[发明专利]铸件单向凝固的方法和相关设备

说明书

相关申请的交叉引用

本发明是于2005年7月12号提交的美国申请11/179835的继续部分申请，该申请的全部内容在此引为参考。

技术领域

本发明涉及铸造方法，更具体的是，本发明提供了一种单向凝固铸件的设备和方法，以提供均匀的凝固速率，并因此提供了一种具有均匀的微观组织结构和较低内应力的铸锭。

背景技术

为了改进铸件性能，已经尝试了各种使铸模内的铸件定向凝固的方法。

目前的定向凝固方法的一个实例包括于1980年7月1日授予M.Ruhle的美国专利4210193，该专利公开了制造铝硅合金铸件的方法。熔融金属被注入底部由锡板制成的铸模中，水流施加到锡板的底部，穿过锡板插入铸件的热电偶用于监测铸件的温度，并因此适当地控制冷却流。当铸模底部的温度从575华氏度降低到475华氏度时停止冷却，直到来自于周围熔融金属的热量使得该区域的温度上升到540华氏度为止。当把铝硅合金从铸模中取出时，锡板已经成为了铸件的一部分。结果是使铸件的下部获得细小的晶粒结构，但该方法不能产生具有低应力的均匀的组织结构，并且如果锡板不构成最终铸件的一部分时，必须切除锡板，因此可能导致浪费。

1986年4月29日授予H.Kawai等人的美国专利4585047公开了一种用于冷却铸模内熔融金属的设备。该设备包括铸模内部的供冷却液流过的管子，管子设置在铸模的下部，这样就导致了从铸模底部到顶部的金属定向凝固。一旦铸件凝固，就从铸件上将多余部分切掉，然后将它们融化以与管子分离，以便管子能再使用。必须切掉包围在管子周围的那部分铸件导致增加了制造工序和浪费，此外，该设备不能在铸件内产生由定向凝固提供的均匀的组织结构或低应力。

1990年11月13日授予Eric L.Mawer的美国专利4969502公开了一种铸造金属的设备，该设备包括构造成用来往竖直的板上浇注熔融金属的伸长的浇注装置，因此耗散了流动的熔融金属的能量。可替代的是，一对伸长的浇注装置被用于相向地浇注熔融金属，这样相向流动的两种金属流的交互作用耗散了金属的能量，其结果是降低了铸模内的波动作用，因此冷却的铸件具有更均匀的厚度，但该设备不能在铸件中产生均匀的组织结构，也不能使铸件内的应力低。

1991年6月4日授予M.K.Aghajanian等人的美国专利5020583公开了金属基复合材料的定向凝固方法。该方法包括把金属锭放置在大量填充材料之上，然后熔化金属，使得金属渗透到填充材料中。可以用例如镁的渗透加强物来使金属合金化，并且可以在氮气环境下进行加热，从而进一步促进渗透。渗透后，所产生的金属基体被放置在热沉顶部上进行冷却，并在正冷却的金属基体周围放置绝热物，这样使熔融合金产生定向凝固。该专利不能控制凝固的速率，也不能在铸件内生成均匀的组织结构或低应力。

1991年12月24日授予A.Ohno的美国专利5074353公开了水平连铸金属的设备和方法。该系统包括连接到热铸模上的保温炉，其中热铸模的进口端具有开口部分。围绕热铸模侧壁和底部的加热元件将铸模至少加热到铸造金属的凝固温度。冷却喷流施加到热铸模的顶部。在上下夹辊之间的引锭件(dummy member)往复出入铸模的出口端，以当金属凝固时就把它拉出。由于需要将铸件从无用金属(dum mymetal)分离，该专利的方法可能导致浪费，此外，该设备不能在铸件内产生由定向凝固导致的均匀的组织结构或低应力。

因此，需要一种可提供相对均匀、可控的冷却速率的单向凝固铸件的改进的设备和方法，这种方法可以在铸件的晶体结构内产生更大的均匀度，并使铸件内应力更低，减少产生裂纹的倾向。

发明内容

本发明提供了一种通过以可控的凝固速率沿铸件厚度方向单向凝固铸件的方法形成的多层铸锭，该方法特别适用于铸造在2xxx系列的铝合金外覆有1xxx合金以及在3xxx合金外覆有4xxx合金的商业规格的铸锭。为了便于描述，这里所说的厚度指铸件最薄的尺寸。

根据本发明的铸模优选为基本水平定向，具有四个侧壁和可构造成选择性地允许或阻止冷却剂喷射效果的底部。一种底部构造是带有孔的基底，而孔的大小可使冷却剂进入，同时可阻止熔融金属离开，这种孔的直径优选至少为约1/64英寸，但是不超过约1英寸。另一种底部构造是具有实心部分和网状部分的输送带。其它的底部构造包括有在铸模底部的熔融金属的已凝固后可从铸模的其余部分移走的结构，而网、布或其它可渗透结构保留以支撑铸件。