专利名称：薄膜金属型铸造设备及其铸造方法
技术领域：
本发明涉及一种薄膜金属型铸造设备及其工艺方法，主要用于铸造铝和铝合金的铸件，其壁厚大于5毫米；使用特定的铸造工艺方法，属于铸造设备和铸造工艺的技术领域。
现有的铸造方法可使金属熔体快速有序结晶，在铸型接纳金属熔体以后逐渐浸入冷却介质中，这一类方法虽可使金属熔体实现快速有序结晶，但无法分型、铸型只能一次性使用，因此只能铸造形状简单的铸件，另外采用金属型铸造、压铸、低压铸造等，由于型壁厚重，热容量大，所以金属熔体在铸型中的热流方向呈紊乱状态，不能实现有序结晶。
中国专利87102954“薄壁金属铸型铸造法”如
图10，包括上铸型50、下铸型51、压边圈52、坩埚53、升液管54、进气管55、浇注箱56、液态低熔点金属57等。采用金属薄板或金属网制成铸型1、2，利用低熔点金属57承受铸造熔体的压力，吸收和传导热量，起支撑和激冷薄壁铸型作用的液态低熔点金属在浇注前后或在浇注过程中适时进入浇注箱内，铸件冷却以后，液态低熔点金属排出浇注箱，然后将充满凝固浇注金属的薄壁铸型从浇注箱内取出并脱型，主要缺点是该发明在铸型薄壁化以后并设有出现快速有序结晶的特征，以液态低熔点金属57作冷却介质，对铸造金属的热扩散速度与硬模铸造相似，液态低熔点金属57对铸造熔体的热扩散方向的影响没有提出任何特定的方法，也就是该发明对快速有序结晶无积极效果；当铸件高度达到一定数值时，液态低熔点金属57对铸型50、51的支撑作用只能在液态低熔点金属57与铸造熔体同步上升并保持一定的压头差时才能实现，否则铸型将受到铸造熔体的压力或液态低熔点金属57的负压而产生很大的塑性形变及弹性形变，另外，当铸件大到一定程度时，纵向分型和多次分型均极困难，因此该发明在铸件形状或单件规模上都受到很大的限制。
本发明的目的是要提供一种薄膜金属型铸造设备，它可以克服上述的缺点，实现快速结晶以及有序结晶，主要用于铝或铝合金的铸造。
本发明的另一目的是要提供使用薄膜金属型的铸造方法，它可以结合薄膜金属型铸造设备，可有效地控制注前型温，薄膜金属型还可以分型；而且铝熔体在系统内热平衡以后仍处于液体状态。完全消除补缩冒口，提高金属收得率。并使铸件通体是细密的等轴晶状。
本发明的目的是这样实现的，采用薄膜金属型，其厚度在0.2～3mm之间，薄膜金属型可以分型，适合于铸造铝和铝合金铸件，而不拘其形状复杂程度；薄膜型沿分型面延伸形成合型副，合型副继续延伸形成型沿。合型副依托于型相与骨条共有的刚性平面。
薄膜金属型置于型箱之中，在薄膜金属型与型箱之间装有顶板和拉杆，拉杆一端固定在薄膜金属型上，另一端以螺纹方式拉紧在型箱上，顶板内侧缘与薄膜金属型相关部位的外轮廓相吻合，并处处触实，顶板外侧与型箱固定，型箱可以是一个整体，也可以由多块箱板组合而成，这时顶板被夹持在两块相邻的箱板之间。
两块相邻顶板间形成垂直方向通道，至少有一个喷嘴可以自由地在通道中运动，其速度可以调整、喷嘴是将冷却介质自下而上循序地供给薄膜金属型外表面，以便实现快速有序结晶，在薄膜金属型上端装有加热器，它把流动的气体传热介质传递给薄膜金属型，使薄膜金属型受到加热。
当铸造具有空腔的铸件必须采用壳状型芯时，薄膜金属型与型芯共同构成型腔，加热器可同时对型芯也进行加热。
在采用上述铸造设备铸造铝及其合金时，其工艺方法是薄膜化铸型-装型-型内壁喷涂涂料-合型-控制注前型温-浇注-系统内热平衡-自下而上地向薄膜金属型喷射冷却介质-脱型。
铸型薄膜化可以使它的热容量很小，使熔体的结晶过程成为可控状态。控制注前型温可以进一步限定薄膜金属型的吸热量，因此在系统内热平衡完成以后，铸造熔体与薄膜金属型进行一个预定数量的热交换，该预定数量的热交换完成以后，薄膜金属型吸收的熔体热量不足以使熔体结晶仍处于液态。
图1为薄膜金属型铸造设备示意图。
图2为图1的A-A剖视图。
图3为图2的B-B剖视图。
图4为顶板和拉杆示意图。
图5为图4的C-C剖视图。
图6为组合式型箱局部剖视图。
图7为图6的K向视图。
图8为铸造设备实施例示意图。
图9为图8的D-D剖视图。
图10为现有技术示意图。
兹结合附图对薄膜金属型铸造设备及其工艺方法详细叙述。
由图1，薄膜金属型1用金属薄膜制成，其壁厚限定在0.2～3毫米之间，材质是不锈耐热钢、炭素结构钢、低合金结构钢，例如4Cr9Si2,1Cr18Ni9Ti,Q235A,25,16Mn等。型箱11与薄膜金属型1之间排布多个顶板3和拉杆2，顶板3的内侧缘与薄膜金属型相关部位的外轮廓相吻合，顶板内侧缘的加工精度应能使它与薄膜金属型相关部位可以处处触实，顶板3外侧与型箱11相固定，拉杆2一端固定在薄膜金属型1上，另一端以螺纹方式固定和拉紧在型箱11上，型箱11底部是封闭状态时必须有冷却介质排出口4，薄膜金属型分型面上具有可以使铝熔体形成波流的浇道4，铸件15的结晶界面6沿喷嘴12移动方向推移，各喷嘴12的运动步骤和速度由一个程控系统13统一控制。
薄膜金属型可以分型，它沿分型面延伸形成合型副5，再延伸至型箱11之外形成一型沿6，与合型副有关的顶板17具有一骨条9，型箱11在分型面外周有箱辋8上，合型副依托于型箱11、骨条9共有的刚性平面M，一对合型副利用型箱与骨条传递的合型压力形成密合面。
图2是图1的A-A剖视图。
薄膜金属型1位于型箱11的中央位置，四周分布多个喷嘴12，拉杆2一端固定在薄膜金属型1上，另一端以螺纹方式固定于型箱11上，薄膜金属型1有浇道14，浇道14设计在分型面上，浇道底部有与浇道连为一体的合型副5，浇道14两边设置保温材料18，可使浇道内的熔体滞后结晶。
图3是图2的B-B剖视图。
在合型副5周围的顶板17具有双重的功能，一方面可以具有支持薄膜金属型1的作用，另一方面可以固定骨条9，顶板17、骨条9、型箱11，三者构成一体后加工得到刚性平面M，为了不阻碍冷却介质供给薄膜金属型1，顶板17的排布方向须与冷却介质的喷射方向一致，型沿6利用压条7固定的箱辋8上。
图4是顶板和拉杆的示意图。
图5是图4的C-C剖视图。
顶板3的内侧缘呈尖薄状态，拉杆2的直径趋小选择，这样可减小顶板3和拉杆2与薄膜金属型的接触面积，使通过顶板3和拉杆2传递的熔体热量也因而减少，相邻的顶板3之间可以加置稳定板19。
图6是组合式型箱局部示意图。
图7是图6的K向视图。
型箱11可由多块横截面为匚形的箱板20组成，2块相邻的箱板20用螺栓螺母加以紧固，顶板3被夹持在两块相邻的箱板20之间，顶板3上设置长形孔21，便于调整顶板与薄膜金属型1处处触实。
图8是薄膜金属型铸造设备的实施例示意图。
图9是图8的D-D剖视图。
底座24，型芯29都固定在铸床25上面，如果型芯29足够大，可以在适当的位置设置芯头27，芯头27上面置有带有支点的零件26，该零件26与芯头27共同作用，进一步稳定型芯29。
当铸件28具有空腔时，必须安置壳状型芯29，这里薄膜金属型1实际上有2次分型，附图8中表示一次分型，而图9中表示了另一次分型，在薄膜金属型1的合型副5和底座24之间装有柔性石黑垫圈30，在常温下柔性石黑具有塑性，因此相应的合型副5就不需要依托刚性平面。合型操作系统10在合型时要完成2个动作，首先以水平方向的推力来实现图9中表示的分型，其次再以垂直方向的推力来实现图8中表示的分型。
在图8中，薄膜金属型1上端装有一个以气体为传热介质的加热器23，加热器23和气体加热堆(图中未表示)及型腔共同组成管道回路。在管道回路中设备一个高铝质或陶瓷质或金属的风扇22，以驱动气体传热介质在该回路中流动，加热堆把气体传热介质加热到500-900℃，以对流的方式把热量传递给薄膜金属型1和型芯29，通过实践证明空气作为传热介质是非常适用的，加热器以机械方式可以与薄膜金属型进行对接或脱离，图中无标注箭头表示传热介质的流动方向。
在相邻2块顶板3之间的垂直方向通道内，至少有1个喷嘴可以无阻碍地在通道内作升降运动，在铸件开始结晶时，所有的喷嘴12都处在与薄膜金属型底端齐平的水平面上，喷嘴的数量应该使冷却介质可以涉及薄膜金属型所有的散热面，在铸件需要多个喷嘴时，这些喷嘴可以同步地以相同速度上升，也可以异步地以不同的速度上升，这就需要根据铸件各部位所处的空间位置以及壁厚进行选择。
使用薄膜金属型铸造设备的铸造工艺方法如下，在壁厚为0.2～3mm的薄膜铸型1四周分布一定数量的喷嘴12，铸件15的结晶界面16沿喷嘴的移动方向推移，使结晶界面16以上的液相区始终保持高于液相点的温度，主要使薄膜化的铸型，其热容量限定在很小的数值，控制浇注前型温进一步限定了薄膜金属型吸热量，因此在浇注系统热平衡完成以后，薄膜金属型吸收的熔体热量不足以使熔体结晶，熔体仍处于液态，要准确控制热交换量，必须准确控制薄膜金属型的浇注前温度，可按下式公式控制其温度。
Tx=A[T1-0.5 (δ2)/(δ1) (T2-T1)]；其中Tx-薄膜金属型注前受控温度(绝对温度K)T2-熔体的铸造温度(绝对温度K)T1-熔体的液相点温度(绝对温度K)δ2-铸件最小壁厚(毫米)δ1-薄膜金属型壁厚(毫米)A-修正系数(1.1～1.25)从上述公式求出Tx数值，是铝熔体与薄膜金属型热交换的间接量化反应，也就是将注前型温控制在Tx值上，系统内热平衡完成以后熔体可以处于液相点温度以上。这个系统是指铸造设备中能直接或间接吸收熔体热量的零件与熔体的总和，当铝熔体注入薄膜金属型以后，该系统内发生一个预定数量的热变换，在达到热平衡以后，剧烈的热交换就停止，结晶界面以上的液相区在冷却介质涉及以前始终保持为液体状态，直至铸件通体结晶完毕。在实际生产中，T1、δ2、δ1的数值都是给定的，根据y=f(x)，设令Tx=f(T2)，所以Tx值是以T2为自变量的因变量，δ1值在本发明限定范围以内，对于(T2-T1)之值限定为30℃～80℃之间，A之值限定为1.1～1.25之间。
修正系数A对四个因素进行综合修正，由于在系统内热平衡完成以后，熔体温度不可能准确地处于理论的液相温度点上，利用A进行修正，可使熔体处于高于液相点温度的一个范围之内；在热平衡完成以后，该系统虽然停止了剧烈的热交换，但薄膜金属型外围件以及空气仍要继续吸收或传递一些熔体热量，其数值亦由修正系数预以修定；另外对熔体的铸造工艺温度和环境温度的测定控制，均会发生一些误差，也须加以修正，其次是公式Tx=A[T1-0.5 (δ2)/(δ1) (T2-T1)]；是建立在熔体焓值的减量与薄膜金属型焓值的增量相等的基础上的，设铸件体积为S2×δ2，薄膜金属型体积为S1×δ1，并假定S2是与S1相等，但是，随着铸件壁厚的增大，S2与S1的差值就越来越大，亦须加以修正，综合上述四个因素条件，A之值选为1.1-1.25以后，可以保证结晶界面以上的液相区在冷却介质涉及以前仍保持为液态。
在铸造厚壁零件时，也就是δ2/δ1比值足够大时，Tx值会低于环境温度，这时薄膜金属型由环境温度升到热平衡温度的焓增量全部由熔体供给，而且还有余量，因此可以使薄膜金属型取环境温度浇注，反之，当Tx值高于环境温度时，以气体传热介质向薄膜金属型加热到温Tx以后再进行浇注。
与现有技术相比，本薄膜金属型铸造设备和铸造工艺方法具有下列优点1.喷嘴以结晶线速度自下而上循序推进，结晶界面以上的液相区始终保持高于液相点温度进而实现有序结晶。
2.薄膜化的铸型并带有以钢性平面为依托的合型副，合型以后分型面对铝熔体有液密性，并阻断了冷却介质从分型面进入铸型的渠道，进而可以进行任意方向的多次分型，可以铸造任意形状的铸件。
3.铸型薄膜化，其热容量特小，使结晶过程中的热扩散可以处于可控状态，而铝熔体与冷却介质之间可以实现快速热变换达到快速结晶。
4.采用顶板和带骨条顶板的结构以及拉杆的组合，在铝熔体的铸造温度点上，薄膜金属型能够承受铝熔体压力而不致发生塑性变形。
5.所得铸件通体是细密的等轴晶，无针孔与疏松。
6.完全取消了补缩冒口，使金属收得率提高到90%以上。
实施例根据附图9、10，铸件28是铝合金的发动机缸体，其牌号为ZL108，液相点温度为640℃，熔体铸造温度为710℃，铸件最小壁厚为9mm，A为1.16；按公式Tx=A[T1-0.5 (δ2)/(δ1) (T2-T1)]计算，得到Tx值为286℃。
于是以700℃预热空气对薄膜金属型和型芯进行加热，当型温升到286℃时就可以浇注铝熔体，这时所有的喷咀12都位于薄膜金属型底端的水平面上，当型腔内浇注足够的铝熔体时，系统内的热平衡也已基本完成，届时或稍隔几秒钟，可通过喷咀12开始向薄膜金属型供给冷却水，喷咀的上升速度是与铸件的结晶线速度完全一致的，在结晶界面16与水平面夹角为45°时，结晶线速度的计算值是铸件下部较薄区段为12mm/秒，上部较厚区段为5mm/秒，喷咀分别以所在区段的结晶速度上升，直到铸件全部结晶为止。
权利要求
1.一种薄膜金属型铸造设备，它在型箱内置放薄膜型，其特征在于薄膜金属型(1)和型箱(11)之间排布顶板(3)和拉杆(2)，顶板(3)的内侧缘与薄膜金属型(1)相关部件的外轮廓吻合，且处处触实，顶板(3)外侧与型箱(1)相固定；薄膜金属型(1)沿分型面延伸形成合型副(5)，再延伸于型箱(11)外形成型沿(6)；顶板(17)具有骨条(9)，拉杆(2)一端固定在薄膜金属型(1)上，另一端以螺纹方式拉紧于型箱(11)上；薄膜金属型(1)四周分布有喷咀(12)；在薄膜金属型上端装有加热器(23)。
2.根据权利要求1所述的铸造设备，其特征在于骨条(9)和型箱(11)共有一个与分型面平行的刚性平面，合型副(5)依附在该平面上。
3.根据权利要求1所述的铸造设备，其特征在于型箱(11)可以由多块横截面为匚形的箱板(20)组成，相邻的箱板(20)用螺栓螺母紧固，顶板(3)就夹持在两块相邻的箱板(20)之间。
4.根据权利要求1所述的铸造设备，其特征在于拉杆(2)和顶板(3)之间焊接或粘接稳定板(19)。
5.一种薄膜金属型用于浇注铝及铝合金的铸造方法，该方法使用一个型箱(11)，型箱内固定薄膜金属型(1)，其特征在于a、采用薄膜金属型，其壁厚为0.2～3mm之间；b、控制铸前型温，使金属熔体注入薄膜金属型以后与薄膜金属型进行预定数量的热交换，该热交换完成后，熔体温度仍处在液相点温度以上，铸前型温Tx按公式Tx=A[T1-0.5 (δ2)/(δ1) (T2-T1)]；式中Tx-薄膜金属型注前受控温度(绝对温度K)T2-熔体的铸造温度(绝对温度K)T1-熔体的液相点温度(绝对温度K)δ2-铸件最小壁厚(毫米)δ1-薄膜金属型壁厚(毫米)A-修正系数；用预热空气为传热介质对薄膜金属型加热到温Tx；喷嘴以铸件相应部位的最快结晶线速度上升并向薄膜金属型外表面供给液态冷却介质。
6.根据权利要求5所述的铸造方法，其特征在于修正系数A选为1.1～1.25。
7.根据权利要求5所述的铸造方法，其特征在于T2-T1之值选定为30～80℃。
全文摘要
一种薄膜金属型铸造设备及其铸造方法，主要用于铸造铝或铝合金铸件，薄膜金属型与型箱之间装有顶板和拉杆，薄膜金属型沿分型面延伸形成合型副，薄膜金属型上部装有加热器，四周装有冷却介质喷嘴，型箱可以是整体或由许多箱板组成，主要控制注前温度，使铝熔体在系统热平衡以后仍处于液体状态，保证铸件实现快速有序的结晶。本发明所得铸件无针孔、无疏松、通体皆为细密等轴晶，金属收得率提高到90％以上。
文档编号B22D23/02GK1098345SQ9310924
公开日1995年2月8日 申请日期1993年8月6日 优先权日1993年8月6日
发明者孙继华 申请人:孙继华