CN102089094B - 用于金属铸造的模具和采用该模具的方法 - Google Patents

用于金属铸造的模具和采用该模具的方法 Download PDF

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Abstract

一种用于铸造金属的模具，其允许从熔融金属中去除固体杂质。模具(50)在其中具有空腔，所述空腔具有铸造部和铸造部上游的与铸造部邻接的运行系统，所述运行系统包括上游进口部(58)、下游出口部(60)以及设置在所述进口部和出口部(58，60)之间的涡流室(54)，其中过滤器(62)设置在涡流室(54)和出口部(60)之间的接口处。本申请还涉及制备该模具的方法、用于制备该模具的范型、用在该模具中的壳体和采用该模具铸造的方法。

Description

用于金属铸造的模具和采用该模具的方法
技术领域
本发明涉及用于铸造金属的模具和用于采用这种模具铸造金属的方法。
背景技术
在金属铸造中使用过滤器是熟知的。过滤器主要用于防止熔融金属中的非金属夹杂物进入铸件。夹杂物的存在对铸件表面抛光、机械性能和加工特性具有不利的影响。过滤器，特别是陶瓷泡沫过滤器，还降低金属流的湍流，并允许改善运行和浇铸系统，因此改善铸件的成品率。
对于小型铸件，金属通常可以采用一个金属流和一个过滤器成功地送至铸件。对大型铸件会出现困难，因为常规过滤器将不具有所要求的流入大型铸件的能量，即它被阻塞，因此减缓或停止金属的流动，并且产生未完成的铸件。因此，需要采用非常大的过滤器，或者需要采用引入铸件的多重过滤金属流。由于低过滤能量，仍会产生问题，导致过滤器阻塞，灌注时间长。增加金属灌注温度可以部分地克服这种问题，但这会带来其它的使金属过滤在技术上或在经济上没有吸引力的问题。这种问题的一种方案是如在DE4229417C2中描述的过滤器转盘。过滤器转盘包括用于设置成环的多个过滤器的陶瓷壳体。熔融金属从环外流过过滤器，到达壳体顶部的中心的出口。转盘允许过滤更大体积的技术，但仅对大型铸件有用，部分是因为陶瓷壳体和运行系统的高温能力。
涡流室(也熟知为涡流门或向心收集器)是用于从熔化物(熔融金属)上去除炉渣和其它杂质的装置。该装置采用熔化物和悬浮或漂浮在熔化物中的不必要材料之间的密度差。该装置使熔化物旋转，由此向外扔出重金属，向内向它们凝聚和向上漂浮的位置扔较轻的杂质。
RU2213641描述了铸件模具中的改良的集渣器，其为空腔凸台形式，具有用作基底的插入件(其可以包括过滤器)和位于插入件之下的金属容器。插入件具有平行于空腔凸台的壁的环形突起，以便当金属首先进入空腔凸台时，它在空腔和突起之间的间隙附近流动。炉渣据说向上漂浮，并集中在空腔凸台的上部中，从而熔化通过插入件向下流入金属容器，随后进入铸件模具。
发明内容
本发明的一个方面的目标是提供铸造熔融金属的方法，其经由涡流室降低铸件中的炉渣和其它杂质。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于铸造金属的模具，所述模具在其中具有空腔，所述空腔具有铸造部和在铸造部上游的与铸造部邻接的运行系统，所述运行系统包括上游进口部、下游出口部以及设置在所述进口部和出口部之间的涡流室，其中过滤器设置在涡流室和出口部之间的接口处，其中过滤器平行于金属在使用在涡流室内旋转所围绕的轴线设置，且进口部的纵向轴线穿过过滤器。
如在此使用的，“上游”和“下游”涉及铸造期间金属流进入模具的大致方向。
如在此使用的，涡流室为向穿过它的熔融金属施加旋转运动(相对于金属通过运行系统的一般运动)的腔室。
在一些实施方式中，涡流室具有帮助金属在涡流室中旋转的一个或多个弯曲表面。涡流室的外周面可以具有圆形剖面。过滤器可以位于所述外周面中。
出口部将在模具中大体水平，但不特别限制进口部的定向。在一种便利系列实施方式中，进口部基本上垂直，而在可替换系列的实施方式中，进口部基本上水平。特别在水平进口部的情况中，本领域技术人员将认识到，运行系统通常将包括用于容纳进口部上游的熔融金属的直浇口。
在其中进口部和出口部都为水平的那些实施方式中，它们可以有利地部分地或全部地位于共同水平面内。
进口部的纵向轴线穿过过滤器。将会理解，在其中进口部垂直定向的实施方式中，流入涡流室中的金属的至少一部分将直接撞击过滤器。
在某种实施方式中，当从涡流室观看时，限定在进口部的纵向轴线和过滤器的上游表面的平面之间的角度大于90°且小于180°。该同一角度可以大于100°和/或小于170°，或者甚至大于120°和/或小于150°
在特定的实施方式中，涡流室包括贮槽，贮槽为涡流室中的最低的区域，且过滤器位于进口部和贮槽之间。贮槽用于收集金属泄露，例如，如果金属在铸造之前滴入涡流室，如在将金属灌注到模具之前来自定位在模具上方的底部灌注钢包的泄露。所述泄露可以收集在贮槽中，而不是在涡流室的主要部分内凝固。
在该模具中可以采用任何使用过滤熔融金属的常规过滤器。在特定的实施方式中，过滤器为泡沫过滤器或蜂窝状过滤器。适合的泡沫过滤器包括陶瓷过滤器，如在EP 0412673B1和其中的参照文献中描述的碳化硅-氧化铝过滤器，或如W H Sutton、J C Palmer、J R Morrisor发表在AFS学报第339页中的文章″Development of Ceramic Foam Material for Filtering HighTemperature Alloys″(1985)中描述的氧化锆过滤器，以及在WO02/18075中描述的碳键(carbon bonded)过滤器。
当放置在模具中时，过滤器将具有面向涡流室的上游表面和面向出口的下游表面。过滤器的边缘可以固定在模具中，由此降低过滤器过滤熔融金属可用的表面积。过滤器的上游表面的露出区域对过滤熔融金属是可用的，并称为该过滤器的“工作”表面积。
该过滤器或每个过滤器的工作表面积(以cm2测量)可以小于或等于涡流室体积(以cm3测量)的15％、12％、9％或6％。该过滤器或每个过滤器的工作表面积(以cm2测量)可以大于或等于涡流室体积(以cm3测量)的2％。
在另一系列的实施方式中，涡流室具有一对彼此竖直且平行的侧壁，以便金属的旋转大体围绕垂直于所述彼此平行侧壁的轴线。侧壁之间的距离可以大于过滤器的在对应的平面(即，垂直于侧壁的平面)中测量的宽度的60％，大于70％，大于80％或大于90％。类似地，侧壁之间的距离可以小于过滤器的在对应的平面中测量的宽度的150％，小于135％，小于120％，或小于110％。
涡流室可以包括多于一个的出口部以及位于涡流室和出口部之间的接口处的相关的过滤器。在某种实施方式中，过滤器设置为使得进口部的纵向轴线刚好穿过一个过滤器。在特定的实施方式中，涡流室包括两个出口部和两个过滤器，每个过滤器位于涡流室和出口部之间的接口处。
该模具可以包括多个涡流室(和相关的进口部和出口部)，例如两个或三个涡流室。模具可以包括多个铸造部(和相关的运行系统)，例如两个或三个铸造部(腔)。该模具可以每个铸造部(腔)包括一个涡流室。可替换地，一个涡流室可以与多于一个的铸造部(腔)相关联，或者一个铸造部(腔)可以与多于一个的涡流室相关联。
本发明还在于一种用于制备第一方面的模具的方法，包括下述步骤：
提供具有与模具空腔的形状互补的外周面的范型，
用合适的模具材料围绕该范型，
设置所述模具材料，以及
从模具上去除范型。
虽然单个整体范型可以用来限定模具腔，铸造生产通常可以提供装配在一起并共同限定所述范型的多个部分。
模具可以以两部分(水平分开的模具的上下半模具通常分别称为上型箱和拖曳部)形成，在这种情况中所述范型将也由至少两部分(至少一部分与每个半模具相关联)构成，模制材料单独涂覆并设置在每个半模具中，在将所述半模具集聚在一起形成模具之前从对应的半模具上去除每个范型部分。所述范型或范型部分可以由木材和金属制成，并且是可重复使用的。
所述范型可以由在与熔融金属接触时挥发的牺牲材料制成，在这种情况中，所述范型从模具上的去除在铸造期间发生。适合的牺牲材料包括膨胀热塑性材料，如聚苯乙烯或苯乙烯和甲基丙烯酸酯的共聚物。
当然，还可行的是组合上述两种技术。例如，在两部分模具系统中，限定所述范型的一部分元件可以由牺牲材料制成，其它元件采用可去除和可重新使用的材料。例如，铸造部可以由非牺牲范型部分限定，运行系统的至少一部分，例如涡流室由牺牲部分限定。
过滤器可以在制备模具之前预先形成在所述范型中，或者它可以在模具制备期间插入。典型地，如果所述范型(或至少所述范型的在过滤器附近的区域)由牺牲材料制造，则过滤器将预先形成在该范型中。在两部分模具系统的情况中，过滤器将在将半模具刚刚集聚在一起的之前插入一个半模具中。在EP0294970描述了结合过滤器的膨胀热塑性材料的范型。
典型地，模具材料将为包含粘合剂的型砂。型砂由扎结机的动作灌注到所述范型上方，压实和设置。模制实践是公知的，例如在Foseco FerrousFoundryman′s Handbook (ISBN 075064284X)中的第12和13章描述的。型砂通常是硅砂，虽然对于特定的应用，使用其它更昂贵的型砂来给予模具和铸件的一部分或全部具有特定的性能。型砂可以是新的，它可以为循环使用的型砂，或者它可以为二者的组合。典型的熟知为自硬或冷固化工艺的工艺用来将型砂与液体树脂或硅酸盐粘结剂以及合适的催化剂混合在一起(通常在连续混合器中)。混合后的型砂随后在所述范型附近由振动和捣打的组合压实，随后允许立起，在此期间催化剂开始与粘结剂反应，导致型砂混合物硬化。当模具已经达到可处理强度时，它被从所述范型上去除并机械硬化，直到化学反应完成。随后可以涂覆耐火涂料，以减少砂模和金属铸造之间的物理和化学相互作用，因此改善完成的铸件的表面。涂料可以通过刷子、喷雾或顶灌涂覆，并且允许在过滤器和任何进料系统放置在模具中且两半组装在一起准备铸造之前干燥。
可替换地，模具可以由粘土粘结型砂(通常称为绿砂)制成，该粘土粘结型砂由诸如钠膨润土或钙膨润土之类的粘土、水以及诸如煤尘和面粉粘结剂之类的其它添加剂的混合构成。型砂混合物放置在范型附近，并在通常通过在型砂顶部的挤压板上施加气压力或液压力产生的压力下被压实。释放压力，并从范型板上剥离模具。应用或不应用耐火涂料，模具随后可以用于铸造。
本发明还在于用于形成第一方面的涡流室以及进口部和出口部的与模具连续的那些部分的范型部分，所述范型部分的外周面与涡流室、过滤器以及进口部和出口部的与过滤器连续的那些部分的形状互补。
根据本发明的第三方面，提供了一种用于形成金属铸件的方法，包括下述步骤：
形成在其中具有空腔的模具，所述空腔具有铸造部和位于铸造部上游的与铸造部邻接的运行系统，所述运行系统包括上游进口部、下游出口部以及设置在所述进口部和出口部之间的涡流室，其中过滤器设置在涡流室和出口部之间的接口处，并且过滤器平行于金属在使用在涡流室内旋转所围绕的轴线设置，且进口部的纵向轴线穿过过滤器，
将熔融金属浇铸到空腔中，以便它流过进口部并进入涡流室，
引起熔融金属在涡流室中旋转运动，从而引起金属中的夹杂物积聚在涡流室中，
使熔融金属通过过滤器进入运行系统的出口部，且随后进入模具空腔的铸造部，
允许熔融金属凝固，以及
将铸件从模具上分离。
出于实践原因，该方法特别适合大于25kg、大于100kg、大于250kg或大于500kg且小于3000kg或小于1500kg或小于750kg的铸件。
在一些实施方式中，用于该铸件的金属将为黑色金属，例如钢。
一旦从模具分离，该铸件可能需要采用本领域熟知的各种技术进行抛光。
本发明还在于一种用在第一方面的模具中的耐火壳体，该壳体包括设置在进口部和出口部之间的涡流室，该壳体适于容纳过滤器，其中进口部和出口部位于相同的平面且垂直于金属在使用中在涡流室中旋转所围绕的轴线。
在一种实施方式中，出口部位于涡流室的外周面中。
在一种实施方式中，壳体还包括过滤器，其中该过滤器设置在涡流室和出口部之间的接口处，并且使得该过滤器平行于金属在使用中在涡流室旋转所围绕的轴线设置，并且使得进口部的纵向轴线穿过该过滤器。
壳体可以以在全套元件中与过滤器一起供给。以这种方式，在制备模具之前或在铸造之前，过滤器在铸造车间中可以位于壳体中。可替换地，壳体可以与已经如上所述位于壳体内的过滤器一起供给。
修改壳体，以便过滤器恰当地定位在壳体内。壳体可以具有用于将过滤器定位在壳体内的凹陷、沟槽或狭槽。过滤器可以经由摩擦配合定位，和/或焊片可以用来将过滤器固定到合适的位置。
将会理解，该铸造方法可以利用关于第一方面的模具描述的任意特征的模具。
附图说明
现在将参照附图，仅以举例的方式描述本发明的各实施方式，在附图中：
图1示出了根据本发明实施方式的用于铸造金属的模具。
图2A为根据本发明实施方式的模具的运行系统的一部分的截面。
图2B为铸造期间通过图2A中示出的运行系统的金属流的示意图。
图3为根据本发明实施方式的范型的透视图，对应于图2A的运行系统的一部分。
图4A为根据本发明另一实施方式的模具的运行系统的一部分的截面。
图4B为铸造期间通过图4A中示出的运行系统的金属流的示意图。
图5为根据本发明实施方式的范型的透视图，对应于图4A的运行系统的一部分。
图6为根据本发明另一实施方式的模具的运行系统的一部分的截面。
图7A为根据本发明另一实施方式的模具的运行系统的一部分的截面。
图7B为图7A中示出的模具的运行系统的一部分的俯视图。
图8A和8B为比较例中采用的常规过滤器印迹的截面。
图9为根据本发明实施方式的用来生产铸件的模具的俯视图。
图10为根据本发明另一实施方式的模具的运行系统的一部分的截面。
图11为用在根据本发明实施方式的模具中的涡流室的透视图。
图12为采用根据本发明实施方式的模具形成的铸件的一部分的示意图。
具体实施方式
图1示出用于铸造金属的粘接砂模1的截面。模具1包括沿着分型线3汇合的拖曳部1a和上型箱部1b。模具腔包括铸造腔(部)12和运行系统4。熔融金属流过运行系统4(上游)以到达铸造腔12(下游)。运行系统4包括垂直的直浇口6，该垂直的直浇口6在其顶端具有漏斗形浇铸段5。直浇口6的下端形成涡流室7的进口。涡流室7具有出口10，其首先通向浇口区域11，且随后通向铸造腔12。因此，涡流室7与铸造腔12是连续的。过滤器8位于涡流室7和出口10之间的接口处，在涡流室7的外围表面处。熔融金属经由直浇口6进入腔，在涡流室7附近流动，流出过滤器8至出口10，随后经由浇口区域11继续流向下游至铸造部12。图1中示出的模具腔包括冒口13形式的可选元件，一个靠近浇口区域11放置，另一个位于铸造腔12上。在铸造腔12填充期间，并且在铸件后续的在冷却时的固化和收缩期间，冒口13提供液态金属储液器。冒口13由匀料筒(进料器)14围绕，匀料筒14为低密度均匀或耐热物件，其延长被封闭的金属保持液态的期间。匀料筒14在组装之前放置在模具1中。
将会认识到，取决于将要制造的铸件的尺寸、形状和金属，运行系统4的设计存在多种变化。例如，下游出口部10可以直接通向铸造腔12，而不是经由浇口区域。
图2A示出了包括运行系统的一部分的砂模20的一部分的剖面。运行系统包括涡流室24，其近似为圆筒形，具有连接两个相互平行侧壁(图2A中不可见)的弯曲(如图2A中所示的圆形剖面)外周面26。将会理解，运行系统的侧壁和表面由模具20的内表面构造。涡流室24具有进口28和出口30，它们都从涡流室24的外周面26延伸。进口28离开涡流室24延伸至运行系统的上游部的剩余部分。出口30离开涡流室24延伸至运行系统的下游部的剩余部分。模具20示出为处于用于铸造的合适定向，并且如可以看到的那样，进口28基本上是垂直的，出口30基本上是水平的。过滤器32位于涡流室24的外周面中，在涡流室24和出口30的接口处。过滤器32具有面向涡流室24的上游表面34和面向出口30的下游表面36。进口28具有纵向轴线A，其穿过过滤器32的上游表面34。限定在纵向轴线A和过滤器32的上游表面34的平面之间的角度α为150°。涡流室具有9.6cm直径和约4.8cm的厚度，因此具有约347.3cm3的体积。过滤器32具有约23.04cm2(4.8cm×4.8cm)的露出(工作)表面积。因此过滤器的工作表面积为涡流室体积的6.6％。涡流室24的厚度以及过滤器32和出口30的尺寸设计为使得流入金属的流量和速度在其留在涡流室24中的期间不明显降低。
在该实施方式中，进口28和涡流室24的平坦侧壁基本是垂直的。在可替换实施方式中，涡流室可以定向为使得进口28和平坦侧壁将基本是水平的。
图2B展示了铸造期间熔融金属通过砂模20的流动。如箭头所示，熔融金属经由进口28进入涡流室24，流过过滤器32的上游表面34，在外周面26附近流动，随后流过过滤器32进入出口30。在涡流室24内，金属的旋转大体上围绕垂直于相互平行的平坦侧壁并平行于过滤器32的平面的轴线B。金属的旋转促使金属中的杂质聚积在涡流室24中，而不是与流过过滤器的金属一起输送。其中具有少量杂质的金属将不会很快阻塞过滤器，并将改善下游金属至铸造部(未示出)的流动。当然，金属的任何特定的等分试样的停留时间将变化。一些金属可以立刻穿过过滤器，一些金属可以在涡流室中循环多次。
图3为用来制备图2中示出的涡流室24、进口28和出口30的范型40的透视图。在该实施方式中，范型40不包括过滤器。过滤器在铸造之间可以短时间内放在模具中。该范型基本上为圆柱形盘42，具有第一腿44和靠近它的第二腿46，第一腿44大体垂直并从盘42的外周面沿切线延伸，第二腿46大体水平并从盘42的外周面沿切线延伸。大体立方形部48位于盘42的外周面和第二腿46之间，并限定在使用中用于放置过滤器的区域(过滤器壳体)。
范型40沿着水平平面A被分成两部分(40a，40b)，水平平面A在盘42的中心之下平分盘42且与第二腿46的上表面重合。上部分40a可以用在模具的上型箱部的形成中，下部分40b可以用在模具的拖曳部的形成中。随后可以将上型箱部和拖曳部集聚在一起，以形成模具20，并限定图2中示出的腔。
图4A示出了包括运行系统的一部分的砂模50的剖面。运行系统包括具有外周面56的涡流室54，外周面56连接两个相互平行的平坦侧壁(图4A中不可见)。将会理解，运行系统的侧壁和表面由模具50的内表面构造。涡流室24具有进口58和出口60，它们都从涡流室54的外周面56延伸。进口58离开涡流室54延伸至运行系统的上游部的剩余部分。出口60离开涡流室54延伸至运行系统的下游部的剩余部分。模具50示出为处于用于铸造的合适定向，并且如可以看到的那样，进口58基本上是垂直的，出口60基本上是水平的。
过滤器62位于涡流室54的外周面中，在涡流室54和出口60的接口处。过滤器62具有面向涡流室54的上游表面54和面向出口60的下游表面56。涡流室54的与过滤器62相对的外周面56大体是平坦的，具有辐射式的上、下角。涡流室54的靠近过滤器62的外周面56向下延伸，以限定小腔室，小腔室限定贮槽68。贮槽68在过滤器62的水平面之下，并为金属泄露提供储液槽。例如，如果金属在铸造之前滴入涡流室54，它收集在贮槽68中，而不是在涡流室54的主要部分内固化，如在过滤器62的上游表面64上。进口58具有纵向轴线A，其穿过过滤器62的上游表面64。限定在纵向轴线A和过滤器62的上游表面64的平面之间的角度α为150°。
涡流室54具有约252.6cm3的体积。过滤器62的上游表面64具有约23.04cm2(4.8cm×4.8cm)的露出(工作)表面积。因此过滤器的工作表面积为涡流室体积的9.1％。涡流室54的厚度以及过滤器62和出口60的尺寸设计为使得流入金属的流量和速度在其留在涡流室54中期间不明显降低。
在该实施方式中，涡流室54的进口58和平坦侧壁基本上是垂直的。在可替换实施方式中，涡流室可以定位使得进口58和平坦侧壁将基本是水平的。
图4B展示了铸造期间熔融金属通过砂模50的流动。如箭头所示，熔融金属经由进口58进入涡流室54，流过过滤器62的上游表面64，在辐射式角的帮助下在外周面56附近流动，随后流过过滤器62进入出口60。所述流动大体上围绕垂直于相互平行的平坦侧壁并平行于过滤器62的平面的轴线B。金属的旋转促使金属中的杂质聚积在涡流室54中，而不是与下游金属流一起输送。金属(其中具有少量杂质)随后将流过下游过滤器，至铸造部(未示出)。当然，金属的任何特定的等分试样的停留时间将变化。一些金属可以立刻穿过过滤器，一些金属可以在涡流室中循环多次。
图5为用来制备图4A中示出的涡流室54、进口58和出口60的范型70的透视图。在该实施方式中，范型70不包括过滤器。过滤器在铸造之前可以短时间内放在模具中。范型70分成两部分，上部分70a和下部分70b。上部分70a可以用在模具的上型箱部的形成中，下部分70b可以用在模具的拖曳部的形成中。随后可以将上型箱部和拖曳部集聚在一起，以形成模具50，并限定图4A中示出的腔。
图6示出了包括运行系统的一部分的砂模80的剖面。运行系统包括两个垂直对齐的涡流室82a和82b。每个涡流室82a、b分别具有上游连接的且垂直于直浇口84的单独进口段83a和83b。每个涡流室82a、b分别具有下游出口段85a和85b，其从涡流室开始在与进口83a和83b相同的平面内延伸。出口85a、b随后向下游通向至少一个铸造腔(未示出)，可选地经由与铸造腔连续的浇口区域。运行系统可以用来向一个铸造腔进料，在这种情况中，出口85a、b可以通向同一铸造腔的不同部分。可替换地，出口85a、b可以通向两个分开的铸造腔，以便可以由单个模具和金属的单次浇铸制造两个单独的铸件。
图7A示出了包括运行系统的一部分的砂模90的剖面。模具90类似于图6中示出的模具80之处在于，运行系统包括经由单独的进口93a、b通向两个涡流室92a和92b的一个直浇口94。与图6中示出的模具80相反，涡流室92a、b在水平位置而不是在垂直位置对齐。每个涡流室92a、b分别具有通向一个或多个铸造腔(未示出)的下游出口段95a和95b。过滤器96a、b位于每个涡流室92a、b的外周面中，在每个涡流室92a、b和其对应的出口95a、b之间的接口处。
图7B为图7A中示出的实施方式的俯视图。熔融金属经由直浇口94的漏斗形段97进入模具90，沿着进口93a、b水平地流入涡流室92a、b，其中旋转运动使杂质聚积在涡流室92a、92b的中部。熔融金属随后通过过滤器96a、b流出涡流室92a、b，沿着出口95a、b向下游流至铸造腔。
图8A为限定常规运行系统的一部分(也熟知为过滤器印模区域)的砂模100的一部分剖面。运行系统包括直浇口103，过滤器104水平定位在该直浇口103的下端处。金属流到直浇口103，以便金属直接撞击在过滤器104的表面上，穿过过滤器104并在水平移动至出口区域106和随后移动至铸造腔之前撞击平底贮槽105。
图8B为限定常规运行系统的一部分(也熟知为过滤器印模区域)的另一个砂模110的一部分剖面。运行系统包括直浇口113，直浇口113的下端构成浇口窝或贮槽区域112。过滤器114垂直定位在模具110内，靠近浇口窝区域112。金属流过直浇口113，冲击贮槽115的平底，水平流过过滤器114并进入过滤器下游的出口段116，且到达铸造腔。
图9为包括运行系统的整个砂模50的俯视图，砂模50的一部分之前在图4A中示出。金属经由直浇口123进入模具腔，随后在通过过滤器62流出涡流室54到达出口60之前流入垂直定向的涡流室54并在涡流室54附近流动。出口60随后分成两个分开的通道126a、b，每个通道经由浇口段127a和127b通向铸造腔122的不同部分。与在图1中示出的实施方式一样，匀料筒128a、128b、128c和128d位于铸造腔122和浇口区域127a、b的顶部，以在铸件组装的模具填充固化期间维持熔融金属的贮液器。在冷却之后，通过切过截面129，从铸件上去除运行系统。
图10为包括运行系统的一部分的砂模150的剖面。该运行系统包括通向涡流室154的垂直定向的进口部152。涡流室154的外周面156具有圆形剖面，两个过滤器158、160定位于外周面156中。第一过滤器158通向第一出口部162，第二过滤器160通向第二出口部164。进口部152的纵向轴线仅穿过第一过滤器158。出口162、164稍微弯曲，以使流出过滤器的金属的流动平缓。
金属流由箭头图示。可以看出，第一和第二过滤器158、160平行于金属在使用中所围绕的轴线B设置。金属经由进口部152进入涡流室154，围绕涡流室154旋转，并经由两个出口部162、164流出。具有两个出口部162、164的涡流室154是有利的，因为金属可以更快速地流过涡流室，为以单个过滤器为类似容积的涡流室提供更大的过滤表面积。
图11为用在根据本发明的模具中的陶瓷(耐火)壳体170的透视图。壳体170由涡流室172、进口部174和出口部176构成。耐火泡沫过滤器178位于涡流室172的外周面中，在涡流室172和出口部176之间的接口处。壳体170适于将过滤器178固定到合适的位置；壳体具有特别成型的凹陷，其确保过滤器恰当地定位在涡流室172的外周面中。壳体将位于模具中，以便熔融金属将进入进口部174，在涡流室172附近旋转，并流过过滤器178至出口部176，随后向下流至铸造腔。壳体170可以垂直或水平放置在模具中。
实施例1以及比较例1A和1B
尝试采用包括过滤器的标准模具(比较例1A和1B)和根据本发明实施方式的模具(实施例1)制备具有68kg的总浇铸重量的钢铸件(弹簧吊篮)。在每种情况中使用如由Foseco以商品名STELEX PrO售卖的具有50mm×50mm×20mm的尺寸和10ppi的孔隙率的碳键泡沫过滤器。实施例1使用图4A、4B和9中示出的模具50。比较例1A使用其中过滤器水平设置以便金属直接从直浇口流动过滤器的表面上(如图8A中详述的那样)的模具。比较例1B使用其中过滤器垂直设置以便金属流过直浇口且随后水平流过过滤器(如图8B中详述的那样)的模具。
比较例1A
比较例1A不成功。在1600℃的浇铸温度下，过滤器在模具填充期间被阻塞，导致不能用金属完全填充铸造腔。浇铸温度增加至1640℃，但过滤器在可以填充模具之前仍被阻塞。如果过滤器用较薄形式(50mm×50mm×15mm)代替，则发现一些冶金特性的改善(铸件中的氧化夹杂物减少)，然而在为浇铸大比例的模具填充模具之前过滤器仍被阻塞。
比较例1B
比较例1B未制成成功的铸件。浇铸时间增加，对于浇铸大量模具，再次出现过滤器阻塞。这在1600℃和1640℃的浇铸温度下都观察到了。
实施例1
采用图4A、B和9中示出的模具并在1620℃的浇铸温度下制成了成功的铸件。过滤器不阻塞，所产生的铸件是洁净的，且没有缺陷。在1600℃的浇铸温度下观察到同样的结果。
实施例2
采用具有对应于图4A中示出的运行系统的模具制成了比实施例1大且重的铸件。1620℃的浇铸温度下的熔融钢浇铸到模具50中，通过运行系统到达铸造部(图4A中未示出)。STELEX PrO碳键泡沫过滤器62在浇铸时不阻塞，而且，与非过滤铸造相比，没有阻塞或流率降低地填充整个铸造部，产生236kg的铸件。如上所述，过滤器62的表面积为23.04cm2。因此，过滤器容量为至少10.24kgcm2。检查显示，不存在任何过滤器阻塞或旁通金属。
随后采用具有比之前的测试中的碳含量低的次级碳键过滤器重复测试。这些具有较高含量的耐火材料的过滤器明显比相同尺寸的STELEXPrO碳键过滤器重，并要求较高的灌注时间。在未观察到任何过滤器阻塞的情况下在1620℃的浇铸温度下成功地制成铸件。将浇铸温度降低至1600℃(用于浇铸非过滤铸造的温度)引起一些过滤器阻塞情况。
实施例3
采用图2中示出的运行系统制造如实施例2中所述的铸件。熔融钢浇铸到模具20中，通过运行系统到达铸造部(图2中未示出)。碳键过滤器32在浇铸时未阻塞，且在不阻塞过滤器的情况下填充整个铸造部。在冷却并从模具去除之后，运行系统的包括涡流室24、过滤器32、进口28和出口30的部分从铸件上切掉。金属件随后分成两半，并检查在运行系统内的金属的内部结构。图12为源自模具20的铸造运行系统的示意图。来自过滤器32的夹杂物和残留物141在金属内部分可见。还可以看到，一些夹杂物142已经聚积在涡流室的上部，而不是聚积在过滤器区域140中或在铸件本身中。特别地，注意到，夹杂物已经聚积在远离过滤器32的区域中，由此增加过滤器32的容量。在金属段的中间还可以看到一些多孔结构143。
在显微镜下检查金属件，以评定其微洁净度。选择两个区域，区域A为在过滤器上游的涡流室的下部中的金属，区域B为已经穿过过滤器的金属。从金属件上切下样品，安装样品，并将其表面抛光至1微米光洁度。采用数字图像分析以100×的放大倍数为每个样品拍摄7个随机区域。发现区域A中的金属包含平均0.43％型I氧化物和硫化物夹杂物(非均匀分布)，而区域B具有更均匀分布的夹杂物，夹杂物的平均含量为0.26％。
用于金属过滤的过滤器的容量取决于多种因素，如过滤器构成、孔隙率和微孔大小、金属类型和质量(洁净度)、浇铸温度和方法、铸造重量和过滤器应用(运行系统设计)等。基于铸造应用中的实际例子，用于铁铸造的典型碳化硅基陶瓷过滤器的容量可以在1-4kg/cm2的范围内(对球墨铸铁为1-2kg/cm2，对片状石墨和可锻铸铁达4kg/cm2)。对于氧化锆基陶瓷过滤器和碳键过滤器，用于钢过滤的容量通常在1.5-3kg/cm2的范围内，并且当用于球墨铸铁时为4kg/cm2的量级。采用本发明，已经观察到，容易实现5kg/cm2的过滤器容量，如上述实施例2和3所示，实施例2和3中的每一个都具有10kg/cm2量级的容量，与用在常规运行系统的过滤器相比，具有明显的增加。
虽然不受理论限制，但发明人提出，本发明的模具改善了过滤性，因为熔融金属在过滤器的表面上流动。这被认为在至少两个方面具有优势。在采用过滤的铸造工艺中，重要的是在铸造开始时避免金属在冷的过滤器中的凝固。一定的凝固可能是不可避免的，且仅仅降低过滤器的效率。严重的凝固会完全阻塞过滤器并阻障铸造。(通过与熔融金属接触)将过滤器加热至工作温度的工艺熟知为起动灌输(priming)。通常通过(以能量消耗)过度加热正被铸造的金属，避免明显的凝固。因此，一些热能量在过滤器(和运行系统)上损失，同时将金属维持在其熔点以上。在本发明中，金属以一定的角度撞击过滤器，以便大量的金属在过滤器上经过而不是穿过过滤器。一些热量传输至过滤器，并且当金属移动离开过滤器时，它由新的热金属连续代替，以便以最小的凝固完成起动灌输工艺。发明人已经发现，用于铸造的熔化物的温度可以降低，导致能量消耗出现可观的节省。
其次，人们相信，熔融金属在过滤器之上的流动“冲洗”过滤器的表面，由此阻止夹杂物)的阻塞，如(通过熔融金属的通过)从模具侵蚀出的氧化皮和砂子，并且相信一定比例的夹杂物随后保持远离过滤器并集中在涡流室的中间和上部。本发明提供了更高的过滤容量和效率。
除了在铸造试验中进行的观察，上述优点还得到MAGMASOFT软件的使用的支持，以预测本发明各实施方式中的金属的流动和凝固。MAGMASOFT为由MAGMA Gieβereitechnologie GmbH提供的模拟模具填充和铸件凝固的主要模拟工具。它通常由铸造车间使用，以预测铸件的机械性能，以能够优化铸造方法(运行系统和进料器的设计)，以避免昂贵且耗时的铸造试验。采用完整版的MAGMASOFT(Solver 5，粗筛孔和压力下降，以模拟过滤器)，发明人已经进行模拟，以预测金属在图2、4、6和7中示出的运行系统的流量(方向和速度)和凝固(温度分布vs时间)。所述模拟清楚地示出了在过滤器的表面上快速流动并在涡流室中循环的浓厚的金属流。金属中的模拟示踪粒子显示出，如果它们被捕获在涡流金属的旋涡中，则它们很可能在那里保留一定时间。该软件不能够模拟过滤效果，如夹杂物的阻塞或捕获，或从过滤器上冲洗夹杂物，然而在过滤器表面上的浓厚的金属流和涡旋效应与在实施例1至3中详述的铸造试验中的观察一起导致这样的推论，即这种流动将去除过滤器正面上的阻塞微粒。
在迄今为止给出的所有实施例中，模具已经被水平分成几部分，然而应当理解，本发明通常应用于垂直分开的模制系统。特别地，小型或中型尺寸铸件可以在自动无箱铸型机中制备，如由Georg Fischer Disa供给的利用绿砂模制系统的Disamatic机器。

Claims (13)

1.一种用于铸造金属的模具(1；50)，所述模具在其中具有空腔，所述空腔具有铸造部(12)和位于铸造部(12)上游的与铸造部邻接的运行系统(4)，所述运行系统(4)包括上游进口部(6；58)、第一下游出口部(10；60)以及设置在所述进口部(6；58)和第一下游出口部(10；60)之间的涡流室(7；54)，其中第一过滤器(8；62)设置在涡流室(7；54)和第一下游出口部(10；60)之间的接口处，
其特征在于，第一过滤器(8；62)平行于金属在使用中在涡流室(7；54)内旋转所围绕的轴线设置，且进口部(6；58)的纵向轴线穿过第一过滤器(8；62)；
当从涡流室(54)观看时，限定在进口部(58)的纵向轴线和第一过滤器(62)的上游表面(64)的平面之间的角度大于90°且小于180°。
2.根据权利要求1所述的模具，其中所述进口部(6；58)基本是竖垂直的。
3.根据权利要求2所述的模具，其中所述涡流室(54)包括贮槽(68)。
4.根据权利要求1所述的模具，其中以cm2测量的第一过滤器(62)的工作表面积与以cm3测量的涡流室(54)的体积的比值小于或等于15％。
5.根据前述权利要求中任一项所述的模具，其中以cm2测量的第一过滤器(62)的工作表面积与以cm3测量的涡流室(54)的体积的比值大于或等于2％。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的模具，其中涡流室(54)具有一对彼此直且平行的侧壁。
7.根据权利要求6所述的模具，其中所述侧壁之间的距离小于所述第一过滤器的在对应的平面中测量的宽度的150％。
8.根据权利要求1-4中任一项所述的模具，其中第一过滤器(8，62)为泡沫过滤器。
9.根据权利要求1-4中任一项所述的模具，其中第一过滤器(8；62)位于涡流室(54)的外周面中。
10.一种范型(70)，用于形成前述权利要求中任一项的模具(50)的涡流室(54)以及与所述涡流室(54)邻接的进口部(58)和第一出口部(60)的那些部分，其中该范型(70)的外周面与涡流室(54)、第一过滤器(62)、以及进口部(58)和第一出口部(60)的与过滤器邻接的那些部分的形状互补。
11.一种用于制备权利要求1-4中任一项的模具(50)的方法，包括下述步骤：
提供具有与模具空腔的形状互补的外周面的范型(70)，
用合适的模具材料围绕该范型(70)，
设置所述模具材料，以及
从模具(50)上去除范型(70)。
12.一种用于形成金属铸件的方法，包括下述步骤：
形成在其中具有空腔的模具(1；50)，所述空腔具有铸造部(12)和位于铸造部(12)上游的与铸造部邻接的运行系统(4)，所述运行系统(4)包括上游进口部(6；58)、第一下游出口部(10；60)以及设置在所述进口部(6；58)和第一下游出口部(10；60)之间的涡流室(7；54)，其中第一过滤器(8；62)设置在涡流室(7；54)和第一下游出口部(10；60)之间的接口处，并且第一过滤器(8；62)平行于金属在使用在涡流室(7；54)内旋转所围绕的轴线设置，且进口部(6；58)的纵向轴线穿过第一过滤器(8；62)，
当从涡流室(54)观看时，限定在进口部(58)的纵向轴线和第一过滤器(62)的上游表面(64)的平面之间的角度大于90°且小于180°，
将熔融金属浇铸到空腔中，以便它流过进口部(6；58)并进入涡流室(7；54)，
引起熔融金属在涡流室(7；54)中旋转运动，从而引起金属中的夹杂物积聚在涡流室(7；54)中，
使熔融金属通过第一过滤器(8；62)进入运行系统的第一下游出口部(10；60)，且随后进入模具空腔的铸造部(12)，
允许熔融金属凝固，以及
将铸件从模具(1；50)分离。
13.根据权利要求12所述的方法，其中第一过滤器(8，62)为泡沫过滤器。
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