CN202517025U - 消除金属铸件中近表面气孔和表面拉伤缺陷的系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于消除金属铸件中近表面气孔和表面拉伤缺陷的系统，包含：具有中心销的铸造模具；导入铸造模具用于铸造的熔融金属；从内部熔合至中心销以从熔融金属和铸造模具吸热的铜杆。本实用新型还公开了一种用于消除金属铸件中近表面气孔和表面拉伤缺陷的系统，该系统包含熔合至易于产生表面拉伤和近表面气孔的模具较热区域以通过模具从金属铸件吸热的带有高导热性的材料。本实用新型能够避免金属铸件不均匀凝固、近表面气孔及表面拉伤，还能够以较低的热波动吸取热量，避免了模具和铸件的热应力。

Description

消除金属铸件中近表面气孔和表面拉伤缺陷的系统

技术领域

本实用新型总体上涉及金属铸造领域，更为具体地，涉及消除金属铸件中近表面气孔和表面拉伤缺陷的系统。 

背景技术

由轻型金属(例如铝)制成的复杂的铸件通常面临多个与热量相关的挑战，会对其质量造成不良影响。这些挑战中的两个为表面拉伤(surface tear)和近表面气孔(近表面空隙，near-surface porosity)。这些铸造挑战与从铸造材料转移至其模具表面的热流率和总热量有关。 

表面拉伤通常会在模具(例如钢)与熔融铸件接触的表面的温度增加时发生。增高的温度导致模具与熔融铸件接触的表面化学分解。在铸件凝固之后，模具表面的一部分会与固体铸件粘结在一起。此粘结使得铸件难以脱出，其会由于脱出力而导致表面拉伤。 

铸件中的气孔或空隙是由于金属收缩而产生的。例如，铝铸件在熔融状态的收缩率为5％，在固态的收缩率为5％。熔融状态和固态之间(即凝固过程期间)铝发生收缩，形成气孔空隙。这些空隙在最后凝固的区域内成型。 

在复杂铸件中，一些铸件区域可能比其它铸件区域厚，而这些区域最后凝固。另外，为了在铝铸件中成型孔，最常使用“中心销”(固体圆柱形模具部件)。围绕这些中心销灌注或注射熔融铝并随后凝固。总体上，中心销吸收大量来自周围铸件的热量但无法散发此热量，使这些模具元件成为模具中最热的区域。与中心销接触的铝铸件最后凝固，导致近表面空隙。这些空隙通常在从机器移除铸件外表面之后暴露出来。 

为了避免表面拉伤，应当从所选择的铸件横截面较大区域吸取大量热量。类似地，为了避免近表面气孔空隙，应当在凝固期间得到较高的吸热速度。通过从铸件吸取较多热量，最后凝固的区域可更深入铸件内，使得任何潜在的收缩气孔能够在铸件内更深处成型。 

为了克服这些机械缺陷，过去利用了多种方法。在一个这种方法中， 铸造者使用红外热探测器识别模具中的温度最高点，并在这些区域上直接喷水。尽管该方法立刻降低了模具温度，其可能对金属伤害很大。这种较大的温度波动(水的环境温度为大约40F，热钢的温度为大约800F)导致热应力，其随着时间会发展为热疲劳，相当大地降低模具寿命。 

另一种常用方法为将水位设置于距离模具表面四分之三英寸处。此距离确保模具与水的接触面处的热波动不会太高。然而，水无法以此距离高效导热，导致模具冷却效率较低。第三种方法在模具处于最高热负荷时迫使小水流穿过模具。随后，空气回路将水吹走。水吸收热量后立刻蒸发，该热蒸汽被吸出模具，使模具相对较冷。该方法成功地用于小型廉价模具或中心销，但其无法用于复杂的昂贵铸造模具。 

因此，需要一种高效冷却铸件和压铸模(包括中心销)并保持中心销表面的温度相对较低以避免近表面气孔及表面拉伤的装置及方法。 

发明内容

根据本实用新型的一个方面，公开了一种用于消除金属铸件中近表面气孔和表面拉伤缺陷的系统，包含：具有中心销的铸造模具；引导入铸造模具用于铸造的熔融金属；熔合至中心销内部从熔融金属和铸造模具吸热的铜杆。 

根据本实用新型的一个实施例，铜杆通过银焊料熔合至中心销。 

根据本实用新型的一个实施例，铜杆通过硬钎焊熔合至中心销。 

根据本实用新型的一个实施例，金属铸件由铝、铝合金、镁合金、或锌合金中的至少一种制成。 

根据本实用新型的一个实施例，铸造模具由钢、合金钢、或铁中的至少一种制成。 

根据本实用新型的一个实施例，铜杆的一端延伸出中心销。 

根据本实用新型的一个实施例，铜杆延伸出中心销的一端包括一个或多个圆柱形散热片。 

根据本实用新型的一个实施例，铜杆延伸出中心销的一端连接至空气冷却回路、氮气冷却回路、或水冷回路中的至少一种。 

根据本实用新型的另一个方面，公开了一种用于消除金属铸件中近表面气孔和表面拉伤缺陷的系统，该系统包含：熔合至易于产生表面拉伤和近表面气孔的模具较热区域以通过所述模具从所述金属铸件吸热的带有 高导热性的材料。 

本实用新型的一个实施例描述了用于从铸造模具高效吸取热量的装置。该装置由导热性非常高的材料(例如铜或银)制成，且将此材料熔合至易发生近表面气孔或表面拉伤的铸造模具较热(或较厚)区域。高导热性使得该装置能够从铸件和模具迅速吸取热量，并允许铸件的较厚部分更快地凝固。该装置还包括冷却回路，其将热量从该装置传递至铸造模具外部。 

本实用新型的另一实施例描述了一种用于消除影响金属铸件的近表面气孔和表面拉伤缺陷的方法。该方法包括准备铸造模具、将熔融金属引导入模具、以及在引导熔融金属之前将铜熔合至模具易产生近表面气孔或表面拉伤的热区域。将铜材料熔合至模具，这样其以与从铸件较轻区域吸取热量的速度相当的速度从热区域吸取热量以避免金属铸件不均匀凝固、近表面气孔、及表面拉伤。另外，铜以较低的热波动吸取热量，避免了模具和铸件的热应力。 

本实用新型还公开了一种去除金属铸件中近表面气孔和表面拉伤的方法，该方法包含：准备具有至少一个易于发生近表面气孔或表面拉伤的热区域的铸造模具；将铜金属熔合至该易于产生气孔或表面拉伤的热区域；将熔融金属引导入铸造模具；以及通过铜金属从热区域吸热以迅速冷却熔融金属并加速熔融金属从外至内的凝固从而避免导致气孔缺陷。 

根据本实用新型的一个实施例，易于产生表面拉伤和近表面气孔的模具较热区域为中心销。 

根据本实用新型的一个实施例，带有高导热性的材料为铜。 

根据本实用新型的一个实施例，铜成形为杆、块、板、或线中的至少一种。 

根据本实用新型的一个实施例，铜通过银焊料或硬钎焊中的至少一种熔合至所述热区域。 

根据本实用新型的一个实施例，铜成形为铜杆并从内部熔合至中心销。 

附图说明

附图显示并说明了本实用新型的多个示例性实施例。多个附图中，类似的附图标记表示相同或功能类似的元件。附图实质上为说明性的且并非 按比例绘制。 

图1为本实用新型实施例可采用的示例性铸造模具的立体图。 

图2为根据本实用新型实施例的示例性模具中心销的截面图。 

具体实施方式

参考附图描述了下文的具体描述。描述了示例性实施例以说明本实用新型的主题而非限制其范围，其范围由权利要求确定。 

本实用新型实施例涉及从金属铸件及其模具迅速去除热量的系统和方法。吸取热量使得能够通过将温度波动值维持在可接受限值内而改善冷却。借助示例(在钢或合金钢模具中成型的铝或铝合金铸件)描述了本实用新型所公开的该系统。应理解其仅为示例性的且可利用本实用新型的实施例从任何合适的材料(例如镁、镁合金、铁合金、锌合金等)吸取热量。另外，可在任何合适的铸造流程(例如高压压铸、模压铸造、半固体铸造、或冷硬铸造)中利用该系统而不脱离本实用新型的范围。 

图1说明了本实用新型的实施例可采用的示例性复杂压铸模具100。复杂铝铸件(例如车门框架或车身)通常使用类似的模具进行压铸。如图所示，精心设计了模具，在一些部分较厚，在其他部分较薄。另外，为了在铸件中形成孔，一些模具可包括中心销，例如中心销102。将熔融的铝灌注或喷射入模具100中，而随后熔融的铝随着时间流逝而凝固，形成铝铸件。可从模具100移除铸件并进行加工。 

如上所述，近表面气孔空隙通常产生于中心销102和铝铸件之间的接触面附近，因为此区域最后凝固。另外，来自熔融铝的热流使中心销102升温较高。在这种高温下，钢可能与熔融铝相混合，而在凝固时钢可能与铝粘结，导致表面拉伤。除了中心销102之外，铸件的其它较厚部分也比较轻部分冷却得慢，导致铸件不均匀凝固。凝固较晚的部分比较轻部分具有更多的空隙，导致铸件的机械特性不同。 

本实用新型的实施例将高导热材料熔合至钢模具的中心销或其它高温区域以允许高效散热。一种此材料(铜)的导热系数为大约223BTU/(hr·ft·°F)，其大约为合金钢的14.8倍。因此，熔合至模具100的铜杆可从铸件和模具100吸收大量的热，导致模具钢内热波动相对较低。这种迅速的吸热速度使得能够更快地冷却铸件的较厚部分(几乎等于较轻部分的冷却速度)，导致铸件均匀凝固。 

图2为模具100的截面图，其中本实用新型的实施例迅速地吸热。附图说明了被铸件(例如铝铸件)202所包围的中心销102(例如钢合金中心销)。半径比中心销102小得多的铜杆204在内部熔合至中心销102。导热性很高的铜杆204使得热量从中心销102和周围铸件202流出，使它们迅速冷却。铜杆204可从铸件以比源模具钢102高7至15倍的速度吸取热量。 

此外，铜杆204的一部分略微从中心销102延伸。为了避免铜杆204的温度增加，热量从铜杆204传递至合适的冷却回路(例如水管)206，这样可将热量转移至铸造模具100之外。通过使铜杆204的端部延伸入流体冷却回路206，铜杆204所转移的热量可通过对流传递至传导介质(例如水、空气、或氮气)中，从而将热量传递至铸造模具100之外。在此示例中，假设冷却回路206的传导介质为水。应理解，也可使用其它合适的冷却回路，例如空气冷却回路或氮气冷却回路而不脱离本实用新型的范围。必须考虑到替代气体传导介质(例如对流导热的能力)这样可确定铜杆204的突出长度和形状因素以平衡对流导热速度。 

可在中心销102中钻孔以插入铜杆204。随后可使用多种技术将铜杆204熔合至中心销102。一个这种技术可为使用高传导性材料(例如银)的软焊(soldering)。可替代地，铜杆204可硬钎焊(braze)至钢中心销102。焊料提供了从模具钢至铜杆204的导热性非常高的路径。为了高效地吸热，软焊应当将铜杆202密封至中心销102，不留任何可能作用为传导障碍的间隙或气穴。 

作为良好的热导体，铜杆204被加热至比钢高得多的温度，并将热量从铸件与模具的接触面传导走。另外，相较于传统方法(例如水冷)，铜杆204从铸件以低得多的热波动吸热，因为热铜杆204和熔融铝之间的温差比熔融铝和水之间的温差小。这种较低的热波动避免了热应力，并因此避免了模具100的热疲劳。 

杆204的远端可添加有圆柱形散热片208以增加传热接触面(杆204和冷却回路206之间)处的表面积。该额外的表面积增加了通过自然对流或强制对流或二者组合的导热速度。通过对流传到的热能为传热系数、温差、及接触表面积的函数。 

通过铜杆204的吸热高效地保持模具钢在凝固过程中温度较低，使得在该区域内的晶体更为快速地成型，从而迫使气孔(空隙)更深入铝铸件 202。当移除铝铸件202并加工出围绕中心销102的孔时，更加减少了气孔。 

在本说明书中铜材料成型为杆。然而应理解，铜可成型为任意形状而不脱离本实用新型的范围。例如，在模具100的其它较厚区域，铜可成形为可熔合至模具壁的板、线、块、或任意其它形状。 

本说明书展示了多个具体示例性实施例，但本领域技术人员将理解在具体实施方案和环境中实施本实用新型的主题期间将自然而然地产生这些实施例的变形。还应理解此种及其它变形处于本实用新型的范围内。那些可能的变形或者上文所述的具体示例均非用于限制本实用新型的范围。应当理解为，所要求保护的实用新型的范围仅由权利要求所确定。 

Claims (8)

1.一种用于消除金属铸件中近表面气孔和表面拉伤缺陷的系统，其特征在于，所述系统包含：

具有中心销的铸造模具；

导入所述铸造模具用于铸造的熔融金属；

熔合至所述中心销内部从所述熔融金属和所述铸造模具吸热的铜杆。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述铜杆通过银焊料熔合至所述中心销。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述铜杆通过硬钎焊熔合至所述中心销。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述金属铸件由铝、铝合金、镁合金、或锌合金中的至少一种制成。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述铸造模具由钢、合金钢、或铁中的至少一种制成。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述铜杆的一端延伸出所述中心销。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述铜杆延伸出所述中心销的一端包括一个或多个圆柱形散热片。

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述铜杆延伸出所述中心销的一端连接至空气冷却回路、氮气冷却回路、或水冷回路中的至少一种。 

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