CN113165052A

CN113165052A - 铸造装置

Info

Publication number: CN113165052A
Application number: CN201980076508.0A
Authority: CN
Inventors: 荒木慎太郎; 泽井诚; 石井启介
Original assignee: Honda Foundry Co Ltd
Current assignee: Honda Foundry Co Ltd
Priority date: 2018-12-20
Filing date: 2019-03-25
Publication date: 2021-07-23
Anticipated expiration: 2039-03-25
Also published as: CN113165052B; US20210387251A1; US11318529B2; JP2020099911A; JP6527632B1; WO2020129271A1

Abstract

铸造装置(10)具备：具备镶块模(90)的模具(20)；向该模具(20)供给熔融液的熔融液供给装置(30)；以及向镶块模(90)供给强制冷却用的气体的气体供给机构(40)。镶块模(90)由导热系数比模具用钢的导热系数大得多的钨制成。镶块模(90)内置有漩涡形或蜿蜒形的气体通路。漩涡形或蜿蜒形的气体通路的通路长度与直形通路相比格外大。

Description

铸造装置

技术领域

本发明涉及一种适合于制造气缸盖和活塞等的铸造装置。

背景技术

例如，内燃机的构成要素之一是气缸盖。该气缸盖通过铸造法而制造。在铸造法中，向模具的型腔注入铝合金等熔融液，熔融液完成凝固后从模具取出。取出的部件成为气缸盖。

在内燃机中具备燃烧室。该燃烧室的形状对内燃机的输出产生较大影响。因此，燃烧室要求高精度。

气缸盖形成燃烧室的一部分。在气缸盖中形成燃烧室的一部分的部分要求有精度、强度。

例如在专利文献1中公开了在气缸盖用模具中对燃烧室形成部进行冷却的技术。

通过进行冷却，能够抑制燃烧室形成部的热变形及凝固组织的粗大化。如果没有热变形，则能够提高燃烧室的精度。此外，通过进行冷却，能够使铸件的组织致密从而提高强度。

根据图12，对专利文献1的气缸盖用模具的下模进行说明。

如图12的(a)所示，在气缸盖用模具的下模200安装有镶块模(insert die)201。在该镶块模201设置有冷却通路202。

如沿图12的(a)中箭头b方向的视图、即图12的(b)所示，冷却通路202通过长钻头打开。冷却通路202的两端被塞子203堵塞。这样的冷却通路202被称为“直流路”。

通过使水在冷却通路202中流动，防止镶块模201的温度上升。

同样地，例如在专利文献2中公开了使用镶块模来铸造气缸盖的技术。

在专利文献2的低压铸造方法中，从加压开始到燃烧室部分完成凝固为止，镶块模被水冷。凝固完成后，镶块模被空冷。通过进行冷却，使燃烧室部分的组织致密化。

在该专利文献2所公开的技术中，存在如下记述的问题点。

在使水或空气流动的冷却介质通路中，若将空气切换为水，则混有空气的水会流动一端时间。由于空气的冷却能力低，因此需要使水持续流动直至水成为100％。由于必须等到稳定为止，因此生产效率降低。

此外，已知若管内存在的水与水之间存在空气，则水难以流动。这是因为，由于空气是压缩性流体，因此入侧的水的压力不能很好地传递到出侧的水。因此，在供水等液体流动的管设置有排气阀。通过排气阀来排出空气。

但是，图12的(a)所示的冷却通路202位于最高位(最高的位置)，因此难以排出空气。

因此，不推荐使水和空气交替地在1个冷却介质通路中流动这样的专利文献2的技术。

此外，在专利文献1以及专利文献2的技术中，存在如下记述的共同的问题点。

在图12所示的冷却通路202的内壁面上，水中所含的成分(钙等)以变化为氧化物、氢氧化物的形态附着。该附着物与铁等金属相比，导热系数非常小。若导热系数小，则不能通过水充分冷却镶块模201，镶块模201会熔损。

因此，要求在镶块模的冷却不使用水的铸造技术。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特许第3636108号公报

专利文献2：日本特开2011-235337号公报

发明内容

发明所要解决的课题

本发明的课题在于提供一种具备不使用水的镶块模(insert die)的铸造装置。

用于解决课题的手段

技术方案1的发明是一种铸造装置，其具备：模具，其具备镶块模；熔融液供给装置，其向该模具的型腔供给熔融液；以及气体供给机构，其向所述镶块模供给强制冷却用的气体，

所述镶块模是由以钨、钼、碳化钨中的至少1种为主要材料的粉末构成的烧结品，

该烧结品内置有供所述强制冷却用的气体流动的气体通路。

在技术方案2的发明中优选为，所述气体通路呈漩涡形和蜿蜒形中的一种形状。

在技术方案3的发明中优选为，所述气体通路的截面的一部分位于所述镶块模的与所述熔融液接触的面的附近。

在技术方案4和技术方案5的发明中优选为，所述模具是铸造内燃机的气缸盖的模具，所述镶块模是形成燃烧室的镶块模。

发明效果

在技术方案1的发明中，使用导热系数比模具用钢明显大的钨、钼或碳化钨制造了镶块模。此外，在镶块模中内置有气体通路。

因此，根据本发明，提供具备不使用水而只使用气体的镶块模的低压铸造装置。

在技术方案2的发明中，气体通路为漩涡形或蜿蜒形。

以往的镶块模是使水在一条直通路中流动的模具用钢制的镶块模，本发明的镶块模使通路为漩涡形或蜿蜒形，使材质为钨等高导热系数的材料，使制冷剂为气体，从而不逊色于以往的水冷镶块模。

在技术方案3的发明中，气体通路的截面的一部分位于镶块模的与熔融液接触的面的附近。

在镶块模中，熔融液所接触的面成为最高温。由于气体通路延伸到镶块模的与熔融液接触的面的附近，因此镶块模被有效地冷却。

在技术方案4及技术方案5的发明中，将本发明应用于内燃机的气缸盖。

根据本发明，得到了虽然是空冷镶块模的铸造法但燃烧室由致密的组织构成的气缸盖。

附图说明

图1是本发明的铸造装置的原理图。

图2是气缸盖的剖视图。

图3是内燃机的剖视图。

图4是镶块模的剖视图。

图5的(a)是沿图4的5a-5a线的剖视图，图5的(b)是说明比较例的图，图5的(c)是说明变更例的图。

图6是说明镶块模的制造工序的图。

图7是说明镶块模的制造工序的图。

图8是说明镶块模的制造工序的图。

图9是说明镶块模的金属组织的图。

图10是说明漩涡形气体通路的优越性的图。

图11是说明DASII的测量结果的图。

图12的(a)是以往的气缸盖用模具的下模的剖视图，图12的(b)是沿图12的(a)的箭头b方向的视图。

具体实施方式

以下，根据附图，对本发明的优选实施例进行说明。

如图1所示，铸造装置10具备：模具20，其具备镶块模90；熔融液供给装置30，其向该模具20供给熔融液32；以及气体供给机构40，其向镶块模90供给强制冷却用的气体。

通过气体供给机构40供给的气体可以是空气、氮气、二氧化碳或同等气体中的任一种，种类不限。

模具20例如构成为包括：下模21；左侧模22和右侧模23，它们左右滑动；上模24，其载置于左侧模22和右侧模23；镶块模90，其载置于下模21的上表面中央；溃散型芯25，其架设于该镶块模90和左侧模22；以及溃散型芯26，其架设于镶块模90和右侧模23。

熔融液供给装置30例如具备：炉体31，其内置有加热器；锅33，其由该炉体31包围并贮存熔融液32；升液件(导管)34，其从上方插入熔融液32中；以及送气管35，其向锅33的上部输送压缩气体。从送气管35输送(大气压+50kPa)左右的压力的气体。于是，熔融液32被压下。伴随着该下压，熔融液32的一部分在升液件34内上升，被供给到模具20内的型腔27中。

(大气压+50kPa)显著低于压铸压力，因此该铸造法也被称为低加压铸造或低压铸造。在本说明书中，采用低压铸造的称呼。

气体供给机构40例如具备：压缩机或压缩气体罐那样的压缩气体源41；气体供给管42，其将压缩气体从该压缩气体源41输送到镶块模90；以及气体排出管43，其将使用过的气体从镶块模90排出。

在气体供给管42具备截止阀44和流量调节阀45，向镶块模90供给期望的流速或流量的气体。

在这样的结构的铸造装置10中，一边利用气体强制冷却镶块模90，一边利用熔融液供给装置30向型腔27供给熔融液32，由此能够得到铸件。

铸件以内燃机的气缸盖50为例进行说明。但是，铸件不限定于气缸盖50。

如图2所示，作为铸件的气缸盖50在上部具有收纳气门传动机构(图3，标号70)的凹部51，在下部中央具有燃烧室52，在左侧具有进气通路53，在右侧具有排气通路54。

燃烧室52由镶块模(图1，标号90)形成。

溃散型芯(图1，标号25)在熔融液完成凝固后被破坏并被掏出。得到的空洞成为进气通路53。

同样地，利用溃散型芯(图1，标号26)形成排气通路54。

根据图3，对包括气缸盖50的内燃机60进行说明。

如图3所示，内燃机60具有气缸体61、载置于该气缸体61的气缸盖50、以及覆盖该气缸盖50的上表面的盖罩63。

气缸盖50的进气通路53和排气通路54通过气门传动机构70打开和关闭。

气门传动机构70构成为包括：进气门71，其对进气通路53进行开闭；进气侧弹簧72，其对该进气门71向关闭侧施力；进气侧摇臂73，其将进气门71向打开侧按压；进气侧摇臂轴74，其支承该进气侧摇臂73；凸轮轴75，其使该进气侧摇臂轴74摆动；排气门76，其对排气通路54进行开闭；排气侧弹簧77，其对该排气门76向关闭侧施力；排气侧摇臂78，其对排气门76向打开侧按压；以及排气侧摇臂轴79，其支承排气侧摇臂78。排气侧摇臂78也通过凸轮轴75而摆动。

进气门71和排气门76的下方成为燃烧室(准确地说是燃烧室顶部)52。

进气侧弹簧座82、排气侧弹簧座83通过对铸件实施机械加工而形成。

关于进气侧气门座84、配置在其上方的进气侧气门引导件85、排气侧气门座86、配置在其上方的排气侧气门引导件87，是在对铸件实施了机械加工之后嵌入到铸件中。

燃烧室52暴露于高温的燃烧气体中，因此与其他部位相比，要求高温强度。通过在镶块模90进行冷却，燃烧室52的金属组织变得致密。若变得致密，则燃烧室52的强度提高。

如图4所示，镶块模90具备：第1横孔91；第1纵孔92，其从该第1横孔91倾斜地延伸；入口93a，其与该第1纵孔92连续；气体通路93，其从该入口93a延伸；该气体通路93的出口93b；第2纵孔94，其从该出口93b下垂；以及第2横孔95，其从该第2纵孔94延伸。

气体通路93呈纵长矩形或长圆截面，上端到达镶块模90的上表面的附近。镶块模90的上表面是与熔融液接触的面。通过使制冷剂在到达上表面附近的气体通路93中流动，可有效地冷却在镶块模90中成为最高温的上表面。

即，气体通路93的截面的一部分位于镶块模90的与熔融液接触的面(在本例中为上表面)的附近。在镶块模90中，熔融液所接触的面成为最高温。由于气体通路93延伸到镶块模90的与熔融液接触的面的附近，因此镶块模90被有效地冷却。

图5的(a)是沿图4中的5a-5a线的剖视图，气体通路93呈漩涡形。

图5的(b)中示出比较例。在该比较例中，镶块模221具有由长钻头打穿的直通路222。该直通路222的两端被塞子223堵塞。

此外，在图5的(c)中示出本发明的变更例。在该变更例中，气体通路93呈蜿蜒形。

在图5的(b)所示的直通路222中，设入口222a与出口222b之间的距离为L。入口222a与塞子223之间成为制冷剂积存部，对冷却几乎没有贡献。出口222b与塞子223之间也同样如此。因此，距离L成为有助于冷却的长度。

图5的(a)所示的气体通路93中，入口93a与出口93b之间的距离大致为7×L。

此外，图5的(c)所示的气体通路93中，入口93a与出口93b之间的距离大致为6×L。

呈漩涡形或蜿蜒形的气体通路93成为以往的直通路222的6～7倍的长度。

但是，呈漩涡形或蜿蜒形的气体通路93的形成并不容易。因此，根据图6～图9，对呈漩涡形的气体通路93的形成方法进行说明。

如图6的(a)所示，准备第1成型模，该第1成型模构成为包括第1冲模101、从下方嵌入该第1冲模101的第1下冲头102以及配置在该第1下冲头102的上方的第1上冲头103。然后，向第1冲模101投入作为以钨为主材料的粉末的金属混合粉104。

金属混合粉104优选为作为主材料的钨粉末105和作为辅助材料的镍粉末106的混合物。另外，主材料除了钨粉末以外，也可以是钼粉末、碳化钨粉末，还可以是它们的混合物。

作为混合比例，主材料为80～99质量％，剩余部分为辅助材料即可。

在图6的(b)中，利用第1下冲头102和第1上冲头103对第1冲模101内的金属混合粉104进行压缩。

由此，获得图6的(c)所示的第1压粉成形体107。

接着，如图6的(d)所示，通过机械加工，在第1压粉成形体107上形成向下开放的槽状的气体通路93。

另外，为了同时制造第1压粉成形体107和气体通路93，也可以在第1上冲头103上设置凸部。该凸部与槽状的气体通路对应。

如图7的(a)所示，准备第2成型模110，该第2成型模110构成为包括第2冲模111、从下方嵌入该第2冲模111的第2下冲头112、配置在该第2下冲头112的上方的第2上冲头113。然后，向第2冲模111投入金属混合粉104。

金属混合粉104为与第1压粉成形体(图6，标号107)的构成要素相同的材料。

在图7的(b)中，利用第2下冲头112和第2上冲头113对第2冲模111内的金属混合粉104进行压缩。

由此，获得图7的(c)所示的第2压粉成形体114。

如图7的(d)所示，通过机械加工，在第2压粉成形体114上形成：长的第1横孔91、从该第1横孔91的末端立起的第1纵孔92、设置在第1横孔91的相反侧的短的第2横孔95、以及从该第2横孔95的末端立起的第2纵孔94。

接着，如图8的(a)所示，在第2压粉成形体114上重叠第1压粉成形体107。第1压粉成形体107与第2压粉成形体114的边界成为边界117。

所得到的重叠体118中，第1纵孔92与气体通路93的入口93a相连，第2纵孔94与气体通路93的出口93b相连。

接着，如图8的(b)所示，将重叠体118放入烧结炉120，实施液相烧结处理。

烧结炉120例如构成为包括圆筒的容器121、内贴于该容器121的隔热材料122、配置于容器121内的加热器123、以及对容器121内进行真空排气的真空泵124。

当通过真空泵124抽真空时，大气压被施加于容器121的外周面。由于容器121为圆筒，因此不用担心被压扁。碳(carbon)在大气中可以燃烧，但在真空中却不可燃烧。因此，隔热材料122可以使用碳纤维，加热器123可以使用碳棒。碳棒仅通过通电而红热，起到加热器的作用。

另外，液相烧结处理除了真空中以外，也可以在非活性气体(氩气、氮气)气氛中实施。因此，烧结炉120并不限定于真空式烧结设备。

液相烧结法是指在烧结中一部分成分溶解，以液相混合的状态进行的处理法。根据实施例再次尝试说明。

钨的熔点为3380℃，镍的熔点为1453℃。在使容器121内为真空状态的基础上，利用加热器123保持于1500℃左右。

于是，低熔点侧的镍粉末液相化，高熔点侧的钨粉末保持固相的状态，进行液相混合的状态下的液相烧结。

由此，得到图9的(a)所示的作为烧结品的镶块模90。

在该镶块模90中，当向第1横孔91供给气体时，该气体通过第1纵孔92进入气体通路93，在通过气体通路93的期间将镶块模90的各个角落冷却。升温后的气体通过出口93b、第2纵孔94、第2横孔95而被排出。

图9的(b)是图9的(a)的b部放大图。图9的(b)中示出镶块模90的一般部的截面。钨粒子96被烧结成间隙被镍熔融物97填埋。

图9的(c)是图9的(a)的c部放大图。在图9的(c)中示出了出口93b与第2纵孔94的边界附近、即边界(图8，标号117)。与图9的(b)相同，钨粒子96被烧结成间隙被镍熔融物97填埋。

假设通过烧结法制作了某一烧结品，而且通过烧结法制作了另一烧结品。然后，将某一烧结品与另一烧结品重合，并再次进行烧结接合。于是，在某一烧结品与另一烧结品的边界不可避免地形成边界层。通过实施了两次的烧结而产生的边界层成为强度降低的主要原因，并不优选。

与此相对，在本实施例中，仅实施一次烧结，因此不会出现边界层。即，图8的(a)所示的第1压粉成形体107与第2压粉成形体114的边界117消失。在此基础上，第1压粉成形体107与第2压粉成形体114的接合部位以与一般部相同的形态进行液相烧结。在接合部位不会产生有害的边界层。

这样，如图9的(a)～图9的(c)所说明的那样，在本发明的镶块模90中，不存在边界层本身。其结果为，机械强度充分提高。边界层会妨碍热传导，但本发明的镶块模90由于不存在边界层本身，因此维持了高的热传导性。

通过实验确认了以上所述的镶块模90的优越性。以下对其内容进行说明。

○实验1：

·实验的目的：确认漩涡形的气体通路相对于直通路的优越性。

·实验设备：图1所示的低压铸造装置

·实施例中的镶块模：

··钨烧结品

··漩涡形的气体通路

·比较例中的镶块模：

··钨烧结品

··直通路

·制冷剂：实施例、比较例中均为空气

·熔融液：铝合金(AC2B)

如图10的(a)所示，从具备镶块模90的模具拆下铸件(气缸盖50)，该镶块模90具有漩涡形的气体通路93。紧接着之后，用红外线温度计(或辐射温度计)125对镶块模90的中央(与塞子座55对应的部位)进行测温，得到温度Ta。

此外，如图10的(b)所示，从具备镶块模221的模具拆下铸件50，该镶块模221具有直通路222。紧接着之后，用红外线温度计125对镶块模221的中央进行测温，得到温度Tb。

如图10的(c)所示，Ta(实施例)为341℃。与此相对，Tb(比较例)为509℃。

通过将直通路变更为漩涡形的气体通路，镶块模90的温度大幅下降。

在实施例和比较例中，镶块模的材质均为钨，制冷剂均为气体。在实施例和比较例中，只有制冷剂通路或气体通路的长度不同。因通路长度之差，在实施例中温度大幅下降。

○实验2：

·实验的目的：确认DASII变小。

DAS II是二次枝晶间距(Dendrite Arm Spacing II)的缩写。DAS II通过使用显微镜观察并测量样本的切割面而得到。DAS II表示凝固组织的大小，是判断组织的致密度的值之一。

·实验设备：图1所示的低压铸造装置

·实施例中的镶块模：

··钨烧结品

··漩涡形的通路

··制冷剂：气体(空气)

·比较例中的镶块模：

··钨烧结品

··直形的通路

··制冷剂：无

·熔融液：铝合金(AC2B)

如图11的(a)所示，从具备镶块模90的模具拆下铸件，该镶块模90具有漩涡形的气体通路93。从得到的铸件的塞子座55附近获得样本，并使用显微镜放大该样本，在多处测量DAS II。

此外，如图11的(b)所示，镶块模221具有直通路222，但实质上是无冷却的。从具备该镶块模221的模具拆下铸件。从得到的铸件的塞子座55附近获得样本，并使用显微镜放大该样本，在多处测量DAS II。

如图11的(c)所示，在实施例中，DAS II的最小值为22.6μm，最大值为27.8μm，平均值为26.1μm。

与此相对，在比较例中，DAS II的最小值为34.1μm，最大值为41.7μm，平均值为38.1μm。

要求燃烧室中的DAS II为35μm以下，优选为30μm以下。在本实施例中，最大值为27.8μm，充分满足要求。

另外，一般的镶块模为铸钢或模具用钢。铸钢或模具用钢的导热系数约为50W/(m·K)。

与此相对，本发明中采用的钨的导热系数为177W/(m·K)。钨的导热系数大3.5倍左右，因此冷却效率变佳。由于是钨制，因此通过少量的气体就将镶块模90充分且冷却到各个角落。

碳钢(Fe)的熔点为1540℃，导热系数约为50W/(m·K)。

与此相对，钨的熔点为3400℃，导热系数为177W/(m·K)。

此外，钼的熔点为2620℃，导热系数为139W/(m·K)。

此外，碳化钨的熔点为2870℃，导热系数为84W/(m·K)。

本发明人进行了试制而确认到：钼烧结品及碳化钨烧结品的导热率也比钢高，耐熔损性强。

因此，也可以通过将钨粉末变更为钼粉末而得到钼烧结品，或通过将钨粉末变更为碳化钨粉末而得到碳化钨烧结品。

此外，通过本发明的铸造装置10得到的铸件除了气缸盖50以外，也可以是活塞型芯、活塞顶芯，并不限定于气缸盖50。

此外，本发明的铸造装置10在实施例中为低压铸造装置，但也可以是重力铸造、高压铸造、砂型铸造，并不限定于低压铸造。

此外，气体通路93在实施例中为漩涡形或蜿蜒形，但只要是与直线形相比能够获得冷却长度的形状即可，也可以是U字形、圆形、平面形、翅片形等，并不限定于漩涡形或蜿蜒形。

工业上的实用性

本发明适用于铸造气缸盖、活塞等的铸造装置。

标号说明

10：铸造装置；20：模具；27：型腔；30：熔融液供给装置；32：熔融液；40：气体供给机构；50：气缸盖；52：燃烧室；60：内燃机；90：镶块模；93：气体通路；105：钨粉末。

Claims

1.一种铸造装置，其具备：模具，其具备镶块模；熔融液供给装置，其向该模具的型腔供给熔融液；以及气体供给机构，其向所述镶块模供给强制冷却用的气体，

所述镶块模是由以钨、钼、碳化钨中的至少1种为主要材料的粉末构成的烧结品，该烧结品内置有供所述强制冷却用的气体流动的气体通路。

2.根据权利要求1所述的铸造装置，其中，

所述气体通路呈漩涡形和蜿蜒形中的一种形状。

3.根据权利要求1或2所述的铸造装置，其中，

所述气体通路的截面的一部分位于所述镶块模的与所述熔融液接触的面的附近。

4.根据权利要求1或2所述的铸造装置，其中，

所述模具是铸造内燃机的气缸盖的模具，

所述镶块模形成燃烧室。

5.根据权利要求3所述的铸造装置，其中，

所述模具是铸造内燃机的气缸盖的模具，

所述镶块模形成燃烧室。