CN106475531A - 成型铸造铝合金的脱气和微结构细化 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于铸造铝基部件的脱气及晶粒细化系统，和在铸造铝基部件中实现氢气存在减少和晶粒尺寸减小的方法。超声振动被施加到从液态金属源至模具的液态金属行进路径以实现熔融金属中氢气减少并且也被施加到模具中的一个或多个位置以在固化时在部件中实现相对较小和等轴的晶粒。

Description

成型铸造铝合金的脱气和微结构细化

技术领域

本发明涉及铸造铝部件的制造，并且更具体地涉及不使用脱气设备或晶粒细化剂来生产具有精细微结构的无孔隙铝铸件的方法和技术。

背景技术

孔隙和晶粒结构长期被认为是影响铸造部件的机械性能，特别是疲劳性能的因素。由于固化期间从液体到固体的体积收缩而形成孔隙，同时如果固化温度控制不当，会形成不合需要的晶粒结构(包括大的柱状晶粒构造)。在轻金属合金(例如，通常为铝基合金，特别地为Al-Si合金(319、356、390等))的铸造过程中，这些问题尤为突出，这些轻金属合金特别用于制造机动车汽缸体和汽缸盖。

与液态金属相比，固体中的气体的溶解度明显降低，导致溶解的气体形成，这通常是造成孔隙的主要原因。这对于铝基铸件尤其如此，其中因为氢是唯一易溶于熔融铝的气体，所以氢致孔隙是主要的形式。因此，有几种目前用于减少液态铝中的夹杂物和氢含量的方法。这些方法包括各种脱气技术，包括旋转叶轮脱气、片剂(例如六氯乙烷(C₂Cl₆))脱气、真空脱气和喷雾脱气。虽然这些脱气方法已经被证明对改变精炼铝基熔体的程度是有效的，但它们会导致环境问题(例如，由于氯气(Cl₂)释放导致的环境问题)或涉及大量的资金投入。

对于晶粒结构，我们希望铝基铸件产生精细和等轴的晶粒结构，以使收缩、热裂和疲劳易感性最小化，同时获得更均匀分布的精细标度的第二相和微孔。这些进而改进了屈服强度、断裂韧性和其他有用的机械性能。通常，增加成核位置数量或降低生长速率的任何因素往往造成在铸造铝合金中产生精细的晶粒。常用技术包括在模具中使用激冷件或相关的插入件以提高局部固化速率(其进而易于促进晶粒尺寸减小并提高相关的机械性能)。例如，在砂铸发动机缸体中，靠近曲轴轴颈区域的舱壁形成有重金属激冷件，以确保所需的机械性能。遗憾地是，当使用激冷件时，可能形成不合需要的局部柱状晶粒结构。这种结构可能会大大降低材料的疲劳性能。因此，在实践中，当采用激冷件时，通常在模具填充之前，将化学或元素添加剂(例如Ti、B、C或其组合)形式的晶粒细化剂放置在液态金属或模具中。因为将这种晶粒细化剂添加到火炉中的液态金属熔体往往随着时间导致淤渣沉降，所以这种方法可大大增加火炉和再循环泵的维护成本。同样，模内晶粒细化趋向于在铸造过程中产生更多的氧化物(其可导致不合需要的双膜构造)和微结构偏析。因此，本发明人认为应当避免使用这些晶粒细化方法。

发明内容

根据本发明的一个方面，公开了一种熔融金属脱气和晶粒细化系统。所述系统包括：被配置成将所述熔融金属的源流体地耦接到模具的传送组件，以及被配置成使传送组件的部分(或流经由传送组件限定的行进路径的熔融金属)发生超声振动的装置，使得在所述源与所述模具之间行程的至少一部分期间，熔融金属与振动互相作用以减少氢气存在并且(在随后固化时)减小其晶粒尺寸。这种配置利用了液态或熔态下的氢、氧化物或其他杂质的溶解度(其是的铸造孔隙形成的重要因素)远远高于固态下的溶解度的事实。以这种方式，沿熔融金属行进路径产生的振动容易迫使金属在模具中被固化(硬化)之前析出更低密度的气态杂质。这样，等到基本上所有钢包中所含的金属固化之后，先前夹带在熔融金属中的大多数(或所有)的氢(或其他气体杂质)被释放出来。另外，靠近模具的部分发生振动进一步有助于确保在部件固化时形成小的等轴晶粒。以这种方式，使得熔体中的氢气存在和晶粒尺寸都减小。因此，根据振动诱发设备的位置，脱气和晶粒细化可以连续地或局部地进行。例如，希望对整个铸造部件进行脱气或晶粒细化的情形下，可以将超声振动致动器放置在沿铸造工艺行进路径的多个位置中，包括流槽管、浇注包或浇注槽。同样地，在所选部件位置(例如发动机缸体中的舱壁或汽缸盖的燃烧室)处进行的局部脱气或晶粒细化可以通过将超声振动致动设备放置在对应各种部件区域的模具的特定部分附近来实现。在一种示例性形式中，它们可以被放置在激冷件或相关散热插入件上，所述激冷件或相关散热插入件被放置在发动机缸体的舱壁、汽缸盖燃烧室等附近。显著地，振动诱发设备的操作使得可以进行这种脱气和晶粒细化，而不需要复杂的附加机械或者对熔融金属使用晶粒细化剂添加剂。

根据本发明的另一方面，公开了一种生产铸造铝部件的方法，其中脱气和结构细化均使用超声振动进行。所述方法包括：将铝基熔体(也被称为成品部件的熔融金属或液态金属前体)从其源传送到模具；在铝基熔体在所述源与所述模具之间的行进路径的至少一部分期间，向熔体施加超声振动，使得相对于没有这种振动存在的情况，实现熔体中的氢气脱除；以及在熔体在模具中固化期间，向熔体施加超声振动，使得相对于没有这种振动存在的情况，所述部件的至少一部分表现出晶粒尺寸减小。

附图说明

结合下面的附图，可以最佳地理解以下具体实施例的详细描述，其中相同的结构用相同的附图标记表示，并且其中：

图1描述了根据本发明的一个方面的可被铸造的象征性发动机缸体的视图；

图2A和图2B示出了根据本发明的一个方面的简化的熔融金属传送组件与铸造组件之间的流体连接性；

图3A至图3C是示出了铝合金铸件样品的孔隙的比较的显微照片，其中图3A具体地示出了没有使用超声振动的这些孔隙，而图3B和图3C示出了相继更长的超声振动应用时间的这些孔隙减小；

图4示出了超声振动施加设备相对于V形发动机缸体的舱壁的象征性放置；

图5示出了超声振动施加设备相对于汽缸盖的燃烧室的象征性放置；以及

图6A到图6C是示出了铝合金铸件样品的晶粒尺寸的比较的显微照片，其中图6A具体表示没有使用超声振动的这些晶粒尺寸，而图6B和图6C表示相继更长的超声振动应用时间的这些晶粒尺寸减小。

具体实施方式

首先参考图1，示出了具有缸孔(在下文又称为“发动机孔”或更简单地称为“孔”)105的四汽缸汽车内燃机缸体100的简图。除孔之外，根据发动机配置，缸体100包括尤其用于曲轴箱110、曲轴轴承120、凸轮轴轴承130(在具有顶置式阀和推杆的发动机的情况中)、水冷却夹套140、飞轮壳体150和缸孔160的部分，所述部分可以由腔体限定。虽然未示出，但是汽缸盖被固定(诸如通过螺栓连接)至发动机缸体100的顶部并且限定(尤其)大致上圆柱形拱顶状区域，所述区域与上文讨论的缸孔105对准，使得组装有活塞、火花塞和阀(其中的每一个均未示出)的燃烧室可以影响燃烧过程和后续推进动力。如下文将更详细地讨论，本发明可以用于为轴承120、130和预期支承大量静态或动态负荷的其它表面提供材料结构性质的局部增强。

接着参考图2A和图2B，示出了上游熔融金属输送组件200与具有重力浇注的下游铸造组件300之间的流体配合。铝基材料首先在火炉210中熔化并且接着被泵(诸如电磁泵、机械泵或如本领域已知的其它泵)220强制穿过熔融金属输送组件200。熔融金属输送组件200包括各种流体通道，包括流槽管230、钢包240和浇注凹盘250(象征性地示出为偏离凹盘，但是同样可适用于圆锥形或其它形状)。铸造组件300包括接受来自钢包240和浇注凹盘250的熔融金属(或熔体)400的浇口310。来自浇口310的熔融金属400收集在填充盖或井320中并且接着进入大致上水平的浇道330中(用于诸如砂铸的低压铸造操作)或进入压射缸中(未示出，用于高压模铸操作)。模具340可以包括上砂箱350和下砂箱360作为可分离结构的对应上半部分和下半部分，但是其它变型(诸如用于制造如本领域中已知的发动机缸体或汽缸盖的变型)也可以用于模具340。大致上水平的内浇道370用于将浇道330流体地耦接至上砂箱350和下砂箱中的一个或两者以将熔融金属400传递至限定所制造部件的形状的内腔。附加的立管380(又称为供料机)可以被放置在模具340的最上部分中供可选择的附加供料补偿固化收缩。

超声振动施加装置500包括数个分散放置的振动激励器或致动器，比如探针、换能器等。在替代实施例中，来自超声振动施加装置500的振动可以由磁流体力学搅拌机构，比如基于磁体的电磁线圈等，施加。另外，在其中超声探针、换能器或线圈被放置在使它们被暴露于很高温度环境，比如铸造模具，的位置中的情形中，它们可以进一步包括冷却机构(比如通过强制水冷却)。在如图2中特别所示的一种形式中，超声振动施加装置500的致动器是沿流槽管230的轴向长度分隔开，但是，钢包240和浇注凹盘250中的一个或两者附近或浇口310(如图2B中特别所示)或浇道330中的附加放置也是优选的，就如同放置在流槽管230与模具340(如图2B中象征性所示)之间的任何其它区域周围一样，其中可能需要熔融金属400脱气。通过将某个最小强度(例如，60％振幅和20kHz的频率下10W/cm²的声强度)的超声振动施加到横越流槽管230、钢包240、浇注凹盘250和浇口310的熔融金属400，存在于熔融金属400中的残留氢气可以通过伴随的搅动在连续脱气运动中在由与超声振动施加装置500振动配合的熔融金属输送组件200的部分限定的行进路径长度上形成气泡上升至表面。

接着参考图3A至图3C，示出了铝基合金样本上的脱气操作的结果。具体地说，图3A示出了当呈熔融形式的金属没有经受任何形式的超声振动时存在的大量暗区域(孔隙)，而图3B和图3C示出了当熔融金属在750℃温度下经受超声振动15秒(图3B)和在750℃温度下经受超声振动34秒(图3C)时的量相继变少的孔隙。

接着参考图4和图5，示出了由发动机缸体(图4)和汽缸盖(图5)进行的超声振动施加装置500的两次象征性放置。特别地，至于图4，示出了V型发动机缸体600的部分。除具有用于限定缸孔的一对大致上倾斜缸体(以及可能大量这样的孔)之外，缸体600具有类似于上文讨论的发动机缸体100的构造并且包括隔板区域610，所述隔板区域610可以对应于缸体600的纵向前部或后部以容置类似于缸体100的轴承120、130的轴承。超声振动施加装置500(当前示为电磁线圈的形式)可以被放置在需要通过晶粒细化(比如上文提及的轴承120、130)进行附加表面硬化的部分附近。如上文讨论，本发明人已经发现结合局部激冷件700施加超声振动显著减小了晶粒尺寸以及降低了以柱状方式生长的趋势。图5中特别所示，超声振动施加装置500还可以被放置在汽缸盖800的拱顶区域内。用于影响迅速固化的冷却(和优选的等轴晶粒结构)可以通过将激冷的水或相关冷却剂输送至探针或换能器以及从探针或换能器输送激冷的水或相关冷却剂(如箭头所示)而实现。

接着参考图6A至图6C，示出了铝基合金样本上的晶粒细化操作的结果。具体地说，图6A示出了金属没有经受任何形式的超声振动而固化时存在的大量孔隙和相对较大晶粒结构，而图6B和图6C示出了当熔融金属在固化之前在750℃温度下经受超声振动15秒(图6B)和在750℃温度下经受超声振动34秒(图6C)时的相继变小(即，更细)的晶粒尺寸。显著地，图3B和图4C的孔隙减小以及图6B和图6C的晶粒尺寸减小和全方位图案是在不借助于诸如晶粒细化剂或脱气添加剂的添加剂的情况下实现的。另外，这些结果是在不需要复杂的脱气装备的情况下实现的。

在当前背景中，构成输送组件200的每个部分均被示为分离的、分散的部件。然而，本领域技术人员将明白的是，这些部件(包括流槽管230、钢包240和浇注凹盘250)的各种功能属性可以被并入至较大、结构上更集成的部件中作为模拟本文描述的各种液态金属输送功能的方式，且执行这种功能或这些功能的这些集成部件的任何组合均被视为在本发明的范围内，无论执行这种功能的部件是否可物理地彼此分离。例如，流槽管230的远端可以配备有用作钢包240的一体式形成的喷嘴或相关分配器(未示出)，使得横越流槽管230的熔融金属400从钢包240被分配并且被分配至浇注凹盘250中。钢包240(a)在结构意义上与流槽管230成一体或(b)甚至不存在的事实不会有损钢包的功能属性在熔融金属400从火炉210传递并且通过流槽管230至合适的浇注凹盘250时仍然存在的事实。因而，这些功能属性而非它们各自分散形式的结构部件的存在决定它们是否形成整个输送组件200中的一部分，而且只要这种功能显而易见，那么对应的结构便被视为同样存在。

振动诱发装置500的放置通常(尤其是该装置的前述探头或者换能器部分)被叙述且描述为“处在”沿着熔融金属400行进路径的一个或多个分散位置，以及“在…中”或“处在“用于塑形部件的模具340内的一个或多个位置。在当前背景下，这不意为这种装置必须物理地嵌入对应的输送组件200或模具340中(虽然其能够这样)，而是仅意为这种装置被放置得足够接近以确保相对于熔融金属或固化金属所生成的超声振动的效能；因此，振动探头、换能器或振动诱发装置500的线圈的放置可以在组件200或模具340的内表面上或外表面上或相邻所述内表面或外表面。

通过使用合适的控制器(未示出)，可自动进行铸造操作。在这种情况下，控制器可以配备有中央处理器(CPU)，和内容可寻址存储器(例如，以只读存储器(ROM)和随机访问存储器(RAM)的形式，该只读存储器用于存储控制整个装置的操作的程序，该随机访问存储器具有数据存储区域)。CPU连接至输入/输出界面(其可以执行分散和模拟输入及输出中的一个或两者)，而附加信号处理装置，比如模拟-数字(A/D)转换器和一个或多个滤波电路。这种控制器可以作为数字信号处理器，应用专用集成电路，现场可编程门阵列，任何适当的可编程逻辑器件，分散门或晶体管逻辑器，分散硬件部件或其任何组合。在一个优选形式中，控制器被配置成指示超声振动施加装置500如何分段进行其包括频率和振动幅度的操作。在一个示例性形式中，这种振动借助在振动频率至少约15kHz以及更优选至少约20kHz的10W/cm²的最小声强度以60％幅度(即，振动能量范围的测量值)进行。本发明人已经确定，为了能够执行合适的铸造铝合金的脱气以及晶粒细化，频率需要至少15kHz，并且虽然较高频率是有益的，但需要考虑超声振动设备资金成本的实际限制。在当前背景下，约100kHz的上限频率应该足以用于平衡与合理设备成本相关的高频率性能。同样，所需振幅范围在约50％和100％之间。

应当注意，术语“优选地”“通常”和“典型地”在本文不用来限制所要求保护的发明的范围，也不暗示某些特征对于所要求保护的发明的结构或功能是关键的、必要的或甚至为重要的。相反，这些术语仅旨在强调可以在或不在本发明的具体实施例中采用的替代或附加的特征。

为了描述和限定本发明，需注意，术语“器件”在本文用来代表部件的组合和单独部件，无论这些部件是否和其它部件组合。例如，根据本发明的“器件”可以包括电化学转换组件或者燃料电池、包含根据本发明的电化学转换组件的车辆等。

为了描述和限定本发明，需注意，术语“基本上”在本文用于表示不确定性的固有程度，其可归因于任何定量比较、数值、测量或其它表示。术语“基本上”在本文还用来表示定量表示可以与给定的参考有差异的程度，而不会导致讨论中的主题的基本功能的变化。

已经参照本发明的具体实施例详细描述了本发明，显然，在不背离由所附权利要求所限定的本发明范围的情况下，可以对本发明进行更改和改变。更具体地，虽然本发明的一些方面在本文中被认为是优选的或特别有利的，但是考虑本发明不必局限于本发明的这些优选方面。

Claims (8)

1.一种用于铸造铝基部件的脱气和晶粒细化系统，所述系统包括：

熔融金属输送组件，其被配置成将所述熔融金属的源流体地耦接到其中具有基本上限定所述部件的形状的模具；以及

装置，其与所述输送组件配合以向所述输送组件施加超声振动，使得在所述源与所述模具之间的行进路径的至少一部分期间，相对于没有这种振动存在的情况，所述熔融金属在其中经受氢气存在的减少，并且还使得在所述熔融金属在所述模具中的随后固化期间，相对于没有这种振动存在的情况，所述部件的至少一部分表现出晶粒尺寸减小。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述输送组件包括流槽管、钢包和浇注凹盘中的至少一个。

3.根据权利要求2所述的系统，其中所述输送组件包括所述流槽管、钢包、浇注凹盘、浇口和浇道中的每一个。

4.根据权利要求3所述的系统，其中所述超声振动施加装置位于沿由所述流槽管限定的所述行进路径的至少所述部分的分散位置。

5.根据权利要求4所述的系统，其中所述超声振动施加装置还位于沿由所述钢包、浇注凹盘、浇口和浇道限定的所述行进路径的至少一部分的分散位置。

6.根据权利要求4所述的系统，其中所述超声振动施加装置还位于所述模具内的至少一个位置中。

7.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统禁止引入任何晶粒细化剂至所述液态金属。

8.一种生产铸造部件的方法，所述方法包括：

将熔融铝基金属从其源输送至模具；

在所述源与所述模具之间的行进路径的至少一部分期间，施加超声振动至所述液态金属，使得相对于没有这种振动存在的情况，所述液态金属发生氢气存在的减少；以及

在所述液态金属在所述模具中固化期间，施加超声振动至所述液态金属，使得相对于没有这种振动存在的情况，所述部件的至少一部分表现出晶粒尺寸减小。