CN104985145B - 自由铸造方法、自由铸造装置和铸件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及自由铸造方法、自由铸造装置和铸件。根据本发明的自由铸造方法包括：导出工序，所述导出工序用于从设置在供给源如熔融金属的液面中的导出区域(P)导出熔融金属，以通过在外表面上产生的表面膜(F)暂时保持熔融金属；和成形工序，所述成形工序用于通过使根据期望的铸件形状沿设定路径(L1)导出的被保持的熔融金属(MS)凝固来获得成形体，其中，在所述成形工序中被保持的熔融金属在成形为期望的铸件形状之后凝固，而被保持的熔融金属是通过在其位于熔融金属的液面附近的不受约束的根部和一凝固界面之间的位置向其施加外力而成形为期望形状的，所述凝固界面被限定为被保持的熔融金属和所述成形体之间的交界。

Description

自由铸造方法、自由铸造装置和铸件

本申请是申请日为2011年9月12日、申请号为201180044654.9、发明创造名称为“自由铸造方法、自由铸造装置和铸件”的中国发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种能够不使用传统上被认为对于铸造而言不可或缺的铸模而获得铸件的突破性铸造方法(在下文中称为“自由铸造方法”)，和适合用于所述方法的自由铸造装置，以及通过所述方法和所述装置获得的铸件。

背景技术

以复杂的形状成形的金属制品常常通过铸造来生产。铸造是一种使具有流动性的金属(熔融金属)以期望形状凝固以获得目标铸件的制造工艺。技术常识长期以来认为具有适合于目标铸件期望形状的型腔的铸模是铸造所不可或缺的装置。因此，传统上采用的铸造方法常常导致因使用铸模而引起的各种问题。所述问题例如为铸造缺陷(凝固裂纹、缩松、气孔等)、凝固组织的不均匀、材料产率的下降、环境负担等。已提出多种技术提案从微观视角来解决各种常规问题。

除这些技术提案外，还公开了一些技术方案，它们以与使用铸模的常规铸造方法不同的方式解决所述问题。以下列举了记载这类铸造技术的示例的专利文献。

引用列表

专利文献

专利文献1：日本特开专利申请公报No.63-199050

专利文献2：日本特开专利申请公报No.2-205232

专利文献3：日本特开专利申请公报No.2-251341

专利文献4：日本特开专利申请公报No.9-248657

发明内容

技术问题

但是，专利文献1中公开的方法仅能获得具有简单的柱状和棒状形状的金属材料，从而无法完成在形状方面要求高自由度的铸造。

专利文献2至4中公开的方法也具有熔融金属的出口在结构上受到模具和设置在熔融金属在其供给源侧的液面上的分隔部件约束的技术缺点。因此，这些方法同样无法完成这种在形状方面要求高自由度的铸造，从而实际上无法获得具有平滑地弯曲的表面或形状的铸件。显然，在这些方法中，氧化物等可能粘附到模具和设置在熔融金属的液面上的分隔部件上，从而无法可靠地获得具有期望形状和品质的铸件。

本发明考虑到上述情况而作出。本发明的目的是提供一种突破性的铸造方法，其能够通过根本解决常规铸造技术中所包含的各种技术问题而容易地获得具有复杂形状的铸件。本发明还提供一种适合用于所述铸造方法的装置，和通过所述铸造方法获得的铸件。

解决问题的方案

本发明的发明人致力于解决所述问题，并通过试错研究和实验最终发现了能不使用铸模而使熔融金属凝固成期望形状以获得目标铸件的铸造方法。发明人继续开发该成果以进一步扩展其技术范围，并最终完成了下述本发明。

<自由铸造方法>

(1)根据本发明的自由铸造方法是一种能不使用铸模而获得铸件的铸造方法，其包括：导出工序，该导出工序用于从熔融金属的液面导出熔融金属以通过在外表面上产生的表面膜或表面张力来暂时保持熔融金属自身，其中熔融金属经所述液面被供给至被保持的熔融金属；和成形工序，该成形工序用于通过使根据期望的铸件形状沿设定路径导出的被保持的熔融金属凝固来获得成形体，其中，在所述成形工序中被保持的熔融金属在成形为期望形状之后凝固，而被保持的熔融金属是通过在其位于熔融金属的液面附近的不受约束的根部和一凝固界面之间的位置向其施加外力而成形为期望形状的，所述凝固界面被限定为被保持的熔融金属和所述成形体之间的交界。

(2)根据本发明的自由铸造方法能解决使用铸模的常规铸造方法会不可避免地产生的常规技术问题。本发明能免去任何铸模，这使得能在熔融金属在凝固时始终被供给的同时生产铸件，由此防止模具中通常出现的铸造缺陷(例如，凝固裂纹、缩松、夹杂(气孔))。由于该技术优点，所述方法能用于铸造在采用常规方法时易于产生凝固裂纹等的合金(例如，JIS 6000系列锻铝合金等)，并能容易地获得由所述合金制成的复杂形状的铸件。因而，根据本发明的自由铸造方法可供更宽泛地选择用于获得铸件的合金。

此外，根据本发明的方法能免去任何铸模来获得铸件，由此显著提高铸件形状方面的自由度。因此，通过该方法能成本低地生产此类通常难以获得的铸件。例如，通过根据本发明的自由铸造方法，能容易地生产难以获得的底切(下部凹陷，undercut)形的铸件和长形的铸件。根据本发明的自由铸造方法使得不必根据铸件或铸模的类型来准备待使用的任何特别的生产设备或生产工序。这有利地导致制造成本的降低、制造灵活性的提高(例如实现各种产品的小批量生产)、生产设备的小型化、厂内环境的改善等。

由于在根据本发明的自由铸造方法中模具型腔的表面不影响熔融金属的凝固，因而容易控制冷却速度和凝固方向，并由此获得具有良好受控的凝固组织的高品质铸件。

此外，根据本发明的自由铸造方法能显著地减少用于除产品本身以外的部分的熔融金属的量，由此实现材料产率的显著提高和回炉废料的大幅减少。根据本发明的自由铸造方法通过根据需求一点一点地熔化原料而不必在铸造大型产品之前熔化和保持大量的熔融金属。因而，该方法能减少金属材料的用量并且也节省了铸造所需的能量。因此，根据本发明的自由铸造方法能对资源节省、节能和抑制环境负担(例如，CO₂排放量的减少)作出很大贡献。

(3)如到现在为止所述，本发明提供了一种根本解决常规铸造方法所产生的各种技术问题的优良铸造方法。尽管尚未精确地确定根据本发明的铸造方法的确切机理的细节，但我们目前考虑如下所述的机理。

熔融金属处于液态或固液共存状态，因此具有流动性。因此，熔融金属不具有任何特定形状，除非其形状由铸模等(模具型腔的表面)限定，这意味着熔融金属通常未被维持(保持)为任何特定形状。

但是，当使固体(诱导体)与熔融金属的表面接触并被缓慢地向上提升时，在不使用铸模等的情况下呈特定形状的熔融金属被靠着向上提升约数十毫米。因此认为熔融金属至少由在上升的熔融金属的表面上产生的表面膜(例如，氧化膜)或表面张力保持。

如此被保持的熔融金属(被保持的熔融金属)并未凝固；因此，其形状是暂时的或过渡的。因此，被保持的熔融金属能具有其根据熔融金属被引导的方向或路径或者从外部向其施加的外力等以各种方式改变的形状。当被保持的熔融金属如此针对期望的铸件适当地成形且然后冷却而凝固时，即使不使用铸模也能获得具有期望形状的铸件。由于被保持的熔融金属的在熔融金属的液面附近的根部不受约束，因此被保持的熔融金属的形状具有非常高的自由度。因此，铸件能容易地成形为复杂的形状。根据本发明的自由铸造方法能有效地获得形状复杂的铸件而不产生铸造缺陷。

存在用于冷却被保持的熔融金属而使其凝固的不同方法，其示例为：通过直接向被保持的熔融金属吹送冷却剂气体来使其冷却的方法，和通过使用金属诱导体或熔融金属的已经凝固的部分来间接冷却被保持的熔融金属的方法。可使用所述冷却方法中的一种，或者所述方法中的一些可并用。

当通过使用已经凝固的部分来间接冷却被保持的熔融金属时，能从已经凝固的部分向未凝固的部分定向应用所述冷却方法。这有助于获得避免了诸如缩松等铸造缺陷的好品质铸件。此外，根据本发明的自由铸造方法能容易地获得通过使用铸模的常规铸造方法难以获得的具有定向凝固组织的高品质铸件。

根据熔融金属不在铸模中冷却的自由铸造方法，防止了出现在常规铸造方法中可能由于铸模对热构造的约束而产生的凝固裂纹。由于该技术优点，在该方法中能获得由在常规铸造方法中易于产生凝固裂纹的诸如6000系列(JIS)锻铝合金等的合金制成的铸件。

<自由铸造装置>

本发明不仅适用于到现在为止描述的自由铸造方法，而且适用于适合用于该方法的自由铸造装置。根据本发明的自由铸造装置包括容纳熔融金属的坩埚，和形状提供部件，其构造成向从容纳在坩埚中的熔融金属的液面导出并由在外表面上产生的表面膜或表面张力暂时保持的被保持的熔融金属施加外力，以使被保持的熔融金属成形(具有一形状)。具有这样的结构特征的铸造装置能用于所述自由铸造方法。

该自由铸造装置优选还包括驱动源，其构造成从坩埚中的熔融金属的表面根据期望的铸件形状沿设定路径引导一诱导体，该诱导体具有用于诱导被设计成用于获得期望的铸件形状的基本形状的固体。该自由铸造装置优选还包括喷嘴，其用于将流体吹送到被保持的熔融金属的外表面或通过使被保持的熔融金属凝固而获得的成形体的外表面。

<铸件>

本发明也适用于通过到现在为止所述的自由铸造方法和自由铸造装置获得的铸件。根据本发明的铸件优选具有其中凝固组织定向布置的定向凝固组织。

<其它>

(1)根据本发明的铸件的材料、形状和尺寸不受特别限制。

(2)除非另外声明，本发明的说明书中所述的“x-y”包括下限值x和上限值y。本发明的说明书中所述的上限值和下限值能以各种方式组合并以诸如“a-b”的数值范围表达。说明书中所述的技术范围中所包括的任何任意数值能被用作用以设定数值范围的上限值和下限值。

附图说明

[图1]图1是自由铸造装置的概念图。

[图2]图2是图1所示的自由铸造装置的部分放大的视图。

[图3]图3是通过自由铸造获得的铸件的图像。

[图4]图4是铸件的微观组织的显微镜图像。图4A是R轴垂面上的微观组织的显微镜图像。图4B是θ轴垂面上的微观组织的显微镜图像。图4C是Z轴垂面上的微观组织的显微镜图像。

[图5]图5是通过自由铸造获得的另一个铸件的图像。

[图6]图6是通过自由铸造获得的又一个铸件的图像。

附图标记列表

1 自由铸造装置

10 坩埚

11 形状提供部件

13 冷却喷嘴(喷嘴)

14 起动器(诱导体)

15 驱动源

M 熔融金属

MS 被保持的熔融金属

MSa 根部

C1、C2 铸件

L1 路径(设定路径)

G 冷却剂

具体实施方式

将通过实施例更具体地描述本发明。包括以下对实施例的描述的本说明书的描述不仅能适当地适用于自由铸造方法和自由铸造装置，而且适用于通过根据本发明的方法和装置获得的铸件。以下构成特征中的一个或多个能任意增加至本发明的上述构成。关于铸造方法的构成特征在铸件被理解为由方法制得的产品时能被视为铸件的构成特征。应指出的是，最适当的实施例取决于目标应用、要求性能等。

<自由铸造方法>

根据本发明的自由铸造方法中所包括的主要工序是导出工序和成形工序。

<导出工序>

(1)导出工序是容纳在诸如坩埚等的容器中的熔融金属的一部分从供给源(例如熔融金属的液面)被导出以根据铸件的期望形状保持熔融金属自身的工序。当连续地生产铸件时，导出工序和成形工序作为一连串的工序工作。

被保持的熔融金属被导出的导出区域位于容纳在坩埚中的熔融金属的液面与被保持的熔融金属之间的交界附近，并且被保持的熔融金属的根部形成在导出区域附近。

(2)被保持的熔融金属优选地例如通过使用诱导体并使诱导体在导出区域内与熔融金属接触且向上提升诱导体来导出，诱导体设置成用于诱导被设计成用于获得期望铸件形状的基本形状。因此，能稳定地保持被保持的熔融金属，并且铸件能以稳定形状成形。以此方式导出被保持的熔融金属的另一个优点在于在成形工序中能通过使用诱导体来转移被保持的熔融金属。

诱导体具有适合于基本形状(例如，圆形、环形)的形状。诱导体可由任何材料制成，只要熔融金属粘附于其上即可。为了使熔融金属沿从诱导体到导出区域的方向定向凝固等，诱导体优选地是传热性(导热性、热传递性)优良的金属体(固体材料)。诱导体的材料于是不必是与熔融金属相同的金属。

(3)导出被保持的熔融金属的气氛不受特别限制。当被保持的熔融金属在大气或氧化气氛下被导出时，在被保持的熔融金属的外表面上产生氧化膜作为表面膜。当被保持的熔融金属在氮气氛下被导出时，其上产生氮化膜作为表面膜。即使当被保持的熔融金属在不产生表面膜的气氛下被导出时，被保持的熔融金属也能由在熔融金属的表面上产生的表面张力来保持。

<成形工序>

(1)成形工序是被保持的熔融金属在根据铸件的期望形状被引导的同时凝固从而获得具有期望形状的成形体(铸件)的工序。如上所述，被保持的熔融金属尽管具有暂时保持的形状，但并未凝固。因此，被保持的熔融金属能通过控制和调节其在导出工序之后行进的路径和向其施加的外力而成形为期望形状。

具有不受约束的根部的被保持的熔融金属能容易地以各种复杂的形状成形。被保持的熔融金属通过使用与被保持的熔融金属接触的形状提供部件(诸如托板、引导器或辊子等的工具)或通过吹送流量受控或压力受控的流体(气体)以向其施加流体压力而被引导成具有期望形状。然后，被保持的熔融金属能以各种复杂的形状成形，并因此能获得具有任意形状的铸件。被保持的熔融金属不仅能从外表面侧而且能从被保持的熔融金属的内表面侧被引导成具有期望形状。当被保持的熔融金属从其外表面侧和内表面侧被引导成具有期望形状时，能容易地调节或控制被保持的熔融金属的厚度及其形状。

由于被保持的熔融金属这样定形和成形，因此能容易地获得具有至今通过使用铸模的常规铸造方法难以获得的形状的铸件(例如，底切形铸件)。通过仅控制被保持的熔融金属沿下述设定路径的移动，这有利于生产具有可能难以获得的形状的铸件。

引导被保持的熔融金属的路径优选是具有至少一上升成分的上升路径，这是因为被保持的熔融金属在被向上拉引(提升工序)时能更容易地被引导和控制。设定路径可以是竖直向上延伸的直的、弯曲的或螺旋形的路径。设定路径可以是规则地构造的路径或不规则地构造的路径。

(2)用于冷却被保持的熔融金属的方法的示例为：通过使用诱导体或已经凝固的部分进行的定向凝固，和通过向被保持的熔融金属或凝固界面附近的成形体从其内表面侧和外表面侧吹送任何各种冷却剂而进行的冷却凝固。可将冷却剂吹送到被保持的熔融金属以便不仅冷却被保持的熔融金属而且使其成形。冷却剂的示例为诸如空气、氮气或不活泼气体等的气体，或者诸如水等的液体。当使用液体作为冷却剂时，能通过蒸发的热量快速和有效地冷却被保持的熔融金属。尤其是当根据被保持的熔融金属的凝固热量来喷射液体时，可防止用作冷却剂的液体滴落在熔融金属上，并且能容易地回收冷却剂。

当在被保持的熔融金属的外侧或内侧设置喷嘴时，能容易地喷射冷却剂。可根据铸件的任何期望形状和凝固组织来适当地决定设置多少个喷嘴和将它们定位在何处。例如，当在被保持的熔融金属的外侧设置多个喷嘴或一环形喷嘴时，能均匀地冷却被保持的熔融金属整体。结果，能获得具有齐整地凝固的组织的铸件。

<熔融金属>

熔融金属的种类不受特别限制。该金属可以是铁、铝、镁或钛，或者由任何这些金属获得的合金。在本发明的说明书中所述的“熔融金属”不必局限于其整体都处于液相的金属。熔融金属可以是处于其中固相与液相混合的固液共存状态的金属，这种情况下固相和液相不必由相同的材料制成。熔融金属可为复合材料。

<其它>

根据本发明的铸件的预期最终用途不受特别限制。该铸件可以是接近成品或今后要在成为最终制品前进一步加工的材料(中间材料)。本发明能容易且成本低地获得至今通过使用铸模的常规铸造方法难以获得的具有复杂的形状或凝固组织的铸件。因此，根据本发明的铸件能用于传统上不使用铸件的技术领域中的范围广泛的产品。

示例1

参照示例更详细地描述本发明。

<自由铸造装置>

(1)图1是自由铸造装置1的概念图。图2是图1所示的自由铸造装置的一部分的放大视图。自由铸造装置1具有：坩埚10，熔融金属M容纳在其中；内形状提供部件111和外形状提供部件112(被统称为“形状提供部件11”)，其设置在坩埚10中的熔融金属M的液面上方不远处；多个冷却喷嘴13，其设置在形状提供部件11的向上方向上，冷却剂G从其中大致环形地吹出；起动器14(诱导体)，其由金属制成并具有环形截面；以及驱动源15，其提升起动器14。

驱动源15能控制起动器14的提升速度(上升速度)和起动器14的提升方向(移动方向)。起动器14可沿任意地构造的上升路径(设定路径)移动。从冷却喷嘴13吹送的冷却剂G(在示例1中使用空气)的量及其吹出压力可由单独设置的控制器(图中未示出)任意地控制。

(2)当熔融金属M由起动器14引导并从坩埚10的导出区域P向上拉引(提升工序)时，在熔融金属M在其内周侧和外周侧的外表面上产生环形和薄的表面膜F(氧化膜)。这些表面膜F(或熔融金属M的表面张力)形成以环形(锥形)形状被导出和保持的被保持的熔融金属MS。

由于被保持的熔融金属MS由表面膜F保持，因此被保持的熔融金属MS从坩埚10中的熔融金属M的液面向上延伸到高度h左右。高度h或附近的高度是液相变成固相的凝固界面B。在凝固界面B的向上方向上，被保持的熔融金属MS凝固，从而获得具有期望形状(例如，环形)的铸件C1(成形体)。通过从起动器14的除热和通过从冷却喷嘴13向其吹送的冷却剂G冷却的铸件C1的凝固方向是从起动器14到导出区域P的方向。因此，铸件C1具有形成在铸件C1延伸的方向上的定向凝固组织。

形成在熔融金属的导出区域P附近的被保持的熔融金属MS的环形根部MSa不受约束。当与被保持的熔融金属MS接触的形状提供部件11分别向右和向左移动时，根部MSa能根据形状提供部件11的举动自由地改变其形状。结果，被保持的熔融金属MS不受任何约束并能够通过形状提供部件11容易地变成任何复杂的形状。

<自由铸造>

(1)以下描述通过自由铸造装置1实际生产的铸件。

使用通常已知为因易于出现凝固裂纹等而难以铸造的金属的锻铝(Al)合金(JISA6063)作为熔融金属M的金属材料。熔化所准备的金属材料并将其置于坩埚10中，然后保持在680摄氏度。

在熔融金属M的表面上浮动的内形状提供部件111是具有盘形并以D(直径)40mm×3mm的厚度的尺寸形成的绝热部件。外形状提供部件112是具有环形并以D60mm的内径×D100mm的外径×3mm的厚度的尺寸形成的绝热部件。导出区域P由形状提供部件11形成并具有带10mm间隙(D40mm的内径×D60mm的外径)的环状。

起动器14是由钢制成并以D44mm的内径×D56mm的外径×100mm的高度的尺寸形成的圆筒形部件。八个冷却喷嘴13在形状提供部件11的向上方向上呈环状地等距隔开。各冷却喷嘴13以200L/min的流量吹送约30摄氏度的空气。

(2)使起动器14在导出区域P内与熔融金属M的表面接触。一旦熔融金属N在起动器14的下端侧开始凝固，就在从八个冷却喷嘴13连续吹送空气的同时以40mm/min的上升速度沿直线形路径L1(设定路径)向上提升起动器14。然后，导出由表面膜F(氧化膜)保持的被保持的熔融金属MS(导出工序、提升工序)，并形成具有圆筒形状且在凝固界面B的向上方向上定向凝固的铸件C1(成形工序)。铸件C1以D55mm的外径×5mm的厚度的尺寸成形。

在成形工序的中间阶段，形状提供部件11开始工作。也就是说，内形状提供部件111和外形状提供部件112移动，以使得被保持的熔融金属MS的根部MSa的直径扩大。结果，获得了具有圆筒形状和椭圆形截面并以80mm的最大外径×55mm的最小外径×4mm的厚度的尺寸成形的铸件C2。图3是铸件C1和铸件C2(统称为“铸件C”)的图像。所获得的铸件C未呈现诸如缩松或凝固裂纹等的铸造缺陷并具有平滑和精细的铸造表面。

(3)图4是铸件C1的微观组织的显微镜图像。图4A至4C分别是径向垂直平面(R轴垂面)、周向垂直平面(θ轴垂面)和延伸方向上的垂直平面(Z轴垂面)上的微观组织的显微镜图像。从这些图像可知，铸件C1具有有利的定向凝固组织。在这些图像中，白色部分是柱状(晶)组织，其为在提升方向上生长的α相初晶(呈FCC结构的A1)，黑色部分是在柱状组织生长之后最终结晶出的Mg₂Si相。

示例2

<自由铸造方法>

图5和6是通过自由铸造装置1获得的另一个铸件的图像。为了获得图5所示的铸件C3，将起动器14的水平(向右和向左)移动速度和起动器14的上升速度设定为1：1，并沿从铅垂方向倾斜约45度的Z字形路径(设定路径)引导被保持的熔融金属MS且然后使之成形。铸件C3也具有定向凝固组织。铸件C3未呈现诸如缩松或凝固裂纹等的铸造缺陷，并具有平滑和精细的铸造表面。

为了获得图6所示的铸件C4，将呈Z字形的起动器14的行进路径(被保持的熔融金属MS的引导路径)变为呈螺旋形的路径(设定路径)，然后使被保持的熔融金属成形。更具体地，使起动器14在导出区域P内与熔融金属M接触，且然后以84mm/min的上升速度略微提升起动器14(导出工序、提升工序)。在恒定地维持上升速度的情况下，然后使起动器14沿半径为10mm(D20mm)的外周以28mm/min的周向速度移动。这样获得的铸件C4也具有定向凝固组织。铸件C4未呈现诸如缩松或凝固裂纹等的铸造缺陷，并具有平滑和精细的铸造表面。

当使用形状提供部件来形成图5和6所示的铸件时，能在同时确保高产品质量的情况下有效地获得具有极为复杂的形状的铸件。

Claims (2)

1.一种能够不使用铸模而获得铸件的自由铸造方法，包括：

导出工序，所述导出工序用于从熔融金属的液面导出熔融金属以通过在外表面上产生的表面膜或表面张力来暂时保持熔融金属自身，其中熔融金属经所述液面被供给至被保持的熔融金属；和

成形工序，所述成形工序用于通过使根据期望的铸件形状沿设定路径导出的所述被保持的熔融金属凝固来获得成形体，

其中，在所述成形工序中所述被保持的熔融金属在成形为期望形状之后凝固，而所述被保持的熔融金属是通过在其位于熔融金属的液面附近的不受约束的根部和一凝固界面之间的位置向其表面吹送气体以向其施加气体压力而成形为期望形状的，所述凝固界面被限定为所述被保持的熔融金属和所述成形体之间的交界。

2.一种自由铸造装置，包括：

坩埚，熔融金属容纳在所述坩埚中，和

喷嘴，所述喷嘴构造成通过向从容纳在所述坩埚中的熔融金属的液面导出并由在外表面上产生的表面膜或表面张力暂时保持的被保持的熔融金属的表面吹送气体而向所述被保持的熔融金属施加气体压力，以使所述被保持的熔融金属成形，

其中，所述自由铸造装置能用于如权利要求1所述的自由铸造方法。