CN104646628A - 用于形成低合金钢铸件的***和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种使用模具来铸造低合金钢的方法。所述方法包括获得具有设置在砂铸模内的泡沫模型的所述模具。所述获得的泡沫模型涂布有可渗透的耐熔涂层并且设置在压实型砂与所述砂铸模之间。所述方法进一步包括将包括具有约0.1％至约0.4％碳含量的低合金钢的熔融金属浇注到所述模具中，以便使所述泡沫模型蒸发并且使气化产物穿过所述可渗透的耐熔涂层移除，以形成低合金钢铸件。此外，所述方法包括从所述模具移除所述低合金钢铸件。

Description

用于形成低合金钢铸件的***和方法
技术领域
本发明总体涉及铸造，并且更具体地说，涉及具有碳含量在约0.1％至约0.4％范围内的低合金钢的消失模铸造(lost foam casting)。
背景技术
一般来说，砂型铸造需要用于铸造复杂结构(如涡轮机外壳、涡轮增压器、曲轴箱、鼓风机等)的多个砂芯。使用多个砂芯增加了材料和劳力成本，并且还可导致长的铸造前置时间(lead time)。
消失模铸造可用于解决与成本和前置时间有关的问题。然而，通过消失模铸造获得的铸件可能具有过高碳含量。此外，消失模铸造使用生粘合砂(green bonded sand)作为砂铸模(sand casing)内的支承介质，这在将熔融金属浇注到模具中时会产生气态产物或气泡，从而将气态产物截留在铸件内。消失模钢铸造中的碳增量(carbon pick-up)和气体截留是由于熔融金属在模具内固化之前不完全的泡沫移除而引起的。残留泡沫生成炭黑，并且在铸件内重新分布的截留气体导致产生高于所要求限值的局部碳含量。
此外，浇注在模具中的熔融金属还可与生粘合砂反应，使得型砂熔合至铸件，从而产生型砂灼伤部分(sand burn)，这会使铸件的表面劣化。从铸件移除型砂灼伤部分的过程会进一步增加工艺成本。
因此，需要一种用于产生具有非常低的碳含量的低合金钢的增强的铸造工艺。
发明内容
根据一个示例性实施例，公开一种铸造低合金钢的方法。所述方法包括获得具有设置有可渗透的耐熔涂层的泡沫模型的模具。泡沫模型设置在砂铸模内，并且压实型砂设置在泡沫模型与砂铸模之间。所述方法进一步包括将包括具有碳含量在约0.1％至约0.4％范围内的低合金钢的熔融金属浇注到模具中，以便使泡沫模型蒸发以形成低合金钢铸件。此外，所述方法包括在铸造过程期间使气化产物穿过可渗透的耐熔涂层移除。所述方法进一步包括从模具移除低合金钢铸件。
根据另一个示例性实施例，公开一种模具。所述模具包括填充有压实型砂的砂铸模。此外，所述模具包括具有空腔的泡沫模型，所述泡沫模型设置在砂铸模中，以使得压实型砂设置在泡沫模型与砂铸模之间。所述泡沫模型包括可渗透的耐熔涂层，所述可渗透的耐熔涂层具有在约10至约100μm2范围内的渗透率以及在约2000至约24000μm3范围内的渗透量。所述压实型砂具有在约100至约1000μm2范围内的渗透率。所述泡沫模型具有在约13至约28kg/m3范围内的体积密度以及在约13至约35kg/m3范围内的表面密度。
根据又一个示例性实施例，公开一种制造模具并使用所述模具铸造低合金钢的方法。所述方法包括形成具有空腔的泡沫模型，并且将可渗透的耐熔涂层涂覆在泡沫模型上。此外，所述方法包括将泡沫模型设置在砂铸模内，并且将非粘合型砂(unbonded sand)填充在泡沫模型与砂铸模之间。所述方法进一步包括压实非粘合型砂以形成压实型砂，以便产生模具。此外，所述方法包括将熔融金属浇注到所述模具中以使泡沫模型蒸发，以便形成低合金钢铸件。所述方法进一步包括在铸造期间使气化产物穿过可渗透的耐熔涂层移除。所述熔融金属包括具有碳含量在约0.1％至约0.4％范围内的低合金钢。此外，所述方法包括从模具移除低合金钢铸件。
附图说明
在参考附图阅读以下详细说明后，将更好地理解本发明的实施例的这些和其他特征以及方面，在附图中，相似的符号代表所有附图中相似的部件，其中：
图1是示出根据一个示例性实施例的一种制造模具的方法的示意性流程图；
图2是示出一种使用根据图1的示例性实施例的模具制造低合金钢铸件的方法的示意性流程图；
图3中A是使用常规铸造工艺制造的合金钢铸件的透视图；以及B是根据图1和图2的实施例制造的低合金钢铸件的透视图。
具体实施方式
虽然本说明书仅说明和描述了实施例的某些特征，但所属领域的技术人员将想到许多修改和变化。因此，应理解，所附权利要求书意图涵盖落在本发明的精神内的所有此类修改和变化。
本说明书所论述的实施例公开一种铸造低合金钢的方法。更具体地说，某些实施例公开获得具有设置在压实型砂与砂铸模之间的泡沫模型的模具。此外，所述方法包括将含有低合金钢的熔融金属浇注到模具中，以便使泡沫模型蒸发以形成低合金钢铸件。所述方法进一步包括：从模具移除低合金钢铸件。
更具体地说，某些实施例公开制造模具的方法。所述方法包括形成具有空腔的泡沫模型，并且将可渗透的耐熔涂层涂覆在泡沫模型上。此外，所述方法包括将泡沫模型设置在砂铸模内并且将非粘合型砂填充在泡沫模型与砂铸模之间，以便形成模具。此外，所述方法包括压实非粘合型砂以在模具内形成压实型砂。
图1是示出根据一个示例性实施例的一种制造模具124的方法100的示意性流程图。方法100包括步骤102：通过例如机械加工泡沫材料的实心块来形成泡沫模型104。在一些其他实施例中，泡沫模型104可通过注塑成型等来形成。泡沫材料具有在约13至约28kg/m3范围内的体积密度以及在约13至约50kg/m3范围内的表面密度。泡沫模型104的体积密度可定义为多个粒子的质量/泡沫模型104所占总体积。泡沫模型104的表面密度可定义为单位面积的泡沫模型104的质量。具有在上述范围内的体积密度的泡沫模型104实现尺寸完整性、可控制的熔融金属的填充率以及气化产物从泡沫模型104的移除。具有在上述范围内的表面密度的泡沫模型104提供对将熔融金属填充到模具124的空腔中的顺序的控制。
泡沫材料包括聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、以及聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯共聚物材料中的至少一种。在一个实施例中，形成泡沫模型104的过程可包括以下步骤：在低压下，将泡沫材料的预膨胀珠粒注入到预热模具(图1中未示出)中。此外，预热模具具有所述泡沫模型的形状并且可由铝材料等制成。所述过程可进一步包括向预热模具内的预膨胀珠粒施加蒸汽，形成具有所需形状的泡沫模型104。
在所示实施例中，泡沫模型104具有三条支腿104a、104b、104c和连接支腿104a至104c的本体104d。实施例中所示的泡沫模型104仅出于说明目的并且不应理解为限制本发明。
方法100进一步包括步骤106：在泡沫模型104中形成多个排气口108a。每个排气口108a在铸造过程期间将气化产物从泡沫模型104移除。方法100进一步包括步骤110：将可渗透的耐熔涂层112涂覆在泡沫模型104上。步骤110进一步包括以下步骤：制备具有预定义流变性的可渗透的耐熔涂层材料114。可渗透的耐熔涂层材料114包括无机粘合剂以及包括氧化铝和/或锆石的背面粘合材料(back bondmaterial)。
在一个实施例中，可渗透的耐熔涂层112通过浸涂工艺或流涂工艺来涂覆在泡沫模型104上。浸涂工艺可包括将泡沫模型104浸渍在具有可渗透的耐熔涂层材料114的浆料的容器(图1中未示出)内，之后进行干燥，以便在泡沫模型104上形成可渗透的耐熔涂层112。流涂工艺可包括使用流涂装置116将可渗透的耐熔涂层材料114喷涂在泡沫模型104上，以形成可渗透的耐熔涂层112。流涂装置116以低剪切速率喷涂可渗透的耐熔涂层材料114，以便防止对泡沫模型104的损坏。具有预定义流变性的可渗透的耐熔涂层材料114促进对泡沫模型104的浸涂和流涂。
可渗透的耐熔涂层112具有在约10至约100μm2范围内的渗透率以及在约2000至约24000μm3范围内的渗透量。渗透率可定义为涂层112允许气化产物流过可渗透的耐熔涂层112的能力。渗透量可定义为可渗透的耐熔涂层112的渗透率与厚度的乘积。具有在上述范围内的渗透率的可渗透的耐熔涂层112使得能够防止金属渗透，从而获得低合金钢铸件的所需表面处理(如图3的B中所示)。类似地，具有在上述范围内的渗透量的可渗透的耐熔涂层112实现熔融金属的可控填充率和气化产物从泡沫模型104的移除。
方法100进一步包括步骤118：将泡沫模型104设置在砂铸模120内并且将非粘合型砂122填充在泡沫模型104与砂铸模120之间，以便形成模具124。在一些实施例中，砂铸模120可包括夹在一起而形成模具124的两个半部。泡沫模型104可通过多个支撑件126保持在砂铸模120内，以便向泡沫模型104提供结构支撑和稳定性。此外，浇口杯128、浇道130和冒口132联接至泡沫模型104。熔融金属顺序地通过浇口杯128、冒口132和浇道130给送至泡沫模型104。模具124还包括多个排气口108b，所述多个排气口108b从泡沫模型104延伸穿过非粘合型砂122而到达周围环境。多个排气口108b用于在铸造过程期间从泡沫模型104移除气化产物。在一个实施例中，多个排气口108b由陶瓷材料制成。在所示实施例中，多个排气口108b设置在泡沫模型104的下游，以便增强气化产物的排出。
方法100进一步包括步骤134：压实设置在泡沫模型104与砂铸模120之间的非粘合型砂122以形成压实型砂136。非粘合型砂122的压实是使用压实装置138来执行。在一个实施例中，压实装置138向非粘合型砂122施加具有可变频率和幅值的振动，以便形成压实型砂136。在另一个实施例中，压实装置138向非粘合型砂122施加真空力，以便形成压实型砂136。压实型砂136具有在约100至约2000μm2范围内的渗透率。压实型砂136在上述范围内的渗透率使得能够控制低合金钢铸件尺寸的完整性以及从泡沫模型104移除气化产物的速率。压实型砂136在铸造过程期间向泡沫模型104提供结构稳定性。此外，所述实施例的压实型砂136自然干燥并且不含有用于粘合和支撑泡沫模型104的粘合剂或添加剂。
图2是示出一种使用根据图1的示例性实施例的模具124来制造低合金钢铸件152的方法140的示意性流程图。
方法140包括步骤142：通过浇口杯128、浇道130和冒口132将熔融金属144浇注到模具124中。熔融金属144可在高温下存储，之后从浇桶143浇注至模具124。熔融金属144包括具有碳含量在约0.1％至约0.4％范围内的低合金钢。在一个实施例中，熔融金属144具有在约2900至约3100华氏摄氏度范围内的温度。此外，熔融金属144以约0.04至约0.8kg/sec/cm2的速率给送。熔融金属144在上述范围内的给送速率使得能够从模具124完全移除泡沫模型104，并且还不懈地从泡沫模型104移除气化产物148。熔融金属144在上述范围内的温度实现泡沫模型104的完全蒸发。
在一个实施例中，在约3000至约3100华氏摄氏度的温度范围内的熔化金属144以约0.1至约0.8kg/sec/cm2范围内的速率给送到泡沫模型104的空腔146中。在这种实施例中，泡沫模型104包括具有体积密度在约16至约28kg/m3范围内的聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯共聚物材料。在另一个实施例中，在约2950至约3000华氏摄氏度温度范围内的熔化金属144以约0.1至约0.3kg/sec/cm2范围内的速率给送到泡沫模型104的空腔146中。在这种实施例中，泡沫模型104包括具有体积密度在约14至约20kg/m3范围内的聚苯乙烯材料。在又一个实施例中，在约2900至约2950华氏摄氏度温度范围内的熔化金属144以约0.04至约0.2kg/sec/cm2范围内的速率给送到泡沫模型104的空腔146中。在这种实施例中，泡沫模型104包括具有体积密度在约13至约18kg/m3范围内的聚甲基丙烯酸甲酯材料。
熔融金属144使泡沫模型104蒸发并且形成气化产物148。气化产物148穿过可渗透的耐熔涂层112和多个排气口108a、108b来移除。可渗透的耐熔涂层112还防止熔融金属144与压实型砂136的反应，以便避免形成型砂灼伤部分。方法140进一步包括步骤150：从模具124移除低合金钢铸件152。在步骤154，获得具有在约0.1％至约0.4％范围内的碳含量并且具有泡沫模型104的形状的低合金钢铸件152。所述低合金钢铸件进一步具有在约0.12％至约0.16％范围内的碳增量、小于1％的表面缺陷(例如，型砂灼伤)和小于0的气体截留。
图3的A是使用常规铸造工艺制造的合金钢铸件162的透视图。合金钢铸件162具有形成在合金钢铸件162的表面166上的多个型砂灼伤部分164。型砂灼伤部分164形成的原因在于铸造过程期间熔融金属与生型砂的反应以及气泡的生成。
图3的B是根据图1和图2的示例性实施例制造的低合金钢铸件152的透视图。低合金钢铸件152具有形成在低合金钢152的表面176上的相对较少的型砂灼伤部分174。此外，低合金钢铸件152不具有气泡、砂芯破损和硫增量。
本说明书论述的示例性消失模铸造工艺由于消除拔模斜度、分模线和具有尺寸公差的能力而提供所需机械加工尺寸。利用无粘合干砂减少气体的生成以及与具有碳含量在约0.1％至约0.4％范围内的熔融金属的反应，从而形成在铸件内具有相对减少的型砂灼伤部分和截留气体的铸件。泡沫材料的类型、熔融金属浇注到模具中所处的流速和温度导致泡沫模型从模具的完全移除，从而带来具有降低的碳含量或增量的铸件的形成。

Claims (20)

1.一种方法，所述方法包括：
获得模具，所述模具包括设置有可渗透的耐熔涂层、设置在砂铸模内的泡沫模型，以及设置在所述泡沫模型与所述砂铸模之间的压实型砂；
将包括具有约0.1％至约0.4％碳含量的低合金钢的熔融金属浇注到所述模具中，以使所述泡沫模型蒸发，并且使气化产物穿过所述可渗透的耐熔涂层移除，以便形成低合金钢铸件；以及
从所述模具移除所述低合金钢铸件。
2.如权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括：
形成具有空腔的所述泡沫模型；
制备具有预定义流变性的可渗透的耐熔涂层材料；
将所述可渗透的耐熔涂层材料涂覆在所述泡沫模型上，以便在所述泡沫模型上形成所述可渗透的耐熔涂层；以及
将所述泡沫模型设置在所述砂铸模内，并且将非粘合型砂填充在所述泡沫模型与所述砂铸模之间并压实所述非粘合型砂，以便形成所述压实型砂来支撑所述泡沫模型。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述泡沫模型包括具有体积密度在约13至约28kg/m3范围内的泡沫材料。
4.如权利要求2所述的方法，其中所述泡沫模型包括具有表面密度在约13至约50kg/m3范围内的泡沫材料。
5.如权利要求2所述的方法，其中所述泡沫模型包括泡沫材料，所述泡沫材料包括聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、以及聚苯乙烯与聚甲基丙烯酸甲酯共聚物材料中的至少一种。
6.如权利要求2所述的方法，其中所述可渗透的耐熔涂层包括无机粘合剂以及包括氧化铝和锆石中至少一种的背面粘合材料。
7.如权利要求2所述的方法，其中所述可渗透的耐熔涂层具有在约10至约100μm2范围内的渗透率。
8.如权利要求2所述的方法，其中所述可渗透的耐熔涂层具有在约2000至约24000μm3范围内的渗透量。
9.如权利要求2所述的方法，其中所述涂覆包括通过浸涂或流涂工艺在所述泡沫模型上形成所述可渗透的耐熔涂层。
10.如权利要求2所述的方法，其中所述设置进一步包括在所述泡沫模型中并且穿过设置在所述砂铸模中的所述非粘合型砂形成多个排气口。
11.如权利要求2所述的方法，其中所述压实型砂具有在约100至约2000μm2范围内的渗透率。
12.如权利要求1所述的方法，其中所述浇注包括以约0.1至约0.8kg/sec/cm2范围内的速率将所述熔融金属给送到所述泡沫模型的空腔中，其中所述泡沫模型包括具有在约16至约28kg/m3范围内的体积密度的聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯共聚物材料。
13.如权利要求1所述的方法，其中所述浇注包括以约0.1至约0.3kg/sec/cm2范围内的速率将所述熔融金属给送到所述泡沫模型的空腔中，其中所述泡沫模型包括具有在约14至约20kg/m3范围内的体积密度的聚苯乙烯材料。
14.如权利要求1所述的方法，其中所述浇注包括以约0.04至约0.2kg/sec/cm2范围内的速率将所述熔融金属给送到所述泡沫模型的空腔中，其中所述泡沫模型包括具有在约13至约18kg/m3范围内的体积密度的聚甲基丙烯酸甲酯材料。
15.如权利要求1所述的方法，其中所述浇注包括将具有约2900至约3100华氏摄氏度温度范围的所述熔融金属给送到所述泡沫模型的空腔中。
16.一种***，所述***包括：
填充有压实型砂的砂铸模；其中所述压实型砂具有在约100至约1000μm2范围内的渗透率；
具有空腔的泡沫模型，所述泡沫模型设置在所述砂铸模中，以使得所述压实型砂设置在所述泡沫模型与所述砂铸模之间，其中所述泡沫模型具有在约13至约28kg/m3范围内的体积密度以及在约13至约35kg/m3范围内的表面密度；以及
涂覆在所述泡沫模型上的可渗透的耐熔涂层；其中所述可渗透的耐熔涂层具有在约10至约100μm2范围内的渗透率以及在约2000至约24000μm3范围内的渗透量。
17.如权利要求16所述的***，其中所述泡沫模型包括泡沫材料，所述泡沫材料包括聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、以及聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯共聚物材料中的至少一种。
18.如权利要求16所述的***，其中所述可渗透的耐熔涂层包括无机粘合剂以及包括氧化铝和锆石中至少一种的背面粘合材料。
19.如权利要求16所述的***，所述***进一步包括多个排气口，所述多个排气口在所述泡沫模型中并且穿过设置在所述砂铸模中的所述非粘合型砂而形成。
20.一种低合金钢铸件，所述低合金钢铸件包括：
在约0.1％至约0.4％范围内的碳含量；
在约0.12％至约0.16％范围内的碳增量；
小于1％的表面缺陷；以及
小于0的气体截留。
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