CN100389904C - 半固态模铸方法 - Google Patents

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Abstract

将一种金属合金加热至熔融状态，并且可以向其中加入晶粒细化剂。将该细化的熔融合金注入立式模铸机(10)的大直径压射腔室(86)内并且在压射活塞(88)之上。压射腔室被转移到注射工位，同时冷却熔融合金到具有大约百分之五十的固体和球状、基本非树枝形的微观结构的半固态浆液。浆液的中央部分(A)由活塞通过浇口(62)注入到型腔(50)，而外部的更固化部分(S2)被收集在环形收集槽(63)内。浆液固化后，收回压射活塞，压射腔室移到要去除余料(B)的位置。填充有熔融合金的第二压射腔室(86)传送到金属转送工位(82)，而重复上述过程。

Description

半固态模铸方法
技术领域
本发明涉及金属合金的半固态模铸(SSM)以及用于SSM的设备和方法，这在许多美国和外国专利中，例如在美国专利No.3,954,455、No.4,434,837、No.5,161,601和No.6,165,411中披露了。
背景技术
在技术出版物例如在由North American Die Casting Association于2001年10月出版的题目为Science and Technology of Semi-Solid MetalProcessing一书中也描述了SSM。该出版物的第4章作者为本发明的共同发明人。在传统的SSM工艺中，必须使用具有适当微观结构的经特殊处理的预铸坯或者在模铸机之外的设备中用熔融金属专门制备出的浆液。与在使用之前必须锯成定长的预铸经特殊处理的坯料或在模铸机之外的设备中专门制备出的浆液相关的成本费用已经严重限制了这些SSM工艺的工业应用。还有，可获得预铸坯的来源相对较少，当前仅仅由原始合金制成，并且生产废料不能重新使用，除非重新加工成坯料。
还有，SSM提供了一些重要且非常理想的特征。与传统模铸不同，采用SSM工艺生产出的模铸件可以基本上没有孔隙地生产出，它们能够承受高温热处理而不会形成气孔，它们可以由优质合金制成，并且它们在采用适当的合金和热处理制成时提供可靠的高强度和延展性。因为半固态浆液的触变性质和相对粘性的触变浆液在铸模中流动的非涡流方式，所以该SSM能够生产出具有薄断面、细节和复杂性很大并且尺寸公差较小的铸件，且不会夹杂进在传统模铸过程中常见的孔隙和氧化物。
发明内容
本发明涉及一种新的SSM工艺或方法，它明显降低了由SSM工艺生产零部件的成本。本发明的方法理想地适用于生产具有薄断面、细微细节复杂性和精密的尺寸公差的零部件，并且它基本上没有孔隙和氧化物，可以在高温下进行处理而不会形成气孔，并且可以提高可靠的高强度和延展性。本发明的方法避免生产在使用之前必须锯成定长的经特殊处理的预铸坯的需要，也不需要在模铸机之外的设备中从熔融合金中专门制出的浆液。本发明的方法还可以适用于很多种合金，例如标准A356合金和Al-Si、Al-Cu、Al-Mg和Al-Zn系合金，所有这些都可以按照常规铸锭的形式和正常价格获得，包括主和副来源。
根据本发明的一个实施方案，将市售固体金属或金属合金的铸锭例如铝合金铸锭加热至熔融状态。如果没有永久晶粒细化，则例如将由Elkem Aluminum，AS生产出的被称为SiBloy的铸造合金、由许多供应商生产出的α铝晶粒细化材料例如5:1::Ti:B母合金或由Metallurg生产出的被称为TiBloy的产品以适当的量加入到熔融合金中以在固化合金产品中实现细小晶粒。直接将晶粒细化的熔融合金直接浇注进立式模铸机或压机中的大直径压射缸或腔室。压射腔室容纳有形成压射腔室的底部的可垂直运动的压射活塞，该压射腔室的直径大于其深度或轴向长度。在本发明的优选实施方案中，压射腔室的直径以2∶1或更大的比例大于其深度。然后使压射腔室从初始填充位置旋转至位于模具下面的浆液注入位置。使得该熔融合金在压射腔室内冷却至预定温度范围，在该温度范围内它形成具有40％至60％固体的半固态浆液，固态成分具有一种球状大体上为非树状微观结构。紧挨着压射腔室或压射缸和压射活塞的部分浆液变得明显更冷并且更固化。
当在目前处于在模具下面的浆液注入位置中的第一压射腔室的中心部分内的半固态浆液已经冷却至它具有40％至60％固体的预定温度范围时，通过机械促动器或液压压射缸使该压射活塞向上运动，穿过一个或多个浇口或浇铸管口将在压射腔室的中央部分内的半固态浆液转送或注入进在位于压射腔室上方的模具中的一个或多个型腔中。通过使浇口或浇铸管口与压射缸壁适当间隔开或者通过将更固化部分收集在用来使浇口或浇铸管口与型腔连通的浇口板中的环形凹槽内来防止位于压射缸附近的浆液的更固化部分进入型腔。因此，浆液的更固化部分保持在残余固化余料中。在半固化浆液在型腔中固化之后，压射活塞回缩以收回未经浇口触动的余料。然后将压射腔室转送或旋转回到其初始填充位置，在那里从压射腔室和活塞中横向除去与浇口在一起的余料，然后该压射腔室准备重复该循环。在模具打开之后，将这些工件排出，然后旋转到要将它除去的位置，并且该模具准备重复该循环。
在处于其压射位置中期间相对于第一压射腔室进行的上述浆液形成、浆液输入和浆液固化步骤的过程中，处于初始填充位置中的第二压射腔室同样已经填充有晶粒细化熔融合金。当第一压射腔室和其活塞转移或旋转回到用于除去余料的初始填充位置时，第二压射腔室和熔融金属旋转至模具下面的金属转移或浆液注入位置，并且正好像第一压射腔室一样，完成浆液形成、浆液注入和浆液固化的过程。再一次重复操作该过程。
从下面的说明书、附图和所附权利要求中将了解本发明的其它特征和优点。
附图说明
图1为贯穿用来实施本发明的方法的立式模铸机的垂直剖面图，显示出模具组处于其打开位置中；
图2为在图1中所示的半固态浆液转送或注入位置或工位的放大分解剖视图，显示出模具组处于其闭合位置中；并且
图3为在将浆液中心部分转送或注入到在图2中所示的型腔中之前的半固态浆液的金属温度分布的示意图。
具体实施方式
参照图1，立式模铸机或压机10其结构类似于在授权给本发明申请人的美国专利No.5,660,223中所披露的压机，该压机10包括由一对平行间隔开的通过顶板16刚性连接的垂直侧壁或板14、一基板或底板18以及一组都刚性固定在侧板14上的中间横板或杆22和24形成的框架12。顶部横板16支撑着具有在该压机的垂直中心轴线上向下伸出的活塞杆32的上双向作用液压夹紧缸30。活塞杆32承载着一衬板34，该衬板支撑着具有向下伸出以支撑着承载有一组顶杆39的板38的活塞37的液压推顶器缸36。
上模具或模具部分40(图2)通过环形固定板41固定在板38的底部上，并且具有一对容纳相应芯部构件43的凹槽42。下模具或模具部分45在圆形分度或转送台48内凹入，并且形成一对型腔50，这对型腔与芯部构件43协作形成根据本发明方法生产出的相应金属件P。转送或分度台48安装在由固定在框架构件54内的一组轴承53支撑的轴52(图1)上。台48承载着多个例如至少两个下模具部分45，并且由接合着台48上的周边齿56并且由步进马达(未示出)驱动的小齿轮(未示出)旋转或转换角度。浇口板60设置在底部模具部分45下面，并且形成一对稍微成锥形的浇口或浇铸管口62，每个型腔50一个。浇口板60还形成有一环形金属收集槽或沟槽63。要理解的是，在相应模具部分40和45内所要模铸的工件P只是显示出用于举例说明。这些工件P可以为与所要求的模铸物品相对应的任意尺寸或形状。
圆柱形垂直柱状件或立柱66固定在安装在基板18上的板67上并且向上伸出，以通过安装在立柱66的顶部毂上的一组减摩擦轴承69支撑着可旋转圆形台68。台68支撑着多个或一对径向相对的具有平行垂直轴线的圆柱形压射缸70。台68还由安装在横杆或板22和24上的推力轴承72支撑。台68还具有周边齿轮齿74，它们接合着安装在电动步进马达(未示出)的垂直轴上的小齿轮(未示出)。步进马达的促动用来使台68逐步或以180°的增量转换角度，以便使这对压射缸70在熔融金属接收或注入工位80和位于模具部分40和45下方并且与夹紧缸30轴向对准的金属注入或转送工位82之间交替出现。
每个压射缸70形成有用于容纳相应压射活塞88的圆柱形压射腔室86。每个压射活塞88的上端部具有一对横向延伸并且逐渐变窄的燕尾槽92并且压射活塞杆94从每个活塞88向下伸出。每个压射缸70和每个活塞杆94设有内部通道87(图2)，冷却流体或水通过该内部通道循环穿过这些缸和活塞88以便冷却熔融金属并且形成金属余料B，这些通道具有由浇口62形成的连接成一体并且向上伸出的浇口棒。
双向作用液压压射缸95在转送工位82下面安装在固定在基板18上的隔板96上，与液压加紧缸30的轴线垂直对准。压射缸95包括一活塞和向上伸出的活塞杆98，并且浇口板99固定在活塞杆98的上端上。另一个双向作用液压压射缸110明显小于压射缸95，并且通过垫块112安装在板67上。该压射缸110包括一活塞和活塞杆114，并且导板116固定在活塞杆114的上端上。导杆118从板116向下伸出并且穿过安装在压射缸110上的导块121以防止板116和活塞杆114转动。当压射缸位于金属接收或浇注工位82处时，压射缸110设置成与每个压射缸70垂直轴向对准。
一对相对的固定或连接板126固定在导板99和116中每一个的上表面上。每组连接板形成用于可滑动地接收形成在每个压射活塞杆94的底部上的向外伸出圆形凸缘128的内外相对底切狭槽。因此当台68和压射缸70以180°的步位转换角度时，压射活塞杆94交替地与活塞杆98和114连接。
在用来实施半固态模铸方法的立式模铸机或压机10的操作中，将市售的永久晶粒细化合金例如由Elkem Aluminum AS生产出的SiBloy铸锭或非永久晶粒细化合金例如标准A356铝铸锭或Al-Si、Al-Cu、Al-Mg或Al-Zn族合金铸锭加热至熔融状态。优选的是，当非永久晶粒细化合金的熔融是在预定温度例如650℃或更高下进行时，将根据制造商的建议的优选熔体对母材的合金比加入α铝晶粒细化材料例如由Metallurg生产出的以商标TiBloy销售的铝硼母合金。晶粒细化步骤在采用永久晶粒细化合金例如SiBloy时是不必要的。在熔融晶粒细化合金其温度下降至大约为626℃或在621至632℃的范围内之后，将该熔融合金浇注到位于在压射缸110上方的浇注或装填工位80处的立式压射腔室86。优选的是，该压射腔室86其直径明显大于其深度或轴向长度，例如其直径超过6英寸，例如7.5英寸，并且其深度小于6英寸。
使封装着熔融合金的压射缸70转换角度至转送或注入工位82同时进行冷却。使得熔融合金在压射腔室86中能够冷却至这样的温度范围，从而产生出具有40％至60％固体例如大约50％固体以及一种球状非树状微观结构的半固态浆液。例如，使得A356铝合金冷却至570℃至590℃的温度范围15秒或更长，该时间为从它进入该温度范围至压射或注入时间的时间。当在转送工位82处在压射腔室86已经将合金冷却至这个温度时，合金的温度分布近似于在图3中所示的分布，其中合金的中央部分A具有基本上均匀的温度，而靠近压射缸70的合金的周边部分由于压射缸的冷却作应而明显更冷。
随着模具部分40和45在气缸30的促动作用下处于其闭合位置(图2)时，注入或压射缸95促动以使压射活塞88向上运动。这通过浇口或浇铸管口62将在合金中央部分A(图3)内的半固态浆液S1向上转送以形成具有所要求的球状大体上为非树状微观结构的工件P。在压射腔室内的浆液S2的靠近该压射缸70的更固化外部收集在环形槽63中并且防止了它进入浇铸管口。
在工件P正在型腔50内固化的同时，将另一批熔融金属炉料浇注进位于浇注工位80处的第二压射腔室86中。当在型腔50中的工件固化时，压射缸95启动以使活塞88和残余固化合金材料或余料在压射腔室86内回撤并且在下模具部分45和浇口板60的界面处将在浇口或浇铸管口62内的金属从工件P处剪掉。然后通过使台68转换角度到将在压射腔室86内的包括熔渣的残余固化金属或余料B转送至余料除去工位或金属浇注工位80。在该工位处，活塞88升高至通过流体液压缸(未示出)横向排出余料B的高度处。在工件P完全固化之后，通过气缸30的促动使上模具部分40向上回缩，同时气缸36启动以用销39排出或释放出这些工件。然后台48转换角度以将这些工件P转送到工件除去工位，在那里通过机械手(未示出)将这些工件提升并且除去。然后重复进行用于半固态模铸的上述方法步骤以连续地模铸出另一组工件。
从这些附图和上面的说明中可以看出，根据本发明用立式模铸机半固态模铸工件的方法具有理想的特征和优点。例如，本发明的方法能够生产出没有孔隙的模铸件，并且可以进行热处理以提供可靠的高强度和延展性。因此，这些工件具有薄壁部分，并且重量更轻，和/或可以是具有紧公差的复杂模铸件。该方法还可以延长模具部分的使用寿命，因为注入的浆液其温度比完全熔融的金属低并且由于浆液在注入时已经大致为50％的固体所以熔化热更小，所以模具部分接收到更少的显热。还有，由于模具需要在过程中吸收少得多的热量，所以整个循环时间可以降低，从而获得更加高效的工件生产效率。
本发明的半固态模铸方法还消除了要制备专门的坯料或专门的浆液以及制作设备的相当大费用，并且能够重新使用过程碎料和废料。也就是说，通过采用可以晶粒细化的一般纯金属铸锭或金属锭，从而本发明的方法明显降低了用于半固态模铸的输入材料的成本。作为另一个特征，压射腔室的大的直径对深度比和压射缸和压射活塞的受控冷却用于实现对在压射腔室的中心部分中的半固态浆液S1内的合金进行所要求的冷却和温度分布。环形收集槽63也用来防止在压射腔室壁或缸附近的更固化合金S2进入浇铸管口62并且流进这些型腔50。压射活塞88的大于其直径的短行程也用于宽范围的型腔填充速率，例如当对具有薄壁部分的工件要求快速填充速率或对于具有后壁部分的工件要求较慢的填充速率时。压射缸和活塞的直径优选为6英寸，并且可以更大例如24英寸以便模铸出更大直径的SSM工件例如汽车车轮或框架构件。
虽然在这里所述的方法和设备形式构成了本发明的优选实施方案，但是要理解的是，本发明并不限于所述的精确方法和设备形式，在不脱离如在所附权利要求中所限定的本发明的精神和范围的情况下可以在其中作出各种改变。例如，虽然立式模铸机10装有旋转分度台48和68，但是可以采用具有其它形式的转送装置的立式模铸机，例如用于底部模具部分的往复滑动台或用于单个压射缸的倾斜机构。

Claims (6)

1.一种在由位于立式模铸机上方的模具构成的型腔内模制高强度金属工件的方法，该模铸机包括液体冷却的第一压射缸，所述第一压射缸具有大体上垂直的轴线并且包围可以在第一压射缸内轴向运动的液体冷却的第一压射活塞，所述第一压射缸和第一压射活塞形成位于该第一压射活塞上方的第一压射腔室，该方法包括以下步骤：
将固态金属加热以形成熔融金属；
利用晶粒细化剂对熔融金属进行处理；
将熔融金属引导进第一压射腔室并限制该熔融金属以使其水平宽度显著大于其垂向深度；
将第一压射腔室内的熔融金属冷却至一预定温度范围，同时第一压射腔室内的熔融金属具有的水平宽度显著大于其垂向深度，以便将熔融金属固化为具有预定百分比的固体的半固态浆液，该半固态浆液还具有球状且总体上非树枝形的微观结构；
使第一压射活塞在第一压射腔室内向上运动以通过至少一个浇口将半固态浆液从第一压射腔室射入型腔中；和
使得该半固态浆液在型腔内固化以形成金属工件。
2.如权利要求1所述的方法，其中，将第一压射腔室内的熔融金属冷却为半固态浆液，同时熔融金属具有的水平宽度至少是其垂向深度的两倍。
3.如权利要求1所述的方法，还包括下述步骤：
在第一压射腔室上方形成朝向向下的环形收集槽，该环形收集槽与第一压射缸的内表面大体上轴向对齐；并且
响应于第一压射活塞的向上运动将半固态浆液的靠近第一压射缸的更固化的外部收集在收集槽中。
4.如权利要求1所述的方法，其中熔融金属为A356铝合金，并且在第一压射腔室内冷却至570℃至590℃的温度以形成半固态浆液。
5.如权利要求1所述的方法，其中在第一压射腔室内将熔融金属冷却，以形成具有40％至60％的固体的半固态浆液。
6.如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：
将熔融金属引导进通过由第二压射缸接纳第二压射活塞而形成的第二压射腔室，并且限制熔融金属以使其水平宽度显著大于其垂向深度；
在将半固态浆液从第一压射腔室射入型腔中之后，将第二压射缸和活塞与第一压射缸和活塞互换；并且
使第二压射腔室内的熔融金属冷却，同时在第二压射腔室内的熔融金属的水平宽度显著大于其垂向深度。
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