CN101146634A - 提高定向凝固的铝铸件的排热的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高铝合金发动机缸体或其它大型或复杂铸件的质量和机械性能的方法和装置，其通过仅在所述铸件的位置提供由可溶粘结剂粘合的砂型，由此期望定向凝固的快速冷却和/或提高局部的机械性能，所述模型此外在其余位置仅由更加典型的不可溶粘结剂粘合。

Description

提高定向凝固的铝铸件的排热的方法和装置

技术领域

本发明涉及使用砂型的铝合金铸件的制造，尤其是相对大型和/或复杂的铸件的制造，例如制造高质量的汽车发动机的铝缸体。

背景技术

由美国专利No.5297611和其同族No.5477906可知，生产铝合金缸体，其中在冷却过程中在铸件中形成热梯度以通过利用导热插入件(其功能为散热片并且在工业中通称为“激冷铸型”)提高砂型中的铝合金溶液的控制凝固。为了达到散热片的功能，激冷板具有至少在低于铝合金的凝固温度的温度开始的物质(通常为铁)。由此促进在与新铸造缸体接触的激冷铸型的表面开始的缸体的初期凝固。典型地放置激冷铸型以沿朝向熔融金属源的方向，通常在缸体的相对端，进行定向凝固。这样避免在缸体通向熔融金属源(其堵塞防止充满铸件的凝固过程中由冷却带来的收缩而引起的有害孔隙)的区域中过早凝固。使用这种激冷铸型有助于生产高质量发动机体，因为铝熔液以更加有秩序的的方式凝固由此有助于消除这种经常在允许缸体在所有方向无控制地凝固时产生的孔隙和伴随产生的缩松。

尽管现有技术建议能够将激冷铸型和热芯与外部散热片或其它排热装置连接以此保持在整个凝固阶段中从铸件中进行持续的排热，但是所述专利对于实施这种排热的实际方式是不清楚的。他们指出一些手段，用于从凝固的熔体持续散热以此发展并保持强有力的热梯度，对于获得定向凝固是必要的，并且教导了获得这种冷却的两种通用的方式：(a)通过设置具有冷却翼的激冷板(如需要，其能够与加压的冷却空气或雾接触)增大激冷铸型的排热区；以及(b)设置允许水循环以冷却激冷铸型的穿过该激冷铸型的通道。

这些和其它目前所使用的激冷铸型的确为促进定向凝固提供了装置。然而，申请者已经发现，能够通过谨慎地控制在凝固铸件的特殊区域上选择性的进行直接水的冲击来实现更加快速和更好控制的定向凝固，并随之提高铸件的质量。这样通过使用由可溶性粘结剂形成的砂型和/或砂芯可以部分完成，所述粘结剂至少部分由水喷射去除以冷却并直接在铸件选择的新凝固的金属表皮上快速开始进行，由此获得铸件的更大的热梯度并更快速的冷却，因此改善了缸体的凝固并强烈地以期望的方向推进。

在最近公开的美国专利申请No.2004/0050524A1(2004年3月18日申请的、题为“Mold-Removal Casting Method and Apparatus”)中披露了这种改进的一部分。该申请和在该文本中引用的所有专利或其它文献，以及在该申请的所有引用文献中引用的或参考的文献，都在此结合引用。在该申请中所参考的合并的文献或此处的其它教导可以用在本发明的实践中。

然而，2004/0050524公布的教导和公开内容仍保留明显的缺点。典型的可溶性粘结剂成本高并且具有较低的所需的模制特性。此外，难于控制冷却水(或溶剂)特别应用到复杂铸件的精确限定和确定的区域(需要在冷却的位置实现最高的有效控制以获得冷却以及由此控制的凝固进展的最佳的和定向的精度并且由此获得所期望的高质量产品)。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种在砂型中铸造具有较高质量的铝合金发动机缸体的新工艺和装置，并且由此克服在目前公知的工艺中遇到的缺陷。

本发明的另一个目的是提供一种在砂型中铸造铝合金发动机缸体的新工艺和装置，其中通过利用流体冷却剂与所述铸件的精密的部位进行接触来提高凝固铸件的热排放量从而使熔融金属液的凝固以预定的方向进行。

通过下面的优选实施例和附图的描述，将指出本发明的其它目的或使其清楚。

提高铝合金发动机缸体或其它大型或复杂铸件的质量和机械性能的方法和装置，仅在所述铸件的要求用于定向凝固的快速冷却和/或提高局部的机械性能的位置处设置由可溶粘结剂粘合的砂型，同时所述砂型在其余位置仅由更典型的不可溶粘结剂粘合。

本发明包括提高铝合金发动机缸体或其它大型或复杂铸件的质量和机械性能的新工艺和装置，仅在所述铸件的要求用于定向凝固的快速冷却和/或提高局部的机械性能的位置处设置由可溶粘结剂粘合的砂芯，同时所述砂型在其余位置仅由不可溶粘结剂粘合，并且在所述工艺中，利用溶剂流接触所述部，所述溶剂流通常为水，开始仅去除由可溶性粘结剂粘合的砂型的那些部，由此所述冷却溶剂仅去除可溶部并且精确地可选择地接触所述铸件，由此提供最终提高局部控制的集中冷却，同时保持由使用较好确定的不可溶粘结剂而典型地获得的较高质量和较小费用的优点。

能够有利地利用保持在适当位置的具有相对低导热性的不可溶砂型以保护相对铸件的其余部延迟凝固的冷却铸件的那些部。

此外，不可溶部定位于关键点以在硬化时支承铸件，同时允许有效地去除模型的其它部以促进冷却(全部在没有不足以支承冷却铸件的滑动或变形的危险下)。

彼此相对和/或相对溶剂流和铸件的相对的可溶部和不可溶部的精细地成形有助于进一步提高冷却控制，例如通过使溶剂流呈漏斗状和使可溶部的侵蚀定时。

附图说明

图1是表示本发明的优选实施例的具有砂型和砂芯的铝合金发动机缸体的正视图。

图2是图1所示的其中一个可溶性芯部的侧视图的示意图，示出多个冷却喷水口，其每一个直接进入在所述芯部中预先形成的中空部以准备冲走所述芯部(以此在凝固初始阶段快速开始缸体上的直接冲击，但具有有效的延迟以保证所需的对熔融金属的支承直到冷却有效地凝固铸件的表面以能够自支承)。

具体实施方式

参考图1和图2，标号10通常表示砂型，其中通过低压铸造工艺使铝合金溶液充满型腔而浇铸成缸体。

尽管下面描述的本发明的优选实施例是应用于铝合金发动机缸体并且其浇铸是采用低压铸造工艺，但可以理解也能够应用于其它铸件和铸造工艺。

同样地，在下面描述的优选实施例中，溶剂描述为水，可溶粘结剂可以理解是可溶性的；但是在本发明较宽的方面可以使用其它溶剂和可溶解在其中的粘结剂。

砂型10具有上型部12和下型部14。在该实施例中，上型和下型由不可溶粘结剂制成。由可溶性粘结剂制备的多个砂芯以预定排列设置在所述砂型12中，并且共同限定了由铝合金溶液填充以形成缸体16的铸件空腔。

由可溶性粘结剂制备的石英砂芯18放置在那些要求快速冷却的铝合金缸体的区域内。在此描述的本发明的实施例中，要求快速冷却的缸体部分至少包括靠近由标号24表示的曲轴箱的那些部分。这样不仅实现自曲轴箱区域24的定向冷却控制，而且也可以通过更快速的在区域24的冷却而实现增强性硬化，从而使铝合金的硬化成分的沉淀最小化。

多个喷嘴20将喷水口直接对准由可溶性粘结剂粘合的芯18，由此促使芯18破裂以此去除所述芯18。在芯18中任意地形成合适的空腔26以缩短可溶性芯18所需的水溶解的时间。在空腔26处，至少与临时支承结构27一起保持在相邻的空腔之间的的芯18的厚度足够承受充满铸模10的铝液的重量，同时尽可能地小以易于芯18的快速破裂，以此能够在冲击的暴露区实现充分的初时凝固的同时使水接触铝合金。

在另一个实施例中，能够特别应用本发明以在铸造缸体的某些期望的区域获得良好的机械性能，例如，在设置螺栓以将其它发动机组件紧固到缸体上的区域。缸体的这样的一个区域由标号28表示。放置可溶性芯30连接于该区域28以此当喷水口对准所述芯30时，溶解粘结剂并且冲走砂，由此水快速地与已凝固的缸体金属接触。此处的缸体的淬火产生特别地快速冷却，由此相对其中冷却不够快速但机械性能并非临界值的铸件的大部分较远的区域，整个冲击区域的机械性能提高。

可以利用具有不同程度的溶解度的粘结剂进行更高的控制。例如，芯18能够由比制作芯30的粘结剂需要更长时间溶解的粘结剂制成(当条件相同时)。

尽管描述为芯，但插入物30也能够认为是上型12的一部分(仅在其形状和粘结剂上可能有差别)

由不可溶粘结剂制备的模型的一部分可具有其它优点；例如可选择地以“V”形形成芯30(在顶点与铸件接合)。这样就允许冷却水喷射流入V形的一支路并从另一支路流出。这样在狭窄通道内是很有用的(同样也有助于冲走可能易于形成的、在所期望的区域28处的冷却工艺减慢的堵塞蒸汽的任意薄层)。应当理解通常V形也广泛地包括U形。

一开始，能够在V形的两支路内指引喷水口，一旦V形两支路内的砂都去除掉，接着关闭其中一个喷口，以此允许借助来自另一个喷口的连续的流体通过V形畅通无阻地进行水的冲洗。

能够更加广泛地应用V形原理；例如，通过设定以内部芯(如与水套空腔相似)为形状的第一模型部(由可溶性粘结剂形成)，该第一模型部具有获取所述芯的入口支路和出口支路并且设置在第二模型部(由不可溶粘结剂形成)的周围。两支路和芯能够呈任何形状，只要通过溶剂喷口及时有效地去除砂和可溶性粘结剂是可行的。通过喷水口去除所述两支路的砂使流体通过第二部以此有助于集中并辅助冷却水流到用于加速冷却所限定的芯区域。

作为其广泛方面中的一个，在本发明的另一个实施例中，模型能够如此成形，即不仅具有形成模腔的由不可溶粘结剂制备的部，而且具有其中靠近期望快速冷却的区域的部，该部非常薄并且通过由可溶性粘结剂形成的模型部的支承层支承。这样使成品铸件的表面将会有更高的均匀度，同时允许冷却水替换初期具有可溶粘结剂的砂并且由此在薄部上快速进行以在所期望的区域开始初期定向冷却。

作为在该申请中的应用，“大型复杂铸件”通常指其具有足够的尺寸和/或复杂度的铸件，以此有必要进行定向冷却以避免所生产的铸件中的孔隙或缩松(以此防止最终的、商业不可接受的、大量缺陷的铸件。)

Claims (13)

1.一种限定形成铝合金铸件的空腔的砂型，包括由可溶于给定溶剂的粘结剂形成的至少一个第一部和由不可溶于所述溶剂中的粘结剂形成的至少一个第二部。

2.如权利要求1所述的砂型，其特征在于，所述可溶第一部可各自外部接近溶剂流，并且还定位在限定铸件空腔的期望熔融铸件相对快速地冷却的区域的各自位置上；其中一个或多个第二部定位成限定铸件空腔的余部。

3.如权利要求2所述的用于大型复杂铸件的砂型，其特征在于，溶剂为水。

4.如权利要求2所述的用于大型复杂铸件的砂型，其特征在于，由可溶粘结剂形成的至少一个第一部具有预先成形的中空部，中空部被成形为以一定中空部深度来接收溶剂的溶解和冷却流，加速各个第一部从铸件表面去除，同时在所述区域初始地支承最早熔融的浇铸铸件，直到此区域的铸件自支承为止。

5.如权利要求2所述的用于大型复杂铸件的砂型，其特征在于，至少一个所述不可溶第二部定位和成形为有助于集中并辅助冷却水流到至少各自一个所限定的区域，以便快速冷却。

6.如权利要求5所述的用于大型复杂铸件的砂型，其特征在于，由可溶粘结剂形成的至少一个第一部具有大致V形形状。

7.如权利要求1所述的砂型，其特征在于，所述可溶第一部可各自外部接近溶剂流，并且还定位在期望熔融铸件相对快速地冷却的各自位置上；其中所述第二部限定可归于砂型的铸件空腔的整个区域，其中所述第二部在前述位置处较薄以此允许更快速地冷却，由此同时仍然呈现模腔的均匀表面，并且其中在前述位置处所述第二部在结构上由各自的第一部支承。

8.一种铸造装置，包括：

熔融金属源；

如权利要求2所述的用于从所述金属源接收熔融金属的模型；

所述溶剂源；以及

至少一个喷嘴，定位成从其溶剂源喷射溶剂以在各自的一个由可溶粘结剂形成的所述第一部上冲击，用于冲走所述第一部，以在由冲击而产生的区域上冲击并快速冷却所述铸件。

9.一种用于铸造铝合金发动机缸体的装置，在如权利要求1所述的砂型中，具有曲轴箱和用于缸盖螺栓的支座，还包括：

所述的一个可溶第一部，是形成用于限定所述缸体的曲轴箱部的模腔部的芯；以及

所述的其它可溶第一部，是在所述螺栓支座的位置处形成模腔部的插入件。

10.一种在砂型中形成铝合金铸件的方法，包括：

提供限定形成所述铸件的空腔的砂型，具有由可溶于给定溶剂中的粘结剂形成的所述模型的至少一个第一部和由不可于所述溶剂中的溶粘结剂形成的至少一个第二部，定位所述第一部以限定用于实现局部快速冷却铸件的铸件空腔的区域；

由铝合金熔液充满模型；

将至少一个溶剂的冷却流引到至少一个第一部上以冲走各自的第一部，从而暴露并直接冷却凝固的铸件，以实现限定区域的加速冷却。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，在铸件仍旧为熔融时的每一个冷却流开始，其中各自第一部的厚度及其通过冷却流的去除被调节，使得在所需的各自限定区域的初始冷却过程中，各自第一部保持足够的完整，以支承熔融铸件，一旦在该限定区域的铸件开始自支承，通过去除，将该区域暴露于所实现的直接冲击，并在所述铸件上保持所述冲击一定时间，至少在紧接各自限定区域的范围内有效地提高所述铸件的冷却率和机械性能。

12.如权利要求11所述的形成大型复杂铝合金铸件的方法，其特征在于，定位所述各自限定的区域以避免孔隙和缩松的方式实现远离并指向所述铝液源的定向冷却。

13.如权利要求10所述的用于在砂型中低压铸造铝合金发动机缸体的方法，其特征在于，所述砂型具有限定曲轴箱和螺栓支座的区域，还包括设置其中一个所述第一部为限定曲轴箱的砂芯并且设置其它第一部为限定螺栓支座的砂芯。

Images