自由铸造方法、自由铸造装置和铸件的制作方法
【专利说明】自由铸造方法、自由铸造装置和铸件
[0001]本申请是申请日为2011年9月12日、申请号为201180044654.9、发明创造名称为“自由铸造方法、自由铸造装置和铸件”的中国发明专利申请的分案申请。
技术领域
[0002]本发明涉及一种能够不使用传统上被认为对于铸造而言不可或缺的铸模而获得铸件的突破性铸造方法(在下文中称为“自由铸造方法”)，和适合用于所述方法的自由铸造装置，以及通过所述方法和所述装置获得的铸件。
【背景技术】
[0003]以复杂的形状成形的金属制品常常通过铸造来生产。铸造是一种使具有流动性的金属(熔融金属)以期望形状凝固以获得目标铸件的制造工艺。技术常识长期以来认为具有适合于目标铸件期望形状的型腔的铸模是铸造所不可或缺的装置。因此，传统上采用的铸造方法常常导致因使用铸模而引起的各种问题。所述问题例如为铸造缺陷(凝固裂纹、缩松、气孔等)、凝固组织的不均匀、材料产率的下降、环境负担等。已提出多种技术提案从微观视角来解决各种常规问题。
[0004]除这些技术提案外，还公开了一些技术方案，它们以与使用铸模的常规铸造方法不同的方式解决所述问题。以下列举了记载这类铸造技术的示例的专利文献。
[0005]引用列表
[0006]专利文献
[0007]专利文献1:日本特开专利申请公报N0.63-199050
[0008]专利文献2:日本特开专利申请公报N0.2-205232
[0009]专利文献3:日本特开专利申请公报N0.2-251341
[0010]专利文献4:日本特开专利申请公报N0.9-248657
【发明内容】
[0011]技术问题
[0012]但是，专利文献I中公开的方法仅能获得具有简单的柱状和棒状形状的金属材料，从而无法完成在形状方面要求高自由度的铸造。
[0013]专利文献2至4中公开的方法也具有熔融金属的出口在结构上受到模具和设置在熔融金属在其供给源侧的液面上的分隔部件约束的技术缺点。因此，这些方法同样无法完成这种在形状方面要求高自由度的铸造，从而实际上无法获得具有平滑地弯曲的表面或形状的铸件。显然，在这些方法中，氧化物等可能粘附到模具和设置在熔融金属的液面上的分隔部件上，从而无法可靠地获得具有期望形状和品质的铸件。
[0014]本发明考虑到上述情况而作出。本发明的目的是提供一种突破性的铸造方法，其能够通过根本解决常规铸造技术中所包含的各种技术问题而容易地获得具有复杂形状的铸件。本发明还提供一种适合用于所述铸造方法的装置，和通过所述铸造方法获得的铸件。
[0015]解决问题的方案
[0016]本发明的发明人致力于解决所述问题，并通过试错研宄和实验最终发现了能不使用铸模而使熔融金属凝固成期望形状以获得目标铸件的铸造方法。发明人继续开发该成果以进一步扩展其技术范围，并最终完成了下述本发明。
[0017]〈自由铸造方法〉
[0018](I)根据本发明的自由铸造方法是一种能不使用铸模而获得铸件的铸造方法，其包括:导出工序，该导出工序用于从熔融金属的液面导出熔融金属以通过在外表面上产生的表面膜或表面张力来暂时保持熔融金属自身，其中熔融金属经所述液面被供给至被保持的熔融金属；和成形工序，该成形工序用于通过使根据期望的铸件形状沿设定路径导出的被保持的熔融金属凝固来获得成形体，其中，在所述成形工序中被保持的熔融金属在成形为期望形状之后凝固，而被保持的熔融金属是通过在其位于熔融金属的液面附近的不受约束的根部和一凝固界面之间的位置向其施加外力而成形为期望形状的，所述凝固界面被限定为被保持的熔融金属和所述成形体之间的交界。
[0019](2)根据本发明的自由铸造方法能解决使用铸模的常规铸造方法会不可避免地产生的常规技术问题。本发明能免去任何铸模，这使得能在熔融金属在凝固时始终被供给的同时生产铸件，由此防止模具中通常出现的铸造缺陷(例如，凝固裂纹、缩松、夹杂(气孔))。由于该技术优点，所述方法能用于铸造在采用常规方法时易于产生凝固裂纹等的合金(例如，Jis 6000系列锻铝合金等)，并能容易地获得由所述合金制成的复杂形状的铸件。因而，根据本发明的自由铸造方法可供更宽泛地选择用于获得铸件的合金。
[0020]此外，根据本发明的方法能免去任何铸模来获得铸件，由此显著提高铸件形状方面的自由度。因此，通过该方法能成本低地生产此类通常难以获得的铸件。例如，通过根据本发明的自由铸造方法，能容易地生产难以获得的底切(下部凹陷，undercut)形的铸件和长形的铸件。根据本发明的自由铸造方法使得不必根据铸件或铸模的类型来准备待使用的任何特别的生产设备或生产工序。这有利地导致制造成本的降低、制造灵活性的提高(例如实现各种产品的小批量生产)、生产设备的小型化、厂内环境的改善等。
[0021]由于在根据本发明的自由铸造方法中模具型腔的表面不影响熔融金属的凝固，因而容易控制冷却速度和凝固方向，并由此获得具有良好受控的凝固组织的高品质铸件。
[0022]此外，根据本发明的自由铸造方法能显著地减少用于除产品本身以外的部分的熔融金属的量，由此实现材料产率的显著提高和回炉废料的大幅减少。根据本发明的自由铸造方法通过根据需求一点一点地熔化原料而不必在铸造大型产品之前熔化和保持大量的熔融金属。因而，该方法能减少金属材料的用量并且也节省了铸造所需的能量。因此，根据本发明的自由铸造方法能对资源节省、节能和抑制环境负担(例如，CO2排放量的减少)作出很大贡献。
[0023](3)如到现在为止所述，本发明提供了一种根本解决常规铸造方法所产生的各种技术问题的优良铸造方法。尽管尚未精确地确定根据本发明的铸造方法的确切机理的细节，但我们目前考虑如下所述的机理。
[0024]熔融金属处于液态或固液共存状态，因此具有流动性。因此，熔融金属不具有任何特定形状，除非其形状由铸模等(模具型腔的表面)限定，这意味着熔融金属通常未被维持(保持)为任何特定形状。
[0025]但是，当使固体(诱导体)与熔融金属的表面接触并被缓慢地向上提升时，在不使用铸模等的情况下呈特定形状的熔融金属被靠着向上提升约数十毫米。因此认为熔融金属至少由在上升的熔融金属的表面上产生的表面膜(例如，氧化膜)或表面张力保持。
[0026]如此被保持的熔融金属(被保持的熔融金属)并未凝固；因此，其形状是暂时的或过渡的。因此，被保持的熔融金属能具有其根据熔融金属被引导的方向或路径或者从外部向其施加的外力等以各种方式改变的形状。当被保持的熔融金属如此针对期望的铸件适当地成形且然后冷却而凝固时，即使不使用铸模也能获得具有期望形状的铸件。由于被保持的熔融金属的在熔融金属的液面附近的根部不受约束，因此被保持的熔融金属的形状具有非常高的自由度。因此，铸件能容易地成形为复杂的形状。根据本发明的自由铸造方法能有效地获得形状复杂的铸件而不产生铸造缺陷。
[0027]存在用于冷却被保持的熔融金属而使其凝固的不同方法，其示例为:通过直接向被保持的熔融金属吹送冷却剂气体来使其冷却的方法，和通过使用金属诱导体或熔融金属的已经凝固的部分来间接冷却被保持的熔融金属的方法。可使用所述冷却方法中的一种，或者所述方法中的一些可并用。
[0028]当通过使用已经凝固的部分来间接冷却被保持的熔融金属时，能从已经凝固的部分向未凝固的部分定向应用所述冷却方法。这有助于获得避免了诸如缩松等铸造缺陷的好品质铸件。此外，根据本发明的自由铸造方法能容易地获得通过使用铸模的常规铸造方法难以获得的具有定向凝固组织的高品质铸件。
[0029]根据熔融金属不在铸模中冷却的自由铸造方法，防止了出现在常规铸造方法中可能由于铸模对热构造的约束而产生的凝固裂纹。由于该技术优点，在该方法中能获得由在常规铸造方法中易于产生凝固裂纹的诸如6000系列(JIS)锻铝合金等的合金制成的铸件。
[0030]<自由铸造装置>
[0031]本发明不仅适用于到现在为止描述的自由铸造方法，而且适用于适合用于该方法的自由铸造装置。根据本发明的自由铸造装置包括容纳熔融金属的坩祸，和形状提供部件，其构造成向从容纳在坩祸中的熔融金属的液面导出并由在外表面上产生的表面膜或表面张力暂时保持的被保持的熔融金属施加外力，以使被保持的熔融金属成形(具有一形状)。具有这样的结构特征的铸造装置