CN101166841A - 铝铜（206）合金的模压以及半固态金属（ssm）铸造 - Google Patents

铝铜（206）合金的模压以及半固态金属（ssm）铸造 Download PDF

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Abstract

为了铸造零件，产生可注射形态的铝铜(206)合金并将所述铝铜(206)合金注射进铸模中。该铸模与所述零件相对应。此外，使所述铝铜(206)合金凝固从而产生所述零件，然后从所述铸模中退出所述零件。

Description

铝铜（206）合金的模压以及半固态金属（SSM）铸造
相关申请交叉参考
本申请要求于2004年3月15提交的标题为“SQUEEZE ANDSEMI-SOLID METAL(SSM)CASTING OF ALUMINUM-COPPER(206)ALLOY(铝铜(206)合金的模压以及半固态金属(SSM)铸造)”的美国临时专利申请No.60/552,707的优先权，在此全文引入该申请的公开内容作为参考。
技术领域
本发明大致涉及金属铸造。更具体地说，本发明涉及铝铜(206)合金的半固态金属铸造的系统和方法。
背景技术
例如传统的压铸、重力永久模铸和模压铸造的常规铸造方法已长期用于金属及其合金。然而，在制造具有复杂几何形状的零件时，目前的加工方法经常产生带令人讨厌的缩孔的产品，这些缩孔会对零件的质量和完整性产生有害的影响。缩孔说明：当金属零件沿外表面冷却并凝固而开始收缩时，留下位于零件中心的“空隙”。如果不用金属对这些空隙进行重构，则该铸件被称作“多孔的”。特别是在复杂的零件、例如汽车转向节的设计中，在较厚的区域中有最大的缩孔。此外，该情况由于使用铝合金而特别普遍。
因而，希望能提供一种利用传统的和/或流变铸造压铸装置来铸造金属和合金的方法，其能提供令人满意的机械特性。此外还希望能提供一种工艺从而在遍及零件的多个位置处控制铸件的缩孔。
发明内容
前述需要在很大程度上由本发明满足，在本发明，一方面提供了一种设备，其在许多实施例中提供了一种工艺来在遍及零件的多个位置处控制铸件的缩孔。
本发明的实施例涉及一种铸造零件的方法。在该方法中，产生可注射形态的铝铜(206)合金并且将该铝铜(206)合金注射进铸模。该铸模与该零件相对应。另外，使该铝铜(206)合金凝固从而产生该零件并从该铸模中退出该零件。
本发明的另一实施例涉及铸造零件的方法。在该方法中，产生可注射形态的铝铜(206)合金，并且以大约每秒10英寸至大约每秒200英寸的浇口速度和大约每平英寸3000磅(psi)至大约14000psi的活塞压力将该铝铜(206)合金注射进铸模。该铸模与该零件相对应。另外，使该铝铜(206)合金凝固从而产生该零件并从该铸模中退出该零件。
本发明的另一实施例涉及一种铸造制品，该铸造产品包括以大约每秒10英寸至大约每秒200英寸的浇口速度和大约每平英寸(psi)3000磅至大约14000psi的活塞压力注射进入铸模的可注射形态的铝铜(206)合金，其中该铸造制品在该铸模中凝固并且从该铸模中退出。
因此，为了更好地理解在此对本发明的详细说明并为了更好地理解本发明对现有技术的贡献，已对本发明的一些实施例进行了概略的、相当宽泛的说明。当然，以下将本发明的一些附加的实施例进行说明，并且这些实施例将形成所附权利要求的主题。
在这方面，在详细解释本发明的至少一个实施例之前，应该理解的是，本发明并不限于以下说明书中所陈述的或者附图中所示的构造细节和构件的布置。本发明能够包括这些所说明的实施例之外的实施例并且能够以不同的方式实施并且实现。还应理解的是，在此所使用的措词和术语以及摘要是描述性的，而不是限制性的。
同样，本领域的技术人员应理解的是，公开内容所基于的概念可以容易地被用作设计用于实现本发明的数个目的的其它结构、方法和系统的基础。因此，重要的是，只要这些等效构造没有脱离本发明的思想和范围，则权利要求应该被认为包括这样的等效构造。
附图说明
图1示出了适于实现本发明实施例的多种功能的类型的竖直压铸挤压机的横截面。
图2是适于实现本发明实施例的多种功能的类型的竖直压铸模挤压机的立体图。
图3示出了根据本发明的不同实施例铸造的零件的横截面视图。
图4示出了生产根据本发明的实施例的铸造零件的方法的流程图。
具体实施方式
在实施例中，由美国俄亥俄州代顿的THT挤压机公司(THT PressesInc.，Dayton OH)生产的通常类型的竖直压铸机或者挤压机是需要的。特别是，例如200吨分度注射机器(Indexing Shot Machine)、1000吨往复式机器(Shuttle Machine)或者100吨往复式机器的THT挤压机、制造不带缩孔的较高质量的零件。压铸挤压机在结构上也较简单且较便宜，需要校少的维护并因此维修较方便。
本领域的普通技术人员从本说明中将理解到：适合用于本发明的实施例中的挤压机的所有或者多个特征可以在一定程度上不同于下面根据具体挤压机而说明的这些特征，而且可以期望有进行一些变型，且所述变型在本发明的范围和思想内。举例来说，适合使用在本发明的实施例中的THT挤压机被分类为“分度式类型”或者“往复式类型”。虽然下面将在实施例中详细说明分度挤压机，但是这两种挤压机都可以用于本发明。同样，如在此所使用的那样，术语“大约”已被引入本公开内容，从而考虑到固有的不精确性——其与本领域中公知且存在的测量化学重量以及相关的测量法相关。
现在，参照附图来说明本发明，其中在全文中相同参考标号指相同零件。根据本发明的实施例提供了用于铝铜(206)合金的半固态铸造的方法和设备。如图1和2中所示，竖直压铸挤压机10包括一个框架20，框架20具有支撑竖直底座40或者柱的基础30，在底座40或者柱上安装有旋转分度台50的。该台50支撑一对直径相对的注射套筒60，每一个注射套筒都容纳有一个注射活塞65，所述注射活塞连接到向下伸出的活塞杆67。浇口板90在框架20的侧壁之间水平地延伸，并且位于分度台50的上方，用于支撑限定腔61的下铸模70部分。当台50以180度的步幅进行分度时，注射套筒60在浇口板90下面交替地位于金属容纳或者灌注站80以及金属注射或转移站85处。工作中，注射套筒60可交替地注满铝铜(206)合金——其足够热以致处于液态并且可容易地灌注。在此之后并且在向上通过下铸模70注射铝铜(206)合金之前，该铝铜(206)合金冷却或者被允许冷却到半固态。液压夹紧缸100由转移站85上方的框架20支撑并且在下铸模70部分的上方竖直地移动上铸模110部分。
高压液压注射缸120安装在位于转移站85下方的基础上，并且更小的液压喷射缸130安装在金属容纳或灌注站80下方的基础30上。每个液压缸120和130具有不旋转的竖直活塞杆121和131，所述活塞杆承载一组间隔开的耦合板140。每组板140限定横向延伸和反向底切槽——其用于可滑动地容纳每个注射活塞杆上向外突出的底部凸缘。因此，当旋转台50被分度时，注射活塞杆与注射套筒60一起旋转，并且交替地接合两个固定的液压注射120和喷射缸130的活塞杆。
上部板向下移动，从而夹紧上铸模110使之封闭抵靠下铸模70或者抵靠限制在上铸模110与下铸模70之间限定零件P的腔。应理解的是，本发明并不限制于铸模的具体布置。在这点上，至少水平模具夹紧和竖直的、高压传递系统的使用在本发明的范围和思想之内。继而，液压注射缸120被开动，从而将半固态的金属从每个注射缸60向上转移至由被夹紧的铸模部分70和110所限定的腔61中。腔61被排空并且使注射活塞65向上从而将半固态金属注射进铸模腔中。为了使压铸材料凝固，接着可选地使水通过铸模和注射活塞内的通道循环来冷却铸模70和110以及注射活塞65。在金属已部分凝固在浇口板90内之后，接着注射缸120使所连接的注入口150或者素坯(biscuit)向下缩回进注射套筒60中。在台50被分度180度之后，较小的液压喷射缸130被开动，用于将素坯向上喷射到分度台50的顶部，在顶部上该素坯被排出。然后，重复该循环从而压铸其它零件或者零件组。
在以上结合图1所说明的竖直压铸机或挤压机的工作中，预定排放量或注射量的融化或者半固态金属被灌注进灌注站80中的注射套筒60中。通常，半固态金属包括至少部分融化或者液态金属和至少部分固态的金属。半固态金属的温度一般高于合金的凝固温度并比金属的液态温度低一些。为了产生半固态金属或者维持半固态金属的温度，注射套筒60可选地装配有加热器或者温度传感器，从而在任何时候需要的时候(包括在台50分度180度的期间)加热和/或冷却金属。所述融化或者半固态金属的横向转移和所述融化或者半固态金属的向上注射进铸模腔中也有效地对铝铜(206)合金进行脱气，因此使凝固后的铸制零件的气孔最少。可选地，略微的抽气或者部分真空被应用于腔108和滑槽202和注射室146，从而将空气从该室中去除并且去除与注射缸内的融化金属分离的气体。
与传统的融化金属相比，使用在此所说明的半固态金属或者金属浆金属减少了在注射进模具中时的流体紊流(fluid turbulence)。以这样的方式，减少了封闭在最终零件内的空气量。最终零件中的较少空气给予了更好的机械完整性并且允许铸造制品进行高温处理。另外，SSM铸造的金属需要更少的热量，因而减小了成本并且提高了铸模和模子的寿命。在下面的表1中，提供了在利用所说明供应铸造时铝铜(206)合金的机械特性的现实价值。
表1
  铸造方法   屈服强度(Mpa)   拉伸强度(Mpa)  延展百分比
  沙铸   248   345   7
  重力永久模铸   248-283   407-441   15-18
  半固态金属   248-269   400-421   23-26
  模压铸造   248-269   400-421   21-26
如表1中所示，至少延展百分比通过SSM铸造获得很大的改进。即，206合金的韧性大大提高。当与沙铸206合金比较时，折断的延展百分比增加3至4倍。当与仅适度改进韧性的其它合金比较时，韧性增加是出人意料的。还注意到，至少206合金的延展百分比被模压铸造改进。在下面的表2中，铝铜(206)合金在SSM铸造时的机械特性的典型、现实价值与模压铸造356-T6合金进行了比较：
表2
  合金   屈服强度(Mpa)   拉伸强度(Mpa)   延展百分比   断裂载荷(磅)
  356-T6   220-241   297-317   10-14   7,113
  206-T4   248-269   400-421   21-26   8,074
如所示的，SSM铸造的206合金显示出几个超过其它合金的优点。例如，如表2中所示，由模压铸造的356铝合金制造的零件比由SSM铸造的206合金制造的相同零件提供了更低的强度和延展性能。因此，SSM铸造206零件的整体韧性高于模压铸造356合金的韧性。在具体的例子中，由模压铸造356-T6合金制造的吊杆与由如表2中所示的SSM铸造206合金制造的同样的吊杆相比较。如表3中所示，206-T4铸件的平均断裂载荷是8,074磅，而356-T6构件的所述断裂载荷是7,113磅。即，356合金构件的断裂载荷比206合金构件的断裂载荷低大约13％。
表3
  合金   断裂载荷(磅)
  356-T6   7,113
  206-T4   8,074
按理论没有限制或者范围，SSM铸造制品的微观结构可以确定制品的机械特性。此外，本领域的普通技术人员应理解的是，微观结构可以在铸造之前进行处理。处理SSM铸造零件的最终微观结构的一种方式是控制因此减小金属保持在SSM区域中的时间。上面所说明的挤压机提供了这样的机会。特别是，分度时间(即在灌注站80与转移站85之间的分度之间的延时)可以用于控制在注射套筒中冷却的融化金属到达SSM区域的时间。即，为了一个令人满意的微观结构，金属在其被注射进铸模中之前在注射套筒中花费的时间量可以被调整或者被优化。可替换地，处于预定的温度的融化金属可以被灌注进往复式挤压机，即缺少分度特征的挤压机的注射套筒中。
此外，利用SSM方法铸造的零件的微观结构一般根据在铸造过程中施加到半固态金属上的压力量以及利用将半固态金属注射进该铸模中的活塞速度而变化。图3示出了三个根据本发明的不同实施例铸造的零件的横截面视图。在表4中描述了用于铸造这些相应的零件的参数，其中SSM铸件中的气孔的数量随着压力和活塞速度而调整：
表4
  样品数   金属压力(psi)   浇口速度(英寸/秒)   多孔性
  10   8421   19   有
  20   8421   57   减小
  28   5512   57   无
如图4中所示，通过控制浇口速度为每秒57英寸，相对于每秒19英寸的浇口速度改善了多孔性。另外，通过控制活塞施加的5512psi的压力，相对于8421psi的压力改善了多孔性。根据注射量、零件的设计等合适地调整浇口的尺寸。
图4示出了包含在根据本发明的实施例铸造零件的方法200中的步骤。有利的是，当与其它合金和/或其它铸造方法比较时，根据本发明的实施例生产的车用控制和悬挂构件显示出改进的冶金学特性。特别是，前和后转向节、前和后控制臂、吊杆等等得益于根据本发明的实施例的制造。更一般地，任何通过从球墨(球状)铸铁铸造到铝铸造的改变来改进的适合构件也将得益于根据本发明的实施例的SSM铸造206合金。即，与356和/或其它此类合金相比较，由于206合金的强度更高，所以更小的截面尺寸(例如，壁厚)是可行的。206合金零件的整体效果将比强度相当的356合金的重量更轻。因此，本发明的实施例在与356合金和类似物的传统铸造比较时节约空间和/或减轻重量。此外，使用SSM铸造比任何其它传统的铸造工艺提供了更高的整体的完整性(例如减少或者本质上没有气孔并且基本上取消了“热处理”)。由于在使用沙铸、重力永久铸模或者其它铸造技术时，206合金的完整性比较低和多孔性比较高，所以这些效果是出乎意料的。此外，根据本发明的实施例模压铸造206合金包括SSM铸造的一些或者所有好处。
一般，铝铸造的传统技术(例如重力永久压铸等等)需要晶粒细化剂添加剂以实现铸造制品的合适颗粒结构。这些晶粒细化剂对金属晶体的成核位置进行初始化，然而，晶粒细化剂的使用具有某些缺点，例如增加成本等等。本发明的实施例另一出乎意料的优点是：在采用SSM方式铸造206合金时，不需要晶粒细化剂来实质上消除热撕裂。如图4中所示，响应于液体或者半固态的铝铜(206)合金被沉积在注射套筒60中，方法200在步骤210被初始化。
在步骤220，铝铜(206)合金达到或者被允许达到合适的温度。即，该铝铜(206)合金达到可注射的温度。例如，该铝铜(206)合金达到液相线温度。在另一个例子中，该铝铜(206)合金达到半固态温度。为了达到半固态温度，该铝铜(206)合金被加热到液态并且接着冷却到半固态，或者液态铝铜(206)合金的量与相对冷的铝铜(206)合金的合适的量混合从而形成半固态铝铜(206)合金。
在步骤222，注射套筒60和下铸模70与彼此适当对齐地设置。
在步骤224，铝铜(206)合金被注射进铸模。例如，控制液压注射缸120，从而将铝铜(206)合金以向上方式转移到腔61内。在特别的例子中，控制液压注射缸120在以5512psi的压力进行转移的过程中以每秒大约3英寸的速度移动。在其它例子中，考虑零件尺寸和注射容量的变化而调整速度和/或压力。注射缸120的速度直接正比于浇口速度或半固态金属经过浇口进入铸模的速度。浇口速度也反比于浇口的横截面面积。浇口速度是比较好的紊流指示器，并且通常为了紊流而控制浇口速度。根据从破坏的和其它测试程序的经验中得到的结果，该浇口速度从大约每秒10英寸到大约每秒200英寸变化并且活塞压力从大约3000psi到大约12000psi变化。更特别的是，浇口速度从大约每秒35到每秒70英寸变化而活塞压力从大约3000psi到大约8000psi变化。
在步骤226，当其冷却或者允许冷却时，在铝铜(206)合金上维持由液压注射缸120施加的压力。例如，当其冷却时在铝铜(206)合金上施加大约3000psi到大约8000psi的压力。更特别的是，当其冷却时在铝铜(206)合金上施加大约5512磅/平方英寸的压力。
在步骤228，从该铸模中退出凝固好的零件。在步骤228后，确定是否浇铸另一零件。
在步骤230，确定是否浇铸另一零件。如果浇铸另一零件，则铸模容易地用于下一次注射，并且在步骤210，用相同或者不同的注射套筒来放置铝铜(206)合金。如果确定要停止铸造过程，则允许铸造挤压机空闲。
本发明的多个特征和优点从详细的说明书中是显而易见的，并且因此意图通过所附的权利要求来覆盖本发明的所有这些特征和优点，这些特征和优点都落入了本发明的真实思想和范围内。此外，由于多种修改方案和变型对本领域技术人员来说是容易想到的，所以不希望将本发明限制于所描述和说明的具体结构和操作，并且因此可采取所有落入在本发明的思想或者范围内的合适的修改方案和等效方案。

Claims (20)

1.一种铸造零件的方法，其包括：
产生可注射形态的铝铜(206)合金；
以大约每秒10英寸至大约每秒200英寸的浇口速度和大约每平方英寸3000磅(psi)至大约每平方英寸12000psi的活塞压力，将所述铝铜(206)合金注射进铸模中，其中所述铸模与所述零件相对应；
使所述铝铜(206)合金凝固从而产生所述零件，以及
从铸模中退出所述零件。
2.根据权利要求1所述的方法，其还包括：
以每秒57英寸的浇口速度注射所述铝铜(206)合金。
3.根据权利要求1所述的方法，其还包括：
以大约5512psi的活塞压力注射所述铝铜(206)合金。
4.根据权利要求1所述的方法，其还包括：
形成液态铝铜(206)合金以注射进所述铸模中。
5.根据权利要求1所述的方法，其还包括：
形成半固态铝铜(206)合金以注射进所述铸模中。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述零件是转向构件。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述零件包括前转向节、后转向节、前控制臂和后控制臂中的至少一个。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述零件是悬挂构件。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述零件是吊杆。
10.一种铸造制品，包括：
以大约每秒10英寸至大约每秒200英寸的浇口速度和每平英寸大约3000磅(psi)至大约14000psi的活塞压力注射进铸模中的可注射形态的铝铜(206)合金，其中所述铸造制品在所述铸模中凝固，以及从所述铸模中退出。
11.根据权利要求10所述的铸造制品，其中所述铝铜(206)合金以每秒57英寸的浇口速度注射进所述铸模中。
12.根据权利要求10所述的铸造制品，其中所述铝铜(206)合金以大约5512psi的活塞压力，将注射进所述铸模中。
13.根据权利要求10所述的铸造制品，其中所述可注射形态的铝铜(206)合金是液态的。
14.根据权利要求10所述的铸造制品，其中所述可注射形态的铝铜(206)合金是半固态的。
15.根据权利要求10所述的铸造制品，其中所述铸造制品是悬挂构件。
16.根据权利要求15所述的铸造制品，其中所述铸造制品包括前转向节、后转向节、前控制臂和后控制臂中的至少一个。
17.根据权利要求10所述的铸造制品，其中所述铸造制品是车用构件。
18.根据权利要求1所述的铸造制品，其中所述铸造制品不包括晶粒细化剂添加物。
19.根据权利要求1所述的铸造制品，其中所述铸造制品在铸造进行T4回火。
20.铸造零件的方法，其包括：
产生可注射形态的铝铜(206)合金；
将所述铝铜(206)合金注射进铸模中，其中所述铸模与所述零件相对应；
使所述铝铜(206)合金凝固以产生所述零件，以及
从所述铸模中退出所述零件。
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