用于鑄造半固態金屬合金的方法

專利名稱：用于鑄造半固態金屬合金的方法
技術領域：
本發明涉及工業金屬成型，更具體地說涉及用于由非枝晶半固態金屬漿液形成金屬部件的方法。
背景技術：
眾所公知，當將熔融金屬合金轉移到模具中以形成部件時，該金屬經受從液態到固態的相變。金屬密度在該相變過程中變化，從而導致體積變化。對于大多數金屬而言，密度在凝固期間增大，從而導致體積減小。在鑄造中，這種體積減小產生出被稱為收縮的鑄造缺陷。將鑄模設計成該部件按照定向的方式凝固，這使得熔融金屬能夠填充到由于體積減小而產生出的孔隙中。這個補償收縮的步驟被稱為“補縮”。
熔融金屬即使在開始凝固之后也將繼續流動。在正常凝固條件下，固相將具有被稱為枝晶的形態。枝晶意味著該固相具有樹枝狀結構，并且固體的分支和側臂伸入到液體中。枝晶具有較大的表面積-體積比。隨著金屬凝固，枝晶在合金中占據更大的體積百分比，并且在一些點處，這些枝晶形成了阻礙部分固化的合金流動的網絡。在這種情況下，部分固化的合金不能補償收縮。在金屬停止流動并且適應收縮時存在于合金中的固體的量被稱為凝聚部分固體(coherency fractionsolid)。該凝聚部分固體將在根據凝固合金的形態改變部分固體時出現。該凝聚部分固體相對較少，通常大約為0.20部分固體；因此，通常的鑄造過程采用了過熱例如高于液相線溫度100℃的熔融合金。這個額外熱量使得合金能夠更長時間保持熔融以允許補償收縮。用來將合金加熱至更高溫度的能量，由于必須在零件成型期間通過鑄造過程去除額外熱量而導致相關的循環時間增加，并且模具壽命由于在工具上的熱沖擊增大而減小。
現有的半固態鑄造過程依靠對固相形態的控制，使得固相具有球形、類球狀或橢圓狀形狀。具體地說，已經發現通過用非枝晶半固態金屬漿液鑄造或以其它方式成型金屬，能夠實現各種加工和物理性能優點。因為防止了形成枝晶網絡，所以這使得固相在其凝固時更容易運動。在半固態漿液中的非枝晶金屬顆粒與包含有枝晶顆粒的半固態金屬合金組分相比對于給定的固態比例而言具有實質降低的粘性。粘性的差異往往為幾個數量級。收縮補償更容易適應球狀非枝晶形態。迄今為止，大部數半固態方法使用了高壓注入系統以強迫半固態合金進入相關的模具中。
在將熔融合金保持在正好為液相線溫度或稍高的溫度處時，隨著將金屬轉移到模具，在熔融物內形成固體顆粒的大量成核。所得到的固體顆粒非常小并且細微地分散，從而隨著金屬在模具中凝固，該金屬由于枝晶通常更圓所以繼續流動并且補縮。通過該過程增強了收縮補償。
采用這種方法存在一些缺陷。例如，由于爐子溫度波動，所以從工業角度看將熔融合金保持在正好高于液相線的溫度是一個挑戰。爐子通常通過中央進料系統或從熔池定義充滿熔融金屬。將該熔融合金過加熱至高于液相線溫度，以防止金屬在金屬轉移系統中開始凝固。在將新的金屬加入到保持爐時，所得到的金屬溫度通常高于液相線溫度，從而不可能利用上述方法。另外，固體顆粒非常小并且分散在液體內，但是它們的形狀仍然是枝晶狀。從細小枝晶形成圓形顆粒需要時間讓這些顆粒的表面積減小。由低溫澆鑄產生出的細小枝晶與液態鑄造方法相比增強了補縮，但是在現有的方法中沒有完全實現采用球狀顆粒可能實現的優點。
更近一些的方法已經采用已經用“晶粒細化劑”改進的熔融金屬。將晶粒細化劑加入到熔融金屬中以促進固相的大量成核，從而形態在短時間內變為非枝晶狀和球狀。讓枝晶粗化為圓形顆粒所需的時間使得在工業過程中難以使用晶粒細化劑。在工業過程中，熔體需要冷卻并且保持在讓這些固態顆粒能夠粗化成圓形顆粒的溫度。
固體比高于大約0.4的非枝晶半固態漿液、即高比例固體漿液，由于該漿液的隨剪切變化的粘性的緣故，在非剪切狀態中具有類固體性能(例如，該漿液能夠在有限的時間內支撐其自身的重量)。通過用足以產生出足夠剪切力以降低漿液粘性并且能夠填充型腔的注入力通過高壓鑄機將漿液注入到模具中。通常，高壓主機采用了大于1000psi的力，并且至少大于500psi。因為需要剪切力來啟動流動，所以已經采用高壓注入式鑄機(注射模鑄、模鑄、或壓鑄機)來鑄造具有其固體比例高于大約0.4的半固態漿液。
固體比例較低(大約小于0.20)的半固態漿液沒有足夠的粘度或強度來支撐其自身的重量，迄今為止，由于許多原因低固體比例漿液至今都沒有廣泛用在高壓工業鑄造中。首先，人們認為，將低固體比例漿液轉移到相對較冷的容器(例如，模具或冷腔室)中會使漿液的微觀結構返回到枝晶狀態。漿液流進模具因此會在比高固體比例漿液低得多的固體比例下停止。第二，低固體比例漿液比高固體比例漿液具有更多的熱，因此不能實現使用半固態優于液態鑄造的全部好處。最后，現有的半固態方法沒有設計成形成適用于鑄造的低固體比例漿液。設備被設計成處理更類似固體的材料，而不是更低粘度的低固體比例漿液。
在低比例半固態漿液方面的最近工作已經顯示出該漿液在高壓模鑄期間在整個模具填充過程中保持基本上非枝晶。高壓模鑄機目前鑄造低固體比例漿液并且實現了許多半固態加工的好處，例如循環時間減少、模具壽命提高并且鑄造機械性能增強。另外，鑄造設備使用高固體比例漿液的主要挑戰不再存在。
許多現有的液態合金(即，沒有固體)鑄造方法沒有采用高壓注入。這些低壓過程包括砂型鑄造、重力或低壓永久模具、熔模鑄造和消失模鑄造(lost foam casting)。這些方法分別相對于高壓鑄造方法而言在生產某些逐漸方面具有特殊的優點。用砂型鑄造和消失模鑄造方法可以生產出復雜形狀，因為與這些方法相關聯的模具在幾何形狀方面沒有限制。模具制造成本更低并且使得小體積部件的鑄造更加經濟。鑄造設備與高壓鑄造方法相比更不昂貴。當前用這些方法生產出的汽車零件包括閉艙式內燃機、進氣歧管、活塞和車輪。在這些方法中，熔融金屬填充速度比高壓鑄造方法慢得多。因此，為了能夠填充整個模具，鑄造部件的壁厚通常比相當的高壓鑄件更厚，以確保該合金在流進壁中之前不會固化。但是，低壓模鑄技術存在一些缺點。例如，從熔融金屬去除熱量所需的時間相應地比高壓方法中更長。
使用低壓方法來生產鑄件已經受到限制，因為周期相對較長，尤其是相對于高壓鑄造方法“保壓時間”較長。
低壓鑄造方法的另一個問題是與高壓鑄件相比這些鑄件的機械強度更低。給定合金的機械強度與固化鑄件的晶粒尺寸成反比。晶粒尺寸與在鑄件內的金屬冷卻速度直接相關。

發明內容
本發明的一個方面在于一種形成金屬零件的方法。該方法包括加熱金屬合金以形成基本上沒有金屬固體的液體。將該液體冷卻以形成固體重量百分比在大約1％至大約30％的范圍中的半固態金屬合金漿液，并且其中該漿液基本上沒有枝晶固體。在低壓下將該半固態金屬合金漿液轉移到模具中，并且該金屬合金漿液將用來鑄造基本上為固體的零件。
本發明的另一個方面是一種鑄造金屬零件的方法。該方法包括形成包含球狀固體的半固態金屬合金漿液。該半固態金屬合金漿液基本上沒有枝晶固體。將該金屬合金漿液轉移到具有與型腔連接的澆口和澆道的模具中，并且該金屬合金漿液穿過澆口和澆道流進型腔中。該金屬合金在型腔中冷卻以使金屬合金基本上固化并且形成零件。在金屬合金的冷卻期間，在大約每平方英寸100磅或更小的壓力下在型腔中對金屬合金加壓。
本發明的另一個方面在于一種制作鑄造金屬零件的系統。該系統包括具有適用于保存液態金屬合金的加熱容器的爐子。該系統還包括半固態漿液生產設備，該設備具有可動攪拌構件，它構成用來攪拌金屬合金以生產出非枝晶固體的重量百分比為大約1％至大約20％的半固態金屬合金漿液。該系統還包括具有型腔以及與該型腔連接的進入澆道和通氣孔的模具。金屬轉送裝置將半固態金屬合金漿液從半固態漿液生產設備中轉移給模具。
本領域普通技術人員通過參考下面的說明書、權利要求書和附圖將進一步理解和了解本發明的這些和其它特征、優點和目的。


圖1為根據本發明一個方面用于制作鑄造金屬零件的系統的示意性頂部平面圖；并且圖2為圖1的系統的模具的局部示意圖。
具體實施例方式
為了在這里的說明，術語“上”、“下”、“右”、“左”、“后”、“前”、“垂直”、“水平”以及其派生出來的術語應該涉及如在圖1和2中取向的本發明。但是，要理解的是，本發明可以采取各種可選取向和步驟順序，除了明確相反規定之外。還要理解的是，在這些附圖中所示并且在下面說明書中所述的具體裝置和過程僅僅為在所述權利要求中限定的本發明構思的示例性實施方案。因此，與在這里所披露的實施方案相關的具體尺寸和其它物理特征不應該被認為是進行限定，除了權利要求另外明確指出。
非枝晶半固態成型的益處包括更高速度的零件成型、高速連鑄、更低的模具磨蝕、更低的能耗、更好的模具填充、氧化物減少從而改善了最終金屬部件的可機加工性，并且更少的氣體夾雜從而減小了孔隙率。用半固態漿液鑄造或以其它方式形成金屬部件的其它優點包括在金屬部件的成型期間收縮更小，即近終形鑄造，在所形成的金屬部件終的孔隙更少并且孔隙率更低，更少的宏觀偏析，對熱撕裂的敏感度更小，并且機械性能(例如，強度)更加均勻。在鑄造或其它成型技術期間還可以采用非枝晶半固態合金組分來形成更加復雜的零件。例如，可以形成具有更薄的壁并且強度性能提高的零件。
本發明提供了一種將低百分比固體漿液用在非高壓壓鑄過程中的改進方法。更具體地說，本發明提供了一種將低百分比固體漿液用于非高壓鑄造過程中的方法，這導致過程周期時間降低大約50％。還有，在低壓鑄造過程中的半固態漿液的熱量降低，這減小了晶粒尺寸并且改善了鑄件的機械性能。
如在這里所用的一樣，低百分比固體漿液指的是其非枝晶固體的重量百分比足夠低的半固態漿液，從而該半固態漿液容易在剪切應力較小或者沒有施加剪切應力的情況下按照粘性的方式流動。相反，高百分比固體漿液需要有限制施加剪切應力以啟動粘性流。隨著時間流逝，高百分比固體漿液將在沒有施加剪切應力的情況下流動(即，由于其自身的重量的原因)；但是需要相對較長的持續時間來實現粘性流，并且在長持續時間之后實現的粘性流量可以忽略不計。另外，實現粘性流所需的長持續時間比在工業金屬鑄造和成型過程中所期望的周期時間明顯更大。如將在下面更詳細地說明的一樣，低百分比固體漿液可以在適用于工業金屬鑄造和成型過程的持續時間中并且在沒有施加任何剪切應力的情況下實現粘性流，并且可以通過施加較低壓力來增強該粘性流。非枝晶固體的適當重量百分比將取決于這些變量例如合金組分、模具結構和其它這些工藝變量。一般來說，非枝晶固體的優選重量百分比將在大約1至20的范圍中，并且更優選在大約5至15的范圍內。但是，在一些用途中可以采用達到30％或35％的更高一些的固體重量百分比。在由共同發明人Raul A.Martinez-Ayers于2004年9月發表的“Formation and Processing of RheocastMicrostructures”，RhD Thesis，Massachusetts Institute of Technology中給出了形成和加工流變鑄造結構的說明，其全部內容被引用作為參考。在低百分比固體漿液中的固體的重量百分比足以允許利用非高壓壓鑄方法(低壓鑄造方法)進行鑄造，它利用了比模鑄等明顯更低的壓力。
低壓鑄造方法的例子包括砂型鑄造、重力或低壓永久模具、熔模鑄造和消失模鑄造。但是，對于特定用途而言也可以采用其它低壓方法。這些低壓鑄造方法通常采用了在大氣壓至大約每平方英寸100磅(psi)的范圍中的壓力，但是根據特定用途的需求可以采用高至500psi的壓力，或者低至0.1psi的壓力。
根據本發明一個方面的方法將低百分比固體漿液用于低壓壓鑄過程。圖1為根據本發明另一個方面的鑄造系統1的局部示意性平面圖。爐子2保存有處于高于其液相線溫度的溫度下的熔融金屬合金4。爐子2為商業上可獲得的裝置，它包括形成了提供了通向熔融金屬合金4的通道的下沉井的容器5。機器人10或其它商業上可獲得的轉送裝置包括可動容器11等，用于將熔融金屬合金4從爐子2轉移到半固態漿液生產設備3。已經開發出各種漿液生產設備和方法。半固態漿液生產設備和方法的一個例子為在美國專利No.6645323中所披露的那種，其全部內容被引用作為參考。在半固態漿液生產設備3中攪拌和冷卻該金屬合金以生產具有接近球狀結構的非枝晶固體的漿液。機器人10將漿液12轉移到模具13。在將漿液12轉移到模具13時，該漿液12的固體含量重量百分比優選為大約1％至大約20％，并且更優選為大約5％至大約10％。多個模具13可以安裝在可旋轉工作臺14上以能夠同時進行填充、冷卻和將零件從模具13取出。雖然顯示出四個模具13，但是要理解的是該工作臺14可以包括任意數量的模具(例如，六個)。
該模具13包括低壓模具，所述低壓模具具有采用了壓力低于500psi、更優選低于100psi、并且進一步優選低于14.7psi(大氣壓)的低壓鑄造方法。進一步參照圖2，所示的示例性模具13包括澆注槽15、澆口16和鑄口17，它們與型腔18流體連通。通氣孔19也與型腔18流體連通。要理解的是，該模具13可以包括多個型腔、澆道或特定用途所需的其它特征。型腔18可以具有相對復雜的形狀，它在鑄件上形成最終或者接近最終的表面，從而使額外的機加工等最小化或消除。還有，如果特定用途所需的話，可以向型腔18施加真空以促進漿液12的流動，或者可以例如通過施加氣動活塞在澆注槽15中向漿液12施加機械力。采用真空或機械力增大了在澆注槽側和漿液12的通氣孔側之間的壓力差，從而增大了漿液12的粘性流流速。
因為在漿液12中的固體重量百分比相對較低，所以在模具13中的漿液12必須以相對較慢的速度冷卻以防止在漿液中形成枝晶固體顆粒。可允許的冷卻速度取決于用于特定用途的合金。還有，該冷卻速度將受到模具材料和所要鑄造的零件的幾何形狀影響。例如，如果所要鑄造的零件包括容易以較快的速度冷卻的薄壁部分，則型腔18能夠設計成提供開始填充有漿液的容器部分。在該容器中的漿液將以相對較慢的速度冷卻，從而所形成的固體為非枝晶。在固體的百分比增加至允許更高的冷卻速度的程度之后，可以將該漿液導入進模具的薄壁部分中。
本申請可以采用各種合適的鑄造金屬。例如，可以采用鋁、鎂、銅、鋅和鐵合金。
在前面的說明中，本領域普通技術人員很容易理解的是，在不脫離在這里所披露的構思的情況下可以對本發明做出許多變型。這些變型被認為包括在下面的權利要求中，除非這些權利要求通過其語言另外明確指出。
權利要求
1.一種形成金屬零件的方法，該方法包括加熱金屬合金組分以形成基本上沒有金屬固體的液體；冷卻該液體以形成半固態金屬合金漿液，所述半固態金屬合金漿液的固體重量百分比在大約1％至大約30％的范圍內并且基本上沒有枝晶固體；將半固態金屬合金漿液轉移到模具中；在大約每平方英寸100磅或更小的壓力下冷卻在模具中的半固態金屬合金漿液，以鑄造出基本上為固體的零件。
2.如權利要求1所述的方法，其中在大約每平方英寸15磅或更小的壓力下鑄造所述半固態金屬合金漿液。
3.如權利要求1所述的方法，其中在大氣壓下鑄造所述半固態金屬合金漿液。
4.如權利要求1所述的方法，其中所述基本上為固體的零件是采用砂型鑄造方法鑄造的。
5.如權利要求1所述的方法，其中所述基本上為固體的零件是采用消失模鑄造方法鑄造的。
6.如權利要求1所述的方法，其中所述半固態金屬合金漿液的固體重量百分比為大約1％至大約20％。
7.如權利要求1所述的方法，其中所述半固態金屬合金漿液的固體重量百分比為大約5％至大約10％。
8.如權利要求1所述的方法，其中在半固態金屬合金漿液中的固體包括基本上為球形的顆粒。
9.如權利要求1所述的方法，其中所述金屬合金包括鋁。
10.如權利要求1所述的方法，其中所述金屬合金包括鈦合金。
11.一種鑄造金屬零件的方法，該方法包括形成半固態金屬合金漿液，所述半固態金屬合金漿液的固體重量百分比為大約30％或更小，所述半固態金屬合金漿液基本上沒有枝晶固體；將半固態金屬合金漿液轉移到具有型腔的模具中，從而該半固態金屬合金漿液流進該型腔中；冷卻在型腔中的半固態金屬合金漿液，以使半固態金屬合金漿液基本上固化并且形成零件；在金屬合金冷卻時，以低的壓力對型腔中的半固態金屬合金漿液加壓。
12.如權利要求11所述的方法，其中在大約每平方英寸100磅或更小的壓力下鑄造所述半固態金屬合金漿液。
13.如權利要求11所述的方法，其中所述半固態金屬合金漿液包括球形固體。
14.如權利要求11所述的方法，其中所述模具還包括與型腔流體連通的澆口和澆道以及與澆口相連的向上打開的澆注槽；并且所述半固態金屬合金漿液被澆入到澆注槽中。
15.如權利要求11所述的方法，其中所述半固態金屬合金漿液包括鋁。
16.如權利要求11所述的方法，其中所述模具包括砂型。
17.如權利要求11所述的方法，其中所述模具是通過用泥漿涂覆蠟材料來構成的。
18.如權利要求11所述的方法，其中向型腔施加真空，以將半固態金屬合金漿液拉入型腔中。
19.一種制造鑄造金屬零件的系統，該系統包括爐子，所述爐子具有用于保存液態金屬合金的加熱容器；半固態漿液生產設備，用于生產基本上沒有枝晶固體的低百分比固態半固態金屬合金漿液；模具，所述模具具有用于在低壓下接收半固態金屬合金漿液的型腔；以及金屬轉移裝置，適用于從半固態漿液生產設備將半固態金屬合金漿液轉移到所述模具中。
20.如權利要求19所述的系統，其中所述金屬轉移裝置為機器人。
21.如權利要求19所述的系統，其中所述半固態漿液生產設備包括構成用來攪拌液態金屬合金的攪拌構件。
22.如權利要求21所述的系統，其中所述攪拌構件是可轉動的。
23.如權利要求20所述的系統，其中所述半固態金屬合金漿液包括重量百分比為大約1％至大約20％的固體。
24.如權利要求20所述的系統，其中所述型腔在大約大氣壓下接收半固態金屬合金漿液。
全文摘要
一種形成金屬零件的方法，該方法包括加熱金屬合金組分以形成基本上沒有金屬固態的液體。將該液體冷卻以形成具有低重量百分比的基本上非枝晶固體的半固態金屬合金漿液。在低壓下將該半固態金屬合金漿液轉移到模具中，并且冷卻以鑄造出基本上固體零件。
文檔編號B22D17/00GK101065201SQ200480035784
公開日2007年10月31日 申請日期2004年12月6日 優先權日2003年12月4日
發明者J·A·尤爾科, M·C·弗萊明斯, R·A·馬丁內斯, R·W·布勞爾 申請人:伊德拉王子公司