专利名称：用于压铸高熔点材料的装置的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及压铸，更具体地说涉及一种压铸高熔点如超过2000°F(1093℃)的材料的装置。
高熔点材料，如镍基超耐热合金和钛基合金普遍应用于各种行业。通常，词语“超耐热合金”是指在高温如900°F及以上温度下具有高强度的材料。这样的典型材料是镍基合金、钴基合金和/或铁基合金。钛合金在要求重量轻和高度强-重量比的应用中采用。这些合金具有良好的耐腐蚀性及在达到如1000°F(538℃)的中等温度下保持良好的强度。
例如在燃气轮机中，一般在涡轮部分采用高熔点材料如镍基和钴基超耐热材料，有时在发动机的压缩机部分的后部，包括但不限于螺旋桨例如桨片和叶片，以及静止的和结构部件如塞环、壳体和密封圈也采用高熔点材料。这些材料的熔点一般超过2500°F(1371℃)。一种普遍应用于燃气轮机的镍基超耐热合金是因科镍合金718(IN718)，其主要成分重量百分比为碳(C)0.01-0.05、铬(Cr)13-25、钼(Mo)2.5-3.5、钶(Cb)(也指铌(Nb)+钽(Ta)为5.0-5.75、钛(Ti)0.7-1.2、铝(Al)0.3-0.9、铁(Fe)约21、其余基本上是镍(Ni)。IN718的熔点为2450°F(1343℃)。
一般也在发动机的冷却器部分如压缩机部分采用钛合金，包括但不限于螺旋桨如桨片和叶片，以及在静止的和结构部件如中部、压缩机壳体和压缩机隔板上采用钛合金。一般钛合金的熔点超过3000°F(1649℃)。一种广泛应用于燃气轮机上的钛合金是Ti6Al-4V(“Ti6-4”)，其成分为4-8w/o(重量百分比)的铝、3-5w/o的钒，其余为钛。对于较高温度的应用，如果需要改进其高温蠕变性能，可以使用Ti6Al-2Sn-4Zr-2Mo(“Ti6-2-4-2”)，其成分为5-7w/o(重量百分比)的铝、1.5-2.5w/o的锡(tin)、3.0-5.0w/o的锆、1.5-2.5w/o的钼，其余一般为钛。其它钛合金包括Ti8-1-1和铝化钛。Ti8-1-1的成分为7-8.5w/o的铝、0.5-1.5w/o的钼和0.5-1.5w/o的钒，其余一般为钛。通常，铝化钛主要是按化学分子式计算的钛和铝量组成的，如TiAl和TiAl3。除了上述性能外，这些材料应该至少能够形成相对复杂、三维形状如螺旋桨，并且特别在中等温度下应该抗氧化。
在燃气轮机行业，用锻造来生产具有复杂三维形状的部件如桨片和叶片。
简要来说，为了锻造像螺旋桨这样的部件，将材料锭坯变成坯段形状，对于桨片和叶片来说一般是圆柱形，为了使材料塑性变形成为所要求的部件形状，然后进行热加工处理，如在模具和/或锻锤之间加热和冲压几次，逐渐形成类似于所要求的形状。一般锻压模具可以加热。每个部件通常进行热处理以得到所要求的性能，如硬度/强度、消除应力、阻止裂纹伸展和特定水平的HCF抗力，如需要提供精密形状、几何尺寸和/或表面性能的部件的话，也可进行精加工，如机加工、化学研磨和/或介质抛光。
通过锻造方法生产部件是一种昂贵、费时的工艺，因而它一般仅保证要求有特别平衡性能的部件，如在室温和中温两种情况下的高强度、低重量和耐久性。至于得到锻造材料，某些材料要求长的交货时间。一般锻造包括一系列操作，每个操作要求单独的模具和相关的设备。锻后进行精整操作如机加工桨片的根部和进行适当的表面处理，构成生产锻件总成本的重要部分，包括必须丢弃锻件的重要部分。
在锻造锻件期间，许多原料(达85％，这取决于锻造尺寸)被去掉，没有成为最终锻件的一部分，即，加工损耗。生产的锻件形状的复杂性仅仅增加了工作量和所要求制造的部件的费用，这对于具有特别复杂形状的燃气轮机部件正是需要考虑的问题。一些合金也具有弹性。锻造期间的特性在锻造期间应该计算进去，也就是说，锻件应该进行“过度锻造”(“overforged”)。如上所述，最终锻件可能仍然需要大量的锻后处理。此外，如果应用计算机软件来进行计算流体动力分析，产生更具空气动力效力的螺旋桨形状，这样的螺旋桨和部件甚至具有更复杂的三维形状。将钛合金精密地锻造成这些先进的更复杂的形状是很困难或不可能的，复杂形状还增加部件的成本或使得部件昂贵，在使用发动机的某些先进技术方面是不经济的，或者对一些部件形状采用特殊合金。
锻件可能含有难于检查的锻造缺陷。而且，也应考虑精确再现性-锻造不能使锻件与锻件之间的尺寸精确相同。在检查后，许多锻件还必须重新加工。通常，锻件必须报废或约20％的时间重新加工。此外，较新的、较先进的或高合金材料将增加锻造的困难(如果不是不可能的话)，并且相应地增加锻造费用。这些将仅涉及到采用较复杂的三维螺旋桨的几何形状。
铸造已经广泛应用于生产相当接近精确成形(near-finished-shape)的铸件。
将熔融金属注入具有要铸造铸件形状的型腔陶瓷壳里的熔模精密铸造，可以用于生产这样的铸件。然而，精密铸造产生巨大的晶粒，如ASTM0或更大(锻造可获得相对小的平均晶粒尺寸)，在一些情况下，整个铸件是一个单晶。此外，因为每个铸件用一个模具生产，这种加工工艺很昂贵。铸件与铸件之间非常精确尺寸的重复再现性很难达到。如果材料被熔化，特别是对于含有反应元素如钛或铝的材料，在存在气体的情况下浇铸和/或凝固，铸件可能具有不合需要的特性如夹杂和气孔。陶瓷壳的分裂也将导致夹杂和杂质的存在。
将熔融金属注入一多部分的、可重复使用的铸型，在重力作用下流入铸型的永久铸型铸造，一般也用于铸造部件。见由colvin提出的美国专利US5,505,246。然而，永久铸型铸造具有一些缺点。对于薄铸件如螺旋桨，重力可能不足以迫使材料进入较薄的部分，特别是在高熔点材料和低过热度的情况下更是如此，从而使铸型不能均匀充满，铸件肯定报废。尺寸公差肯定相对大一些，要求相应较多的铸造后续工作，可重复性很难达到。永久铸型铸造也导致比较差的表面精度，也需要大量的铸后加工。
将熔融金属在压力作用下注入一可重复使用的铸型的压力铸造，在过去已经成功应用于铸造较低熔点如低于2000°F(1093℃)材料的铸件。如前所述，例如在美国专利US2,932,865、US3,106,002、US3,532,561和US3,646,990中,传统的压铸机包括一安装(一般是固定)在一多部件模具压板上的压射缸，例如，一个具有固定和可移动压板的两个部件的模具，这两个压板共同形成一个模具型腔。压射缸呈水平、垂直或在水平和垂直之间倾斜放置。压射缸一般仅在其一端用模具固定，如，压射缸不嵌入部件中。压射缸与模具的横浇口连接，并包括一个在压射缸上浇铸熔融金属通过的开口。活塞在压射缸中可移动地放置，一驱动机构移动活塞并使熔融金属从压射缸进入模具。在“冷室”压铸机中，压射缸一般位于水平位置并且不加热。通常在大气状态下铸造，即设备不是定位于非反应环境中如真空室或惰性气氛中。
例如在美国专利US3,646,990中已经论述了这些压铸机的缺点，特别是不能使用这些设备铸造高熔点如超过2000°F(1093℃)材料的问题。注入压射缸的熔融材料仅占据和迅速地加热压射缸的较低部分。因此仅仅在压射缸的底部加热。因为压射缸一端受力变形，所以压射缸变形或“成弓形或香蕉形”。如果沿压射缸长度方向的纵向变形足够大，将阻止活塞在压射缸中的移动，从而导致装置的损坏。假设活塞和压射缸之间的公差是必要而紧密的，仅仅小的变形就能导致活塞与压射缸之间的粘结或损坏。这些变形一般随压射缸的外径、内径、长度、构成压射缸的材质、熔融金属与压射缸之间的温差、被熔融金属占据的压射缸部分(导致压射缸的不均匀加热)以及工艺周期(将熔融合金注入压射缸之间所花费的时间)而变化。已经认识到，参见′440和′990专利，这些变形是导致冷室压铸机不能用于压铸熔点在2000°F(1093℃)以上材料的主要原因。
热变形也影响压射缸的横截面形状。如上所述，压射缸一般是圆柱形状，因而具有圆形横截面(垂直压射缸长度方向观察)。当熔融金属注入压射缸时，压射缸较低部分(与熔融金属相接触的部分)相对于上部即压射缸很少加热的部分膨胀。压射缸是这样变形的，即压射缸的横截面形状变得有些椭圆形(包括一部分变得比未加热的压射缸小)，而活塞则保持较圆的形状，具有小的热变形。因此，压射缸形状和活塞形状就不匹配，如果不匹配相差很大，那么活塞就与压射缸粘在一起，或允许熔融合金从活塞与压射缸之间通过-即所谓的“泄漏”，从而导致装置不能工作或损坏。横截面变形一般随上述压射缸香蕉化的同样因素而变化。
此外，如果压射缸未加热或加热了但维持在低于浇注材料熔点的温度，熔融金属凝固在压射缸的内壁上而结皮或“结壳”，为了在压射缸中移动活塞来将熔融金属注入模具，活塞必须使压射缸上的结皮脱落和“破碎结壳”。然而，如果能形成一结构坚固的部件，如以由压射缸所支撑的圆柱体的形式，活塞和/或用于移动活塞的相关部件则会被损坏或破坏。
总之，普通的“冷室”压铸装置不能成功地用于生产高熔点例如Tm在2000°F(1093℃)以上的材料，如超耐热合金和钛合金的铸件。如专利′990所提出的，使用普通装置将导致压铸机不工作和/或损坏，同时造成铸件的质量低劣如含有杂质(例如，由于凝固的材料是随熔融材料注入的)，不能接受的气孔率，较低的强度和低的疲劳周期性能。
本发明的一个目的是提供一种用于压铸高熔点材料的装置，高熔点材料如镍基、钴基、铁基超耐热合金和钛基合金。
本发明的另一个目的是提供一种用于压铸具有难于而非不可能锻造的复杂三维形状铸件的装置。
根据本发明的一个方面，用于压铸高熔点(Tm在2000°F(1093℃)以上)和/或含有反应合金的材料的铸件的装置。该装置利用一限定模具型腔和含有至少两部分的可重复使用的模具。该装置的熔化部件熔化至少一次装料量的金属，例如足以充满模具型腔和相关的横浇口和直浇口的装料量。该装置还包括一段一般为水平放置的压射缸，该压射缸与模具连接并且具有带有内径和外径的圆柱形状。最好选择压射缸使其容积至少大于模具型腔容积(包括相关的横浇口、内浇口和余料的容积)的两倍，最好为三倍，且一般用如硬化的H13工具钢材料制造。在一些例子中，压射缸的容积等于或稍大于模具型腔的容积也是可以接受的。
压射缸外半径与内半径的比率(Ro/Ri)最好至少为1.3，更好为1.5。这样的组合可提供足够的熔融金属容积，也充分减小了当熔融金属部分充满压射缸时，压射缸热变形的趋势-沿长度方向的弓形化和横截面上的椭圆化，从而防止了压铸机故障。该装置的活塞部件用于将熔融金属从压射缸注入模具，同样作为转运机构将熔融金属从熔化部件转运到压射缸。
典型的高熔点合金包括钛合金(Tm一般在3000°F(1649℃)以上)、钴基和镍基超耐热合金(Tm一般在2400°F(1315℃)以上)。典型的反应合金包括钛合金和超耐热合金(Tm一般在2400°F(1315℃)以上)。
本发明的优点是可以使用以前认为不能用于铸造高熔点材料的普通压铸机来压铸高熔点材料铸件。
现在将参照附图，描述本发明的优选实施例。
图1表示使用本发明装置压铸的铸件；图2和图3表示根据本发明的压铸机的示意图；图4是图2装置的压射缸沿5-5线的剖面图，表示压射缸横截面的变形；图5是一个图表，表示当压射缸内局部充满熔融金属时，压射缸的变形随压射缸内外半径而变化；图6的图表与图5类似，表示压射缸横截面变形的趋势随压射缸内外半径而变化。
现在参考图1，由高熔点材料构成的并根据本发明压铸的超耐热合金铸件用数字10表示。在所示的实施例中，此铸件是一燃气轮机上的涡轮叶片10，它包括一螺旋桨12、平台部分14和根部16。如这里所采用的，高熔点材料是指那些熔点至少约2000°F(1093℃)，高达3000°F(1649℃)甚至更高。本发明可广泛应用于有不同用途的高熔点材料如镍基、钴基和铁基超耐热合金以及钛基合金，并不局限于任何具体的超耐热合金或燃气轮机部件。
如上所述，用于燃气轮机的典型镍基超耐热合金是因科内尔镍铬铁耐热耐蚀合金718(IN718)，其主要成分重量百分比为碳(C)0.01-0.05、锰(Mn)约0.4、硅(Si)约0.2、铬(Cr)13-25、钴(Co)约1.5、钼(Mo)2.5-3.5、钶(Cb)+钽(Ta)为5.0-5.75、钛(Ti)0.7-1.2、铝(Al)0.3-0.9、铁(Fe)约21、其余基本上是镍(Ni)。IN718的熔点为2450°F(1343℃)。也可采用其他合金，如IN713，其标准成分百分比为碳(C)0.025、锰(Mn)约0.4、硅(Si)约0.4、铬(Cr)12-16、钼(Mo)3-6、钶(Cb)+钽(Ta)为0.8-3.5、钛(Ti)0.7-1.3、铝(Al)5.25-6.75、铁(Fe)约1、其余基本上是镍(Ni)和钴(Co)。IN713的熔点为2300°F(1260℃)。沃斯帕洛尹合金(Waspaloy)是另一种可用于这种应用的材料，在美国专利US4,574,015和US5,120,373中以例子的形式披露。通常，沃斯帕洛尹合金的成分重量百分比为碳(C)0.02-0.15、铬(Cr)12-20、钴(Co)约10-20、钼(Mo)2-5.5、钛(Ti)3-7、铝(Al)1.2-3.5、锆(Zr)0.01-0.15、硼(B)0.002-0.05、其余基本上是镍(Ni)。沃斯帕洛尹合金的熔点为2400°F(1315℃)。
其他合金包括B-1900，其成分为铬(Cr)约8、钴(Co)10、钼(Mo)6、钽(Ta)4、铝(Al)6、钛(Ti)1、碳(C)0.1、硼(B)0.015和锆(Zr)0.1。参见如Sims和Hagel所著的“超耐热合金”(Wiley & Sons 1972)，第596-7页。钴基合金，如MAR-M-509也用于较高温度的应用。MAR-M-509的成分重量百分比约为铬(Cr)23.5、镍(Ni)10、钨(W)7、钽(Ta)3.5、钛(Ti)0.2、锆(Zr)0.5，其余基本上是钴。参见美国专利US3,647,517及Sims和Hagel所著的“超耐热合金”(Wiley & Sons 1972)，第596-7页。IN939是另一种镍基合金，可用温度约达1500°F，其成分约为铬(Cr)22.5、钴(Co)19、钼(Mo)6、铝(Al)2、钛(Ti)3.7、钨(W)2、钶(Cb)+钽(Ta)为3.3、碳(C)0.15、硼(B)0.005，其余一般为镍(Ni)。Gatorized Waspaloy是一种改进成分的沃斯帕洛尹合金(Waspaloy)，在强度和温度性能方面超过普通的沃斯帕洛尹合金。参见美国专利US4,574,015和US5,120,373，其成分重量百分比为铬(Cr)15.00-17.00、钴(Co)12.00-15.00、钼(Mo)3.45-4.85、钛(Ti)4.45-4.75、铝(Al)2.0-2.40。Gator Waspaloy合金也可能有少量的其他元素，如锆(Zr)0.02-0.12、硼(B)0.003-0.010、镁(Mg)0.0010-0.005。
如上所述，也可以采用钛合金，且其熔点一般超过3000°F(1649℃)。广泛用于燃气轮机上的典型合金是Ti6Al-4V(“Ti6-4”)，其成分为4-8w/o(重量百分比)的铝、3-5w/o的钒，其余为钛。对于较高温度的应用，需要提高其高温性能，可以使用Ti6Al-2Sn-4Zr-2Mo(“Ti6-2-4-2”)，其成分为5-7w/o(重量百分比)的铝、1.5-2.5w/o的锡(tin)、3.0-5.0w/o的锆、1.5-2.5w/o的钼，其余一般为钛。其它钛合金包括Ti8-1-1和铝化钛。Ti8-1-1的成分为7-8.5w/o的铝、0.5-1.5w/o的钼和0.5-1.5w/o的钒，其余一般为镍。铝化钛是以按化学分子式计算的钛和铝量组成的，其典型化合物是TiAl和TiA13。
现在参考图2和图3，本发明的装置用参考数字18表示。它可以制备出高质量的压铸件，重要的是在非反应环境中熔化材料，以防止对最终铸件质量可能有不良影响的反应、污染或其他情况的产生。因为在熔化环境中的任何气体可能被诱捕到熔融材料中，并导致压铸件中过多的气孔，我们最好在真空环境下熔化材料而不是在惰性环境下，如氩气环境下熔化材料。最好在与一真空源22相连的熔化室20中熔化材料，该熔化室内保持低气压，如小于100μmHg，最好小于50μm Hg。
我们最好熔化一次的装料量，因为熔化较小数量的材料比熔化较大数量的材料一般要快一些，且因为熔化较小装料量的熔化设备更容易设置在真空室内。特别是在材料含有反应成分的情况下，我们最好用感应炉重熔或熔化设备(ISR)24(induction skull remelting or melting)熔化高熔点材料，例如，由新泽西州Rancocas的Consarc公司生产的设备来熔化，它具有快速、清洁熔化用于铸造的单批装料量的能力，单批装料量如50磅(22.7公斤)。在ISR中，材料在一个坩锅中熔化，该坩锅由多个金属(一般是铜)条一个挨一个排列而形成的。坩锅由与电源26连接的感应线圈所围绕。金属条含有用于使来自水源并到达水源的冷却水(未示出)循环的通道，以防止金属条的熔化。由线圈产生的电场加热和熔化位于坩锅内的材料。此电场也使熔融金属搅动或搅拌。一薄材料层在坩锅壁上凝结并形成结壳。通过适当选择坩锅和线圈以及施加到线圈上的功率水平和频率，就有可能促使熔融材料离开坩锅，进一步减小熔融材料对坩锅壁的冲击。
因为在材料熔化和将熔融材料注入到模具中需要一定的时间量，所以材料熔化要有一个有限制的过热度-足够高以保证材料在注入前至少基本上保持熔融状态，但要足够低以保证在注入后快速凝固，能够形成小的晶粒，且也能使压铸装置上的热负荷降到最小(特别是装置上那些与熔融金属相接触的部分)。一般原则，对于高熔点材料我们一般限定在熔点以上其过热度在约200°F(111℃)以内，最好小于100°F(55℃)，小于50°F(28℃)更好。我们发现，在1或2秒内浇铸和注入熔融材料的过程，使具有未加热压射缸的压铸机工作得良好。
如果我们希望用一个ISR设备装多批料，该材料可以用其他方式熔化，如采用真空感应熔化(VIM)和电子束熔化，只要熔化的材料不是明显被污染即可。此外，我们不排除在真空环境下熔化大量的材料，如一次熔化多批装料量，然后将单批量的熔融材料转运到用于注入进模具的压射缸中。然而，在真空熔化材料的情况下，用于转运熔融金属的任何设备一般都必须具有承受高温的能力并位于真空室内，因此真空室应该相对大一些。附属设备使费用增加，相应大的真空室将花费较长时间来抽气，从而影响了循环周期。
为了将熔融材料从坩锅中转运到装置的压射缸30中，安装坩锅使其可以平移(图3中箭头32)并相对于浇铸轴线可以转动(图2中箭头33)，该坩锅又与一马达(未示出)连接，该马达用于转动坩锅将熔融材料从坩锅中通过压射缸30的浇口35来进行浇铸。坩锅的转运发生在熔化材料的熔化室20和压射缸所在的单独真空室34的位置之间。浇铸室34也保持为非反应环境，最好是气压小于100μm的真空环境，更好是气压小于50μm的真空环境。熔化室20和浇铸室34可能由一阀门或其他适用的部件(未示出)隔开，以减小在一个室暴露在大气中例如在某室中加入一组分时真空的损失。虽然图示实施例包括分开的熔化室和浇铸室，但是在一个室中进行熔化和浇铸也是可能的。为了减小某一特定部件必须暴露在大气中如维修熔化部件压射缸或移走铸件时真空环境的损失，我们最好采用单独的真空室。
压射缸30一般是用硬化的H13工具钢制成的。我们已经测定上述压射缸热变形问题能够消除，使得这样的压铸机可以用于铸造熔点超过2000°F(1093℃)甚至3000°F(1649℃)的材料。此应用很大程度上取决于内外半径之间的关系。如图4所示，当压射缸是圆柱形时，例如冷却时，压射缸具有一内半径Ri和一外半径Ro。如图中虚线所示，当熔融材料浇注到压射缸较低的部分时，较低部分相对于上部膨胀和变形，或基本上使压射缸成“椭圆形”。形成的椭圆(非圆形)形状一般可以分别用长轴Ma和短轴Mm表示。压射缸的过度椭圆化和压射缸纵向的变形(在图2中虚线所示)是使得这样的装置以前不能用于压铸高熔点材料的主要原因。下面将论述能进行这样压铸的压射缸的参数和设计。
压射缸最好这样选择，使其容积至少大于铸模型腔体积(包括额外的容积，例如与铸件相连的浇道和金属块)的两倍，最好至少三倍。对于要注入的给定材料体积，使用具有较小内(和外)半径的压射缸，需要使用较长的活塞行程(并因此用较长的注入时间)，因为对于气缸来说，其容积一般与活塞行程/长度有关，且容积＝π×Ri2×行程/长度。最好压射缸内径与外径的比率(Ro/Ri)至少约为1.3，更好约为1.5。我们已经测定，这样的组合可提供足够的熔融材料体积，特别是当压射缸仅部分充满熔融材料时，而且可充分减小压射缸热变形的趋势(图2中虚线所示)-沿长度方向呈弓形而在截面上呈椭圆形(图4)，因此可避免压铸机的堵塞。令人惊奇的是，能使此压铸机用于压铸高熔点材料如超耐热合金和钛合金的上述组合，在降低成本上很重要。在使用钛的浇铸重量大约为7磅(3.2kg)的原型压铸机上的研究工作显示，最佳内半径至少为1.5英寸(38mm)、最佳外半径至少为2.25英寸(57mm)。虽然上述压射缸尺寸对可估算的熔融材料重量来说是优选的，但是对于压射缸半径的临界比率和对于一个较宽范围的熔化和浇铸重量，可以概括为压射缸几何形状。虽然可以使用较小的压射缸尺寸，如内直径小于1.5英寸(38mm)，但是为避免结壳，特别是在熔融材料是钛的情况下，压射缸的充满程度必须保持在大约50％以下。如果所示压射缸30是非加热的，但是，为了维持压射缸在一些要求如减小温度方面的目的，压射缸可以连接有加热部件(未示出)以减小当熔融材料注入压射缸时所引起的热冲击或压射缸的热平衡。相反地，可以冷却压射缸以移走热量并保持较低的温度。在某些例子中，可以使用双重材料压射缸或复合压射缸以保持热平衡。
如上所述，熔融材料从坩锅24中通过浇口35转运到压射缸30中。压射缸30与多部件、可重复使用的模具36连接，该模具限定了一模具型腔38。将足够量的熔融材料浇铸到压射缸中以充满模具型腔，模具型腔可以包括一部分或多于一部分。我们已经成功地在一次压铸中铸造了多达12部分，如用一有12个型腔的模具。
图示模具36包括两个部件36a、36b(但也可包括多部件)，例如在形成压缩机叶片或燃气轮机叶片时，它们共同合作形成了模具型腔38。模具36也最好与真空源直接相连，且也通过压射缸与真空源相连，以使模具在熔融材料注入之前抽真空。模具也可以位于真空室内。模具的两部分36a、36b的一部分一般是固定的，而另一部分可相对于那部分移动，例如通过一液压机构(未示出)移动。模具最好包括推顶销(未示出)以便于将凝固的材料从模具中推出。模具也可包括一用于当材料还热时从模具中移走铸件的脱模机构(未示出)，以进一步减小模具上的热负荷及减小铸件的凝固收缩应力。
模具可以用各种材料构成，它应该有良好的热传导率(能使熔融材料快速凝固并得到细的晶粒)，能抵抗来自熔融材料注入时的腐蚀和化学冲击。一个可能的材料的全面清单将是很大的，包括的材料有金属、陶瓷、石墨、陶瓷基复合材料和金属基复合材料。对于模具材料，我们已成功采用工具钢如H13和V57、钼和钨基材料如TZM和Anviloy、铜基材料如高硬度的铜铍合金“Moldmax”、钴基合金如F75和L605、镍-铁基合金如IN100和Rene95、铁基超耐热合金如IN718及低碳钢如1018和1030。模具材料的选择对于生产压铸件的经济性很关键，并取决于所铸铸件的复杂性和数量，也取决于组件的现行成本。
每种模具材料具有这样的特性，即，使之适合于不同的应用。对于低成本模具材料，由于容易进行机加工和制造模具，我们优选低碳钢和铜铍合金。对于较高成本和较高容积应用来说，由于其在较高温度下具有良好的强度，优选难熔金属如钨和钼基材料。钴基和镍基合金和高合金工具钢在这两组材料之间提供了一个折衷方案。也可以采用利用涂层和表面处理来增强装置的性能和成品的质量。在操作期间，模具也可以连接到一冷却液源例如水，或加热源例如油(未示出)上，以控制模具的温度。另外，也可将模具润滑剂施加到模具的一个或多个选定的部件上和压铸装置上。任何润滑剂一般应能改善所得压铸件成品的质量，更具体来说应能抵抗热损坏，使之不要污染所要注入的材料。
将熔融金属从坩锅24转运到压射缸30中。将足够数量的熔融金属注入压射缸中以便仅部分充满压射缸，但随后充满模具。如前所述和如图4所示，压射缸的填充量优选小于50％(用虚线50表示)，最好是小于40％(用虚线52表示)，更好是小于30％-33％(用点划线54表示)。在一些例子中，如材料为IN718时，完全充满压射缸也是可接受的。
注入部件如活塞40与压射缸30合作，液压或其它合适部件(未示出)在箭头42的方向上驱动活塞，使活塞在实线所示位置和虚线所示位置40′之间移动，从而将熔融材料从压射缸30中注入型腔38中。在实线所示位置，活塞和压射缸共同限定了一个容积，如上所述，该容积基本上大于要注入的熔融材料的体积量。因为压射缸仅局部充满，所以凝固在压射缸上的任何材料或外壳仅形成一个部分圆筒，如一开放的弓形表面，它在金属注入期间易于剥落或破碎，再进入到熔融材料中。对于一些材料，其凝固范围足够大，因此其外壳的形成减小，可能较全部充满压射缸。
现在参考图5和图6，我们已经测定外半径和内半径之间的关系，半径本身是能使传统冷室压铸机可以用于生产高熔点材料铸件的关键。图5和图6是基于3100°F(1704℃)的熔融材料和压射缸充满25％的情况而做出的。图5表示外半径和内半径(Ro/Ri)与压射缸沿长度方向变形趋势之间的关系，是指上述纵向变形或“香蕉形化”(见图2中用虚线所示部分)。通常，较少的纵向变形或香蕉形化对应于减小的堵塞可能性。当外半径和内半径的比率接近1.0时，如压射缸有一个较薄的壁，部分充满的压射缸的变形明显增加。当比率超过2.0时，变形趋向于相对小一些，其数量级小于0.005英寸(0.127mm)。如果此变形太大，我们认为所发生的变形大于0.005英寸(0.127mm)(对于12英寸(305mm)的压射缸来说)，那么将由于活塞的损坏而使活塞堵塞在压射缸中，从而致使压铸机不工作。
如图5和图6所示，对于具有约1英寸(25mm)内半径的压射缸来说，我们推荐外半径与内半径的比率至少为1.3，外半径至少约1.3英寸(33mm)。对于具有约1.5英寸(38mm)内半径的压射缸来说，我们推荐外半径与内半径的比率至少为1.3，最好为1.5，外半径至少为2.25英寸(57mm)。对于具有约2英寸(51mm)内半径的压射缸来说，我们推荐外半径与内半径的比率至少为1.7，外半径至少为3.4英寸(86mm)。虽然使用小的内半径(小于1英寸(25mm))的压射缸将导致对压射缸更多的变形阻抗，但是为了减小压射缸“结壳”(canning)，使用的这些较小压射缸必须与控制压射缸充满程度的要求相适应。因而，我们推荐外半径与内半径的比率位于每个曲线“拐点”的右边。
图6表示当压射缸部分充满熔融材料时，外半径和内半径(Ro/Ri)与压射缸椭圆化趋势之间的关系，例如，当压射缸部分充满和熔融材料沿压射缸的较低部分停留时，压射缸圆柱形截面有变成非圆或椭圆的趋势。当外半径和内半径比率接近1.0时，由于部分充满熔融材料(小于50％)，压射缸的变形或椭圆化明显增加。当比率超过2.0时，变形趋向于相对小一些，其数量级小于1.5％，这大约在每条曲线的拐点位置。当熔融材料充满压射缸的较低部分，较低部分的膨胀超过上面的部分，使压射缸椭圆化，该椭圆一般可用具有一比原始尺寸(半径)稍大的长轴和一比原始尺寸(半径)稍小的短轴来表示。如果此椭圆化太大，也就是，短轴变得较小于活塞的半径，圆柱形活塞将在椭圆形压射缸内卡住，或熔融材料从活塞和压射缸之间通过(“泄漏”)，从而导致压铸机不能工作。因此，我们推荐，外半径与内半径的比率应位于每条曲线“拐点”的右边。对于具有约1英寸(25mm)内半径的压射缸来说，我们推荐外半径与内半径的比率至少为1.3，外半径至少为1.3英寸(33mm)。对于具有约1.5英寸(38mm)内半径的压射缸来说，我们推荐外半径与内半径的比率至少为1.3，最好为1.5，外半径至少为2.25英寸(57mm)。对于具有约2英寸(51mm)内半径的压射来说，我们推荐外半径与内半径的比率至少为1.5，外半径至少为3英寸(76mm)。
压射缸应能承受纵向变形和横向椭圆化。另外，压射缸应该具有一定的容积，该容积足以接收熔融材料，充满程度(最好)小于33％，并且活塞的行程不能太长(注入将花费太长的时间，压射缸中的熔融材料将会凝固)。因此，对于如刀片和叶片的压铸件(如，Ti6-4材料的装料量约7磅(3.2kg))，我们采取一种折衷方案，使用的压射缸内半径为1.5英寸(38mm)，外径与内径的比率约为1.5。
根据本发明的压铸装置具有很大的优点。本发明可以使用“冷室”压铸机来生产高熔点材料的铸件，如Tm超过2000°F(1093℃)甚至超过3000°F(1649℃)。本发明可以压铸这样材料的铸件。而且可以在一次铸造中生产多个铸件，从而减小每个铸件的生产成本。
虽然上面相当详细地描述了本发明，但是在不脱离本发明精神或下面权利要求的范围下，可以做出多种变化和替换。因此，应该理解的是，上述对本发明的描述是对本发明的说明而非限定。
权利要求
1.一种用于生产材料熔点超过2000°F的铸件的压铸装置，该装置包括一熔化部件(24)，用于熔化至少一个批次的装料量；一多部件、限定模具型腔的模具(36)；一通常为圆柱形的压射缸(30)，该压射缸(30)与模具(36)流体连通，并用于接受来自熔化部件(24)的熔融材料，压射缸具有外半径(Ro)和内半径(Ri)；及一活塞部件(40)，该活塞部件密封压射缸并沿活塞行程与压射缸(30)可移动结合，用于将压射缸(30)中的材料压入模具型腔(38)；其中对于给定压射缸内半径Ri，选择外半径与内半径的比率(Ro/Ri)，以便当熔融材料注入压射缸时使压射缸(30)的热变形最小。
2.根据权利要求1所述的装置，其中热变形包括气缸沿长度方向的挠曲和压射缸圆柱横截面的变形。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中还包括用于给熔化部件(24)、模具(36)和压射缸(30)提供减压环境的部件(22)。
4.根据权利要求3所述的装置，其中减压部件分别对熔化部件(24)、模具(36)和压射缸(30)提供减压环境。
5.根据前述任一权利要求的装置，其中材料的熔点超过3000°F。
6.根据前述任一权利要求的装置，其中内半径(Ri)至少为1英寸(25mm)。
7.根据前述任一权利要求的装置，其中比率(Ro/Ri)至少为1.25。
8.根据权利要求7所述的装置，其中所述比率(Ro/Ri)至少为1.5。
9.根据权利要求8所述的装置，其中内半径(Ri)至少约为1.5英寸(38mm)。
10.根据前述任一权利要求的装置，其中所述模具(36)是由从低碳钢、铜铍合金、钨基合金、钴基合金和钼基合金组中选择的材料制成的。
11.根据前述任一权利要求的装置，其中所述压射缸(30)是用H13工具钢制成的。
12.根据前述任一权利要求的装置，其中所述模具(30)限定了一模具型腔容积(38)，压射缸(30)限定的容积至少为模具型腔(36)容积的两倍。
13.根据前述任一权利要求的装置，其中还包括一用于控制压射缸温度的部件。
14.一种用于压铸装置的一般为圆柱形的压射缸(30)，压射缸(30)具有至少25mm的内半径Ri，外半径Ro与内半径Ri的比率至少为1.3。
15.一种用具有一圆柱形压射缸(30)的装置压铸高熔点材料的方法，该压射缸具有一内半径(Ri)和一外半径(Ro)，其中，选择半径(Ro和Ri)和Ro/Ri比率，使得压射缸(30)的纵向变形保持低于0.005英寸(0.13mm)和/或压射缸(30)的椭圆化保持低于1.5％。
全文摘要
一种用于生产如超耐热合金和钛基合金熔点超过2000°F材料的铸件的压铸装置,包括一用于熔化至少一个批次装料量的熔化部件,和一多部件、限定模具型腔的模具。一通常为圆柱形的压射缸与模具连通,并接收来自熔化部件的熔融材料。压射缸具有外半径Ro和内半径Ri。该装置还包括一活塞,该活塞密封压射缸并与压射缸可移动结合。活塞移动将压射缸中的材料压入模具型腔。选择半径Ri,Ro和外半径与内半径的比率Ro/Ri,以减小压射缸的热变形。
文档编号B22D17/20GK1260254SQ99127818
公开日2000年7月19日 申请日期1999年12月23日 优先权日1998年12月23日
发明者约翰·J·希拉, 戴维·W·安德森, 小约翰·J·马辛, 埃伯哈特·普里维泽, 杰弗里·W·塞缪尔森, 约翰·S·图 申请人:联合工艺公司