專利名稱：還原鑄造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種還原鑄造方法。更具體地說，本發(fā)明涉及在不損害還原強(qiáng)度的一種有利狀態(tài)下進(jìn)行鑄造的還原鑄造方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有各種形式的鑄造方法，例如重力鑄造法(GDC)，低壓壓鑄法(LPDC)，壓鑄法(DC)，擠壓鑄造法(SC)，觸變模制法(thixowolding)。所有這些方法都是將熔融金屬倒入模制模具的腔中，將倒入的熔融金屬模制成預(yù)先確定的形狀而進(jìn)行鑄造的。在這些鑄造方法中，在熔融金屬表面上可能形成氧化物薄膜的方法中(例如鋁鑄造等)，在熔融金屬表面上形成的氧化物薄膜使熔融金屬的表面張力增加，使得熔融金屬的流動性、運(yùn)行性質(zhì)和粘性惡化，因此造成鑄造有缺陷的問題(例如充滿不充分、表面折痕等)。
為了解決這些問題，本申請人提出了一種還原鑄造方法，該方法可以通過使熔融金屬表面上形成的氧化物薄膜還原而進(jìn)行鑄造(例如JP-A-2001-321918)。在這種還原鑄造方法中，利用氮?dú)夂玩V氣制備具有強(qiáng)還原性的鎂-氮化合物(Mg3N2)，再將這樣制備的鎂-氮化合物作用在熔融金屬鋁上，進(jìn)行鑄造。鎂氣體在爐子中產(chǎn)生，當(dāng)將鎂氣體送入模制模具腔中時，利用惰性氣體(氬氣)作為載氣。氮?dú)鈫为?dú)直接通入該腔中。
根據(jù)上述還原鑄造方法，在鎂-氮化合物沉積在模制模具的腔的表面上的狀態(tài)下，將熔融金屬倒入模制模具腔中，當(dāng)熔融金屬與該腔的表面接觸時，鎂-氮化合物的還原作用將熔融金屬表面上形成的氧化物薄膜還原，從而變成了純鋁的熔融金屬表面，因此使熔融金屬的表面張力減小，提高了熔融金屬的流動性。結(jié)果，熔融金屬的運(yùn)行性質(zhì)良好，從而可得到?jīng)]有鑄造缺陷、外觀很好、沒有表面折痕等的鑄件。
但在上述的還原鑄造方法中有下述的問題。
即，在該還原鑄造法中，雖然必需控制鎂氣體和氮?dú)獾牧?，但通過在爐子中使鎂熱升華而得到的鎂氣體處在高溫(大約800℃)狀態(tài)下。
很難測量這樣的高溫狀態(tài)下的鎂氣體的量，因此不能精確地控制這兩種氣體的量。這樣就產(chǎn)生了鎂氣體量不足、還原強(qiáng)度降低、鑄件質(zhì)量變化等問題。

發(fā)明內(nèi)容
在這種情況下，提供了本發(fā)明來解決這些問題。本發(fā)明的目的是提供一種可由在不損害還原強(qiáng)度的有利狀態(tài)下進(jìn)行鑄造的還原鑄造方法。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)如下。
即，根據(jù)本發(fā)明，提供了一種還原鑄造方法，包括下列步驟讓金屬氣體和反應(yīng)氣體互相反應(yīng)，產(chǎn)生還原化合物；將所產(chǎn)生的還原化合物送入模制模具的腔中，并利用還原化合物還原在熔融金屬表面上形成的氧化物薄膜，從而鑄造鑄件，當(dāng)將金屬氣體送入模制模具的腔中時，還原鑄造方法利用不起反應(yīng)的氣體作為載氣。
其中不起反應(yīng)的氣體的流量為反應(yīng)氣體流量的1/6～2倍。
另外，優(yōu)選將不起反應(yīng)的氣體的流量設(shè)定為反應(yīng)氣體流量的1/4～1/2。
再者，反應(yīng)氣體、不起反應(yīng)的氣體、金屬氣體分別為氮?dú)?、氬氣、鎂氣體。


圖1為說明圖，示出了利用根據(jù)本發(fā)明的還原鑄造方法進(jìn)行鑄造的鑄造裝置的結(jié)構(gòu)的例子；和圖2為關(guān)于鋁材料的圖形，示出了DASII值是如何隨著熔融金屬的凝固速度而變化的測量結(jié)果。
具體實(shí)施例方式
下面，將參照附圖來詳細(xì)說明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
圖1為說明圖，示出了利用根據(jù)本發(fā)明的還原鑄造方法進(jìn)行鑄造的鑄造裝置10的整個結(jié)構(gòu)。下面說明它在鋁的鑄造中的應(yīng)用，但本發(fā)明決不是只限于鋁的鑄造。
在圖1中，附圖標(biāo)記11和12分別表示模制模具和在模制模具11內(nèi)形成的腔。在腔12的上部設(shè)有澆口14，其形狀為直徑逐漸向下變小的錐形表面。在澆口14中有可拆卸的堵頭15。附圖標(biāo)記16表示垂直形成以通過堵頭15的管。
附圖標(biāo)記17表示在模制模具11上部設(shè)置的容器，該容器用于容納要倒入的熔融金屬(以后，也可簡單地稱為“熔融金屬容器”)。熔融金屬容器17和腔12通過澆口14互相連通。通過進(jìn)行開/閉堵頭15的操作，可以控制將熔融金屬倒入腔12中。在示出將根據(jù)本發(fā)明的還原鑄造方法應(yīng)用于鋁的鑄造的本實(shí)施例的情況下，熔融的鋁金屬存貯在熔融金屬容器17中。
制造模制模具11的材料沒有特別的限制，然而模制模具11可以用導(dǎo)熱性好的材料制成。另外，模制模具11帶有冷卻裝置，可以強(qiáng)制冷卻模制模具。在該實(shí)施例中，作為冷卻裝置，在模制模具11內(nèi)設(shè)有流動通道13，從而使冷卻水可以恒定地通過該通道13流動。利用導(dǎo)熱性好的材料制造模制模具11和經(jīng)常強(qiáng)制冷卻模制模具11的理由是要保持模制模具的溫度盡可能的低。因此，只要冷卻方法能有效地使模制模具保持低的溫度，冷卻方法不必限于上述的這種水冷方法。勿需說明，多種冷卻裝置可以同時組合使用。
在圖1中，附圖標(biāo)記20表示用于裝氮?dú)獾匿撈?以后也稱為“裝氮?dú)獾匿撈俊?。裝氮?dú)獾匿撈?0通過管道系統(tǒng)22與模制模具11連接。在該管道系統(tǒng)中設(shè)置有閥24，該閥24可使氮?dú)馔ㄟ^在模制模具11上設(shè)置的氮?dú)馑腿肟?1a，進(jìn)入腔12中。通過打開閥24，將氮?dú)馔ㄟ^氮?dú)馑腿肟?1a送入腔12中，可將腔12中的空氣排空，從而在腔12中形成氮?dú)鈿夥眨虼嗽谇?2中基本上形成非氧的氣氛。附圖標(biāo)記11b表示在模制模具11中設(shè)置的排出口。還可以經(jīng)管道系統(tǒng)將真空裝置與排出口11b連接，而在腔12中形成非氧的氣氛，在管道系統(tǒng)中設(shè)置有閥25，當(dāng)閥25打開時，真空裝置工作。
附圖標(biāo)記21表示用于裝氬氣的鋼瓶(以后也可稱為“裝氬氣的鋼瓶”)。裝氬氣的鋼瓶21通過管道系統(tǒng)26與作為產(chǎn)生金屬氣體的發(fā)生器的爐子28連接。通過開/閉放在管道系統(tǒng)26中的閥30，可以控制氬氣進(jìn)入爐子28中。爐子28由加熱器32加熱。在該實(shí)施例中，爐28中的溫度設(shè)定為鎂的沸點(diǎn)或比沸點(diǎn)低，也可設(shè)置為鎂的熔點(diǎn)或比熔點(diǎn)高，使?fàn)t子28中的鎂為液態(tài)。
裝氬氣的鋼瓶21也可通過管道系統(tǒng)34與裝鎂金屬的箱36連接。在管道系統(tǒng)34中設(shè)置有閥33。另外，箱36可通過管道系統(tǒng)38與在閥30下游的管道系統(tǒng)26連接。附圖標(biāo)記40表示閥，該閥安裝在管道系統(tǒng)38中，用于控制送至爐子28中的鎂的量。箱36用于存放要送至爐子28中的鎂金屬，并且鎂金屬是以粉末或粒狀形狀裝在箱36中的。
爐子28通過管道系統(tǒng)42以及和堵頭15連接的管16，與模制模具11的腔12連接。通過開/閉安裝在管道系統(tǒng)42中的閥45并且利用閥30控制氬氣壓力，可將在爐子28中產(chǎn)生的氣態(tài)或霧形式的鎂送入模制模具11的腔12中。
由圖1所示的鑄造裝置10鑄造鋁是按下述方法進(jìn)行的。
首先在裝入堵頭15將澆口14關(guān)閉的狀態(tài)下打開閥24，使氮?dú)鈴难b氮?dú)獾匿撈?0通過管道系統(tǒng)22進(jìn)入模制模具11的腔12中。氮?dú)獾倪M(jìn)入將腔12內(nèi)的空氣排出，從而在腔12中基本上形成非氧的氣氛，然后關(guān)閉閥24。
在氮?dú)膺M(jìn)入模制模具11的腔12中的時間過程中或進(jìn)入之前，打開閥30，使氬氣從裝氬氣的鋼瓶21進(jìn)入爐子28中，在爐子28中形成非氧的氣氛。其次，關(guān)閉閥30和打開閥33和40，利用從裝氬氣的鋼瓶21施加的氬氣壓力，將裝在箱36中的鎂金屬送入爐子28中。由于爐子28被加熱至鎂金屬熔化的溫度，因此，送入爐子28中的鎂金屬變成熔融狀態(tài)。由于每次在進(jìn)行鑄造時都要重復(fù)從爐子28中送出鎂氣體，因此要將與這個操作相應(yīng)的一定量的鎂金屬從箱36送至爐子28中。在將鎂金屬送入爐子28中后，關(guān)閉閥33和40。
接著，打開閥30和45，在控制氬氣的壓力和流量的同時，利用氬氣作為載氣，通過管子16將從爐子28中出來的鎂氣體送入模制模具11的腔12中。在這種情況下，霧形式的鎂也與鎂氣體一起從爐子28送出。
在鎂氣體送入腔12中后，關(guān)閉閥45；然后打開閥24，將氮?dú)馔ㄟ^氮?dú)馑腿肟?1a送入腔12中。通過將氮?dú)馑腿肭?2中，先前送入腔12中的鎂氣體和氮?dú)庠谇?2中互相反應(yīng)，產(chǎn)生作為還原化合物的鎂氮化合物(Mg3N2)。鎂氮化合物主要沉積在腔12的內(nèi)壁表面上。
在腔12的內(nèi)壁表面上形成鎂-氮化合物的狀態(tài)下，打開堵頭15，將熔融金屬18從澆口14倒入腔12中。
倒入腔12中的熔融鋁金屬18與在腔12的內(nèi)壁表面上形成的鎂-氮化合物接觸，鎂-氮化合物從在熔融金屬表面上形成的氧化物薄膜中奪去氧，使熔融金屬表面還原成純鋁，于是純鋁充入腔12中(還原鑄造法)。通過使在熔融金屬表面上形成的氧化物薄膜還原，可使純鋁在鋁表面上露出，從而使熔融金屬的流動性變得極好。
由于熔融金屬的運(yùn)行性質(zhì)變得極好，因此既不需要使用傳統(tǒng)的絕熱涂劑，也不需要保持模制模具的高溫，這是一個優(yōu)點(diǎn)。
另外，在上述還原鑄造方法的情況下，由于熔融金屬18在短時間內(nèi)充入腔12中，因此可以有效地冷卻充入模制模具11中的熔融金屬18并在短時間內(nèi)使熔融金屬凝固。當(dāng)模制模具11由導(dǎo)熱性好的材料制成時，只要模制模具11的溫度保持在模制模具11能具有足夠硬度的溫度或稍低的溫度下(大約150℃或更低)，則可以利用使用由這種材料制成的模制模具的鑄造方法來進(jìn)行鑄造，同時可防止產(chǎn)生與熔融金屬接觸的劃痕。
送入爐子28中的氬氣(惰性氣體)的流量由與閥30裝在一起的流量計測量。另外，送入腔12中的氮?dú)饬髁坑膳c閥24裝在一起的流量計測量。
利用氬氣作為載氣進(jìn)行輸送，可將鎂氣體送入腔12中。
通過觀察發(fā)現(xiàn)，送入的鎂氣體的流量近似與氬氣的流量相對應(yīng)。
如上所述，爐子28的內(nèi)部加熱至作為鎂升華溫度的800℃或更高。
雖然，如上所述難以測量高溫的鎂氣體的流量，但由于鎂氣體的流量近似與氬氣的流量相對應(yīng)，因此測量和控制氬氣的流量同時，可以間接地控制鎂氣體的流量。
對通過用各種方法改變氬氣和氮?dú)饬髁克玫降蔫T件數(shù)質(zhì)量進(jìn)行了評價。
結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過將氬氣的流量設(shè)定為氮?dú)饬髁康?/6～2倍，可以得到理想質(zhì)量的鑄件。
當(dāng)氬氣的流量小于氮?dú)饬髁康?/6時，鎂氣體的量減小，因而鎂-氮化合物的量減小，使還原強(qiáng)度降低，因而不能得到所希望的質(zhì)量。另外，當(dāng)氬氣的流量大于氮?dú)饬髁康?倍時，鎂氣體的量變得非常大，然而還原強(qiáng)度不總是隨著鎂氣體的量增加而增加，這只能浪費(fèi)鎂。
作為從低限至高限的范圍，優(yōu)化的方案是將氬氣的流量設(shè)定為氮?dú)饬髁康?/4～1/2。
其次，熔融金屬的凝固速度設(shè)定為600℃/分或更大(在模制模具11中的熔融金屬每單位時間的溫度的降低)，優(yōu)選為800℃/分或更大。當(dāng)凝固速度越快時，鑄件的晶體結(jié)構(gòu)變得越密。因?yàn)殍T件的強(qiáng)度提高，這個特點(diǎn)是有利的。
凝固速度在傳統(tǒng)的壓鑄法(DC)的凝固速度附近。然而，這種還原鑄造方法不是如同在壓鑄法中的濺射或噴射充入那樣依賴快速冷卻，而是在層流或部分紊流的狀態(tài)下充入熔融金屬，使鑄件的內(nèi)部質(zhì)量極好，DASII值也小，而膨脹、強(qiáng)度等可以提高。
圖2示出在鋁鑄造中，當(dāng)熔融金屬的凝固速度改變時，凝固體中的樹枝狀晶體之間的間隔是如何變化的測量結(jié)果。
測量是這樣進(jìn)行的將充入腔12中、并在其中凝固的一部分鋁取出作為試樣，利用電子顯微鏡測量試樣的樹枝狀晶體之間的間隔。在圖2中，橫軸表示凝固速度，縱軸表示凝固的鋁樹枝狀晶體之間的間隔-稱為“DASII值”。
從圖2中可看出，當(dāng)凝固速度為600℃/分或更大時，充入腔12中并在其中凝固的鋁樹枝狀晶體之間的間隔平均為22微米或更小，而當(dāng)凝固速度為800℃/分或更大時，樹枝狀晶體之間的間隔平均為20微米或更小。
鋁的樹枝狀晶體之間的間隔與凝固體(鑄件)的密度有關(guān)。當(dāng)樹枝狀晶體之間的間隔變得越小時，鋁的晶體結(jié)構(gòu)變得越密，因此提高了所得到的鑄件的機(jī)械強(qiáng)度。
從機(jī)械強(qiáng)度的觀點(diǎn)來看，DASII值應(yīng)為22微米或更小，優(yōu)選為20微米或更小。
換句話說，在上述鑄造條件下，術(shù)語“凝固速度為600℃/分或更大(優(yōu)選為800℃/分或更大)”可以用術(shù)語“DASII值為22微米或更小時的凝固速度(優(yōu)選地，在還原鑄造方法中的DASII值為20微米或更小時的凝固速度)”代替。
在傳統(tǒng)的鑄造方法中，凝固速度慢，特別是在使用絕熱涂劑的GDC或LPDC中，凝固速度特別慢，這樣很難與分層、收縮孔等相適應(yīng)，因此如何進(jìn)行有方向性的冷卻成為一個問題。在上述情況下，凝固速度大約為100℃/分，甚至在薄壁件情況下，大約為750℃/分，而下述的DASII值只在35到20微米的水平內(nèi)。
下面來研究熔融金屬的充滿時間。
熔融金屬的充滿時間根據(jù)鑄造合金材料和凝固速度之間的關(guān)系確定。
通常，在冷卻鑄造合金，例如AC2B和AC4B時，在開始充入熔融金屬的溫度和完成形成α型樹枝狀晶體的晶體結(jié)構(gòu)的溫度之間有大約90℃的溫差(下降90℃)。即，通過溫度降低90℃，可以進(jìn)行凝固。在這個凝固時間過程中，必需完成將熔融金屬充入腔12中。當(dāng)凝固速度設(shè)定為600℃/分～2000℃/分時，熔融金屬的充滿時間為9.0秒～2.7秒。
另一方面，在冷卻鑄造合金，例如2017、2024和2618時，在開始充入熔融金屬的溫度和完成形成α型樹枝狀晶體結(jié)構(gòu)的溫度之間有大約40℃的溫差。
當(dāng)凝固速度設(shè)定為600℃/分～2000℃/分時，熔融金屬的充滿時間為4.0秒～1.2秒。
即，雖然根據(jù)在鑄造合金中使用的材料會存在不同，但除非在大約1.0秒至大約9.0秒的時間內(nèi)完成將熔融金屬充滿腔12的所有部分，否則，腔12的一部分熔融金屬開始凝固，因而產(chǎn)生不充分充滿的部分。
實(shí)際上，在腔12的所有部分中，一些部分較厚，而另一些部分較薄，即所有部分的厚度不必要都是均勻的。熔融金屬首先流入較厚的部分中，然后再流入較薄的部分中。在較薄的部分中，凝固速度快，因此存在著在完成充滿較薄的部分之前，即開始凝固的危險。
因此，必需進(jìn)行控制，使熔融金屬完成充滿腔12的所有部分。
在存在著熔融金屬難以流入的薄的部分的情況下或其他情況下，用與LPDC相同的方法，最好利用不限于任何特殊形式的裝置，將壓力加在熔融金屬上，并且在預(yù)先確定的時間內(nèi)使腔12的所有部分充滿熔融金屬。由于這個原因，適當(dāng)選擇澆口的直徑、形狀、位置、數(shù)目等也很重要。
通過控制完成將熔融金屬充入腔12的所有部分中，由于運(yùn)行性質(zhì)本來很好，因此熔融金屬可以保證甚至充滿腔12的細(xì)小部分，從而消除了例如由于充滿不充分造成的鑄造缺陷。另外，由于消除了熔融金屬表面上形成的氧化物薄膜，在鑄件表面上不會產(chǎn)生表面折痕等，因此鑄件的外觀很好。
在上述實(shí)施例中，鎂氣體、氮?dú)馐侵苯铀腿肭恢?，產(chǎn)生鎂-氮化合物的，然而也允許就在模制模具的前面設(shè)置一個反應(yīng)室(沒有示出)，將氬氣、鎂氣體和氮?dú)馑腿朐摲磻?yīng)室中，使這些氣體在反應(yīng)室中起反應(yīng)，形成鎂-氮化合物，然后再將所形成的鎂-氮化合物送入上述模具腔中。
另外，該實(shí)施例是參照將鎂-氮化合物作為熔融金屬的還原物質(zhì)來說明的，但也可以使用鎂的單體或其他還原物質(zhì)。作為載氣，也可以使用氬氣以外的其他惰性氣體或非氧化氣體。這些氣體集中起來稱為“不起反應(yīng)的氣體”。
根據(jù)本發(fā)明，熔融金屬的凝固速度和充滿時間不限于上述的值。
另外，雖然在上述實(shí)施例中說明了鋁的鑄造方法，但根據(jù)本發(fā)明的方法不僅局限于此，它可適用于鋁合金、諸如鎂和鐵的各種金屬以及其合金中的每一種用作鑄造材料的鑄造方法。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，通過測量可測量的載氣的流量和將載氣的流量控制到對應(yīng)于反應(yīng)氣體的流量的需要量，可以間接地控制金屬氣體的流量，這時可得到明顯的效果，使還原鑄造以不損害還原強(qiáng)度的有利方式進(jìn)行。
權(quán)利要求
1.一種還原鑄造方法，包括下列步驟讓金屬氣體和反應(yīng)氣體互相起反應(yīng)，產(chǎn)生還原化合物；將所產(chǎn)生的還原化合物充入模制模具的腔中；和利用還原化合物還原在熔融金屬表面上形成的氧化物薄膜，從而鑄造鑄件。其中，利用不起反應(yīng)的氣體作為金屬氣體的載氣；其中，將不起反應(yīng)的氣體的流量設(shè)定為反應(yīng)氣體流量的1/6～2倍。
2.如權(quán)利要求1所述的還原鑄造方法，其中，將不起反應(yīng)的氣體的流量設(shè)定為反應(yīng)氣體流量的1/4～1/2。
3.如權(quán)利要求1所述的還原鑄造方法，其中，反應(yīng)氣體為氮?dú)?，不起反?yīng)的氣體為氬氣，金屬氣體為鎂氣體。
4.如權(quán)利要求1所述的還原鑄造方法，其中，當(dāng)將金屬氣體送入模制模具的腔中時，利用不起反應(yīng)的氣體作為載氣。
全文摘要
一種還原鑄造方法，包括下列步驟讓金屬氣體和反應(yīng)氣體互相起反應(yīng)，產(chǎn)生還原化合物；將所產(chǎn)生的還原化合物送入模制模具11的腔中；以及利用還原化合物還原在熔融金屬表面上形成的氧化物薄膜，從而鑄造鑄件。當(dāng)將金屬氣體送入模制模具的腔中時，還原鑄造方法利用不起反應(yīng)的氣體作為載氣，其中不起反應(yīng)的氣體的流量為反應(yīng)氣體流量的1/6～2倍。
文檔編號B22D27/18GK1443616SQ0312052
公開日2003年9月24日 申請日期2003年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月13日
發(fā)明者伴惠介 申請人:日信工業(yè)株式會社