金屬製品的壓鑄成型方法
2023-05-03 16:06:36 1
專利名稱:金屬製品的壓鑄成型方法
本發明涉及利用被稱為壓鑄成形，衝壓鑄造成模壓鑄造的技術加工製品。為了簡便的原因這些技術在整個說明書和權利要求
書中將統稱之謂「壓鑄技術」。壓鑄成形技術基本上包括將液態金屬注入鑄型的第一部分，在壓力下合上鑄型，使得液態金屬受到關閉鑄型的壓迫，填滿鑄型中的型腔而不夾帶空氣。當凝固過程中保持對金屬的壓力，以保證封閉和填滿任何一個可能形成的縮孔，然後打開鑄型並取出成形的製品。
生產各種壓鑄成形製品已為人們所知，通常是鋁或鋁合金的。但是這類產品一般只具有相當簡單的形狀。那麼當需要一個比較複雜的形狀時，要實現這樣的形狀常常必須壓鑄成形加工製品之後進行一些類型的機加工處理。
然而，我們共同的懸而未決的英國專利申請8311262公開並要求保護了一種利用壓鑄成形製造金屬製品的方法，由此在一種無需後序機加工的壓鑄製品上構成了需要的形狀。如我們引述的專利申請所公開的，需要的形狀是通過下面的方法實現的在注入熔融金屬之前，在壓鑄成形壓力機的鑄型內放置一壓製成形的可溶鹽型芯。這個型芯被壓實到足以承受壓鑄成型過程中對其施加的壓力而保持完整的密度，而且有很高的表面光潔度，使得在壓製成形製品上生成相應的不需任何機加工的光潔表面。具體地說，壓實的可溶鹽型芯經過成形以制出內燃機活塞頂部中的凹型腔。
對於利用不同於我們引述的專利申請公開的方法生產壓鑄成形的內燃機活塞，人們已經建議圍繞凹腔的邊緣加強頂部。這些其它的方法包括在壓鑄成形壓力機中放置一個加強鑲嵌物，然後將熔融金屬澆注在它上面，這樣所形成的活塞就有一個加強鑲嵌物結合在活塞頂的表面上。加強物的材料可以是固體金屬塊或晶須或纖維的網狀物，它這樣嵌鑄在成形的活塞上後必須經過機加工，以成為成品活塞所需的凹腔形狀。
本發明的目的是提供一個利用壓鑄成形生產製品的改進的方法，利用它可以使製品構成複雜的形狀，而不需要後序的大量機加工，並且同時這些形狀中需要進行加強處理的地方經過有選擇地加強。
根據本發明提供了一個通過在鑄型中壓鑄成形熔融金屬製品輕金屬製品的方法，其中將熔融金屬注入鑄型，利用壓力合型，以推動熔融金屬填滿鑄型的型腔，並且保持金屬在壓力下凝固，然後打開鑄型，取出成形的製品;其特徵在於通過將熔融金屬注入之前，在鑄型中放置型芯和靠近型芯的加強鑲嵌，使得在壓鑄成形製品形成了一個需要的形狀，它具有在制品的金屬基體中延伸到所述形狀的至少一個邊界部分的增強件;還在於型芯由被壓實到如此密度和表面光潔度的可溶鹽型芯構成，使得它在壓鑄成形過程中由金屬傳遞的持續高溫和壓力的條件下，保持其完整性。然後從壓鑄成形的製品中溶解出型芯。
用於整個說明書和權利要求
中的術語「加強」應理解為加強以防止應力斷裂的意思，以及提供耐磨性意義上的加強。
這樣的一種可溶型芯和加強鑲嵌能夠方便地用來在壓鑄成形製品上提供凹進部分和透孔。作為例子這樣的型芯和加強體可以經過成形在內燃機活塞的頂部提供一個凹型空腔;或再舉一例這樣的型芯和加強鑲嵌物可以經成形在環道系統的一個鏈節上提供一個透孔;這些凹腔或透孔的整個或部分邊可以根據情況利用加強鑲嵌材料進行加強。
上述的鹽型芯即可以只通過等壓成形，又可以基本上通過單獨的等壓成形再機加工而簡便地壓製成需要的形狀;熔融金屬適宜由一種輕金屬如，鋁、鎂或它們的合金組成;加強鑲嵌材料適宜由無機晶須或纖維墊片構成;從而熔融金屬將滲入晶須或纖維間的縫隙，所述的晶須或纖維就鑲嵌在壓鑄成形製成的產品中緊靠著由鹽型芯成形的部分。這些晶須或纖維墊可以由矽酸鋁材料構成。加強鑲嵌物可以是環形的，而且在最初放置時可以將其圍繞在制好的鹽型芯上放進壓鑄成形壓力機的鑄型部分。
本發明的方法適用於製造內燃機的輕金屬活塞，其中活塞頂的凹陷部分是在壓鑄成形壓力機中壓鑄成型的。此壓力機有一個底部鑄型和一個可以與之作垂直相對協同運動的上衝壓頭，制好的型芯及加強鑲嵌物放置在底部鑄型中，這樣就能在活塞頂部形成一個帶加強邊界的凹腔。
為了防止鹽型芯中的水份聚集，最好加一些乾燥劑，由此將提供高流動特性，當等壓成形時有助於鹽較密實的填充，保證緻密的壓制。乾燥劑可由佔比例大約為型芯重量的0.1%的碳酸鎂或磷酸鎂組成。明顯地，乾燥劑必須是經過精選的，它在金屬的成形溫度，如鋁是在680℃至750℃的範圍內，不能分解。鹽和乾燥劑一起最好具有所有下述的性能1.材料必須易於加工成形為需要的形狀。
2.材料必須有足夠的強度，經得住處理和壓鑄成形過程中需要的溫度和壓力。
3.材料必須是易溶的(最好在水中)以便於將型芯從成形的製品中分離出來。
4.型芯材料的熔液應該很少或沒有對金屬的腐蝕破壞。
5.材料應能回收而重複使用。
型芯最好用具有粒徑在5至250微米之間的精細粒狀氯化鈉，它和乾燥劑一起可以很容易地在大約30，000P、S、i(207MPa)的壓力下冷等壓成形為需要的形狀。沒有必要對等壓成形的鹽和乾燥劑型芯進行任何後序的燒結處理。
另外，在最好在型芯材料中添加膨脹改良劑，以減少或消除壓鑄成形過程中鹽的熱應力斷裂的發生。這樣的膨脹改良劑可能包括例如，氧化鋁、玻璃粉未、銅合金浸滲劑、石墨、雲母或細矽酸鋁纖維。
通過這裡給出的以下描述，參照附圖作為例子，本發明的其它特徵將變得很明顯。
圖1是一個成形的等壓壓實的鹽型芯的側面圖，用於成形活塞頂部的凹型空腔。
圖2是一個環狀加強鑲嵌物的軸向斷面圖。
圖3是一個壓出狀態下的鋁壓鑄成形活塞的軸向斷面圖，顯示由圖1的型芯和圖2的鑲嵌物成形的帶有加強邊的凹腔。
圖4是與圖3中顯示的相同的軸向斷面圖，只是在此相對於那裡轉90°角。
圖5是沿圖3中5-5線的橫斷面圖。
圖6是與圖3中方向相同的軸向斷面圖，但它說明的是機加工後的成品活塞。
圖7是與圖6中的成品活塞相同的軸向斷面圖，只是相對那裡轉90°角。
圖8是沿圖6中8-8線的橫斷面圖。
雖然本發明的方法可用於任何金屬製品的壓鑄成形，這些製品都具有一個需要成形的形狀、通常是複雜的形狀，但不需要對這些形狀的後序機加工。但是下面給出的描述僅僅參考有關用於內燃機的活塞製造的附圖，這樣的活塞通常用鋁或其合金成形，儘管它也可以由鎂或其合金成形。
活塞是在壓鑄成型壓力機(未圖示出)中成形的，這種壓力機通常包括一個底部鑄型部件和一個可以與之垂直相對運動的配合衝壓頭。底部鑄型部件可以是靜止的，上衝頭可以往復地壓入和退出與之配合的底鑄型部件。底鑄型部件本身可以包括二個或更多的，可作橫向運動的鑄型部件，這些部件可以互相緊靠地裝配在一起，從而與底鑄型部件確定一個鑄型的型腔。在圖示的實施例中，活塞包括兩個鐵的結合在壓鑄成形的活塞上的膨脹鑲嵌物。並且在壓鑄成形過程中，這樣的膨脹鑲嵌可以方便地利用埋在衝頭的邊壁上的鈕磁鐵固定在上衝頭上。
鹽型芯10是在液體中的尿脘或橡膠彈性袋中經等壓壓實成形的，對液體施加了大約30，000P、S、i(207MPa)的壓力。鹽是粒徑為5至250微米之間的精細粒狀氯化鈉，並且摻有碳酸鎂或磷酸鎂的乾燥材料。一種膨脹改良劑也加在這種混合物中。這種改良劑包括如氧化鋁、玻璃粉末、一種銅合金浸滲劑、石墨、雲母或細矽酸鋁纖維。通過上述的等壓成形處理，一個定製的鹽型芯可以很容易地製成如附圖1所示的形狀，並且將具有足夠的牢固性抵抗壓鑄成形過程中其承受的溫度和壓力。它還具有這樣的表面光潔度，以在壓鑄成形的活塞上形成一個相應的成形表面，這樣的活塞將不需要任何後序的機加工。
圖1描述的型芯10是經等壓成形為其需要的最後形狀，而不用任何後序的機加工處理。然而，取決於需要形狀的複雜程度，可能有必要先把型芯材料壓製成大致的形狀，然後進行後面的機加工處理，使型芯成為其需要的最後形狀。
環形加強鑲嵌物11適宜用鋁基材料製成，其中的平衡化合物可以是比例在2%到60%間變化的二氧化矽。這種材料的一個例子是由I、C、I、(卜內門化學工業有限公司)製造並以商品名「Saffil」出售的物質。
構成加強物的典型鋁基纖維具有2.9um到3.5um的平均直徑;從50∶1到500∶1的縱橫比(長∶直徑的比率);和2.89m/CC到3.39m/CC的密度(取決於鋁∶二氧化矽的比率)。
纖維適宜利用下述的程序結合成環形加強物(或任何其它預定的形狀)先將纖維分散在水中，然後向其中同時添加兩種類型的粘合劑(一種為有機的，另一種為無機的)和其它需要的添加物，以便在懸浮液經過篩子過濾而產生一凝聚的墊片以及後序的加壓和乾燥步驟中，保持所述粘結劑在纖維上均勻和充分地附著。當還溼著的時候，墊片可以經壓制實現纖維的密實填充封閉，這樣就在最後的金屬纖維複合材料上增加了加強的體積率。
利用通過一個篩子過濾收集纖維，使得它排列為基本上為二維的、具有平行於墊片大平面的取向的無規則形狀，正是這種填充使得在最後的複合材料中實現纖維的高體積率。當這種墊片與金屬結合時，這種排列還使金屬上具有各向異性的性質。
無機的粘結劑可以是已知在工藝上用於生產以無機纖維為基礎的剛體或半剛性結構的那些粘結劑當中的任何一種。一種最好的無機粘結劑是二氧化矽，因為它在壓鑄成形過程中基本上保持在適當的狀態，並且可能增加溼潤度和易於液態金屬滲透。有機的粘結劑可以是已知在工藝上用於生產撓性或半剛性結構的那些當中的任何一種，乳膠就是這類粘結劑中的一種。有機粘結劑的目的是提高加工的強度。如好的加工強度使運送圓盤或墊塊(由它們經過後面的切割而得到圓盤)及切割過程中損壞的危險減少到最低限度。這樣的有機粘結劑在將鑲嵌物放置在壓鑄成形鑄型之前的任何階段都能夠燒盡，並且這樣的燒盡不僅將除去有機粘結劑，而且將改善無機粘結劑和纖維之間的粘結強度。
在壓鑄成形壓力機的底鑄型中，圖1的型芯10是放置在圖2的鑲嵌物11中間，膨脹鑲嵌物被磁固定在衝頭上，側面可移動的底鑄型部件閉鎖在一起。熔融的鋁進入鑄型腔，上衝頭與鑄型實現協作嚙合，推動熔融的鋁充滿由衝頭和底鑄型部件確定的空腔，並且當凝固時，將鋁保持在大約10，000P、S、i(70MPa)的壓力下，然後打開模型，取出壓鑄成型的活塞，通過如用熱水噴注的方法從活塞中溶解出成形的鹽型芯。
成形的活塞12顯示在附圖3、4和5中，在那裡可以看到一個凹型腔14已經在活塞頂部16上形成，這個凹腔14的形狀和表面光潔度達到不需進行任何進一步的機加工處理的程度。同時也可以從圖4和圖5中清楚地看到鐵膨脹鑲嵌18結合在活塞的側邊緣部分20。尤其還能從圖3中看到，徑向相對的孔22在壓鑄成形壓力機的側面可移動的鑄型中利用適當的芯棒成形在活塞裙的位置，在此將機加工一個用來接受活塞銷的透孔。
同樣如圖3和4所示，成形的活塞12在頂部還具有一個環形鑲嵌物15。這個鑲嵌15可以簡便地用與鑲嵌物11同樣的材料和相同的方法構成。儘管鑲嵌15的密度可能比鑲嵌物11的要小。鑲嵌15的典型密度可能是0.2gms/CC，而鑲嵌物11的密度可能是0.5gms/cc鑲嵌15是企圖在機加工時提供一個對活塞環的耐磨支撐;而鑲嵌11首先打算作為對凹腔14的邊緣的加強，而且不需要對起初成形的圖2中的形狀進行任何後序的機加工。
在壓鑄成形過程中，熔融金屬將完全滲透到鑲嵌物11和15的纖維之間縫隙中，使得纖維被牢牢地嵌鑄在成形活塞的凝固金屬中。
圖6至8說明完全完成機加工的活塞24，其中用來安裝活塞銷的透孔26已經形成，並且活塞環槽28已經被切削進頂部的圓周表面和鑲嵌物15的暴露表面，同時還對頂16和鑲嵌物11的上表面進行了刮削處理。但是凹型腔14卻完全沒有經過機加工。
如此，本發明尤其適於在成形活塞的頂部構成一個帶加強邊的凹型腔，而不需要對空腔，也不需要對加強鑲嵌物進行任何後序的機加工。這樣對於容易出現操作應力斷裂的凹腔區域可以提供一個堅固的凹角，使它得到充分的加強，以防止這樣的斷裂。
人們將意識到，在成形的活塞上可以給活塞凹腔表面的加強部分上的加強鑲嵌物復蓋上一層薄金屬皮。換句話說，鑲嵌物的纖維可以不露暴在凹型腔的表面。反之如果在鑲嵌物結合在活塞的凹腔區域之後，對凹腔和鑲嵌物進行機加工，則切割或斷開的纖維頭將暴露出來，從而形成加強物不平整的暴露表面。在活塞凹腔裡出現不平整表面，可能對渦流特性產生不利的影響，這當然對於發動機的燃燒性能是危險的。
人們將認識到，本發明不僅僅限於成形如附圖所示的特殊凹型腔形狀，雖然本發明確實找到了對於圖示和描述的形狀在壓鑄成形內燃機活塞上的特殊應用。這樣通過製備適當形狀的成形可溶鹽型芯和加強或耐磨鑲嵌物可以使壓鑄成形製品構成許多形狀。而上述型芯和鑲嵌物不會化學腐蝕壓鑄成形的金屬，具有足夠的牢固性和表面光潔度承擔壓鑄成形過程中受到的壓力，並構成在制品上帶有加強的或耐磨邊緣的形狀。這些製品不需要任何後序的機加工。
例如，利用在注入熔融金屬之前在鑄型腔內提供一個圓柱形的可溶型芯材料和鑲嵌材料，可以在擠壓成形的環道系統的鏈節上構成一個透孔。另一方面在使用為在成形製品上提供圓柱透孔的型芯材料上，可以利用下述的方法進行節約以可溶型芯材料作為金屬管周圍的包復層，隨後可溶的包復層被從壓鑄成形製品上溶解下來，從而使得直徑小些的金屬管可以取出。
勘誤表CPCH85617權利要求
1.一個通過在鑄型中壓鑄成形熔融金屬製造輕金屬製品的方法，其中，將熔融金屬注入鑄型，利用壓力合型，以推動熔融金屬填滿鑄型的型腔，並且保持金屬在壓力下凝固，然後打開鑄型取出成型的製品；其特徵在於通過將熔融金屬注入之前，在鑄型中放置型芯和靠近型芯的加強鑲嵌，使得擠壓成型製品形成了一個需要的形狀，它具有在制品的金屬基體中延伸到所述形狀的至少一個邊界部分的增強件；還在於型芯由被壓實到如此密度和表面光潔度的可溶鹽型芯構成，使得它在壓鑄成型過程中，由金屬傳遞的持續高溫和壓力的條件下，保持其完整性。然後從壓鑄成形的製品中溶解出型芯。
2.根據權利要求
1的方法，其中鹽型芯完全是經過等壓壓實成形的。
3.根據權利要求
2的方法，其中鹽型芯是在大約30，000P、S、i(207MPa)的壓力下等壓成型的。
4.如任何一個前面的權利要求
所述的方法，其中構成鹽型芯的鹽是具有粒徑5至20微米之間的精製粒狀氯化鈉。
5.根據任何一個前面的權利要求
的方法，其中構成鹽型芯的鹽摻有乾燥劑。
6.根據任何一個前面的權利要求
的方法，其中熔融金屬包括鋁、鎂或它們的合金。
7.根據任何一個前面的權利要求
的方法，其中加強鑲嵌材料由無機晶須或纖維墊片構成，在壓鑄成形過程中，熔融的金屬將滲透進晶須或纖維之間的縫隙並且所述的晶須或纖維在由鹽型芯構成的製品成形部分附近嵌入壓鑄的製品中。
8.根據權利要求
7的方法，其中晶須或纖維墊由矽酸鋁材料組成。
9.根據任何一個前面的權利要求
的方法，其中加強鑲嵌物是環形並圍繞成形的鹽型芯上。
10.如任何一個前面權利要求
所述的用於內燃機活塞製造的方法，其中活塞頂部凹腔的壓鑄成形是在具有一底部鑄型部份和可相對互相豎直運動的配合衝壓頭的壓鑄成形壓力機中完成的成形的，型芯和加強鑲嵌物被放置在底部鑄型部件裡成形而構成了活塞頂部上帶有加強邊緣的凹腔。
11.根據權利要求
10的方法，其中成形鹽型芯以在活塞頂部製備一凹角型空腔。
12.根據權利要求
10或11中的任何一個的方法，其中上衝壓頭上裝有用來支撐鐵膨脹鑲嵌的磁固定裝置，以便將它結合在壓鑄成形的活塞上。
13.實質上如上文參照附圖所描述的壓鑄成形活塞的製造方法。
14.根據任何一個前面的權利要求
的方法生產的壓鑄成形金屬製品，具有一成形的形狀。在它上邊有一個加強的邊，其形狀不需要對壓出製品的機加工。
15.如權利要求
14要求的壓鑄成形金屬製品，構成一個用於內燃機的輕金屬活塞，其中在活塞的頂部形成了一個凹角型空腔，圍繞凹腔的邊緣帶有環狀的加強。
專利摘要
一個壓鑄成型的鋁合金製品，如活塞，是通過在注入熔融金屬之前先放置一個等壓成型的鹽型芯(10)和環形矽酸鋁纖維墊(11)在壓鑄成型壓力機的鑄型腔裡面成型的，它具有一個帶加強邊緣的凹形空腔(14)。然後從壓鑄成型製品中溶解出型芯(14)，對於這個無需後序機加工的製品提供了一個增強的相應形狀。
文檔編號B22D17/00GK85101949SQ85101949
公開日1987年1月17日 申請日期1985年4月1日
發明者J·巴洛·羅傑斯 申請人:Gkn科技有限公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan