在凝固期间提高金属砂型铸件的冷却速率的系统和方法与流程

本公开涉及金属砂型铸造，更具体地涉及在凝固期间提高铝砂型铸件的冷却速率的系统和方法。

背景技术：

1、砂型铸造通常用于铸造铝汽车部件，诸如发动机缸体和缸盖。在制造典型的砂模时，砂结合在一起并成形为符合所需汽车部件或工件的负型腔（negative impression）。将熔融铝浇注到负型腔（也称为模腔）中。在冷却和固化时，铸铝部件具有所需汽车部件的形状和几何构造。

2、典型的砂模由用有机或无机粘合剂保持在一起的砂颗粒制成。在浇注的铝已经固化并冷却至室温后，将砂模打开以移除铸造部件。砂型铸造的主要优点是砂模和铸造工艺的低成本。在铸造之后，砂可以被回收和再利用。砂型铸造适用于具有复杂形状的铸造部件的小容量和批量生产。然而，砂型铸造不允许紧公差，并且砂型铸造的机械性能由于粗晶粒结构（也称为微观结构）而相对较低，这是由于凝固期间的低冷却速率。

3、在砂型铸造中，由于凝固期间的低冷却速率，与金属模具铸造中的较小枝晶臂间距(das)（其在凝固期间具有较高冷却速率）相比，铸铝部件的所得微观结构通常是粗糙的，具有大的das和高孔隙率。结果，砂型铸件的诸如延展性、极限拉伸强度(uts)和疲劳强度的机械性能通常低于金属模具铸件。

4、因此，虽然铝砂型铸造部件的当前方法用于其预期目的，但是需要一种系统和方法来提高在凝固期间砂型铸件的冷却速率，以改善铸铝部件的延展性、uts和疲劳强度。

技术实现思路

1、根据若干方面，提供了一种用于在凝固期间提高金属砂型铸件的冷却速率的系统。该系统包括限定模腔的砂模、围绕模腔的一部分的冷却剂通道以及与冷却剂通道流体连接的冷却剂入口端口。冷却剂入口端口可操作以接收液相冷却剂，并且冷却剂通道可操作以在冷却剂从液相转变为气相时引导冷却剂。

2、在本公开的附加方面，冷却剂是选自由氩气、氦气和氮气组成的组的低温液体。

3、在本公开的另一方面，冷却剂是选自由氯氟烃(cfc)、氢氯氟烃（hcfc）和氢氟烃(hfc)组成的组的制冷剂。

4、在本公开的另一方面，砂模包括：限定模腔的内部模具表面；第一区域，其位于所述内部模具表面和所述冷却剂通道之间，其中所述第一区域包括第一渗透性；和位于冷却剂通道与砂模的外边界之间的第二区域，其中第二区域包括第二渗透性。第一渗透性大于第二渗透性。

5、在本公开的另一方面，砂模还限定冷却剂出口端口，其中冷却剂出口端口是以下中的至少一种：(i)与冷却剂通道间接流体连通，使得气相在进入冷却剂出口端口之前渗透砂模，以及(ii)与冷却剂通道直接流体连通。

6、在本公开的另一方面，该系统还包括冷却剂蒸气提取系统，该冷却剂蒸气提取系统具有真空泵，该真空泵构造成从砂模提取冷却剂的气相。

7、在本公开的另一方面，砂模包括限定模腔的内部模具表面和设置在冷却剂通道和内部模具表面之间的砂模中的散热器。

8、根据若干方面，公开了一种用于提高金属砂型铸件的冷却速率的系统。该系统包括限定模腔的砂模，以及延伸到所制造的砂模中的冷却剂入口端口。冷却剂入口端口可操作以接收低温液体。砂模包括足以使低温液体在渗透通过所制造的砂模的同时转变成气相的渗透性。

9、在本公开的附加方面，砂模包括围绕模腔的一部分的大量冷却剂通道。冷却剂通道与冷却剂入口端口流体连接，并且可操作以容纳从液相变为气相的低温液体。

10、在本公开的另一方面，砂模还包括与冷却剂通道流体连通的冷却剂出口端口。

11、在本公开的另一方面，该系统还包括冷却剂蒸气提取系统，该冷却剂蒸气提取系统具有与砂模的出口端口流体连接的收集歧管。

12、在本公开的另一方面，砂模通过3d打印用不同尺寸的砂粒制造。

13、根据若干方面，提供了一种提高金属砂型铸件的冷却速率的方法。该方法包括将熔融金属浇注到由制造的砂模限定的模腔中，将液氮引入砂模中，使得当氮渗透通过砂模时液氮从液相转变为气相，从而提高熔融金属的冷却速率，以及通过施加真空来提取气相。

14、在本公开的附加方面，该方法还包括3d打印所制造的砂模以限定模腔、围绕模腔的一部分的通道、与通道流体连接的入口端口以及与通道流体连接的出口端口。

15、本发明还包括如下方案：

16、方案1. 一种用于提高金属砂型铸件的冷却速率的系统，包括：

17、砂模，其限定模腔、围绕所述模腔的一部分的冷却剂通道以及与所述冷却剂通道流体连接的冷却剂入口端口;

18、其中所述冷却剂入口端口可操作以接收处于液相的冷却剂，并且所述冷却剂通道可操作以在所述冷却剂从所述液相转变为气相时引导所述冷却剂。

19、方案2. 根据方案1所述的系统，其中所述冷却剂是从由氩气、氦气和氮气组成的组中选择的低温液体。

20、方案3. 根据方案1所述的系统，其中所述冷却剂是液氮。

21、方案4. 根据方案1所述的系统，其中所述冷却剂是选自由氯氟烃(cfc)、氢氯氟烃（hcfc）和氢氟烃(hfc)组成的组的制冷剂。

22、方案5. 根据方案1所述的系统，其中，所述砂模包括：

23、限定所述模腔的内部模具表面；

24、第一区域，其位于所述内部模具表面和所述冷却剂通道之间，其中所述第一区域包括第一渗透性；和

25、第二区域，其位于所述冷却剂通道与所述砂模的外边界之间，其中所述第二区域包括第二渗透性；

26、其中所述第一渗透性大于所述第二渗透性。

27、方案6. 根据方案1所述的系统，其中所述砂模还限定冷却剂出口端口，其中所述冷却剂出口端口是以下中的至少一种：(i)与所述冷却剂通道间接流体连通，使得所述气相在进入所述冷却剂出口端口之前渗透所述砂模，以及(ii)与所述冷却剂通道直接流体连通。

28、方案7. 根据方案6所述的系统，还包括冷却剂蒸气提取系统，所述冷却剂蒸气提取系统具有真空泵，所述真空泵构造成从所述砂模提取所述冷却剂的气相。

29、方案8. 根据方案7所述的系统，其中所述冷却剂蒸气提取系统包括真空泵和与所述真空泵流体连接的歧管，其中所述歧管包括与所述砂模的所述出口端口流体连接的真空入口。

30、方案9. 根据方案1所述的系统，其中，所述砂模包括：

31、限定所述模腔的内部模具表面；和

32、散热器，所述散热器设置在所述砂模中、在所述冷却剂通道与所述内部模具表面之间。

33、方案10. 根据方案1所述的系统，其中，所述冷却剂入口端口定位在所述砂模的下部部分或所述砂模的上部部分处，并且所述冷却剂出口端口定位在所述砂模内。

34、方案11. 一种用于提高金属砂型铸件的冷却速率的系统，包括：

35、砂模，其限定模腔和延伸到制造的砂模中的冷却剂入口端口，其中所述冷却剂入口端口可操作以接收低温液体；和

36、其中，所述砂模包括足以使所述低温液体在渗透通过所制造的砂模的同时转变成气相的渗透性。

37、方案12. 根据方案11所述的系统，其中所述砂模包括围绕所述模腔的一部分的大量冷却剂通道，其中所述冷却剂通道与所述冷却剂入口端口流体连接并且可操作以容纳从液相变为气相的所述低温液体。

38、方案13. 根据方案12所述的系统，其中，所述砂模还包括与所述冷却剂通道流体连通的冷却剂气体出口端口。

39、方案14. 根据方案13所述的系统，还包括冷却剂蒸气提取系统，所述冷却剂蒸气提取系统具有与所述砂模的所述冷却剂气体出口端口流体连接的收集歧管。

40、方案15. 根据方案14所述的系统，其中，所述砂模通过3d打印用不同尺寸的砂粒制造，以限定具有第一渗透性的第一区域和具有第二渗透性的第二区域，其中，所述第一渗透性大于所述第二渗透性。

41、方案16. 一种提高金属砂型铸件的冷却速率的方法，包括：

42、将熔融金属浇注到由所制造的砂模限定的模腔中；和

43、将液氮引入所述所制造的砂模中，使得当所述液氮渗透通过所述所制造的砂模时，所述液氮从液相转变为气相，从而提高所述熔融金属的冷却速率。

44、方案17. 根据方案16所述的方法，还包括：

45、在浇注所述熔融金属之前，对所述所制造的砂模进行3d打印，以限定所述模腔、围绕所述模腔的一部分的通道以及与所述通道流体连接的入口端口；

46、其中所述入口端口可操作以接收所述液氮，并且所述通路可操作以在所述液氮从所述液相转变为所述气相时引导所述液氮。

47、方案18. 根据方案17所述的方法，还包括通过施加真空从所述所制造的砂模中提取所述气相。

48、方案19. 根据方案18所述的方法，其中，对所述所制造的砂模进行3d打印还包括限定与所述通道流体连接的出口端口；并且还包括在所述出口端口上施加真空。

49、方案20. 根据方案19所述的方法，其中，对所述所制造的砂模进行3d打印还包括在所述通道和所述模腔之间设置散热器。

50、根据本文提供的描述，其他可应用领域将变得显而易见。应当理解，描述和具体示例仅旨在用于说明的目的，而不旨在限制本公开的范围。