CN1072071C - 精密铸造的方法和铸造设备 - Google Patents

Abstract

为了制造精密铸件使用一种换气方法。一坩锅(1)和具有至少部分多孔壁的铸模(2)设置在一个气密的容器(5)中。具有模腔(3)的铸模(2)在浇注过程之前抽真空，接着用一种轻的气体例如氦气吹洗。在模腔(3)充满后用第二种重的气体例如氩气对铸模(2)中的熔融金属的液面(18)加载，并作用一超压。由此改善了模腔(3)的填充度和改善了浇铸的物件的组织。

Description

精密铸造的方法和铸造设备

本发明涉及一种在一精密铸造的设备中浇铸金属件的方法和一种实施此方法的铸造设备。上述铸造设备具有至少一个铸模、一个用于将液态金属浇注入铸模的装置和用于产生真空和压力的装置。

精密铸造是指铸造首饰、塑料件或装饰品以及由金、银、铂、青铜和其它金属铸造工业上的精密的小零件。已知一种铸造设备是将坩锅和铸模设置在一个容器中。坩锅具有盛放原材料的内腔和加热装置，例如电感应加热装置。作为出钢装置可以使用已知的装置，其中已知的例子是具有一带塞子的底部出钢口。铸模定位在坩锅的下方，铸模由透气的多孔材料制成。其中铸模具有一个通常可以在同一浇注过程中浇注多个零件的模腔，即模腔具有一带竖浇口的树枝结构。铸模大都借助于塑料模或蜡模制成，这些模子只能一次性使用。在已知的铸造设备中浇铸金属件的方法由多个步骤组成。首先打开容器，用原材料填满坩锅和将铸模放入容器的下部。其中，容器的下部与其上部分开。

容器的上部与产生超压的装置相连，容器的下部与产生低压的装置相连。为了开始浇注过程，气密地关闭容器并开始在坩锅内的熔化过程。通过打开塞子使液态熔融金属流入铸模的模腔中，直至其完全充满。在浇注过程之前和/或期间，放有铸模的容器下部承受低压，该低压经由模型材料的孔隙也作用到模腔中。在浇注过程结束时，亦即当模腔被充满时，在容器的上部产生一超压，这样这一压力就对铸模竖浇口中的熔融金属的液面起作用。作用在铸模的底部和周壁上的低压和作用在模腔中的熔融金属上的超压的组合相对于两边具有相同的压力的铸造方法改善了模腔的充满和改善了细小零件的形变热处理。

由DE-A-3927 998公开了一种这类精密铸造设备，用来由钛或钛合金制造牙科用铸件。在这一文献中描述了一种方法和设备，其在浇注过程期间在铸模的浇注侧产生一至少为4-5巴的高压。为此用一种为氩气形式的重的气体对浇注侧加压。这类高压应当是必需的，以便能无缩孔和杂质地浇铸钛或钛合金。

尽管用这种已知的设备能有良好的铸造结果，但始终会出现问题，尤其是在铸件复杂和小型时。液态熔融金属例如很小能快速地在模腔中分布。其结果是，部分细小的分支没有被充满或者出现凝固金属的不同的结构，因为模腔中不同区域的冷却速度和凝固时点是不同的。

因此，本发明的任务在于提出一种能进一步提高模腔造型精度和填充率并改善浇铸件的组织的方法和设备。

这一任务的方法方面是在一个精密铸造的设备中铸造金属件的方法，该设备具有至少一个多孔的铸模、一将液态金属浇注入铸模中的装置和一产生真空和压力的装置，其中，在浇注过程开始之前，在模腔和铸模的周围空间中产生一低压，然后，模腔和铸模的周围空间用一种轻的、小密度的气体吹洗，在吹洗过程期间铸模壁中的气孔至少部分被轻的气体充满，接着至少在模腔中重新产生低压，然后将液态熔融金属注入模腔并充满模腔，在模腔充满后用另一种重的、密度较大的气体对模腔的浇口的熔融金属的液面加载，并在具有重的气体的气体室中相对于铸模的气孔的孔腔产生一超压。本发明的设备方面是实施如上述方法的铸造设备，包括一带出钢装置的坩锅和至少一带有模腔的铸模，其中，铸模由至少部分透气的材料制成，铸模设置在一个气密的容器中，容器与不同气体的第一和第二气源相连，并有通向泵的连接管路用来在容器中产生低压，在容器和第二气体源之间的连接管路中设有一用来产生超压的装置。

按照本发明的方法，在浇注过程开始之前，亦即，在将液态的熔融金属注入模腔中之前，铸模的模腔和铸模的周围空间承受一低压。从而铸模的至少部分为多孔和透气的壁中的开口和通道被抽真空，空气或其它的残留气体被从多孔的开口中抽出。接着，用一种轻的密度小的气体吹洗铸模的模腔和周围空间，其优点是，这种气体进入铸模壁的气孔中并充满这些气孔。其中，作为轻的气体选择一种在元素周期表中原子序数为1-10之间的气体，这种气体具有尽可能高的通过铸模壁中的气孔的穿透率。其中尤其合适的气体是氦气。在用轻的气体吹洗铸模的模腔和周围空间之后，至少在模腔中重新产生一低压，然后，液态的熔融金属注满模腔。这一充满过程现在进行得很快，因为，轻的气体，例如氦气很容易和快速地通过铸模壁中的气孔被挤出并可向外流出。这一优点是由所选择的轻的气体通过气孔和毛细孔的高的穿透率实现的。这种浇注过程的优点在于，在模腔的各部位和流入的液态金属之间没有建立局部的超压，因此，液态金属能快速和无阻碍地流入模腔的细小的分支中。只有这样才能提高形状的准确度和浇注速度。其结果是，在模腔的所有部分产生浇铸件的更好的组织。一旦模腔完全填满液态金属，就用另一种重的、密度较大的气体对模腔的浇口中的熔融金属的液面加载。这一气体相对于铸模的周围空间具有一至少为10毫巴的超压。作为密度较大的气体选择一种元素周期表中原子序数至少为7的气体，这一原子序数在任何情况中都具有比在前面的工艺步骤中吹洗的轻的气体大的原子序数。重的气体也可以是一种具有相同特性的气体混合物。其中尤其合适的一种气体是氩气，因为氩气具有这一特性，并只具有很小的穿透率流过铸模壁中的气孔。试验表明，在用氩气对一侧加载时实现铸模内壁和铸模外壁之间的压力平衡要比用氦气加载时慢8-10倍。其优点是，铸模模腔中的液态熔融金属承受一高的压力，而铸模周围空间中的低压没有明显减少。这导致更好地充满模腔和改善浇铸件的组织。

所述本发明方法的这些优点是由一种具有密度不同的不同气体的两个气体源的铸造设备获得的。如果将铸模设置在第一气密的容器中，并将坩锅和出钢装置设置在第二个与第一个分开的容器内，则有其它的优点。这两个容器经由连接管路和控制阀与第一或第二气体源相连，并具有产生局部低压或高压的泵以及相应的控制装置。如果在坩锅的出钢口和铸模的浇注口之间设有一第三气体室，则具有的优点是，这一气体室相当小，因此在填满铸模后能较快地在浇注口上建立压力并且需要较少的气体。这里也设有气体源和/或第一或第二容器的相应控制装置和连接装置。

如果坩锅的出钢口的区域和铸模的浇注口的区域沿着浇注轴线可相互移动，则有其它的优点。这一方面能更好地接近铸模和坩锅，另一方面能使第一或第二或第三容器相互连接或分开。这可以通过相互移动带坩锅的部件或移动带铸模的部件实现。为了密封在上述两部件之间至少设有一气密的密封件。

本发明铸造设备的操作和本发明方法在这一铸造设备中的应用，按适当的方式用一控制器实现，该控制器存有实施上述方法的控制程序。经由这一控制器可以控制气体源和气密的容器之间的相应的控制阀和调节装置。该控制器也可以承担对本身已知的熔化和浇铸过程的控制。

下面借助于附图所示的实施例进一步说明本发明。其中：

图1示意表示本发明的铸造设备，

图2表示具有第一和第二容器的本发明的铸造设备，

图3表示具有一个附加的第三气体室的本发明的铸造设备。

图1所示的铸造设备由一个带盖24的容器5组成，其中，盖24的关闭装置没有表示出。在容器5中放置有带模腔3的铸模2。铸模2用来浇铸金属件，在所示的例子中为装饰物。其中，多个件围绕带浇口17的中央浇道设置而构成树枝状结构。铸模2由多孔的、透气的模型材料制成。模型按已知的方式借助于蜡模制成，蜡模在制造铸模2后被熔化。在铸模2的上方，在中间支架上放置一坩锅1。坩锅1包括一原料或熔融金属的贮槽25和一个在坩锅1底部的出钢口14。出钢口14用塞子15关闭，并可经由操纵件16通过未示出的，但本身已知的调节机构打开和关闭。围绕着坩锅1设置有感应线圈形式的加热装置，后者在所示的例子中同样没有示出，但其本身是已知的。塞子15和出钢口14以及操纵件16构成了出钢装置4。容器5的内腔26借助于盖24气密封闭。内腔26同时构成铸模2的周围空间。连接管路19将内腔26与第一气体源6，例如装有氦气的高压气瓶相连。在连接管路19中设有带有调节机构的阀22，该阀经由控制管路23与控制器10相连。第一容器5的内腔26经由另一连接管路11与真空泵8相连，该泵同样经由控制管路23与控制器10相连。在连接管路11中同样装有带调节机构和通向控制器10的控制管路的阀21。真空泵8可以附加补充有未示出的真空罐。

容器5的内腔26经由另一连接管路12与第二气体源17相连，该气体源在本例中含有氩气。在第二气体源7和第一容器5之间装有增压装置9例如增压泵和一阀20，其中，这些部件再次经由控制管路23与控制器10相连。

在图1所示的例子中，铸模2的模腔3用金属填满，并在浇口17可以看到浇铸的熔融金属的液面18。用液态熔融金属填充模腔3按下述方法进行。第一步，将铸模2装入容器5中，坩锅1的贮槽25用必要量的原料填满。在浇铸装饰物时通常采用如金、银或铂的原料，其中也可以采用其它的材料和浇铸其它的物件，例如塑料件或金属小件。坩锅1的容积在约5-2000厘米³之间。接着，容器5用盖24气密关闭，坩锅1中的金属借助于未示出的加热装置熔化。在熔化过程期间或结束后，容器5的内腔26借助于真空泵8抽真空至低压约至少100毫巴，因此将在填充容器5时进入的空气从内腔26和模腔3中抽出，也将铸模2的壁中的气孔抽真空。一旦达到所需的预定的低压，则具有低密度的轻的气体，在本例中为氦气，经由阀22从第一气体源6吹入容器5的内腔26，尤其是用这一轻的气体吹洗模腔3。为此可以经由泵8维持小的低压，这样保证对整个铸模2的吹洗。在用轻的气体，氦气，吹洗过程中，氦气也进入铸模2的壁中的气孔中并充满气孔。由于氦气很容易进入气孔和毛细孔并具有高的流过率，因此，铸模2的整体很快被氦气穿透。一旦达到这一状态，就关闭阀22，并在维持第一容器5的内腔中小的低压下打开塞子15。这样，熔融的金属经由出钢口14流入铸模2的浇口17，直至充满模腔3。现在同样关闭阀21和打开阀20，使容器5的内腔26充满较重的气体，在本例中为氩气。经由增压装置9可将超压提升至1000毫巴，该超压直接作用在模腔3的熔融金属的液面18上。这样模腔3中的熔融金属被压入模腔3的最外部并将轻的气体-氦气完全从模腔3中挤出。重的气体，氩气，具有这样的特性，即它很难进入铸模2的气孔中，因此首先只在模腔的熔融金属的液面18上建立压力并经由作为反压的壁减小。一旦模腔3中的熔融金属凝固，就关闭阀20并在压力平衡过程之后可以打开盖24并从容器5的出铸模2。这样，重新浇铸过程用的装置装入一新的、空的铸模2。整个浇铸过程的控制经由控制器10，例如，控制计算机实现，该计算机装有控制程序和输入装置。程序以及浇铸工艺可以依据待浇铸的材料和其它的浇铸参数适应相应的边界条件。在采用第一或第二气体源6、7中的其它气体时也可考虑改变控制器10。

图2表示精密铸件的铸造设备的例子，该铸造设备相对于图1的例子具有有利的补充。该铸造设备由两个容器即第一容器5′和第二容器13组成。第一容器5′安放铸模2，第二容器13安放坩锅1。这两个容器5′和13可以气密相连，其中没有示出相应的连接装置。在第二容器13上再次设置一盖24，它经由同样未示出的连接机构可与容器13气密相连。容器13具有其中至少设有一条连接通道28的底27。第二容器13的底27经由密封件29放置在铸模2的上表面30上。铸模2在所示的例子中停放在提升-下降装置31上，铸模2借助于该装置朝底部27和出钢口14移动或移离出钢口。这样就可以将第一容器5′的内腔与第二容器13的内腔经由连接通道28相互连接，如果铸模2往下降，则铸模不再贴紧在密封件29上。在所示的例子中，在坩锅1中填有还没有熔化的原料，即表示的是熔化过程和浇注过程开始前的初始状态。

在坩锅1中的原料金属熔化以后，第一容器5′和第二容器13的两个内腔经由真空泵8和连接管路11抽真空至预定的压力。同时，容器5′的内腔形成铸模2的周围空间。铸腔3中低压的建立是经由第二容器13的内腔和连接通道28实现的，后者通入铸模2的浇口17。在这种设备中，除了连接管路11中的阀21外还设有将泵8与第二容器13的内腔相连的第二阀32。当铸模2贴紧在底部27的密封件29上时，为了抽真空而打开两个阀21和32，以便在第一容器5′和第二容器13中产生所需的低压，和从模腔3中抽出不需要的气体。在铸模2下降时也可以抽真空，其中只要打开两个阀21或32中的一个。在本例中，在浇注过程开始之前，铸模2借助于提升装置31移向密封件29。在达到所要的低压后，打开阀22，从第一气体源6将轻的气体吹入容器5′和13中。在本例中使用氦气作为小密度的轻的气体。轻的气体流过并充满铸模2的气孔所需的时间与铸模2的尺寸和所选择的模型材料有关。一旦吹洗完气孔并充满氦气，就通过关闭阀22中止吹洗过程。为了改善吹洗过程可以装入一个附加的阀33。在这种情况下，在吹洗过程中关闭阀32并经由阀21继续在铸模2的周围空间内产生低压。然后，轻的气体-氦气流入第二容器13，并经由连接通道28流入模腔3，并从内向外透过铸模2。在两个变型方案中，在浇注过程开始之前关闭阀21，并只经由阀32维持在模腔3中的预定的低压。一旦模腔3充满液态的熔融金属，则关闭阀32并打开阀20。从第二气体源7并经由连接管路12将重的气体，在本例中为氩气吹入第二容器13的内腔中，并经由连接通道28对模腔3的浇口17中的熔融金属的液面加载。现在，经由增压装置9在第二容器13中相对于第一容器5′中的铸模2的周围空间建立超压。这又使模腔3中的液态熔融金属被挤入模腔3的最外部，因为轻的气体能无大的阻力地流过铸模2中的气孔而流入周围空间。由于这里重的气体-氩气只作用在模腔3的浇口17，因此，轻的气体-氦气容易从模腔3流入容器5′的周围空间中，因为围绕着铸模2没有建立超压。

图3表示附加改进的实施例，其中，在第一容器5′和第二容器13之间形成一第三气体室34。该第三气体室34设计在第二容器13的底部27和第一容器5″的中间壁35之间。中间壁35将铸模2的上表面30朝向第一容器5″中的周围空间密封。第一容器5″和第二容器13以及盖24在本实施例中也是经由未示出的连接机构气密封相互连接。在浇注过程开始之前，借助于真空泵8并打开阀21和32在两个容器5″和13的两个内腔中产生所需的低压，60毫巴。经由铸模2的壁中的气孔也对模腔3和第三气体室34抽真空。因此，这一实施例带来的附加优点是，模腔3中的空气或其它气体在任何情况下都向外抽出。在容器13中建立均匀的低压是必要的，以避免不需要的气体流入第三气体室34中。在达到所需的低压后打开阀22，从第一气体源6经由管路19将氦气形式的轻的气体吹入容器13和第三气体室34的内腔中。在管路19和第三气体室34之间设置一附加的连接管路36。其中阀21保持敞开，因此，由于第一容器5″中铸模2周围空间中的低压而使氦气从第三气体室34经由模腔3向外流入铸模2的周围空间中。这就保证了对铸模2壁中的气孔和毛细孔的完全吹洗，因此它们完全充满了氦气。一旦达到这一状态，就关闭管路19中的阀22，并按已描述过的方式将液态熔融金属浇注入模腔3中。一旦模腔3填满液态的熔融金属，就经由连接管路12′直接向第三气体室34输送氩气形式的重的气体。这是再次经由阀20、第二气体源7和增压装置9实现的。相对于第一容器5″中的铸模2的周围空间的所需的超压，在本例中为3000毫巴只建立在第三气体室34中。由于第三气体室34可以保持得很小，因此，只需要少量的氩气，建立所需的超压也很快并只需小的能量耗费。铸造设备的这一结构型式使本发明的铸造方法最佳化并使重的和轻的气体的消耗减至最少。

也可以用不同的别的组合来代替作为例子提出的气体交换的组合，氦气/氩气。如果使用净化气体，则例如可以是如氮气/氩气或氦气/氮气的组合。例如可以使用作为轻的气体的氮气和作为重的气体的二氧化碳的组合。

Claims (11)

1．在一个精密铸造的设备中铸造金属件的方法，该设备具有至少一个多孔的铸模(2)、一将液态金属浇注入铸模(2)中的装置(4)和一产生真空和压力的装置，其中，在浇注过程开始之前，在模腔(3)和铸模(2)的周围空间中产生一低压，然后，模腔(3)和铸模(2)的周围空间用一种轻的、小密度的气体吹洗，在吹洗过程期间铸模(2)壁中的气孔至少部分被轻的气体充满，接着至少在模腔(3)中重新产生低压，然后将液态熔融金属注入模腔(3)并充满模腔(3)，在模腔(3)充满后用另一种重的、密度较大的气体对模腔(3)的浇口(17)的熔融金属的液面(18)加载，并在具有重的气体的气体室中相对于铸模(2)的气孔的孔腔产生一超压。

2．按照权利要求1的方法，其特征为，作为轻的气体使用一种密度至少比重的气体的密度小1.2倍的气体。

3．按照权利要求1或2的方法，其特征在于，作为轻的气体采用周期表中具有原子序数为1-10的一种气体，作为重的气体采用周期表中原子序数至少为7的一种气体，其中较重的气体具有比较轻的气体更大的原子序数。

4．按照权利要求1或2的方法，其特征为，在浇注过程开始之前产生至少为100毫巴的低压，并在浇注过程结束时用重的气体相对于铸模(2)气孔中的空腔中的压力产生至少为10毫巴的超压。

5．实施如权利要求1所述的方法的铸造设备，包括一带出钢装置(4)的坩锅(2)和至少一带有模腔(3)的铸模(2)，其中，铸模(2)由至少部分透气的材料制成，铸模(2)设置在一个气密的容器(5)中，容器(5)与不同气体的第一和第二气源(6,7)相连，并有通向泵(8)的连接管路(11)用来在容器(5)中产生低压，在容器(5)和第二气体源(7)之间的连接管路(12)中设有一用来产生超压的装置(19)。

6．按照权利要求5的铸造设备，其特征为，坩锅(1)和出钢装置(4)设置在第二个气密的容器(13)中，容器(13)经由阀(20)和连接管路(12)与产生超压的装置(9)相连。

7．按照权利要求5或6的铸造设备，其特征为，在坩锅(1)的出钢口(14)和铸模(2)的浇口(17)之间设计有一第三气体室(34)。

8．按照权利要求5或6的铸造设备，其特征为，坩锅(1)的出钢口(14)的范围和铸模(2)的浇口(17)的范围可以沿浇注轴线相互移动。

9．按照权利要求8的铸造设备，其特征为，在坩锅(1)的出钢口(14)的范围和铸模(2)的浇口(17)的范围之间至少设置一气密的密封件(29)。

10．按照权利要求7的铸造设备，其特征为，第三气体室(34)经由连接管路(12′)与产生超压的装置(9)相连，和/或经由连接管路(36)与第一气体源(6)相连。

11．按照权利要求5、6、9和10中之一的铸造设备，其特征为，该设备配有具有符合权利要求1的方法的控制程序的控制器和连接管路(11,12,19)中的用于气体的控制阀(20,21,22,32)。

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