CN1321765C - 还原铸造方法 - Google Patents

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Abstract

一种还原铸造方法，包括下列步骤：将熔融金属倒入模制模具的腔中；通过使熔融金属和还原物质在该腔中互相接触，还原在熔融金属表面上形成的氧化物薄膜，从而进行铸造。在这种情况下，熔融金属在模制模具被冷却装置强制冷却的状态下倒入该腔中，因而使熔融金属快速冷却。另外，在这种情况下，熔融金属快速冷却的凝固速度设定为600℃/分或更大。另外，在这种情况下，熔融金属充满该模具腔的充满时间从1.0秒至9.0秒。

Description

还原铸造方法
技术领域
本发明涉及一种还原铸造方法。更具体地说，本发明涉及一种消除熔融金属不充分充满模具腔的状态并可以缩短铸造周期的还原铸造方法。
背景技术
现有各种形式的铸造方法，例如重力铸造法(GDC)，低压压铸法(LPDC)，压铸法(DC)，挤压铸造法(SC)，触变模制法(thixowolding)。所有这些方法都是将熔融金属倒入模制模具的腔中，将倒入的熔融金属模制成预先确定的形状而进行铸造的。在这些铸造方法中，在熔融金属表面上可能形成氧化物薄膜的方法中(例如铝铸造等)，在熔融金属表面上形成的氧化物薄膜使熔融金属的表面张力增加，使得熔融金属的流动性、运行性质和粘性恶化，因此造成铸造有缺陷的问题(例如充满不充分、表面折痕等)。
为了解决这些问题，本申请人提出了一种还原铸造方法，该方法可以通过使熔融金属表面上形成的氧化物薄膜还原而进行铸造(例如JP-A-2000-280063)。在这种还原铸造方法中，利用氮气和镁气制备具有强还原性的镁-氮化合物(Mg3N2)，再将这样制备的镁-氮化合物作用在熔融金属铝上，进行铸造。在镁-氮化合物沉积在模制模具的腔的表面上的状态下，将熔融金属倒入模制模具腔中，当熔融金属与该腔的表面接触时，镁-氮化合物的还原作用将熔融金属表面上形成的氧化物薄膜还原，从而形成了带有纯铝的熔融金属表面，因此使熔融金属的表面张力减小，提高了熔融金属的流动性。结果，熔融金属的运行性质良好，从而可得到没有铸造缺陷，外观很好，没有表面折痕等的铸件。
另外，通过随后的研究发现，根据该还原铸造方法，可以在铸造时将模制模具的温度保持在低温下进行铸造。
即，由于当采用还原铸造方法时，熔融金属的流动性和运行性质极好，因此不需要将模制模具的温度保持在高温下，与例如重力铸造法(GDC)的其他铸造方法不同。在用重力铸造法等进行铸造时，保持模制模具温暖的理由是，要保证熔融金属的流动性，该方法通过将模制模具的温度尽可能高地提高，来使熔融金属充满该模具的腔。另一方面，还原铸造方法使熔融金属的流动性和运行性质极好，因此可在几秒钟以内完成将熔融金属充入模具腔中的工作。因此，在还原铸造方法中，不需要如同在传统的铸造方法中那样，将模制模具保持高温。另外，从能够缩短铸造周期时间的观点来看，通过将模制模具的温度尽可能地降低，而使倒入模具腔中的熔融金属能尽可能快地凝固。
然而，产生的问题是，由于熔融金属的凝固速度变快，在熔融金属充分充满该模具腔之前，熔融金属已凝固。
发明内容
在这种情况下，为了解决这些问题提出了本发明。本发明的目的是要提供一种还原铸造方法，该方法可以确定熔融金属的凝固速度和充满时间之间的关系，消除熔融金属不充分充满模具腔的状态并缩短铸造的周期时间。
为了达到上述目的，本发明的构成如下。
即，根据本发明提供了一种还原铸造方法，包括下列步骤：
将熔融金属倒入模制模具的腔中，其中所述熔融金属是在模制模具被冷却装置强制冷却的状态下倒入所述模具腔中，因而熔融金属快速冷却；
通过使熔融金属和还原物质在该腔中互相接触，还原在熔融金属表面上形成的氧化物薄膜，从而进行铸造。
其中，使熔融金属快速冷却的凝固速度设定为600℃/分或更大；
其中，在从熔融金属开始填充到形成α型枝晶结构完成的时间内熔融金属充满该模具腔。在这种情况下，DASII值优选为22微米或更小。
更优选地，熔融金属的凝固速度为800℃/分或更大。在这种情况下，DASII值优选为20微米或更小。
优选地，通过在加压时将熔融金属倒入模具腔中，可将熔融金属的倒入时间调节为1.0秒～9.0秒。
作为带原物质，可以使用镁或镁-氮化合物(Mg2N2)。
附图说明
图1为说明图，使出了利用根据本发明的还原铸造方法进行铸造的铸造装置的结构的一个例子；
图2为关于铝材料的图形，示出了DASII值如何根据熔融金属的凝固速度变化的测量结果。
具体实施方式
下面，将参照附图来详细说明本发明的优选实施例。
图1为说明图，示出了利用根据本发明的还原铸造方法进行铸造的铸造装置10的整个结构。下面说明它在铝的铸造中的应用，但本发明决不是只限于铝的铸造。
在图1中，附图标记11和12分别表示模制模具和在模制模具11内形成的腔。在腔12的上部设有浇口14，其形状为直径逐渐向下变小的锥形表面。在浇口14中有可拆卸的堵头15。附图标记16表示垂直形成以通过堵头15的管。
附图标记17表示在模制模具11上部设置的容器，该容器用于容纳要倒入的熔融金属(以后，也可简单地称为“熔融金属容器”)。熔融金属容器17和腔12通过浇口14互相连通。通过进行开/闭堵头15的操作，可以控制将熔融金属倒入腔12中。在示出将根据本发明的还原铸造方法应用于铝的铸造的本实施例的情况下，熔融的铝金属存贮在熔融金属容器17中。
制造模制模具11的材料没有特别的限制，然而模制模具11可以用导热性好的材料制成。另外，模制模具11带有冷却装置，可以强制冷却模制模具。在该实施例中，作为冷却装置，在模制模具11内设有流动通道13，从而使冷却水可以恒定地通过该通道13流动。利用导热性好的材料制造模制模具11和经常强制冷却模制模具11的理由是要保持模制模具的温度尽可能的低。因此，只要冷却方法能有效地使模制模具保持低的温度，冷却方法不必限于上述的这种水冷方法。勿需说明，多种冷却装置可以同时组合使用。
在图1中，附图标记20表示用于装氮气的钢瓶(以后也称为“装氮气的钢瓶”)。装氮气的钢瓶20通过管道系统22与模制模具11连接。在该管道系统中设置有阀24，该阀24可使氮气通过在模制模具11上设置的氮气送入口11a，进入腔12中。通过打开阀24，将氮气通过氮气送入口11a送入腔12中，可将腔12中的空气排空，从而在腔12中形成氮气气氛，因此在腔12中基本上形成非氧的气氛。附图标记11b表示在模制模具11中设置的排出口。还可以经管道系统将真空装置与排出口11b连接，而在腔12中形成非氧的气氛，在管道系统中设置有阀25，当阀25打开时，真空装置工作。
附图标记21表示用于装氩气的钢瓶(以后也可称为“装氩气的钢瓶”)。装氩气的钢瓶21通过管道系统26与作为产生金属气体的发生器的炉子28连接。通过开/闭放在管道系统26中的阀30，可以控制氩气进入炉子28中。炉子28由加热器32加热。在该实施例中，炉28中的温度设定为镁的沸点或比沸点低，也可设置为镁的熔点或比熔点高，使炉子28中的镁为液态。
装氩气的钢瓶21也可通过管道系统34与装镁金属的箱36连接。在管道系统34中设置有阀33。另外，箱36可通过管道系统38与在阀30下游的管道系统26连接。附图标记40表示阀，该阀安装在管道系统38中，用于控制送至炉子28中的镁的量。箱36用于存放要送至炉子28中的镁金属，并且镁金属是以粉末或粒状形状装在箱36中的。
炉子28通过管道系统42以及和堵头15连接的管16，与模制模具11的腔12连接。通过开/闭安装在管道系统42中的阀45并且利用阀30控制氩气压力，可将在炉子28中产生的气态或雾形式的镁送入模制模具11的腔12中。
由图1所示的铸造装置10铸造铝是按下述方法进行的。
首先在装入堵头15将浇口14关闭的状态下打开阀24，使氮气从装氮气的钢瓶20通过管道系统22进入模制模具11的腔12中。氮气的进入将腔12内的空气排出，从而在腔12中基本上形成非氧的气氛，然后关闭阀24。
在氮气进入模制模具11的腔12中的时间过程中或进入之前，打开阀30，使氩气从装氩气的钢瓶21进入炉子28中，在炉子28中形成非氧的气氛。其次，关闭阀30和打开阀33和40，利用从装氩气的钢瓶21施加的氩气压力，将装在箱36中的镁金属送入炉子28中。由于炉子28被加热至镁金属熔化的温度，因此，送入炉子28中的镁金属变成熔融状态。由于每次在进行铸造时都要重复从炉子28中送出镁气体，因此要将与这个操作相应的一定量的镁金属从箱36送至炉子28中。在将镁金属送入炉子28中后，关闭阀33和40。
接着，打开阀30和45，在控制氩气的压力和流量的同时，利用氩气作为载气，通过管子16将从炉子28中出来的镁气体送入模制模具11的腔12中。在这种情况下，雾形式的镁也与镁气体一起从炉子28送出。
在镁气体送入腔12中后，关闭阀45；然后打开阀24，将氮气通过氮气送入口11a送入腔12中。通过将氮气送入腔12中，先前送入腔12中的镁气体和氮气在腔12中互相反应，产生作为还原化合物的镁氮化合物(Mg3N2)。镁氮化合物主要沉积在腔12的内壁表面上。
在腔12的内壁表面上形成镁-氮化合物的状态下，打开堵头15，将熔融金属18从浇口14倒入腔12中。
倒入腔12中的熔融铝金属18与在腔12的内壁表面上形成的镁-氮化合物接触，镁-氮化合物从在熔融金属表面上形成的氧化物薄膜中夺去氧，使熔融金属表面还原成纯铝，于是纯铝充入腔12中(还原铸造法)。通过使在熔融金属表面上形成的氧化物薄膜还原，可使纯铝在铝表面上露出，从而使熔融金属的流动性变得极好。
由于熔融金属的运行性质变得极好，因此既不需要使用传统的绝热涂剂，也不需要保持模制模具的高温，这是一个优点。
另外，在上述还原铸造方法的情况下，由于熔融金属18在短时间内充入腔12中，因此可以有效地冷却充入模制模具11中的熔融金属18并在短时间内使熔融金属凝固。当模制模具11由导热性好的材料制成时，只要模制模具11的温度保持在模制模具11能具有足够硬度的温度或稍低的温度下(大约150℃或更低)，则可以利用使用由这种材料制成的模制模具的铸造方法来进行铸造，同时可防止产生与熔融金属接触的划痕。
熔融金属的凝固速度设定为600℃/分或更大(在模制模具11中的熔融金属每单位时间的温度的降低)，优选为800℃/分或更大。当凝固速度越快时，铸件的晶体结构变得越密。因为铸件的强度提高，这个特点是有利的。
凝固速度在传统的压铸法(DC)的凝固速度附近。然而，这种还原铸造方法不是如同在压铸法中的溅射或喷射充入那样依赖快速冷却，而是在层流或部分紊流的状态下充入熔融金属，使铸件的内部质量极好，DASII值也小，而膨胀、强度等可以提高。
图2示出在铝铸造中，当熔融金属的凝固速度改变时，凝固体中的树枝状晶体之间的间隔是如何变化的测量结果。
测量是这样进行的：将充入腔12中、并在其中凝固的一部分铝取出作为试样，利用电子显微镜测量试样的树枝状晶体之间的间隔。在图2中，横轴表示凝固速度，纵轴表示凝固的铝树枝状晶体之间的间隔-称为“DASII值”。
从图2中可看出，当凝固速度为600℃/分或更大时，充入腔12中并在其中凝固的铝树枝状晶体之间的间隔平均为22微米或更小，而当凝固速度为800℃/分或更大时，树枝状晶体之间的间隔平均为20微米或更小。
铝的树枝状晶体之间的间隔与凝固体(铸件)的密度有关。当树枝状晶体之间的间隔变得越小时，铝的晶体结构变得越密，因此提高了所得到的铸件的机械强度。
从机械强度的观点来看，DASII值应为22微米或更小，优选为20微米或更小。
下面来研究熔融金属的充满时间。
熔融金属的充满时间根据铸造合金材料和凝固速度之间的关系确定。
通常，在冷却铸造合金，例如AC2B和AC4B时，在开始充入熔融金属的温度和完成形成α型树枝状晶体的晶体结构的温度之间有大约90℃的温差(下降90℃)。即，通过温度降低90℃，可以进行凝固。在这个凝固时间过程中，必需完成将熔融金属充入腔12中。当凝固速度设定为600℃/分～2000℃/分时，熔融金属的充满时间为9.0秒～2.7秒。
另一方面，在冷却铸造合金，例如2017、2024和2618时，在开始充入熔融金属的温度和完成形成α型树枝状晶体结构的温度之间有大约40℃的温差。
当凝固速度设定为600℃/分～2000℃/分时，熔融金属的充满时间为4.0秒～1.2秒。
即，虽然根据在铸造合金中使用的材料会存在不同，但除非在大约1.0秒至大约9.0秒的时间内完成将熔融金属充满腔12的所有部分，否则，腔12的一部分熔融金属开始凝固，因而产生不充分充满的部分。
实际上，在腔12的所有部分中，一些部分较厚，而另一些部分较薄，即所有部分的厚度不必要都是均匀的。熔融金属首先流入较厚的部分中，然后再流入较薄的部分中。在较薄的部分中，凝固速度快，因此存在着在完成充满较薄的部分之前，即开始凝固的危险。
因此，必需进行控制，使熔融金属完成充满腔12的所有部分。
在存在着熔融金属难以流入的薄的部分的情况下或其他情况下，用与LPDC相同的方法，最好利用不限于任何特殊形式的装置，将压力加在熔融金属上，并且在预先确定的时间内使腔12的所有部分充满熔融金属。由于这个原因，适当选择浇口的直径、形状、位置、数目等也很重要。
通过控制完成将熔融金属充入腔12的所有部分中，由于运行性质本来很好，因此熔融金属可以保证甚至充满腔12的细小部分，从而消除了例如由于充满不充分造成的铸造缺陷。另外，由于消除了熔融金属表面上形成的氧化物薄膜，在铸件表面上不会产生表面折痕等，因此铸件的外观很好。
在上述实施例中，镁气体、氮气是直接送入腔中，产生镁-氮化合物的，然而也允许就在模制模具的前面设置一个反应室(没有示出)，将氩气、镁气体和氮气送入该反应室中，使这些气体在反应室中起反应，形成镁-氮化合物，然后再将所形成的镁-氮化合物送入上述模具腔中。
另外，该实施例是参照将镁-氮化合物作为熔融金属的还原物质来说明的，但也可以使用镁的单体或其他还原物质。作为载气，也可以使用氩气以外的其他惰性气体或非氧化气体。
另外，虽然在上述实施例中说明了铝的铸造方法，但根据本发明的方法不仅局限于此，它可适用于铝合金、诸如镁和铁的各种金属以及其合金中的每一种用作铸造材料的铸造方法。
如上所述，根据本发明，通过控制熔融金属的凝固速度，熔融金属的充满时间等，使熔融金属完成充满至模制模具的腔的所有部分中，又由于熔融金属的运行性质本来就好，因此可以缩短铸造周期，并保证熔融金属充满模制模具腔的细小部分，从而消除例如由于不充分充满引起的铸造缺陷。另外，由于除去了在熔融金属表面上形成的氧化物薄膜，在铸件表面上不产生表面折痕等，因此可获得外观很好的铸件。

Claims (7)

1.一种铝或铝合金的还原铸造方法，包括下列步骤：
在模制模具被冷却装置强制冷却的状态下，将铝或铝合金的熔融金属倒入模制模具的腔中，因而熔融金属快速冷却；
通过使熔融金属和还原物质在该腔中互相接触，还原在熔融金属表面上形成的氧化物薄膜，从而进行铸造；
其中，使熔融金属快速冷却的凝固速度设定为600℃/分或更大；
其中，在从熔融金属开始填充到形成α型枝晶结构完成的时间内熔融金属充满该模具腔。
2.如权利要求1所述的还原铸造方法，其中，凝固速度设定为800℃/分或更大。
3.如权利要求1所述的还原铸造方法，其中，通过在对熔融金属加压时将熔融金属倒入模制模具腔中，可将熔融金属的倒入时间调节为1.0秒～9.0秒。
4.如权利要求1所述的还原铸造方法，其中，还原物质为镁。
5.如权利要求1所述的还原铸造方法，其中，还原物质为镁-氮化合物Mg3N2。
6.如权利要求1所述的还原铸造方法，其中，冷却装置进行冷却，从而使铸造时模制模具保持在150℃或更小的温度下。
7.如权利要求1所述的还原铸造方法，其中，凝固速度设定在600℃/分～2000℃/分的范围内。
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