CN101607308B

CN101607308B - 用于熔融金属的钢包

Info

Publication number: CN101607308B
Application number: CN2009101595850A
Authority: CN
Inventors: D·D·格特施
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-06-06
Filing date: 2009-06-05
Publication date: 2012-11-14
Anticipated expiration: 2029-06-05
Also published as: CN101607308A; DE102009023881A1; US8245759B2; US20090301681A1

Abstract

本发明涉及用于熔融金属的钢包。公开了一种用熔融材料静态装填钢包并将熔融材料从钢包中输送的装置和方法，其中所述熔融材料从钢包输送到铸模中以使熔融材料中的紊流最小化从而使所需铸件中的缺陷最小化。

Description

用于熔融金属的钢包

技术领域

本发明涉及这样一种装置和方法，该装置和方法用于钢包的静态装填和将熔融金属从钢包输送到铸模中，从而使得熔融材料中的紊流最小化，并使得通过倾斜浇注成形工艺成形的期望铸件中的缺陷最小化。

背景技术

将熔融材料(例如金属)浇注到铸模中是非常不稳定的过程，其影响铸件的内部完好性、表面状态和机械性能，例如抗拉强度、孔隙度、伸长率和硬度。目前在铸造业存在并使用多种不同设计的浸渍/浇注钢包。通常根据熔融材料的类型和所用的铸模来选择钢包的设计。通常使用的钢包利用槽、浇包嘴和挡板，或者位于钢包顶部的挡渣坝来减少金属装填过程中炉内金属氧化物的夹杂，或者钢包可以结合塞棒铁芯来控制流入和流出钢包的金属流。

熔融金属(例如铝)与空气反应会生成氧化物，即通常所知的浮渣，浮渣与剩余的熔融金属混合从而在金属凝固过程中在铸件内部生成夹杂物及多孔区。虽然很多因素都会影响并导致铸件中的不希望性质，但是夹杂物的两个通常来源包括熔融金属顶部形成的浮渣层，和在浇注过程中由熔融金属的紊流而造成的熔融金属的褶皱动作。紊流金属的流动使得熔融金属表面区域暴露在空气中，这导致浮渣层的生成。根据熔融金属的速度(该速度是由浇铸钢包和浇注池的设计和使用确定的)，熔融金属可以自身褶皱多次，从而在那里捕获氧气和金属氧化层并将另外的金属表面区域暴露在空气中。

典型的浇铸钢包指的是茶壶型钢包。这些钢包基本上是圆柱形的，具有从其顶部向外延伸的外部喷口。某些茶壶钢包含有壁或挡板来将该钢包的碗型或腔型区域与喷口分离。该壁或挡板可以延伸到钢包底部。当熔融金属被浇注时，挡板限制了来自钢包顶部的熔融金属的流动从而有助于钢包底部附近的金属的浇注。钢包底部的金属基本上没有浮渣和其它可能存在的杂质材料，例如被腐蚀的耐火炉衬和在金属熔融过程中生成的灰烬。尽管挡板用于使浮渣夹杂物最小化，然而外部喷口的设计仍然会增加材料的浇注速度，并会产生紊流。接着，熔融金属通常会通过浇口池从钢包输送到铸模中。在传统的浇口池设计中，熔融材料向下流动通过浇口池到达模具浇口。熔融金属通过浇口的流动也可能导致该处发生紊流，从而生成额外的浮渣。

已知低压力、底部浇注炉可以生产具有最小浮渣的铸件，但是该设备是昂贵且复杂的，并且有较高的维护需要。此外，底部倾注炉会增加基建投资。热等静压(HIPping)铸造也会减少铝铸件的孔隙度，但是热等静压是昂贵的并且会导致铸件尺寸改变，从而使得铸件不均匀且不能复制。

这样，需要一种经济的方法和装置来阻止或者使得导致铸造材料具有高孔隙度和/或低机械性能的浮渣夹杂物和杂质最小化。

理想的是提供这样一种装置和方法，该装置和方法用于钢包的静态装填和熔融金属从钢包向铸模的输送，从而可以使熔融材料中的紊流最小化，以使得通过倾斜浇注成形工艺而成形的期望铸件中的缺陷最小化。

发明内容

根据本发明，令人惊奇的发现了一种用于钢包的静态装填和将熔融金属从钢包运送到铸模中的方法和装置，从而使得熔融材料中的紊流最小化，以使得通过倾斜浇注工艺成形的期望铸件中的缺陷最小化。

在一个实施例中，一种铸造装置包括具有中空内部的钢包，所述中空内部用于容纳熔融材料，其中所述钢包适合于绕偏心轴枢转；其中形成有型腔的的模具，所述型腔适于容纳熔融材料，其中所述钢包与所述模具邻接，且所述模具和所述钢包共同旋转从而将熔融材料从所述钢包中浇注到所述模具的型腔中。

在另一个实施例中，一种铸造装置包括具有中空内部的钢包，所述中空内部适合于容纳熔融材料，所述钢包中形成有孔，其中所述钢包适合于绕偏心轴枢转；和其中形成有型腔的的模具，所述型腔适于容纳熔融材料，其中所述钢包与所述模具邻接，且所述模具和所述钢包共同旋转从而将熔融材料从所述钢包中浇注到所述模具的型腔中。

在另一个实施例中，公开了一种将熔融材料输送到铸模中的方法，该方法包括提供具有适于在其中适合容纳熔融材料的中空内部的钢包，所述钢包中形成有孔，其中所述钢包适合于绕偏心轴枢转；提供模具，该模具中形成有适合容纳熔融材料的型腔，其中所述钢包与所述模具邻接，且所述模具和所述钢包共同旋转从而将熔融材料从所述钢包中浇注到所述模具的型腔中；用熔融材料装填钢包；将钢包上的孔定位成与模具型腔相邻；且旋转该模具和钢包从而有助于将熔融材料从钢包浇注到模具型腔中。

附图说明

根据下文结合附图对优选实施例的详细描述，本发明的上述以及其它优点对于本领域技术人员来说将更加明显，在附图中：

图1是根据本发明一个实施例的包括钢包和旋转90度的模具的浇铸装置的透视图；

图2是图1中的钢包的透视图；以及

图3是根据本发明另一个实施例的包括钢包和旋转90度的模具的浇铸装置的透视图。

具体实施方式

以下的详细说明和附图描述并显示了本发明的各种示例性实施例。这些说明和附图使本领域普通技术人员能够制造并使用本发明，且并不旨在以任何方式限制本发明的保护范围。关于公开的方法，提出的步骤实际上是示例性的，这样，所述步骤的顺序不是必要的或关键性的。

图1显示了根据本发明一个实施例的铸造装置10。该铸造装置10包括适合在其中容纳熔融材料16并且将熔融材料从中浇出的钢包12。模具14设置成与钢包12流体连接，并且适合从所述钢包12接收熔融材料16。可以理解的是，所述熔融材料16可以是希望的任何适合的熔融材料，例如金属或聚合物。

钢包12是一种静态装填钢包，其与共同拥有的美国专利No.7025115公开的钢包类似，这里将所述专利全文引入作为参考。在此使用的，术语“静态装填”定义的是这样一种适合在其中容纳熔融材料的钢包：该钢包中熔融材料的紊流、扰动和褶皱是最少的。钢包12可由期望的任何适合的常规材料制造，例如陶瓷或金属。在图1和2所示的实施例中，钢包12包括中空内部26。钢包12由一对平面侧壁18、基本平面的前壁28和曲面壁30构成。每个侧壁18都由曲线边20、第一直线边22和第二直线边24形成。第二直线边24适于与模具14邻接。每个侧壁18上都形成有销32。在所示的实施例中，销32适合于有助于使钢包12绕钢包12的偏心旋转轴枢转，以使得当钢包12装填熔融材料时前壁28向下枢转。可以理解的是，销32可以和侧壁18是一体成形的，或者销32是单独成形的并被连接到侧壁18上。

钢包12的前壁28适于与模具14基本邻接。在钢包12的前壁28上形成有第二孔34。在所示的实施例中，第二孔34的长度与前壁28的长度基本相等。然而，第二孔34可以是所需的任意长度。钢包12的前壁28的顶部可以包括一个突出部或凸缘。所述突出部可以按照需要形成在钢包12的前壁28的外部或者前壁28的内部。曲面壁30构成了钢包12的底壁和后壁。然而，钢包12的所述底壁和后壁可以按照需要由基本平面的壁和曲面壁、一对基本平面的壁或者一对曲面壁组合构成。

在图1所示的实施例中，模具14适合在其中容纳通过倾斜浇注工艺输送的熔融材料。模具14包括在其中形成有型腔38的模体部分36。型腔38的长度与形成在钢包12的前壁28中的第二孔34的长度基本相等。模具14的型腔38可以具有任一所需铸件的形状，例如发动机本体、汽缸盖、复杂的变速器部件，等等。模具14还包括冒口40，其适合形成贮存器，所述贮存器防止在冷却和凝固过程中由于熔融材料16的皱缩在所需的铸件中形成的孔穴和气孔。

在使用过程中，钢包12在装填操作期间装填熔融材料16，其包括：(1)将钢包12定位在装填有熔融材料16的炉子浇口窝或坩锅(未示出)上方的静止位置；(2)将钢包12降低至熔融材料16的液面并且使钢包12和熔融材料16开始接触；(3)使钢包12绕销32上的偏心轴旋转并且将部分孔34暴露给熔融材料16，从而使得在装填过程中熔融材料16到钢包12的落差最小化；(4)将钢包12降低到坩锅中的所需深度；(5)旋转钢包12回到静止位置；(6)从坩锅中提升装有熔融材料16的钢包12。通过使得熔融材料16到钢包12的落差最小，使得进入钢包12的熔融材料16中的紊流和熔融材料16的褶皱最小化。

如图1所示，模具14相对于地板或与所述地板平行的表面旋转90度，其型腔38的顶部基本垂直于钢包12的前壁28。钢包12的第二孔34定位成与型腔38相邻，钢包12的前壁28与模具14邻接。可以理解的是，钢包12可以定位成与型腔38相邻，并且在前壁28和模具14之间具有微小的缝隙。然后使钢包12和相邻模具14共同旋转，或者被共同控制，这或者通过用连接装置(未示出)固定在一起或者通过钢包12和模具14的同步控制器来保证实现。然后，使包括钢包12和模具14的铸造装置10如箭头R所指的那样绕销32上的偏心轴旋转90度，该销32可以按照需要位于钢包12和模具14的连接处或者位于模具14的基底。可以调整铸造装置10的旋转速度从而有助于熔融材料16被重力助推低速浇注到模具14的型腔38中。由于熔融材料16被直接浇注到型腔38中而不是浇注门系统中，因此熔融材料16从钢包12到型腔38的落差被最小化。由于熔融材料16的紊流和褶皱被最小化，熔融材料16中空气的滞留和熔融材料16的氧化也被最小化，因此使得铸件的瑕疵和缺陷最小化并使得铸件的质量最大化。

一旦熔融材料16被允许冷却并硬化，便可将三维铸件从模具14中移出。然后该铸件可被进一步机加工成为其最终形状。还可以在铸件上进行热处理操作、涂敷工艺等。

图3显示的是根据本发明的另一个实施例的铸造装置10’，除下文所述的特征外，其与图1和图2中的浇铸装置10类似。在图3的这个实施例中使钢包12的宽度没有覆盖模具14的型腔38的整个宽度。当模具14的型腔38的宽度很宽以致于具有相配宽度的钢包很难操作并难以用浇口窝或坩锅装填时，就需要一个宽度小于型腔38宽度的钢包12。本实施例允许减小钢包的宽度，同时不会有使金属从开口模具区域溢出的危险。与图1和图2相同的结构在图3中用相同的附图标记带有一个角标(’)来表示。

铸造装置10’包括适合容纳和浇注熔融材料16’的钢包12’。模具14’用于容纳来自钢包12’的熔融材料16’。可以理解的是，熔融材料16’可以是任何所需的熔融材料，例如金属和聚合物。

钢包12’可以由任何所需的常规材料制造，例如陶瓷和金属。在所示实施例中，钢包12’包括由一对平面侧壁18’，基本平面的前壁28’和曲面壁30’形成的中空内部26’。每个侧壁18’都由曲线边20’、第一直线边22’和第二直线边24’限定。第二直线边24’适于与模具14’邻接。每个侧壁18’上都形成有销32’。在所示的实施例中，销32’适合于有助于使钢包12’在销32’上绕钢包12’的旋转偏心轴旋转。可以理解的是，销32’可以与侧壁18’一体成形，或者销32’单独成形并与侧壁18’连接。然而，钢包12’的底壁和后壁可以按照需要由平面壁和曲面壁、一对平面壁或者一对曲面壁组合构成。

钢包12’的前壁28’适于与模具14’基本邻接。在钢包12’的前壁28’中形成有第二孔34’。在该所示实施例中，第二孔34’的长度与前壁28’的长度基本相等，但是第二孔34’也可以具有所需的任意长度。钢包12’的前壁28’的顶部可以包括突出部或凸缘。该突出部可以根据需要形成在钢包12’的前壁28’的外部或内部。曲面壁30’限定了钢包12’的底壁和后壁。

在图3所示的实施例中，模具14’适合在其中容纳通过倾斜浇注的熔融材料。该模具14’包括在其中形成有型腔38’的模体部分36’和一对模具部件42，该模具部件42适用于消除在倾斜浇注过程中熔融材料16’从模具型腔38’中的溢出。型腔38’的长度长于形成在钢包12’的前壁28’中的第二孔34’的长度。模具14’的型腔38’可以具有任一所需铸件的形状，例如发动机本体、汽缸盖、复杂的变速器部件，等等。当钢包12’设置成与模具14’相邻时，模具部件42被设置成与钢包12’的侧壁18’相邻。模具部件的高度高于模具型腔38’与钢包12’相邻部分的高度。模具部件42的尺寸根据钢包12’的形状和钢包12’与模具14’在倾斜浇注过程中的旋转速度来变化。当旋转速度增加时，熔融材料16’的浇注速度增加，因此增加模具型腔38’中的熔融材料16’的高度至高于钢包12’的孔34’的高度。当模具型腔38’中的熔融材料16’的高度增加时，模具部件42的尺寸也增加来防止溢出。模具14’还包括冒口40’，其适用于形成贮存器，所述贮存器防止在冷却和凝固过程中由于熔融材料16’的褶皱在所需的铸件中形成的孔穴和气孔。

在使用过程中，钢包12’在装填操作期间装填熔融材料16’，其包括：(1)将钢包12’定位在装填有熔融材料16’的炉子浇口窝或坩锅(未示出)上方的静止位置；(2)将钢包12’降低至熔融材料16’的液面并且使钢包12’和熔融材料16’开始接触；(3)使钢包12’绕销32’上的偏心轴旋转并且将部分孔34’暴露给熔融材料16’，从而使得在装填过程中熔融材料16’到钢包12’中的落差最小化；(4)将钢包12’降低到坩锅中的所需深度；(5)旋转钢包12’回到静止位置；(6)从坩锅中提升装有熔融材料16’的钢包12’。通过使得熔融材料16’到钢包12’的落差最小，使得进入钢包12’的熔融材料16’中的紊流和熔融材料16’的褶皱最小化。

如图3所示，模具14’相对于地板或与所述地板平行的表面旋转90度，型腔38’的顶部基本垂直于钢包12’。钢包12’的第二孔34’定位成与型腔38’相邻，钢包12’的前壁28’与模具14’邻接。可以理解的是，钢包12’可以定位成与型腔38’相邻，在前壁28’和模具14’之间具有微小的缝隙。然后使钢包12’和相邻模具14’共同旋转，或者共同控制，这通过用连接装置(未示出)固定在一起或者通过钢包12’和模具14’的同步控制器来实现。然后，使包括钢包12’和模具14’的铸造装置10’如箭头R所指的那样绕销32’上的偏心轴旋转90度，该销32’可以根据需要位于钢包12’和模具14’的连接处或者位于模具14’的基底。可以调整铸造装置10’的旋转速度从而有助于熔融材料16’被重力助推低速浇注到模具14’的型腔38’中。当熔融材料16’进入型腔38’中时，熔融材料16’流经型腔38’，从而填充型腔38’中的空隙空间直到装填至所需程度。由于熔融材料16’被直接浇注到型腔38’中而不是浇注门系统，因此熔融材料16’从钢包12’到型腔38’的落差最小化，从而减小了其紊流和褶皱。由于熔融材料16’的紊流和褶皱被最小化，使得熔融材料16’中空气的滞留和熔融材料16’的氧化被最小化，因此使得铸件的瑕疵和缺陷最小化并使得铸件的质量最大化。

一旦熔融材料16’被允许冷却并硬化，便可将三维铸件从模具14’中移出。然后该铸件可被进一步机加工为其最终形状。还可以在铸件上进行热处理操作、涂敷工艺等类似操作。

上述讨论仅仅公开和描述了本发明示例性的实施例。本领域技术人员可从这些讨论以及所附的附图和权利要求中得知：可以在不偏离本发明以下所附权利要求书所限定的精神和范围内对本发明进行各种改变、修改和变化。

Claims

1.一种铸造装置，包括：

具有适于在其中容纳熔融材料的中空内部的钢包，其中所述钢包适合在装填熔融材料时绕偏心轴枢转；和

其中形成有型腔的模具，所述型腔适合容纳熔融材料，其中所述钢包与所述模具邻接，且所述模具和所述钢包共同旋转来将熔融材料从所述钢包中直接浇注到所述模具的型腔中而不是浇注门系统中，因此熔融材料从钢包到型腔的落差被最小化。

2.如权利要求1所述的铸造装置，其中在所述钢包的侧壁上形成有销，以帮助其枢转。

3.如权利要求1所述的铸造装置，其中在所述钢包中形成有孔，以帮助从其浇注熔融材料。

4.如权利要求3所述的铸造装置，所述孔的长度与所述模具型腔的长度相等。

5.如权利要求1所述的铸造装置，其中所述钢包绕偏心轴的枢转使得其中引入的熔融材料的紊流最小化。

6.如权利要求1所述的铸造装置，其中所述钢包和所述模具是一体成形的。

7.如权利要求1所述的铸造装置，其中所述钢包和所述模具是单独成形并被连接在一起的。

8.一种铸造装置，包括：

具有适于在其中容纳熔融材料的中空内部的钢包，所述钢包上形成有孔，其中所述钢包适合在装填熔融材料时绕偏心轴枢转；和

其中形成有型腔的模具，所述型腔适合容纳熔融材料，其中所述钢包与所述模具邻接，且所述模具和所述钢包共同旋转从而将熔融材料从所述钢包中直接浇注到所述模具的型腔中而不是浇注门系统中，因此熔融材料从钢包到型腔的落差被最小化。

9.如权利要求8所述的铸造装置，其中在所述钢包的侧壁上形成有销，以帮助其枢转。

10.如权利要求8所述的铸造装置，其中所述孔的长度与所述模具型腔的长度相等。

11.如权利要求8所述的铸造装置，其中所述钢包绕偏心轴的枢转使得其中引入的熔融材料的紊流最小化。

12.如权利要求8所述的铸造装置，其中所述钢包和所述模具是一体成形的。

13.如权利要求8所述的铸造装置，其中所述钢包和所述模具是单独成形并被连接在一起的。

14.一种将熔融材料输送到铸模中的方法，该方法包括：

提供具有适于在其中容纳熔融材料的中空内部的钢包，所述钢包中形成有孔，其中所述钢包适合于在装填熔融材料时绕偏心轴枢转；

提供其中形成有型腔的模具，所述型腔适合容纳熔融材料，其中所述钢包和所述模具邻接，且所述模具和所述钢包共同旋转从而将熔融材料从钢包直接浇注到模具型腔中而不是浇注门系统中，因此熔融材料从钢包到型腔的落差被最小化；

用熔融材料装填钢包；

将钢包上的孔与所述模具型腔相邻定位；和

旋转所述模具和钢包来帮助熔融材料从钢包浇注到模具型腔中。

15.如权利要求14所述的方法，其中所述钢包和所述模具是一体成形的。

16.如权利要求15所述的方法，其中通过使熔融材料从炉子中流经喷嘴来装填所述钢包。

17.如权利要求14所述的方法，其中所述钢包和所述模具是单独成形并被连接在一起的。