電磁攪拌砂型鑄件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種用于電磁攪拌砂型鑄件的鑄造系統(tǒng)、鑄造模具和鑄造方法。在實施例中，所述鑄造模具包括模體，所述模體具有位于其中的空腔和將所述空腔與所述模體的外部流體連接的通道。所述通道允許將熔融金屬引導到所述空腔中。所述模體進一步包括嵌入在所述模體的上砂箱中的至少一個感應線圈；和嵌入在所述模體的下砂箱中的至少一個感應線圈。所述感應線圈配置用于產生電磁場，所述電磁場用于當熔融金屬鑄件在所述模具內凝固時攪拌所述熔融金屬鑄件。
【專利說明】電磁攪拌砂型鑄件
【技術領域】
[0001]本發(fā)明總體涉及金屬鑄件的電磁攪拌。更具體地，本發(fā)明涉及一種用于電磁攪拌砂型鑄件的鑄造系統(tǒng)、鑄造模具和鑄造方法。
【背景技術】
[0002]砂型鑄造是指使用使用砂作為模具材料的金屬鑄造過程。例如粘土或樹脂的粘結劑可與砂混合，并且可將所述混合物弄濕。這產生具有合適的強度和塑性以形成模具的骨料。砂材料圍繞一個模樣填充，并且隨后移除所述模樣，在模具中留下一個空腔。
[0003]在鑄造過程中，熔融金屬通過澆注系統(tǒng)注入模具空腔中，并且允許所述熔融金屬在模具中凝固。對于大型金屬鑄件，例如像風力渦輪機的重量可能在4，500kg至5，OOOkg以上(約10，000磅至11，000磅)的鋼部件，凝固過程可能花費幾天至一周或更長的時間。在鑄件冷卻之后，所述鑄件可從I吳具中振動出來。
[0004]與砂型鑄造相關聯(lián)的漫長的冷卻時間存在若干挑戰(zhàn)。鋼和其他合金鑄件在冷卻過程中可能由于不同的反應而容易產生元素偏析。冷卻花費的時間越長，即，循環(huán)時間越長，發(fā)生這種情況的風險就越大。元素偏析可在所得鑄件中產生削弱結構的缺陷。當原料金屬由于金屬冷卻并凝固而不可用于補償收縮時，也可發(fā)生收縮缺陷。這些缺陷可自然地聚集在鑄件的熱中心，從而可不成比例地削弱所得鑄件的那個區(qū)域。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的第一方面提供一種模具，所述模具包括其中具有空腔的模體；所述模體進一步包括:將所述空腔與所述模具的外部流體連接的通道，其中所述通道允許將熔融金屬引入所述空腔中；以及嵌入在所述模具的上砂箱(cope)或上型(top half)中的至少一個感應線圈和嵌入在所述模具的下砂箱或下型中的至少一個感應線圈。
[0006]本發(fā)明的第二方面提供一種鑄造系統(tǒng)，所述鑄造系統(tǒng)包括模體和引導到模具中的熔融金屬。所述模體可包括:在所述模體中的空腔；將所述空腔與所述模體的外部流體連接的通道；以及嵌入在所述模體的上砂箱中的至少一個流體冷卻感應線圈和嵌入在所述模體的下砂箱中的至少一個流體冷卻感應線圈。所述至少一個流體冷卻感應線圈可嵌入在模體的上砂箱中，并且所述至少一個流體冷卻感應線圈可嵌入在模體的下砂箱中，以便產生用于在熔融金屬凝固期間攪拌所述熔融金屬的電磁場。
[0007]本發(fā)明的第三方面提供一種方法，所述方法包括:制備用于鑄造的金屬，所述制備包括將金屬熔化；將熔融金屬引導到模體內的空腔中；以及使用至少一個感應線圈，在熔融金屬于模具中凝固期間將電磁場施加于所述熔融金屬。
[0008]閱讀以下詳細說明可清楚地了解本發(fā)明的這些和其他方面、優(yōu)勢和顯著特征，當與附圖結合閱讀時，以下說明用于公開本發(fā)明的實施例，在附圖中，類似的部分用類似的參考符號表不?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0009]圖1示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的電磁攪拌裝置的示意圖。
[0010]圖2示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的電磁攪拌裝置的三維視圖。
[0011]圖3示出描繪根據(jù)本發(fā)明的實施例的過程的流程圖。
【具體實施方式】
[0012]如上文所指出，本發(fā)明的各方面提供圖1至圖2中所示的一種用于生產金屬鑄件的鑄造系統(tǒng)和模具結構以及圖3中所示的一種鑄造方法。
[0013]參照圖1，鑄造系統(tǒng)100包括模體110。在實施例中，模體110可由型砂制成，且可包括用作粘結劑的樹脂。其他可能的粘結劑可包括粘土、油或硅酸鈉等等粘結劑。模體110包括設置在其中的空腔120，所述空腔120可采取規(guī)則或不規(guī)則的形狀，視所需鑄件的三維形狀而定。澆口(gating)或通道130將空腔120與模體110的外部140流體連接。通道130允許將熔融金屬125引導到空腔120中。金屬125可為任何金屬，并且可特定地為合金，例如像鋼、任何黑色金屬或任何有色導電金屬。
[0014]參照圖2,至少一個感應線圈150可嵌入在模體110的上砂箱155中，且至少一個感應線圈160可嵌入在模體110的下砂箱165中。每個感應線圈150、160均圍繞空腔120或其特征設置。所應用線圈150、160的數(shù)目可根據(jù)空腔120以及因此金屬125的特定幾何形狀而改變。例如，如果空腔120和金屬125具有需要特定性能的一個或多個特征，則感應線圈150、160可應用于每個特征。
[0015]感應線圈150、160進行流體冷卻。在一些實施例中，流體可為水。更確切地，在一些實施例中，可使用去離子水。在其他實施例中，感應線圈150和160為低頻感應線圈，在例如約20Hz至約IOkHz的頻率下操作。感應線圈150、160可進一步具有在約5mm與約30mm之間的截面直徑，并且可具有圓形或矩形的截面形狀。在其他實施例中，感應線圈150、160由銅制成，并且涂覆有陶瓷，以便提供改良的耐熱性。
[0016]返回參照圖1,感應線圈150、160可用于產生電磁場170,所述電磁場170在金屬125凝固時，攪拌空腔120中的金屬125。由電磁場170對金屬125的攪拌用于使鑄造結構均勻化，并且因此使得金屬125鑄件中偏析的劣化影響最小化。電磁攪拌將任何收縮缺陷情況進一步分散在整個金屬125鑄件上，而不是允許它們聚集在金屬125鑄件的熱中心。所得金屬125鑄件改進了對于殘余元素的承受極限。此外，由于提高的冷卻速率，金屬125鑄件可具有更精細的顆粒結構、減小的孔隙度百分比和改良的機械性能。更快的冷卻還減少循環(huán)時間，從而提高過程效率。
[0017]參照圖3，還提供一種鑄造方法。在步驟SI中，將金屬熔化并制備以用于鑄造。所制備的金屬可以是合金，例如像鋼。在步驟S2中，將熔融金屬引導到模具中的空腔中。在一個實施例中，模具可包括型砂。在步驟S3中，產生電磁場并且將所述電磁場施加于金屬，當所述金屬在模具中凝固時攪拌它。電磁場可通過至少一個感應線圈來產生。在一些實施例中,在模具的上砂箱和下砂箱中的每一個中均可存在至少一個感應線圈。在步驟S4中，金屬在相當一部分上是通過流體流過感應線圈來冷卻，所述感應線圈充當冷卻元件。流體可以是水，或更確切地，去離子水。在步驟S5中，可將金屬鑄件從模具中移除。
[0018]以這種方式，可生產電磁攪拌砂型鑄件。本說明書所使用的術語“第一”、“第二”等等不指示任何次序、數(shù)量或重要性，而是用來區(qū)分不同的元件，并且術語“一個”和“一種”在本說明書中不指示對數(shù)量的限制，而是指示存在至少一個所提及的項目。與數(shù)量結合使用的限定詞“約”包括所述的值，并且具有上下文所指示的意義(例如，包括與特定數(shù)量的測量相關聯(lián)的誤差度)。另外，本說明書所使用的后綴“(S) ”旨在包括其限定的術語的單數(shù)和復數(shù)，由此可以包括該術語的一者或多者(例如，金屬(metal (S))包括一種或多種金屬)。本說明書中所述的范圍包括范圍邊界，并且可獨立組合(例如，范圍“不超過約5，OOOkg,或更確切地，約4，500kg至約5，000kg”包括范圍“約4，500kg至約5，000kg”的端點以及所有中間值，等等)。
[0019]盡管本說明書中描述了多個實施例，但從說明書中應了解，所屬領域中的技術人員可以對其中的元件進行各種組合、變化或改進，這些組合、變化或改進在本發(fā)明的范圍內。此外，可在不脫離本發(fā)明的基本范圍的情況下做出許多修改，以使特殊情況或材料適用于本發(fā)明的教義。因此，意圖的是，本發(fā)明并不限于作為預期用于實施本發(fā)明的最佳模式來公開的特定實施例，相反本發(fā)明將包括落入所附權利要求書范圍內的所有實施例。
【權利要求】
1.一種模具，所述模具包括其中具有空腔的模體，所述模體進一步包括: 將所述空腔與所述模體的外部流體連接的通道，其中所述通道允許將熔融金屬引導到所述空腔中； 嵌入在所述模體的上砂箱中的至少一個感應線圈；以及 嵌入在所述模體的下砂箱中的至少一個感應線圈。
2.如權利要求1所述的模具，其中所述模體進一步包括型砂。
3.如權利要求1所述的模具，其中所述金屬進一步包括鋼、黑色金屬或有色導電金屬中的一種。
4.如權利要求1所述的模具，其中嵌入在所述模體的所述上砂箱中的所述至少一個感應線圈和嵌入在所述模體的所述下砂箱中的所述至少一個感應線圈進行流體冷卻。
5.如權利要求4所述的模具，其中所述冷卻流體進一步包括去離子水。
6.如權利要求1所述的模具，其中嵌入在所述模體的所述上砂箱中的所述至少一個感應線圈和嵌入在所述模體的所述下砂箱中的所述至少一個感應線圈進一步包括銅，其中所述銅涂覆有陶瓷。
7.如權利要求1所述的模具，其中嵌入在所述模體的所述上砂箱中的所述至少一個感應線圈和嵌入在所述模體的所述下砂箱中的所述至少一個感應線圈以約20Hz與約IOkHz之間的頻率工作。
8.如權利要求1所述的模具，其中嵌入在所述模體的所述上砂箱中的所述至少一個感應線圈和嵌入在所述模體的所述下砂箱中的所述至少一個感應線圈配置用于產生用于在所述熔融金屬凝固期間攪拌所述熔融金屬的電磁場。
9.如權利要求1所述的模具，其中嵌入在所述模體的所述上砂箱中的所述至少一個感應線圈和嵌入在所述模體的所述下砂箱中的所述至少一個感應線圈進一步包括圓形或矩形的截面形狀和約5mm至約30mm的截面直徑。
10.一種鑄造系統(tǒng)，所述鑄造系統(tǒng)包括: 模體，所述模體包括: 其中的空腔； 將所述空腔與所述模體的外部流體連接的通道，其中所述通道允許將熔融金屬引導到所述空腔中；以及 嵌入在所述模體的上砂箱中的至少一個流體冷卻感應線圈和嵌入在所述模體的下砂箱中的至少一個流體冷卻感應線圈， 其中嵌入在所述模體的上砂箱中的所述至少一個流體冷卻感應線圈和嵌入在所述模體的下砂箱中的所述至少一個流體冷卻感應線圈配置用于產生用于在所述熔融金屬凝固期間攪拌所述熔融金屬的電磁場。
11.如權利要求10所述的鑄造系統(tǒng)，其中所述模體進一步包括型砂。
12.如權利要求10所述的鑄造系統(tǒng)，其中所述金屬進一步包括鋼、黑色金屬或有色導電金屬中的一種。
13.如權利要求10所述的鑄造系統(tǒng)，其中嵌入在所述模體的所述上砂箱中的所述至少一個感應線圈和嵌入在所述模體的所述下砂箱中的所述至少一個感應線圈進一步包括銅，其中所述銅涂覆有陶瓷。
14.如權利要求10所述的鑄造系統(tǒng)，其中所述冷卻流體進一步包括去離子水。
15.如權利要求10所述的鑄造系統(tǒng)，其中嵌入在所述模體的所述上砂箱中的所述至少一個感應線圈和嵌入在所述模體的所述下砂箱中的所述至少一個感應線圈以約20Hz與約IOkHz之間的頻率工作。
16.如權利要求10所述的鑄造系統(tǒng)，其中嵌入在所述模體的所述上砂箱中的所述至少一個感應線圈和嵌入在所述模體的所述下砂箱中的所述至少一個感應線圈進一步包括圓形或矩形的截面形狀和約5mm至約30mm的截面直徑。
17.—種方法,所述方法包括: 將金屬熔化用于鑄造； 將所述熔融金屬引導到模體中的空腔中；以及 使用至少一個感應線圈，以在對所述模體中的所述熔融金屬進行凝固期間將電磁場施加于所述熔融金屬。
18.如權利要求17所述的方法，所述方法進一步包括冷卻所述熔融金屬，其中所述冷卻包括使流體流過所述至少一個感應線圈，并且其中所述冷卻流體進一步包括去離子水。
19.如權利要求17所述的方法，其中所述熔融金屬進一步包括鋼、黑色金屬或有色導電金屬中的一種。
20.如權利要求17所述的方法，其中所述模體進一步包括型砂。
【文檔編號】B22D27/02GK103930224SQ201280055290
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2012年11月9日 優(yōu)先權日:2011年11月10日
【發(fā)明者】樸埈永, J.R.帕羅利尼, J.C.謝菲爾 申請人:通用電氣公司