CN109963668A - 铸造方法 - Google Patents

Abstract

本发明关于一种以铸造法生产铸造件的方法，其中将传导材料的熔料引入至少一交变磁场的影响范围中，使得熔料保持在悬浮状态。熔体浇注入铸模中，以生产涡轮机叶片、义肢、或涡轮增压器动叶轮。

Description

铸造方法

技术领域

本发明关于一种用于生产铸造件的铸造方法。上述方法是悬浮熔化法，其中熔体不与坩埚的材料接触，因此可避免坩埚材料、或藉熔体或坩埚材料的反应的污染。

避免此类型污染在具有高熔点的金属及合金的情况下尤其重要。此类金属譬如为钛、锆、钒、钽、钨、铪、铌、铼、及钼。然而，在譬如镍、铁、及铝等其他金属及合金的情况下亦重要。

背景技术

先前技术

由先前技艺已知悬浮熔化法。是以，德国专利案第DE 422 004 A号中已揭露熔化方法，其中传导熔体材料是藉由感应电流加热，且同时藉由电动力效应自由地浮动。上述文件是描述一铸造方法，其中藉磁铁促成的熔态材料被推压入铸模中(电动力学压铸法)。上述方法可在真空中执行。然而，上述文件并未教示熔态熔料足以填充上述铸模。

美国专利案第US 2,686,864 A号亦描述一种方法，其中形成传导熔体材料以采取悬浮状态，譬如在真空中受一个或更多线圈影响，而无需使用坩埚。在一实施例中，使用二同轴线圈，以使悬浮材料稳定。上述材料一旦熔化，即容许将上述材料滴入铸模中或从铸模中流出。上述文件中描述的方法足够使60公克重的铝量保持悬吊。藉降低场强度移除熔态金属，使得上述熔体朝下通过圆锥形缩窄线圈流出。倘场强度非常迅速地降低，上述金属将在熔化状态下落出装置。已知此类线圈配置的“脆弱点”位在线圈中心处，这将限制可依此方式熔化的材料量。

美国专利案第US 4,578,552 A号亦揭露一种用于悬浮熔化的装置及方法。使用相同的线圈来加热及固持熔体，且在其内容中变化施加的交流电的频率以调节加热功率，同时将电流强度保持恒定。

悬浮熔化的特殊优点在于，避免以坩埚材料、或在其他方法中与熔体接触的其他材料污染熔体。悬浮熔体仅与周围大气接触，上述周围大气可譬如为真空或保护气体。消除与坩埚材料的化学反应的风险意指，熔体可加热至非常高的温度。此外，特别是相较于藉冷坩锅方法的熔化，减少了受污染材料方面的浪费。又，实际上尚未建立悬浮熔化。这是因为悬浮熔化仅容许相对较小量的熔态材料保持悬吊(请参考德国专利案第DE 696 17 103 T2号，第2页，第1段)。

为此，部分已使用半悬浮方法，其中熔态材料未保持悬吊但依据相似原理被定向，同时上述材料被支撑于平台上而非悬浮。此方法是在德国专利案第DE 696 17 103 T2号及第DE 690 31 479 T2号中说明。然而，依此方式熔化的材料已证明难以浇注入铸模中。此外，此程序产生已藉接触上述平台而受污染的相当大比例的不可用材料。德国专利案第DE690 31 479 T2号使用具有圆形开口的平台，上述圆形开口是以相同的材料封闭。一旦熔体完全熔化，则熔体经由上述开口流出熔化区。

由先前技艺已知的方法的缺点可总结如下：完全悬浮熔化法仅可与小量材料结合使用，且因此迄今在工业上的应用尚未成功。半悬浮熔化法具有缺点，即其必须将已接触上述平台的部分的使用过材料丢弃。此外难以浇注入铸模中。因此，迄今不可能执行完全悬浮熔化法以工业规模生产铸造件。

发明内容

目的

因此，本发明的目的是提供一种方法，其允许在工业上使用悬浮熔化，同时避免半悬浮熔化法及冷坩埚方法特有的材料损失，且达成悬浮熔化技术所有优点。具体来说，本发明应允许高产出量，且应能够熔化足够的材料以允许工业上生产非常高品质的铸造件，而无需使用支持平台。

发明内容

上述目的是依据本发明的方法来达成。本发明提供一种生产传导材料铸造件的方法，其包括以下步骤：

-将传导材料熔料引入至少一交变磁场的影响范围(熔化区)中，使得上述熔料保持在悬浮状态，

-熔化上述熔料，

-将铸模定位于上述悬浮熔料下方的填充区中，

-浇注上述全部熔料至上述铸模中，

-从上述铸模移除固化的铸造件，

其中熔态熔料的体积足以填充铸模达足够生产铸造件的程度(「填充体积」)。一旦已填充铸模，铸模容许使用冷却剂来冷却或被冷却，使得材料在铸模中固化。接着，可从铸模移除铸造件。浇注可表现为特别是藉切断交变电磁场而容许熔料落下，或者浇注可使用交变电磁场而放慢，譬如藉使用线圈。

在一实施例中，方法包括在浇注后、但在移除固化铸造件前从填充区移除已填充铸模的步骤。当使用熔失铸模时，由于可释放填充区给另一熔失铸模，因此运用本实施例特别有利。在另一实施例中，特别是当使用一永久铸模时，可在填充区中进行铸造件的移除。

可依多种方式移除固化铸造件。在一实施例中，将在移除铸造件时破坏铸模。这是指“熔失铸模”方法。在另一实施例中，铸模可制成永久铸模、特别是制成永久压铸模。永久压铸模较佳地由金属材料制成。此等永久压铸模适合较简单的组件。

永久铸模较佳地具有二个或更多铸模元件，可相互分离以移除铸造件。可使用一个或更多顶出器，以从永久铸模脱模。

依据本发明，“传导材料”应被理解为材料，其具有适当传导性以感应加热及悬浮材料。

依据本发明，“悬浮状态”应被理解为完整悬浮状态，使得待处理熔料无论如何皆不与坩埚或平台、或相似物接触。

铸模的“填充体积”应被理解为，填充铸模达足以生产待使用铸模形成的一个或更多完整铸造件的程度的体积。这无需必然与完整填充铸模相当、亦无需与生产铸造件所必须的最小体积相当。决定性的是无需填充铸模到超过填充体积。具体来说，在本发明内文中，铸模可具有数个通道或填充区，其无需填充来生产完整铸造件，反而仅用于将熔体浇注入铸模中或将熔体分配于铸模中。依据本发明，铸模特别是不填充到超过熔态熔料的体积。

依据本发明使用的铸模具有与待生产铸造件外形一致的模穴。在本发明的内文中，可能使用具有超过一个此类模穴，且因此适合同时生产多重铸造件的铸模。在一实施例中，依据本发明使用的铸模具有刚好一个模穴以生产刚好一个铸造件。在一实施例中，铸模具有填充区，其直径较待填充铸模的模穴大。此类填充区可特别是设计成漏斗型。这有助于使熔态熔料进入铸模中。

铸模材料较佳地由陶瓷(特别是氧化物陶瓷)材料，譬如特别是Al2O3、ZrO2、Y2O3或其混合物等材料制成。此铸模已证明其本身实用，且特别是有利于熔失铸模。依据本发明亦可使用的永久铸模可由金属材料、亦即金属或金属合金制成。

依据本发明，可在从填充区移除已填充铸模后、或者在完全或部分地从填充区移除填充有熔料的铸模的同时，将另一空铸模移入填充区中。另一选择，特别是在永久铸模的情况下，可在铸造件仍位于填充区中时，从铸模移除铸造件，而无需从填充区移除铸模。此外，在浇注熔料后，可将又一传导材料熔料引入交变电磁场的影响范围。又一熔料可完全相同地熔化且浇注入另一铸模中。可依期望地频繁重复此程序，尤其因为这无需可能磨耗的坩埚。本发明的方法可依据这种节奏进行，即每一传导材料熔料分派给确切一个铸模。铸模充份地填充有熔料，且可从填充区移除以腾出空间给次一铸模来接收次一熔料。这允许特别高效率的程序，其即使以悬浮熔化法的相对有限容量，仍容许高产出量。

在一实施例中，铸模是在填充前预热。预热的铸模具有使熔态熔料不致在接触铸模时立即固化的优点。尤其在待填充的细微模穴情况下，譬如在涡轮增压器动叶轮背景下发生者，加热铸模达一温度，以容许熔态熔料在材料固化前分布入铸模的细微模穴中是方便的。已证明在铸模填充有熔态熔料前，预热铸模达400到1100℃、特别是500到800℃范围中的温度是有利的。过低温度在某些特定情形下无法防止固化。过高温度将增加材料与铸模之间非期望反应的风险。本发明亦包含铸模未预热的实施例。此类实施例可特别是当熔态熔料过热达足够高温度且因此即使铸模未预热仍不致立即固化时而执行。熟于本项技艺者将必须依个案估量铸模是否需预热及达何温度，在此背景下，以下所有方面都起作用：铸模及其模穴的大小尺寸、材料的熔化温度、材料的熔点及温度对粘度的影响、铸模的材料、及材料的反应度。

为了于铸模中加速分配熔体，铸模可能在填充期间环绕垂直轴、特别是垂直对称轴旋转。是以，铸模中的熔体可谓抛入模穴中。尤其在熔体材料的粘度随温度下降而迅速增加的情况下，快速地使材料进入铸模的模穴中以使不致在铸模充份地填充前开始固化是重要的。必须考虑熔态熔料在浇注时即开始冷却。粘度极其随温度而定的材料是钛及钛合金、特别是TiAl，且因此当传导材料为钛或钛合金时尤其应旋转铸模。除更迅速分配熔态熔料于铸模中者外，旋转亦避免对铸造件品质具有极负面效应的紊流。

已证明以每分钟10到1000、特别是100到500、或150到350转的转速来执行铸模旋转者是属有利者。根据熔态熔料的粘度行为及铸模的内部形状来选择转速。若材料的粘度在冷却时增加愈快，则其必须愈快将材料抛入铸模的模穴中。

较佳地，依据本发明，熔化传导材料及填充铸模二者皆在真空下或保护气体下执行。根据待熔化材料的较佳保护气体为氮、惰性气体其中之一、或其混合物。特别佳地是使用氩或氦。使用保护气体或真空有助于避免材料与大气成份、特别是氧之间非期望的反应。较佳地，在真空下、特别是至多1000帕的压力下，执行铸模的熔化及/或填充。

在依据本发明的方法的一较优实施例中，当填充时，铸模是与浇注熔料的方向平行、特别是在浇注方向上作平移运动。换言之，藉浇注程序触发的铸模是朝上或朝下运动。这将控制(即加快或减慢)铸模的填充速率。替代上述旋转的另一选择、或除上述旋转以外，可执行此平移措施。此二措施皆可促成尽可能完全且迅速地填充铸模同时具有低紊流而言的最佳填充，以改良所获致的铸造件品质。在浇注方向上的平移是以较熔态熔料落下的速度低的速度进行。浇注方向上的铸模加速度应较熔料落下时的熔料加速度低。此外，单独使用平移、或除旋转外又使用平移，将避免因在一铸造作业中迅速且完整填充铸模而使熔态熔料溅泼或溢出的可能风险。

已证明当浇注时从铸模的起始位置起开始执行平移横越至多4公尺、特别是至多3公尺、至多2公尺且特别佳地至多1公尺的距离即足够。此距离足以达成平移运动对产出铸造件品质的好处，而无需过度地扩大设备。较佳地在全部熔料皆已进入铸模时停止平移。

具体来说，旋转及/或平移运动是藉熔料浇注触发。为此，可能提供感测器，侦测浇注且传送信号至驱动单元，驱动单元触发铸模处的旋转及/或平移。适合的感测器可譬如侦测交变电磁场中的变化或其消退、或者熔态熔料出现于熔化区与铸模之间的过渡区中(譬如藉由光闸)。亦可设想到众多其他触发对应信号的感测器。

在一实施例中，依据本发明使用的传导材料具有择自以下族群的至少一高熔点金属：钛、锆、钒、钽、钨、铪、铌、铼、钼。另一选择，亦可能使用具有低熔点的金属，譬如镍、铁、或铝。使用的传导材料亦可为具有一个或更多上述金属的混合物或合金。较佳地，金属具有至少50wt％、特别是至少60wt％、或至少70wt％的传导材料部分。已发现此等金属特别是得益于本发明的优点。在一特别佳实施例中，传导材料是钛或钛合金、特别是TiAl或TiAlV。由于此等金属或合金的粘度特别随温度而定，且此外特别是关于铸模的材料尤其具反应性，因此可特别有利于使用。由于依据本发明的方法是结合在悬浮的同时无接触熔化、且极迅速地填充铸模，因此可获致特殊优点，尤其是对此类金属来说。依据本发明的方法可能生产铸造件，此等铸造件具有来自与铸模材料反应的熔体的特别薄氧化层、或甚至全无氧化层。

在本发明的一较优实施例中，传导材料在熔化期间过热达材料熔点以上至少10℃、至少20℃、或至少30℃的温度。上述过热避免材料在与温度低于熔点的铸模接触时立即固化。因此，熔料可在材料粘度变得过高之前，分布于铸模中。悬浮熔化的优点在于，无需使用与熔体接触的坩埚。是以，坩埚组成物污染熔体所致的冷坩埚方法高材料损失得以避免。另一优点在于，可能在真空下或保护气体下操作，且未与反应性材料接触，因此熔体可加热至相对较高的温度。然而，由于需冒着与铸模激烈反应的风险，因此大多数材料无法单纯地过热达任何温度。为此，过热较佳地限制在传导材料熔点以上至多300℃、特别是至多200℃、且特别佳地至多100℃。

依据本发明，较佳地执行熔化达0.5分钟到20分钟、特别是1分钟到10分钟的持续时间。在悬浮熔化法中，由于可能非常高效率地将热引入熔料中，且因感应涡流而在非常短时间内出现非常良好的温度分配，因此可轻易地实现此等熔化时间。一旦完全熔化，即将熔态熔料浇注入铸模中。浇注可表现为容许熔态熔料滴落，或可藉由电磁影响、譬如使用适合于本目的的(又)一线圈来控制。已填充铸模被移开，且较佳地以新的空铸模取代，使得可在数分钟之间隔时填充铸模。依据本发明，传导材料熔料可较佳地具有50公克到2公斤、特别是100公克到1公斤的质量。在一实施例中，上述质量是至少200公克。此等质量足以生产涡轮机叶片、涡轮增压器动叶轮、或义肢。然而，亦可设想到任何其他外型，尤其因为就算是复杂的外型，本发明可能以细微且分支的模穴来生产。高熔点及因此低粘度、真空或保护气体以避免反应、旋转以迅速分配熔体于铸模中、平移以设定最佳填充速率、及在仅一填充步骤中定时填充多个铸模相组合，将导致极为多用途的方法，上述方法可根据待熔化的材料及所使用的铸模而最佳化。

较佳地，为促成熔料的悬浮状态，利用了不同交流频率的至少二个电磁场。习知悬浮熔化法使用一个或更多圆锥形线圈，以生成所需的电磁场。依据本发明，亦可能使用此类具有圆锥形线圈的习知悬浮熔化法。然而，这将因在对称轴附近仅藉熔态熔料的表面张力来阻止熔态熔料流走，而大大地限制熔料的大小尺寸。可藉使用不同频率的至少二个电磁场来避免此缺点(请参见Spitans等，磁流体动力学第51卷(2015年)，第1期，第121至132页)。当无负载时，磁场应较佳地水平延展，且特别是相互夹直角。如此可能在完全悬浮熔化法中，处理相对较大质量的传导材料。使用不同频率将阻止样本旋转；各频率差至少1千赫是属较佳。

在本发明的一较佳实施例中，为集中磁场且使熔料稳定，至少一铁磁元件环绕待熔化熔料所在区域水平地配置。上述铁磁元件可环绕熔化区依环形样式配置，其中“环形”不仅包含圆形元件，亦包含有角、特别是矩形或多边形的环形元件。上述元件可具有多个棒状区段，其特别是在朝熔化区的方向上水平地突出。铁磁元件是由铁磁材料制成，较佳地具有振幅磁导率μa>10、更佳地μa>50、且特别佳地μa>100。振幅磁导率特别是关于在25℃与100℃之间温度范围中、及在0与400毫特斯拉之间磁通密度下的磁导率。振幅磁导率特别是为软磁铁氧体(譬如3C92)的振幅磁导率的至少百分之一、特别是至少百分之10、或百分之25。熟于本项技艺者将获知适当的材料。

在一较佳实施例中，电磁场是藉至少二对感应线圈生成，上述感应线圈的轴线是水平地定向，线圈的导体因此较佳地分别缠绕于水平线圈绕线模上。线圈可各环绕铁磁元件的棒状区段配置，棒状区段是在朝熔化区的方向上突出。线圈可具有冷却剂冷却导体。

在本方法的一特别佳实施例中，除线圈外，特别是具有垂直对称轴的圆锥形线圈配置于待熔化的熔料下方，以影响浇注速率。在一较佳实施例中，线圈可生成第三交流频率的电磁场(请参见Spitans等，大型金属电磁悬浮熔化的数值与实验研究，第10届帕米尔(PAMIR)国际会议的会议论文–基础与应用磁流体力学(MHD)，2016年6月20至24日，义大利卡利亚里)。线圈可较佳地亦有助于保护铁磁元件不受过多热的影响。为此，可使冷却剂流通过线圈的导体。

附图说明

图式简单说明

图1是在熔化区下方的铸造模的侧视图，熔化区具有铁磁元件、多个线圈、及传导材料熔料。

图2是图1设置的剖面视图。

图3是图1设置的立体图。

图4是可依据本发明使用的线圈配置的平面图。

图5是在填充区中的永久铸模的立体图，熔化区中具有熔料。

图6是在填充区中的永久铸模的剖面视图，熔化区中亦具有熔料。

具体实施方式

图式说明

图式是显示较佳实施例。此等图式仅为解说之用。

图1显示传导材料的熔料1，其位于借助多个线圈3生成的交变电磁场的影响范围(熔化区)中。熔料1下方有空铸模2，空铸模2是藉托座5固持于填充区中。托座5能够使铸模2作旋转及/或平移运动，其在图式中藉箭头指示。铁磁元件4环绕线圈3的影响范围配置。在依据本发明的方法中，熔料1是在悬浮的同时熔化，且一旦熔化，即浇注入铸模2中。铸模2具有漏斗形填充区7。

图2显示相同于图1者的组件。图2亦显示多个棒状区段6，棒状区段6在朝熔化区的方向上突出，且线圈3环绕棒状区段6配置。在本较佳实施例中，棒状区段6是铁磁元件4的部分，且形成线圈3的核心。此对线圈3的轴线是水平地定向，且相互夹直角，每二个对立线圈3形成一对。

图3显示相同于图1及图2者的组件，其中图3清楚地显示棒状区段6及线圈轴线的正交配置。

图4再次显示铁磁元件4内的线圈3配置。铁磁元件4是呈八角环形元件。轴线A、B上的二个线圈3各形成线圈对。线圈配置下方可见铸模的填充区7。线圈轴线A、B相互夹直角配置。

图5显示使用永久铸模作为铸模2来执行依据本发明的一方法的配置。永久铸模2是永久压铸模，其具有二铸模元件8、9，此等铸模元件8、9可相互分离以达成脱模。顶出器10被导引通过其中一铸模元件8，以支援脱模。永久铸模2配置于托座5上，如同呈熔失铸模的铸模的情况，以使铸模2可旋转及/或平移运动。永久铸模2的脱模可在填充区中进行。

图6显示剖面视图，其通过执行依据本发明的方法的配置，上述配置使用永久铸模2，永久铸模2具有二铸模元件8、9及顶出器10。永久铸模2亦具有漏斗型填充区7。

符号说明

1 熔料

2 铸模

3 线圈

4 铁磁元件

5 托座

6 棒状区段

7 填充区

8、9 铸模元件

10 顶出器

Claims (22)

1.一种生产传导材料铸造件的方法，包括以下步骤：

将一传导材料熔料(1)引入至少一交变磁场的影响范围中，使得该熔料保持在一悬浮状态；

熔化该熔料(1)；

将一铸模(2)定位于该悬浮熔料(1)下方的一填充区中；

浇注全部该熔料(1)至该铸模(2)中；

从该铸模(2)移除固化的铸造件；

其特征在于：

该熔态熔料(1)的体积足以填充该铸模(2)达足够生产一铸造件的程度。

2.如权利要求1所述的生产传导材料铸造件的方法，其中在浇注该熔料(1)后、且在该铸造件移除前，从该填充区移除该已填充铸模(2)。

3.如权利要求2所述的生产传导材料铸造件的方法，其中在从该填充区移除该已填充铸模(2)后、或者在从该填充区移除填充有该熔料(1)的该铸模(2)的完全或部分地同时，将另一空铸模(2)移入该填充区中。

4.如权利要求1至3中任一项所述的生产传导材料铸造件的方法，其中该铸模(2)是在填充前预热。

5.如权利要求1至4中任一项所述的生产传导材料铸造件的方法，其中在填充期间环绕一垂直轴旋转该铸模(2)。

6.如权利要求5所述的生产传导材料铸造件的方法，其中以每分钟10到1000、特别是100到500转的一转速来执行该旋转。

7.如权利要求1至6中任一项所述的生产传导材料铸造件的方法，其中该熔料(1)的熔化及该铸模(2)的填充二者皆在真空、特别是一至多1000帕的压力下，或者在一保护气体、特别是为氮、惰性气体其中之一、或其混合物下执行。

8.如权利要求1至7中任一项所述的生产传导材料铸造件的方法，其中当填充时，该铸模(2)是与浇注该熔料(1)的方向平行、特别是在浇注方向上作平移运动。

9.如权利要求5至8中任一项所述的生产传导材料铸造件的方法，其中该旋转及/或平移运动是藉该熔料(1)浇注触发。

10.如权利要求1至9中任一项所述的生产传导材料铸造件的方法，其中该传导材料包含择自以下族群的至少一金属：钛、锆、钒、钽、钨、铪、铌、铼、钼、镍、铁、铝。

11.如权利要求10所述的生产传导材料铸造件的方法，其中该金属具有至少50wt％、特别是至少60wt％、或至少70wt％的该传导材料部分。

12.如权利要求1至11中任一项所述的生产传导材料铸造件的方法，其中该传导材料是钛或钛合金、特别是TiAl或TiAlV。

13.如权利要求1至12中任一项所述的生产传导材料铸造件的方法，其中该传导材料在熔化期间过热达该材料熔点以上至少10℃、至少20℃、或至少30℃的一温度。

14.如权利要求1至13中任一项所述的生产传导材料铸造件的方法，其中该铸模(2)是由一金属或陶瓷材料、特别是一氧化物陶瓷材料制成。

15.如权利要求1至14中任一项所述的生产传导材料铸造件的方法，其中执行熔化达一0.5分钟到20分钟、特别是1分钟到10分钟的持续时间。

16.如权利要求1至15中任一项所述的生产传导材料铸造件的方法，其中为促成该熔料(1)的悬浮状态，利用不同交流频率的至少二个电磁场。

17.如权利要求16所述的生产传导材料铸造件的方法，其中当无一负载时，产生的该等磁场是水平地延展。

18.如权利要求16或17所述的生产传导材料铸造件的方法，其中当无一负载时，产生的该等磁场相互夹直角配置。

19.如权利要求1至18中任一项所述的生产传导材料铸造件的方法，其中为集中该磁场且使该熔料(1)稳定，由特别是具有一振幅磁导率μa>10的一铁磁材料制成的至少一铁磁元件(4)是环绕该熔料(1)熔化所在的区域水平地配置。

20.如权利要求16至19中任一项所述的生产传导材料铸造件的方法，其中该等电磁场是使用至少二对感应线圈(3)生成，该等感应线圈(3)的轴线(A、B)是水平地定向。

21.如权利要求16至20中任一项所述的生产传导材料铸造件的方法，其中除一线圈(3)外，特别是具有一垂直线圈轴线的一圆锥形线圈配置于待熔化的该熔料(1)下方，以影响浇注速率，其中该线圈生成一第三交流频率的一电磁场。

22.如权利要求1至21中任一项所述的生产传导材料铸造件的方法，其中该铸模(2)是一永久压铸模，该永久压铸模具有二个或更多铸模元件(8、9)，其中从该永久压铸模移除该铸造件包含分离该等铸模元件(8、9)。