CN1427090A - 减少轻合金铸件中气孔的方法和设备及所用的熔盐和盐核 - Google Patents

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Abstract

通过使用热等静压工艺来减少轻合金铸件中气孔的方法，包括的步骤是：在比轻合金铸件液相出现的温度低5－100℃的温度下加热轻合金铸件，和采用液压介质压制已加热的轻合金铸件，进而减少其中存在的气孔。

Description

减少轻合金铸件中气孔的 方法和设备及所用的熔盐和盐核
发明领域
本发明涉及通过使用热等静压方法(HIP)来减少轻合金铸件，例如铝合金铸件、镁合金铸件等中产生的气孔(blow hole)的设备和方法，也涉及用于该方法的熔盐和盐核。
背景技术
传统的生产铝合金铸件和镁合金铸件的铸造方法是采用砂型或金属型的重力铸造方法、低压铸造方法、高压压铸方法、挤压压铸方法等。
但是，使用上述任何方法生产的任何铸件都有存在气孔的问题，所以质量次于锻件。所以，铸造工程师试图通过改进铸造方案、铸造条件、冒口废料等，或者通过减少模腔的压力来解决这个问题。但是，在铸件中仍然存在气孔，所以其质量不可靠。因此，使用气体介质例如氩或氮，通过热等静压方法处理例如用于飞机的铝合金、镍合金、钛合金等，进而减少气孔以增强其作为机械部件的可靠性。
但是，用于这种处理的HIP机器非常昂贵，并且每次处理需要花费很长时间。而且，由于使用的气体昂贵，处理的运行成本高。所以，使用这种HIP机器不适合减少轻合金铸件中存在的气孔。
此外，砂芯经常用于生产轻合金铸件，但是砂芯颗粒趋于粘附在合金铸件上。在进行HIP处理之前，必须从铸件上完全清除这些颗粒，否则这些颗粒会进入热等静压处理机器并且造成其操作的破坏或停止。
本发明的产生正是基于上述问题。
本发明的目的是提供一种使用液压介质进行HIP的方法和设备，从而以低成本来减少轻合金中的气孔，同时也提供用于本方法的熔盐和盐核。
发明概述
为达到上述目的，本发明的方法是通过使用热等静压工艺来减少轻合金铸件中的气孔(尤其是侵入气孔)，该方法包括的步骤是在比生成液相轻合金的温度低5-100℃的温度下加热轻合金铸件，并采用液压介质压制已加热的轻合金铸件，进而减少其中的气孔。
本发明使用盐代替气体例如氩通过HIP处理轻合金铸件。在本发明的方法中，为破裂存在于轻合金铸件，例如铝合金铸件、镁合金铸件等中的铸块缩孔、缺口等，在液相出现的温度下加热轻合金铸件，而且还通过液压介质进行压制。
从用来破裂孔的温度(即等于或低于600℃)，以及在环境和该温度下的稳定性考虑，采用等温淬火工艺的盐浴中使用的盐作为液压介质。使用的盐包括硝酸钠、硝酸钾、硝酸钡和含有其中两种或两种以上的混合盐。一种稳定剂，例如重铬酸钠、重铬酸钾等，可以加入到盐中。
使用的盐也包括氯化钡、氯化钠、氯化钾和含有其中两种或两种以上的混合盐。这种盐的氯化物可能不适用于使用钢的处理机器，因为该氯化物会腐蚀钢。
这些盐的氢氧化物也不适合，因为它们在处理机器中会产生凝结快，或者难于处理待处理的工件。
熔盐可以是环境温度的熔盐，例如氯化铝。熔盐应具有可以被快速加热到预定温度，其中温度的分布均匀，以及温度可以被细致地调整的性能。
从下面的说明书中可以理解本发明的其它特征和优点。
                        附图简述
图1表示依据本发明的热等静压处理机器和减少轻合金铸件中存在气孔的方法的实施方案示意图。
                   优选具体实施例详述
下面说明本发明的具体实施例。
首先，参考附图(图1)说明本发明的热等静压处理机器的具体实例。
处理机器包括两个压力容器1、2，其中每一个容器中盛放轻合金铸件和液压介质，用来交替地将液压介质输送到压力容器1、2中的增压设备3，用来交替地减少压力容器1、2中液压介质的压力的减压设备4，与增压设备3和减压设备4流体相连用来溶解盐使之成为液体状态，并且在其中盛放熔盐的设备5。在每个压力容器中放置电加热器6。
在运行如上所述构造的热等静压处理机器中，增压设备3给压力容器1提供液压介质，从而对压力容器1中的轻合金铸件进行HIP处理，同时将已经在另外的压力容器2中处理过的轻合金铸件从容器2中取出，并且将未处理的轻合金铸件放置在里面并且进行加热。所以，一旦在第一压力容器1中的HIP处理完成，在第二压力容器2中的另一个HIP处理就开始。所以，该处理机器可以提高生产能力并且降低每个铸件(工件)的处理成本。
通过使用热等压处理机器并采用上述的方法对轻合金铸件进行HIP处理。通过在砂型中铸造铝材料AC4C来生产轻合金，AC4C是一种铸造材料。采用具有适于拉伸试验的形状，并且在其平行部分具有8mm直径的轻合金铸件棒作为试样。这些试样棒在液压介质温度改变，但是其压力保持不变的条件下进行HIP处理，即对于所有的试样，压力为100MPa。试样棒经过处理之后，测量其密度，并且切割，在切割表面出现一定数量的气孔，其大小等于或大于0.2mm，对其进行评价。结果示于表1中。
此外，如上所述的试样棒材也在液压介质温度保持在540℃但其压力改变的条件下进行HIP处理。试样棒材经过处理之后，测量其密度，并且切割，在切割表面出现一定数量的气孔，其大小等于或大于0.2mm，对其进行评价。结果示于表2中。
                               表1
处理温度、密度和气孔之间的关系(压力：100MPa)温度(℃)          密度(g/cm 3 )       气孔数量          备注未处理             2.672                7.3                -420                2.672                7.2                -440                2.675                6.9                -460                2.680                2.7                -480                2.685                1.2                -500                2.690                0.8                -540                2.691                0.1                -560                -                    -                  液相出现
                             表2
处理压力、密度和气孔之间的关系(温度：540℃)压力(MPa)        密度(g/cm 3 )       气孔数量      备注未处理            2.672                7.3            -50                2.673                7.3            -60                2.680                3.8            -70                2.682                2.3            -80                2.685                2.2            -90                2.688                0.6            -100               2.691                0.1            -110               2.692                0.1            -120               2.692                0.1            -
在处理中，使用包括50％硝酸钠和50％硝酸钾的混合盐与0.3％的重铬酸钠稳定剂构成的液体作为液压介质。每次处理的试样棒的数量是10，其平均值如表所示。
从表1和2可以发现处理温度应当尽可能高，但是要求在试样的液相不出现的温度范围内，处理温度可以是任何试样通常使用的溶解温度。也发现如果处理压力等于或大于90MPa，几乎可以消除所有的气孔，如果处理压力等于或大于60MPa，可以基本上消除气孔。
观察试样棒的结构。通过观察，在枝晶之间的共晶部分发现硅的共晶颗粒但是在未处理和已经处理的试样棒之间没有发现结构上的变化。而且，在未处理的试样棒中几乎没有发现砂眼，尽管在使用砂型生产的铸件中典型的会发现这些砂眼。在某些已处理的试样棒中，并不能完全清除气孔。这是由于在铸造阶段空气的混入造成的，似乎具体是由于氮气的混入造成的。在已处理的试样棒中的气孔尺寸远远小于未处理的试样棒中的气孔尺寸。
现在说明第二个具体实施例，其中涉及适合的熔盐。
发明者发现如果熔盐是由40-50％亚硝酸钠，40-50％硝酸钾和1-10％硝酸钠构成，并且具有熔点140-200℃(更优选140-160℃)，熔盐不会腐蚀(如上所述低于600℃)用作热等静压处理机器元件的耐热钢合金，并且对于工件来说它是安全和稳定的。而且，如果盐在溶解之前是具有体积小于10mm3的固体，它不受任何日本法律限制。
实施例1
由铸造材料铝材料AC4C生产作为轻合金铸件的两个试样。每个试样都是类似阶梯形状，其阶梯部分具有10mm，30mm和50mm厚度。热电偶安装在每个试样阶梯部分的中心部位。
一个试样放置在通常使用的电炉里，保持在500℃。另一个试样放置在由50％亚硝酸钠，45％硝酸钾和5％硝酸钠构成并且具有熔点为143-150℃熔盐的盐浴中，保持在500℃。测量试样阶梯的中心部位达到490℃的时间。结果示于表3中。
从表3可以很清楚地看到依据本发明的HIP盐浴比电炉能更快地加热轻合金铸件达到所需要的温度。所以，在HIP之前使用盐浴加热轻合金铸件，然后使用相同的熔盐通过HIP来进行处理，处理的效率会极大提高。
                      表3
试样的阶梯部分的中心部位达到目标温度的时间(分钟)
             10mm部分      30mm部分     50mm部分电炉             27分钟         64分钟        129分钟盐浴             6分钟          19分钟        47分钟
                      表4
铝铸件重量的变化(克)AC4CH铸件                        ADC12铸件 试验前          5小时以后      试验前       5小时以后98.75            98.75           98.88         98.8899.14            99.14           98.79         98.7999.08            99.08           98.77         98.7798.84            98.84           98.85         98.8599.03            99.03           98.95         98.9598.88            98.88           98.83         98.83
生产两个铝铸件试样。两个都重约100克。一个试样是由AC4CH制成的，另一个是由ADC12制成的。这些试样浸没在与上述相同熔盐的盐浴中(温度为500℃)，检验盐对试样的腐蚀。该测试是测量在盐浴中浸没之前以及浸没5小时之后并用水洗涤和干燥后的试样重量。
从表4的结果中可以明显看出，浸没之后试样的重量没有改变。所以，可以认为熔盐不会影响轻合金铸件或与其发生化学反应。而且，因为盐的熔点低，在盐浴中粘附在轻合金铸件上的盐保持液体状态直到它被洗涤掉。所以，它是很容易被除去的。
现在说明本发明的第三个具体实施例。
在本发明的第三个具体实施例中，使用熔点为190℃-290℃的熔盐作为液压介质。而且，使用由硝酸盐制成并且具有熔点为190℃-290℃的盐核来生产铝合金铸件或镁合金铸件，然后使用熔盐的液压介质对铸件进行HIP处理。
HIP处理之后，如果需要，合金铸件会经过热处理和水洗涤。用来洗涤合金铸件的水是通过硝酸盐浓缩法进行浓缩的，然后浓缩的水返回到HIP处理中。
通过将熔点为190℃-290℃的熔盐浇注到金属模型中，然后改铸(remolding)来生产盐核。
当使用盐核来铸造铝材料时，盐的熔点一定要高，否则在铸造阶段盐会熔化。已经发现为了使盐核的组成与HIP中使用的盐相同，并且使盐核在HIP中循环，盐核的熔点优选190℃-280℃。
重要的是，当洗涤合金铸件之后，使用硝酸盐浓缩法将洗涤水中含有的硝酸盐浓缩30倍，并且回收到热等静压处理机器中而不排放掉。
实施例2
使用盐核由铝材料AC4C生产的试样铸件具有的厚度为10毫米，30毫米或50毫米。熔点为145℃、195℃、220℃或280℃的硝酸盐(硝酸钠和硝酸钾的混合盐)被溶解并且浇注到金属模型中以形成盐核。测试结果(试验之后盐核的外观)示于表5中。
                        表5
铸件厚度；          10毫米    30毫米     50毫米硝酸盐核(145℃)         G          M           B硝酸盐核(195℃)         G          G           M硝酸盐核(220℃)         G          G           G硝酸盐核(280℃)         G          G           G
在表5中符号“G”表示试验后盐核的形状没有问题。“M”表示只有非常小部分的盐已经溶解，盐核的外形有轻微改变，“B”表示盐核已经溶解，并且，已确定铸造试样是可接受的产品。
从示于表5的结果可以发现用作铸造盐核的盐必须具有相对高的熔点。但是，很难配备适用于高熔点盐的热等静压处理机器。所以，优选使用的盐的熔点不超过300℃或更高。
当在铸造中不使用盐核时，可以使用熔点为145℃-290℃的氮化物的熔盐进行本发明的HIP。
然后，在硝酸盐浴中测试由AC4C或ADC12生产、每个重量约100克的铝铸件试样。为检测盐对试样的影响，例如腐蚀性，将试样浸没在硝酸盐浴中5个小时，然后用水洗涤和干爆。测量实验后重量的变化(g)。结果示于表6中。
从表6中的结果可以明显看出，盐没有影响铝铸件。而且，因为盐的熔点低，粘附在试样上的熔盐保持液体状态直到被洗涤掉。所以，它很容易被清除。
                        表6
                   重量变化(克)AC4CH铸件                            ADC12铸件 试验前        5小时以后     试验前        5小时以后98.75          98.75          98.88          98.8899.14          99.14          98.79          98.7999.08          99.08          98.77          98.7798.84          98.84          98.85          98.8599.03          99.03          98.95          98.9598.88          98.88          98.83          98.83

Claims (16)

1.一种通过使用热等静压工艺来减少轻合金铸件中气孔的方法，该方法包括的步骤是：在比轻合金铸件液相出现的温度低5-100℃的温度下加热轻合金铸件；和采用液压介质压制已加热的轻合金铸件，进而减少其中存在的气孔。
2.如权利要求1所述的方法，其中采用液压介质压制已加热的轻合金铸件的压力为60-120MPa。
3.如权利要求1所述的方法，其中液压介质是熔盐。
4.如权利要求1所述的方法，其中轻合金铸件是铝合金铸件和镁合金铸件中的一种。
5.如权利要求1所述的方法，其中液压介质是由40-50％亚硝酸钠，40-50％硝酸钾和1-10％硝酸钠构成并且具有熔点140-200℃的熔盐。
6.如权利要求1所述的方法，其中液压介质是熔盐，并且其中通过在熔盐被加热的盐浴中压制熔盐，借助熔盐来加热和压制轻合金铸件。
7.如权利要求5或6所述的方洗其中轻合金铸件是铝合金铸件和镁合金铸件中的一种。
8.一种用于实施权利要求5所述方法的熔盐，该熔盐由40-50％亚硝酸钠，40-50％硝酸钾和1-10％硝酸钠构成并且具有熔点140-200℃。
9.如权利要求8所述的熔盐，在溶解之前具有的体积是10mm3。
10.如权利要求4所述的方法，其中液压介质是熔点为190-290℃的熔盐。
11.如权利要求4所述的方法，其中盐核用于生产铝合金铸件和镁合金铸件中的一种，盐核是由熔点为190-290℃的硝酸盐的盐原料形成的，其中通过熔盐液压介质压制铝合金铸件和镁合金铸件中的一种。
12.一种用于实施权利要求11所述方法的盐核，该盐核是通过在模中铸造熔点为190-290℃的熔盐并且在该熔盐凝固以后改铸铸态的盐得到的。
13.如权利要求11所述的方法，更进一步包括的步骤是：如果需要，在采用液压介质压制之后，热处理铝合金铸件和镁合金铸件中的一种；用水洗涤已压制的铝和镁合金铸件中的一种；采用硝酸盐浓缩法浓缩用于洗涤已压制的铝和镁合金铸件中的一种的水；和回收浓缩的水以用于热等静压工艺中。
14.如权利要求4所述的方法，其中采用熔点为145-290℃的硝酸盐压制铝和镁合金铸件中的一种，该方法更进一步包括的步骤是：用水洗涤已压制的铝和镁合金铸件中的一种；采用硝酸盐浓缩法浓缩用于洗涤已压制的铝和镁合金铸件中的一种的水；回收浓缩的水以用于借助熔盐进行的热等静压工艺中。
15.如权利要求1所述的方法，其中使用第一和第二压力容器，每个容器均用于盛放轻合金铸件，溶解盐和盛放熔盐的单独设备，和与第一和第二压力容器和所述用于溶解盐的设备流体相连的单独的增压设备，该方法包括的步骤是：在比轻合金铸件液相出现的温度低5-100℃的温度下加热第一和第二压力容器中的轻合金铸件；和通过使用增压设备从用于溶解盐的设备中交替提供液压介质到第一压力容器和第二压力容器中，进而压制在压力容器中已加热的轻合金铸件。
16.一种通过使用热等静压工艺来减少轻合金铸件中气孔的设备，包括：第一和第二压力容器，每一个容器均用于盛放轻合金铸件和熔盐，每一个容器都具有在比轻合金铸件液相出现的温度低5-100℃的温度下加热轻合金铸件的装置；用于在高压下交替提供液压介质到第一压力容器和第二压力容器中的增压设备；用于交替减少第一压力容器和第二压力容器中液压介质的压力的减压设备；以及用于溶解盐和盛放熔盐的设备，该设备与增压设备和减压设备相连。
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