采用由粒子支承的薄壁熔模型壳的反重力铸造

摘要

一种反重力铸造金属液的方法和设备。其中，待铸制品的一次性模样包含在加热下膨胀的易熔材料，如蜡模。模样覆以粒状造型材料以形成壁厚不超过0.12英寸的薄壁层状壳型。这种薄壁厚度在蒸汽热压除模时意想不到地减少壳型的损坏和挠曲。焙烧后，薄透气壳型在真空箱中由耐火粒状支承介质所环绕，然后对真空箱抽真空以便对型腔抽真空，并同时对支承介质施加压力，使之挤压壳型四周，当金属液在真空型腔中反重力铸造时，可支承壳型抵抗铸造应力。

说明书

本发明涉及一种采用透气的熔模壳型的金属液反重力铸造，该壳型设有薄模壁，可很好地承受除模应力，并且在铸造过程中被支承在致密的粒状支承介质中。

詹德利（Chandley）的美国专利US3，900，064、US4，340，108、US4，532，976、US4，589，466以及US4，791，977公开了使用透气的熔模壳型的各种真空辅助反重力铸造方法。

在制造应用于这些反重力铸造方法的透气的高温粘接耐火材料熔模壳型时，首先制出多个待铸制品的一次性使用模样（例如易熔模样），然后将它们用适当的内浇口模等组装成一个模组或模树。接着将模组浸入耐火浆料（它包含有耐火粉和适当的粘接剂熔液，可在环境条件下干燥和硬化）和撒以较粗粒的耐火材料粉，浸挂浆料和撒砂是交替进行的，以便在模组上包覆以粒状耐火材料。浸挂浆料和撒砂的工序重复进行，即形成多层的耐火材料型壳，它具有足够的厚度，可承受其后去除模样、焙烧和金属铸造过程中施加在型壳上的应力。

具体来说，除模操作一般靠蒸汽热压来进行，其中，将熔模模组放置在温度范围约为275°F至350°F的蒸汽压力罐中，将模样从耐火材料壳型中熔化出来。过去，现有技术工人在进行蒸汽热压步骤时常遇到耐火壳型的破坏（例如出现裂纹），这是由于模样（例如蜡模）相对耐火壳型的热膨胀造成的。在致力于减少或尽量减少蒸汽热压步骤中耐火壳型出现破坏（例如出现裂纹）的过程中，现有技术工人曾经将壳型壁厚加大以便更好地承受应力。不幸的是，将耐火壳型加厚导致熔模壳型的重量增加，并消耗大量的耐火材料，增加铸造费用。此外，耐火壳型原愈大，还要求延长蒸汽热压过程的时间，以便将模样从熔模模组中有效地除去。因此，应用前述各种专利方法来反重力铸造铁基及其它合金所使用的熔模壳型，其壁厚一般作成为至少约1/4英寸。

前述的美国专利US4，791，977说明了当金属液在耐火壳型中真空辅助反重力铸造时，有应力施加在该耐火壳型上。该专利尤其认识到，由于在壳型中铸造金属造成的施加在壳型上的金属内静压力和在铸造过程中作用在壳型周围的外界真空相结合的结果，在壳型上施加有有害的应力。该专利认识到，这种应力当与壳型中的金属的高温结合起来时，会导致壳壁移动、金属渗透到壁中、金属泄漏以及壳型的彻底破坏，特别是当壳型中存在有任何结构缺陷时更是如此。尽管该专利提供了一种减少熔模壳型中的这种应力的装置（例如在模内充填通道和壳型外的真空室之间应用差压技术），该专利所使用的熔模壳型仍然要求具有传统的壳型壁厚和强度，以抵抗在模样去除和金属液铸造时引起的应力。

本发明的目的在于提供一种改进的、经济的反重力铸造方法和设备，其所使用的耐火熔模壳型具有显著减小的壁厚，但是在靠蒸汽热压来除模等操作中很少受到破坏（例如出现裂纹）。

本发明的另一目的在于提供一种改进的、经济的反重力铸造方法和设备，它可显著减少制造熔模壳型时所需的粘接的耐火材料的量。

本发明的另一目的在于提供一种改进的、经济的反重力铸造方法和设备，它可显著增加单个熔模壳型所能铸出的铸件数量。

本发明的另一目的在于提供一种改进的反重力铸造方法和设备，它可降低在铸造时由于存在金属内静压力和壳型周围的外界真空状态所造成的施加在熔模壳型上的应力。

本发明的另一目的在于提供一种改进的反重力铸造方法和设备，它可在铸造期间以这样的方式支承熔模壳型，以防止由铸造应力造成的壳型的破坏，允许有较大的铸造壳型，并且防止金属液从壳型中泄漏出来。

本发明设想一种改进的、经济的反重力铸造方法和设备，它包括：制成一个待铸制品的一次性模样，该模样包含在加热时膨胀的易熔材料，将模样覆以多层粒状耐火造型材料，控制形成一个其围绕模样的壁厚不超过约0.12英寸的耐火壳，将被覆盖的模样例如通过蒸汽热压进行加热，将模样从壳中除去，留下一个型腔。在将薄壳型焙烧以获得要求的铸型强度之后，将耐火粒状支承介质配置在薄壳型周围，使型腔和一个配置在支承介质外部的底金属液入口相连通。

在将薄耐火壳型用粒状支承介质环绕以后，将型腔抽真空，同时对支承介质施加压力，使支承介质围绕和挤压耐火壳型，以便当金属液入口与金属液源相连通而将金属液在抽真空的型腔中进行反重力铸造时，支承壳型抵抗铸造应力的作用。

在本发明实践中采用壁厚不超过约0.12英寸的耐火壳型，其根据是发现了这种薄壳壁能更好地承受在除模过程中由于模样膨胀而施加在其上的应力，这种发现与现有技术实践中所公认的不同。更具体地说，本发明涉及一种发现，即薄壳型的透气性不是随壳壁厚的减小而成正比例地增加，而是按意想不到的方式增大。例如，已经发现，这种薄壳壁（即不超过约0.12英寸壁厚）的透气率比具有双倍壁厚的类似壳型的透气率要大出两倍以上，通常要大出三倍。

已经发现，这种增大的壳透气性可消除通过蒸汽热压除模时施加在壳上的应力，这是靠扩大渗透到模样初始熔化的熔融表皮内来实现的。此外，增大的壳型透气性通过促进蒸汽的侵入模样表面，可以缩短除模时间。

在实施本发明中采用这种薄壁（即不超过约0.12英寸）的耐火壳型，还基于这样的发现，即在型腔被抽真空的同时通过将粒状支承介质围绕壳型加固或挤压，这种薄壁壳型能够被适当地支承，以抵抗在差压反重力铸造时施加在其上的应力。

举例来说，在本发明的一种实施例中，薄壁壳型被放置在一个真空箱内的松散的粒状支承介质（例如松散的铸造用砂）中，当真空箱被抽真空以便将铸造型腔抽真空时，将一个压力传递装置相对真空箱和支承介质移动，使支承介质围绕壳型挤压。压力传递装置可包括真空箱的一个活动壁，该壁的外侧承受环境压力，内侧承受相对真空作用，将支承介质围绕壳型挤压，以支承壳型抵抗铸造应力。另一方面，压力传递装置可以包括一个压力气圈，与支承介质接触，为了同样目的将支承介质围绕薄壳型挤压。

从下文的详细说明和附图中，本发明的上述目的和优点就会变得更加清楚。

图1是一个模组的侧视图;

图2是该模组覆盖以粒状铸造材料之后的侧剖视图;

图3是通过蒸汽热压将模组除去后的薄壳型的侧剖视图;

图4是本发明反重力铸造设备的侧剖视图，其中，壳型放置在一真空箱的加固的粒状支承介质之中，而壳型的外部金属液入口浸没在金属液池的下面;

图5是本发明另一实施例的反重力铸造设备的侧剖视图;

图6是本发明又一个实施例的反重力铸造设备的侧剖视图。

现在请参看附图，图1中示出了一个一次性使用的模组或模树10，它包括一个中部的圆柱形冒口成形部分12和多个型腔成形部分14，各型腔成形部分14分别由相应的内浇口成形部分16与冒口成形部分12相连。如图所示，型腔成形部分14制成待铸制品或零件的形状，并且在冒口成形部分12周围沿着其长度方向相间配置。一般地说，各型腔成形部分14及其相应的内浇口成形部分16是由注塑形成的，然后用手工连接（例如用蜡焊或粘接）到冒口成形部分12上。冒口成形部分12由注塑制成单个零件。

耐火截锥形套环18被连接（例如用蜡焊或粘接）到冒口成形部分12的底端上。

模组10最好由易熔的实心（无孔的）材料制成，该材料在加热时膨胀，这在下文中说明。蜡是制造模组的较佳材料，这是由其低成本和其可预测性质决定的。通常模样蜡在约130°F至150°F的温度范围内熔化。重要的是，必须选择蜡的粘度以避免在模样操作过程中壳型出现裂纹（例如，170°F下的蜡粘度必须小于1300厘泊）。尿素也可以是有用的制模样材料，它在约235°F至265°F的温度范围内熔化。

在实施本发明时，不需要使模组10的各部分12、14、16由相同模样材料制成，只要其后模组10可通过蒸汽热压等进行加热而除去就行，这在下文中说明。

现请参看图2。模组10被覆以多层耐火材料22以在其周围形成一薄壳30。将模组重复浸入耐火浆料（未示）中进行浸挂。耐火浆料包含悬浮在诸如硅酸乙酯或胶态硅溶胶之类的粘接剂溶液中的耐火材料粉（例如锆石、矾土、熔凝硅石等等）悬浮物，少量的有机薄膜形成物，湿润剂以及消泡剂。每次浸挂之后，使过量的浆料排出，并在模组上的浆层上撒以干燥的耐火粒子。适当的撒砂用的耐火材料有：粒状锆石、熔凝硅石、硅石、包含高铝红柱石、熔凝矾土和类似材料的各种铝硅石组。

在各道浸挂和撒砂工序之后，使用强制空气干燥器或其它装置将浆料涂层硬化，以在模组10或在先前形成的耐火层上形成一耐火层。这些浸挂浆料、撒砂和干燥的过程重复进行，直至在型腔成形部分14的周围形成一具有要求壁厚t的多层壳型30为止。

根据本发明，控制壳型形成过程（即浸挂、撒砂和烘干），以在型腔成形部分14周围形成一个其最大壁厚t不超过约0.12英寸的多层耐火壳型30、下文中将要说明，已经发现，该壁厚呈现出惊人的能力，可适应通过蒸汽热压除模时施加在壳型上的应力。一般来说，不超过约0.12英寸厚度的壳型壁是由四至五层按上述的重复浸挂、撒砂和烘干工序而形成的耐火层堆积成的。

图3示出一个通过蒸汽热压将模组10除去后的耐火壳型30。具体地说，图中所示耐火壳型30被放置在一通用型的蒸汽压力罐34（只是示意表示），例如可由Leeds  and  Bradford公司买到的286PT型蒸汽压力罐中。可明显地看到，除去模组10后留下了一个薄耐火壳型30，其各个型腔26通过相应的横向内浇口38与中部冒口37互相连通。在过程的这一阶段，冒口37的底端和上端是敞开的。

在蒸汽热压过程中，图2所示的被覆盖的模组40要经受温度约为275°F至350°F的蒸汽（蒸汽压力约为80至110psi）的加热，加热时间应足以将模组20熔出耐火型壳30。

具体地说，在蒸汽热压的初始阶段，由于蒸汽通过透气的耐火壳型30侵入，模组10熔化出一表面熔化膜。下面将要说明，薄耐火壳型30可惊人地和意想不到地吸收这种表面初始熔化膜，从而消除了在其它情况下在要施加到壳型30上的模样膨胀力。过一定时间后，模组10的其余部分熔化，其大部分由耐火壳型30通过套环18中的开孔18a排出。

如上面所述，将耐火型壳30的壁厚按照本发明进行控制，使之不超过约0.12英寸。已经发现，这种壳壁厚呈现出意想不到的高透气性（例如，当使用熔模铸造协会所沿用的公知的氮透气率试验在1900°F下进行测量时），用以吸收模样材料在蒸汽热压期间的表面初始熔化膜。举例来说，一个在约1800°F焙烧的耐火壳型30，具有壁厚约为0.12英寸（4个耐火层），经测量（靠上述氮透气率试验），呈现出其透气率要比具有双倍厚度（即壁厚为0.25英寸，包含8个耐火层）的类似壳型的透气率大出两倍以上。更具体地说，壁厚为0.12英寸的焙烧过的耐火壳型30测出的透气率为每分钟316-468cc氮，而壁厚为0.25英寸的同类壳型的透气率仅为每分钟80-120cc氮。

焙烧过的耐火壳型30最好按本发明来制成，使其呈现出的透气率至少大致为具有双倍壁厚的同类壳型的透气率的三倍。

前面已经提到，薄耐火壳型30（壁厚不超过0.12英寸）的这种意想不到的高透气性扩大耐火壳型的能力，使之可吸收模组10上当蒸汽热压时形成的表面初始熔化膜，从消除由于模组10相对耐火壳型30热膨胀时在正常情况下要施加在壳型上的任何应力。与现有技术实践中靠增大壳壁厚来抵抗这种在除模时产生的应力的情况不同，本发明发现了壳壁厚的减小（变薄）对蒸汽热压提供了显著改进的特性，可减少如裂纹之类的壳挠曲和损坏。由于蒸汽可很好地透过高透气性壳型30侵入并导致模组10的快速加热，因此不仅可减少壳挠曲和损坏，还可大大减少靠蒸汽热压除模所需的时间。

此外，从下面表1中所列出的实例中可明显地看出，由于采用了较薄的壳壁厚，耐火壳型30所需的耐火材料粒子的数量被大大减少了。从而使铸造成本显著降低，例如，在节省所使用耐火材料量的基础上可降低成本40%至75%。

另外，采用薄壁壳型可使各型腔成形部分14及内浇口16之间的间隔减小，以便显著增加每个铸型所能铸出的铸件数量。总生产量也以同样方式（除了壁厚之外）在低成本下增加。

在蒸汽热压过程之后，将壳型在约1800°F下焙烧90分钟。

表1列出了给定零件（例如汽车摇杆、窗闩和楔子）当采用厚壁壳型（即壳壁厚0.25英寸）和本发明的薄壁壳型30时，其所谓装载系数（即每个壳型可铸出的零件数）的比较数据。厚壁壳型（9次浸浆/撒砂）和薄壁壳型（4-5次浸浆/撒砂）都按同样方式制备，使用相同的浆料和撒砂，例如，初始浸挂浆料包含200目的熔凝硅石（15.2重量百分数）和325目的锆石（56.9重量%），胶态硅溶胶粘接剂（17.8重量%）和水（10.1重量%），其后的浸挂浆料包含注册商标为Mulgrain  M-47的高铝红柱石（15.1重量%），200目的熔凝硅石（25.2重量%）和600目的锆石（35.3重量%），硅酸乙酯粘接剂（15.6重量%）和异丙醇（8.8重量%），并挨次用约100目的锆石和60目的Mulgrain  M-47高铝红柱石进行撒砂，金额用约25目Mulgrain  M-47高铝红柱石进行撒砂。壳型按上面所述进行蒸汽热压然后焙烧。

表中进行比较的还有过去应用于各种零件的厚壁壳型（即0.25英寸壁厚）的重量和本发明的薄壁壳型（即约0.10英寸壁厚）的重量。

表1壳型的装载系数和最终的耐火材料重量

         标准壳型    薄壁壳型    标准壳型      薄壁壳型

         装载系数    装载系数      重量          重量

零件(件数/壳型)(件数/壳型)变化％OZ／件OZ／件变化％

摇壁  8ar×13hi   12ar×16hi          6.3      1.5    76

      104/壳型    192／壳型    85

窗闩  12ar×8hi   14ar×10hi          6.7     1.5     63

      96／壳型    140／壳型    46

楔子  10ar×24hi  12ar×26hi          2.8     1.3     54

      240／壳型    312／壳型   30

附注：“ar”是围绕冒口的型腔数

“hi”是沿冒口高度的型腔层数

从表1中清楚可见，本发明较薄的壳型显著增加装载系数（即每个壳型可铸出的零件数），并显著减少制造焙烧壳型所需要的耐火材料量。所有这些都是在获得相同的或更佳的蒸汽热压过程中不产生壳型挠曲和损坏的质量的情况下获得的。

根据本发明的一种实施例，将金属液在差压下反重力铸入薄壁壳型30（该壳型被约1800°F焙烧之后）中，如图4所示。具体地说，将薄壁壳型30支承在一盛放在真空箱70中的松散的耐火材料粒子介质60之中。该真空箱70具有底支承壁72、竖立的侧壁73和活动顶壁74，基间限定了一个真空室76。底支承壁72和竖立的侧壁73由金属之类的不透气材料制成，而活动顶壁74包括透气（有孔）板75，其上连接有真空罩77，在透气板75上方（外侧）形成一真空室78。该真空室78由管子82与真空泵80之类的真空源相连通。活动顶壁74带有与竖立侧壁73的内侧相贴合的周边密封圈84，使顶壁74在相对侧壁73移动时可保持二者之间的真空密封。

在将图4中所示的各零部件组装形成铸造设备100时，将陶瓷充填管90配置在真空箱70上以便通过冒口37和相应内浇口38对型腔36提供一个底金属液入口，当将壳型放置其上时，使该充填管与截锥形套环18密封连接。壳型顶上放置有耐火盖20，将冒口37顶端塞住。将松散的耐火粒状支承介质60（例如约60目的松散的铸造硅砂）放入真空室70中围绕着焙烧过的壳型30，同进使真空箱70振动帮助真空室76中的支承介质70在壳型30周围振实。然后将活动顶壁74置入真空箱70的上部敞开端，使周边密封件84与竖立侧壁73密封连接，并使透气板75的内侧朝向和接触支承介质60，如图4所示。

组装之后，将铸造设备100放置在待铸金属液104的供给源102（例如液池）上方。金属液104一般容纳在铸造罐106内。然后启动真空泵80，将真空罩77的真空室88抽真空再通过透气板75将真空室76抽真空。对真空室76抽真空，同样也通过透气薄壳壁对型腔36抽真空。真空度的选择，应该在将充填管90如图4所示那样没入金属液104中时足以将金属液104从液池102向上抽吸。

当真空室76、78抽真空时，顶壁74的位于周边密封件84外面的一侧受到大气（或环境）压力，而板75的内侧受到相对真空的作用。顶壁74两侧的压力差使顶壁74相对侧壁73向下移动，并使板75对支承介质60施加足够的压力，以便将支承介质60围绕壳型30挤压或加固，支承壳型抵抗铸造应力。这样，当型腔36被抽真空以将金属液从液池102向上抽时，板75同时施加一个压力，将支承介质围绕壳型30挤压，支承壳型抵抗应力。由板75施加的挤压支承介质60的压力大小，可以靠控制真空室76中建立的真空度来加以控制。

从图4中清楚可见，金属液104将通过充填管90和冒口37被向上抽吸，然后通过横向内浇口38进入型腔36。金属液104由此在型腔36中真空反重力铸出。

当真空室76、78建立起相对真空时，显然冒口37的上段将最接近室78中的最大真空度。此外，很清楚，支承介质60将起到降低壳型30外部靠近基底部的真空度的作用。其结果，根据US4，791，977的原理，由内静压力头和壳型30周围的外真空作用二者相结合引起的施加在壳型30底部上的应力被减小，这种应力的减小，和靠支承介质60支承壳型30一起，使得高温金属液104可在薄壳型30（壁厚不超过约0.12英寸）中反重力铸造，不会出现有害的壳壁移动和金属液的渗入壳壁中。

如果壳型30中存在有任何小孔口或类似的缺陷，周围的支承介质60还协助防止金属液104从缺陷处泄漏，防止对铸造设备的损坏，并使真空得以保持，直至铸件凝固。

一旦金属液104已在型腔36中凝固，将铸造设备100上移，将使充填管90离开金属液池。然后在拆卸站（未示）卸下真空箱70的顶壁74，以便将支承介质60和已充填金属的壳型30从真空室76中取出。冷却之后，支承介质60可以回收，重新使用于其它壳型30中。从真空室取出之后，充填金属的壳型30可冷却至室温。由于是薄壁，可容易地将壳型30从凝固的铸件上除去。例如，充填金属的壳型30的冷却常使壳型30简单地爆脱铸件，这是因为冷却时有热效应力施加在壳型上。通常来说，清除薄壳型30与清除过去使用的较厚壁壳型相比，只需要非常短的时间。

请参看图5，图中示出了本发明另一实施例的铸造设备100′。在图5中，与图4相似的零件用带撇号的相同标号来表示。图5中的铸造设备100′区别于图4中的铸造设备100在于它采用了一个环绕箱70′的环形真空罩110′，以及一个密封配置在箱70′的上敝开端上的柔性的不透气膜片112′（起活动箱顶壁的作用），用以当箱70′被抽真空时对支承介质60′施加压力。真空罩110′界定了一个环绕箱70′的真空室76′的环形真空室114′，并通过一个环形的透气（有孔）侧壁部分116′与真空室76′互相连通。

显然可见，当真空室114′被抽真空（通过管118′）时，真空室76′和壳型30′的型腔36′也被抽真空。

当真空室76′被抽真空，柔性的不透气膜片112′的外侧表面112a′受到大气压力，内侧表面112b′受到相对真空作用，导致膜片112′围绕薄壳型30′挤压松散的耐火粒状支承介质60′，当金属液被从下面的液池通过充填管90′和冒口37′向上压并通过内浇口38′进入型腔时，支承介质60′就按照上文就图4所述的方式支承薄壳型以抵抗应力。图5所示的实施例的其它方面的作用和优点，与上面对图4所示实施例所述的相同。

请参看图6，图中示出本发明又一个实施例的铸造设备100″，其中与图4相似的零件用带双撇号的相同标号表示。图6中所示实施例与图4中的实施例的区别在于它采用了一个或多个环形的可加压的气圈120″（图中只示出一个），配置在箱70″内的耐火粒状支承介质60″中与之接触，当反重力铸造型腔36″被抽真空时，气圈120″对支承介质施加压力，将支承介质围绕薄壳型30″挤压。箱70″具有非活动的顶壁74″，该顶壁74″包含一个由密封件84密闭在箱70″顶部上的透气板75″和一个与板75″连接的真空罩77″。真空罩77″中的真空室78″覆盖透气板75″的透气部分75a″，以便借助一个由管子82″与真空室78″相连通的真空泵装置80″，将箱70″的真空室76″抽真空。

在将顶壁74″密闭在箱70″上并将真空室76″和78″抽真空之后，将气圈120″由压缩空气之类的适当气源121″通过适当的供气管122″进行加压。气圈120″的加压对耐火粒状支承介质60″施加压力，使之围绕壳型30″挤压，按上文对其它实施例所述的相同方式将支承壳型以抵抗铸造应力。在其它方面，图6的实施例与图4和图5的前述实施例的作用相同。

虽然上文已根据本发明的若干具体实施例对本发明进行说明，但本发明并不局限于此，本发明只受到权利要求书所记载的范围的限制。