专利名称：改变石墨模中铸件热梯度的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一用于铸造的改进石墨模，更具体地说，本发明提供一改进的冒口并控制其铸造过程，尤其大铸件的铸造过程的方法和装置，为的是减少这些铸件内的疏松，从而改进铸件内部结构的完整。
铸件几百年以来一直用各种铸模和砂型铸造，包括砂模，永久模和石墨模。铸造材料包括熔化的青铜、黄铜、铁、铝和钢以及其它金属元素和合金。铸造技术已发展到能适应所铸材料的性质，所要求和希望的铸件成品的表面质量以及铸造成本。在古代，最初流传的铸造技术是把化铁炉或炼铁炉内的熔化铁水流入用砂或土形成的模子内。铸造技术进化演变，一直发展到可提供更好控制熔化金属组成，铁水流出温度，模子温度，浇注速度，铁水包装置以及其它铸造技术。进展更大的技术是选择铸模材料以促使模子经久耐用，取得改进的传热控制以及提供铸件成品更光滑表面。
石墨模已用于铸造业中，因为石墨模具有有效的传热性能，较高抗磨损和抗侵蚀特性，这就导致增加模子所许可的铸造次数并能更快冷却铸件，这些石墨模也可用于铸造业中为了对铸件尺寸进行更严格的控制，这就减少了再次加工的工作量并可把制成品直接装运。对于大多数铸模和铸造装置，这些石墨模设置有注口的冒口。可以在浇铸和凝固时使气体和蒸汽逸出。石墨模的高传热率有利有弊，石墨允许从熔融金属中迅速传热，但也能导致凝固铸件中的疏松增加，因此人们发现不仅希望控制整体冷却速度而且也希望控制铸件各区域局部冷却速度。这就是说，最好的办法是通过改变铸模内铸件的较薄和较厚部分的冷却速度以促使模中铸件各部分有均匀的冷却速度和均匀凝固。
各种铸模，铸模结构和铸模实践可在多种铸造装置上使用，诸如R.E.温特在“铸造技术”杂志1942年第4版，J.G.塞尔维亚，在1972年出版和铸造金属工艺学“所讨论和叙述的结构。虽然这些论文前后相距30年，许多方法和装置是相同或近似的。后一篇论文所指出的技术改进涉及对铸造动力学及化学组成的理解，然而，铸模部件大部分仍然是相同，诸如注口、冒口，模腔，上型箱和下型箱等。尽管这些基本部件仍是部分现有技术，但是人们还是不断努力改进铸造工艺，铸模结构和金属组成，意欲改进成品铸件，铸件内部结构和成品表面。
授予佩克的美国专利3614053说明了努力改进铸造技术并公开二部分模件的冒口组件，它的冒口有一对有弹性且可转动地装在相应铸模部件的部分。当模件合在一起组成一铸造腔，冒口对也同时偶合成一密封的冒口腔，这样安置用来通过铸模加快和提高铸造速率。
在授予Wszolek的美国专利340967中，授予Merrick等的美国专利3498366，授予Sylvester的再版专利24655，授予Sylvester的专利提供了一在铸模冒口处用于成形和烘烤冒口漏斗的技术，这些漏斗都是用非燃烧材料诸如芯砂和干粘结料制成，烘烤成一光滑结实的漏斗，而漏斗壁能放出熔融金属和石墨反应产生的气体。授予Merrick等的美国专利3498366有在石墨铸模内的树酯粘结砂部分以改进铸件的表面条件并在石墨接触部分产生较冷的耐磨表面以及在铸件砂接触部分产生较软表面。在有名的Wszolek专利中说明了一冒口具有单独的，较大且可再次使用的上部。
通过用铸模涂料涂在模子铸造表面是用于延长模子寿命和生产出改进的铸件的其它铸造技术的一个例子，诸如授予Germain的美国专利3684004所叙述。在内浇口位于中间的模子面上，模衬涂膜厚度随离模子中心线的距离成相反变化。用诸如石英、锆英石、方晶石等涂料喷到模子铸造表面，这就把模衬涂到模子铸造表面，该专利提供了一种在模子喷涂过程中避免起皱皮，皱纹以及断续的装置。
改进铸件的想法延伸到铸造的各个方面，它们是化学组成，晶格结构，物理性能、表面光洁度，最小材料损耗、打磨要求以及结构的完整。在承受机械操作和磨损的铸件，或铸件承受间隙重载荷或连续重载荷时，这最后参数尤其显得重要。此改进质量要求由受到磨损，受垂直的重载载和扭转载荷和易擦伤的铁路车辆的铸造轮子来举例说明。这些难的物理要求便对铸件质量规定要优质，结构合理的铸件主要特性之一是铸件要连续或铸件中的显微疏松最少。该铸件的探伤要是用超声波测试加以监督，这表明或至少被认为是用于繁忙运行要求的优质铁路车辆轮子的一个指标。改进铁路车辆的铸造轮子的结构完整较早的措施包括增加冒口数目以及把冒口置于与模腔的轮辐部分相通处，以改善气体和汽体排放且当铸件冷却收缩时提供一炽热金属沅来填充孔洞，用热金属连续填充铸件空腔以减小铸件的显微疏松是十分必要的。
本发明提供一用于铸造的石墨模，特别适用于铸造铁路车辆轮子，尤其是柴油机车轮子。所述轮子在具有若干冒口的模子内铸出以便连续把熔融金属供给轮子的轮辐、凸缘、轮缘使轮子的这些部分首先冷却和收缩。上型箱的冒口开在上模箱的顶面和模腔上并设置有耐火材料制成的绝热套。若干冒口在轮毂上典型地成同心圆式安置，在铸模面上的冒口孔表现为若干浇口，各冒口被一圆环所包围并成圆周向布置在冒口孔之间形成的模子弧面上。本发明提供一在相邻各模面冒口孔之间的弧形凹槽，该孔，冒口和弧面都充满了耐火材料，在金属凝固时，阻止在模腔内熔融金属的传热以减小由于轮辐上铸造金属的迅速冷却而形成的显微疏松。在最佳实施例中，该弧形凹槽形成一圆滑的根部且有一半球形的断面，在铸件拿走后该半球形的断面有助于取出耐火材料，从而有助于在下一次浇铸时，模子的准备工作。
在附图中，相同的标号表示相同的元件，附图中
图1是一石墨模和底压注入方法的立面剖视图;
图2是图1中铸模的具有未填充的冒口、扩孔和弧形凹槽上型箱的下模腔面的局部放大透视图;
图3是图2中具有把绝热材料填充在冒口、扩孔和弧形凹槽带有上型箱模腔的放大透视图;
图4是图3的模面另一方案的透视图;
图5是图4中模面上扩孔被一凹槽带部分相连时二冒口的放大视图。
图6中一典型铁路车辆轮子从轮毂中心线到轮缘的剖视7中在石墨模表面，用根部半径切割出一弧形凹槽的切割工具立面图。
图1说明在底压注入装置12中模腔20内用于铸造铁路车辆轮子的一石墨模10。图中示出了具体的铸造方法，铸造出的产品和铸造装置，但是这些不是限止本发明的结构。铸模10在有注口14，与注入装置12内的把金属熔池17和模腔20相连通的延伸管形件15相连，铸模10的上型箱16和下型箱18在分型线22处相连并分别有下表面24和上表面26，在上下表面之间的对合部位形成一空腔20。冒口28从下表面伸到上型箱16的顶面30用于气体或蒸汽的排放通道以及在铸件凝固时用作一熔融金属的储存器来填充模腔20并尽量减少铸造轮子的显微疏松。在图6中示出铁路车辆轮子32的剖视图，这是从轮毂34到轮缘36的剖面图。在图示的方法中，金属熔池17中的熔融金属通过管15和注口14与模腔20相通，然后铸模10也可用其它方法。
下型箱18有上表面或型腔面26，该面除了在轮毂孔38处外是一连续不中断面。上表面26的形状刚好容纳轮子32的内面40的表面，这就可提供一比较光滑的轮面，由于重力的影响，疏松和孔洞出现的机会最少，在铸件冷却和收缩时，连续不断供应的热的熔融金属可以填充任何发展的孔洞，下型箱18是一高传热率的石墨模以加快铸件冷却从而提高生产率，此外，石墨模的磨损率比较小，石墨的侵蚀或剥落对铸铁或铸钢件的化学成分影响极小或没有影响，因为它作为碳溶解在铁水中或进入晶界与合金中的碳没什么区别。
如上所述，上型箱16与下型箱18在分型线22处叠合或配对，分型线22一般是上型箱和下型箱的外缘。在图2至图4中，上型箱16在其下表面24有一凸轮廓并与下型箱上表面26的凹轮廓对合从而形成模腔20，在图6中所示铁路车辆轮子外形中，较薄的轮辐40把轮缘36与轮毂34相连，就在接近外缘部分36，开设冒口28通入模腔20。冒口在上型箱16以及到铸模腔20的精确位置由设计者选择，但是在所述的铁路车辆轮子的实例中，冒口位置如图所示。
铸造业中，冒口28用来使模腔20与外界通气和用作热的熔融金属的储存器，在冷却时对铸件补缩，而铸件收缩会导致疏松或铸锭中管状缩孔，虽然在铸件内的疏松是一自然现象，不管它们是铸锭或是模铸件，疏松对制成品的结构完整是有损害，这些制成品可作铸件用或要经受二次加工。因而，轮子铸造业已继续在探索多种方法、装置和化学组成来改进轮子的生产。
在图1中的冒口28是带有侧壁52和耐火衬套54的一园柱形通道50，冒口28从顶面30通过上型箱16延伸到模腔20并分别与通道50的上端51和下端53的表面相贴合，更具体地说，衬套54与通道50的上端51和下端53的表面相贴合。在图2中，上型箱16的冒口28其未端在下表面24而在图3至图5，在表面24，上的扩孔56为衬套24提供了一扩大的衬座。在图示实施例中，衬套54可通过把粘结液或其它热敏反应物的耐火材料填入冒口28和扩孔56而形成。铸模10一般通过上一次的热金属铸件或把它予热到一定温度而使其升温超过室温以避免铸造中的问题，所提供的热量和温度足以使耐火混合料固化。在冒口通道50内的耐火材料允许在一定时间内结壳固化，在此时间内一定壁厚的耐火混合料变硬。随之，倾倒上模箱16排除余下的未固化的耐火材料部分而形成了一孔或通道50，但是在下表面24和扩孔56的耐火材料完全固化，这就要从通道50钻去或镗削耐火材料并在扩孔56上打开孔58。在图中，耐火材料充填的扩孔56表现为垫圈或环形座，在铸件冷却时，该环形座充当优良的绝热体。
历来的下断实践已研制出可提供许多附加冒口28以促使铸件显微疏松减少，结构更完整，这尤其适用于要求结构的整体与运行安全相结合的铁路车辆轮子的的制造业上。这样就研制出另一种可供选择的用于生产柴油机车车轮的铸造，该种铸造利用增加冒口数量来补偿冷却铸件时的收缩并且尽量减少成品铸轮内的显微疏松。这种用增加冒口数量的铸造成功地降低了显微疏松结构。然而在邻近的填充耐火材料的扩孔56之间存在热梯度。该热梯度的出现归因于衬套与石墨模10的耐火材料之间的热传导率的差异。因此，在图2的凹槽带60形成在下表面24以尽量减小每对相邻扩孔56之间的热梯度。有几个图内，凹槽带60完全绕着下表面24延伸且表现为一系列连结相邻扩孔56的弧62。在一最佳实施例中，如图2所示，凹槽带60在其根部64为园弧为的是每次铸模加热后易于去除耐火材料，但是凹槽带的精确断面形状并不限制。
为了在下表面24上准备和加工凹槽带60之方便，图7所示，在刀刃72上有一定半径的刀具70可用作机加工刀具，在下表面24上加工出凹槽60且加工到所要求的深度并使其凹槽根部64有一园弧形。在凹槽60加工出后，凹槽带60和冒口通道50都填充添加粘结剂的耐火材料以便同时进行固化。随后，上型箱倒置以排除未固化的耐火材料，通过钻孔、冲压或其它方法打开孔58，以提供穿过上型箱16中的冒口28的开口连通。
更具体地说，上下模面24和26的轮廓各自在铸模面上加工出，因为，作为可重复使用生产多个铸件的半永久模-石墨模对磨损和侵蚀是敏感的。随后，铸模要拆开，上型箱16和下型箱18各自固定在车床或铣床或其它机床(未示出)的夹头上，对上下表面24和26进行再加工以便随后的使用和铸造。用于加工表面24和26上各种轮廓的刀具可装在一钻杆上，同样刀具70可装在此种钻杆止，在相邻冒口28之间的表面24上开出弧形凹槽60。
在操作中，铸模10总的看来与前几代铸模差不多，而后，在下表面24上与扩孔56相结合的凹槽带60对模腔20的熔融金属来说表现为一连续的耐火或绝热环。所以能够预料，在扩孔58和冒口28周围区域的热冷却效果将会更均匀并防止出现一些热梯度的冷却效应，其结果使铸件更均匀冷却以及防止铸件产生显微疏松。在冷却后，铸件可用常规方法取出，而铸模上型箱16和下型箱18可用符合普通铸造厂的办法处理即把耐火材料从型箱内排除。
显然对本发明的唯一具体实施例进行叙述和示出，但很显然对此可作出各种修改和选择，本专业的一般技术人员都明白可对该实施例作某些改变。因此有意在下面附属的权利要求内包括所有这些修改和选择，使得都落在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一用于铸造金属的石墨模，该铸模有一上型箱和下型箱，合在一起则其间限定了一模腔，上述下型箱有一注口和一在其内限定有一第一轮廓的上表面；上述上型箱有一第二轮廓的下表面，上述上型箱和下型箱可合在一起提供相互邻接的上下表面以限定一在第一和第二轮廓之间的模腔，上述上型箱有一外表面和至少二个在上述外表面和下表面相通的冒口；一凹槽限定在各上述冒口的上述下表面内；一砂衬设置在上述各冒口和上述凹槽内；一凹槽带设置在相邻凹槽和冒口之间的上述下表面以容纳砂衬来尽量减小凹槽和冒口之间铸模的传热。
2.按照权利要求1所述的石墨模，其特征在于上述上型箱有若干冒口，上述凹槽带在相邻的各冒口和凹槽之间延伸。
3.按照权利要求2所述的石墨模，其特征在于上述冒口是具有第一截面直径的园柱通道，上述凹槽带在上述下表面处的宽度至少等于上述通道直径。
4.按照权利要求1所述的石墨模，其特征在于上述金属是一铁基材料。
5.一用于铸造铁路车辆轮子的石墨模，上述铸模有一具有上表面的下型箱，上表面有一第轮廓在其内，一具有顶面和其内有第二轮廓的下表面的上型箱，在上下型箱匹配时，第一和第二轮廓对准而限定一模腔，上述上型箱至少有二个在顶面和上表面、空腔之间相通的冒口;一在上述下表面中的凹槽带，该带在上述下表面的相邻冒口之间延伸。
6.按照权利要求5所述的用于铁路车辆轮子的石墨模，其特征在于它还有在上述上型箱中的至少十个冒口，该冒口是具有截面直径的园柱形，并开在所述下表面上，凹槽带设在下表面内并在各对邻近冒口之间延伸。
7.按照权利要求6所述的石墨模，其特征在于上述凹槽带在下表面处的宽度约等于上述直径。
8.按照权利要求7所述的石墨模，其特征在于上述凹槽带有一上述下表面限定的带深，其深度约等于上述直径之半。
9.按照权利要求7所述的石墨模，其特征在于上述凹槽带有一半径约等于上述直径之半的半球截面。
10.按照权利要求5所述的石墨模，其特征在于它还有一在下表面上各冒口处的扩孔，上述凹槽带在各相邻扩孔之间相通。
11.按照权利要求10所述的石墨模，其特征在于它还有在一各冒口内由绝热材料制成的衬层，该绝热材料还设置在各扩孔和凹槽内，以提供一在上述下表面处比较连续的表面。
全文摘要
在一铸模内，所充填的耐火材料部分设置在相邻冒口座之间以对熔融金属提供更均匀、更可控制的冷却、以减少在铸件内的显微疏松。
文档编号B22D27/04GK1069917SQ92104658
公开日1993年3月17日 申请日期1992年6月15日 优先权日1991年8月30日
发明者约翰·L·帕里克 申请人:阿姆斯泰德工业公司