CN109195728A - 壳型铸造金属合金的方法和装置 - Google Patents

Abstract

使用铸模在腔体中壳型铸造金属的方法，包括：a.模具（210，220），模具包括支承模制表面（211，221）单元（311）使模制表面限定模腔；b.模具中电感器（341，441）在该单元（311）管道（340）中延伸放置；c.发电机，用于向电感器（341，441）提供高频电流以加热管道（340）壁；d.电感器（341，41）位于模制表面距离d处使热穿过单元（311）使模制表面温度均匀分布。该方法包括：i.填充步骤（110），在电感器（341）中流通电流预热腔体至预热温度T1（105）；ii.凝固步骤；iii.铸模打开（120）和弹出（130）步骤；v.模制表面喷涂步骤（140）；vi.关闭铸模加热（150）腔体至预热温度T1（105）；其特征在于在步骤iii）之后和步骤v）之前包括：iv.通过感应加热腔体模制表面并在步骤v）期间继续加热。

Description

壳型铸造金属合金的方法和装置

本发明涉及一种在压力下壳型铸造金属合金的方法和装置，英语中通常称为“压铸（die casting）”。本发明更具体地涉及但不限于基于镁或铝的轻合金的液相铸造或触变铸造领域。触变铸造就是在压力下以半固态铸造金属，半固态即处于在液相和固相共存的铸造温度下。

金属合金的压力壳型铸造使得可以直接在铸造中获得成品部件并且被用于例如支架或壳体的大批量生产，特别是智能手机、平板电脑、相机，以及承受高压力的部件，特别是在汽车行业，如燃油喷射架或液压分配器，这些例子并非限制性的。通常，通过此方法生产的部件具有复杂的形状，结合了厚度变化很大和厚度很薄的区域。这些部件必须遵守外观和精度的严格限制来实现，同时保持与大规模生产兼容的生产率。根据此方法，使构成所生产部件的材料达到合适的温度，然后在压力下将该材料注入耐铸造温度和包含两个或更多个金属壳的铸模的腔体中。将铸模预热至低于注入材料温度的温度，使得所述材料与铸模的壁接触时冷却。该部件在铸模中冷却至脱模温度，脱模温度即铸模打开和固化的部件从模具中排出温度的。在制造一个新部件之前，铸模打开，向构成所述铸模腔体的表面喷涂脱模剂，通常是含水产品，确保所铸造的部件不附着或粘合于铸模的壁。然后关闭铸模并再次开始循环。作为一个实施例，金属在550°C至650°C的温度下注入，具体取决于材料的差异和铸造类型：液相或触变铸造，同时铸模预热至300°C的温度。图1，相对与现有技术图1A，一个对应于上述方法的热循环实例，示出了一个铸模模腔的表面温度（102）随时间（101）的变化，此变化通过在限定铸模模腔的其中一个表面上安装的温度传感器得到，或通过在所述表面的红外热成像装置得到，所述铸模由DIN 1.2343（AISI H11，EN X38CrMoV5-1）类型的工具钢组成，用于模制一块精细的镁合金，压印的投影面积为200 x 300mm²。根据该现有技术，借助于在铸模中为此目的而安装的导管中的油循环来预热铸模。在铸造的填充（110）步骤期间，将金属注入铸模中。将所述铸模预热至标称的预热温度（105），通常为铸造温度的1/3至1/2并以℃为单位，使得所述金属与铸模的壁接触时固化。在脱模的铸模打开（120）步骤期间，铸模被打开，并在工件弹出（130）步骤期间从铸模中取出工件。在所述步骤中，腔体的温度保持接近预热温度。在喷涂步骤（140）期间，将脱模剂喷涂到模腔的表面。然后关闭铸模并在加热步骤（150）期间使用温度控制装置使铸模达到标称的预热温度（105），继续加热步骤直到重新启动循环。喷涂步骤（140）显着降低了模腔表面的温度，使得在保证目标生产率的同时，通过用于加热铸模的常规装置，特别是通过油循环，不能达到适和的标称预热温度（105）。

实际上，在通过油循环进行加热的情况下，从油传递到铸模的热能是铸模和油之间的温度差的函数，因此铸模的温度和油的温度越接近，这种热传递的效率就越低。由于油以等于或略高于标称预热温度的温度循环，因此再次达到该温度的时间受到油和铸模之间热交换的限制，实现此热交换的时间长度与目标生产率不兼容。

因此，在图1B中，在预热步骤之后模腔表面达到的温度随着循环的次数增加而减小。例如，如果循环油的温度为250°C，目标的标称预热温度为230°C，在第10次循环期间的有效预热温度（106）仅为195°C，在第14次循环期间仅为185°C。例如，该循环以分钟作为量级，喷涂（130）步骤的持续时间为8秒，铸模关闭的时间为10秒。这些持续时间根据铸造材料、部件的体积和复杂性以及实施装置而变化。对应于这些时间的节奏不允许通过油循环的热交换来重新升高铸模的温度。事实上，在该时间内，目标预热温度的重新上升涉及几十千瓦的热传递功率，此热传递功率无法通过油循环交换达到，特别是当加热油和铸模之间的温度差降低时。通过与加热电阻器的热传递也无法在模制表面上实现如此大的加热功率。

因此，根据这些相同的措施，在（150）步骤期间模制表面的最大加热速度随着油和模具之间的温度差减小而降低，在最后几十度的预热中以每分钟几度的速度下降。

由于模腔的模制表面的温度更低，金属与其接触时冷却得更快并且固化更快，这导致所生产部件的质量缺陷，尤其是外观缺陷或缺乏材料，特别是在薄的区域。

文件US 2016/101460公开了一种铸造方法，其包括对铸模的两个部分界定的模腔的模制表面的喷涂脱模剂的步骤。在该喷涂步骤中，为了避免模制表面上的热冲击和开裂的风险，由于喷涂脱模剂所施加的高冷却速度，该文件主张通过铸模中的流体循环装置预冷却所述表面。

文件US2016 / 101551公开了一种自加热和自冷却铸模，通过在铸模的管道中延伸的电感器装置来实现感应加热。该文件没有描述模制表面的任何喷涂操作，也没有描述在喷涂期间这些表面的冷却控制。

发明内容

本发明的目的是弥补现有技术的缺点，为此目的涉及一种使用铸模在模腔中壳型铸造金属的方法，包括：

a.两个模具（210，220），每个所述模具包括支承模制表面（211，221）的单元（311），使得所述模制表面限定一个模腔；

b.在至少一个所述模具中的电感器（341，441），电感器在支承所述模制表面的单元（311）的管道（340）中延伸放置；

c.一个发电机，用于向电感器（341，441）提供高频电流，以加热管道（340）的壁；

d.电感器（341，41 ）位于离所述模制表面距离d处，使得热传导穿过单元（311）的厚度，从包括电感器的管道（340）的壁传到所述模制表面，导致模制表面温度均匀分布；

该方法包括以下步骤：

i.填充步骤（110）：通过将金属注入腔体来填充（110）所述模腔，通过在电感器（341）中流通高频电流预热腔体至标称的预热温度T1（105）；

ii. 凝固步骤：模腔内金属凝固；

iii.打开（120）和弹出（130）步骤：所述铸模和弹出工件；

v.喷涂步骤（140）：铸模打开时，通过脱模剂喷涂（140）模腔的模制表面；

vi.关闭和加热步骤（150）：关闭铸模并加热（150）所述腔体至预热温度T1（105）；

其特征在于，在打开步骤iii）之后和在喷涂步骤v）之前，包括下述步骤：

iv.当所述工件不再与所述表面接触时，通过感应加热所述腔体的模制表面，并在喷涂步骤v）期间继续此加热。

因此，感应加热装置和在喷涂之前和喷涂期间预先启动加热的结合使得至少可以部分补偿由于喷涂腔体表面而导致的温度损失。与需要整体加热铸模的现有加热技术装置不同，感应加热将其效果集中在模制表面上，因此允许在非常短的时间内均匀地加热该模制表面，而模具打开，在所述表面上给予几十千瓦的加热功率，而不影响所述表面的温度对加热效率的影响。因此，恢复腔体表面适合的预热温度所需的时间减少，并且初始铸造条件从一个循环到另一个循环保持不变，且生产率不受干扰和不下降。

本发明根据以下描述的实施例和变型例有利地进行实施，这些实施例和变型例将被单独考虑或根据所有技术上可行的组合来考虑。

根据本发明主题方法的一个实施例，其在步骤i）和步骤ii）之间包括强制冷却模腔。因此，该实施例使得可以在高的预热温度填充腔体，并确保材料的流动性和均匀填充，同时控制材料的冷却循环并限制冷却循环时间对循环时间的影响。

根据一个实施例，通过在铸模中安装的通道中循环载热流体来实现强制冷却。

有利地，温度T1处于200℃和400℃之间，优选在250℃和300℃之间。这些预热温度在目标循环时间内通过加热系统油循环或通过电阻达到，特别适用于镁合金、铝合金或锌合金的实施，这些实施例并非限制性的，高的预热温度也对部件的机械和冶金特性产生有益影响，特别是通过获得更细的晶粒或不产生孔隙。

有利地，步骤vi）期间的加热速度大于2℃.s^-1，优选约为5℃.s ^-1。集中在模腔的壁上的加热行为使得可以实现此加热速度，同时减少能量消耗并且与铸模的表面无关。

有利地，在步骤iv）期间和步骤v）之前模制表面达到的温度大于T1。而当部件不再与所述模制表面接触时，这种模制表面的过加热控制使得可以限制在喷涂期间达到的最低温度。因此，步骤v）期间重新加热更快。

有利地，模腔的温度保持在200℃至400℃之间，本发明方法所使用的金属合金是AM20、AM50、AM60或AZ91D型镁合金。因此，作为本发明主题方法使得可以铸造与大规模生产相容的循环时间条件下难以铸造的这些材料。

有利地，金属合金是包含小于2％硅的铝硅合金，例如Al-Mg-Si-Mn型合金。这种类型的铝合金是可阳极氧化的，具有比常规Al-Si合金铸造更高的起始凝固温度，这导致更好的机械特性和温度稳定性的增加，但损害铸造的方便性。本发明主题方法使得可以在大规模生产条件下，以可重复生产的方式实施该种材料。

作为本发明主题的方法也适用于Zamac型锌合金的壳型铸造，在热室中在压力下注入铸造以实现部件的大规模生产。

作为本发明主题的方法适用于在步骤i）期间以液相注入来铸造金属合金。它也适用于在步骤i）期间以半固相注入来铸造这些合金。

有利地，支承模制表面的元件由HTCS 130型钢制成。此种钢的高导热率和高散热率使得模制表面的温度控制的更加有效。

根据本发明主题工具的一个衍生实施例，支承模制表面的元件由非铁磁材料制成，其中包括电感器的所述管道涂有高磁导率材料层。此实施例更适合于高熔点材料的壳型铸造，或者能够在铸造温度下与有色金属发生化学反应。

附图说明

下面根据优选实施例解释本发明，但决不是限制性的，并且参考图1至5，其中：

- 图1：相对于现有技术，根据时间-温度图指出通过油循环预热的加压铸造铸模的模腔表面温度的变化，图1A为在一个模铸循环过程中加压铸造铸模的模腔表面温度的变化，图1B在多个铸循环过程中加压模铸模具的模腔表面温度的变化；

-图2：模具的剖面示意图，该模具限定了适于注入铸造金属材料的工具的模腔；

- 图3：以剖面图示出了根据本发明的工具的其中一个模具的实施例，其适于金属材料的注入铸造；

- 图4：以详细视图示出了如图3所示的由非铁磁材料制成的模具中电感器安装的示例性实施例；

- 图5：示出了与图1A所示的热循环相比，通过实施本发明的工具和方法，加压壳型铸造的铸模的模制表面的一个热循环。

具体实施方式

参照图2，根据本发明主题工具实施例的示意图，其包括两个模具（210，220）和用于将所述模具彼此靠近或分离的装置（图中未示出），以便关闭和打开铸模。当铸模关闭时，形成模腔，腔体由所述模具的模制表面（211，221）限定。

这里仅描述了对于实施本发明必不可少的工具的元件，工具的其他特征对于压力壳型铸造领域的技术人员来说是已知的。因此，本发明主题工具的模具尤其包括铸造材料在工具模腔中的供应通道以及在模制部件凝固之后排出模制部件的装置。

参照图3，根据本发明主题工具的示例性实施例，模具之一（210）、优选两个模具，包括感应加热装置，感应加热装置包括多个管道（340），所述管道中装有实现感应电路的电感器。所述电感器（341）例如由铜管或铜电缆构成，通过陶瓷管（342）将模具的壁绝缘，例如二氧化硅护套，其对所述电感器产生的磁场没有隔阻。铜电缆的电感器优选用于跟踪具有小曲率半径的蜿蜒路径。特别地，通过热模拟确定电感器的安装路径，从而模制表面上获得均匀分布的温度，同时确保所述模制表面的加热时间尽可能短。

有利地，模具（210）由两部分（311，312）制成。因此，用于电感器通过的管道（340）通过在所述两部分组装之前，对所述两部分进行开槽制成。

用于冷却的一个或多个通道（350）通过钻孔、或通过开槽和组装的方式被置于模具（210）中，作为用于接收电感器的管道。该通道（350）允许通过适当的方式在所述模具中循环载热流体以确保其冷却。所述载热流体以显着低于温度T1的温度下在所述通道中循环，以确保快速冷却。根据衍生实施例，例如如果所述流体是油，则载热流体以液相的形式循环；或者如果所述流体是空气或另一种传热气体，则以气相的形式循环。有利地，冷却电路包括制冷组（图中未示出），用于将载热流体冷却至低于室温的温度。载热流体的循环使得模具（210）和特别是模制表面（211）得以冷却。根据衍生实施例，用于冷却的通道（350）被置于电感器的同一平面上，并处于电感器距离模制表面的相同距离的位置，或所述用于冷却的通道（350）被置于比电感器距离模制表面更远的位置，该电感器包含在用于冷却的通道和模制表面之间，该实施例相较于冷却速度而言更有利于加热速度，或者，用于冷却的通道置于模制表面和电感器之间，该实施方案更有利于冷却速率。载热流体循环和感应加热可以一起用于控制温度或控制冷却速度。一个温度传感器（360），例如热电偶，有利地放置在模制表面（211）附近以测量其温度，并且如果需要，可用于控制加热和冷却条件。使用油作为用于冷却的载热流体使得可以在实施铝、镁或锌轻合金的压力壳型铸造的条件下确保铸模的冷却，气相冷却对于铜、钛或镍合金遇到的较高实施温度时是有利的。

包括模制表面（211）的元件（31 1）材料是足够厚的，使得所述管道（340），其中电感器（341）被放置在离所述模制表面距离为d的位置，以至少部分地通过由所述管道（340）壁的温度升高产生的热传导来加热，这种温度升高是由于在电感器（341）中高频电流的流动引起的。因此，由实施感应加热产生在所述模制表面上的温度分布是均匀的。距离d例如通过材料的性质，根据加热的数值模拟确定。虽然接收所述电感器（341）的管道（340）网络在这里被示为在一个平面中延伸，根据预期的应用，其有利地分布在模制表面周围，围绕元件（311）的厚度（311）分布。

支承模制表面（211）的元件（311）由金属材料制成，以具备实施本发明主题方法的加热和冷却阶段需要的足够热导率和热扩散系数。有利地，所述材料是铁磁性的，例如马氏体刚 - 铁素体马氏体，其居里温度是等于或高于铸造方法的目标预热温度。例如，对于轻合金压力壳型铸造，支承模制表面的元件（311）由DIN 1.2344（AISI H13，IN X40CrMoV5-1）或DIN1.12343（AISI H1 1，EN X38CrMoV5-1）类型钢组成。有利地，所述元件由文件EP 2，236，639中描述的工具钢组成，并且由公司Rolvala SA，08228 Terrassa，Espagne以商品名HTCS 130®商业分发。该种钢具有高导热性和高热扩散性，可缩短循环时间。

电感器（341）通过适于调谐所得谐振电路的装置（图中未示出）连接到高频电流发生器，通常是10kHz和200kHz之间的频率，和包括但不限于如文件WO2013 / 021055中所述的电容器盒和阻抗匹配线圈。高频电流发生器和谐振电路的调谐装置的选择，是以便提供大约100kW的模制表面（211）的感应加热功率。根据衍生实施例，特别是根据铸模的尺寸，构成铸模两个模具连接到相同的一个高频电流发生器或两个不同的高频电流发生器。

图4，根据另一个实施例，构成支承模制表面的元件（311）的材料不是铁磁性的。在这种情况下，根据示例性实施例，所述管道包括电感器（441），管道涂有高磁导率材料层（443），并且有利地保持其铁磁性质直到高温，例如700℃。因此，由电感器（441）产生的磁场集中在高磁导率材料层（443）中，高磁导率材料层（443）的温度迅速上升并通过传导将该温度传递给模具。热量通过热传导传递到模制表面，由于电感器的合理布置使得如前所述，可以确保在该模制表面上的温度均匀。根据该实施例的衍生实施例，支承模制表面的元件（311）由铜、奥氏体不锈钢或耐高温INCONEL类型718的镍基合金制成，这些实施例并非限制性的。

当该元件（311）由铁磁钢构成时，电感器的加热行为在模制表面的直接感应加热和来自包括电感器的通道（340）的壁的热传导之间分配。这两种加热模式之间的能量分布是距离d的函数。当块（311）由非铁磁材料制成时，通过在模制表面上涂铁磁涂层，例如镍基涂层，可以获得类似的效果。

图5是通过油循环加热铸模产生的热循环（501）和由于应用本发明主题工具的热循环（502）之间，模制表面所经历的热循环（501，502）的比较。该比较表明，从模制表面的喷涂（140）步骤开始获得预热温度（105）所需的时间（520）减少。与现有技术的装置相比，这种效果与通过感应加热装置在模制表面上分配更大的加热功率的能力有关，从而所述模制表面获得更快的加热速度，约为5C.s^-1，投影面积为200 x 300 mm ²，加热功率约为100 kW。此外，使用感应加热允许在排出部件之后但在喷涂步骤（140）开始之前的时间（510）开始加热所述模制表面。这种早期的感应加热在当该模制表面大约处于模腔的标称预热温度（105）时实现。所述加热使所述表面具有达到大于所述表面预热温度（105），以限制喷涂（140）步骤后的温度下降。由模制表面上的电感器提供的加热功率足以实现这种加热，而不会减慢工具排出（130）步骤并且不会延迟喷涂（140）步骤。因此，在比标称预热温度（105）更高的温度（505）下，预先启动加热模制表面的组合，一方面可以在目标循环时间内获得模制表面的预热温度（105），从而确保在连续循环中制造的部件质量的一致性，从而降低废品率。另外，与现有技术相比，这种实施装置和方法的组合使得可以在缩短的时间内执行模制循环（530），分配的加热功率更大并且与加热表面的温度无关，因此提高生产率同时改善方法的可靠性。由于当启动所述表面的预加热时，模制表面处于接近标称预热温度（105）的温度，因此通过油循环实施的加热步骤将不起作用，循环油和铸模的温度接近时，无法在油和构成铸模的材料之间实现热交换。

通过感应加热的装置和本发明主题工具模制表面冷却装置的组合，允许调节铸模的温度和在铸造期间的材料填充步骤（1 10）。因此，作为本发明主题的工具使得可以将金属合金注入较热的铸模中，以确保更好地填充金属合金，同时确保材料的足够快的冷却速度，特别是避免出现孔隙或粒度不均匀。与现有技术不同，其中，熔体的热运动阶段（1 10）由铸模和材料之间的被动热传递支配，本发明主题工具的实施允许至少部分地调节这种运动。因此，借助于本发明主题工具的实施方法使得可以通过该方法改善模制部件的内在质量。

在铸造的填充步骤（110）期间将模制表面预热到更高温度并维持和调节该温度的能力允许实施凝固起始温度更高的合金，同时确保模腔的填充，特别是含有少于2％硅的铝合金，与AISi系统相比的亚共晶，保持与共晶或准共晶合金相当的生产率。因此，本发明主题工具和方法有利于实施具有较高机械特性的合金，尤其是Al-Si-Mg、Al-Mg-Si和Al-Mg-Si-Mn合金，和有利于大规模铸造适合阳极氧化处理的铝合金实施。

实施包括感应加热的工具和如上所述本发明主题方法的效果不限于工具的模制表面，而是同样适用于模具中材料的供应管道。尽管本发明的方法和主题工具被呈现为应用于其中一个模具，但它们适用于全体限定工具模腔的模具。据示例性实施例，确保所述模具模制表面加热的电感器连接到单个高频电流发生器或专用于每个模具的高频电流发生器。

以上描述和示例性实施例表明，本发明实现了预期目的，并且相对于现有技术，可以提高生产率，提高部件质量的可重复性，在相同的生产率和可重复性条件下提高了冶金质量和所述部件的实现质量，并且开启了实施流动性更低的材料的可能性。

Claims (10)

1.使用铸模在腔体中壳型铸造金属的方法，所述铸模包括：

a.两个模具（210，220），每个所述模具包括支承模制表面（211，221）的单元（311），使得所述模制表面限定一个模腔；

b.在至少一个所述模具中的电感器（341，441），所述电感器在支承所述模制表面的所述单元（311）的管道（340）中延伸放置；

c.一个发电机，用于向所述电感器（341，441）提供高频电流，以加热所述管道（340）的壁；

d.所述电感器（341，41）位于离所述模制表面距离d处，使得热传导穿过所述单元（311）的厚度，从包括所述电感器的所述管道（340）的壁传到所述模制表面，导致所述模制表面温度均匀分布；

该方法包括以下步骤：

i.填充步骤（110）：通过将金属注入所述腔体来填充（110）所述模腔，通过在所述电感器（341）中流通高频电流预热所述腔体至标称的预热温度T1（105）；

ii.凝固步骤：所述模腔内金属凝固；

iii.打开（120）和弹出（130）步骤：打开所述铸模和弹出工件；

v. 喷涂步骤（140）：所述铸模打开时，通过脱模剂喷涂（140）所述模腔的模制表面；

vi.关闭和加热步骤（150）：关闭所述铸模并加热（150）所述腔体至所述预热温度T1（105）；

其特征在于，在打开步骤iii）之后和在喷涂步骤v）之前，包括下述步骤：

iv.当所述工件不再与所述表面接触时，通过感应加热所述腔体的模制表面，并在喷涂步骤v）期间继续此加热。

2.根据权利要求1所述的方法，包括在步骤i）和步骤ii）之间强制冷却所述模腔。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，通过在所述铸模中放置的通道（350）中循环载热流体来实现强制冷却。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述预热温度T1（105）在200℃和400℃之间，优选在250℃和300℃之间。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，在步骤iv）期间和在步骤v）之前所述模制表面达到的温度（505）大于所述温度T1（105）。

6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述金属选自以下合金：

- AM20、AM50、AM60或AZ91 D型镁合金；或

- 一种含有少于2％的硅的铝合金，特别是Al-Mg-Si-Mn型；或

- 铝、镁、铜Zamac型锌合金。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，在步骤i）期间将所述金属以液相注入。

8.根据权利要求6所述的方法，其中，在步骤i）期间将所述金属以半固相注入。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，支承所述模制表面的所述单元（311）由HTCS 130型钢制成。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，支承所述模制表面的所述单元由非铁磁材料制成，其中包含所述电感器的所述管道涂有高磁导率材料层（443）。