CN1485170A - 用于流变铸造的模铸法和设备 - Google Patents

Abstract

所提供的是一种用于流变铸造的新型模铸法和设备，它可以确保制造出具有微细、均匀、球状粒子结构的产品，可以提高能量利用率及力学特性，降低成本，提高铸造的方便性，并缩短制造时间。该模铸法涉及给处于套筒中的生料制造区施加电磁场，通过套筒的一端插入柱塞，套筒的另一端与带有模腔的铸模相连，该方法还涉及将熔融金属装入生料制造区制造出半固态金属生料，并将柱塞向铸模移动而将金属生料推入模腔。

Description

用于流变铸造的模铸法和设备

技术领域

本发明涉及用于流变铸造的模铸法和设备，特别是一种用于流变铸造、确保制造出微细、均匀、球状粒子结构的产品的模铸法和设备。

背景技术

该专利申请已在韩国提出过，有关专利申请号如下：即于2002年9月25日提交的专利申请2002-58163，2002年10月16日提交的专利申请2002-63162，2003年1月17日提交的专利申请2003-3250以及2003年3月4日提交的专利申请2003-13515，这些申请在韩国知识产权局存档，这里全文公开，以资参考。

流变铸造指的是这样一种过程，其中要通过铸造或锻造的方式将具有预定粘度的半固态金属生料制造成金属坯料或模具产品。半固态金属生料由球形固体粒子组成，它们以合适的比例悬浮在液相中，处于半固态适合的温度范围，因此，由于它们具有触变特性，所以在施加很小作用力的情况下就很容易改变形状，并且由于它们具有较高的流动性，因此很容易铸造，就像液体一样。

这种流变铸造与触融压铸关系很密切。触融压铸指的是这样一种过程，其中涉及将通过流变铸造而制造的坯料进行重新加热，再次形成金属生料，然后再铸造或锻造，从而加工出最终产品。

这种流变铸造和触融压铸比采用熔融金属实施的普通模铸诸如铸造或锻造过程具有更高的优势。例如，流变铸造或触融压铸中所用的半固态或半熔融生料，与熔融金属相比，在较低的温度下就具有流动性，因此流变铸造和触融压铸中的模铸温度可以降低，从而确保模具更长的使用寿命。此外，当通过一个缸体挤压半固态或半熔融金属生料时，发生紊流的可能性更低，因此在铸造过程中渗入的空气更少，从而可以防止在最终产品中形成气窝。此外，采用半固态或半熔融生料可以减少固化过程中的收缩，提高工作效率，并可以生产出力学性能更高、防腐性能更好、重量更轻的产品。因此，这样的半固态或半熔融金属生料可以用作汽车、航天航空领域及电气、电子信息通讯设备中的新材料。

在普通的流变铸造中，冷却时以低于液相温度的温度水平搅拌熔融的金属，以便将树枝状结构破坏而形成适合流变铸造的球状粒子，例如，通过机械搅拌、电磁搅拌、气泡分离、低频、高频或电磁波振动、电击搅拌等方法。

作为一个实例，美国专利号3,948,650就描述了制造液-固混合物的方法和设备。在该方法中，熔融的金属在冷却而固化过程中被使劲地搅拌。该专利所描述的一种半固态金属生料制造设备采用一种搅拌器来引发具有预定粘度的固-液混合物流动，以破坏其树枝状结构或扩散液-固混合物中被破坏的树枝状晶体结构。通过这种方法，在冷却过程中形成的树枝状晶体结构被破坏，并用作球状粒子的核。但是，由于在冷却早期产生固化潜热，因此该方法的冷却率很低，制造时间增加，在混合容器中引起不均匀的温度分布，并引起不均匀的晶体结构。半固态金属生料制造设备中所采用的机械搅拌会固有地导致混合容器中温度分布不均匀。此外，该设备在一个腔体中操作，因此很难连续进行后续过程。

美国专利号4,465,118描述了一种制造半固态合金生料的方法和设备。该设备包括一个线圈电磁场施加部分、一个冷却歧管以及一个容器，这些组成部分依次向内形成，其中熔融的金属被连续导入到容器中，冷却水流过冷却歧管而冷却容器的外壁。在制造半固态合金生料时，通过容器顶部开口喷射熔融金属，并通过冷却歧管进行冷却，从而在容器中形成固化区。当电磁场施加部分在施加磁场而破坏固化区所形成的树枝状晶体结构并通过设备下端拉拔由生料形成的坯料时，冷却过程一直继续。该方法和设备的基本技术概念是在固化后通过施加振动而破坏树枝状晶体结构。但是，这个方法存在许多问题，诸如过程比较复杂，并且粒子结构不均匀。在制造设备中，由于连续向下供应熔融金属来形成坯料，因此很难控制金属坯料的状态及整个过程。此外，容器在施加电磁场的前进行冷却，因此在容器的外围和核心区的间存在很大的温差。

还有后文描述的其他流变铸造和触融压铸方法。但是，所有这些方法其工作原理都是在成形后破坏树枝状晶体结构而形成球状粒子的核，从而产生就上述两个专利而描述的问题。

美国专利号4,694,881描述了一种制造触变材料的方法。在该方法中，将合金加热到这样一个温度——在该温度下合金的所有金属成分都以液相出现，并将形成的熔融金属冷却到其液相和固相温度的间的某个温度。然后，给熔融的金属施加足够的剪切力，以破坏其在熔融金属冷却过程中形成的树枝状结构，从而形成触变材料。

日本专利公开号11-33692描述了一种生产流变铸造用金属生料的方法。在该方法中，在温度接近其液相温度或比其液相温度高出50℃的情况下给一个容器提供熔融金属。然后，当至少一部分熔融金属达到低于液相温度的某个温度，即熔融金属被冷却到低于液相温度范围时，给熔融金属施加一定的作用力，例如超声波振动等。最后，熔融金属被慢慢冷却成用于流变铸造、含有球状粒子的金属生料。该方法也使用物理作用力，诸如超声波振动来破坏在固化的早期形成的树枝状晶体。在该方法中，如果铸造温度大于液相温度，则很难形成球状粒子结构并快速冷却熔融金属。此外，该方法还会导致表面和核心结构方面的不均匀性。

日本专利公开号10-128516描述了一种触变金属铸造法。在该方法中，涉及到将熔融金属装入一个容器中，并用浸在熔融金属中的振动棒来振动熔融金属，以便直接将其振动作用力传递给熔融金属。在此过程中，在比其液相温度更低的温度下形成一种含有处于半固态和半液态状态下的核的熔融合金，并将其冷却至它具有预定液体含量的温度，在此温度下保持30秒～60分钟时间，以便熔融合金内的核变大，从而产生触变金属。该方法会产生相对较大的大约为100μm的金属，需要相当长的处理时间，并且不能在比预定尺寸更大的容器中进行。

美国专利号6,432,160描述了一种制作触变金属生料的方法。该方法涉及同时控制熔融金属的冷却和搅拌熔融金属过程，以形成一种触变金属生料。特别的地方是，在将熔融金属加入搅拌容器中的后，位于搅拌容器周围的定子组件操作，产生足够高的磁动势，从而快速搅拌容器中的熔融金属。接着，熔融金属的温度通过配备在搅拌容器周围的热套——用于精确控制搅拌容器核熔融金属的温度——快速降低。熔融金属在冷却过程中被连续搅拌，且搅拌的方式得到良好控制。当熔融金属的固态部分较低时，将进行较快的搅拌。随着固态部分增加，将施加较高的磁动势。

大多数上述用于制造半固态金属生料的普通方法和设备都采用剪切力在冷却过程中将树枝状晶体结构破坏成球状结构。由于在至少一部分熔融金属的温度下降到低于其液相温度后都施加某种作用力譬如振动等，因此会因为初始固化层的形成而产生潜热。结果，会产生大量缺点，诸如降低冷却速度增加制造时间等。此外，由于在内壁与容器中心的间温度不均匀，因此很难形成高质量、均匀的球状金属粒子。如果加入容器的熔融金属其温度没有得到控制，则金属粒子的这种结构上的非均匀性会更加突出。

发明内容

本发明提供了一种用于流变铸造的新铸造方法和设备，它可以确保制造出具有微细、均匀、球状粒子结构的产品，可以提高能量利用率，并提高力学特性，降低成本，它具有易铸造性，从而缩短制造时间。

本发明提供一种用半固态生料在短时间内制造出高质量产品的方法。

依据本发明的实际情况，它提供了一种用于流变铸造的铸造方法，该方法包括：给一个套筒中的生料制造区施加电磁场(该套筒具有两个端头，通过一端插入柱塞，另一端连接到带模腔的铸模中)，并将熔融金属加到生料制造区，制造半固态金属生料；柱塞朝着铸模移动可以将金属生料推到模腔中。

上述模铸法特定的具体应用表明，套筒可以水平布置。在这种情况下，生料制造区由一条安装在套筒另一端的门以及通过套筒一端插入的柱塞来规定。或者，套筒也可以倾斜安装，让插入柱塞的一头向下。在这种情况下，生料制造区仅由通过套筒的一端插入的柱塞规定。或者，套筒至少一部分可以以一定的角度倾斜，让插入柱塞的一头向下。在这种情况下，生料制造区仅由通过套筒的一端插入的柱塞规定。套筒也可以垂直布置，使插入柱塞的一头向下。在这种情况下，生料制造区仅通过套筒的一端插入的柱塞规定。

上述模铸法更加特定的具体应用表明，给生料制造区施加电磁场可以在往套筒中加入熔融金属的前、开始时或中间进行。给套筒施加电磁场可以一直继续，直至生料制造区中熔融的金属其固体部分含量达到0.001-0.7，最好为0.001-0.4，或最佳为0.001-0.1为止。

依据本发明而形成的一种可替代铸模法，可能进一步包括对加入(处于电磁场中的)生料制造区的熔融金属进行冷却的装置。在这种情况下，熔融金属的冷却可以一直继续，直至生料制造区中熔融的金属其固体部分含量为0.1-0.7为止。此外，熔融金属的冷却速度为0.2-5.0℃/秒，最好为0.2-2.0℃/秒。

本发明的另一种情况表明，它提供了流变制造的一种模铸设备，该设备包括：一个搅拌单元，其中包括一定的空间并给该空间施加电磁场；一个套筒，它被容纳在搅拌单元的空间中，套筒的用途是用于容纳熔融金属；一个柱塞，它通过套筒的一端插入，用于推动在套筒中制造的半固态生料；以及一个与套筒另一端相连的铸模，该铸模包括一个可移动模具及一个固定模具，它们结合在一起形成了一个模腔，并可以铸造由柱塞推入模腔的生料，形成产品。

上述模铸设备的特定具体应用表明，套筒可以水平布置。在这种情况下，在靠近(连接铸模的)套筒另一端的地方进一步安装一条门，以便在生料铸造过程中关闭铸模通孔，并在将制造好的生料由柱塞推向铸模过程中打开通孔。或者，套筒至少一部分可以以一定的角度倾斜，让插入柱塞的一头向下。或者，套筒可以包含两个套筒，第一个套筒一端插入柱塞，并可以向下旋转；第二个套筒水平布置，其中第一个套筒可以以一定的角度布置在搅拌单元的空间中，或者可以布置为与第二个套筒对齐。或者，套筒可以垂直布置，让插入柱塞的一头向下，可以上下移动，并且在制造生料后可以与柱塞一起被提起，以匹配铸模的动作，并让柱塞将制造好的生料推入铸模的模腔中。

模铸设备更加特定的具体应用表明，搅拌单元可以在往套筒中加入熔融金属的前、开始时或在中间施加电磁场。

搅拌单元可以一直施加电磁场，直至固体部分含量为0.001-0.7最好为0.001-0.4或最佳为0.001-0.1为止。

在依据本发明而制作的另一个铸模设备中，套筒可能包含一个温度控制元件。该温度控制元件可以至少包括一个冷却器以及一个电热器。温度控制元件可以冷却套筒中的熔融金属，让固体含量达到0.1-0.7。温度控制元件对套筒内的金属进行冷却的速度控制在0.2-5.0℃/秒，最好是0.2-2.0℃/秒。

附图说明

参考附图可以详细描述本发明的内容，本发明的上述以及其他特征和优点就会更加明显，其中：

图1是建立在本发明基础上的流变铸造其铸模法中的温度轮廓图；

图2和图3表示的是依据本发明的具体应用而形成的流变铸造其铸模设备结构；

图4是建立在本发明基础上的适合铸模设备的套筒其部分剖面图；

图5表示的是依据本发明的另一个具体应用而形成的流变铸造其铸模设备结构；

图6和图7表示的是依据本发明的另一个具体应用而形成的流变铸造其铸模设备结构；

图8和图9表示的是依据本发明的另一个具体应用而形成的流变铸造其铸模设备结构。

具体实施方式

通过参考附图，将在下列发明的示范性具体应用中对本发明进行比较充分的描述。

与上述普通工艺不同的是，建立在本发明基础的上的流变铸造铸模法涉及用熔融金属在一个套筒中制造半固态金属生料以及用铸模从半固态金属生料模铸产品。该发明的特殊点是，依据本发明，可以在完成往套筒中加载熔融金属的前施加电磁场。换句话说，电磁搅拌是在往套筒中加入熔融金属的前、开始时以及中间进行的，以防形成树枝状晶体结构。对于搅拌，也可以采用超声波代替电磁场。

特别是，在铸模设备中，布置了一个空套筒。给套筒的预定生料制造区施加电磁场。所施加的电磁场的强度足够强，可以搅拌熔融的金属。

图1是建立在本发明基础的上的流变铸造其铸模法中的温度轮廓图。如图1所示，熔融金属在温度为Tp的条件下加入生料制造区。如上所述，可以在给生料制造区施加电磁场过程中往生料制造区加入熔融金属。但是，本发明却不限于此，电磁搅拌还可以在往套筒中加入熔融金属开始时或过程当中进行。

归功于在往套筒中加入熔融金属完成的前启动的电磁搅拌，熔融金属在固化的早期没有在靠近套筒的内壁处形成树枝状结构，而由于整个熔融金属的温度快速降低到低于其液相温度，因此大量微核在整个生料制造区同时形成。

在往套筒中加入熔融金属的前或开始时给生料制造区施加电磁场，可以在套筒的中央及内壁区域有效搅拌熔融金属，并且导致在套筒中整个熔融金属中进行快速热传递，从而抑制在冷却早期在套筒的内壁附近形成固化层。此外，这种对熔融金属进行的有效搅拌导致了高温熔融金属与套筒低温内壁的间平稳的热对流，因此整个熔融金属可以快速冷却。由于电磁搅拌的作用，熔融金属中的粒子在往套筒中加载时就分散，并在整个套筒中以核的形式分散，因此在冷却过程中在生料制造区中绝少会发生温差问题。但是，在普通工艺中，熔融金属是在往套筒中加入熔融金属的后进行的，一旦接触到套筒的低温内壁，熔融金属的温度突然降低，因此会在容器内壁的生料附近(于冷却早期)形成的固化层中产生树枝状晶体。

通过结合固化潜热进行描述，本发明的原理会变得更加清晰。在建立在本发明基础的上的用于流变铸造的模铸法中，熔融金属没有在冷却早期于靠近套筒内壁的地方固化，从而没有产生固化潜热。因此，为了实现冷却目的，要从熔融金属散掉的热量仅为熔融金属的比热，它仅相当于相应固化潜热的大约1/400。因此，那些在普通方法中于冷却早期在靠近套筒内壁的地方频繁产生的树枝状晶体，在该新发明中就没有形成，并且在整个生料制造区中的全部熔融金属都可以均匀地得到冷却。这个过程从熔融金属的加入算起仅仅用了大约1~10秒钟。结果，在生料制造区形成了大量核，它们均匀分布在整个熔融金属中。增加的核密度缩短了不同核的间的距离，从而形成了球状粒子而不是树枝状粒子。

即使在往套筒中加入熔融金属过程当中施加电磁场，也会获得同样的效果。换句话说，即使在往套筒中加入熔融金属过程当中开始电磁搅拌，也几乎不会在靠近套筒内壁的地方形成固化层。

在往套筒中加入熔融金属时，熔融金属的温度最好保持在这样一个范围内，即液相温度~液相温度+100℃(融化过热＝0~100℃)的范围。依据本发明，由于包含熔融金属的整个生料制造区被均匀冷却，因此可以在超出其液相温度100℃的情况下将熔融金属加入套筒，而无须将熔融金属的温度冷却到接近其液相温度。

而相反，在普通方法中，在往生料容器中加载熔融金属过程结束并且当一部分熔融金属温度低于其液相温度后才施加电磁场。因此，会在靠近容器内壁的地方在冷却早期因固化的形成而产生潜热。由于固化的潜热比熔融金属的比热要高出大约400倍，因此，要让整个熔融金属的温度降低到低于其液相温度，必须要经历较长的时间。因此，在这些普通方法中，熔融金属要在冷却到接近其液相温度或达到比其液相温度高50℃后才加载到容器中。但是，在实践中，控制整个制造过程是不容易的，因为需要等候熔融金属的温度降低到某个预定水平。

根据本发明，电磁搅拌可以在(套筒中熔融金属至少一部分的温度达到低于其液相温度T₁的水平后)任何时候停止，即在固体含量大约为0.001时，在熔融金属中形成核以后，如图1所示。例如，在以下所有过程中，即往制造区中加载熔融金属、在将熔融金属冷却为半固态生料以及将半固态生料推入铸模中可以给套筒的生料制造区施加电磁场。这是因为，一旦核在整个套筒中均匀分布，电磁搅拌就不会影响从金属生料中的核形成晶体粒子的过程。

因此，电磁搅拌可以在金属生料制造过程中一直继续，直至熔融金属的固体部分含量达到至少0.001-0.7为止。但是，电磁搅拌却也可以继续进行，最好达到生料制造区内熔融金属的固体部分含量为0.001-0.4，或者甚至为0.001-0.1，以便提高能量利用率。

在往生料制造区装入熔融金属并允许在熔融金属中形成均匀的核分布的后，生料制造区被冷却，以加速核的形成。该冷却过程可以与往生料制造区装入熔融金属过程同时进行。如上所述，电磁搅拌可以在整个冷却过程中一直继续。

或者，冷却过程可以仅仅维持到开始往铸模中推入所形成的半固态金属生料那一刻，最好是维持到熔融金属其固体含量达到0.1-0.7为止，此时间点在图1中被命名为t₂。在这种情况下，熔融金属可以以0.2-5.0℃/秒的速度冷却。但是，熔融金属的冷却速度可以在0.2-2.0℃/秒范围内变化，具体数据将依据所需要的核分布和粒度而定。

就在依据上述方法制造出具有预定固体含量的半固态金属生料后，半固体金属生料被立即推入到铸模的模腔中进行模铸。

依据上述建立在本发明基础的上的方法，可以在很短的时间内形成半固态金属生料，从往套筒中装入熔融金属到形成固体含量为0.1-0.7的金属生料仅需要30-60秒。此外，通过对由这种方法形成的半固态金属生料进行模铸处理，还可以形成具有均匀致密的球状粒子结构的产品。

上述用于流变铸造的模铸法可以在水平套筒、倾斜套筒以及垂直套筒等情况中应用。

例如，在水平套筒中，生料制造区可以由门以及安装在套筒另一端的柱塞规定。在倾斜套筒中，生料制造区可以仅仅由安装在套筒另一端的柱塞规定。在垂直安装的套筒中，柱塞通过其底端插入，与地面垂直，生料制造区仅由柱塞规定。这些与套筒位置有关的模铸设备的结构变型将在后面描述。

上述用于流变铸造的模铸法可以通过采用依据本发明的具体应用而形成的、图2和图3中所示铸模设备加以实施。

参见图2，依据本发明的具体应用而形成的用于流变铸造的模铸设备1包括一个具有空间12的搅拌单元1，以及一个围绕空间12布置的线圈电磁场施加部分；一个容纳在搅拌单元1的空间12内的套筒2；一个插入在套筒2的一端的柱塞3；以及连接在套筒2另一端的铸模4。

在搅拌单元1中，空间12与线圈电磁场施加部分11通过一个框架(图中未显示)加以固定。线圈电磁场施加部分11向空间12发射出预定强度的电磁场，并且与一个控制线圈电磁场施加部分11产生的电磁场强度以及其操作持续时间的控制器(图中未显示)进行电气连接。用于电磁搅拌的任何线圈设备都可以用于电磁场施加部分11，不存在任何限制。此外，搅拌单元也可以采用能够产生超声波的设备来替代电磁场用于搅拌的目的。

如图2所示，线圈电磁场施加部分11安装在套筒2下边，并围绕生料浇口22——用于在套筒的生料装载孔21上延伸——布置。因此，熔融金属可以在装入套筒2的前被彻底搅拌。

在依据本发明而形成的模铸设备中，套筒2充当生料容器的作用，其中通过电磁场搅拌作用从熔融金属制成半固态金属生料，并且还充当一个通道——沿着该通道，制造好的半固态金属生料很方便地导引到铸模4中。

套筒2是圆柱形的，并被容纳在搅拌单元1的空间12中，其中柱塞3被插入到套筒2的一端，铸模4被连接在套筒的另一端。在套筒2的顶部形成生料加载孔21，而生料浇口22从生料加载孔21延伸到搅拌单元上方。借助生料浇口22，可以比较方便地将熔融金属从上料单元5通过生料加载孔倒入套筒2中。

套筒2可以用金属材料制造，也可以用绝缘材料诸如氧化铝或氮化铝等制造。对于金属套筒2，最好采用其熔点比待装入的熔融金属其熔点要高的金属。尽管在图2中没有显示，但是在套筒2中可以安装一个热电偶，与控制器(图中未显示)连接在一起，给控制器提供套筒2的温度信息。

在图2和3中所显示的基于本发明的具体应用中，套筒2水平布置，在靠近连接到铸模4的一端附近安装了一条门23。当在套筒2中制造半固态金属生料时，门23关闭，而当制造好的半固态金属生料通过柱塞2推向铸模4时，门打开。当套筒2的两端由柱塞3和拉门23都堵塞住后，套筒2可以充当制造生料的生料容器。

尽管在图2和图3中所显示的套筒2具有很简单的结构，仅仅用于容纳熔融金属，但实际上套筒2可以进一步包括一个温度控制元件24，如图4所示。温度控制元件24由一个冷却器和/或一个加热器组成。最好冷却器可以为一根水管25，额外附装在套筒2上，像一个水冷却套。

装入到套筒2中的熔融金属可以以合适的冷却速度由水管25及电热器(图中未显示)加以冷却。很明显，套筒2及图4中所显示的温度控制元件24可以应用到下述所有依据本发明而形成的用于流变铸造的模铸设备的具体应用中。

通过套筒2一端插入的柱塞3被连接到一个额外的压力设备(图中未显示)中，以便能够前后往复运动，就像一个活塞一样。一旦套筒2中半固态生料的制造过程完成，柱塞3就朝铸模3移动，将半固态生料推入铸模4中。

与套筒2的另一端相连的铸模4包括一个可以移动的模具41以及一个固定模具42。可移动模具41与固定模具42结合在一起时就形成了模腔43。固定模具42具有通孔44，通过它，可以从套筒2将半固态生料喷射进模腔43中。可移动模具41与固定模具42由相应的支板45a及45b支撑，它们通过机械设备与铸模设备连接起来。在铸造完成后，可移动模具41与固定模具42分开，以便从模腔43卸出产品。

具有上述结构的建立在本发明基础的上的用于流变铸造的铸模设备其操作参照图1～3进行描述。

图2中所显示的搅拌单元1的线圈电磁场施加部分11，以预定强度给空间12施加具有预定频率的电磁场。作为其应用不存在限制其中一种实例，可以以电压为250V施加强度为500高斯、频率为60Hz的电磁场。

在该状态下，在一个单独的炉子(图中未显示)中准备好的熔融金属被传送到上料单元5中，(上料单元譬如可以为一个戽斗)，然后加到处于电磁场中的套筒2的生料制造区中。或者，可以在套筒2上直接连接一个炉子，直接将熔融金属装到套筒2中。如上所述，可以以比其液相温度高100℃的温度将熔融金属装到套筒2中。

当在电磁搅拌情况下往套筒2中装入完全熔化的液态金属时，微小的粒子在套筒2中均匀分布，并且在不形成树枝状晶体结构的情况下快速增长。

或者，可以如上所述，在往套筒2中装入熔融金属开始时或在装入过程当中施加电磁场。

此外，电磁场的施加可以持续到将形成的半固态生料推入模腔43中的前，例如，一直持续到熔融金属的固体含量达到至少0.001-0.7，最好为0.001-0.4，甚至最好为0.001-0.1，以提高能量利用率。施加电磁场的持续时间可以针对具体应用而大致确定。

在结束施加电磁场或在施加电磁场过程中，套筒2中的熔融金属以预定速度冷却成固体含量为0.1-0.7的半固态金属生料。冷却速度由安装在套筒2外壁上的温控元件24(见图3)加以控制，譬如控制为0.2-5℃/秒，最好为0.2-2℃。

当半固态金属生料的制造过程完成后，门23打开，柱塞3被移向铸模4，以推动半固态金属生料，通过铸模的通孔44进入模腔43，如图3所示，随后进行快速冷却而制造出形状与模腔43形状一致的产品。

当采用建立在本发明基础的上的上述流体铸造用模铸设备时，可以通过简单的方式制造出具有微细、均匀粒子结构的产品。此外，由于制造半固态金属生料所需要的时间大大减少，因此用于制造产品所需要的总体加工时间减少，节省了能量，并提高了生产率。

图5显示的是依据本发明的另一种具体应用的流变铸造用铸模设备的结构，它与以前的具体应用不同的是，套筒2倾斜，使得作为柱塞入口的一端朝下。以下说明将把重心放在下述具体应用与前述具体应用的差异上。

图5中的铸模设备不需要用门来堵塞没有完全加工成半固态生料的熔融金属流入铸模4中，因为套筒2是倾斜的。由于通过生料加载孔21加载的熔融金属往下流向柱塞3，不可能溢流并进入铸模4，因此无须在套筒2中安装单独的门。但是，最好安装一个额外的屏障来阻塞生料上料孔21，以防在柱塞3移向铸模4时，套筒2中形成的半固态金属生料通过生料上料孔21流出。套筒2的倾斜角可以依据设计需要而变化，但被限制在这样一个角度——保证熔融金属在制造半固态金属生料过程中不会溢出并停留在套筒2内。

如图5所示，与套筒2的另一端(与柱塞3对立)相连的铸模4也被整体倾斜。但是，在配备其他必须的模铸机时，铸模4的这种倾斜引发了一定的限制。因此，可以组建一种可替选的建立在本发明基础的上的流变铸造用模铸设备，如图6和7所示，其中铸模4被水平布置，仅仅套筒的生料制造区可以布置为与铸模4成一定的角度。

特别是，参见图6和7，套筒2由两个套筒组成，第一个为23，可以以角度θ布置，第二个套筒为24，固定在铸模4上，其中第一个套筒23充当生料制造区的作用，并被布置在搅拌单元1的空间12内。第一个套筒23以θ角与第二个套筒铰接在一起，最好该角度小于90度。当第一个套筒23相对于地面以90度布置(如图6所示)时，熔融金属被装入到第一个套筒23中，并在这里被加工成半固态金属生料。当半固态金属生料的制造过程结束后，第一个套筒23被布置为与第二个套筒24对齐，柱塞3移向铸模4，推动半固态金属生料进入模腔43进行铸造，如图7所示。图6和7的模铸设备不需要单独的生料加载孔。

图8和图9显示的是依据本发明另一种具体应用的流变铸造用铸模设备。在图8和9中的模铸设备中，套筒2被垂直布置，以便与额外的驱动设备一起上下运动(图中未显示)。柱塞3通过套筒2的底端向上插入。套筒2与铸模4分开。

特别的地方是，套筒2由三个套筒组成，一个主套筒2a，一个可移动套筒2b及一个固定套筒2c。主套筒2a，柱塞3穿过其底端向上插入，顶端开口，通过它装入熔融金属，主套筒2a充当生料制造区。主套筒2a的底端接触与驱动设备(图中未显示)相连的可移动套筒2b。在半固态生料的制造完成后，由可移动套筒2b向上推动主套筒2a，让它与附装在固定模具42上的固定套筒2c相匹配。主套筒2a和可移动套筒2b可以形成单个本体。主套筒2a被布置在安装在支撑结构13上的搅拌单元1的空间12内，安装线圈电磁场施加部分11来围绕空间12。

铸模4也垂直布置，使得其通孔44面对垂直布置的套筒2。固定模具42具有一个台阶式底端部分，而固定的套筒2c及支撑元件46附装在铸模42的台阶式底端部分。主套筒2a安装在固定套筒2c中，并由支撑元件46紧紧地支撑。

在操作具有上述结构的模铸设备时，主套筒2a与铸模4分开，并被布置在搅拌单元1的空间12中，如图8所示。然后，通过线圈电磁场施加部分11给空间12施加电磁场，并通过上料单元5往主套筒2a装入熔融的金属。主套筒2a可以充当生料铸造区，因为柱塞3堵塞了它的底端。

装入主套筒2a的熔融金属通过冷却过程加工成半固态金属生料，如前面具体应用中所描述的那样。

在完成半固态金属生料的制造过程后，可移动套筒2b及柱塞3提升，以便将主套筒2a装到附装在铸摸4上的固定的套筒2c中。然后，柱塞3加速达到固定模具42处，并将半固态金属生料推入铸摸4的模腔43中进行铸造过程。

上述针对图8和9描述的依据本发明用于流变铸造的模铸设备具有简单的结构，没有在套筒2和铸模4的间充当屏障的门，其中由套筒2充当生料铸造区。

如上所述，依据本发明用于流变铸造的模铸法和设备与各种金属及合金都兼容，例如，可用于铝、镁、锌、铜、铁等金属及这些金属形成的合金。

本发明的用于流变铸造的模铸法及设备具有以下效果：

首先，可以制造具有微细、均匀、球状粒子结构的产品。

第二，通过在超出源金属液相温度的温度水平上启动电磁搅拌，在整个套筒中产生更多核，可以在短时间内，用熔融金属作为启动材料形成致密而均匀的球状粒子。

第三，用建立在本发明基础的上的模铸设备制造的产品具有更高的力学性能。

第四，电磁搅拌的持续时间被大大缩短，因此可以节省搅拌的能量。

第五，总体过程得到简化，铸造持续时间缩短，因此大大提高了生产率。

尽管本发明在上面特别针对其示范性的具体应用而显示并描述，但那些在该领域具有常规技巧的人都会明白，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可以在形式和细节上进行各种变化，正如下面的“权利要求书”中所限定的那样。

Claims (31)

1.一种用于流变铸造的模铸法，该方法包括：

给一个一端插入柱塞另一端与带有模腔的铸模相连的套筒中的生料制造区施加电磁场，并往生料制造区装入熔融金属以制造半固态金属生料；以及

将柱塞向铸模移动，从而将金属生料推入模腔中。

2.在权利要求1中的模铸法中，其套筒水平布置，生料制造区由靠近套筒另一端而安装的一条门以及通过套筒一端插入的柱塞确定。

3.在权利要求1中的模铸法中，其套筒倾斜布置，让插入柱塞的一端朝下，而生料制造区仅仅由通过套筒一端插入的柱塞确定。

4.在权利要求1中的模铸法中，其中套筒可以至少有一部分以一定的角度倾斜，从而让通过其插入柱塞的一端朝上，而生料制造区仅仅由通过套筒一端插入的柱塞确定。

5.在权利要求1中的模铸法中，其中套筒可以垂直布置，从而让通过其插入柱塞的一端朝上，而生料制造区仅仅由通过套筒一端插入的柱塞确定。

6.在权利要求1~5中的模铸法中，在将熔融金属装入套筒的前给生料制造区施加电磁场。

7.在权利要求1～5中的模铸法中，在将熔融金属装入套筒开始时给生料制造区施加电磁场。

8.在权利要求1～5中的模铸法中，在将熔融金属装入套筒当中给生料制造区施加电磁场。

9.在权利要求1～5中的模铸法中，给套筒施加电磁场的过程一直持续，直到生料制造区内的熔融金属中固体的含量达到0.001-0.7为止。

10.在权利要求9中的模铸法中，给套筒施加电磁场一直持续，直到生料制造区内的熔融金属中固体的含量达到0.001-0.4为止。

11.在权利要求10中的模铸法中，给套筒施加电磁场一直持续，直到生料制造区内的熔融金属中固体的含量达到0.001-0.1为止。

12.在权利要求1～5中的模铸法中，进一步包含对装入(处于电磁场中的)生料制造区中的熔融金属进行冷却的装置。

13.在权利要求12中的模铸法中，熔融金属的冷却过程一直持续，直至生料制造区内的熔融金属其固体含量达到0.1-0.7为止。

14.在权利要求12中的模铸法中，对熔融金属的冷却过程以0.2-5.0℃/秒的速度进行。

15.在权利要求14中的模铸法中，对熔融金属的冷却过程以0.2-2.0℃/秒的速度进行。

16.一种用于流变铸造的模铸设备，该设备包括：

一个搅拌单元，它包括一个空间，并给该空间施加电磁场；

一个套筒，套筒被容纳在搅拌单元的空间中，并在套筒中装入熔融金属；

一个柱塞，它通过套筒的一端插入，推动在套筒中制造的半固态生料；以及

一个连接在套筒另一端的铸模，该铸模包括一个可移动模具及一个固定模具，当它们结合在一起时就形成了一个模腔，铸模可以将由柱塞推入模腔的生料铸造成产品。

17.在权利要求16中的模铸设备中，套筒水平布置，在靠近连接到铸模的套筒另一端的地方安装一条门，由门在生料制造过程中关闭铸模的通孔，并在铸造好的生料被柱塞推向铸模的过程中打开通孔。

18.在权利要求16中的模铸设备中，套筒至少有一部分以一定的角度倾斜，从而让通过其插入柱塞的套筒的一端朝下。

19.在权利要求16中的模铸设备中，套筒包括两个套筒，对第一个套筒，通过其一端插入柱塞，并可以向下旋转；第二个套筒水平布置，第一个套筒可以以一定的角度布置在搅拌单元的空间内，并可以布置为与第二个套筒对齐。

20.在权利要求16中的模铸设备中，套筒垂直布置，使得通过其插入柱塞的一端朝下，可以上下运动，并且在制造生料后与柱塞一起提升，以匹配铸模的需要，并让柱塞将制造好的生料推入到铸模的模腔内。

21.在权利要求16中的模铸设备中，在往套筒中装入熔融金属的前，搅拌单元施加电磁场。

22.在权利要求16中的模铸设备中，在开始往套筒中装入熔融金属时，搅拌单元施加电磁场。

23.在权利要求16中的模铸设备中，在往套筒中装入熔融金属过程中，搅拌单元施加电磁场。

24.在权利要求16中的模铸设备中，搅拌单元施加电磁场的过程一直持续，直至套筒内的熔融金属其固体含量达到0.001-0.7为止。

25.在权利要求24中的模铸设备中，搅拌单元施加电磁场的过程一直持续，直至套筒内的熔融金属其固体含量达到0.001-0.4为止。

26.在权利要求25中的模铸设备中，搅拌单元施加电磁场的过程一直持续，直至套筒内的熔融金属其固体含量达到0.001-0.1为止。

27.在权利要求20中的模铸设备中，其中的套筒包括一个温度控制元件。

28.在权利要求27中的模铸设备中，其中的温度控制元件至少包括一个冷却器和一个电热器。

29.在权利要求27中的模铸设备中，其中的温度控制元件将套筒中的熔融金属冷却为达到0.1-0.7的固体含量。

30.在权利要求27中的模铸设备中，其中的温度控制元件将套筒中的熔融金属以0.2-5.0℃/秒的速度冷却。

31.在权利要求27中的模铸设备中，其中的温度控制元件将套筒中的熔融金属以0.2-2.0℃/秒的速度冷却。

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