本发明涉及把熔融金属装料倾入模子中将其铸造成型的方法。 按照传统方法，金属铸造件是将熔融金属装料倾入置于铸造箱中的可重复使用的永久模子中，或是倾入由非粘结或粘结模型介质构成的一次性使用的模子中。
已经有建议向模型介质的间隙中通入非空气气体，以改进热转移速率。例如，Doutre 1989年5月1日提交的加拿大专利申请描述了一种方法，此法中，用氦气之类的气体置换通常在非粘结模型介质的间隙中存在的空气，因为氦的热导性比空气高得多。
1987年6月7日公布的美国专利4 749 027描述了生产金属带的连续铸造机中，熔融金属和移动铸造带的前缘之间氦膜的使用。使用氦的目的是为了在金属和带之间产生一层气体膜。
S.Engler和R.Ellerbrok在“Influence of Various Gas Atmospheres in Some Casting Characteristics in Example Alloy AlSi12.8”，Giesserie 64（9）227-230（1977）中，描述了在熔炉中、在熔融金属桶中和当熔融金属从桶里倾入模子时，在熔融金属地周围气氛中使用氩或其它气体的作用。这种气体的目的是为了降低金属在熔融和转移期内的冷却速率。该文教导了降低任一气体的压力并用氩气置换空气，将会达到降低冷却速率，即增加固化时间的目的。
日本专利公开44-20733号描述了用加热空气大气流流过铸件，使钢锭冷却的方法。其中描述了对于计算为具有1.15m3体积的钢铸件，使用非常巨大的气流，如1500m3/h的空气流，和5m3/h的水蒸汽流。该钢锭的重量约为9000kg，上述气流量可转换成对9000kg铸件使用了25000l/min或2.8 l/min/kg的空气流速。
1967年10月3日公布的美国专利3 344 840涉及金属锭的直接冷却铸件，其中在金属锭和模子边缘之间形成了收缩空间。这种空间是DC铸造中模子和金属之间形成的典型的宽收缩空间，通常在3.2至1.6mm的量级。向这种宽间隙中引入一种气体，如氦气，可以改进传导性热转移。
本发明的目的是，提供一种可用于各种模子的改进的铸造方法。术语“模子”应理解为包括：
（a）“永久”型模子，它可重复使用，铸造出大量铸件，可以由非金属材料，如碳或石墨，或金属，如铁金属制成，上面可加工出一个空腔和许多供熔融金属进入该空腔的导槽;
（b）“半永久”型模子，它包括一个在永久模子空腔内的非重复使用的粘结模型介质芯，其中该芯子在收回所需的铸件时被打碎;
（c）“非重复使用”型模子，它可由任何模型介质，如模型砂，靠一种粘结剂保持在一起来限定空腔的形状而制成，其中模子在收回所需的铸件时被打碎。
本发明涉及异形铸件的成型方法，包括向最好是涂以耐火模子涂料的模子中倾入熔融金属装料的步骤，冷却和固化金属使之形成铸件，以及从模子中取出铸件。按照该新颖特点，模子内的熔融金属被冷却，直到金属外层固化并收缩，留下铸件表面和模子表面之间的间隙。这时，向铸件表面和模子表面之间注入与空气的热导性不同的气体，以使铸件的冷却速率得到控制。该间隙中的气体基本保持静止状态，因而间隙中的热导性可用于控制铸件的冷却速率。这种“基本静态”是一种状态，在该状态下，间隙内的气体或者是静止的，或者是流动得足够慢，以致基本不会发生大量气体流动造成的冷却。
就本发明的一个方面而言，铸件被加速冷却到低于金属的熔融温度以下的温度，因而从模子中取出铸件的速度比先有的方法更快。
因此，经向该间隙注入与空气的热导性不同的气体，间隙的热导性可被控制，并可使铸件的冷却速率产生较大变化。例如，当注入氦时，铸件的冷却时间可减少30至50%，这视该合金的收缩特性而定。因为铸件的冷却时间代表着模子相当大部分的循环时间，使用氦气加速冷却能使铸造站既定生产速率提高15至25%或更多。另一方面，向铸模的局部地方注入热导性比空气低的气体，该地方的冷却速率可被降低。这种方法可以具有建立冒口（在铸件上金属的某个位置，在该位置金属冷凝最迟，并提供铸件上其它地方的固化收缩）的效应，而无需提供大截面厚度，因而使冒口截面处的固化速率降低。多种具有不同热导性气体的同时使用，使有可能改变或控制模子不同部位的冷却速率，因而能得到所需的有用的方向性固化。因此，本发明使有可能减少粘铸件的总重量，并因此增加铸造产量，即增加包括浇口和冒口在内的铸件成品和铸态铸件的重量比。
作为一种热导性比空气高的气体，氦是优选的，因为它惰性、无毒、不腐蚀和相对较价廉。其它高热导性气体以氢和氖为著名，但由于氢的安全问题和氖的高成本限制了它们的实际使用也很明显。当然，也有可能使用氦与其它非反应性低热导性气体的混合气，以提供可供选择的冷却速率方面的应用。作为一些热导性比空气低的合适气体，可以提出氩气、六氟化硫和二氧化碳。
本发明可以用于内表面覆盖或未覆盖基于耐火材料、石墨或其它材料的模子涂料的模子。本发明能用于下列模子，这些模子在熔融金属倾入期间或倾入之后，其温度受到附加控制，或者由温度控制流体在模子内的内导槽循环所控制，或者由围绕模子外表面的流体所控制。
在本发明的成型铸造中，金属锭和模子边缘之间的收缩空间比直接冷却铸造中小得多。甚至在本发明定型铸造模子中存在的极小间隙中，也已惊人地发现，简单地保持小间隙内与空气不同的一种气体，就能非常有效地改变铸件的冷却速率。
按照本发明还惊人地发现，改性气体的使用对于调节冷却速率，特别是调节表面涂以耐火涂料的模子内铸件的冷却速率非常有效。事实上已经发现，向按照本发明的狭窄间隙中引入氦气，能够使该界面处的热导性恢复到与金属/气体/金属界面处存在的热导性相同的值。因此，本发明的优点在与一种热金属/气体/耐火涂料/金属体系有关的铸造中特别重要。
本发明优选的实施方案以下列非限制实例加以说明。
实例1
本例中，使用一种拼合钢模，该钢模的尺寸是根据铸造圆柱形试样而定，为38×152mm，模子底部钻有一个直径为1.6mm的孔，经此孔可引入各种气体。为防止铸造期间该孔被金属堵塞，模子底部盖以一层13mm厚的多孔绝缘耐火毡（Fiber-Fxax）。模子内表面涂以一层商品耐火模子底涂料（美国密苏里州Kingsville，Stahl Speciality Company出售的模子绝缘涂料“Stahlcoat”）。模子的温度由插入模子13mm深的热电偶监测。铸件制造时模子温度在340℃，熔融金属温度在700℃。所用金属为A319，一种含4.5%Cu的铝合金，通常用于永久性模子铸造中。
进行了三种试验。一种是在铸件和模子间的间隙由引入空气，一种是向该间隙内引入氦气，一种是向该间隙由引入氦气而模子受到对流冷却。氦气流速为50cc/min。
铸件温度在冷却期间由-K型热电偶监测，该热电偶插入模子上距试样底部76mm的一个孔中，插入深度为插到相应于待铸造圆柱体的中心线的位置。铸件在400℃被取出。
试验的平均结果示于下表1：
表1
空气 He He+ 对流冷却
循环时间（分） 4.52 4.01 3.06
冷却至400℃的时间（分） 3.76 2.54 2.21
死时间＊（分） 0.76 1.47 0.85
制成圆柱体的平均质量（克） 461 456 453
每小时铸件数 13.3 15.0 19.6
增加率（%） - +12.8 +48
＊从模子中取出固化铸件和再向模子中注入熔融金属之间的时间
将会看到，模子间隙中使用空气和使用氦气情况下的死时间是不相同的。该死时间是从模子中取出固化铸件和再向模子中注入熔融金属之间的时间。单独使用氦气而不用对流冷却时死时间较长，因为用氦冷却期间单位时间内吸收热量比用空气的多，因此取出铸件后模子的温度用氦比用空气时高。因此，让模子冷到倾注熔融金属的温度所需的时间较长，因模子较热。对模子连续吹空气因而提供模子对流冷却，可使过量的热很快散逸而使死时间变短。对流冷却可由模子上方的电扇吹冷空气实现。
在使用一系列合金，包括A319、A356、332和一种含4.5%Cu的合金、一种含11.5%Si的合金和一种含99.7%Al的合金的其它类似试验中，因向铸件的金属固化层和模子壁之间的间隙中供给氦而不是空气，冷却速率和固化速率的增加能使产率增加，单用氦时增加6-13%，使用氦和对流冷却时增加37-48%。
实例2
本次实验中使用一扁平模，该模有一能形成尺寸为152mm×152mm×25mm的扁平试样的空腔和一个尺寸为38mm×25mm×152mm的冒口。透过模子的顶部和底部，有一个1/16″直径的若干小孔。模子涂以商品耐火模子底涂料（Stahlcoat），并被预热到300℃。熔融铝合金A319在700℃时被倾注入模子空腔内。
进行了三种试验，一种是在铸件和模子间的间隙内通以空气，一种是向该间隙内通入氦气，一种是向该间隙内通入氦气而模子受到对流冷却。氦气流速为100cc/min。通入氦气的时间是冒口固化以后（在金属倾入模子后约50秒后）。铸件冷到400℃时被取出。
得到的结果示于下表2。
表2
空气 He He+ 对流冷却
循环时间（分） 9.14 8.08 7.23
冷到400℃的时间（分） 4.64 3.10 3.05
死时间（分） 4.33 4.98 4.18
铸件的平均质量（克） 1784 1779 1787
每小时的铸件数 6.6 7.4 8.3
增产率（%） - 13 26
上表结果表明，使用He时，铸件冷却到400℃所需时间比用空气减少34%。本例中用He及用He加对流冷却时，铸件产率分别增加13和26%。
实例3
本次试验以与例2所用相同的模子和耐火涂料进行。
模子在300℃时，向其空腔内倒入700℃的熔融铝合金A319。
He流速为30-＞5000cc/min。通He是在倾入金属后50秒后开始的。铸件温度达400℃时，将铸件取出。
结果示于下表3。
表3气体流速（cc/min)到达下列温度的时间质量（g)550℃ 500℃ 450℃ 400℃AirHeHeHeHeHeHe--305010020005000500067 123 183 26256 113 156 22457 90 125 18260 89 130 17860 89 122 17266 82 118 16557 87 122 1681751174917691809176317971793
结果表明超过50-100cc/min的流速不会使冷却速率大为增加。更高的流速只会造成过量的He溢出模子，于从铸件上转移热量无益。
实例4
本次试验用于决定何时应该开始通He，即金属引入模子后经过的时间。
本次试验也以与例2所用相同的模子和耐火涂料（Stahlcoat）进行。
模子在300℃时，向其空腔内倒入725℃的熔融铝合金A319。
He流速为100cc/min。铸件达400℃时，被取出模子。
结果列于表4。
表4
气体 延迟＊ 倾入模子后的时间 质量
550℃ 500℃ 450℃ 400℃ （g）
空气 N/A 71.3 132 193 282 1769
He 50秒 64 93 127 176 1755
He 30秒 63 104 149 204 1765
＊倾入金属和开始通气之间经过的时间
因此，当倾入金属后仅30秒就开始通He，铸件冷却比倾入金属后50秒开始通气慢。据信，这是由于仅在30秒后就通气，在涂以耐火底涂料的模子中，金属的外层缺乏机械强度，通入的气体的压力破坏铸件的表面，使间隙扩大，这又反过来减小热转移速率。
然而，在50秒以后，金属表面已足够强固，可以防止表面破坏。
实例5
本次试验演示用改变热导性的几种气体所得到的冷却速率。
本批试验使用与例2相同的模子。然而，模子表面涂以石墨涂料（由安大略省Brantford的Acheson公司提供的Acheson Aerodag G干石墨喷剂）。模子温度350℃。温度700℃的熔融铝合金A319被倾入模子空腔内。向间隙通入的气流速度为100cc/min，开始通气的时间是倾入金属后30秒。铸件达400℃时被取出。
结果示于下表5：
表5
气体 倾入金属后的时间（秒）
550℃ 500℃ 450℃
空气 61 119 199
He 47 76 117
SF668 136 227
氩 52 122 208
上述结果表明，氦冷却铸件比空气快，而氩冷却比空气略慢，六氟化硫冷却比空气慢得多。因此，选择合适的气体，就有可能控制或改变金属和铸件的冷却速率。
实施例6
本次试验涉及在工业型模子内铸造500个5升V-8发动机用的进风歧管形样。模子是空腔模铸法用的半永久型模。为此目的，使用粘结沙芯，铸件成品的整个尺寸约为150×370×370mm。铸件由金属重15kg。
在模子的不同位置设置若干孔。
720-750℃的熔融铝合金A319被倾入平均温度为445℃的模子内。得到铸件重15kg，最后成品铸件8.5kg。
由两种方法生产铸件，一种是一般工厂中用的方法，不注入气体，一种是在铸件的温度降到540℃时向铸件和模子的间隙中注入氦气。He是经位于上下模中心的两个长条形通风栓通入的，压力为20psi;流速为0.6l/min。
使用一般铸造法时，将铸件取出模子是在注入金属后170秒，平均温度为488℃。当使用上述通He法时，注入金属后平均125秒就能将铸件冷到488℃。冷却到488℃所需时间从170秒减至125秒，减少了45秒。