用于形成低合金鋼鑄件的系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總體涉及鑄造，并且更具體地說，涉及具有碳含量在約0.1%至約0.4%范圍內(nèi)的低合金鋼的消失模鑄造(lost foam casting)。
【背景技術(shù)】
[0002]一般來說，砂型鑄造需要用于鑄造復(fù)雜結(jié)構(gòu)(如渦輪機(jī)外殼、渦輪增壓器、曲軸箱、鼓風(fēng)機(jī)等)的多個(gè)砂芯。使用多個(gè)砂芯增加了材料和勞力成本，并且還可導(dǎo)致長(zhǎng)的鑄造前置時(shí)間(lead time)。
[0003]消失模鑄造可用于解決與成本和前置時(shí)間有關(guān)的問題。然而，通過消失模鑄造獲得的鑄件可能具有過高碳含量。此外，消失模鑄造使用生粘合砂(green bonded sand)作為砂鑄模(sand casing)內(nèi)的支承介質(zhì)，這在將熔融金屬澆注到模具中時(shí)會(huì)產(chǎn)生氣態(tài)產(chǎn)物或氣泡，從而將氣態(tài)產(chǎn)物截留在鑄件內(nèi)。消失模鋼鑄造中的碳增量(carbon pick-up)和氣體截留是由于熔融金屬在模具內(nèi)固化之前不完全的泡沫移除而引起的。殘留泡沫生成炭黑，并且在鑄件內(nèi)重新分布的截留氣體導(dǎo)致產(chǎn)生高于所要求限值的局部碳含量。
[0004]此外，澆注在模具中的熔融金屬還可與生粘合砂反應(yīng)，使得型砂熔合至鑄件，從而產(chǎn)生型砂灼傷部分(sand burn)，這會(huì)使鑄件的表面劣化。從鑄件移除型砂灼傷部分的過程會(huì)進(jìn)一步增加工藝成本。
[0005]因此，需要一種用于產(chǎn)生具有非常低的碳含量的低合金鋼的增強(qiáng)的鑄造工藝。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例，公開一種鑄造低合金鋼的方法。所述方法包括獲得具有設(shè)置有可滲透的耐熔涂層的泡沫模型的模具。泡沫模型設(shè)置在砂鑄模內(nèi)，并且壓實(shí)型砂設(shè)置在泡沫模型與砂鑄模之間。所述方法進(jìn)一步包括將包括具有碳含量在約0.1%至約0.4%范圍內(nèi)的低合金鋼的熔融金屬澆注到模具中，以便使泡沫模型蒸發(fā)以形成低合金鋼鑄件。此外，所述方法包括在鑄造過程期間使氣化產(chǎn)物穿過可滲透的耐熔涂層移除。所述方法進(jìn)一步包括從模具移除低合金鋼鑄件。
[0007]根據(jù)另一個(gè)示例性實(shí)施例，公開一種模具。所述模具包括填充有壓實(shí)型砂的砂鑄模。此外，所述模具包括具有空腔的泡沫模型，所述泡沫模型設(shè)置在砂鑄模中，以使得壓實(shí)型砂設(shè)置在泡沫模型與砂鑄模之間。所述泡沫模型包括可滲透的耐熔涂層，所述可滲透的耐熔涂層具有在約10至約100 μ m2范圍內(nèi)的滲透率以及在約2000至約24000 μ m3范圍內(nèi)的滲透量。所述壓實(shí)型砂具有在約100至約1000 μ m2范圍內(nèi)的滲透率。所述泡沫模型具有在約13至約28kg/m3范圍內(nèi)的體積密度以及在約13至約35kg/m 3范圍內(nèi)的表面密度。
[0008]根據(jù)又一個(gè)示例性實(shí)施例，公開一種制造模具并使用所述模具鑄造低合金鋼的方法。所述方法包括形成具有空腔的泡沫模型，并且將可滲透的耐熔涂層涂覆在泡沫模型上。此外，所述方法包括將泡沫模型設(shè)置在砂鑄模內(nèi)，并且將非粘合型砂(unbonded sand)填充在泡沫模型與砂鑄模之間。所述方法進(jìn)一步包括壓實(shí)非粘合型砂以形成壓實(shí)型砂，以便產(chǎn)生模具。此外，所述方法包括將熔融金屬澆注到所述模具中以使泡沫模型蒸發(fā)，以便形成低合金鋼鑄件。所述方法進(jìn)一步包括在鑄造期間使氣化產(chǎn)物穿過可滲透的耐熔涂層移除。所述熔融金屬包括具有碳含量在約0.1%至約0.4%范圍內(nèi)的低合金鋼。此外，所述方法包括從模具移除低合金鋼鑄件。
【附圖說明】
[0009]在參考附圖閱讀以下詳細(xì)說明后，將更好地理解本發(fā)明的實(shí)施例的這些和其他特征以及方面，在附圖中，相似的符號(hào)代表所有附圖中相似的部件，其中:
[0010]圖1是示出根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例的一種制造模具的方法的示意性流程圖；
[0011]圖2是示出一種使用根據(jù)圖1的示例性實(shí)施例的模具制造低合金鋼鑄件的方法的示意性流程圖；
[0012]圖3中A是使用常規(guī)鑄造工藝制造的合金鋼鑄件的透視圖；以及B是根據(jù)圖1和圖2的實(shí)施例制造的低合金鋼鑄件的透視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013]雖然本說明書僅說明和描述了實(shí)施例的某些特征，但所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將想到許多修改和變化。因此，應(yīng)理解，所附權(quán)利要求書意圖涵蓋落在本發(fā)明的精神內(nèi)的所有此類修改和變化。
[0014]本說明書所論述的實(shí)施例公開一種鑄造低合金鋼的方法。更具體地說，某些實(shí)施例公開獲得具有設(shè)置在壓實(shí)型砂與砂鑄模之間的泡沫模型的模具。此外，所述方法包括將含有低合金鋼的熔融金屬澆注到模具中，以便使泡沫模型蒸發(fā)以形成低合金鋼鑄件。所述方法進(jìn)一步包括:從模具移除低合金鋼鑄件。
[0015]更具體地說，某些實(shí)施例公開制造模具的方法。所述方法包括形成具有空腔的泡沫模型，并且將可滲透的耐熔涂層涂覆在泡沫模型上。此外，所述方法包括將泡沫模型設(shè)置在砂鑄模內(nèi)并且將非粘合型砂填充在泡沫模型與砂鑄模之間，以便形成模具。此外，所述方法包括壓實(shí)非粘合型砂以在模具內(nèi)形成壓實(shí)型砂。
[0016]圖1是示出根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例的一種制造模具124的方法100的示意性流程圖。方法100包括步驟102:通過例如機(jī)械加工泡沫材料的實(shí)心塊來形成泡沫模型104。在一些其他實(shí)施例中，泡沫模型104可通過注塑成型等來形成。泡沫材料具有在約13至約28kg/m3范圍內(nèi)的體積密度以及在約13至約50kg/m3范圍內(nèi)的表面密度。泡沫模型104的體積密度可定義為多個(gè)粒子的質(zhì)量/泡沫模型104所占總體積。泡沫模型104的表面密度可定義為單位面積的泡沫模型104的質(zhì)量。具有在上述范圍內(nèi)的體積密度的泡沫模型104實(shí)現(xiàn)尺寸完整性、可控制的熔融金屬的填充率以及氣化產(chǎn)物從泡沫模型104的移除。具有在上述范圍內(nèi)的表面密度的泡沫模型104提供對(duì)將熔融金屬填充到模具124的空腔中的順序的控制。
[0017]泡沫材料包括聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、以及聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯共聚物材料中的至少一種。在一個(gè)實(shí)施例中，形成泡沫模型104的過程可包括以下步驟:在低壓下，將泡沫材料的預(yù)膨脹珠粒注入到預(yù)熱模具(圖1中未示出)中。此外，預(yù)熱模具具有所述泡沫模型的形狀并且可由鋁材料等制成。所述過程可進(jìn)一步包括向預(yù)熱模具內(nèi)的預(yù)膨脹珠粒施加蒸汽，形成具有所需形狀的泡沫模型104。
[0018]在所示實(shí)施例中，泡沫模型104具有三條支腿104a、104b、104c和連接支腿104a至104c的本體104d。實(shí)施例中所示的泡沫模型104僅出于說明目的并且不應(yīng)理解為限制本發(fā)明。
[0019]方法100進(jìn)一步包括步驟106:在泡沫模型104中形成多個(gè)排氣口 108a。每個(gè)排氣口 108a在鑄造過程期間將氣化產(chǎn)物從泡沫模型104移除。方法100進(jìn)一步包括步驟110:將可滲透的耐熔涂層112涂覆在泡沫模型104上。步驟110進(jìn)一步包括以下步驟:制備具有預(yù)定義流變性的可滲透的耐恪涂層材料114。可滲透的耐恪涂層材料114包括無機(jī)粘合劑以及包括氧化銷和/或錯(cuò)石的背面粘合材料(back bond material)。
[0020]在一個(gè)實(shí)施例中，可滲透的耐熔涂層112通過浸涂工藝或流涂工藝來涂覆在泡沫模型104上。浸涂工藝可包括將泡沫模型104浸漬在具有可滲透的耐熔涂層材料114的漿料的容器(圖1中未示出)內(nèi)，之后進(jìn)行干燥，以便在泡沫模型104上形成可滲透的耐熔涂層112。流涂工藝可包括使用流涂裝置116將可滲透的耐熔涂層材料114噴涂在泡沫模型104上，以形成可滲透的耐熔涂層112。流涂裝置116以低剪切速率噴涂可滲透的耐熔涂層材料114，以便防止對(duì)泡沫模型104的損壞。具有預(yù)定義流變性的可滲透的耐熔涂層材料114促進(jìn)對(duì)泡沫模型104的浸涂和流涂。
[0021]可滲透的耐熔涂層112具有在約10至約100 μ m2范圍內(nèi)的滲透率以及在約2000至約24000 μ m3范圍內(nèi)的滲透量。滲透率可定義為涂層112允許氣化產(chǎn)物流過可滲透的耐熔涂層112的能力。滲透量可定義為可滲透的耐熔涂層112的滲透率與厚度的乘積。具有在上述范圍內(nèi)的滲透率的可滲透的耐熔涂層112使得能夠防止金屬滲透，從而獲得低合金鋼鑄件的所需表面處理(如圖3的B中所示)。類似地，具有在上述范圍內(nèi)的滲透量的可滲透的耐熔涂層112實(shí)現(xiàn)熔融金屬的可控填充率和氣化產(chǎn)物從泡沫模型104的移除。
[0022]方法100進(jìn)一步包括步驟118:將泡沫模型104設(shè)置在砂鑄模120內(nèi)并且將非粘合型砂122填充在泡沫模型104與砂鑄模120之間，以便形成模具124。在一些實(shí)施例中，砂鑄模120可包括夾在一起而形成模具124的兩個(gè)半部。泡沫模型104可通過多個(gè)支撐件126保持在砂鑄模120內(nèi)，以便向泡沫模型104提供結(jié)構(gòu)支撐和穩(wěn)定性。此外，澆口杯128、澆道130和冒口 132聯(lián)接至泡沫模型104。熔融金屬順序地通過澆口杯128、冒口 132和澆道130給送至泡沫模型104。模具124還包括多個(gè)排氣口 108b，所述多個(gè)排氣口 108b從泡沫模型104延伸穿過非粘合型砂122而到達(dá)周圍環(huán)境。多個(gè)排氣口 108b用于在鑄造過程期間從泡沫模型104移除氣化產(chǎn)物。在一個(gè)實(shí)施例中，多個(gè)排氣口 108b由陶瓷材料制成。在所示實(shí)施例中，多個(gè)排氣口 108b設(shè)置在泡沫模型104的下游，以便增強(qiáng)氣化產(chǎn)物的排出。
[0023]方法100進(jìn)一步包括步驟134:壓實(shí)設(shè)置在泡沫模型104與砂鑄模120之間的非粘合型砂122以形成壓實(shí)型砂136。非粘合型砂122的壓實(shí)是使用壓實(shí)裝置138來執(zhí)行。在一個(gè)實(shí)施例中，壓實(shí)裝置138向非粘合型砂122施加具有可變頻率和幅值的振動(dòng)，以便形成壓實(shí)型砂136。在另一個(gè)實(shí)施例中，壓實(shí)裝置138向非粘合型砂122施加真空力，以便形成壓實(shí)型砂136。壓實(shí)型砂136具有在約100至約2000 μπι