自由鑄造方法、自由鑄造裝置和鑄件的制作方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】自由鑄造方法、自由鑄造裝置和鑄件
[0001]本申請(qǐng)是申請(qǐng)日為2011年9月12日、申請(qǐng)?zhí)枮?01180044654.9、發(fā)明創(chuàng)造名稱(chēng)為“自由鑄造方法、自由鑄造裝置和鑄件”的中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及一種能夠不使用傳統(tǒng)上被認(rèn)為對(duì)于鑄造而言不可或缺的鑄模而獲得鑄件的突破性鑄造方法(在下文中稱(chēng)為“自由鑄造方法”)，和適合用于所述方法的自由鑄造裝置，以及通過(guò)所述方法和所述裝置獲得的鑄件。
【背景技術(shù)】
[0003]以復(fù)雜的形狀成形的金屬制品常常通過(guò)鑄造來(lái)生產(chǎn)。鑄造是一種使具有流動(dòng)性的金屬(熔融金屬)以期望形狀凝固以獲得目標(biāo)鑄件的制造工藝。技術(shù)常識(shí)長(zhǎng)期以來(lái)認(rèn)為具有適合于目標(biāo)鑄件期望形狀的型腔的鑄模是鑄造所不可或缺的裝置。因此，傳統(tǒng)上采用的鑄造方法常常導(dǎo)致因使用鑄模而引起的各種問(wèn)題。所述問(wèn)題例如為鑄造缺陷(凝固裂紋、縮松、氣孔等)、凝固組織的不均勻、材料產(chǎn)率的下降、環(huán)境負(fù)擔(dān)等。已提出多種技術(shù)提案從微觀視角來(lái)解決各種常規(guī)問(wèn)題。
[0004]除這些技術(shù)提案外，還公開(kāi)了一些技術(shù)方案，它們以與使用鑄模的常規(guī)鑄造方法不同的方式解決所述問(wèn)題。以下列舉了記載這類(lèi)鑄造技術(shù)的示例的專(zhuān)利文獻(xiàn)。
[0005]引用列表
[0006]專(zhuān)利文獻(xiàn)
[0007]專(zhuān)利文獻(xiàn)1:日本特開(kāi)專(zhuān)利申請(qǐng)公報(bào)N0.63-199050
[0008]專(zhuān)利文獻(xiàn)2:日本特開(kāi)專(zhuān)利申請(qǐng)公報(bào)N0.2-205232
[0009]專(zhuān)利文獻(xiàn)3:日本特開(kāi)專(zhuān)利申請(qǐng)公報(bào)N0.2-251341
[0010]專(zhuān)利文獻(xiàn)4:日本特開(kāi)專(zhuān)利申請(qǐng)公報(bào)N0.9-248657

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]技術(shù)問(wèn)題
[0012]但是，專(zhuān)利文獻(xiàn)I中公開(kāi)的方法僅能獲得具有簡(jiǎn)單的柱狀和棒狀形狀的金屬材料，從而無(wú)法完成在形狀方面要求高自由度的鑄造。
[0013]專(zhuān)利文獻(xiàn)2至4中公開(kāi)的方法也具有熔融金屬的出口在結(jié)構(gòu)上受到模具和設(shè)置在熔融金屬在其供給源側(cè)的液面上的分隔部件約束的技術(shù)缺點(diǎn)。因此，這些方法同樣無(wú)法完成這種在形狀方面要求高自由度的鑄造，從而實(shí)際上無(wú)法獲得具有平滑地彎曲的表面或形狀的鑄件。顯然，在這些方法中，氧化物等可能粘附到模具和設(shè)置在熔融金屬的液面上的分隔部件上，從而無(wú)法可靠地獲得具有期望形狀和品質(zhì)的鑄件。
[0014]本發(fā)明考慮到上述情況而作出。本發(fā)明的目的是提供一種突破性的鑄造方法，其能夠通過(guò)根本解決常規(guī)鑄造技術(shù)中所包含的各種技術(shù)問(wèn)題而容易地獲得具有復(fù)雜形狀的鑄件。本發(fā)明還提供一種適合用于所述鑄造方法的裝置，和通過(guò)所述鑄造方法獲得的鑄件。
[0015]解決問(wèn)題的方案
[0016]本發(fā)明的發(fā)明人致力于解決所述問(wèn)題，并通過(guò)試錯(cuò)研宄和實(shí)驗(yàn)最終發(fā)現(xiàn)了能不使用鑄模而使熔融金屬凝固成期望形狀以獲得目標(biāo)鑄件的鑄造方法。發(fā)明人繼續(xù)開(kāi)發(fā)該成果以進(jìn)一步擴(kuò)展其技術(shù)范圍，并最終完成了下述本發(fā)明。
[0017]〈自由鑄造方法〉
[0018](I)根據(jù)本發(fā)明的自由鑄造方法是一種能不使用鑄模而獲得鑄件的鑄造方法，其包括:導(dǎo)出工序，該導(dǎo)出工序用于從熔融金屬的液面導(dǎo)出熔融金屬以通過(guò)在外表面上產(chǎn)生的表面膜或表面張力來(lái)暫時(shí)保持熔融金屬自身，其中熔融金屬經(jīng)所述液面被供給至被保持的熔融金屬；和成形工序，該成形工序用于通過(guò)使根據(jù)期望的鑄件形狀沿設(shè)定路徑導(dǎo)出的被保持的熔融金屬凝固來(lái)獲得成形體，其中，在所述成形工序中被保持的熔融金屬在成形為期望形狀之后凝固，而被保持的熔融金屬是通過(guò)在其位于熔融金屬的液面附近的不受約束的根部和一凝固界面之間的位置向其施加外力而成形為期望形狀的，所述凝固界面被限定為被保持的熔融金屬和所述成形體之間的交界。
[0019](2)根據(jù)本發(fā)明的自由鑄造方法能解決使用鑄模的常規(guī)鑄造方法會(huì)不可避免地產(chǎn)生的常規(guī)技術(shù)問(wèn)題。本發(fā)明能免去任何鑄模，這使得能在熔融金屬在凝固時(shí)始終被供給的同時(shí)生產(chǎn)鑄件，由此防止模具中通常出現(xiàn)的鑄造缺陷(例如，凝固裂紋、縮松、夾雜(氣孔))。由于該技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，所述方法能用于鑄造在采用常規(guī)方法時(shí)易于產(chǎn)生凝固裂紋等的合金(例如，Jis 6000系列鍛鋁合金等)，并能容易地獲得由所述合金制成的復(fù)雜形狀的鑄件。因而，根據(jù)本發(fā)明的自由鑄造方法可供更寬泛地選擇用于獲得鑄件的合金。
[0020]此外，根據(jù)本發(fā)明的方法能免去任何鑄模來(lái)獲得鑄件，由此顯著提高鑄件形狀方面的自由度。因此，通過(guò)該方法能成本低地生產(chǎn)此類(lèi)通常難以獲得的鑄件。例如，通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的自由鑄造方法，能容易地生產(chǎn)難以獲得的底切(下部凹陷，undercut)形的鑄件和長(zhǎng)形的鑄件。根據(jù)本發(fā)明的自由鑄造方法使得不必根據(jù)鑄件或鑄模的類(lèi)型來(lái)準(zhǔn)備待使用的任何特別的生產(chǎn)設(shè)備或生產(chǎn)工序。這有利地導(dǎo)致制造成本的降低、制造靈活性的提高(例如實(shí)現(xiàn)各種產(chǎn)品的小批量生產(chǎn))、生產(chǎn)設(shè)備的小型化、廠內(nèi)環(huán)境的改善等。
[0021]由于在根據(jù)本發(fā)明的自由鑄造方法中模具型腔的表面不影響熔融金屬的凝固，因而容易控制冷卻速度和凝固方向，并由此獲得具有良好受控的凝固組織的高品質(zhì)鑄件。
[0022]此外，根據(jù)本發(fā)明的自由鑄造方法能顯著地減少用于除產(chǎn)品本身以外的部分的熔融金屬的量，由此實(shí)現(xiàn)材料產(chǎn)率的顯著提高和回爐廢料的大幅減少。根據(jù)本發(fā)明的自由鑄造方法通過(guò)根據(jù)需求一點(diǎn)一點(diǎn)地熔化原料而不必在鑄造大型產(chǎn)品之前熔化和保持大量的熔融金屬。因而，該方法能減少金屬材料的用量并且也節(jié)省了鑄造所需的能量。因此，根據(jù)本發(fā)明的自由鑄造方法能對(duì)資源節(jié)省、節(jié)能和抑制環(huán)境負(fù)擔(dān)(例如，CO2排放量的減少)作出很大貢獻(xiàn)。
[0023](3)如到現(xiàn)在為止所述，本發(fā)明提供了一種根本解決常規(guī)鑄造方法所產(chǎn)生的各種技術(shù)問(wèn)題的優(yōu)良鑄造方法。盡管尚未精確地確定根據(jù)本發(fā)明的鑄造方法的確切機(jī)理的細(xì)節(jié)，但我們目前考慮如下所述的機(jī)理。
[0024]熔融金屬處于液態(tài)或固液共存狀態(tài)，因此具有流動(dòng)性。因此，熔融金屬不具有任何特定形狀，除非其形狀由鑄模等(模具型腔的表面)限定，這意味著熔融金屬通常未被維持(保持)為任何特定形狀。
[0025]但是，當(dāng)使固體(誘導(dǎo)體)與熔融金屬的表面接觸并被緩慢地向上提升時(shí)，在不使用鑄模等的情況下呈特定形狀的熔融金屬被靠著向上提升約數(shù)十毫米。因此認(rèn)為熔融金屬至少由在上升的熔融金屬的表面上產(chǎn)生的表面膜(例如，氧化膜)或表面張力保持。
[0026]如此被保持的熔融金屬(被保持的熔融金屬)并未凝固；因此，其形狀是暫時(shí)的或過(guò)渡的。因此，被保持的熔融金屬能具有其根據(jù)熔融金屬被引導(dǎo)的方向或路徑或者從外部向其施加的外力等以各種方式改變的形狀。當(dāng)被保持的熔融金屬如此針對(duì)期望的鑄件適當(dāng)?shù)爻尚吻胰缓罄鋮s而凝固時(shí)，即使不使用鑄模也能獲得具有期望形狀的鑄件。由于被保持的熔融金屬的在熔融金屬的液面附近的根部不受約束，因此被保持的熔融金屬的形狀具有非常高的自由度。因此，鑄件能容易地成形為復(fù)雜的形狀。根據(jù)本發(fā)明的自由鑄造方法能有效地獲得形狀復(fù)雜的鑄件而不產(chǎn)生鑄造缺陷。
[0027]存在用于冷卻被保持的熔融金屬而使其凝固的不同方法，其示例為:通過(guò)直接向被保持的熔融金屬吹送冷卻劑氣體來(lái)使其冷卻的方法，和通過(guò)使用金屬誘導(dǎo)體或熔融金屬的已經(jīng)凝固的部分來(lái)間接冷卻被保持的熔融金屬的方法?？墒褂盟隼鋮s方法中的一種，或者所述方法中的一些可并用。
[0028]當(dāng)通過(guò)使用已經(jīng)凝固的部分來(lái)間接冷卻被保持的熔融金屬時(shí)，能從已經(jīng)凝固的部分向未凝固的部分定向應(yīng)用所述冷卻方法。這有助于獲得避免了諸如縮松等鑄造缺陷的好品質(zhì)鑄件。此外，根據(jù)本發(fā)明的自由鑄造方法能容易地獲得通過(guò)使用鑄模的常規(guī)鑄造方法難以獲得的具有定向凝固組織的高品質(zhì)鑄件。
[0029]根據(jù)熔融金屬不在鑄模中冷卻的自由鑄造方法，防止了出現(xiàn)在常規(guī)鑄造方法中可能由于鑄模對(duì)熱構(gòu)造的約束而產(chǎn)生的凝固裂紋。由于該技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，在該方法中能獲得由在常規(guī)鑄造方法中易于產(chǎn)生凝固裂紋的諸如6000系列(JIS)鍛鋁合金等的合金制成的鑄件。
[0030]<自由鑄造裝置>
[0031]本發(fā)明不僅適用于到現(xiàn)在為止描述的自由鑄造方法，而且適用于適合用于該方法的自由鑄造裝置。根據(jù)本發(fā)明的自由鑄造裝置包括容納熔融金屬的坩禍，和形狀提供部件，其構(gòu)造成向從容納在坩禍中的熔融金屬的液面導(dǎo)出并由在外表面上產(chǎn)生的表面膜或表面張力暫時(shí)保持的被保持的熔融金屬施加外力，以使被保持的熔融金屬成形(具有一形狀)。具有這樣的結(jié)構(gòu)特征的鑄造裝置