压铸法及其铸件 本发明涉及用于制造具有优良力学性能的优质铸件的压铸方法及装置。
众所周知，压铸方法是指通过压力使在浇铸套筒中的熔融金属进入铸模空腔中，并使其凝固由此形成铸件的方法。
压铸法的优点在于铸件的尺寸精度高，由于采用此法可高速操作，因而能够大批量生产，并且采用计算机能够获得全自动操作。因此，压铸法常用于铸造低熔点金属，例如铝合金。
然而人们已经发现压铸法存在下述问题。
第一个问题与强度有关。这就是说，除非将压铸件进行调质处理(例如热处理)，否则铸件通常不能作为必须具备高强度性能的高强度件使用。其原因如下：
通常在进行压铸时，注入浇铸套筒中的熔融金属受到浇铸套筒内壁作用而迅速冷却，从而产生了固状锈蚀物。由于固状锈蚀物与所述熔融金属一起浇注，所形成地铸件含有固状锈蚀物，从而使铸件的力学强度降低。
此外，当熔融金属从套筒中注射进入铸模时，浇铸套筒中的空气会卷入到所述熔融金属，并与其混合进入铸件中。在这种情况下，当对铸件进行热处理时，将会形成称为“砂眼”的缺陷，砂眼是恶化铸件质量的一个原因。
为了解决压铸法所出现的上述问题，已提出了各种类型的特殊压铸法。其中的一个压铸法是热套筒法，该方法是在浇铸时将浇铸套筒加热以防止在其内壁产生固态锈蚀物。
此外，采用一种立式注射的压铸法，以防浇铸套筒内的空气卷入。
然而，上述的各种类型的特殊压铸法需要解决下述问题。
这就是说，在为了提高生产率而需提高从浇铸套筒注射进入铸模空腔的注速时，浇铸套筒内的熔融金属以湍流形式流动，从而使卷入所述熔融金属中的空气量增加，此外因快速冷却而产生的固态锈蚀物和凝固在铸模内表面的金属凝壳会进入到铸件中。这样就会造成铸件的力学性能恶化。
另外，为了防止空气卷入而以低速将浇铸套筒中的熔融金属注射进入铸模空腔时，铸模腔内的熔融金属的流动性就会变差，从而造成称为“浇不足”的缺陷。
日本8-257722号公开专利申请揭示了一种压铸法，该法试图解决存在于各种传统的特殊压铸法中的上述问题。
日本8-257722号公开专利申请所揭示的压铸法中，在浇铸套筒中熔融金属的初晶得到粒化，金属以半熔状态通过压力进入铸模空腔，并在其内凝固。根据日本8-257722号公开专利申请所揭示的压铸法，压铸是按下述步骤分步进行的。
首先，如图8所示，将接近液相线温度的熔融金属注入到浇铸套筒2中。随后浇铸套筒2中的所述熔融金属的温度按照预定的冷却速度下降，使其从接近液相线温度降至一预定温度，该温度处于低于液相线但高于固相线或共晶线，以便使所述熔融金属的初晶基本上粒化，进而使所述熔融金属进入半熔状态。采用这种操作，可以获得颗粒状的初晶和温度不低于共晶温度液体组成的摇溶的流体。
此后，如图8所示，将半熔金属从浇铸套筒2输入铸模1中。此时，由于半熔金属是摇溶性流体，因此其以层流方式从浇铸套2进入铸模1，从而使卷入到半熔金属中的空气减少了。这样在出现粒状金相组织而固相形成时，如果施加以力，粒状固相的运动与液相的运动同时出现，从而出现了液相和固相一起运动的现象。结果，卷入的空气很少，因此铸件中的空气含量降低，从而在对其进行热处理时不会有砂眼产生。
然而，日本8-257722号公开专利申请所揭示的压铸法尚存在下述必须克服的缺点。
如图8所示，在日本8-257722号公开专利申请所揭示的压铸法中，通过使用浇注包或类似设备将熔融金属从上部注入浇铸套筒2中。因此，当所述熔融金属落入套筒2内部时，它会在套筒2内形成湍流，并且空气有可能卷入所述熔融金属中。在这种情况下，所述熔融金属中的气体含量增加，氧化膜将在所述熔融金属的表面形成，从而产生气孔。为了防止这样的气孔产生而进行严格的质量控制时，成品率就会降低。此外，为了防止所述熔融金属的氧化物卷入到所述熔融金属中(氧化物也将对力学性能产生影响)，必须控制铸造过程，这将使铸造周期延长，并由于严格的质量控制而会使成品率降低。
图9示出了氧化膜30和气孔31的示例，在采用严格的质量控制情况下，这些缺陷会降低铸件的成品率。
本发明的压铸法解决了现有技术的上述问题，本发明的目的是提供一种压铸法，该方法可以使熔融金属输入浇铸套筒时卷入熔融金属的空气量最小，从而减少了所述熔融金属的气体含量，因此防止了氧化膜或气孔的产生，同时还解决了诸如在(金属)注射进入铸模型腔时出现的卷入空气和熔融金属浇不足等问题，因此能够有效地生产无缺陷的优良铸件，并提高了成品率。本发明的另一个目的是提供采用本发明压铸法生产的压铸件。
为了解决上述问题，本发明提供了一种压铸法，其特征是将熔融金属从靠近底部的套筒侧部送入浇铸套筒，此后冷却所述熔融金属，以使已结晶的初晶粒化。
在本发明的压铸法中，浇铸套筒内的熔融金属初晶基本上被粒化，因此使所述熔融金属进入半熔态。随后，通过压力使所述熔融金属进入铸模空腔，并在此凝固。所述熔融金属是通过靠近底部的套筒侧部输入浇铸套筒中。因此，处于半熔态的所述熔融金属的氧化程度很小，从而可以得到稳定的力学性能。
本发明的压铸法的另一个特征是：熔融金属通过一个部位送入浇铸套筒(该部位偏离处于套筒内活塞头部静止位置和铸模朝向活塞头部一侧之间的中间位置)，随后将所述熔融金属冷却，以将已结晶的初晶粒化。
在本发明的压铸法中，浇铸套筒内的熔融金属的初晶基本上被粒化，从而使所述熔融金属成为半熔态。随后，通过压力将所述熔融金属加入到铸模空腔中，并使其凝固。所述熔融金属通过一个部位输入浇铸套筒，该部位偏离处于活塞头部静止位置和铸模朝向活塞头部一例之间的中间位置。因此，处于半固态的所述熔融金属的氧化程度极小，从而可得到稳定的力学性能。
本发明的压铸法的另一个特征是：熔融金属通过靠近底部的套筒侧部以层流形式输入浇铸套筒后，所述熔融金属被冷却以使已结晶的初晶粒化。
在本发明的压铸法中，浇铸套筒中的熔融金属的初晶基本上被粒化，这样所述熔融金属成为半熔状态。随后，通过压力将所述熔融金属加入到铸模空腔中，并使其凝固。所述熔融金属以层流形式通过靠近浇注套筒底部的套筒侧部输入到浇铸套筒中。因此处于半熔状态的所述熔融金属氧化程度小，从而可得到稳定的力学性能。特别是，在浇铸时由于所述熔融金属是以层流形式流入的，因此卷入熔融金属的空气量要少于以湍流形式流入的所述熔融金属中的卷入空气量。这样可以减少铸件中的氧化物或类似物的含量。
本发明的压铸法的另一个特征是在套筒中的熔融金属的冷却速度控制在低于10℃/秒。
当浇铸套筒中的熔融金属的冷却速度低于10℃/秒时，可使所产生的初晶粒化。此外，套筒中的熔融金属的冷却速度最好设定到高于1.7℃/秒。在这种情况下，可提高生产率，且所产生的初晶可得到粒化。
在预定范围内的冷却速度下进行冷却的具体方法如下：
(1)套筒是用低热导率的材料(例如陶瓷)制成的，以便降低套筒表面的冷却速度，因此使内部冷却速度低于10℃/秒。当内部冷却速度低于1.7℃/秒时，则需要采用套筒冷却系统。
(2)当使用金属套筒时，首先要加热金属套，以便提高初始温度。特别是在浇铸A357材料(含6.5-7.5％(重量)Si，0.60％Mg，0.12％Fe，0.10％Cu，0.05％Mn及余量为铝)的情况下，套筒的初始温度不低于200℃。当所述熔融金属内部的冷却速度低于1.7-10℃/秒时，对套筒进行冷却。
(3)将冷却容器加工成冷坩锅结构，并且通过高频励磁加热熔融金属表面，从而使热作用在所述熔融金属上而容器是冷的。这样，所述熔融金属表面的冷却速度受到控制，而所述熔融金属的内部按预定的冷却速度冷却。
在本发明中，当半熔融金属加入到铸模空腔时，在浇铸套筒中粒化的半熔融金属最好形成球状。在这种情况下，由于颗粒比较小，所述熔融金属的流动性得到改善。
本发明的压铸法的另一个特征是压铸是在控制状态下进行的，以使铸件的气体总含量不超过约1cc/100g。
由于通过控制使得铸件的气体总含量不超过约1cc/100g，这样可以获得气体总含量较低的铸件。此外，当采用了本发明的压铸法时，能够对气体总含量进行充分的控制。
在本发明的压铸法中，在浇铸套筒内腔充入惰性气体，至少是将熔融金属送入浇铸套筒时如此。因此可以防止产生气体缺陷。此外，所述熔融金属的氧化可降至最小。
本发明的压铸法的另一个特征是，在熔融金属通过靠近浇注套筒底部的套筒侧部输入浇铸套筒后，将所述熔融金属冷却，以便使已结晶的初晶粒化，并且采取控制措施而使铸件的气体总含量不超过1cc/100g。
根据本发明压铸法，通过控制以使铸件中的气体总含量不超过1cc/100g，用这种方式生产的压铸件的成本是低的(因为它不需要过于复杂的铸造工艺)，并且力学性能稳定(因减少了铸件中的气体总含量)。
此外，本发明的压铸件的特征是由这样一种方法生产：熔融金属通过一部位输入浇铸套筒，该部位偏离处于活塞头部静止位置和铸模朝向活塞头部一侧之间的中间位置，随后将所述熔融金属冷却以使已结晶的初晶粒化；并采用控制措施以便铸件内的气体总含量不超过1cc/100g。
根据本发明的压铸法，在控制条件下(以使铸件的气体总含量不超过1cc/100g)生产的本发明的压铸件的成本是低的，其原因是所采用的方法是将熔融金属通过一部位输入浇铸套筒，该部位偏离处于活塞头部静止位置和铸模朝向活塞头部一侧之间的中间位置，因此不需要过于复杂的铸造工艺。此外，半固态的熔融金属的氧化程度很小，从而使压铸件的力学性能稳定。
本发明的压铸件的另一个特征是采用这样一种方法生产：熔融金属通过靠近浇注套筒底部的套筒侧部以层流形式输入浇铸套筒后，冷却所述熔融金属以使已结晶的初晶粒化；并采用控制措施从而使铸件内的气体总含量不超过1cc/100g。
根据本发明的压铸法，在控制条件下(以使铸件的气体总含量不超过1cc/100g)生产的本发明的压铸件的成本是低的，其原因是所采用的方法是将熔融金属以层流形式通过靠近浇注套筒底部的套筒侧部输入浇铸套筒，因此不需要过于复杂的铸造工艺。此外，半固态的熔融金属的氧化程度很小，从而使压铸件的力学性能稳定。另外，由于浇铸时所述熔融金属是以层流形式流动的，因此能够减少卷入熔融金属中的空气量。这样也就能够减少了铸件中的氧化物含量。
图1是根据本发明第一实施例的压铸装置的示意图。
图2是图1所示的本发明第一实施例的压铸装置的局部平面图。
图3是图1所示的本发明第一实施例的压铸装置的局部剖面图。
图4是图1所示的本发明第一实施例的压铸装置处于某一操作阶段的示意图。
图5是图1所示的本发明第一实施例的压铸装置处于另一操作阶段的示意图。
图6是图1所示的本发明第一实施例的压铸装置处于又一操作阶段的示意图。
图7是根据本发明的压铸法所浇铸的JIS AC4CH合金(成分是(重量％)：7.0％Si，0.30％Mg，＜0.20％Fe，余量为Al)铸件的外观。
图8是传统压铸工艺各阶段的示意图。
图9是传统压铸法生产的铸件缺陷示图。
图中的标号表示：
1：铸模
2：浇铸套筒
4：熔融金属输入口
5：活塞头部
6：高频线圈
7：接口管
8：熔融金属输入管
12：气缸
15：温度传感器
20：熔融金属
22：加热器
30：氧化膜
31：气孔
下面将详述本发明的实施例。
在本发明中，为了使熔融金属的初晶基本上粒化，可以使用这样一种方法，其中输入浇铸套筒的熔融金属的温度设定在接近液相线，在套筒内的熔融金属的温度按预定的冷却速度，从接近液相线降至一预定温度，该温度低于液相线但高于固相线或共晶线。
在浇铸套筒内的熔融金属的温度从接近液相线降至低于液相线但高于固相线或共晶线的预定温度的过程中，所述熔融金属的初晶基本上得到粒化，而不需机械搅拌或电磁搅拌，也不需对固-液共存态施加剪切力。
例如在浇铸A356合金(成分是(重量％)：6.5-7.5％Si，0.30％Mg，0.12％Fe，0.10％Cu，0.05％Mn及余量为Al)或A357合金时，通过控制，将熔融金属的温度降至低于液相线温度约l0℃至高于液相线温度约40℃的范围内。如果所述熔融金属保持在高于所述范围，则枝晶易于长大。另一方面，如果所述熔融金属保持在低于所述范围，则枝晶会在浇铸前生成，导致熔融金属流动性变差。
为了使浇铸套筒中的熔融金属冷却到半熔状态以获得粒状的初晶，要按照预定范围内的冷却速度冷却注入到套筒中的熔融金属。冷却速度最好设定在低于10℃/秒。为了使冷却速度在预定范围内，将套筒加工成冷坩锅结构，采用高频励磁搅拌熔融金属，从而使热只作用在所述熔融金属上，而套筒是冷的。也就是将多个电导体围绕预浇铸料放置，使这些电导体沿圆周方向成为不连续状。或者将环绕套筒内浇铸料放置的电导材料加工出若干个窄槽。采用这种结构，由于电感应，电导部分和处于熔融或半熔融态的浇铸料内就会感应出电流，感应电流和磁场的交互作用而产生的电磁力沿某一方向作用在熔融料上以使熔融料与浇铸套筒的表面分开，从而防止了浇铸料与浇铸套筒接触。因此，因浇铸料与浇铸套筒接触而造成的温降很小。这样，套筒内的熔融金属可进行均匀化处理，并且已结晶的固相组织可形成球形。
此外，当将熔融金属输入浇铸套筒时，浇铸套筒的内部处于惰性气氛中以便创造出一种状态，其中所述熔融金属的表面覆盖着惰性气体。随后将所述熔融金属注射到铸模的空腔中从而生产出铸件。这样可避免产生气体缺陷。此外，可使所述熔融金属的氧化量最小。
为了使初晶形成球形，可采用一种方法，其中将具有正常温度的熔融金属浇注到浇铸套筒中，并且对所述熔融金属进行电磁搅拌，以使初晶形成球状。
图1、2、3、4、5和6示出本发明压铸装置的一个实施例。
如图1、2和3所示，立式注射压铸装置的铸模1包括一个固定模1a和一个移动模1b，其结构是固定模1a和移动模1b可沿左右方向彼此分开。浇铸套筒2的结构是其顶端固定在铸模1的输入口1c位置中，陶瓷制造的内管2a固定在浇铸套筒2的内壁上，以与熔融铝接触。熔融金属输入口4在浇铸套筒2的下侧部形成，该处位于活塞头部5之上。高频线圈6环绕着浇铸套筒2放置，其从高于熔融金属输入口4处向上延伸到浇铸套筒2的顶部。用于冷却的流体通道2b在浇铸套筒2中形成，其位置相应于高频线圈6所放置的位置，冷却介质(如水或空气)从流体通道2中通过进行冷却。
熔融金属输入口4与接口管7相连，接口管7的通道直径与熔融金属输入口4的直径相同。此外，用于输入熔融铝的熔融金属输入管8连接到处于接口管7另一端的开口处。接口管7的通道具有一垂直通道部分7a，该部分处于接口管7的中间部分。供气口7b设置在垂直通道部分7a的上端，一个管子连接到供气口7b上。这种结构可使惰性气体(如氩气或氮气)通入垂直通道7a中。耐火材料如碳化硅或碳陶瓷可用于制造接口管7并与熔融金属接触。
熔融金属输入管8与熔融铝输入机9和铝保持炉10连接。这样，熔融铝20可以输入到熔融金属输入管8中。通常，熔融铝20的液面保持在接口管7垂直通道的某一位置上。在本实施例中，熔融铝输入机9被描画成电磁泵的形式。但是也可使用气压类型或其它类型。熔融金属输送机的类型是不受限制的。
包复式加热器或套式加热器22设置在接口管7和熔融金属输入管8的外侧。通过使用隔热材料防止了热辐射。此外也避免了熔融铝在熔融金属输入管8中凝固。
下面将参照图4、5和6对使用上述的本发明压铸装置的本发明压铸法的各阶段进行描述。下述的铸造工艺可在采用控制器(如计算机)的控制条件下进行。
如图4所示，熔融铝输送机开始将熔融铝20输送到浇铸套筒2中。熔融铝通过接口管7和熔融金属输入口4以层流形式流入浇铸套筒2。当熔融铝达到一预定高度时，在浇铸套筒2内的活塞头部5向上运动并停止在活塞头部5的侧表面将熔融金属输入口4密封的位置上。同时，控制器指示熔融铝输送机将熔融铝返回到接口管7的垂直通道7a处。活塞头部5的端头的停止位置由未示出的传感器监测，该传感器不停地监测活塞头部5的移动距离，并将所测定的位置信息输送到未示出的控制器进行辨认。
此时，如图5所示，熔融金属输入口4被活塞头部5关闭。因此当接口管7内的熔融铝向下运动时，负压作用在熔融铝表面上。然而，由于将氩气或氮气通过接口管7上部的供气口7b输入到接口管7中，接口管7中负压被解除，从而加速了熔融铝的落下运动。此外，防止了熔融铝的氧化。通过设置在处于供气口7b和气罐之间的管内的止回阀，可防止熔融铝从接口管7流入供气口7b和气罐之间的区域。最好将一个过滤器设置在供气口7b处，以防熔融铝回流的可能，并将供气管内的压力保持在适当的水平上。
流入到浇铸套筒2中的熔融铝由在浇铸套筒2内形成的通道内的流动冷却介质冷却，以使熔融铝形成粒状的初晶，并达到半固态。同时，通过使用高频线圈6，浇铸套筒2内的熔融铝得到电磁搅拌。结果，熔融铝被流化和均匀化，同时粒状的初晶成为球形。此时，熔融金属的温度由未示出的温度传感器监测。当计算机(也未示出)或类似设备判断出熔融铝中的固相比达到10％-60％中的一个值时，计算机或类似设备将使活塞头部5向上运动(如图6所示)，以将半凝固熔融铝注射进入铸模1中的空腔中。
示例1：
如图7所示的铸件是通过使用本发明的压铸装置，按照本发明的压铸法浇铸的JIS AC4CH合金铸件。这些铸件是本发明的样品，它们是汽车吊架的部件。表1给出了这些样品与对比样品力学性能评价结果。在表1的“熔融金属输送方法”一列中凡注明“底部”即表示金属的输送方法采用本发明的输送法。具体说，它表示熔融铝是从靠近套筒的底部送入的。类似地，在表1的“熔融金属输送方法”一列中凡注明“浇注”即表示使用的是传统的输送方法。具体说，它表示熔融铝是从套筒的上部输入的。根据表1可以领会利用本发明，铸件中的氧化物减少了，并且力学性能的波动减小了。
就拉伸强度(N/mm2)而言，样品的拉伸强度变化范围为283-286±6-8N/mm2，波动值为6-8N/mm2左右。而对比样品的拉伸强度变化范围为283-288±10-11N/mm2，尽管核心值没有大的差异，但波动值达到±10-11N/mm2。就延伸率(％)而言，样品的延伸率的变化范围为17.3-19.3±3.3-3.7％，波动值为±3.3-3.7％左右。而对比样品的延伸率变化范围为14.8-15.6±5.2-7.2％，这表明对比样品延伸率的波动非常大，达到±5.2-7.2％左右。此外，就延伸率而言，样品和对比样品的核心值的波动有很大差异。也就是说，对比样品延伸率的核心植为14.8-15.6％，而样品延伸率的核心值为17.3-19.3％。因此每个样品的延伸率都高于对比样品，从而使本发明实施例的韧性高于对比样品。由于两组样品在拉伸强度方面没有明显的差异，因此可以领会到本发明的实施例的韧性高于对比样品。
就每100g铸件中的气体含量(cc)而言，样品铸件中的气体含量为0.5-0.9(cc/100g)，没有超过1.0cc/100g的情况。而对比样品铸件的气体含量为1.0-1.8(cc/100g)，所有对比样品都不低于1.0cc/100g。因此，在对比样品中，铸件的每单位重量含有大量的气体。
表1熔融金属输入方法氩气搅拌拉伸强度(N/mm2) 延伸率 (％)气体含量(cc/100g)样品101底部未提供未采用283±817.3±3.70.8样品102底部提供未采用286±618.1±3.30.5样品103底部未提供采用283±617.4±3.40.9样品104底部提供采用283±719.3±3.50.6对比样品501浇注未提供未采用278±1114.8±6.51.5对比样品502浇注提供未采用283±1015.3±5.21.0对比样品501浇注未提供采用283±1015.6±7.21.8对比样品502浇注提供采用283±1115.3±5.91.1
关于文中所述内容的解释1)日本8-257722号公开专利申请在本申请的描述中提到。2)在日本9-1316号公开专利申请所揭示的压铸机中，浇铸套筒和弧形的熔 融金属输入管之间的连接开口的位置高于熔融铝输送机和弧形的熔融金 属输入管另一端之间连接开口的位置。当熔融金属从浇铸套筒注射进入 时，保持在弧形的熔融金属输入管内的熔融金属将从弧形的熔融金属输 入管的上部以比较快的速度流向其下部，因此，防止了熔融金属的氧化。3)在日本9-66350号公开专利申请所揭示的压铸法中，将半熔态的金属从浇 铸套筒中输入到铸模的过程中，由活塞头部施加给半熔态金属的压力呈 周期变化。因此使得从浇铸套筒注入的熔融金属变得均匀。