CN1526495A - 定向凝固的铸造方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种定向凝固的铸造方法，包括如下步骤：将局部区域温度可控的模具预热之后，把液体金属从模具上的材料输入口输入模腔中；控制模具的局部位置开始冷却，而模具的其它区域处于保温状态；通过传感器采集信息，判断液态金属凝固过程中的已凝固材料固相区域、结晶区域及液相区域所处的动态位置；通过控制局部区域的温度，使处于与液相未结晶材料相接触的模具区域的金属液处于过热状态，同时使处于与已结晶固相材料相接触的模具区域的热量散出；一种定向凝固铸造装置，包括模具，所述模具的同一区域中同时设置有空心冷却通道及加热元件。本发明操作简单，控制方便，可制造大型尺寸、复杂形状的铸件，产品组织性能优良，适于大批量生产应用。

Description

定向凝固的铸造方法及其装置

                          技术领域

本发明属于铸造技术领域，特别涉及一种定向凝固的铸造方法及其装置。

                          背景技术

自从1952年首先采用定向凝固方法研究平面及胞状凝固以来，定向凝固技术得到迅速发展。该技术最初用来消除结晶过程中生成的横向晶界，从而提高材料的单向力学性能。由于定向凝固技术能得到一些具有特殊组织取向和优异性能的材料，目前的定向凝固技术的最主要应用是生产具有均匀柱状晶或单晶组织的铸件，特别是在航空领域生产高温合金的发动机叶片，与普通铸造方法获得的铸件相比，这种技术能使叶片的高温强度、抗蠕变和持久性能、热疲劳性能得到大幅度提高。对于磁性材料，应用定向凝固技术，可使柱状晶排列方向与磁化方向一致，大大改善了材料的磁性能。定向凝固技术也是制备单晶的有效方法，半导体单晶硅材料很多是采用定向凝固的方法制造的。定向凝固技术还广泛用于自生复合材料的生产制造，用定向凝固方法得到的自生复合材料消除了其它复合材料制备过程中增强相与基体间界面的影响，使复合材料的性能大大提高。目前，定向凝固的方法主要包括：加热剂法、功率降低法、快速凝固法、液态金属冷却法等。传统的定向凝固技术存在冷却速度慢、温度梯度小的缺点，而且只能生产小型铸件及小截面型材。申请号为97196810的中国发明专利描述了一种用于制造螺旋桨、机翼、叶片、喷管等类似部件的定向凝固铸造的方法，该方法是在一个熔铸炉的加热区域中将铸型加热到一个预定的温度，将初始足量的熔融超合金材料浇注到位于加热区域中的铸型内以使熔融超合金材料的位置在铸件的凝固前沿上方，从而防止定向凝固铸件的晶体生长出现扰动，通过将铸型从加热区域拉入一个冷却区域使所述熔融超合金材料定向凝固，此方法装置较复杂，拉动铸型的速度只能凭经验确定，操作过程较难把握。申请号为95103050的专利描述了一种异形筒状薄壁件的连续定向凝固铸造工艺及设备，该方法是在铸件的外表面采用了连续定向凝固或电磁结晶器连续铸造的工艺方法，而在铸件的内表面采用了定向凝固精密铸造的工艺方法。前述方法的不足之处在于设备结构复杂，没有信息采集系统，无法判断出液态金属凝固过程中的已凝固材料固相区域、结晶区域及液相区域所处的动态位置，铸造过程中铸型或铸件相对移动的速率只能通过经验确定，操作过程较难控制，所制造的零件的形状及尺寸受设备结构的限制，只能生产筒形件或简单形状铸件。

                          发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，提供一种操作简单，控制容易、可靠，可制造大型尺寸、复杂形状的铸件，产品组织性能优良，适于大批量生产应用的定向凝固的铸造方法。

本发明的另一目的在于提供一种实现上述方法的定向凝固铸造装置。

本发明的目的通过下述技术方案实现：本定向凝固的铸造方法包括如下步骤和工艺条件：(1)将局部区域温度可控的模具预热之后，把液体金属从模具上的材料输入口输入模腔中；(2)控制模具的局部位置开始冷却，而模具的其它区域处于保温状态；(3)通过传感器采集信息，判断出液态金属凝固过程中的已凝固材料固相区域、结晶区域及液相区域所处的动态位置；(4)通过控制局部区域的温度，使处于与液相未结晶材料相接触的模具区域的金属液处于过热状态，同时使处于与已结晶固相材料相接触的模具区域的热量散出，从而形成有规律的热流场，在液相和已凝固的固相之间形成温度由高到低的温度场，使模具中的液态金属不会向模壁上结晶，而只向已凝固的固相材料上结晶，实现液态材料的定向凝固，从而获得定向凝固的铸件。

所述局部区域温度可控的模具是在模具的同一区域中同时分布有空心冷却通道及加热元件，空心冷却通道中通冷却液可导出热量，加热元件通电可以产生热量，可单独控制每根空心冷却通道中冷却液的流通，也可单独控制每个加热元件的加热，同时控制两者既可以使模具的局部区域升温，也可以使其降温，从而实现对模具上的局部区域的冷却和加热实行动态的控制。

为了更好地实现本发明，可以在液态材料输入口对液相材料施加压应力。压应力可以通过液相材料传递到结晶区域，在液态材料凝固过程中，使液态材料在压应力条件下结晶，从而获得具有更优良的组织性能。

为了更好地实现本发明，可以在真空环境下进行上述定向凝固过程。

实现上述方法的定向凝固铸造装置包括模具，其特征在于：所述模具的同一区域中同时设置有空心冷却通道及加热元件，空心冷却通道通过控制阀与冷却液供应构件相连接，加热元件通过开关与电源相连接，控制阀及开关与控制件相连接。

所述模具中各空心冷却通道可以单独设置；这样可单独控制每根空心冷却通道中冷却液的流量及流速，从而可控制模具局部区域的降温幅度大小。

所述模具中各加热元件分别与不同的控制开关连接，这样可单独控制每个加热元件的加热状态，从而可控制模具局部区域的升温幅度大小。

所述空心冷却通道与加热元件相间排列设置，亦可根据需要排列成其他结构形式；空心冷却通道与加热元件的排列分布要保证模腔内任意区域的温度可有效地控制。

所述模具中设置有传感器，所述传感器紧贴在靠近型腔模壁的位置；通过传感器可采集相关信息，判断出液态金属凝固过程中的已凝固材料固相区域、结晶区域及液相区域所处的动态位置，控制系统可根据此动态位置的相关信息控制冷却液的流通和加热元件的加热，从而可以动态控制液态材料的定向凝固。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)本发明可实现复杂结构大型零件的精密铸造，而且组织性能优良。

(2)利用本发明能够始终维持液相材料相连通，不会被已凝固区阻隔断，从而保持补缩通道的畅通，可消除缩松、缩孔等常见铸造缺陷。

(3)本发明可方便地控制铸型及铸件上的温度场，获得较大的温度梯度，有利于定向凝固的进行。

(4)与采用焊接和铆接的大型结构件相比，利用本发明方法制造的铸件是无缝整体结构，铸件的可靠性及安全性高。

(5)利用本发明可实现无余量或少余量精密铸造。

(6)本发明操作简单，控制容易、可靠，适于大批量生产使用，应用范围较广，市场前景较好。

                          附图说明

图1是本发明所用模具在成型带筋薄板厚度方向的截面结构示意图。

图2是本发明所用模具在成型薄壳形铸件厚度方向的截面结构示意图。

                        具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

本实施例所要制备的是定向凝固带筋薄板铸件。所使用的模具如图1所示，在图1中，模块1和模块2由锁模扣3锁紧，组合成铸型，冒口4下端插入铸型内，冒口4内设置有液态材料输入口5，在铸型壁内及冒口4的壁内都相间排列设置有空心冷却通道8及加热元件6，空心冷却通道8通过控制阀与冷却液供应构件相连接，加热元件6通过开关与电源相连接，控制阀及开关与控制件相连接，模具中设置有温度传感器7，所述温度传感器7紧贴在靠近型腔模壁的位置。

本定向凝固带筋薄板铸件的制备过程具体如下：首先给分布在模块1、模块2、冒口4、及液态材料输入口5上的加热元件6通电，将用45号钢材制成的模块1、模块2、冒口4、及液态材料输入口5预热到620℃，然后将过热到760℃的铝合金液浇到冒口4中，铝合金液经液态材料输入口5进入型腔，并排出型腔内的气体，直至型腔内充满铝合金液，并且冒口4中保留有足够补缩所需要的金属液；分布在模块1、模块2、冒口4、及液态材料输入口5上的温度传感器7能够测出各个部位的温度；加热元件6和空心冷却通道8通过获得的温度信息对铸型及铸型内的铝合金液进行保温或冷却；既可单独控制每根空心冷却通道中冷却液的通断及供液量的大小，也可以单独控制每个加热元件的通断及功率的大小。冷却过程开始时，首先给铸型最底下的空心冷却通道8通冷却水，使铝合金液从最底部开始结晶，结晶面不断由下向上移动，通过获得的各部位的温度信息判断结晶面所处的位置，依次使分布在已结晶材料相接触的模具区域的加热元件停止加热，使分布在与已结晶材料固相相接触的模具区域的空心冷却通道通冷却水，也就是当结晶面在高度线9的位置时，高度线9以下位置的加热元件都停止加热，高度线9以下位置的空心冷却通道都通冷却水；对分布在与未结晶材料液相相接触的模具区域，也就是高度线9位置以上的加热元件对铸型及铸型内的铝合金液进行保温，高度线9以上位置的空心冷却通道都不通冷却液；随着结晶面不断由下向上移动，对加热元件6的加热和空心冷却通道8的冷却实行动态的控制；当结晶面达到高度线10的位置后，铸型内的铸件已完全形成，使所有的加热元件断电，倒掉冒口4中剩余的铝合金液，给所有的空心冷却通道通冷却水，铸型冷却之后，从铸型上卸下冒口4，打开模具，取出带筋薄板铸件。在液态材料凝固过程中，能够始终保证结晶面与液态材料输入口或冒口之间通过液体材料相连通，液体材料能够连续不断地向结晶面补充由于液体材料凝固和温度降低造成的凝固收缩、液态收缩、固态收缩所需的材料，不会出现结晶面和液态材料输入口或冒口之间被凝固了的材料隔断的情况。

实施例2

本实施例除下述过程外与实施例1相同：在图1中冒口4上设置一密封盖将冒口4密封，然后向冒口4内打入压缩气体，对冒口4内的铝合金液面通过气体施加1.5MPa的压应力。

实施例3

本实施例所要制备的是定向凝固薄壳形铸件。所使用的模具如图2所示，在图2中，模块11和模块12由螺钉锁紧，组合成铸型，冒口4插入铸型一端内，冒口4内设置有液态材料输入口5，在铸型壁内及冒口4的壁内都相间排列设置有空心冷却通道8及加热元件6，空心冷却通道8通过控制阀与冷却液供应构件相连接，加热元件6通过开关与电源相连接，控制阀及开关与控制件相连接，模具中设置有温度传感器7，所述温度传感器7紧贴在靠近型腔模壁的位置。

本定向凝固薄壳形铸件的制备过程具体如下：首先给分布在模块11、模块12、冒口4、及液态材料输入口5上的加热元件6通电，将用45号钢材料制成的模块11、模块12、冒口4、及液态材料输入口5预热到620℃，然后将过热到760℃的铝镁合金液浇到冒口4中，铝镁合金液经液态材料输入口5进入型腔，并排出型腔内的气体，直至型腔内充满铝镁合金液，并且冒口4中保留有足够补缩所需要的金属液。分布在模块11、模块12、冒口4、及液态材料输入口5上的温度传感器7测出各个部位的温度，加热元件6和空心冷却通道8通过获得的温度信息对铸型及铸型内的铝合金液进行保温或冷却。既可单独控制每根空心冷却通道8中冷却液的通断及供液量的大小，也可以单独控制每个加热元件6的通断及功率的大小。冷却过程开始时，首先给铸型最底下的空心冷却通道8通冷却水，使铝镁合金液从最底下开始结晶，结晶面不断由下向上移动，通过获得的各部位的温度信息判断结晶面所处的位置，依次使分布在已结晶材料相接触的模具区域的加热元件6停止加热，使分布在与已结晶材料固相相接触的模具区域的空心冷却通道8通冷却水，也就是当结晶面在高度线9的位置时，高度线9以下位置的加热元件6都停止加热，高度线9以下位置的空心冷却通道8都通冷却水；对分布在与未结晶材料液相相接触的模具区域，也就是高度线9位置以上的加热元件6对铸型及铸型内的铝镁合金液进行保温，高度线9以上位置的空心冷却通道8都不通冷却液；随着结晶面不断由下向上移动，对加热元件6的加热和空心冷却通道8的冷却实行动态的控制；当结晶面达到高度线10的位置后，铸型内的铸件已完全形成，使所有的加热元件6断电，倒掉冒口4中剩余的铝镁合金液，给所有的空心冷却通道8通冷却水，铸型冷却之后，从铸型上卸下冒口4，打开模具，取出薄壳形铸件。

Claims (9)

1、一种定向凝固的铸造方法，其特征在于包括如下步骤：(1)将局部区域温度可控的模具预热之后，把液体金属从模具上的材料输入口输入模腔中；(2)控制模具的局部位置开始冷却，而模具的其它区域处于保温状态；(3)通过传感器采集信息，判断液态金属凝固过程中的己凝固材料固相区域、结晶区域及液相区域所处的动态位置；(4)通过控制局部区域的温度，使处于与液相未结晶材料相接触的模具区域的金属液处于过热状态，同时使处于与已结晶固相材料相接触的模具区域的热量散出，在液相和已凝固的固相之间形成温度由高到低的温度场。

2、根据权利要求1所述的定向凝固的铸造方法，其特征在于：所述局部区域温度可控的模具是在模具的同一区域中同时分布有空心冷却通道及加热元件。

3、根据权利要求1所述的定向凝固的铸造方法，其特征在于：在模具上的材料输入口对液相材料施加压应力。

4、根据权利要求1所述的定向凝固的铸造方法，其特征在于：所述定向凝固的铸造步骤在真空环境下完成。

5、一种定向凝固铸造装置，包括模具，其特征在于：所述模具的同一区域中同时设置有空心冷却通道及加热元件，空心冷却通道通过控制阀与冷却液供应构件相连接，加热元件通过开关与电源相连接，控制阀及开关与控制件相连接。

6、根据权利要求5所述的定向凝固铸造装置，其特征在于：所述模具中各空心冷却通道单独设置。

7、根据权利要求5所述的定向凝固铸造装置，其特征在于：所述模具中各加热元件分别与不同的控制开关连接。

8、根据权利要求5所述的定向凝固铸造装置，其特征在于：所述空心冷却通道与加热元件相间排列设置。

9、根据权利要求5所述的定向凝固铸造装置，其特征在于：所述模具中设置有传感器，所述传感器紧贴在靠近型腔模壁的位置。

Images