CN1017974B - 控制压力作用下的金属制品失泡沫铸造过程的改进 - Google Patents

Abstract

本发明涉及在控制压力作用下，金属制品失泡沫铸造过程的改进。

这个改进包括，一开始时在第一阶段，以0.003～0.3兆帕/秒的速度增大压力，这一阶段从压力升高开始算起至多为5秒，然后在第二阶段，以此第一阶段较高的速率增大压力，直至达到最大压力为止。

这个改进可使制品具有与模型相适应的形状，而不会有砂眼。

Description

本发明涉及在控制压力作用下，金属制品，特别是铝和合金制品的失泡沫铸造过程的改进，正如1988年5月20日公布的主专利No2606688中所说明的那样。

对于技术熟练的人，主要从美国专利No3157924中可以得知，将聚苯乙烯泡沫埋入由不含粘结剂的干砂制成的铸模中所得到的模型可用于铸造。在这个过程中，要浇铸的金属事先被熔化，然后借助穿过砂子的通道流入模型中，与模型接触，将模型燃烧和使之转化为蒸气，逐渐代替所述的模型，蒸气则从砂粒之间逸出。

这种方法在工业上很有吸引力，因为它不需要预先制造和型芯相连接的坚固的铸模，并可以简单地回收铸件和容易重复利用铸造材料，通常铸模的预先制造需要把粉状的耐火材料压实和加热粘结，而铸模与型芯的连接也是相当复杂，要借助许多通常才能实现。

但是，这个方法也受到若干缺点的影响：

-凝固作用较慢，这样会促使产生气孔;

-热量梯度相对较弱，因此假如制品外形使得补缩难以进行时，会产生微收缩。

为了克服这些缺点，申请人开发出一种失泡沫铸造过程，这也是在法国公布的专利申请No2606688的内容。

这个申请说明，当铸模被熔化的金属充满后，即是说当模型完全被金属破坏，泡沫放出的蒸气已经排出，最好在金属开始凝固之前，在铸模和金属组件上产生等压的气体压力。这个压力的数值随着时间而增加，以避免产生金属渗透现象，因此必需在小于15秒的时间内达到压力的最大值。

在这个申请中，最大压力值在0.5至1.5兆帕之间。然而，这个范围在1989年9月7日提交的法国增补发明证书No.89-11943中已经扩展至10兆帕，因此，在各种改进中，所生产的制品的疲劳强度可以提高。

同时，申请人还发现，除了导致制品变形的金属渗透现象之外，在泡沫被金属燃烧的过程中，这些泡沫首先液化，然后气化，并产生压力，这样气体就渗入金属中，并在其中形成砂眼，并同时出现碳的夹渣，这是由于残余泡沫燃烧不完全造成的。

为了解决这个问题，他们推荐了一种改进方法，这就是1989年3月7日提交的增补发明证书No.89-03706的内容，它包括随着砂粒尺寸和埋入模型的深度变化而增加压力，压力迅速地和暂时地在熔融金属与砂的交界地区，在熔化金属中产生一个比在砂中较高的压力，这个产生的压力可通过砂子释放型料而得到;这个过压值处在两个限值值之间，当所述的压力增加时过压值即降低，然后保持所述压力不变，直至凝固作用完成。

压力增加的速率最好在0.003-0.3兆帕/秒之间，制品的厚度越厚，则速率越低，所述的最大过压应在小于2秒的时间内达到。

申请人还想在基本的专利申请及其改进的范围内进一步改善其过程。事实上，众所周知，最大压力必需在浇铸金属达到一定程度的凝固之前就加上去，否则所述压力的作用会大大降低。现在，还可以看到，为了避免产生金属渗透现象和由泡沫气化产生的气体渗透到制品中去，必需一开始就有一个给定范围的过压。这时还假定，为了避免过份高的过压，在加压的最初几秒钟内，压力的增加应该适 当。然而，如果在整个加压的过程中，压力的增加都保持同一数值，则可以发现，通过在达到最大压力之前，所有金属实际上已经凝固了，因此，这个过程的效果受到限制。

这就是为什么申请人有这个想法，拟分两个阶段来增加压力。因为，过程的特点是一开始，在第一个阶段压力以0.003-0.3兆帕/秒的速率增加，那末，在第二阶段，压力增加的速率应比第一阶段的更高，直到达到最大压力为止，第一阶段通常是指从压力上升开始至多5秒的一段时间。

现在可以来看看防止金属渗透和碳夹渣以及在金属完全凝固之前达到最大压力的条件。第一阶段最好至多为2秒，因为这个数值通常已足够来避免上述缺点了。可有两种不同的方法来增加压力升高的速率：

-一种方法是分两阶段进行，在每一阶段中，首先用较低的，固定不变的速率，然后才用较高的，固定不变的速率。因此，压力与时间的关系曲线可用两条直线段来表示，其公共点位于时间t≤5秒处。在气体回路中放置一个或两个阀，该阀具有两部分，分别带有不同的开孔就可做到这点。

-或者另一种方法是，在过程中速率是连续增加的。因此，压力曲线可用一条连续上升的曲线来表示，在时间t≤秒处V的数值小于0.3兆帕/秒。这点可利用一个阀来达到，阀的过流截面是逐渐增大的。本过程的一个非限定的例子包括配上一种开孔的规律，该规律给出一种 (dp)/(dt) ＝Kt形式的速率随时间呈线性增加的关系，这使得压力的规律呈抛物线形式P＝Kt²/2。

本发明可用下列实施例来说明。

例1

内燃机的顶盖用A-S₇U₃G型铝合金制造，该合金以重量计含有6.9%的硅，3.1%的铜，0.3%的镁，其余为铝和常规的杂质。顶盖具有厚的凸缘和薄的辐板，其厚度为3毫米，达到凝固程度为30%所需的时间约为4秒，此外，金属流动的路径较长，这导致在充填的最后阶段，供料速率较低，必需使金属过热。

金属浇铸入铸模中，铸模包含有一个聚苯乙烯的模型，它埋入砂中，根据本发明，要加1.5兆帕的最大压力，过程按照下列步骤进行：

-在最初的2秒过程中，速率的增加为0.25兆帕/秒，这样可获得0.5兆帕的压力。

-在以后的2秒过程中，速率的增加为0.5兆帕/秒，这样可获得1.5兆帕的压力。

将具有不同横截面的两个阀放在气体供给回路中就可进行这个步骤。

当得到在凝固程度达到30%以前达到最大压力的条件时，就可避免产生金属渗透和在制品上形成碳夹渣的问题。

根据申请的先有技术，为了在4秒内达到1.5兆帕的压力就必须加压力，压力随时间的增加速率应达到0.375兆帕/秒，这个数值超过J在Na89-03706号申请中所指的0.30兆帕/秒的极限。

例2

一种悬臂用A-S₇G0.3型铝合金制成，按重量计它包括7.5%硅，0.25%镁，其余为铝及常规杂质。这个臂的厚度是正常的，为6～8毫米，为得到30%的凝固程度所需的时间约为20秒。

金属浇铸至铸模中，根据本发明需加的最大压力为8兆帕，过程按以下步骤进行，该步骤包括利用控制阀，使压力按照公式P＝2×10^-2t²呈抛物线升高，式中P用兆帕表示，t用秒表示，为了做到这点，压力升高的速率应为 (dp)/(dt) ＝4×10^-2t。

这个步骤允许：

-在最初的2秒过程中，所得到的压力上升速率不超过0.08兆帕/秒，因此，远远低于在申请No.89-03706中所指出的，为了避免发生金属渗透现象的极限0.30兆帕/秒，但是从t＝0.075秒起，却高于下限0.003兆帕/秒，此下限可保证从模型中产生的气体和液体的残渣能彻底排除干净。

-20秒钟以后，压力必需达到8兆帕，以便充分发挥压实成型的作用。

这样，通过采用这些条件，即在凝固程度达到30%之前，得到最大压力，就可以避免金属渗透和在制品中碳夹渣的问题。

根据申请的先有技术，为了在20秒内达到8兆帕的压力，所加的随时间而增大的压力，其上升速率应达到0.4兆帕/秒，这个数值超过了为避免产生金属渗透现象所需要的极限。

Claims (4)

1、在控制压力的作用下，铝及其合金制品的失泡沫铸造过程的改进，其中，需浇铸的制品的有机泡沫模型埋入铸模中，铸模的壁为不含粘结剂的干砂，铸模用液态金属充填，金属将泡沫燃烧而逐渐取代泡沫，然后最好在金属开始凝固之前，在铸模和金属上加上一等压的气体压力，此压力随时间而增大，直至达到0.5-10兆帕的固定值为止；在压力升高阶段，在熔融的金属中产生一个相对于砂子的过压，这种改进方法的特点在于：在第一阶段，压力一开始是以0.003-0.3兆帕/秒的速率增加的，制品的厚度越厚，速率越低，此阶段从压力上升开始算起，至多为5秒，然后在第二阶段过程中，以比第一阶段较高的速率增加，直至达到最大值为止。

2、根据权利要求1的改进，其特征为：第一阶段至多为2秒。

3、根据权利要求1的改进，其特征为：在两个阶段的每一阶段中，压力上升速率为固定不变。

4、根据权利要求1的改进，其特征为：在两个阶段过程中，速率是连续增大的。