构成，但也可以由其它的铸模材料例如石墨构成。

根据本发明的铁金属铸件制造方法相比与已知方法的基本区别是两阶段冷却脱模过程。铸件的第一次冷却(第一冷却阶段)至少直到低于液相线温度、优选直到低于固相线温度且优选还在铸件达到共析相变温度之前在仍在永久模中的铸模内进行。该芯内的铸件在第一冷却阶段中最高被冷却至的优选温度下限可以用723℃说明。在此情况下，有利地采用如DE102010035440A所述的装置。因此，本发明的方法优选规定，该消失模由流过设置在永久模内壁与消失模外壁之间的模腔的冷却介质被冷却。在此，该步骤以下也被称为初次冷却。冷却介质优选是空气或者惰性气体。该模腔可以呈一个或多个围绕铸模盘旋延伸的冷却通道形式构成。此冷却过程最好以可控或可调方式进行且最好在铸模充注之后开始。在例外情况下，它也可以已经在铸模充注过程中开始。消失模的铸件温度在后者情况下在冷却过程中在取出永久模之前最好在悬挂处被测量。这能以非接触方式例如以光学方式借助红外相机或者借助热传感器来完成。除了温度控制的冷却介质流外，它也可以通过时间控制、质量控制和/或模数控制(即根据表面与体积比，也称为凝固比)进行，做法是冷却介质需求针对预定的冷却速率被事先(通过计算机)求出并且冷却介质流被相应编程。

期望的材料性能(强度、硬度、延展性等)众所周知地通过选择碳含量、合金成分并根据单个的组织相变温度通过各自合适的冷却计划来调节。在此，将铸模-铸件单元从永久模取出扮演了重要角色，其在奥氏体形成或凝固过程中或在其完成后结束第一次冷却或者开始第二冷却阶段。据此，取出的时间点最早在达到液相线温度之后。在考虑温度下降至铸件壁的情况下，表面凝固已经开始，其赋予铸件充分的尺寸稳定性，而此时铸件芯还可能包含一部分熔体。人们最好等到推断出铸件也在内部达到了固相线温度，但不要等待铸件芯达到共析相变温度那么久。准确的温度总是取决于期望的组织状态(奥氏体、粗条状/细条状珠光体、粗晶粒铁素体等)和材料内的化学组成、合金元素且尤其是碳含量。

就是说，第二冷却阶段根据期望结构和铸件性能最早在铸件至少部分凝固、就是说奥氏体形成开始或最好结束时且优选直至达到共析相变温度(723℃)时被启动。该永久模为此被打开并且铸模连同凝固的铸件从其中被无损取出。此时，该铸模保持包围接纳铸件并随后作为阻热材料或热调节材料。因此，无需其它措施，在该铸模经受环境条件的情况下保证了尚封存在铸模内的铸件的表面的均匀冷却。只在第二冷却阶段结束时才将铸件脱模。

为了在第二冷却阶段内的有效且尤其是均匀的铸件冷却，铸模根据所需冷却功率来设计，即，尤其是该铸模壁厚在考虑铸件的表面与体积比、环境条件和期望的铸件材料结构的情况下来设计。此意义上的环境条件例如是指在冷却室内的热条件，消失模包括铸件在内悬挂在承载装置上地被供给冷却室并在冷却室内被进一步冷却。在这样的冷却室中可通过冷却介质且又优选是空气或惰性气体的充分循环/充分交换来调节出恒定的热条件和快速散走所产生的热。优选在铸模和/或铸件的温度监测下控制或调节所述冷却。为此，消失模的铸件温度在冷却过程中在移除永久模之后又优选在悬挂处被测量。这可以再次不接触地例如以光学方式借助红外相机或借助热传感器来进行。第二冷却过程在达到了用于从芯盒取出铸件的期望目标温度时结束，开箱温度优选小于300℃，此时进一步冷却的温度变化过程不再影响结构形成。

铸模连同铸件悬挂在承载装置上尤其是在第二冷却阶段中扮演了重要角色。这一方面减小了消失模在从永久模中取出时受损的危险。部分或完全来自环境地使铸件受到损伤并且可能导致不可控的结构形成。另一方面，这种悬挂不同于平放运输地允许铸模可以从四面八方被冷却介质均匀环绕冲洗，因而提高了效率和冷却均匀性。

该承载装置优选在被装入打开的永久模之前与供给罩一起被装入消失模。具有悬挂装置的这种供给罩例如由出版物DE102010051348A公开。

该永久模可以紧接在取出铸模后为下次铸造过程做好准备，即尤其装备下一个消失模。该方法因此很高效且低成本，因为在相同生产量情况下需要少量的永久模。该方法也很灵活且又低成本，因为可利用相同的永久模通过使用不同的消失模来制造不同的铸造产品。即，铸造厂不必维持大量不同的永久模。为此，圆柱形永久模形状是最多用途的。

还有利的是该消失模的空腔从下方升起地用熔体充注。此时尤其优选采用低压铸造法。

在从下方充注铸模之后，铸模可以有利地借助截止阀被关闭。

这允许永久模连同铸模和铸件可在充注之后从充注站被取出，从而充注站又已为充注下一个铸模/永久模做好准备。尤其最好紧接在用截止阀关闭消失模之后启动消失模的冷却。

本发明的一个有利改进方案规定，在给消失模的空腔充注铸造材料的过程中将铸造气体从设于永久模内壁和消失模外壁之间的模腔抽出。

用于初次冷却的模腔和用于抽排铸造气体的模腔最好是同一个。因此，该模腔最好具有双重功能地作为在浇注时的排气管路和在铸件第一冷却阶段中的相对于铸件或消失模的冷却介质供应和排出机构。此时有利的是，该模腔可以简单地连接至完整的排气系统，其有目的地在废气能进入环境之前排出废气。因此，可以避免设定为大尺寸的排气罩和循环许多辅助气体的相应管路系统。

除了消失模的初次冷却之外，优选还在充注之后直接冷却该永久模即永久模壁(二次冷却)。这在适用于此地设置在永久模壁内的冷却管路中进行，冷却管路也被冷却介质流过。

本发明的另一有利改进方案规定，消失模在被装入打开的分体式永久模时借助负压被保持在永久模内。

尤其优选地，所述消失模和永久模具有配合件，它们在消失模被装入打开的分体式永久模中时相互接合，因而保证铸模在永久模内的规定位置。合作的配合件因此也被称为芯座。该配合件和负压保持此时可以按照如以下结合实施例所述的方式组合，其中：

图1是在装入永久模过程中时的消失模的第一实施方式；

图2是结合组合的消失模和永久模的第二实施方式的充注步骤的视图；

图3是组合的消失模和永久模的初次冷却的视图；

图4是组合的消失模和永久模的打开的视图；

图5示出要用在本发明方法中的组合的消失模与永久模的第三实施方式；

图6示出要用在本发明方法中的组合的消失模与永久模的第四实施方式；

图7示出要用在本发明方法中的组合的消失模与永久模的第五实施方式；以及

图8是在基本自动化的铸造设备上的本发明方法的流程的示意图。

在图1中示出具有用于容纳铸造材料的空腔12的消失模10。空腔12具有内表面，其描绘待制造铸件的外轮廓。消失模10由优选化学结合的型砂构成，型砂构成自身稳固的结构。

在铸模10中借助两个第一锚固件16固定承载装置14。该承载装置因此已经与铸模10充分连接以支承其自重。承载装置还具有第二锚固件18，其穿过铸模10的壁伸入空腔12中，以便在那里随后部分用铸造材料重铸。

随后充注消失模10内的空腔12通常通过一个或多个浇口20进行，浇口最好从下方通入空腔12，从而消失模的空腔12可以从下方升起地用铸造材料、尤其最好按照低压铸造法来充注。

消失模10在用铸造材料充注之前按照如图1所示的方式先被装入打开的分体式永久模的第一半部，即在此是第一半部22中，随后永久模被闭合，做法是第二半部24与第一半部22组装。为了消失模10准确配合地先容纳在永久模的第一半部22中且在永久模闭合之后也容纳在永久模的第二半部24中，消失模10和这两个永久模半部22、24都具有配合件26或28，它们彼此形状互补地构成。消失模10的配合件以从铸模10的外壁30大量凸出的多个凸起26形式构成。永久模半部22、24为此分别在其内壁32中具有互补的缺口28。配合的配合件26、28形成所谓的型芯座34。

另外，永久模半部22、24具有在缺口28与半永久模22、24的外表面38之间的连通通道36。抽吸管路(未示出)可以在外表面34连接至连通通道32，从而可以在内壁32与外壁30之间产生负压。铸模10由此以其凸起26伸入永久模半部22的缺口28中并通过持续负压保持在其中，直到永久模被闭合。随后，不再需要负压并且抽吸管路还可以被移除或者停用负压。

显然，连通机构32也可以作用于消失模10与分体式永久模之间界面的另一个部位，从而配合件和用于负压固定的连通通道相互空间分隔。但按照所示方式，所述配合件和用于负压固定的机构有利地组合。

在永久模的内壁32与消失模10的外壁30之间设有模腔40，模腔作为用于冷却消失模的冷却介质即初次冷却的管路。呈大部分封闭的冷却介质管路形式的模腔40只在消失模10和永久模组合时构成，因为它的一半以各自一个敞通的盘旋形或螺旋形通道42或44形式形成在外壁30中。代替环绕模腔，也可以设置多个模腔。它也不一定呈盘旋形或螺旋形围绕消失模10设置，而是例如也可以呈蜿蜒形或呈格栅状多次交叉构成。模腔40具有通向永久模外表面的至少两个连通通道46、48，从而它可连接至冷却介质的循环系统或供应系统。

作为用于永久模壁的二次冷却的机构，在永久模壁中设置另一个管路系统50，其本身通过未示出的接口向外延伸并可连接至用于另一冷却介质的循环系统或供应系统。

在图2中示出给消失模10的空腔12充注铸造材料54的方法步骤。在永久模因永久模半部22、24接合被关闭之后，铸造材料54从下方经浇口20被加入消失模10的空腔12。与充注同时地，空腔12内的铸造气体穿过砂模10的多孔结构被排出至永久模内壁与砂模10外壁之间的模腔40中并从这里经连通通道48被排出永久模。在此，仅示例性地将连通通道48表明为废气通道。连通通道46在此情况下例如借助塞子或阀(两者未示出)保持关闭。但是，铸造气体也可以相反地通过连通通道46被吸入或者同时通过两个连通通道46、48被吸入。

在此所示的实施方式中，消失模10在用于铸件的空腔12上方具有另一空腔，供给罩52先被装入另一空腔中，如出版物DE102010051348A所述。供给罩52用于容纳铸造材料54并具有绝热性能和/或放热性能，以便在它已在空腔12中开始凝固时使封入的铸造材料更长期保持液态。因此，因凝固而造成的铸造材料54体积减小用在供给罩52内的更热的低粘度熔体来补偿。

因为采用了供给罩52，故在此例子中也以不同形式设计承载装置14。它具有插入供给罩52的空腔中的锚固件18，锚固件足够牢固地与供给罩和/或铸模10相连以便能支承其自重。在加入的铸造材料54围绕锚固件18凝固之后，该负荷也或甚至主要由所形成的连接部来承受并且铸件连同铸模10可保持在承载装置上。

在如图2所示的充注步骤结束时，浇口20借助截止阀55被关闭，从而永久模连同消失模可从充注站被取出。

在图3中示出了在永久模内在充注之后的冷却消失模10即初次冷却的方法步骤。该步骤优选在消失模10借助截止阀55闭合之后开始，由此铸造材料的凝固不是在充注过程中就已开动。为了冷却，冷却介质通过前述连通通道46被引入模腔40并通过连通通道48又被送出，借此从消失模10散热。为了模腔40可通过简单方式发挥双重功能地作为在如图2所示的铸造过程中的废气管路且作为在图3所示的初次冷却步骤中的冷却介质供应和排出管路，在通向连通机构46、48的管道(未示出)内分别设有一个阀。为此，管道能可选择地被关闭，连接至冷却介质管路或废气管路。初次冷却一直进行，直到铸件至少部分凝固且铸件56具有稳定的结构。根据所追求的待制造产品的结构状态，初次冷却和进而第一冷却过程也可以进行更长时间。原则上，出于效率考虑，初次冷却有意义地以从永久模中取出铸模-铸件单元和因而直接结束第一冷却阶段来终止。

在图4中示出了与初次冷却相接的永久模打开步骤。在这种情况下，使永久模的这两个半部22、24彼此移动分开，而消失模10悬挂保持在承载装置14上。承载装置14在在此所示的实施例中对应于图1所示的承载装置。因为铸件此刻已经至少部分且尤其在表面是凝固的，故它具有自身稳定性，从而铸模和铸件的负荷通过承载装置14与铸模10的连接以及与铸件56的连接来承受。

通过这种方式，铸模从永久模被无损取出且被供应给第二冷却阶段。如前所述，铸模10于是例如被送入冷却室，做法是它在可调的或至少受控制的热条件下按照期望方式被进一步冷却，直到优选在承载装置14处测量的铸件温度达到预设值，这优选在达到或低于例如300℃的期望的开箱温度且进一步冷却不再影响到组织和铸件性能时就是这种情况。

图5示出具有承载装置14的替代设计的组合的消失模10和永久模。它相比于两个前述承载装置被如此简化，它只具有唯一的锚固件18，锚固件穿过消失模10突入铸件56中。因此可如此构成锚固件18，即不适于承载不带铸件的铸模10，从而通过不同方式在被装入永久模时处理它。或者，未示出的结构(钩等)可以沿锚固件18的表面设置，它们建立与砂模10的充分连接，以在升起和运送空砂模10时在承载装置14上经受住拉伸负荷。此外，锚固件18的下端以如前所述的方式突入砂模10的空腔中，从而它在铸件凝固后按照在此所示的方式与铸件56连接并借助所述连接适于承载砂模10连同铸件56。

图6示出组合的消失模10与永久模的再次关于承载装置14有所改动的实施方式。此实施方式将图1的第一实施方式伸入砂模10的两个第一锚固件16与穿过砂模10的第二锚固件18组合，从而其根据图2的第二实施方式伸入铸件56且据此设有供给罩52，供给罩被集成至砂模10中且提供用于铸造材料的空腔。

图7示出组合的消失模10和永久模的第五实施方式，其例如与图5所示的实施方式的区别是砂模10中的附加盲孔58。铸模10中的盲孔58通入模腔40的局部并因而扩充其用于容纳冷却介质的体积。盲孔58的排布对应于下述的砂模10部段，其具有较大的壁厚以便将冷却介质引导至靠近铸件56表面的部位或在凝固前引导至与铸模10的铸造材料界面10。通过所述措施，在铸模10的不同壁厚情况下可以获得更均匀的铸件表面冷却或但根据需要也可以获得所选表面部分的有目的加速的铸件冷却。代替盲孔，也可以设置多个通孔和/或孔道，其再次加速在相应部位的换热或冷却过程或者容许更精确的控制。于是，尤其可以有目的地冷却较大的局部质量(热中心)和/或可以实现局部组织优化。

结合图8的流程图，应该说明本发明方法的一个特别有利的实施方式。该方法包括下述的进一步方法步骤，其位于真正的铸造方法之前或之后。它以芯加工步骤100开始，在这里，消失模例如按照冷芯盒法、热芯盒法、克朗宁壳模铸造法、呋喃树脂法或者水玻璃-二氧化碳方法以优选化学结合的砂模来制造。步骤100最好在光学监测和计算机控制下进行。如果制造出砂模，则它以手动方式、半自动方式或优选借助机械手R1以全自动方式被转交至下一工站。在该工站发生所谓的芯盒安装102。在此情况下，多个半铸模被组装成芯盒即铸造所需的消失模。该步骤可以根据可脱模性和对铸件表面质量的要求在需要时通过例如借助自动喷涂机的附加型芯涂料来补充。

可选地，跟在芯盒安装102之后是芯盒的存放104。它随时调用地存放。根据件数、加工速度、芯加工状况和生产工艺要求，通常维持一定数量的芯盒，或者可以规定当其制造恰好与下述加工步骤一样快或更快时在无库存的最佳芯制造状况下及时制造。

根据需要，从芯座中取出该芯盒并送至下一加工步骤106。取出和供应再次优选以全自动方式由机械手R2进行。

用于执行本发明方法的中心模块是所谓的加工岛11，也称为“转台”，在其上进行本发明的方法步骤中的至少五个、在此是六个。作为第一加工步骤106，在加工岛11的第一工站将芯盒装入打开的分体式永久模中并闭合永久模。这优选按照之前参照图1所述的方式进行。

如果分体式永久模被闭合，则工站更换，在加工步骤108中优选按照低压铸造法给消失模的空腔充注铸造材料。如果充注结束，则消失模借助截止阀被封闭且随后可以被供应给下一个加工步骤110。为此，永久模再次轮换至下个工站，在该工站启动铸模的第一冷却步骤即初次冷却和可选地同时或先后启动永久模的二次冷却。为此，该永久模或确切说前述的连通通道46、48被连接至冷却介质系统、最好是冷却介质循环。另外，前述管道系统50也可以在永久模壁内被连接至冷却介质系统、最好是冷却介质循环，并且使所述冷却介质系统运转起来。加工步骤110的冷却过程尤其最好在铸件温度或永久模温度的监测下可控进行。上述温度又最好可以在前述承载装置上被测量。

所述冷却在此实施方式中通过总共三个工站进行，即在加工步骤112、114中进行。即在整个初次冷却过程中，加工岛11进一步运动两个工位，从而在前的工站暂时又可供执行加工步骤106、108所用。用于在步骤16中将铸模10置入永久模和在步骤108中的充注的持续时间与初次冷却过程(或许伴随永久模冷却)的持续时间之比决定了为了冷却所保留的工站的数量。

在加工岛的最后工站，永久模连同被冷却的消失模10接受下述加工步骤116，在该加工步骤中该分体式永久模被打开，最早在铸件如前所述至少部分凝固之后。同时，消失模悬挂在承载装置上地按照上述方式从打开的永久模中被取出。这再次优选借助机械手R3全自动进行，以保证无损地取出消失模。

机械手R3随后将消失模转交至冷却段，消失模在冷却段中仍还悬挂在承载装置上被进一步冷却，步骤118。

如果封在消失模内的具有期望结构的铸件已经最终达到例如300℃的开箱温度，则接着在步骤120中通过机械取出消失模最后将铸件脱模。该步骤也被称为“排空”或“粗略除砂”。

为此进行喷射122以使铸件摆脱余砂。如果该加工步骤结束，则该铸模优选借助另一机械手R4被全自动地供给分离站，分离站作为下个步骤包含切掉124冒口和/或承载装置。按照本身已知的方式，接着是最终检查126以及转交128至发货或零件库存。

附图标记列表

10 消失模，芯盒

12 空腔

14 承载装置

16 第一锚固件

18 第二锚固件

20 浇口

22 第一永久模半部

24 第二永久模半部

26 配合件，凸起

28 配合件，缺口

30 铸模外壁

32 永久模内壁

34 芯座

36 连通通道

38 永久模的外表面

40 模腔

42 盘旋形或螺旋形通道

44 盘旋形或螺旋形通道

46 连通通道

48 连通通道

50 管路系统

52 供给罩

54 铸造材料

55 截止阀

56 铸件

58 盲孔

100 芯加工

102 芯盒安装

104 芯座

106 消失模的装入和永久模的闭合

108 充注

110 冷却

112 冷却

114 冷却

116 永久模打开和打开铸模的取出

118 消失模的冷却

120 铸件脱模

122 喷射

124 承载装置的切掉

126 最终检查

128 库存或发货