精密鑄造的方法和鑄造設備的製作方法

2023-06-09 01:37:31

專利名稱：精密鑄造的方法和鑄造設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種在一精密鑄造的設備中澆鑄金屬件的方法和一種實施此方法的鑄造設備。上述鑄造設備具有至少一個鑄模、一個用於將液態金屬澆注入鑄模的裝置和用於產生真空和壓力的裝置。
精密鑄造是指鑄造首飾、塑料件或裝飾品以及由金、銀、鉑、青銅和其它金屬鑄造工業上的精密的小零件。已知一種鑄造設備是將坩鍋和鑄模設置在一個容器中。坩鍋具有盛放原材料的內腔和加熱裝置，例如電感應加熱裝置。作為出鋼裝置可以使用已知的裝置，其中已知的例子是具有一帶塞子的底部出鋼口。鑄模定位在坩鍋的下方，鑄模由透氣的多孔材料製成。其中鑄模具有一個通常可以在同一澆注過程中澆注多個零件的模腔，即模腔具有一帶豎澆口的樹枝結構。鑄模大都藉助於塑料模或蠟模製成，這些模子只能一次性使用。在已知的鑄造設備中澆鑄金屬件的方法由多個步驟組成。首先打開容器，用原材料填滿坩鍋和將鑄模放入容器的下部。其中，容器的下部與其上部分開。
容器的上部與產生超壓的裝置相連，容器的下部與產生低壓的裝置相連。為了開始澆注過程，氣密地關閉容器並開始在坩鍋內的熔化過程。通過打開塞子使液態熔融金屬流入鑄模的模腔中，直至其完全充滿。在澆注過程之前和/或期間，放有鑄模的容器下部承受低壓，該低壓經由模型材料的孔隙也作用到模腔中。在澆注過程結束時，亦即當模腔被充滿時，在容器的上部產生一超壓，這樣這一壓力就對鑄模豎澆口中的熔融金屬的液面起作用。作用在鑄模的底部和周壁上的低壓和作用在模腔中的熔融金屬上的超壓的組合相對於兩邊具有相同的壓力的鑄造方法改善了模腔的充滿和改善了細小零件的形變熱處理。
儘管用這種已知的設備能有良好的鑄造結果，但始終會出現問題，尤其是在鑄件複雜和小型時。液態熔融金屬例如很少能快速地在模腔中分布。其結果是，部分細小的分支沒有被充滿或者出現凝固金屬的不同的結構，因為模腔中不同區域的冷卻速度和凝固時點是不同的。
因此，本發明的任務在於提出一種能進一步提高模腔造型精度和填充率並改善澆鑄件的組織的方法和設備。
這一任務在按照權利要求1前序部分的方法方面是按照本發明的該權利要求的特徵部分的特徵完成的，在按照權利要求5前序部分的設備方面是按照權利要求5的特徵部分的特徵完成的。本發明有利的改進結構由從屬權利要求的特徵給出。
按照本發明的方法，在澆注過程開始之前，亦即，在將液態的熔融金屬注入模腔中之前，鑄模的模腔和鑄模的周圍空間承受一低壓。從而鑄模的至少部分為多孔和透氣的壁中的開口和通道被抽真空，空氣或其它的殘留氣體被從多孔的開口中抽出。接著，用一種輕的密度小的氣體吹洗鑄模的模腔和周圍空間，其優點是，這種氣體進入鑄模壁的氣孔中並充滿這些氣孔。其中，作為輕的氣體選擇一種在元素周期表中原子序數為1-10之間的氣體，這種氣體具有儘可能高的通過鑄模壁中的氣孔的穿透率。其中尤其合適的氣體是氦氣。在用輕的氣體吹洗鑄模的模腔和周圍空間之後，至少在模腔中重新產生一低壓，然後，液態的熔融金屬注滿模腔。這一充滿過程現在進行得很快，因為，輕的氣體，例如氦氣很容易和快速地通過鑄模壁中的氣孔被擠出並可向外流出。這一優點是由所選擇的輕的氣體通過氣孔和毛細孔的高的穿透率實現的。這種澆注過程的優點在於，在模腔的各部位和流入的液態金屬之間沒有建立局部的超壓，因此，液態金屬能快速和無阻礙地流入模腔的細小的分支中。只有這樣才能提高形狀的準確度和澆注速度。其結果是，在模腔的所有部分產生澆鑄件的更好的組織。一旦模腔完全填滿液態金屬，就用另一種重的、密度較大的氣體對模腔的澆口中的熔融金屬的液面加載。這一氣體相對於鑄模的周圍空間具有一超壓。作為密度較大的氣體選擇一種元素周期表中原子序數至少為7的氣體，這一原子序數在任何情況中都具有比在前面的工藝步驟中吹洗的輕的氣體大的原子序數。重的氣體也可以是一種具有相同特性的氣體混合物。其中尤其合適的一種氣體是氬氣，因為氬氣具有這一特性，並只具有很小的穿透率流過鑄模壁中的氣孔。試驗表明，在用氬氣對一側加載時實現鑄模內壁和鑄模外壁之間的壓力平衡要比用氦氣加載時慢8-10倍。其優點是，鑄模模腔中的液態熔融金屬承受一高的壓力，而鑄模周圍空間中的低壓沒有明顯減少。這導致更好地充滿模腔和改善澆鑄件的組織。
所述本發明方法的這些優點是由一種具有密度不同的不同氣體的兩個氣體源的鑄造設備獲得的。如果將鑄模設置在第一氣密的容器中，並將坩鍋和出鋼裝置設置在第二個與第一個分開的容器內，則有其它的優點。這兩個容器經由連接管路和控制閥與第一或第二氣體源相連，並具有產生局部低壓或高壓的泵以及相應的控制裝置。如果在坩鍋的出鋼口和鑄模的澆注口之間設有一第三氣體室，則具有的優點是，這一氣體室相當小，因此在填滿鑄模後能較快地在澆注口上建立壓力並且需要較少的氣體。這裡也設有氣體源和/或第一或第二容器的相應控制裝置和連接裝置。
如果坩鍋的出鋼口的區域和鑄模的澆注口的區域沿著澆注軸線可相互移動，則有其它的優點。這一方面能更好地接近鑄模和坩鍋，另一方面能使第一或第二或第三容器相互連接或分開。這可以通過相互移動帶坩鍋的部件或移動帶鑄模的部件實現。為了密封在上述兩部件之間至少設有一氣密的密封件。
本發明鑄造設備的操作和本發明方法在這一鑄造設備中的應用，按適當的方式用一控制器實現，該控制器存有實施上述方法的控制程序。經由這一控制器可以控制氣體源和氣密的容器之間的相應的控制閥和調節裝置。該控制器也可以承擔對本身已知的熔化和澆鑄過程的控制。
下面藉助於附圖所示的實施例進一步說明本發明。其中

圖1示意表示本發明的鑄造設備，圖2表示具有第一和第二容器的本發明的鑄造設備，圖3表示具有一個附加的第三氣體室的本發明的鑄造設備。
圖1所示的鑄造設備由一個帶蓋24的容器5組成，其中，蓋24的關閉裝置沒有表示出。在容器5中放置有帶模腔3的鑄模2。鑄模2用來澆鑄金屬件，在所示的例子中為裝飾物。其中，多個件圍繞帶澆口17的中央澆道設置而構成樹枝狀結構。鑄模2由多孔的、透氣的模型材料製成。模型按已知的方式藉助於蠟模製成，蠟模在製造鑄模2後被熔化。在鑄模2的上方，在中間支架上放置一坩鍋1。坩鍋1包括一原料或熔融金屬的貯槽25和一個在坩鍋1底部的出鋼口14。出鋼口14用塞子15關閉，並可經由操縱件16通過未示出的，但本身已知的調節機構打開和關閉。圍繞著坩鍋1設置有感應線圈形式的加熱裝置，後者在所示的例子中同樣沒有示出，但其本身是已知的。塞子15和出鋼口14以及操縱件16構成了出鋼裝置4。容器5的內腔26藉助於蓋24氣密封閉。內腔26同時構成鑄模2的周圍空間。連接管路19將內腔26與第一氣體源6，例如裝有氦氣的高壓氣瓶相連。在連接管路19中設有帶有調節機構的閥22，該閥經由控制管路23與控制器10相連。第一容器5的內腔26經由另一連接管路11與真空泵8相連，該泵同樣經由控制管路23與控制器10相連。在連接管路11中同樣裝有帶調節機構和通向控制器10的控制管路的閥21。真空泵8可以附加補充有未示出的真空罐。
容器5的內腔26經由另一連接管路12與第二氣體源17相連，該氣體源在本例中含有氬氣。在第二氣體源7和第一容器5之間裝有增壓裝置9例如增壓泵和一閥20，其中，這些部件再次經由控制管路23與控制器10相連。
在圖1所示的例子中，鑄模2的模腔3用金屬填滿，並在澆口17可以看到澆鑄的熔融金屬的液面18。用液態熔融金屬填充模腔3按下述方法進行。第一步，將鑄模2裝入容器5中，坩鍋1的貯槽25用必要量的原料填滿。在澆鑄裝飾物時通常採用如金、銀或鉑的原料，其中也可以採用其它的材料和澆鑄其它的物件，例如塑料件或金屬小件。坩鍋1的容積在約5-2000釐米3之間。接著，容器5用蓋24氣密關閉，坩鍋1中的金屬藉助於未示出的加熱裝置熔化。在熔化過程期間或結束後，容器5的內腔26藉助於真空泵8抽真空至低壓約至少100毫巴，因此將在填充容器5時進入的空氣從內腔26和模腔3中抽出，也將鑄模2的壁中的氣孔抽真空。一旦達到所需的預定的低壓，則具有低密度的輕的氣體，在本例中為氦氣，經由閥22從第一氣體源6吹入容器5的內腔26，尤其是用這一輕的氣體吹洗模腔3。為此可以經由泵8維持小的低壓，這樣保證對整個鑄模2的吹洗。在用輕的氣體，氦氣，吹洗過程中，氦氣也進入鑄模2的壁中的氣孔中並充滿氣孔。由於氦氣很容易進入氣孔和毛細孔並具有高的流過率，因此，鑄模2的整體很快被氦氣穿透。一旦達到這一狀態，就關閉閥22，並在維持第一容器5的內腔中小的低壓下打開塞子15。這樣，熔融的金屬經由出鋼口14流入鑄模2的澆口17，直至充滿模腔3。現在同樣關閉閥21和打開閥20，使容器5的內腔26充滿較重的氣體，在本例中為氬氣。經由增壓裝置9可將超壓提升至1000毫巴，該超壓直接作用在模腔3的熔融金屬的液面18上。這樣模腔3中的熔融金屬被壓入模腔3的最外部並將輕的氣體-氦氣完全從模腔3中擠出。重的氣體，氬氣，具有這樣的特性，即它很難進入鑄模2的氣孔中，因此首先只在模腔的熔融金屬的液面18上建立壓力並經由作為反壓的壁減小。一旦模腔3中的熔融金屬凝固，就關閉閥20並在壓力平衡過程之後可以打開蓋24並從容器5的出鑄模2。這樣，重新澆鑄過程用的裝置裝入一新的、空的鑄模2。整個澆鑄過程的控制經由控制器10，例如，控制計算機實現，該計算機裝有控制程序和輸入裝置。程序以及澆鑄工藝可以依據待澆鑄的材料和其它的澆鑄參數適應相應的邊界條件。在採用第一或第二氣體源6、7中的其它氣體時也可考慮改變控制器10。
圖2表示精密鑄件的鑄造設備的例子，該鑄造設備相對於圖1的例子具有有利的補充。該鑄造設備由兩個容器即第一容器5′和第二容器13組成。第一容器5′安放鑄模2，第二容器13安放坩鍋1。這兩個容器5′和13可以氣密相連，其中沒有示出相應的連接裝置。在第二容器13上再次設置一蓋24，它經由同樣未示出的連接機構可與容器13氣密相連。容器13具有其中至少設有一條連接通道28的底27。第二容器13的底27經由密封件29放置在鑄模2的上表面30上。鑄模2在所示的例子中停放在提升-下降裝置31上，鑄模2藉助於該裝置朝底部27和出鋼口14移動或移離出鋼口。這樣就可以將第一容器5′的內腔與第二容器13的內腔經由連接通道28相互連接，如果鑄模2往下降，則鑄模不再貼緊在密封件29上。在所示的例子中，在坩鍋1中填有還沒有熔化的原料，即表示的是熔化過程和澆注過程開始前的初始狀態。
在坩鍋1中的原料金屬熔化以後，第一容器5′和第二容器13的兩個內腔經由真空泵8和連接管路11抽真空至預定的壓力。同時，容器5′的內腔形成鑄模2的周圍空間。鑄腔3中低壓的建立是經由第二容器13的內腔和連接通道28實現的，後者通入鑄模2的澆口17。在這種設備中，除了連接管路11中的閥21外還設有將泵8與第二容器13的內腔相連的第二閥32。當鑄模2貼緊在底部27的密封件29上時，為了抽真空而打開兩個閥21和32，以便在第一容器5′和第二容器13中產生所需的低壓，和從模腔3中抽出不需要的氣體。在鑄模2下降時也可以抽真空，其中只要打開兩個閥21或32中的一個。在本例中，在澆注過程開始之前，鑄模2藉助於提升裝置31移向密封件29。在達到所要的低壓後，打開閥22，從第一氣體源6將輕的氣體吹入容器5′和13中。在本例中使用氦氣作為小密度的輕的氣體。輕的氣體流過並充滿鑄模2的氣孔所需的時間與鑄模2的尺寸和所選擇的模型材料有關。一旦吹洗完氣孔並充滿氦氣，就通過關閉閥22中止吹洗過程。為了改善吹洗過程可以裝入一個附加的閥33。在這種情況下，在吹洗過程中關閉閥32並經由閥21繼續在鑄模2的周圍空間內產生低壓。然後，輕的氣體-氦氣流入第二容器13，並經由連接通道28流入模腔3，並從內向外透過鑄模2。在兩個變型方案中，在澆注過程開始之前關閉閥21，並只經由閥32維持在模腔3中的預定的低壓。一旦模腔3充滿液態的熔融金屬，則關閉閥32並打開閥20。從第二氣體源7並經由連接管路12將重的氣體，在本例中為氬氣吹入第二容器13的內腔中，並經由連接通道28對模腔3的澆口17中的熔融金屬的液面加載。現在，經由增壓裝置9在第二容器13中相對於第一容器5′中的鑄模2的周圍空間建立超壓。這又使模腔3中的液態熔融金屬被擠入模腔3的最外部，因為輕的氣體能無大的阻力地流過鑄模2中的氣孔而流入周圍空間。由於這裡重的氣體-氬氣只作用在模腔3的澆口17，因此，輕的氣體-氦氣容易從模腔3流入容器5′的周圍空間中，因為圍繞著鑄模2沒有建立超壓。
圖3表示附加改進的實施例，其中，在第一容器5′和第二容器13之間形成一第三氣體室34。該第三氣體室34設計在第二容器13的底部27和第一容器5″的中間壁35之間。中間壁35將鑄模2的上表面30朝向第一容器5″中的周圍空間密封。第一容器5″和第二容器13以及蓋24在本實施例中也是經由未示出的連接機構氣密封相互連接。在澆注過程開始之前，藉助於真空泵8並打開閥21和32在兩個容器5″和13的兩個內腔中產生所需的低壓，60毫巴。經由鑄模2的壁中的氣孔也對模腔3和第三氣體室34抽真空。因此，這一實施例帶來的附加優點是，模腔3中的空氣或其它氣體在任何情況下都向外抽出。在容器13中建立均勻的低壓是必要的，以避免不需要的氣體流入第三氣體室34中。在達到所需的低壓後打開閥22，從第一氣體源6經由管路19將氦氣形式的輕的氣體吹入容器13和第三氣體室34的內腔中。在管路19和第三氣體室34之間設置一附加的連接管路36。其中閥21保持敞開，因此，由於第一容器5″中鑄模2周圍空間中的低壓而使氦氣從第三氣體室34經由模腔3向外流入鑄模2的周圍空間中。這就保證了對鑄模2壁中的氣孔和毛細孔的完全吹洗，因此它們完全充滿了氦氣。一旦達到這一狀態，就關閉管路19中的閥22，並按已描述過的方式將液態熔融金屬澆注入模腔3中。一旦模腔3填滿液態的熔融金屬，就經由連接管路12′直接向第三氣體室34輸送氬氣形式的重的氣體。這是再次經由閥20、第二氣體源7和增壓裝置9實現的。相對於第一容器5″中的鑄模2的周圍空間的所需的超壓，在本例中為3000毫巴只建立在第三氣體室34中。由於第三氣體室34可以保持得很小，因此，只需要少量的氬氣，建立所需的超壓也很快並只需小的能量耗費。鑄造設備的這一結構型式使本發明的鑄造方法最佳化並使重的和輕的氣體的消耗減至最少。
也可以用不同的別的組合來代替作為例子提出的氣體交換的組合，氦氣/氬氣。如果使用淨化氣體，則例如可以是如氮氣/氬氣或氦氣/氮氣的組合。例如可以使用作為輕的氣體的氮氣和作為重的氣體的二氧化碳的組合。
權利要求
1.在一個精密鑄造的設備中鑄造金屬件的方法，該設備具有至少一個多孔的鑄模(2)、一將液態金屬澆注入鑄模(2)中的裝置(4)和一產生真空和壓力的裝置，其特徵為，在澆注過程開始之前，在模腔(3)和鑄模(2)的周圍空間中產生一低壓，然後，模腔(3)和鑄模(2)的周圍空間用一種輕的、小密度的氣體吹洗，在吹洗過程期間鑄模(2)壁中的氣孔至少部分被輕的氣體充滿，接著至少在模腔(3)中重新產生低壓，然後將液態熔融金屬注入模腔(3)並充滿模腔(3)，在模腔(3)充滿後用另一種重的、密度較大的氣體對模腔(3)的澆口(17)的熔融金屬的液面(18)加載，並在具有重的氣體的氣體室中相對於鑄模(2)的氣孔的孔腔產生一超壓。
2.按照權利要求1的方法，其特徵為，作為輕的氣體使用一種密度至少比重的氣體的密度小1.2倍的氣體。
3.按照權利要求1或2的方法，其特徵在於，作為輕的氣體採用周期表中具有原子序數為1-10的一種氣體，例如氦氣，作為重的氣體採用周期表中原子序數至少為7的一種氣體，例如氬氣，其中較重的氣體具有比較輕的氣體更大的原子序數。
4.按照權利要求1-3中之一的方法，其特徵為，在澆注過程開始之前產生至少為100毫巴的低壓，並在澆注過程結束時用重的氣體相對於鑄模(2)氣孔中的空腔中的壓力產生至少為10毫巴的超壓。
5.實施如權利要求1所述的方法的鑄造設備，包括一帶出鋼裝置(4)的坩鍋(2)和至少一帶有模腔(3)的鑄模(2)，其特徵為，鑄模(2)由至少部分透氣的材料製成，鑄模(2)設置在一個氣密的容器(5)中，容器(5)與不同氣體的第一和第二氣源(6，7)相連，並有通向泵(8)的連接管路(11)用來在容器(5)中產生低壓，在容器(5)和第二氣體源(7)之間的連接管路(12)中設有一用來產生超壓的裝置(19)。
6.按照權利要求5的鑄造設備，其特徵為，坩鍋(1)和出鋼裝置(4)設置在第二個氣密的容器(13)中，容器(13)經由閥(20)和連接管路(12)與產生超壓的裝置(9)相連。
7.按照權利要求5或6的鑄造設備，其特徵為，在坩鍋(1)的出鋼口(14)和鑄模(2)的澆口(17)之間設計有一第三氣體室(34)。
8.按照權利要求5-7中之一的鑄造設備，其特徵為，坩鍋(1)的出鋼口(14)的範圍和鑄模(2)的澆口(17)的範圍可以沿澆注軸線相互移動。
9.按照權利要求8的鑄造設備，其特徵為，在坩鍋(1)的出鋼口(14)的範圍和鑄模(2)的澆口(17)的範圍之間至少設置一氣密的密封件(29)。
10.按照權利要求7的鑄造設備，其特徵為，第三氣體室(34)經由連接管路(12′)與產生超壓的裝置(9)相連，和/或經由連接管路(36)與第一氣體源(6)相連。
11.按照權利要求5-10中之一的鑄造設備，其特徵為，該設備配有具有符合權利要求1的方法的控制程序的控制器和連接管路(11，12，19)中的用於氣體的控制閥(20，21，22，32)。
全文摘要
為了製造精密鑄件使用一種換氣方法。一坩堝(1)和具有至少部分多孔壁的鑄模(2)設置在一個氣密的容器(5)中。具有模腔(3)的鑄模(2)在澆注過程之前抽真空,接著用一種輕的氣體例如氦氣吹洗。在模腔(3)充滿後用第二種重的氣體例如氬氣對鑄模(2)中的熔融金屬的液面(18)加載,並作用一超壓。由此改善了模腔(3)的填充度和改善了澆鑄的物件的組織。
文檔編號B22D27/13GK1251543SQ98803885
公開日2000年4月26日 申請日期1998年3月17日 優先權日1997年4月3日
發明者克裡斯蒂安·萊特 申請人:安井章瑞, 克裡斯蒂安·萊特