CN101090784A - 浇铸铸件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种使用包括模具腔的模具浇铸铸件的方法，所述方法包括下述步骤：在与所述模具腔邻近的模具表面的至少一部分处提供一种含有卤素的化合物，将熔化的金属倒入所述模具腔中，允许所述金属冷却、固化，以及从模具中取出铸件。

Description

浇铸铸件的方法
技术领域
本发明涉及一种浇铸铸件的方法，特别是但并不是唯一地涉及一种沙模铸造铝合金发动机机体的方法。
背景技术
通常，发动机机体由沙模铸造铝合金制成。为了提供适当的低摩擦、耐磨的、往复运动的表面，在活塞于其中往复运动的发动机机体中的各个汽缸的表面加衬一管状铸铁衬套是已知的。此类衬套增加了发动机的重量，并由于铸铁的导热性比铝基合金低，使用此类衬套不利于发动机汽缸的散热。
因此，为了消除对铸铁衬套的需要，已经开发了各种在各汽缸内表面涂覆一种比铝更硬的金属以提供低摩擦、耐磨的、往复运动的表面的方法，这些方法包括电泳涂装、等离子转移电弧喷涂(plasma transferwire arc coating)和激光合金化。例如，US6548195中描述了铁涂层(ferrous coating)的等离子喷涂，US6390050和E01041173A描述了激光合金化的使用。遗憾的是，只有在相对平滑的基质上涂覆，这些方法才产生满意的涂层，甚至在加工后，沙模铸造发动机机体的表面仍具有相当数量的孔。
专利号为5931213的美国专利已经解决了此问题，该专利公开了一种浇铸铝发动机机体的方法，在该方法中，将圆柱状黄铜嵌件插入沙模中，该黄铜嵌件形成发动机机体中的汽缸。作为使用此种高传热率嵌件的结果，该嵌件周围的铝合金的冷却速率比模腔中别处的铝合金的冷却速率显著地高。因此，产生的铸件的孔在嵌件周围的量中得到显著地减少，并且一旦取走嵌件，可加工各汽缸的内部以产生适合使用上述提及的方法涂覆的表面。
然而，该方法具有许多缺点。取走黄铜嵌件可能有困难，特别是汽缸相对于发动机机体是倾斜的V形发动机中，并且在制造过程中增添了一额外的、相对地劳动密集的步骤。此外，黄铜嵌件易遭受机械损害，特别是在与熔化的铝合金反复接触后，机械损害已经引起黄铜退火和软化，因而必须定期地更换，这进一步增加了铸造过程的成本。
发明内容
根据本发明的第一个方面，我们提供了一种使用包括模具腔的模具浇铸铸件的方法，所述方法包括下述步骤：在与所述模具腔邻近的模具表面至少一部分处提供一种含有卤素的化合物(compound)，将熔化的金属倒入所述模具腔中，允许所述金属冷却、固化，以及从所述模具中取出铸件。
由于提供了此种化合物，在与模具相关部分邻近的铸件表面通过反应形成的多孔结构得以减少，并且一旦经加工后，该表面为电镀、等离子转移电弧喷涂等提供了一种合适的基质以产生低摩擦、耐磨的表面。
优选地，所述卤素为氟。涂覆物可以例如包括氟钛酸二钾。可选地，所述卤素可以为氯，例如可以为氯化钾-氯化镁低共熔物。
优选地，所述含有卤素的化合物提供在一涂覆物中，该涂覆物涂覆在形成至少部分模具腔的模具表面的至少一部分上。
优选地，所述方法还包括对铸件进行等静压的步骤。在此种情形下，优选地，所述方法还包括下述步骤：加热所述铸件至一温度，在该温度下，在施加等静压的同时整个铸件保持固态。
由于对铸件进行等静压，尤其是在高压下，大致消除了所述浇铸铸件内的内孔，这提高了铸件的机械整体性并且降低了在铸件加工过程中任何此类孔暴露在铸件表面的风险。
优选地，所述金属主要为铝。所述金属可以为铝-硅合金，并且优选为低共熔的铝-硅合金。
优选地，所述涂覆物被喷在模具表面上。
优选地，所述模具主要由沙制成。
所述铸件可以为发动机机体。在此种情形下，优选地，所述涂覆有涂覆物的模具部分形成发动机机体的汽缸。
根据本发明的第二个方面，我们提供了一种使用本发明的第一个方面的方法浇铸的铸件。
具体实施方式
现将参照附图描述本发明的一个实施方案，附图示出了根据本发明的制造铸件的方法的示意性描述。
在该实施例中，所述方法应用于由诸如下面详述的356或354合金的常规的低共熔的铝-硅合金制成的沙模铸造发动机机体10。
356合金
  元素     最低含量     最高含量     理想含量
  CuMgSiFeMnNiZnPbSnTiSrPNaCaSbLiAl和另外 0.4重量％6.5重量％------0.05重量％200ppm-----余量     0.2重量％0.6重量％7.5重量％0.5重量％0.3重量％0.1重量％0.10重量％0.10重量％0.05重量％0.15重量％350ppm20ppm20ppm100ppm200ppm2ppm余量     N/A＞0.5重量％＞7.00重量％N/A＞0.2重量％N/AN/AN/AN/A＞0.10重量％250ppmN/AN/AN/AN/AN/A余量的杂质
354合金
  元素   最低含量     最高含量     理想含量
  CuMgSiFeMnNiZnPbSnTiSrPNaCaSbLi   1.5重量％0.5重量％8.5重量％------0.11重量％200ppm-----     2.0重量％0.6重量％9.5重量％0.15重量％0.05重量％100ppm0.05重量％100ppm100ppm0.14重量％250ppm20ppm100ppm100ppm20ppm100ppm     1.80重量％0.55重量％9.00重量％0.10重量％0.000.000.000.000.000.12重量％225ppm0.000.000.000.000.00
  Al和另外   余量     余量     余量
的杂质
然而，应该可以理解：所述方法可以等同地应用于使用诸如铝-镁合金或镁基合金的任何金属或金属合金制造任何浇铸铸件。
模具12由使用常规的沙模铸造技术、由锆石或硅制造的第一模具部件12a和第二模具部件12b形成。然后，上部的模具部件12a的圆柱状部分用含有诸如氟的卤素的涂覆物14涂覆，所述上部的模具部件12a形成圆柱状腔，即发动机机体中的汽缸。在该实施例中，卤素为氟，且涂覆材料含有氟钛酸二钾粉末(K2TiF6)。可选择使用其它含有卤素的化合物，例如混合的氯化钾-氯化镁低共熔物、氟硼酸钾或氯化铝。
K2TiF6粉末与溶剂、诸如锆石粉末的填料以及胶凝剂混合。例如，涂覆材料可以包括60重量％的粉末(该粉末包括25重量％的锆石粉和75重量％的K2TiF6干碾磨粉)和40％的IPA溶剂。
涂覆物通常被喷在模具的表面上，但是也可以涂在模具上。可选择地，干的K2TiF6粉可以擦在模具表面上，或甚至以大约0.5重量％K2TiF6的水平直接添加至用于形成模具的沙中。
模具部件12a和12b然后被夹在一起以形成模具腔，随后熔化的铝-硅合金被倒入模具腔中，让模具冷却、直至合金已经固化。然后将如此浇铸的发动机机体10从模具12取走。
通常在诸如低共熔的铝-硅(Al-Si)合金的沙模浇铸过程中，氢离子从模具12迁移至与模具表面邻近的液态金属中。当熔化的金属固化时，溶解的氢从凝固前沿被注至剩余的液态金属中，这导致形成许多表面下的细长的微孔，这些微孔与铸件的表面大致垂直地延伸至铸件中，深度达3至4mm。合金中含有的锶被认为可以增强该过程。在浇铸铸件的加工过程中，通常从铸件表面除去小于3mm的材料，因此该加工过程使这些孔暴露在铸件的表面，这使表面不适合使用等离子转移电弧涂覆、电镀等类似的方法涂覆。
然而，在存在K2TiF6涂覆物时，该涂覆物减少了氢离子至熔化的合金中的转移，因此显著地减少了铸件表面和表面下的微孔。可以认为这是由于在氢离子溶解于熔化的合金中之前，涂覆物中的氟与氢离子进行了反应。从而，与涂覆物邻近的铸件的表面，在该实施例中为发动机机体的汽缸的内表面可以进行如上所述的加工和涂覆而不会产生对涂层的完整性具有有害影响的表面微孔。
然而，即使在使用K2TiF6涂覆物时，此类铸件仍然将带有内孔，该内孔的形成不是如上所述的与模具反应的结果，而是与沙模浇铸有关的相对较低的冷却速率的结果。在铸件的加工过程中，内孔可能暴露在铸件表面，因此除了表面微孔外，也希望除掉这些内孔。
因此，对如此浇铸的发动机机体进行使用常规的、商业上可以获得的热等静压(A1 HIPPING)工艺的热等静压，例如Bodycote DensalII工艺。在该工艺中，发动机机体置于一流体罐内，该流体罐被加热至接近合金熔点的温度，但是在该温度合金仍保持固态，例如该温度低于合金固相线温度40℃，且液体被加压，例如被加压至1000大气压。发动机机体通常在加压、加热的流体中保持45分钟至一个小时。
液压和高温的结合使内孔坍陷并且使原来环绕各孔的材料扩散结合。因此，内孔基本上被除去且铸件的机械完整性得到改善。从而，铸件可以加工成使内孔暴露在铸件表面的风险得以大大减少。
应该可以理解：由于承压液体会填满表面的孔且提供内支撑以防止孔内陷，热等静压不能用于修补表面微孔。此外，由于将各孔与铸件表面隔开的铝合金层相对较薄，且其在承压液体的压力下易于破裂，从而使内孔与承压液体接触、阻止孔周围的材料结合，因此热等静压在除去表面下的微孔方面是无效的。因此，为了解决表面/表面下的孔和内孔的问题，除了热等静压外，有必要使用涂覆有或含卤素化合物的模具。
热等静压后，就将铸件加工成需要的尺寸和表面粗糙度。在该实施例中，汽缸的内表面被加工成用于预备使用等离子转移电弧涂覆、电镀等类似方法涂覆低摩擦、耐磨的涂覆物。
当在说明书和权利要求书中使用术语“包含(comprises)”和“包括(comprising)”以及其变形时，这些术语指包括特定的特征、步骤或构成整体所必需的。这些术语不可理解成排除其它特征、步骤或部件的存在。
在前述说明书或下面的权利要求书或附图中公开，以特定形式或根据用于执行公开的功能的手段，或为获得公开的结果的方法或过程等表示的特征可以单独或以这些特征的组合形式以其多种形式用于实现本发明。

Claims (19)

1.一种使用包括模具腔的模具浇铸铸件的方法，所述方法包括下述步骤：在与所述模具腔邻近的模具表面的至少一部分处提供一种含有卤素的化合物，将熔化的金属倒入所述模具腔中，允许所述金属冷却、固化，以及从所述模具中取出铸件。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述卤素为氟。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于涂覆物包括氟钛酸二钾。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述卤素为氯。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于所述涂覆物包括氯化钾-氯化镁低共熔物。
6.根据前述任一权利要求所述的方法，其特征在于所述含有卤素的化合物提供在一涂覆物中，所述涂覆物涂覆在形成至少部分模具腔的模具表面的至少一部分上。
7.根据前述任一权利要求所述的方法，其特征在于所述方法还包括对所述铸件进行等静压的步骤。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于所述方法还包括下述步骤：将所述铸件维持在高温下，在所述温度下，在施加等静压的同时整个铸件保持固态。
9.根据前述任一权利要求所述的方法，其特征在于所述金属主要为铝。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于所述金属为铝-硅合金。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于所述金属为低共熔的铝-硅合金。
12.根据前述任一权利要求所述的方法，其特征在于所述涂覆物被喷在模具上。
13.根据前述任一权利要求所述的方法，其特征在于所述模具主要由沙制成。
14.根据前述任一权利要求所述的方法，其特征在于所述铸件为发动机机体。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于所述涂覆有涂覆物的模具腔表面的部分形成发动机机体的汽缸。
16.一种使用前述任一权利要求所述方法浇铸的铸件。
17.一种参照附图、基本上如本申请描述的制造铸件的方法。
18.一种参照附图和/或如附图所示、基本上如本申请描述的铸件。
19.参照附图和/或如附图所示、如本申请描述的任何新颖性特征或新颖性特征的组合。
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