半固態鑄造的設備和方法
2023-06-26 20:05:11
專利名稱：半固態鑄造的設備和方法
技術領域：
本發明的領域本發明涉及從半固態金屬鑄造出構件，更具體地說涉及從取自一槽半固態金屬中的半固態金屬鑄造出構件。
本發明的背景金屬構件的製造商長期以來已認識到適合於用模鑄工藝製造的模鑄構件的優越性，用半固態(或搖熔)金屬模鑄構件的優越性已有大量文獻記載，它包括(但不限制於)產生能熱處理的成品構件，這些構件比用熔化金屬鑄造的構件有更少的氣孔並且呈現出更均勻的結構。
參考材料取自於下列若干現有技術的參考文獻美國專利1．授於Young等人的美國專利4709746號「連續灌漿鑄造的工藝和設備」。
2．授於Nichting等人的美國專利5313815號「用連續加熱生產成形的金屬零件的設備和方法」。
3．授於Young的美國專利4565241號「製備一種有漿狀結構的金屬構成的工藝」。
4．授於Moschini的美國專利5464053號「生產流變鑄錠的工藝，特別是從該工藝進行高機械性能的模鑄生產」。
5．授於Ashok等人的美國專利5381847號「垂直鑄造工藝」。
6．授於Breuker等人的美國專利5375645號「從半固態金屬預成型生產成型物件的設備和工藝」。
7．授於Moritaka等人的美國專利5287719號「形成半凝固的金屬構成的方法」。
8．授於Meyer的美國專利5219018號「應用多相電流電磁激勵通過連續鑄造生產搖熔的金屬產品的方法」。
9．授於Kelly等人的美國專利5178204號「流變鑄造的方法和設備」。
10．授於Kiuchi等人的美國專利5110547號「半凝固金屬構成的生產的工藝和設備」。
11．授於Meyer的美國專利4964455號「通過連續鑄造生產搖熔的金屬產品的方法」。
12．授於Wilmotte的美國專利4874471號「糊相的金屬鑄造的器件」。
13．授於Leathham等人的美國專利4804034號「搖熔澱積的製造方法」。
14．授於Young的美國專利4687042號「生產成形的金屬零件的方法」。
15．授於Watts的美國專利4580616號「金屬的受控凝固的方法和設備」。
16．授於Flemings等人的美國專利4345637號「通過模鑄形成高份額固態構成的方法」。
17．授於Flemings等人的美國專利4108643號「形成高份額固態金屬構成及其構成的方法」。
18．授於Flemings等人的美國專利3902544號「形成一種含有非枝晶的初級固體的合金的連續工藝」。
19．授於Drury等人的美國專利5211216號「鑄造工藝」。
20．授於Flemings等人的美國專利3948650號「製備用於鑄造的液-固合金的構成和方法以及應用該液-固合金的鑄造方法」。
21．授於Flemings等人的美國專利3954455號「液-固合金構成」。
22．授於Tungatt的美國專利4972899號「鑄造晶粒精細錠的方法和設備」。
23．授於Watson的美國專利4577676號「鑄造具有精細晶粒結構的鑄錠的方法和設備」。
24．授於Flock的美國專利4231664號「化學結合的型砂的高速水平向和高速垂直向的混合的方法和設備」。
25．授於Smithers等人的美國專利4506982號「用於將粒子狀固體與粘性液體相混合的設備」。
26．授於Gmeiner等人的美國專利4469444號「用於粘性物質的混合和除氣設備」。
27．授於Wyss的美國專利5037209號「對特別是糊狀媒質的流體的混合的設備及其操作的工藝」。
28．授於Wayte的美國專利4893941號「在容器中混合粘性液體的設備」。
29．授於Bye的美國專利4397687號「混合熔化的金屬的混合裝置的方法」。
有關文章30．「流變鑄造工藝」，Flemings,M.C.,Rick,RG.及Young,K.P.「國際鑄造金屬雜誌」第1卷第3期，1976年9月，11-22頁。
31．「模鑄部分凝固的高銅含量合金」，Fascetta,E.F.,Rick,R.G.,Mehrabian,R.,及Flemings,M.C.「鑄造金屬研究雜誌」第9卷第4期，1973年12月，167-171頁。
上述參考資料給出了從半固態金屬形成金屬構件所包含的總的概念及優點。這些參考資料也給出了用於一般的模鑄的以及用於從半固態金屬模鑄構件的標準技術。同時也包括了給出各種搖動和攪拌半固態材料的方法和參考材料。所有這些參考材料，以及在其中引用的參考材料，為了建立用於處理半固態金屬和模鑄構件的方法和程序的目的而結合在本文中。
大多數用於從半固態金屬模鑄構件的現有的方法和裝置都使用了從固體棒材中切割下來的帶有一種半固態微細結構預成形的圓柱體芯棒或坯料。這些坯料在絕對高的壓力(通常在大約16000-30000psi(2.32-4.35巴))下被壓進鑄造模具之前要被加熱以使它們回復到半固態狀態。這些坯料容易被表面氧化，從而使被氧化的材料結合進最後的構件中去。還有，這工藝需要金屬被加熱到半固體狀態，坯料被鑄造和冷卻，儲存，切割成需要的長度，可能被運輸，以及最後在鑄造成最後的構件之前再重新加熱。
本發明提供了一種裝置和方法，在該方法中，一槽穩定的，能恆定地被攪拌的，溫度受到控制的半固態金屬被保存在一個儲存容器內並在其原有的半固體狀下下被傳送到模鑄機器，準備立即被鑄造成最後的構件。傳送可以通過一個經加熱的吸管和溫度受控制的進料套筒通過真空鑄勺來完成。在傳送中的半固態金屬通過一個柱塞的頂端而被壓進模腔內，該柱塞頂端提供有一個放氣通路以破壞在舀出過程中形成的真空，以便於使在吸管中的半固態金屬在加壓處理期間能回到槽中。這樣，一槽立即可得到的穩定的均質的，溫度受到控制的半固態金屬被提供在一個模鑄環境中，它可以根據需要以其半固態形式被傳送到模鑄壓機的模腔內，以製造具有增強特性的金屬構件。
根據本發明，一種將經加熱的金屬傳送到一種有至少一個模腔，一個真空門及一個金屬饋送門的模鑄裝置的設備，包括一個保持在一個預先確定的高於其開始凝固的溫度的溫度範圍的熔化的金屬的源，一個容納半固態的金屬，其中直至約45％的金屬是以金屬的流體份額的微粒懸浮的容器，一個加熱的吸管，一個和該容器通過該加熱吸管有金屬流交流，以及和模腔通過金屬饋送門也相通的注射套筒，一個在套筒內可逆性配置的用以迫使套筒內的半固態金屬在壓力下進入模腔的柱塞，以及一個和真空門、模腔、饋送門及注射套筒相通的，以便於使半固態金屬從溫度控制的容器通過經加熱的吸管抽吸到處於一個套筒內能被柱塞迫使進入模具的位置的真空源。該容器包括一個底部，一個側牆，以及一個頂部，並且該設備可以包括一個配置在容器內的攪拌器和一個其位置適宜於通過容器的底部將熱量傳遞給容器中的半固態金屬的加熱器。容器的底部可以包括一個有獨立尺度的和容器內的半固態金屬通過容器的底部有金屬流交流的加熱腔，並且加熱器可以被安置以便對加熱腔內的金屬進行加熱，該加熱器可以是一種感應加熱器。攪拌器可以置於容器內以便於促進加熱腔內的金屬和容器內的半固態金屬的混合。注射套筒可以裝上夾套，流體可以通過該夾套循環。該設備可以包括一個傳送裝置，該傳送裝置用於從熔化金屬源向容器傳送預先確定容量的熔化金屬。用於向已加熱的注射套筒傳送半固態金屬的吸管可以從容器中的半固態金屬的表面向上延伸。
根據本發明的另一個方面，一個經過改進的用於保存在等溫狀態中的用於鑄造的半固態金屬的容器，包括一個底部、側牆和頂部，一個攪拌器，以及一個被安置成通過該容器的底部向容器中的半固態金屬傳送熱量的加熱器。該容器的底部可以包括一個有獨立尺度的和容器內的半固態金屬通過容器的底部有金屬流交流的加熱腔，並且加熱器可以被安置以便對加熱腔內的金屬進行加熱。該加熱器可以是一種感應加熱器。該容器可以包括一個安置的攪拌器以便於促進加熱腔內的金屬和容器內的經攪動的半固態金屬的混合。
根據本發明的又一個方面，一種其中半固態金屬通過一個柱塞從一個進料套筒驅動進一個模具的模鑄工藝，通過包括加熱該進料套筒的步驟而得到改進。該進料套筒可以裝上夾套，而流體可以通過該夾套循環。
根據本發明的另一方面，一種用於從一個保存在一個半固體狀態的合金源模鑄金屬合金的方法，包括以下各個步驟，即，提供一個具有一個用於接納被鑄金屬和將該金屬冷卻到一個固體形狀的模腔的模鑄壓機，提供一個具有一個底部和一個側面的熔化金屬的容器，將熔化金屬的溫度降到該金屬將開始凝固的水平，攪動該金屬並且控制其溫度以便使金屬保持在包含有金屬的固體微粒和熔化的金屬的等溫狀態，其中控制溫度由通過該容器的底部加熱來完成，金屬的冷卻是部分地通過該容器的側面，以及攪動步驟包括從該容器的側面剪切正在凝固中的金屬，從而該容器中的金屬通過不停的攪動和溫度控制被保持在一種穩定的半固態狀態。周期性地將控制數量的金屬從容器中抽出並且通過一個吸管將該金屬轉送到模腔去鑄造的步驟可以包括在其中，在轉送步驟期間被抽取的金屬的溫度可以受到控制，受到控制的數量的熔化的金屬可以周期性的添加到容器中用以接替每次抽取的金屬的數量。懸浮在吸管中的金屬在構件的鑄造期間可以被容許返回到槽中。
根據本發明的還有一個方面，一個用以將已加熱的金屬傳送到有至少一對在其間形成至少一個模腔的鑄模，一個真空門，以及一個用於製造模鑄金屬鑄件的金屬饋送門的模鑄裝置的設備，包括一個有溫度控制機構和攪拌器，用於儲存一槽半固態金屬的容器，一個用於將熔化的金屬傳送到該容器的系統，一個將半固態金屬在半固體的狀態中從該容器傳送到模鑄模具的轉送系統，以及一個和該容器有流體相通的加熱腔。該設備可以包括多個調節器用以控制從容器中抽取的半固態金屬的數量以及添加到該容器中的熔化的金屬的數量。該轉送系統可以包括機械鑄勺或真空鑄勺並且也可以包括一個帶有一個加熱器的吸管。該設備可以包括一個和一個注射套筒有流體相通的吸管以及一個在真空舀出期間將注射套筒密封以便容許半固態金屬被抽取進注射套筒並且在把該材料壓進模腔之前懸浮在吸管中，並且在壓制工序期間創造出一個排出通道容許先前懸浮在吸管中的金屬返回到金屬槽中去的柱塞。該設備還可以包括一個用於在加熱腔之內加熱金屬的感應加熱器。該容器可以有一個比通過模鑄製造一個構件所需要的半固態金屬的體積大許多的體積。
根據本發明，一種用於向有至少一對在其間形成至少一個模腔的鑄模，一個真空門，以及一個用於製造模鑄金屬鑄件的金屬饋送門的一個模鑄裝置傳送已加熱的金屬的設備，包括一個用於儲存一槽半固態金屬的容器，一個和該儲存槽有流體相通的吸管，以及一個和模腔及吸管有流體相通的進料套筒。進料套筒包括一個在其中接納吸管以形成一個交接點的小孔，該小孔的形成是為了減小在該交接點的進料套筒的表面區域。該吸管可以包括一個接納在該小孔內的切成斜坡的埠。吸管可以是非金屬的，進料套筒可以包括一個形成在小孔處的錐口孔。
本發明的另外的特性和優點對於那些在本技術中熟練的人士在考慮到了最新取得的例證了貫徹本發明的最好的模式的最佳實施例的下述詳盡的敘述以後將是顯而易見的。
附圖的簡略說明
圖1是根據本發明用以提供一槽不斷攪拌的，溫度受到控制的半固態金屬，該半固態金屬可以在其原有的半固體狀態下被傳送到一臺模鑄機準備立即鑄造成一個最終構件的一個空的裝置的部分示意圖。
圖2是本發明的第一實施例的一個部分剖面圖，圖中顯示了一個位於下部並且和具有一個注滿了一槽被攪動的，溫度受到控制的半固態金屬的儲器的容器有流體相通的加熱腔以及用於將該金屬在其半固體狀態下傳送到一臺模鑄機立即鑄造成一個最終構件的一個經加熱的吸管和一個進料套筒。
圖3是沿圖2的線3-3截得的一個部分橫剖面圖，圖中顯示了在半固態槽和進料套筒之間延伸的經加熱的吸管，也顯示了一個為在進料套筒內往復運動而配置的柱塞。
圖4是基本上類似於圖3的吸管，進料套筒和柱塞的一個部分剖面近似全貌圖，並帶有一個另一種用於加熱吸管的燃氣火焰加熱器。
圖5是圖3和圖4中的柱塞頭的一個橫剖面圖，圖中顯示了設計來用於在壓制和鑄造操作期間最大限度地減少半固態金屬和柱塞頭接觸以及容許吸管中的半固態金屬返回到半固態槽的一個較大直徑的進料套筒密封側牆和一個較小直徑的通道側牆。
圖6是圖5的柱塞的一個側視圖。
圖7-圖10闡明了快速將半固態金屬壓入一個模腔(未顯示)的過程，該半固態金屬已事先被真空舀出到進料套筒。
圖7是本發明的吸管，進料套筒和柱塞頭的一個部分橫剖面圖，圖中顯示了柱塞密封了吸管連接處的右邊的進料套筒，容許和該進料套筒的左端有流體相通的真空源(未顯示)從槽中抽取半固態金屬通過吸管進入進料套筒。
圖8是類似於圖7的部分橫剖面圖，圖中顯示了在進料套筒中向左移動的柱塞開始將半固態金屬壓進模(未顯示)內，並顯示了半固態金屬仍然充滿了吸管，因為柱塞仍然密封了進料套筒的右端，這樣在圖7中施加的真空仍然存在。
圖9是類似於圖8的部分橫剖面圖，圖中顯示了進一步向左移動的柱塞，這樣空氣就通過由柱塞的通道側牆和進料套筒形成的通道流過了柱塞並且進入吸管，破壞了在圖7中形成的真空，因而在吸管中的半固態金屬就落回到半固態槽中。
圖10是類似於圖9的部分橫剖面圖，圖中顯示了更進一步向左移動的柱塞，表明自從在吸管中保持半固態金屬的真空被破壞後已經過去了足夠的時間，因而先前在吸管中懸浮的所有半固態金屬已經返回到槽中並且吸管已經被排空。
圖11是經加熱的吸管和經加熱的進料套筒之間的連接處的部分橫剖面圖，圖中顯示了形成在進料套筒中的一個小孔中的一個錐口孔，一個切成斜坡的吸管的埠被接納在此錐口孔中，為的是在連接處的區域中最大限度地減少在轉送期間能夠和半固態金屬接觸的該進料套筒的表面區域。
最佳實施例的敘述雖然本發明適用於能在半固體狀態下保存的任何金屬或合金，但是這裡所公開的裝置還是專門被構形成用於鋁合金，特別是鋁A356的。參看圖1-圖3，用於模鑄構件的一個半固態金屬爐10含有設計來控制保持在其中的金屬的熱量損耗的容器12。容器12包含用於混合及阻止在保持在容器12內的一槽半固態金屬16中形成枝狀晶體的攪拌系統14。配置在容器12中的傳感器18(圖2)將有關於半固態金屬槽16的固態份額的信息傳送到作用於加熱器22的控制器20。加熱器22導熱性地連接到和容器12有流體相通的加熱腔24。和儲器30通過頂部56有流體相通的進口26和出口28提供了通向儲器30的通道，用以向半固態金屬槽16添加熔化的金屬32以及從半固態金屬槽16中移走半固態金屬34。半固態金屬爐10位於接近模鑄機(未顯示)的模鑄環境中，這樣，半固態金屬34，可以隨手可得地在其半固體狀態下傳送到模鑄機的模腔(未顯示)。
容器12有底牆36和圓柱體的側牆38，它們和頂部56一起限定了儲器30，在儲器30內半固態金屬34可以以一槽半固態金屬16的形式儲在其中，如圖2中例舉顯示的那樣。容器12的形成是為了符合便於控制從半固態金屬槽16中通過圓筒形的側牆38，底牆36和頂部56的熱損耗的設計規格。當容器12中含有A356時，容器的側牆38，底牆36和頂部56包括了一個由Therm連接Formula Fire-L做成的具有約2.5英寸(6.35cm)厚度41的耐熔牆40。在這個厚度41上側牆38、底牆36和頂部56會從半固態金屬槽16中耗散熱量，但防止了熱量以比加熱器22能夠加熱半固態金屬槽16的速率更大的速率耗散。舉例說明，加熱器22是一種35KW的感應加熱器，而容器12設計成通過側牆38、底牆36和頂部56的熱量耗散要小於35KW。感應加熱器22是通常可以從Ajax Magnathermic的型號得到。可以預見，通過控制半固態金屬34的抽取及用熔化金屬32的替換的速率，通過容器12的側牆38、底部36和頂部56耗散的熱量可以超過感應加熱器22的加熱能力。當其它的金屬以半固體狀態保存用作鑄造操作時，側牆38、底牆36和頂部56應該用合適的材料製作，其厚度41應足以保證通過側牆38、底牆36和頂部56的熱量損耗不超過由加熱器22和添加的用以替代被抽取的半固態金屬34的熔化的金屬32提供給半固態槽16的熱量。
加熱腔24和儲器30通過容器12的底牆36上的小孔42可流體相通。加熱腔24用耐熔管道製成，以形成一個從容器12向下延伸的U形通道44而感應加熱器22的鐵芯46被環繞包裹在加熱腔24的U形通道44的一側以便於加熱加熱腔24，如圖1-3中例舉顯示的那樣。感應加熱器22的感應鐵芯46創造了一個場，該場感應加熱了在加熱腔24中包含的半固態金屬34。
如圖說明，傳感器18是一種熱電偶50，半固態金屬槽16中的固態份額和槽16的溫度有關。但是，傳感器18可以是任何一種裝置，它能夠確定和半固態金屬槽16的固態份額有關的半固態金屬槽16或爐10的運行的任何特性並且提供一個根據該經確定的特性的數值的信號給加熱控制器20。和半固態金屬槽16的固態份額有關的爐10運行的一些特性，是驅動轉子60或螺鑽62的電動機72、102所經歷的扭矩和轉子軸66或螺鑽軸96的振動。這樣，傳感器18就可以是一種扭矩轉換器，或者是一種對振動敏感的光學裝置。如圖說明，傳感器18和加熱器控制器20是電氣連接的。加熱器控制器20由導線23連向加熱器22。控制器20可以是一種P.I.D.控制器，經適當的程序控制能將半固態金屬槽16的溫度維持在設定點上。
穿過容器12的頂部56延伸的熱電偶50部分浸設在半固態金屬槽16中，並且連接到加熱器控制器20，該控制器有選擇地促動和取消促動加熱器22來調節半固態金屬槽16的溫度。對於A356鋁合金，半固態金屬槽16的溫度被調節到在590℃(1094°F)和615℃(1139°F)之間的一個設定點的攝氏1度(1℃)、(1.8°F)之內。當爐10是用於A356以外的金屬時，設定點就被選擇在一個溫度範圍內，在此範圍內該金屬呈現半固體狀態。
對於A356，熔化金屬32的源52被保持在稍高於615℃(1139°F)，也就是將形成半固態金屬34的金屬的液化溫度。來自源52的熔化金屬32可以由鑄勺54人工或自動地舀進進口26，如圖2中陰影線53顯示的那樣。可以想像，用適當的閥門自動地控制在源52和儲器30之間的熔化金屬32的流動，在源52和進口26之間的適當的流體相通是能夠形成的。
在初始的起動期間，來自源52的熔化的金屬32被用於灌注儲器30，熱量通過容器12的圓筒形側牆38耗散直到熔化金屬32開始凝固。當金屬槽16的溫度從熔化金屬32的溫度冷卻下降到凝固點時，容器12中就產生了半固態金屬34。
如圖說明，攪拌系統14不斷地攪拌儲器30中的半固態金屬槽16並且被確信在槽16內的凝固期間阻止枝狀晶體的形成及溫度梯度的形成。這樣的不斷的攪拌通過移去在側牆38上凝固的多餘的金屬並且將這些多餘的金屬送進大部分的槽16內，也促進了儲器30內整槽的半固態金屬16的均勻性，在凝固期間，在金屬34中形成枝狀晶體結構也就是枝狀晶體。破壞這種枝狀晶體結構通常被稱為剪切枝狀晶體。這樣，不斷的攪拌剪切了來自於容器12的側牆38的枝狀晶體，這在下文中將要敘述。兩個分開的攪拌器58配置在容器12中，被設計成不斷地攪拌儲器30中一槽半固態金屬16。兩個攪拌器58將半固態金屬34混合到一定的程度。如圖說明，攪拌器58包括一個中心轉子60和一個螺鑽62，但是，中心轉子60執行了大部分剪切的動作和橫向的混合，而螺鑽62則執行了大部分縱向混合。
中心轉子60被連接到軸66的驅動端64，軸66又在從動端68被連到一個鏈輪(被隱去)。安裝到爐10的框架74的電動機72被連接到驅動軸76，驅動軸76又通過減速齒輪(被隱去)和鏈條70可驅動地連接到軸66。任何將電動機72連接到中心轉子60能使中心轉子60保持在所需要的角速度的標準裝置都可以被應用，諸如皮帶輪的皮帶，互相嚙合的齒輪以及類似裝置。電動機72和中心轉子60之間的連接78最好設計和配置成以每分鐘25到35轉(25-35rpm)的角速度來轉動中心轉子60。
中心轉子60穿過在容器12的頂部56的同心空隙80延伸，這樣，中心構件82位於容器12的圓筒形牆38的縱向軸上並繞其旋轉。中心轉子60的底部支杆86從中心構件82向容器12的側牆38相鄰於容器12的底牆36延伸。中心轉子60的側面支杆88從底部支杆86相鄰於容器12的圓筒形側牆38向上延伸。為了剪切在凝固期間容易形成的沿著容器12的圓筒形牆38首次發生的枝狀晶體，中心轉子60的底部支杆86和側面支杆88最好配置成離容器12的圓筒形側牆38和底牆36少於一英寸(1.0″)(2.54cm)處旋轉。因為半固態金屬槽的冷卻主要通過側牆38和底牆36的熱量轉移發生，而半固態金屬槽16的加熱主要通過儲器30和加熱腔24之間的流體相通的熱量轉移發生，所以側面支杆88從側牆38以及底部支杆86從底牆36的位移都是很重要的。側面支杆88從側牆38以及底部支杆86從底牆36的位移被認作為牆間隙90。中心轉子60的剪切速率是以牆間隙90和中心轉子60的角速度為基礎的。
雖然中心轉子60可以是實心的鈦或不鏽鋼的，它也可以用中空的不鏽鋼或鈦材料做成以形成一個內部流體通道92。已經發現，某些金屬，尤其是鋁合金能對在很長的時期內浸設在一槽16的半固態金屬34中的不鏽鋼具有有害的影響。為了減小這種有害影響，中心轉子60可以通過將流體通道92連接到一個冷卻流體諸如空氣、油、水或類似物(未顯示)的源上來冷卻。雖然減小這種有害影響的過程還未完全理解，但被認為在槽16中的半固態金屬34在接觸了經冷卻的中心轉子60就立即凝固，在中心轉子60上形成一層(未顯示)凝固的金屬塗覆層。據相信這個金屬塗覆層減小了使中心轉子60恆久浸設在半固態金屬槽16中的有害影響。同時也相信，一旦中心轉子60被塗覆至一個足夠的厚度以後，在該塗覆層金屬內就形成了一個溫度梯度，這樣在該塗覆層金屬的外表面和半固態金屬槽16的溫度之間的差異已經不足以引發進一步的塗覆。
螺鑽62直接連接於驅動軸96的螺鑽端94，該驅動軸穿過頂部56上的偏中心孔98延伸並在驅動端100連接安裝到爐10的框架74上的雙向可變速電動機102。雙向可變速電動機102設計成以一個100-200rpm之間的角速度使螺鑽62旋轉。在圖示的裝置內，螺鑽62逆時針方向的旋轉(從上往下看)使螺旋片104迫使任何相鄰的半固態金屬34向下朝容器12的底牆36移動，而螺鑽62順時針方向的旋轉使螺旋片104迫使任何相鄰的半固態金屬34向上朝容器12的頂部56移動。為防止在半固態金屬槽16中懸浮的固化金屬沉澱於容器12的底部36，螺鑽62以順時針的方向運行。這樣，沉澱的固化金屬就從底部36被拉起，保持了儲器30中半固態金屬槽16的勻質的性質。螺鑽62的底部106位於鄰近底牆36上通向加熱腔24的小孔42。這樣，螺鑽62的旋轉同時也誘發了半固態金屬34進出加熱腔24的流動。所敘述的螺鑽62是作為舉例的，其他的攪動或混合裝置也可以被應用。例如，用多片的混合裝置也已經取得很好的結果。
對半固態金屬槽16的不斷的攪拌，以及用稍高於液化溫度的熔化金屬32快速地替換被移走的半固態金屬34，創立了一個能維持勻質的、等溫的存在於儲器30內的一槽半固態金屬16，當需要時鑄造用料就可以從儲器30中抽取。當應用A356時，所公開的爐10使具有在流體的金屬份額中直至45％的固體金屬的半固態金屬槽16，在凝固點溫度的一攝氏度(1℃)(1.8°F)之內用於向鑄造機器傳送材料。在圖示的在轉移系統107中使用真空舀出的爐10中，最好是將懸浮在流體金屬份額中的固體材料百分比維持在30％或以下。如果轉移系統包括手動或機械的鑄勺，則被認為更高的固體份額也可以使用。懸浮的固體金屬微粒的尺度要限制在100-500微米(0.0254-0.127″)並且相當均勻地分布在遍及半固態金屬槽16內。
吸管108包括一個頂端114，一個拾取端110，以及一個縱向軸118。吸管108穿過容器12的頂部56延伸，而拾取端110則配置在半固態槽16的表面112以下。吸管108的頂端114和進料套筒116有流體相通。吸管108的縱向軸118最好取向垂直以便於阻止半固態金屬34在吸管108中凝固。吸管108也由經控制的加熱器120加熱，該加熱器將吸管108的溫度保持在大於600℃(1112°F)以便於防止半固態金屬34在吸管108中凝固。
吸管108連接到其內包含有一個能往復移動的柱塞128的進料套筒116。進料套筒116連接到金屬饋入門(未顯示)，以便和由至少一對具有一個真空門(未顯示)的模(未顯示)形成的模腔(未顯示)有流體相通。外夾套121圍住了進料套筒116並且設計成容納保持在大致150℃(302°F)的流體123，諸如油，用以防止進料套筒116的過度的加熱或冷卻。因為據想像半固態金屬34將僅存在於進料套筒116一個短時期，大約在一秒的十分之一(1/10)，所以進料套筒116和半固態金屬34之間的溫度差異將不足以使金屬凝固。
如圖說明，進料套筒116和吸管108一樣是一個管子。吸管108被加熱到大大高於進料套筒116的溫度，因為正在由真空舀出到模腔的半固態金屬34趨向於在進料套筒116和吸管108的連接點處凝固，在這個連接點半固態金屬34是首次和進料套筒116接觸。進料套筒116有一個牆115，該牆具有一個外牆117，一個內牆160，以及一個在外牆117和內牆160之間延伸的連接牆119，以限定一個連接點孔133，如在圖11中舉例顯示的那樣。半固態金屬34在連接點154的凝固通過減少半固態金屬可以與其接觸的連接牆119的表面區域而降到最低。連接點孔133被形成為具有和吸管108的內直徑大致相等的直徑125。一個深的錐口孔129形成在外表面117上的連接牆119處，而吸管108的頂端114的形成包括一個被接納在該錐口孔129內的斜口131，如圖11中舉例顯示的那樣。
金屬饋送門用作向模腔內傳送半固態金屬34。一個和真空門、模腔、金屬饋送門、進料套筒116和吸管108相通的真空源(未顯示)為快速地從半固態金屬槽16通過吸管108抽取半固態金屬34進入送料套筒116提供了足夠的壓力差。柱塞128被連接到一個汽缸(未顯示)，這樣在半固態金屬34被接納到進料套筒116以後，柱塞128就迫使半固態金屬34在壓力下通過金屬饋送門注進模腔。在圖示的爐10中，被傳送到進料套筒的半固態金屬34含有少於30％的固體微粒，所示柱塞128隻需要在5000-13000psi(0.725-1.885巴)的壓力下迫使半固態金屬34進入模腔。當爐10在使半固態槽16保持有25％的固體微粒操作時，柱塞128就在6000psi(0.87巴)的壓力下迫使半固態金屬34進入模腔。因為模具和柱塞128遭受的壓力小於在鋼坯技術中遭遇的壓力(即16000-30000psi(2.32-4.35巴))，所以柱塞128和模具的壽命可以因本發明而延長。
柱塞128包括一個推桿130和一個柱塞頭132。柱塞頭132包括一個前牆134，一個具有僅比進料套筒116的內徑140稍小的直徑138的圓周向延伸的密封牆136和一個具有比密封牆136的直徑138和進料套筒116的直徑140還小的直徑144的圓周向延伸的通道牆142。
密封牆136從前牆134向後延伸一段距離146到將通道牆142和密封牆136分開的臺階148。柱塞頭132，就象得自Semco公司NO.869-D5型號的用在模鑄條件下的標準柱塞頭，是用經熱處理的鈹銅製成。柱塞頭132不同於這些標準柱塞頭之處為，標準柱塞頭通常不包括一個臺階148和一個圓周向延伸的通道牆142。柱塞頭132可以從一個標準柱塞頭通過對一個標準柱塞頭在車、鏜組合工具機或類似工具機上適當地機械加工以形成臺階148和通道牆142而製造出來。柱塞頭132包括一個和一種溫度經控制的能控制柱塞頭132的溫度的流體諸如空氣、油、水、冷卻劑或類似物有流體相通的內腔150。
柱塞頭132可往復地被接納在進料套筒116內，如同在圖7-10中舉例顯示的那樣。在將接納在進料套筒116內的半固態材料34壓入模鑄機的模腔之前，柱塞頭132被置於進料套筒116和吸管108的連接點154的一側156的相對側152上，在該側156上置有一個真空源(未顯示)，如圖7中舉例所示。這樣，密封牆136密封了進料套筒116以在壓鑄模(未顯示)和半固體槽16之間限定一個流體通道158。真空源能夠向上抽取半固態材料34通過吸管108和進料套筒116進入模腔(未顯示)。當真空源(未顯示)不再提供真空時，流體通道158仍保持密封，而半固態材料34仍保留在進料套筒116和吸管108內準備被壓進模腔。然後如圖8中顯示的那樣推桿130開始把柱塞頭132推向模腔。在圖8中臺階148還沒有越過連接點154的相對的一側152，所以密封牆136繼續密封了進料套筒116。因為流體通道158仍舊保持密封，在吸管108中的半固態材料34在先前施加的真空的影響下仍保持懸浮在吸管108中。
當柱塞頭132向前移動因而臺階148處在連接點154的兩側152和156之間時，密封牆136不再密封流體通道158，而通道牆142和進料套筒116的內牆限定了一個放氣通路或空氣通道162，破壞了真空並容許吸管108中的半固態金屬34在重力之下開始落回半固體槽16，如圖9中顯示的那樣。當柱塞頭132進一步移動到左側，空氣通道162在尺度上增加了，先前懸浮在吸管108中的所有的半固態金屬34最終在重力之下返回到半固態槽16，如圖10中舉例顯示的那樣。應該理解，柱塞頭132繼續進一步移向左側並且將半固態金屬34壓進模腔(未顯示)。當進料套筒116中的半固態金屬34被壓進模腔以後，金屬饋送門就關閉，而柱塞頭132返回到在圖7中所佔的位置，準備作下一次鑄造循環。在由真空源施加低壓力而啟動真空舀出之前，裝置呈現出基本上和圖3中描述的狀態一樣。
柱塞頭132的構形不僅提供了一個用以破壞將半固態金屬34保持在吸管108內的密封的空氣通道162，而且還將半固態金屬34和冷卻的柱塞頭132的鈹銅材料之間的接觸最大限度地減小。這樣，柱塞頭132的構形有助於保持在吸管108和進料套筒116中的半固態材料34的勻質等溫的性質。雖然圖示的柱塞頭132包括一個圓周向延伸的通道牆142，但應該理解，通道牆142是不需要圓周向地繞柱塞頭132延伸的，它可以形成為一個縱向的溝槽或類似物，只要柱塞頭132的取向能使通道牆142破壞將半固態金屬34保持在吸管108內的密封以及最大限度地減小半固態金屬34和冷卻的柱塞頭132的鈹銅材料之間的接觸即可。當半固態金屬34被保持在吸管108和進料套筒116內一個短時間時，一種標準的柱塞頭也可以用在本發明中，只要推桿130的衝程足夠長，能使標準柱塞的後沿越過連接點154的相對側152並且形成一個空氣通道使原先懸浮在吸管108中的半固態金屬34能返回半固態金屬槽16即可。
參閱圖4，圖中顯示了吸管108和加熱器220的第二種實施例。在圖2和3中說明了一種用線圈加熱吸管108的電加熱器120，而在圖4中舉例顯示的第二實施例中，吸管108是靠來自一個噴燈或燃氣出口224的火焰222加熱的。用電加熱器120，燃氣出口224和/或其他加熱器的結合來加熱吸管108的，也是在本發明的範圍之內。
在本發明的目前的最佳實施例中，吸管108是用能對吸管108提供更均勻加熱的石墨製成。如前面提及的，對吸管108加熱是為了阻止半固態金屬34在吸管108內凝固。在本發明的目前最佳實施例中，吸管108由電加熱器120和燃氣出口224共同加熱。吸管108的下端浸沒在半固態金屬槽116中並且因此基本上處在半固態金屬槽116的溫度下，從下端往上大致上6英寸(6″)(15.24cm)處，吸管108由電加熱器120加熱到大約790℃(1450°F)。來自燃氣出口224的火焰222加熱吸管108上由電加熱器120加熱的部分以上的部分。應該理解，沿吸管108的不同位置處的溫度可能有所不同，只要吸管108被充分加熱到當柱塞越過連接點154後能使半固態金屬34從吸管108返回到槽16即可。
在模鑄零件的製造中，從半固態金屬槽16中通過吸管108移入進料套筒116的半固態金屬34的數量是受控制的。這可以通過控制真空源的工作循環來控制，使得壓力差被施加一個特定的期間。所以，對於每一次模鑄，一個已知數量122的半固態金屬34被從半固態金屬槽16中移出。該已知的數量122就是模腔的容積，由圖3左邊的點線143和進料套筒116中在吸管連接點154的模腔一側156的部分圖解性代表，如圖7中舉例顯示的那樣。當已知數量122的半固態金屬34從半固態金屬槽16中通過吸管108移出時，一個相似數量126的熔化金屬32從源52通過進口26被添加到半固態金屬槽16中用以保持儲器30中半固態金屬槽16的水平124和半固態金屬槽16的溫度。相似數量126的熔化金屬32的數量最好基本上和已知數量122的被移走的半固態金屬34的數量相等。雖然每一次鑄造循環以後已知數量122的被移走的半固態金屬34可以被相似數量126的熔化金屬32所接替，但通常最好是經過幾次鑄造循環以後用相似的累積數量的熔化金屬32來接替在幾次循環期間被移走的累積的半固態金屬34。
在典型的應用中，容器12含有大致1200磅(544.3Kg)的半固態A356鋁合金，而從半固態合金形成的構件通常需要5到30磅(5-30Lbs.)(2.27-13.6Kg)的半固態合金來製造。所以，在重量上不到百分之三(3％)的590-615℃(1094-1139°F)的半固態金屬34被從槽16移走並且由高於165℃(1139°F)的熔化金屬32替代，引起槽16的平均溫度在每次鑄造循環中的變化大大小於攝氏1度(1℃)(1.8°F)。甚至如果二十五磅(25lbs.)(11.34Kg)半固態金屬34由來自源52的熔化金屬32替代，A356槽16的平均溫度的變化也小於十分之三攝氏度(0.3℃)(0.54°F)。
本發明精心設計的一個方法包括提供一臺具有一個用於接納將被鑄造的金屬並使該金屬冷卻到固體形態的模腔的模鑄壓機，和提供一個具有一個底牆36和一個側牆38的熔化金屬的容器12。在容器12中的熔化金屬的溫度降低到金屬開始凝固的水平，然後金屬被攪動和加熱，其目的是使該金屬保持在一個含有金屬的固體微粒和熔化的金屬的百分比受控制的等溫狀態。如圖說明，固體微粒的百分比的控制部分地通過將金屬的溫度控制在一個設定點的特定範圍之內來實現，其方法是將半固態金屬34通過一個加熱腔24循環，該加熱腔通過容器12的底牆36與容器相通並且使半固態金屬34通過容器12的側牆38冷卻。
受控制數量122的半固態金屬34周期性地從容器12中抽取出並轉送到模腔進行鑄造。整個轉送過程中半固態金屬34都保持其半固體的狀態直至轉送完成。在轉送步驟的期間被抽取的半固態金屬34的溫度是受到控制的。雖然目前的最佳方法通過提供一個溫度受控制的吸管108和進料套筒116來控制在轉送期間被抽取的半固態金屬34的溫度，但也可以將壓機和容器12定位得互相之間充分鄰近來控制溫度，這樣被抽取的半固態金屬34可以在容器12和進料套筒116之間足夠快地用人工或自動地舀出以防止大量熱量從被轉送的數量122中損耗。作為轉送步驟的一部分，受控制數量122的半固態金屬34在壓力下被迫使進入模腔。所需要的壓力大約為10000psi(1.45巴)。
用於將被抽取的半固態金屬34壓進模腔的柱塞頭132被設計成有選擇地密封進料套筒116以便於在壓制前容許將半固態金屬34真空舀出至模具，以及破壞密封以容許不在進料套筒116內的半固態金屬34返回至槽16。
相應的受控制數量126的熔化金屬32周期性地被添加到容器12中以替代每次被抽取的數量122的半固態金屬34。通過不斷的攪拌和受控制的加熱，容器12中的半固態金屬34被保持在穩定的半固體的狀態。限制受控制數量122的被抽取的半固態金屬34的數量，使被抽取的數量不會超過容器12中半固態金屬34的全部體積的特定的百分比，以及控制被添加以接替被抽取掉的半固態金屬34的熔化金屬32的溫度，使該溫度僅稍稍高於金屬的液化溫度，這些都包括在受控制地加熱半固態金屬34的各個方面之中。
雖然本發明通過參考某些最佳實施例已經詳盡地進行了敘述，但在下面的權利要求書中所敘述和限定的本發明的範圍和精神下還存在各種變化和改進。
權利要求
1.一種將經加熱的金屬傳送到一用於製造模製金屬鑄件的模鑄裝置的設備，該模鑄裝置包括形成至少一個具有一個真空門和一個金屬饋送門的模腔的模具，該設備包括一個熔化金屬源，其中該熔化金屬的溫度保持在一個預先確定的高於金屬將開始凝固的溫度的溫度範圍；一個含有在半固體狀態下的金屬的容器，其中直至約45％的金屬是金屬的流體份額中懸浮著的微粒；一個加熱的吸管；一個和該容器通過該被加熱的吸管有金屬流體相通的注射套筒，該注射套筒通過金屬饋送門和模腔相通，並且有一個在該套筒中能往復移動的用於迫使在該套筒中的半固態金屬在壓力下進入模腔的柱塞；以及一個和真空門，模腔，饋送門和注射套筒相通的真空源，該真空源用於從溫度受控制的該容器通過經加熱的該吸管將半固態金屬抽取進入該套筒中處於將由該柱塞迫使其進入模具的一個位置。
2.如權利要求1所述的設備，其特徵在於所述的容器包括一個底部，一個側牆和一個頂部，還包括一個配置在該容器內的攪拌器和一個用於將熱量通過該容器的底部傳遞到該容器內的半固態金屬的加熱器。
3.如權利要求2所述的設備，其特徵在於該容器的底部包括一個有獨立尺度的和該容器內的半固態金屬通過該容器的底部有金屬流體相通的加熱腔，並且該加熱器是被安置來加熱該加熱腔中的金屬。
4.如權利要求3所述的設備，其特徵在於該加熱器是一種感應加熱器。
5.如權利要求4所述的設備，其特徵在於該攪拌器被安置在該容器中，用於促進在該加熱腔中的金屬和該容器中的半固態金屬的混合。
6.如權利要求1所述的設備，其特徵在於該注射套筒被包以一個夾套，而一種該流體通過該夾套循環。
7.如權利要求6所述的設備，其特徵在於該容器的底部包括一個有獨立尺度的和該容器內的半固態金屬通過該容器的底部有金屬流體相通的加熱腔，而該加熱器是安置來加熱該加熱腔中的金屬。
8.如權利要求1所述的設備進一步包括一個用於將預先確定體積的熔化金屬從該熔化金屬源傳送到該容器的傳送裝置。
9.如權利要求8所述的設備，其特徵在於該容器的底部包括一個有獨立尺度的和該容器內的半固態金屬通過該容器的底部有金屬流體相通的加熱腔，而該加熱器是安置來加熱該加熱腔中的金屬。
10.如權利要求3所述的設備，其特徵在於用於將半固態金屬傳送到經加熱的注射套筒的吸管從該容器中的半固態金屬的表面向上延伸。
11.一種改進的用於盛放一半固態金屬並將其保持在一種等溫狀態而用於鑄造的容器，所述容器具有一個底部，一個側牆及頂部，一個攪拌器以及一個加熱器，其改進之處為其中加熱器是設置為將熱量通過該容器的底部傳送給該容器中的半固態金屬。
12.如權利要求11的經改進的容器，其特徵在於該容器的底部包括一個有獨立尺度的和該容器中的半固態金屬通過該容器的底部有金屬流體相通的加熱腔，而該加熱器是安置來加熱該加熱腔中的金屬。
13.如權利要求12的經改進的容器，其特徵在於該加熱器是一種感應加熱器。
14.如權利要求12的經改進的容器進一步包括一個在該容器中的攪拌器，該攪拌器是安置來促進加熱腔中的金屬和該容器中的經攪動的半固態金屬的混合。
15.在一種模鑄工藝中，其中一半固態金屬由一個柱塞從一個注射套筒中被驅動進入一個模具，其改進之處為包括加熱該注射套筒的步驟。
16.如權利要求15的經改進的工藝，其特徵在於注射套筒被包以夾套，而一種流體通過該夾套而循環。
17.一種用於從一個保持在一種半固體狀態下的合金源模鑄金屬合金的方法，該方法包括的步驟為提供一臺具有一個用於接納將被鑄造的金屬並且將該金屬冷卻到一種固體形態的模腔的模鑄壓機，提供一個具有一個底部和一個側面的熔化金屬的容器，將該熔化金屬的溫度降低到該金屬將開始凝固的水平，和攪動該金屬和控制溫度，將該金屬保持在一種含有金屬和熔化金屬的固體微粒的等溫狀態，其中控制溫度由通過該容器的底部加熱來完成，以及其中該金屬的冷卻部分地通過該容器的側面，以及其中的攪動包括從該容器的側面剪切正在凝固中的金屬，由此該容器中的金屬通過不斷的攪動和溫度控制保持在一種穩定的半固體狀態。
18.如權利要求17的方法進一步包括從該容器中周期性地抽取控制數量的金屬，並且將該金屬通過一個吸管轉送到用於鑄造的模腔中的步驟。
19.如權利要求18的方法進一步包括在轉送步驟期間控制被抽取的金屬的溫度的步驟。
20.如權利要求18的方法進一步包括周期性地將相應的控制數量的熔化金屬添加至該容器以替代每次抽取的金屬的數量的步驟。
21.如權利要求20的方法進一步包括在轉送步驟期間控制被抽取的金屬的溫度的步驟。
22.如權利要求18的方法進一步包括在構件的鑄造期間允許懸浮在吸管中的金屬返回到槽中的步驟。
23.一種用於將經加熱的金屬傳送到模鑄裝置以製造模製金屬鑄件的設備，該模鑄裝置包括至少一對在其間形成至少一個具有一個真空門和一個金屬饋送門的模腔的模具，這種設備包括一個包括溫度控制機構和攪拌器，用於盛放一槽半固態金屬的容器，一個用於向該容器傳送熔化金屬的系統，一個從該容器向模鑄模具在半固體狀態下傳送半固態金屬的轉送系統，以及一個和該容器有流體相通的加熱腔。
24.如權利要求23的設備進一步包括用於控制從容器抽取的半固態金屬的數量和添加到該容器去的熔化金屬的數量的調節器。
25.如權利要求23的設備，其特徵在於其中轉送系統包括機械鑄勺。
26.如權利要求23的設備，其特徵在於其中傳送系統包括真空鑄勺。
27.如權利要求26的設備，其特徵在於其中轉送系統包括一個帶有一個加熱器的吸管。
28.如權利要求24的設備，其特徵在於其中轉送系統包括一個和一個注射套筒有流體相通的吸管和一個柱塞，該柱塞在真空舀出期間密封了該注射套筒以允許被抽取的半固態金屬進入該注射套筒並在將該材料壓入模腔之前懸浮在該吸管中，該柱塞在加壓過程期間創立了一個排出通道以允許先前懸浮在吸管中的金屬返回到金屬槽中。
29.如權利要求23的設備進一步包括一個用於加熱在加熱腔中的金屬的感應加熱器。
30.如權利要求23的設備，其特徵在於其中的容器具有的體積要大大地大於通過模鑄製造一個構件所需要的半固態金屬的體積。
31.一種用於將經加熱的金屬傳送到模鑄裝置以製造模製金屬鑄件的設備，該模鑄裝置包括至少一對在期間形成至少一個具有一個真空門和一個金屬饋送門的模腔的模具，這種設備包括一個用於盛放一儲器的半固態金屬的容器，一個和該儲器有流體相通的吸管，以及一個和該模腔和吸管有流體相通的進料套筒，其中該進料套筒包括一個在其內接納該吸管而形成一個連接點的小孔，所形成的小孔最大限度地減小了在連接點的進料套筒的表面區域。
32.如權利要求31的設備，其特徵在於其中該吸管包括一個接納在該小孔中的切成斜坡的埠。
33.如權利要求32的設備，其特徵在於其中該吸管是非金屬的。
34.如權利要求32的設備，其特徵在於其中該進料套筒包括一個在該小孔內形成的錐口孔。
全文摘要
一種模鑄系統包括一個限定一個帶有用於保持一槽16半固態金屬34處於一種勻質的等溫狀態的一個受控制的加熱器22和一個攪拌器14的儲器30的容器12,一個能將一個已知數量122的在半固體狀態下的金屬轉送到一種模鑄機的一個模腔中的轉送系統107,該轉送系統107包括一個經加熱的吸管108,一個用於將來自槽16的半固態金屬34真空舀出至一個模具的真空源,和一個為空氣自由流通提供一個通道以允許在鑄造期間排空吸管108的柱塞頭132以及一個用於用一個相似數量126的液體金屬32替代已知數量122的被轉送金屬的金屬替代系統,這樣,為模鑄操作可得到一槽16可控制地保持穩定,勻質和等溫的半固態金屬34。
文檔編號B22D17/10GK1311722SQ99809133
公開日2001年9月5日 申請日期1999年7月22日 優先權日1998年7月24日
發明者凱文·L·理察, 小理察·I·尼爾, 克里斯多福·S·賴斯, 希尼亞·米奧金, 帕特裡西奧·門德斯, 蒂莫西·蓋奇, 約翰·F·奧丹尼爾, 查理·E·巴倫 申請人:吉布斯壓鑄鋁股份有限公司, 半固體技術公司