CN104209488A - 真空离心铸造方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种真空离心铸造方法，用以改善以往真空铸造方法的铸材与铸件间转换比例不佳的问题，本发明的真空离心铸造方法包含：将一个壳模定位放置于一个旋转平台，该旋转平台连接于一个可轴向旋转的转轴；将金属锭放置于该壳模的坩埚部，并于在真空环境下加热熔融该金属锭；驱动该转轴，以连动该旋转平台转动，使金属液流入该壳模的模穴部中；从该旋转平台上取下该浇铸完成的壳模；破坏该壳模以取得一个铸件。该真空离心铸造方法所搭配使用的真空离心铸造装置也一并揭露。本发明可避免金属液产生剧烈的氧化反应，并可提高铸材与铸件之间的转换比例，避免浪费铸材，以有效提升铸件良率及降低铸造成本。

Description

真空离心铸造方法及其装置

技术领域

本发明是关于一种精密铸造的方法及其装置，特别是一种真空离心铸造方法及其装置。

背景技术

一般而言，精密铸造大多于大气中进行，借助高周波感应熔解炉（High Frequency Induction Furnace）快速地将金属锭熔融，再搭配静态重力浇铸为之。然而，当金属锭含有铝、铜、银等活性金属（Reactive Metal）时，由于活性金属对氧的活性大，易于熔炼过程中与氧产生剧烈的氧化反应，造成铸件具有渣孔或反应气孔等缺陷；另一方面，剧烈的氧化反应也会造成金属液在壳模内的流动性下降，易因浇铸不足导致铸件的成型良率降低，或是产生冷隔（Cold Shut）的问题而在铸件中形成缝隙。

为解决上述问题，当金属锭含有活性金属时，熔炼过程通常会选择在真空环境中进行，目前业界较常使用的真空铸造大致上包含真空电弧熔炼（Vacuum Arc Melting）与感应凝壳熔炼（Induction Skull Melting）二种；然而，无论是真空电弧熔炼或感应凝壳熔炼，其熔炼过程中都会使用水冷铜坩埚来作为金属锭熔融的载具，但水冷铜坩埚会降低金属的过热度（Degree of Superheat），使金属液重新在水冷铜坩埚的内表面凝固，并生成一层具有厚度的壳体（即所谓“凝壳”），以致金属锭转换成铸件的比例降低，形成铸材的浪费而难以降低铸造成本，特别是当金属锭含有例如钛、镍或钴等较为昂贵的成分时，如何提高铸材与铸件之间的转换比例，遂成为一项亟需改善的课题。

发明内容

本发明的目的是提供一种真空离心铸造方法及其装置，可避免金属液产生剧烈的氧化反应，并可提高铸材与铸件之间的转换比例，避免浪费铸材，以有效提升铸件良率及降低铸造成本。

为达到前述目的，本发明所运用的技术内容包含有：

一种真空离心铸造方法，包含：将一个壳模定位放置于一个旋转平台，该壳模包含相连通的一个坩埚部及一个模穴部，且该旋转平台连接于一个可轴向旋转的转轴；将金属锭放置于该壳模的坩埚部，并于真空环境下将该金属锭加热熔融成金属液；驱动该转轴以连动该旋转平台转动，使熔融的金属液流入该壳模的模穴部中；缓速停止该转轴，并取下该浇铸完成的壳模；破坏该壳模以取得一个铸件。

其中，该金属锭可以为活性金属。

其中，该壳模的成型步骤包含：准备一个蜡胚，该蜡胚包含一个坩埚胚及一个铸件胚，该坩埚胚的环周面设有一个第一连接部，该铸件胚设有一个第二连接部，该第一连接部与该第二连接部相对连接成一体；于该蜡胚的表面形成一个包覆层；对该蜡胚及包覆层加热，以将蜡熔出；将该脱蜡完成的包覆层以高温烧结而形成该壳模，并使该壳模具有一体相连的坩埚部与模穴部。

其中，该壳模的面层材料可以为氧化钇、安定氧化锆或氧化铝等耐火材料。

其中，该壳模的背层材料可以为莫来石混合物，其三氧化二铝的含量为45%～60%，二氧化硅的含量为55%～40%。或者，该壳模的背层材料可以为二氧化硅混合物，其二氧化硅的含量达95%以上。

一种真空离心铸造装置，包含：一个真空炉，内部具有一个容室；一个转轴，可轴向转动地设于该容室中；一个旋转平台，设有相连接的一个轴接部及一个定位部，该旋转平台由该轴接部连接该转轴，以与该转轴同步旋转；一个壳模，具有相连通的一个坩埚部及一个模穴部，该壳模定位放置于该旋转平台的定位部，且该壳模的坩埚部较模穴部邻近该旋转平台的轴接部；及一个加热器，设于该容室中，用以对该壳模的坩埚部加热。

其中，该转轴可以分为一个本体及一个止转部，该本体与止转部的径向截面形状不同，以于两者交界处形成一个抵靠部，该旋转平台结合于该止转部并抵接于该抵靠部。

其中，该旋转平台的轴接部可以设有一个穿孔，该穿孔的径向截面形态与该转轴的止转部的径向截面形态相匹配，该旋转平台由该轴接部的穿孔套合连接该转轴的止转部。

其中，该旋转平台的定位部可以包含一个坩埚定位部及一个模穴定位部，该坩埚定位部位于该轴接部与该模穴定位部之间，该轴接部、坩埚定位部及模穴定位部是依该转轴的径向延伸排列。

其中，该坩埚定位部可以设有一个穿置孔，该壳模的坩埚部穿伸于该穿置孔中，该模穴定位部则可以设有一个容槽，以容置该壳模的模穴部。

其中，该壳模的坩埚部内部具有一个容置空间，该坩埚部的环周面设有一个第一连接管，该第一连接管连通该容置空间；该壳模的模穴部内部具有一个模穴，该模穴部设有一个第二连接管，该第二连接管连通该模穴；该第一连接管与该第二连接管相对接以连通该容置空间与该模穴。

其中，该壳模的坩埚部与模穴部可以呈一体相连的形态。

其中，该壳模相互对接的第一连接管与第二连接管可以由一个套环连接固定。

其中，该壳模的坩埚部可以在内侧壁面凸设一个环唇，该环唇位于该坩埚部顶缘与第一连接管之间。

其中，该环唇可以沿着该坩埚部的径向延伸。

其中，该第一连接管可以连接于该坩埚部的顶缘处，该环唇可以设于该坩埚部的顶缘。

其中，该加热器可以为一个高周波线圈，并可以由一个升降控制器带动该加热器在该容室中移动，以控制该加热器环绕于该壳模的坩埚部外周与否。

据此，本发明的真空离心铸造方法及其装置，可以在真空环境中熔炼金属液，避免金属液产生剧烈的氧化反应，以提升铸件的良率；同时，还可利用离心力将熔融的金属液确实地浇灌填充入壳模的模穴，以提高铸材与铸件之间的转换比例，避免浪费铸材而降低铸造成本。

附图说明

图1：本发明真空离心铸造装置的结构示意图。

图2：本发明真空离心铸造装置的局部立体分解图。

图3：本发明真空离心铸造方法的实施示意图（一）。

图4：本发明真空离心铸造装置的壳模成型流程示意图。

图5：本发明真空离心铸造方法的实施示意图（二）。

图6：本发明真空离心铸造方法的实施示意图（三）。

图7：本发明真空离心铸造装置另一实施例的侧剖结构示意图。

图8：本发明真空离心铸造装置再一实施例的侧剖结构示意图。

【主要元件符号说明】

1真空炉

11容室

12导气管

13开口

2转轴

14盖体21本体

22止转部

23抵靠部3旋转平台31轴接部

311穿孔    

32定位部

32a坩埚定位部

32b模穴定位部

321穿置孔322容槽

4、4’、4”壳模

41、41’、41”坩埚部

411、411’、411”容置空间

412、412’、412”第一连接管     

413环唇

42、42’、42”模穴部

421、421’、421”模穴

422、422’、422”第二连接管

5 加热器6蜡胚61坩埚胚

611第一连接部62铸件胚

621第二连接部

7包覆层8套环M马达

B轴承

L 升降控制器

P 金属锭N金属液。

具体实施方式

为让本发明的上述及其他目的、特征及优点能更明显易懂，下文特举本发明的较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下：

请参照图1，其是本发明的真空离心铸造方法及其装置的第一较佳实施例。其中，该真空离心铸造装置包含一真空炉1、一转轴2、一旋转平台3、一壳模4及一加热器5；该转轴2、旋转平台3、壳模4及加热器5均设于该真空炉1中，该旋转平台3连接该转轴2以与该转轴2同步旋转，该壳模4定位放置于该旋转平台3，该加热器5则用以对该壳模4加热。

请参照图1，上述真空炉1的内部具有一容室11，该真空炉1可设有一导气管12，该导气管12与该容室11相连通，一真空控制器（图未绘示）可依据设定值，通过该导气管12而向该容室11抽气，以控制该容室11的真空度。另，该真空炉1还可设有一开口13，以供使用者向该容室11置入或取出物品，及设有一盖体14以启闭该开口13。

请参照图1、2，上述转轴2是可轴向转动地设于该真空炉1的容室11中；在本实施例中，该转轴2可与一马达M的输出端相连，以由该马达M驱动旋转。又，该马达M可以选择设于该真空炉1的外部，该转轴2的一端穿伸出该真空炉1以连接该马达M；该转轴2可穿置于一轴承B中，该轴承B可连接定位于该真空炉1，以辅助提升该转轴2的旋转稳定性，防止该转轴2转动时产生偏摆的情况。

此外，该转轴2位于该容室11中的部分可分为一本体21及一止转部22，该本体21与止转部22的径向截面形状不同，以于两者交界处形成一抵靠部23，以供该旋转平台3结合于该止转部22并抵接于该抵靠部23，使该旋转平台3能随该转轴2产生同步旋转；在本实施例中，该本体21的径向截面可以呈圆形态样，该止转部22可以设于该转轴2的端部，该止转部22的径向截面则呈非圆形态样，以供该旋转平台3套接结合于该止转部22并抵接于该抵靠部23。

请参照图2、3，上述旋转平台3是用以供上述壳模4定位放置的载具，该旋转平台3设有相连接的一轴接部31及一定位部32；在本实施例中，该轴接部31可设有一穿孔311，该穿孔311的径向截面形态较佳与该转轴2的止转部22的径向截面形态相匹配，以供该旋转平台3通过该轴接部31的穿孔311套合连接该转轴2的止转部22。该旋转平台3的定位部32可以概分为一坩埚定位部32a及一模穴定位部32b，该坩埚定位部32a位于该轴接部31与该模穴定位部32b之间，且该轴接部31、坩埚定位部32a及模穴定位部32b是依该转轴2的径向延伸排列；又，该坩埚定位部32a可设有一穿置孔321，以供该壳模4的一部分穿伸于其中，该模穴定位部32b则可设有一容槽322，以容置该壳模4的另外一部分。

请参照图2、3，上述壳模4具有相连通的一坩埚部41及一模穴部42，该坩埚部41是供容置欲加热熔融的金属锭，该模穴部42则是用以成型铸件的部位；该壳模4的坩埚部41可定位放置于该旋转平台3的坩埚定位部32a，该壳模4的模穴部42则可定位放置于该旋转平台3的模穴定位部32b，使该壳模4的坩埚部41较模穴部42更邻近于该旋转平台3的轴接部31。

更详言之，该坩埚部41可概呈杯状而于内部形成一容置空间411，该坩埚部41的环周面另设有一第一连接管412，该第一连接管412连通该容置空间411；该模穴部42的外型不特别限制，该模穴部42的内部具有一模穴421，该模穴421的形态与所欲铸造成型的铸件相匹配，该铸件可例如为一高尔夫球杆头或一涡轮叶片，该模穴部42另设有一第二连接管422，该第二连接管422连通该模穴421，且该坩埚部41与模穴部42由该第一连接管412及第二连接管422相对接，使该容置空间411得以与该模穴421相连通；在本实施例中，该壳模4的坩埚部41与模穴部42可以呈一体相连的形态（其制造方法容后详述）。

请参照图1、3，上述加热器5设于该真空炉1的容室11中，用以对该壳模4的坩埚部41加热。在本实施例中，该加热器5可选择为一高周波线圈，并由一升降控制器L带动该加热器5在该容室11中移动；须加热该壳模4的坩埚部41时，该加热器5可被带动上升至一预设位置，以环绕于该坩埚部41的外周，并启动该加热器5，使该坩埚部41被加热升温；加热完毕后，该加热器5则可以被该升降控制器L带动下降，使该加热器5不再环绕于该坩埚部41的外周，以免干扰该壳模4随该旋转平台3及该转轴2的旋转动作。

据由前述结构，本发明可实施一种真空离心铸造方法，该方法大致上包含以下步骤：

请参照图1至3，将一壳模4定位放置于一旋转平台3，且该旋转平台3连接于一可轴向旋转的转轴2。更详言之，该旋转平台3可设于一真空炉1中，以便控制该壳模4所处空间的真空度；另，该壳模4包含相连通的一坩埚部41及一模穴部42，该壳模4可由该坩埚部41穿伸于该旋转平台3的穿置孔321中，并由该坩埚部41的第一连接管412抵接于该旋转平台3，该壳模4的模穴部42则可置放于该旋转平台3的容槽322，使该壳模4能稳固定位于该旋转平台3上的预设位置。以及，将一金属锭P放置于该壳模4的坩埚部41中，该金属锭P可以为活性金属，例如钛合金、钛铝合金、镍基合金、钴基合金、铝合金、锆合金或铁基合金等。

其中，本较佳实施例中的壳模4，其坩埚部41与模穴部42是呈一体相连的形态；请参照图4，该壳模4的成型步骤为：准备一蜡胚6，该蜡胚6包含一坩埚胚61及一铸件胚62，该坩埚胚61的环周面设有一第一连接部611，该铸件胚62则设有一第二连接部621，该坩埚胚61与铸件胚62由该第一连接部611及第二连接部621相对连接成一体。对该蜡胚6进行沾浆、淋砂或黏砂等流程，于该蜡胚6的表面形成一包覆层7。对该蜡胚6及包覆层7加热，以将蜡熔出；举例而言，可将该蜡胚6与包覆层7一并置入一蒸气釜内加热，使该蜡胚6熔化以便从该包覆层7中排出。将该脱蜡完成的包覆层7以高温烧结而形成所述壳模4，并使该壳模4具有一体相连的坩埚部41与模穴部42。其中，该壳模4的面层材料可选用氧化钇、安定氧化锆或氧化铝等耐火材料，该壳模4的背层材料则可选用莫来石（3Al2O3-2SiO2）或二氧化硅作为耐火材料；又，当背层材料选用莫来石混合物时，其三氧化二铝的含量较佳为45%～60%，二氧化硅的含量较佳为55%～40%；当背层材料选用二氧化硅混合物时，其二氧化硅的含量较佳可达95%以上。本较佳实施例可借助使坩埚部41与模穴部42一体相连的壳模4，不必再专为坩埚及铸件开设分别制造其对应壳模的生产线，也可以省去对接该二壳模时所需使用到的套管，从而有效降低制造成本；而且，还可直接将烧结完成的壳模4不需要预热即直接进行后续的浇铸动作，以降低发生因线圈对金属感应产生热震（Thermal Shock）致使壳模破裂的机会。

请参照图1、5，于真空环境下将该金属锭P加热熔融成金属液N。更详言之，在该壳模4安置定位后，该加热器5可被带动上升至一预设位置，以环绕于该坩埚部41的外周；同时，该真空炉1的导气管12可向该容室11抽气，以控制该容室11的真空度。待真空度达到预设值（例如真空度小于0.3mbar）后，可启动该加热器5，使该壳模4的坩埚部41被加热升温，使得该坩埚部41中的金属锭P能熔融成金属液N；其中，该加热器5动作时，其电源供应器的频率可例如为4kHz～30kHz，功率为5kW～100kW。在金属锭P都熔融成金属液N后，该加热器5则停止动作，并快速地被带动下降，使该加热器5不再环绕于该坩埚部41的外周。

请参照图1、6，驱动该转轴2以连动该旋转平台3转动，使熔融的金属液N流入该壳模4的模穴部42中。更详言之，该转轴2可由该马达M驱动以产生轴向旋转，其转速约为200rpm～700rpm，该转速可依据铸件的厚度（即该模穴421的空间大小）进行调整；当该旋转平台3受连动而以该转轴2为轴心转动时，在旋转过程中，金属液N可受离心力作用而沿着该壳模4的坩埚部41的内侧壁面，通过该壳模4一体相连的第一连接管412及第二连接管422，流入该模穴部42中以进行浇铸的动作，进而填充该模穴421。浇铸完成后，可缓速停止该转轴2，并将该壳模4从该旋转平台3上取下，接着将该壳模4破坏以取得所述铸件。

因此，本发明的真空离心铸造方法，可在熔融的金属液N再度凝固前，利用离心力将金属液N确实地浇灌填充入壳模4的模穴421，以避免发生部分金属液N在坩埚部41中凝固形成凝壳的状况，故能有效提高铸材（即该金属锭P）与铸件之间的转换比例，避免浪费铸材以降低铸造成本。

另，本发明的真空离心铸造装置还可有其他变化以增进或提供不同功效，兹以下列第二、第三较佳实施例举例说明之；其中，本发明真空离心铸造装置的第二、第三较佳实施例，同样可用以实施前述的真空离心铸造方法，故以下不再详述。

请参照图7，其是本发明的真空离心铸造装置的第二较佳实施例，该第二较佳实施例大致上同于前述第一较佳实施例，其主要差异在于：在第二较佳实施例中，壳模4’的坩埚部41’及模穴部42’可分别制作，并以一可耐热的套环8（例如：石墨套环）将相互对接的第一连接管412’与第二连接管422’连接固定。此装置的优点在于：完成浇注后，该壳模4’的坩埚部41’与模穴部42’可再度分离，仅需破坏该模穴部42’即可取得铸件，也就是说，该坩埚部41’可重复使用，能降低制造成本。

请参照图8，其是本发明的真空离心铸造装置的第三较佳实施例，该第三较佳实施例大致上同于前述第一较佳实施例，其主要差异在于：在第三较佳实施例中，壳模4”的坩埚部41”可以在内侧壁面凸设一环唇413，该环唇413较佳沿着该坩埚部41”的径向延伸，且该环唇413位于该坩埚部41”顶缘与第一连接管412”之间，以确保该环唇413不会影响熔融的金属液N（请配合参照图5）流向该模穴部42”的顺畅度，同时还能提供挡止的效果，避免金属液N受离心力作用而流至该坩埚部41”的内侧壁面时，发生金属液N向外泼溅的情况；其中，本实施例可选择使该第一连接管412”连接于该坩埚部41”的顶缘处，并将该环唇413设于该坩埚部41”的顶缘，以缩减该坩埚部41”的体积与重量，避免浪费不必要的材料成本。此外，也可以选择在该坩埚部41”的顶部直接加设一盖体（图未绘示），以同样达到防止金属液N向外泼溅的效果。

综上所述，本发明真空离心铸造方法及其装置，可在真空环境中熔炼金属液，避免金属液产生剧烈的氧化反应，以提升铸件的良率；同时，还可利用离心力将熔融的金属液确实地浇灌填充入壳模的模穴，避免发生部分金属液在坩埚部中凝固形成凝壳的状况，故能有效提高铸材与铸件之间的转换比例，避免浪费铸材以降低铸造成本。

上列详细说明是针对本发明的一个可行实施例的具体说明，但该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明技艺精神所为的等效实施或变更，均应包含于本发明的专利范围中。

Claims (18)

1.一种真空离心铸造方法，其特征在于，其包含步骤：

将一个壳模定位放置于一个旋转平台，该壳模包含相连通的一个坩埚部及一个模穴部，且该旋转平台连接于一个可轴向旋转的转轴；

将金属锭放置于该壳模的坩埚部，并于真空环境下将该金属锭加热熔融成金属液；驱动该转轴以连动该旋转平台转动，使熔融的金属液流入该壳模的模穴部中；

缓速停止该转轴，并取下该浇铸完成的壳模；

破坏该壳模以取得铸件。

2.如权利要求1所述的真空离心铸造方法，其特征在于：该金属锭为活性金属。

3.如权利要求1所述的真空离心铸造方法，其特征在于：该壳模的成型步骤包含：准备一个蜡胚，该蜡胚包含一个坩埚胚及一个铸件胚，该坩埚胚的环周面设有一个第一连接部，该铸件胚设有一个第二连接部，该第一连接部与该第二连接部相对连接成一体；于该蜡胚的表面形成一个包覆层；对该蜡胚及包覆层加热，以将蜡熔出；将该脱蜡完成的包覆层以高温烧结而形成该壳模，并使该壳模具有一体相连的坩埚部与模穴部。

4.如权利要求1所述的真空离心铸造方法，其特征在于：该壳模的面层材料为氧化钇、安定氧化锆或氧化铝等耐火材料。

5.如权利要求1所述的真空离心铸造方法，其特征在于：该壳模的背层材料为莫来石混合物，其三氧化二铝的含量为45%～60%，二氧化硅的含量为55%～40%。

6.如权利要求1所述的真空离心铸造方法，其特征在于：该壳模的背层材料为二氧化硅混合物，其二氧化硅的含量达95%以上。

7.一种真空离心铸造装置，其特征在于，包含：

一个真空炉，内部具有一个容室；

一个转轴，可轴向转动地设于该容室中；

一个旋转平台，设有相连接的一个轴接部及一个定位部，该旋转平台由该轴接部连接该转轴，以与该转轴同步旋转；

一个壳模，具有相连通的一个坩埚部及一个模穴部，该壳模定位放置于该旋转平台的定位部，且该壳模的坩埚部较模穴部邻近该旋转平台的轴接部；及

一个加热器，设于该容室中，用以对该壳模的坩埚部加热。

8.如权利要求7所述的真空离心铸造装置，其特征在于：该转轴分为一个本体及一个止转部，该本体与止转部的径向截面形状不同，以于两者交界处形成一个抵靠部，该旋转平台结合于该止转部并抵接于该抵靠部。

9.如权利要求8所述的真空离心铸造装置，其特征在于：该旋转平台的轴接部设有一个穿孔，该穿孔的径向截面形态与该转轴的止转部的径向截面形态相匹配，该旋转平台由该轴接部的穿孔套合连接该转轴的止转部。

10.如权利要求7所述的真空离心铸造装置，其特征在于：该旋转平台的定位部包含一个坩埚定位部及一个模穴定位部，该坩埚定位部位于该轴接部与该模穴定位部之间，该轴接部、坩埚定位部及模穴定位部依该转轴的径向延伸排列。

11.如权利要求10所述的真空离心铸造装置，其特征在于：该坩埚定位部设有一个穿置孔，该壳模的坩埚部穿伸于该穿置孔中，该模穴定位部则设有一个容槽，以容置该壳模的模穴部。

12.如权利要求7所述的真空离心铸造装置，其特征在于：该壳模的坩埚部内部具有一个容置空间，该坩埚部的环周面设有一个第一连接管，该第一连接管连通该容置空间；该壳模的模穴部内部具有一个模穴，该模穴部设有一个第二连接管，该第二连接管连通该模穴；该第一连接管与该第二连接管相对接以连通该容置空间与该模穴。

13.如权利要求12所述的真空离心铸造装置，其特征在于：该壳模的坩埚部与模穴部呈一体相连的形态。

14.如权利要求12所述的真空离心铸造装置，其特征在于：该壳模相互对接的第一连接管与第二连接管由一个套环连接固定。

15.如权利要求12、13或14所述的真空离心铸造装置，其特征在于：该壳模的坩埚部在内侧壁面凸设一个环唇，该环唇位于该坩埚部顶缘与第一连接管之间。

16.如权利要求15所述的真空离心铸造装置，其特征在于：该环唇是沿着该坩埚部的径向延伸。

17.如权利要求15所述的真空离心铸造装置，其特征在于：该第一连接管连接于该坩埚部的顶缘处，该环唇设于该坩埚部的顶缘。

18.如权利要求7至14的任一项所述的真空离心铸造装置，其特征在于：该加热器为一个高周波线圈，并由一个升降控制器带动该加热器在该容室中移动，以控制该加热器环绕于该壳模的坩埚部外周与否。