用于形成低合金钢铸件的系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明总体涉及铸造，并且更具体地说，涉及具有碳含量在约0.1%至约0.4%范围内的低合金钢的消失模铸造(lost foam casting)。
【背景技术】
[0002]一般来说，砂型铸造需要用于铸造复杂结构(如涡轮机外壳、涡轮增压器、曲轴箱、鼓风机等)的多个砂芯。使用多个砂芯增加了材料和劳力成本，并且还可导致长的铸造前置时间(lead time)。
[0003]消失模铸造可用于解决与成本和前置时间有关的问题。然而，通过消失模铸造获得的铸件可能具有过高碳含量。此外，消失模铸造使用生粘合砂(green bonded sand)作为砂铸模(sand casing)内的支承介质，这在将熔融金属浇注到模具中时会产生气态产物或气泡，从而将气态产物截留在铸件内。消失模钢铸造中的碳增量(carbon pick-up)和气体截留是由于熔融金属在模具内固化之前不完全的泡沫移除而引起的。残留泡沫生成炭黑，并且在铸件内重新分布的截留气体导致产生高于所要求限值的局部碳含量。
[0004]此外，浇注在模具中的熔融金属还可与生粘合砂反应，使得型砂熔合至铸件，从而产生型砂灼伤部分(sand burn)，这会使铸件的表面劣化。从铸件移除型砂灼伤部分的过程会进一步增加工艺成本。
[0005]因此，需要一种用于产生具有非常低的碳含量的低合金钢的增强的铸造工艺。
【发明内容】
[0006]根据一个示例性实施例，公开一种铸造低合金钢的方法。所述方法包括获得具有设置有可渗透的耐熔涂层的泡沫模型的模具。泡沫模型设置在砂铸模内，并且压实型砂设置在泡沫模型与砂铸模之间。所述方法进一步包括将包括具有碳含量在约0.1%至约0.4%范围内的低合金钢的熔融金属浇注到模具中，以便使泡沫模型蒸发以形成低合金钢铸件。此外，所述方法包括在铸造过程期间使气化产物穿过可渗透的耐熔涂层移除。所述方法进一步包括从模具移除低合金钢铸件。
[0007]根据另一个示例性实施例，公开一种模具。所述模具包括填充有压实型砂的砂铸模。此外，所述模具包括具有空腔的泡沫模型，所述泡沫模型设置在砂铸模中，以使得压实型砂设置在泡沫模型与砂铸模之间。所述泡沫模型包括可渗透的耐熔涂层，所述可渗透的耐熔涂层具有在约10至约100 μ m2范围内的渗透率以及在约2000至约24000 μ m3范围内的渗透量。所述压实型砂具有在约100至约1000 μ m2范围内的渗透率。所述泡沫模型具有在约13至约28kg/m3范围内的体积密度以及在约13至约35kg/m 3范围内的表面密度。
[0008]根据又一个示例性实施例，公开一种制造模具并使用所述模具铸造低合金钢的方法。所述方法包括形成具有空腔的泡沫模型，并且将可渗透的耐熔涂层涂覆在泡沫模型上。此外，所述方法包括将泡沫模型设置在砂铸模内，并且将非粘合型砂(unbonded sand)填充在泡沫模型与砂铸模之间。所述方法进一步包括压实非粘合型砂以形成压实型砂，以便产生模具。此外，所述方法包括将熔融金属浇注到所述模具中以使泡沫模型蒸发，以便形成低合金钢铸件。所述方法进一步包括在铸造期间使气化产物穿过可渗透的耐熔涂层移除。所述熔融金属包括具有碳含量在约0.1%至约0.4%范围内的低合金钢。此外，所述方法包括从模具移除低合金钢铸件。
【附图说明】
[0009]在参考附图阅读以下详细说明后，将更好地理解本发明的实施例的这些和其他特征以及方面，在附图中，相似的符号代表所有附图中相似的部件，其中:
[0010]图1是示出根据一个示例性实施例的一种制造模具的方法的示意性流程图；
[0011]图2是示出一种使用根据图1的示例性实施例的模具制造低合金钢铸件的方法的示意性流程图；
[0012]图3中A是使用常规铸造工艺制造的合金钢铸件的透视图；以及B是根据图1和图2的实施例制造的低合金钢铸件的透视图。
【具体实施方式】
[0013]虽然本说明书仅说明和描述了实施例的某些特征，但所属领域的技术人员将想到许多修改和变化。因此，应理解，所附权利要求书意图涵盖落在本发明的精神内的所有此类修改和变化。
[0014]本说明书所论述的实施例公开一种铸造低合金钢的方法。更具体地说，某些实施例公开获得具有设置在压实型砂与砂铸模之间的泡沫模型的模具。此外，所述方法包括将含有低合金钢的熔融金属浇注到模具中，以便使泡沫模型蒸发以形成低合金钢铸件。所述方法进一步包括:从模具移除低合金钢铸件。
[0015]更具体地说，某些实施例公开制造模具的方法。所述方法包括形成具有空腔的泡沫模型，并且将可渗透的耐熔涂层涂覆在泡沫模型上。此外，所述方法包括将泡沫模型设置在砂铸模内并且将非粘合型砂填充在泡沫模型与砂铸模之间，以便形成模具。此外，所述方法包括压实非粘合型砂以在模具内形成压实型砂。
[0016]图1是示出根据一个示例性实施例的一种制造模具124的方法100的示意性流程图。方法100包括步骤102:通过例如机械加工泡沫材料的实心块来形成泡沫模型104。在一些其他实施例中，泡沫模型104可通过注塑成型等来形成。泡沫材料具有在约13至约28kg/m3范围内的体积密度以及在约13至约50kg/m3范围内的表面密度。泡沫模型104的体积密度可定义为多个粒子的质量/泡沫模型104所占总体积。泡沫模型104的表面密度可定义为单位面积的泡沫模型104的质量。具有在上述范围内的体积密度的泡沫模型104实现尺寸完整性、可控制的熔融金属的填充率以及气化产物从泡沫模型104的移除。具有在上述范围内的表面密度的泡沫模型104提供对将熔融金属填充到模具124的空腔中的顺序的控制。
[0017]泡沫材料包括聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、以及聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯共聚物材料中的至少一种。在一个实施例中，形成泡沫模型104的过程可包括以下步骤:在低压下，将泡沫材料的预膨胀珠粒注入到预热模具(图1中未示出)中。此外，预热模具具有所述泡沫模型的形状并且可由铝材料等制成。所述过程可进一步包括向预热模具内的预膨胀珠粒施加蒸汽，形成具有所需形状的泡沫模型104。
[0018]在所示实施例中，泡沫模型104具有三条支腿104a、104b、104c和连接支腿104a至104c的本体104d。实施例中所示的泡沫模型104仅出于说明目的并且不应理解为限制本发明。
[0019]方法100进一步包括步骤106:在泡沫模型104中形成多个排气口 108a。每个排气口 108a在铸造过程期间将气化产物从泡沫模型104移除。方法100进一步包括步骤110:将可渗透的耐熔涂层112涂覆在泡沫模型104上。步骤110进一步包括以下步骤:制备具有预定义流变性的可渗透的耐恪涂层材料114。可渗透的耐恪涂层材料114包括无机粘合剂以及包括氧化销和/或错石的背面粘合材料(back bond material)。
[0020]在一个实施例中，可渗透的耐熔涂层112通过浸涂工艺或流涂工艺来涂覆在泡沫模型104上。浸涂工艺可包括将泡沫模型104浸渍在具有可渗透的耐熔涂层材料114的浆料的容器(图1中未示出)内，之后进行干燥，以便在泡沫模型104上形成可渗透的耐熔涂层112。流涂工艺可包括使用流涂装置116将可渗透的耐熔涂层材料114喷涂在泡沫模型104上，以形成可渗透的耐熔涂层112。流涂装置116以低剪切速率喷涂可渗透的耐熔涂层材料114，以便防止对泡沫模型104的损坏。具有预定义流变性的可渗透的耐熔涂层材料114促进对泡沫模型104的浸涂和流涂。
[0021]可渗透的耐熔涂层112具有在约10至约100 μ m2范围内的渗透率以及在约2000至约24000 μ m3范围内的渗透量。渗透率可定义为涂层112允许气化产物流过可渗透的耐熔涂层112的能力。渗透量可定义为可渗透的耐熔涂层112的渗透率与厚度的乘积。具有在上述范围内的渗透率的可渗透的耐熔涂层112使得能够防止金属渗透，从而获得低合金钢铸件的所需表面处理(如图3的B中所示)。类似地，具有在上述范围内的渗透量的可渗透的耐熔涂层112实现熔融金属的可控填充率和气化产物从泡沫模型104的移除。
[0022]方法100进一步包括步骤118:将泡沫模型104设置在砂铸模120内并且将非粘合型砂122填充在泡沫模型104与砂铸模120之间，以便形成模具124。在一些实施例中，砂铸模120可包括夹在一起而形成模具124的两个半部。泡沫模型104可通过多个支撑件126保持在砂铸模120内，以便向泡沫模型104提供结构支撑和稳定性。此外，浇口杯128、浇道130和冒口 132联接至泡沫模型104。熔融金属顺序地通过浇口杯128、冒口 132和浇道130给送至泡沫模型104。模具124还包括多个排气口 108b，所述多个排气口 108b从泡沫模型104延伸穿过非粘合型砂122而到达周围环境。多个排气口 108b用于在铸造过程期间从泡沫模型104移除气化产物。在一个实施例中，多个排气口 108b由陶瓷材料制成。在所示实施例中，多个排气口 108b设置在泡沫模型104的下游，以便增强气化产物的排出。
[0023]方法100进一步包括步骤134:压实设置在泡沫模型104与砂铸模120之间的非粘合型砂122以形成压实型砂136。非粘合型砂122的压实是使用压实装置138来执行。在一个实施例中，压实装置138向非粘合型砂122施加具有可变频率和幅值的振动，以便形成压实型砂136。在另一个实施例中，压实装置138向非粘合型砂122施加真空力，以便形成压实型砂136。压实型砂136具有在约100至约2000 μπι