CN112642994B

CN112642994B - 环境友好型冷冻-溶解铸造工艺

Info

Publication number: CN112642994B
Application number: CN202011382140.1A
Authority: CN
Inventors: 王宇; 李聪; 郭冰鑫; 毛红奎; 徐宏; 侯富敏; 曹鑫; 武俊腾
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2020-12-01
Filing date: 2020-12-01
Publication date: 2022-06-14
Anticipated expiration: 2040-12-01
Also published as: CN112642994A

Abstract

本发明为一种环境友好型冷冻‑溶解铸造工艺，属于铸造技术领域。该工艺步骤为：用型砂和水制造模具，将模具冷冻得到冷冻模具，熔融金属液注入冷冻模具中，熔融金属在模具中凝固成壳，对模具壁厚部位喷洒冷却水，使冷冻模具局部快速溶解溃散，冷却水直接与铸件变壁厚部位接触冷却，熔融金属全部固化形成目标铸件回收型砂、冷却剂等一些原材料。本发明工艺可加快铸件的冷却速度，平衡铸件变壁厚部位的冷却速率，极大的提升变壁厚复杂铸件的机械性能；同时，随着最终冷冻模具的溶解溃散落砂，省去单独对铸件的落砂清理环节，且铸造废弃物少，是一种新型的环保铸造技术，具有很大的发展前景。

Description

环境友好型冷冻-溶解铸造工艺

技术领域

本发明涉及铸造技术领域，具体是一种环境友好型冷冻-溶解铸造工艺。

背景技术

在传统的铸造方法中，是将熔融金属液浇铸到与零件形状相适应的模具中，熔融金属液对模具自然失热而固化，待其冷却凝固后，以获得零件或毛坯。

由于变壁厚复杂铸件整体冷却速率慢，并且局部变壁厚部位凝固收缩不一致，金属液往往在薄壁部位先凝固，而厚壁部位得不到金属液的补充而形成分散且细小的孔洞，容易产生热裂等铸造缺陷，这将降低铸件的机械性能，严重影响铸件的质量。为了获得理想的性能，许多研究者对铸件的冷却速率和凝固行为进行了研究，通过对高凝固速率和超高凝固速率的应用表明，提高冷却速率可以使铸件组织更加均匀和细化，能大大提高铸件的机械性能。为此国外知名高校和铸造企业等采用冷冻模具铸造零件以加快熔融金属液的凝固速度，但由于忽略了冷冻模具表层汽化形成气幕对铸件冷却速率影响的局限性,导致变壁厚的复杂铸件冷却速率较低，且局部变壁厚部位由于凝固收缩不一致会出现热裂等铸造缺陷。

传统的铸造方法中，熔融金属液流进模具进行冷却时，金属液的失热率还会受到一个“气隙”的限制，该气隙是铸件因冷却而收缩与模具因受热而膨胀之间所形成的空隙，铸件和模具之间失去直接接触，导致铸件冷却速率的损失，从而导致铸件密度和结构细度的降低，也影响铸件的机械性能。

传统的铸造方法中，熔融金属液的凝固过程必须在模具中进行，这样不容易控制金属液凝结的方向。为此，往往在制造模具时要预先放置冷铁以引导熔融金属液的凝固顺序，但这样会给制造模具带来很大困难，且使模具的成本增加。

除此之外，传统的铸造方法要对铸件进行单独的落砂清理环节，耗时又费力，还会产生大量不必要的污染物，生产效率和物料利用率低下，这些都阻碍着传统铸造业的可持续发展。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术中变壁厚结构的复杂铸件整体冷却速率低，且局部变壁厚部位由于凝固收缩不一致出现热裂等缺陷，导致铸件质量不高，铸造废弃物多，环境污染大等问题，而提供一种环境友好型冷冻-溶解铸造工艺。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种环境友好型冷冻-溶解铸造工艺，包括如下步骤：

1）利用型砂和水制造出相应的模具，将模具置于液氮温度下冷冻，获得强度极高的冷冻模具；

2）将熔融金属液注入冷冻模具中，熔融金属液在冷冻模具中刚刚凝固成壳时，迅速在冷冻模具壁厚部位喷射冷却剂，以溶解的方式使冷冻模具壁厚部位快速溶解溃散落砂，落砂后冷却剂直接接触在铸件的壁厚部位，并继续喷射冷却；

3）铸件的壁厚部位冷却一段时间后，对冷冻模具的整个部位同时进行冷却剂喷射，以溶解的方式使冷冻模具的整体进行溶解溃散落砂处理，直至冷冻模具全部自然溃散落砂，落砂后冷却剂直接接触在铸件的整个部位，最终使得熔融金属液全部固化形成目标铸件；

4）回收型砂、冷却剂。

进一步的，步骤2）中，冷却剂的喷射时机为：铸件的壁厚部位与喷射的冷却剂束流接触之前，铸件的壁厚部位已形成相对坚固的表皮。

进一步的，步骤1）中，利用型砂和水制造模具时，型砂中水分控制在3%~5.5%。

进一步的，步骤2）、3）中，冷却剂的喷射速率为2升/秒。

本发明开创性的提出将冷冻模具和溶解冷却相结合来制造变壁厚复杂铸件。在制造模具的过程中，利用液氮将模具中水分在低温条件下凝固结冰，获得强度极高的冷冻模具；注入熔融金属液后，当熔融金属液在冷冻模具中刚凝固成壳时将冷却剂直接施加至冷冻模具壁厚部位，使已解冻的冷冻模具局部快速溶解，溃散落砂，冷却剂就能直接与铸件的壁厚部位接触，所述过程能够加快壁厚部位的冷却，控制铸件内部凝固界面前沿走向，实现复杂壁厚铸件的均匀冷却凝固；最后冷冻模具自然溃散落砂，得到干净的铸件，省去对铸件单独的落砂清理环节，铸造废弃物少。本发明工艺可以加快变壁厚复杂铸件的冷却速度，使得铸件的薄厚部位达到凝固一致，能够极大的提升变壁厚复杂铸件的机械性能，同时本发明的实施还能够帮助传统砂型铸造实现节能减排，从而支持传统工业的绿色及可持续发展。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：使用的是冷冻模具，能整体加快铸件的冷却速度，且融冰的水蒸气在金属液与铸型间形成一层气幕，使金属液与型壁分离，防止铸件表面粘砂；又通过瞬间激冷，铸件表层可形成细晶凝固组织，提升铸件表面质量；而所述气幕可由冷却剂以溶解的方式去除冷冻模具来去除，防止气幕对铸件冷却速率造成影响，同时，因铸件冷却收缩和模具受热膨胀产生的气隙对热流的限制也会随之消除，冷却剂可以直接接触到整个铸件，在高速冷却下，所得铸件的组织细小、均匀，气孔含量低。此外，熔融金属液的凝固方向和速度也是可以控制的，根据产品的结构，在壁厚部位进行局部溶解冷却，能够解决变壁厚复杂铸件的凝固收缩不一致性问题。除了上述优点外，所述工艺选用型砂和水混合制作的模具也会带来很多益处，在溶解冷却的过程中能够对铸件进行落砂处理，该过程不会产生气味，烟雾和灰尘（回收的型砂是潮湿的），从而节省了安装昂贵的烟雾和除尘设备的费用，节能又环保。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，此处的附图用来提供对本发明的进一步说明，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用来解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明铸造工艺的流程图。

图2是喷射冷却剂溶解冷冻模具的示意图。

图中：1-冷冻模具、2-铸件、3-喷头、4-输水管路、5-喷射调节器。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好的理解本发明，以下结合参考附图并结合实施例对本发明作进一步清楚、完整的说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1和图2所示，一种环境友好型冷冻-溶解铸造工艺，包括如下步骤：

1）利用型砂和水制造出相应的模具，将模具置于液氮温度下冷冻，获得强度极高的冷冻模具1；

2）将熔融金属液注入冷冻模具1中，熔融金属液在冷冻模具1中刚刚凝固成壳时，迅速在冷冻模具1壁厚部位喷射冷却剂，以溶解的方式使冷冻模具1壁厚部位快速溶解溃散落砂，落砂后冷却剂直接接触在铸件2的壁厚部位，并继续喷射冷却；

3）铸件2的壁厚部位冷却一段时间后，对冷冻模具1的整个部位同时进行冷却剂喷射，以溶解的方式使冷冻模具1的整体进行溶解溃散落砂处理，直至冷冻模具1全部自然溃散落砂，落砂后冷却剂直接接触在铸件2的整个部位，最终使得熔融金属液全部固化形成目标铸件2；

4）回收型砂、冷却剂。

步骤2）中，冷却剂的喷射时机为：铸件的壁厚部位与喷射的冷却剂束流接触之前，铸件的壁厚部位已形成相对坚固的表皮。

步骤1）中，利用型砂和水制造模具时，型砂中水分控制在3%~5.5%。

步骤2）、3）中，冷却剂的喷射速率为2升/秒。

冷却剂采用水，水作为冷却介质具有环境友好、成本低廉和易获得等巨大优势，并且水具有高热容量和蒸发潜热，这将在固化和冷却铸件2的过程中达到最大效果；

喷射冷却剂是通过喷水系统实施的，喷水系统包括输水管路4，输水管路4上设置有能够调节喷射方位的若干喷头3，输水管路4上还设置有能够调节喷头3喷射速率、喷射压力等参数的喷射调节器5。

本发明铸造工艺因为冷却条件不再仅仅受制于模具，还会受到预先设置的冷却系统控制。熔融金属液进入冷冻模具1中通过瞬间激冷，形成铸件2表层的细晶凝固组织，高的凝固速率使气孔形成所需的时间不能足够长，故而铸件2内部气孔率低；并且高的凝固速率使铸件2中出现较高的温度梯度，有助于消除缩孔，由此产生独特的微观结构，获得更加均匀、更加细小的组织。此外，对壁厚部位做了溶解冷却处理，控住了熔融金属液的凝固速率和方向，从而平衡铸件2变壁厚部位冷却速率，释放铸型退让性，解决了变壁厚复杂铸件2凝固收缩不一致性的问题。从而提高了铸件2的机械性能。

值得注意的是，上述铸造工艺具有高的凝固速度和节能减排的铸造理念，尤其对变壁厚复杂铸件2的生产来说，是一种可行的、低成本的铸造工艺，与目前大多数竞争工艺相比，具有显著的优势和很好的发展前景。

上面是对本发明实施例中的技术方案进行了清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims

1.一种环境友好型冷冻-溶解铸造工艺，其特征在于，包括如下步骤：

1）利用型砂和水制造出相应的模具，型砂中水分控制在3%~5.5%；将模具置于液氮温度下冷冻，获得强度极高的冷冻模具；

2）将熔融金属液注入冷冻模具中，熔融金属液在冷冻模具中刚刚凝固成壳时，迅速在冷冻模具壁的厚部位喷射冷却剂，以溶解的方式使冷冻模具壁的厚部位快速溶解溃散落砂，落砂后冷却剂直接接触在铸件的壁的厚部位，并继续喷射冷却；冷却剂的喷射时机为：铸件的壁的厚部位与喷射的冷却剂束流接触之前，铸件的壁的厚部位已形成相对坚固的表皮；冷却剂的喷射速率为2升/秒；

3）铸件的壁的厚部位冷却一段时间后，对冷冻模具的整个部位同时进行冷却剂喷射，以溶解的方式使冷冻模具的整体进行溶解溃散落砂处理，直至冷冻模具全部自然溃散落砂，落砂后冷却剂直接接触在铸件的整个部位，最终使得熔融金属液全部固化形成目标铸件；冷却剂的喷射速率为2升/秒；

4）回收型砂、冷却剂；

所述冷却剂均采用水。