用于形成低合金鋼鑄件的系統和方法
【技術領域】
[0001]本發明總體涉及鑄造，并且更具體地說，涉及具有碳含量在約0.1%至約0.4%范圍內的低合金鋼的消失模鑄造(lost foam casting)。
【背景技術】
[0002]一般來說，砂型鑄造需要用于鑄造復雜結構(如渦輪機外殼、渦輪增壓器、曲軸箱、鼓風機等)的多個砂芯。使用多個砂芯增加了材料和勞力成本，并且還可導致長的鑄造前置時間(lead time)。
[0003]消失模鑄造可用于解決與成本和前置時間有關的問題。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)內的支承介質，這在將熔融金屬澆注到模具中時會產生氣態產物或氣泡，從而將氣態產物截留在鑄件內。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，并且在鑄件內重新分布的截留氣體導致產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，使得型砂熔合至鑄件，從而產生型砂灼傷部分(sand burn)，這會使鑄件的表面劣化。從鑄件移除型砂灼傷部分的過程會進一步增加工藝成本。
[0005]因此，需要一種用于產生具有非常低的碳含量的低合金鋼的增強的鑄造工藝。
【發明內容】
[0006]根據一個示例性實施例，公開一種鑄造低合金鋼的方法。所述方法包括獲得具有設置有可滲透的耐熔涂層的泡沫模型的模具。泡沫模型設置在砂鑄模內，并且壓實型砂設置在泡沫模型與砂鑄模之間。所述方法進一步包括將包括具有碳含量在約0.1%至約0.4%范圍內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物穿過可滲透的耐熔涂層移除。所述方法進一步包括從模具移除低合金鋼鑄件。
[0007]根據另一個示例性實施例，公開一種模具。所述模具包括填充有壓實型砂的砂鑄模。此外，所述模具包括具有空腔的泡沫模型，所述泡沫模型設置在砂鑄模中，以使得壓實型砂設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范圍內的滲透率以及在約2000至約24000 μ m3范圍內的滲透量。所述壓實型砂具有在約100至約1000 μ m2范圍內的滲透率。所述泡沫模型具有在約13至約28kg/m3范圍內的體積密度以及在約13至約35kg/m 3范圍內的表面密度。
[0008]根據又一個示例性實施例，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置在砂鑄模內，并且將非粘合型砂(unbonded sand)填充在泡沫模型與砂鑄模之間。所述方法進一步包括壓實非粘合型砂以形成壓實型砂，以便產生模具。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，以便形成低合金鋼鑄件。所述方法進一步包括在鑄造期間使氣化產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說明后，將更好地理解本發明的實施例的這些和其他特征以及方面，在附圖中，相似的符號代表所有附圖中相似的部件，其中:
[0010]圖1是示出根據一個示例性實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圖1的示例性實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是使用常規鑄造工藝制造的合金鋼鑄件的透視圖；以及B是根據圖1和圖2的實施例制造的低合金鋼鑄件的透視圖。
【具體實施方式】
[0013]雖然本說明書僅說明和描述了實施例的某些特征，但所屬領域的技術人員將想到許多修改和變化。因此，應理解，所附權利要求書意圖涵蓋落在本發明的精神內的所有此類修改和變化。
[0014]本說明書所論述的實施例公開一種鑄造低合金鋼的方法。更具體地說，某些實施例公開獲得具有設置在壓實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以形成低合金鋼鑄件。所述方法進一步包括:從模具移除低合金鋼鑄件。
[0015]更具體地說，某些實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置在砂鑄模內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，所述方法包括壓實非粘合型砂以在模具內形成壓實型砂。
[0016]圖1是示出根據一個示例性實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:通過例如機械加工泡沫材料的實心塊來形成泡沫模型104。在一些其他實施例中，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范圍內的體積密度以及在約13至約50kg/m3范圍內的表面密度。泡沫模型104的體積密度可定義為多個粒子的質量/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的質量。具有在上述范圍內的體積密度的泡沫模型104實現尺寸完整性、可控制的熔融金屬的填充率以及氣化產物從泡沫模型104的移除。具有在上述范圍內的表面密度的泡沫模型104提供對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。在一個實施例中，形成泡沫模型104的過程可包括以下步驟:在低壓下，將泡沫材料的預膨脹珠粒注入到預熱模具(圖1中未示出)中。此外，預熱模具具有所述泡沫模型的形狀并且可由鋁材料等制成。所述過程可進一步包括向預熱模具內的預膨脹珠粒施加蒸汽，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。實施例中所示的泡沫模型104僅出于說明目的并且不應理解為限制本發明。
[0019]方法100進一步包括步驟106:在泡沫模型104中形成多個排氣口 108a。每個排氣口 108a在鑄造過程期間將氣化產物從泡沫模型104移除。方法100進一步包括步驟110:將可滲透的耐熔涂層112涂覆在泡沫模型104上。步驟110進一步包括以下步驟:制備具有預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包括無機粘合劑以及包括氧化銷和/或錯石的背面粘合材料(back bond material)。
[0020]在一個實施例中，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，之后進行干燥，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，以便防止對泡沫模型104的損壞。具有預定義流變性的可滲透的耐熔涂層材料114促進對泡沫模型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范圍內的滲透率以及在約2000至約24000 μ m3范圍內的滲透量。滲透率可定義為涂層112允許氣化產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，具有在上述范圍內的滲透量的可滲透的耐熔涂層112實現熔融金屬的可控填充率和氣化產物從泡沫模型104的移除。
[0022]方法100進一步包括步驟118:將泡沫模型104設置在砂鑄模120內并且將非粘合型砂122填充在泡沫模型104與砂鑄模120之間，以便形成模具124。在一些實施例中，砂鑄模120可包括夾在一起而形成模具124的兩個半部。泡沫模型104可通過多個支撐件126保持在砂鑄模120內，以便向泡沫模型104提供結構支撐和穩定性。此外，澆口杯128、澆道130和冒口 132聯接至泡沫模型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還包括多個排氣口 108b，所述多個排氣口 108b從泡沫模型104延伸穿過非粘合型砂122而到達周圍環境。多個排氣口 108b用于在鑄造過程期間從泡沫模型104移除氣化產物。在一個實施例中，多個排氣口 108b由陶瓷材料制成。在所示實施例中，多個排氣口 108b設置在泡沫模型104的下游，以便增強氣化產物的排出。
[0023]方法100進一步包括步驟134:壓實設置在泡沫模型104與砂鑄模120之間的非粘合型砂122以形成壓實型砂136。非粘合型砂122的壓實是使用壓實裝置138來執行。在一個實施例中，壓實裝置138向非粘合型砂122施加具有可變頻率和幅值的振動，以便形成壓實型砂136。在另一個實施例中，壓實裝置138向非粘合型砂122施加真空力，以便形成壓實型砂136。壓實型砂136具有在約100至約2000 μπι