CN1311722A - 半固态铸造的设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种模铸系统包括一个限定一个带有用于保持一槽16半固态金属34处于一种匀质的等温状态的一个受控制的加热器22和一个搅拌器14的储器30的容器12,一个能将一个已知数量122的在半固体状态下的金属转送到一种模铸机的一个模腔中的转送系统107,该转送系统107包括一个经加热的吸管108,一个用于将来自槽16的半固态金属34真空舀出至一个模具的真空源,和一个为空气自由流通提供一个通道以允许在铸造期间排空吸管108的柱塞头132以及一个用于用一个相似数量126的液体金属32替代已知数量122的被转送金属的金属替代系统,这样,为模铸操作可得到一槽16可控制地保持稳定,匀质和等温的半固态金属34。

Description

半固态铸造的设备和方法

本发明的领域

本发明涉及从半固态金属铸造出构件，更具体地说涉及从取自一槽半固态金属中的半固态金属铸造出构件。

本发明的背景

金属构件的制造商长期以来已认识到适合于用模铸工艺制造的模铸构件的优越性，用半固态(或摇熔)金属模铸构件的优越性已有大量文献记载，它包括(但不限制于)产生能热处理的成品构件，这些构件比用熔化金属铸造的构件有更少的气孔并且呈现出更均匀的结构。

参考材料取自于下列若干现有技术的参考文献：

美国专利：

1．授于Young等人的美国专利4709746号“连续灌浆铸造的工艺和设备”。

2．授于Nichting等人的美国专利5313815号“用连续加热生产成形的金属零件的设备和方法”。

3．授于Young的美国专利4565241号“制备一种有浆状结构的金属构成的工艺”。

4．授于Moschini的美国专利5464053号“生产流变铸锭的工艺，特别是从该工艺进行高机械性能的模铸生产”。

5．授于Ashok等人的美国专利5381847号“垂直铸造工艺”。

6．授于Breuker等人的美国专利5375645号“从半固态金属预成型生产成型物件的设备和工艺”。

7．授于Moritaka等人的美国专利5287719号“形成半凝固的金属构成的方法”。

8．授于Meyer的美国专利5219018号“应用多相电流电磁激励通过连续铸造生产摇熔的金属产品的方法”。

9．授于Kelly等人的美国专利5178204号“流变铸造的方法和设备”。

10．授于Kiuchi等人的美国专利5110547号“半凝固金属构成的生产的工艺和设备”。

11．授于Meyer的美国专利4964455号“通过连续铸造生产摇熔的金属产品的方法”。

12．授于Wilmotte的美国专利4874471号“糊相的金属铸造的器件”。

13．授于Leathham等人的美国专利4804034号“摇熔淀积的制造方法”。

14．授于Young的美国专利4687042号“生产成形的金属零件的方法”。

15．授于Watts的美国专利4580616号“金属的受控凝固的方法和设备”。

16．授于Flemings等人的美国专利4345637号“通过模铸形成高份额固态构成的方法”。

17．授于Flemings等人的美国专利4108643号“形成高份额固态金属构成及其构成的方法”。

18．授于Flemings等人的美国专利3902544号“形成一种含有非枝晶的初级固体的合金的连续工艺”。

19．授于Drury等人的美国专利5211216号“铸造工艺”。

20．授于Flemings等人的美国专利3948650号“制备用于铸造的液-固合金的构成和方法以及应用该液-固合金的铸造方法”。

21．授于Flemings等人的美国专利3954455号“液-固合金构成”。

22．授于Tungatt的美国专利4972899号“铸造晶粒精细锭的方法和设备”。

23．授于Watson的美国专利4577676号“铸造具有精细晶粒结构的铸锭的方法和设备”。

24．授于Flock的美国专利4231664号“化学结合的型砂的高速水平向和高速垂直向的混合的方法和设备”。

25．授于Smithers等人的美国专利4506982号“用于将粒子状固体与粘性液体相混合的设备”。

26．授于Gmeiner等人的美国专利4469444号“用于粘性物质的混合和除气设备”。

27．授于Wyss的美国专利5037209号“对特别是糊状媒质的流体的混合的设备及其操作的工艺”。

28．授于Wayte的美国专利4893941号“在容器中混合粘性液体的设备”。

29．授于Bye的美国专利4397687号“混合熔化的金属的混合装置的方法”。

有关文章：

30．“流变铸造工艺”，Flemings,M.C.,Rick,RG.及Young,K.P.“国际铸造金属杂志”第1卷第3期，1976年9月，11-22页。

31．“模铸部分凝固的高铜含量合金”，Fascetta,E.F.,Rick,R.G.,Mehrabian,R.,及Flemings,M.C.“铸造金属研究杂志”第9卷第4期，1973年12月，167-171页。

上述参考资料给出了从半固态金属形成金属构件所包含的总的概念及优点。这些参考资料也给出了用于一般的模铸的以及用于从半固态金属模铸构件的标准技术。同时也包括了给出各种摇动和搅拌半固态材料的方法和参考材料。所有这些参考材料，以及在其中引用的参考材料，为了建立用于处理半固态金属和模铸构件的方法和程序的目的而结合在本文中。

大多数用于从半固态金属模铸构件的现有的方法和装置都使用了从固体棒材中切割下来的带有一种半固态微细结构预成形的圆柱体芯棒或坯料。这些坯料在绝对高的压力(通常在大约16000-30000psi(2.32-4.35巴))下被压进铸造模具之前要被加热以使它们回复到半固态状态。这些坯料容易被表面氧化，从而使被氧化的材料结合进最后的构件中去。还有，这工艺需要金属被加热到半固体状态，坯料被铸造和冷却，储存，切割成需要的长度，可能被运输，以及最后在铸造成最后的构件之前再重新加热。

本发明提供了一种装置和方法，在该方法中，一槽稳定的，能恒定地被搅拌的，温度受到控制的半固态金属被保存在一个储存容器内并在其原有的半固体状下下被传送到模铸机器，准备立即被铸造成最后的构件。传送可以通过一个经加热的吸管和温度受控制的进料套筒通过真空铸勺来完成。在传送中的半固态金属通过一个柱塞的顶端而被压进模腔内，该柱塞顶端提供有一个放气通路以破坏在舀出过程中形成的真空，以便于使在吸管中的半固态金属在加压处理期间能回到槽中。这样，一槽立即可得到的稳定的均质的，温度受到控制的半固态金属被提供在一个模铸环境中，它可以根据需要以其半固态形式被传送到模铸压机的模腔内，以制造具有增强特性的金属构件。

根据本发明，一种将经加热的金属传送到一种有至少一个模腔，一个真空门及一个金属馈送门的模铸装置的设备，包括一个保持在一个预先确定的高于其开始凝固的温度的温度范围的熔化的金属的源，一个容纳半固态的金属，其中直至约45％的金属是以金属的流体份额的微粒悬浮的容器，一个加热的吸管，一个和该容器通过该加热吸管有金属流交流，以及和模腔通过金属馈送门也相通的注射套筒，一个在套筒内可逆性配置的用以迫使套筒内的半固态金属在压力下进入模腔的柱塞，以及一个和真空门、模腔、馈送门及注射套筒相通的，以便于使半固态金属从温度控制的容器通过经加热的吸管抽吸到处于一个套筒内能被柱塞迫使进入模具的位置的真空源。该容器包括一个底部，一个侧墙，以及一个顶部，并且该设备可以包括一个配置在容器内的搅拌器和一个其位置适宜于通过容器的底部将热量传递给容器中的半固态金属的加热器。容器的底部可以包括一个有独立尺度的和容器内的半固态金属通过容器的底部有金属流交流的加热腔，并且加热器可以被安置以便对加热腔内的金属进行加热，该加热器可以是一种感应加热器。搅拌器可以置于容器内以便于促进加热腔内的金属和容器内的半固态金属的混合。注射套筒可以装上夹套，流体可以通过该夹套循环。该设备可以包括一个传送装置，该传送装置用于从熔化金属源向容器传送预先确定容量的熔化金属。用于向已加热的注射套筒传送半固态金属的吸管可以从容器中的半固态金属的表面向上延伸。

根据本发明的另一个方面，一个经过改进的用于保存在等温状态中的用于铸造的半固态金属的容器，包括一个底部、侧墙和顶部，一个搅拌器，以及一个被安置成通过该容器的底部向容器中的半固态金属传送热量的加热器。该容器的底部可以包括一个有独立尺度的和容器内的半固态金属通过容器的底部有金属流交流的加热腔，并且加热器可以被安置以便对加热腔内的金属进行加热。该加热器可以是一种感应加热器。该容器可以包括一个安置的搅拌器以便于促进加热腔内的金属和容器内的经搅动的半固态金属的混合。

根据本发明的又一个方面，一种其中半固态金属通过一个柱塞从一个进料套筒驱动进一个模具的模铸工艺，通过包括加热该进料套筒的步骤而得到改进。该进料套筒可以装上夹套，而流体可以通过该夹套循环。

根据本发明的另一方面，一种用于从一个保存在一个半固体状态的合金源模铸金属合金的方法，包括以下各个步骤，即，提供一个具有一个用于接纳被铸金属和将该金属冷却到一个固体形状的模腔的模铸压机，提供一个具有一个底部和一个侧面的熔化金属的容器，将熔化金属的温度降到该金属将开始凝固的水平，搅动该金属并且控制其温度以便使金属保持在包含有金属的固体微粒和熔化的金属的等温状态，其中控制温度由通过该容器的底部加热来完成，金属的冷却是部分地通过该容器的侧面，以及搅动步骤包括从该容器的侧面剪切正在凝固中的金属，从而该容器中的金属通过不停的搅动和温度控制被保持在一种稳定的半固态状态。周期性地将控制数量的金属从容器中抽出并且通过一个吸管将该金属转送到模腔去铸造的步骤可以包括在其中，在转送步骤期间被抽取的金属的温度可以受到控制，受到控制的数量的熔化的金属可以周期性的添加到容器中用以接替每次抽取的金属的数量。悬浮在吸管中的金属在构件的铸造期间可以被容许返回到槽中。

根据本发明的还有一个方面，一个用以将已加热的金属传送到有至少一对在其间形成至少一个模腔的铸模，一个真空门，以及一个用于制造模铸金属铸件的金属馈送门的模铸装置的设备，包括一个有温度控制机构和搅拌器，用于储存一槽半固态金属的容器，一个用于将熔化的金属传送到该容器的系统，一个将半固态金属在半固体的状态中从该容器传送到模铸模具的转送系统，以及一个和该容器有流体相通的加热腔。该设备可以包括多个调节器用以控制从容器中抽取的半固态金属的数量以及添加到该容器中的熔化的金属的数量。该转送系统可以包括机械铸勺或真空铸勺并且也可以包括一个带有一个加热器的吸管。该设备可以包括一个和一个注射套筒有流体相通的吸管以及一个在真空舀出期间将注射套筒密封以便容许半固态金属被抽取进注射套筒并且在把该材料压进模腔之前悬浮在吸管中，并且在压制工序期间创造出一个排出通道容许先前悬浮在吸管中的金属返回到金属槽中去的柱塞。该设备还可以包括一个用于在加热腔之内加热金属的感应加热器。该容器可以有一个比通过模铸制造一个构件所需要的半固态金属的体积大许多的体积。

根据本发明，一种用于向有至少一对在其间形成至少一个模腔的铸模，一个真空门，以及一个用于制造模铸金属铸件的金属馈送门的一个模铸装置传送已加热的金属的设备，包括一个用于储存一槽半固态金属的容器，一个和该储存槽有流体相通的吸管，以及一个和模腔及吸管有流体相通的进料套筒。进料套筒包括一个在其中接纳吸管以形成一个交接点的小孔，该小孔的形成是为了减小在该交接点的进料套筒的表面区域。该吸管可以包括一个接纳在该小孔内的切成斜坡的端口。吸管可以是非金属的，进料套筒可以包括一个形成在小孔处的锥口孔。

本发明的另外的特性和优点对于那些在本技术中熟练的人士在考虑到了最新取得的例证了贯彻本发明的最好的模式的最佳实施例的下述详尽的叙述以后将是显而易见的。

附图的简略说明

图1是根据本发明用以提供一槽不断搅拌的，温度受到控制的半固态金属，该半固态金属可以在其原有的半固体状态下被传送到一台模铸机准备立即铸造成一个最终构件的一个空的装置的部分示意图。

图2是本发明的第一实施例的一个部分剖面图，图中显示了一个位于下部并且和具有一个注满了一槽被搅动的，温度受到控制的半固态金属的储器的容器有流体相通的加热腔以及用于将该金属在其半固体状态下传送到一台模铸机立即铸造成一个最终构件的一个经加热的吸管和一个进料套筒。

图3是沿图2的线3-3截得的一个部分横剖面图，图中显示了在半固态槽和进料套筒之间延伸的经加热的吸管，也显示了一个为在进料套筒内往复运动而配置的柱塞。

图4是基本上类似于图3的吸管，进料套筒和柱塞的一个部分剖面近似全貌图，并带有一个另一种用于加热吸管的燃气火焰加热器。

图5是图3和图4中的柱塞头的一个横剖面图，图中显示了设计来用于在压制和铸造操作期间最大限度地减少半固态金属和柱塞头接触以及容许吸管中的半固态金属返回到半固态槽的一个较大直径的进料套筒密封侧墙和一个较小直径的通道侧墙。

图6是图5的柱塞的一个侧视图。

图7-图10阐明了快速将半固态金属压入一个模腔(未显示)的过程，该半固态金属已事先被真空舀出到进料套筒。

图7是本发明的吸管，进料套筒和柱塞头的一个部分横剖面图，图中显示了柱塞密封了吸管连接处的右边的进料套筒，容许和该进料套筒的左端有流体相通的真空源(未显示)从槽中抽取半固态金属通过吸管进入进料套筒。

图8是类似于图7的部分横剖面图，图中显示了在进料套筒中向左移动的柱塞开始将半固态金属压进模(未显示)内，并显示了半固态金属仍然充满了吸管，因为柱塞仍然密封了进料套筒的右端，这样在图7中施加的真空仍然存在。

图9是类似于图8的部分横剖面图，图中显示了进一步向左移动的柱塞，这样空气就通过由柱塞的通道侧墙和进料套筒形成的通道流过了柱塞并且进入吸管，破坏了在图7中形成的真空，因而在吸管中的半固态金属就落回到半固态槽中。

图10是类似于图9的部分横剖面图，图中显示了更进一步向左移动的柱塞，表明自从在吸管中保持半固态金属的真空被破坏后已经过去了足够的时间，因而先前在吸管中悬浮的所有半固态金属已经返回到槽中并且吸管已经被排空。

图11是经加热的吸管和经加热的进料套筒之间的连接处的部分横剖面图，图中显示了形成在进料套筒中的一个小孔中的一个锥口孔，一个切成斜坡的吸管的端口被接纳在此锥口孔中，为的是在连接处的区域中最大限度地减少在转送期间能够和半固态金属接触的该进料套筒的表面区域。

最佳实施例的叙述

虽然本发明适用于能在半固体状态下保存的任何金属或合金，但是这里所公开的装置还是专门被构形成用于铝合金，特别是铝A356的。参看图1-图3，用于模铸构件的一个半固态金属炉10含有设计来控制保持在其中的金属的热量损耗的容器12。容器12包含用于混合及阻止在保持在容器12内的一槽半固态金属16中形成枝状晶体的搅拌系统14。配置在容器12中的传感器18(图2)将有关于半固态金属槽16的固态份额的信息传送到作用于加热器22的控制器20。加热器22导热性地连接到和容器12有流体相通的加热腔24。和储器30通过顶部56有流体相通的进口26和出口28提供了通向储器30的通道，用以向半固态金属槽16添加熔化的金属32以及从半固态金属槽16中移走半固态金属34。半固态金属炉10位于接近模铸机(未显示)的模铸环境中，这样，半固态金属34，可以随手可得地在其半固体状态下传送到模铸机的模腔(未显示)。

容器12有底墙36和圆柱体的侧墙38，它们和顶部56一起限定了储器30，在储器30内半固态金属34可以以一槽半固态金属16的形式储在其中，如图2中例举显示的那样。容器12的形成是为了符合便于控制从半固态金属槽16中通过圆筒形的侧墙38，底墙36和顶部56的热损耗的设计规格。当容器12中含有A356时，容器的侧墙38，底墙36和顶部56包括了一个由Therm连接Formula Fire-L做成的具有约2.5英寸(6.35cm)厚度41的耐熔墙40。在这个厚度41上侧墙38、底墙36和顶部56会从半固态金属槽16中耗散热量，但防止了热量以比加热器22能够加热半固态金属槽16的速率更大的速率耗散。举例说明，加热器22是一种35KW的感应加热器，而容器12设计成通过侧墙38、底墙36和顶部56的热量耗散要小于35KW。感应加热器22是通常可以从Ajax Magnathermic的型号得到。可以预见，通过控制半固态金属34的抽取及用熔化金属32的替换的速率，通过容器12的侧墙38、底部36和顶部56耗散的热量可以超过感应加热器22的加热能力。当其它的金属以半固体状态保存用作铸造操作时，侧墙38、底墙36和顶部56应该用合适的材料制作，其厚度41应足以保证通过侧墙38、底墙36和顶部56的热量损耗不超过由加热器22和添加的用以替代被抽取的半固态金属34的熔化的金属32提供给半固态槽16的热量。

加热腔24和储器30通过容器12的底墙36上的小孔42可流体相通。加热腔24用耐熔管道制成，以形成一个从容器12向下延伸的U形通道44而感应加热器22的铁芯46被环绕包裹在加热腔24的U形通道44的一侧以便于加热加热腔24，如图1-3中例举显示的那样。感应加热器22的感应铁芯46创造了一个场，该场感应加热了在加热腔24中包含的半固态金属34。

如图说明，传感器18是一种热电偶50，半固态金属槽16中的固态份额和槽16的温度有关。但是，传感器18可以是任何一种装置，它能够确定和半固态金属槽16的固态份额有关的半固态金属槽16或炉10的运行的任何特性并且提供一个根据该经确定的特性的数值的信号给加热控制器20。和半固态金属槽16的固态份额有关的炉10运行的一些特性，是驱动转子60或螺钻62的电动机72、102所经历的扭矩和转子轴66或螺钻轴96的振动。这样，传感器18就可以是一种扭矩转换器，或者是一种对振动敏感的光学装置。如图说明，传感器18和加热器控制器20是电气连接的。加热器控制器20由导线23连向加热器22。控制器20可以是一种P.I.D.控制器，经适当的程序控制能将半固态金属槽16的温度维持在设定点上。

穿过容器12的顶部56延伸的热电偶50部分浸设在半固态金属槽16中，并且连接到加热器控制器20，该控制器有选择地促动和取消促动加热器22来调节半固态金属槽16的温度。对于A356铝合金，半固态金属槽16的温度被调节到在590℃(1094°F)和615℃(1139°F)之间的一个设定点的摄氏1度(1℃)、(1.8°F)之内。当炉10是用于A356以外的金属时，设定点就被选择在一个温度范围内，在此范围内该金属呈现半固体状态。

对于A356，熔化金属32的源52被保持在稍高于615℃(1139°F)，也就是将形成半固态金属34的金属的液化温度。来自源52的熔化金属32可以由铸勺54人工或自动地舀进进口26，如图2中阴影线53显示的那样。可以想象，用适当的阀门自动地控制在源52和储器30之间的熔化金属32的流动，在源52和进口26之间的适当的流体相通是能够形成的。

在初始的起动期间，来自源52的熔化的金属32被用于灌注储器30，热量通过容器12的圆筒形侧墙38耗散直到熔化金属32开始凝固。当金属槽16的温度从熔化金属32的温度冷却下降到凝固点时，容器12中就产生了半固态金属34。

如图说明，搅拌系统14不断地搅拌储器30中的半固态金属槽16并且被确信在槽16内的凝固期间阻止枝状晶体的形成及温度梯度的形成。这样的不断的搅拌通过移去在侧墙38上凝固的多余的金属并且将这些多余的金属送进大部分的槽16内，也促进了储器30内整槽的半固态金属16的均匀性，在凝固期间，在金属34中形成枝状晶体结构也就是枝状晶体。破坏这种枝状晶体结构通常被称为剪切枝状晶体。这样，不断的搅拌剪切了来自于容器12的侧墙38的枝状晶体，这在下文中将要叙述。两个分开的搅拌器58配置在容器12中，被设计成不断地搅拌储器30中一槽半固态金属16。两个搅拌器58将半固态金属34混合到一定的程度。如图说明，搅拌器58包括一个中心转子60和一个螺钻62，但是，中心转子60执行了大部分剪切的动作和横向的混合，而螺钻62则执行了大部分纵向混合。

中心转子60被连接到轴66的驱动端64，轴66又在从动端68被连到一个链轮(被隐去)。安装到炉10的框架74的电动机72被连接到驱动轴76，驱动轴76又通过减速齿轮(被隐去)和链条70可驱动地连接到轴66。任何将电动机72连接到中心转子60能使中心转子60保持在所需要的角速度的标准装置都可以被应用，诸如皮带轮的皮带，互相啮合的齿轮以及类似装置。电动机72和中心转子60之间的连接78最好设计和配置成以每分钟25到35转(25-35rpm)的角速度来转动中心转子60。

中心转子60穿过在容器12的顶部56的同心空隙80延伸，这样，中心构件82位于容器12的圆筒形墙38的纵向轴上并绕其旋转。中心转子60的底部支杆86从中心构件82向容器12的侧墙38相邻于容器12的底墙36延伸。中心转子60的侧面支杆88从底部支杆86相邻于容器12的圆筒形侧墙38向上延伸。为了剪切在凝固期间容易形成的沿着容器12的圆筒形墙38首次发生的枝状晶体，中心转子60的底部支杆86和侧面支杆88最好配置成离容器12的圆筒形侧墙38和底墙36少于一英寸(1.0″)(2.54cm)处旋转。因为半固态金属槽的冷却主要通过侧墙38和底墙36的热量转移发生，而半固态金属槽16的加热主要通过储器30和加热腔24之间的流体相通的热量转移发生，所以侧面支杆88从侧墙38以及底部支杆86从底墙36的位移都是很重要的。侧面支杆88从侧墙38以及底部支杆86从底墙36的位移被认作为墙间隙90。中心转子60的剪切速率是以墙间隙90和中心转子60的角速度为基础的。

虽然中心转子60可以是实心的钛或不锈钢的，它也可以用中空的不锈钢或钛材料做成以形成一个内部流体通道92。已经发现，某些金属，尤其是铝合金能对在很长的时期内浸设在一槽16的半固态金属34中的不锈钢具有有害的影响。为了减小这种有害影响，中心转子60可以通过将流体通道92连接到一个冷却流体诸如空气、油、水或类似物(未显示)的源上来冷却。虽然减小这种有害影响的过程还未完全理解，但被认为在槽16中的半固态金属34在接触了经冷却的中心转子60就立即凝固，在中心转子60上形成一层(未显示)凝固的金属涂覆层。据相信这个金属涂覆层减小了使中心转子60恒久浸设在半固态金属槽16中的有害影响。同时也相信，一旦中心转子60被涂覆至一个足够的厚度以后，在该涂覆层金属内就形成了一个温度梯度，这样在该涂覆层金属的外表面和半固态金属槽16的温度之间的差异已经不足以引发进一步的涂覆。

螺钻62直接连接于驱动轴96的螺钻端94，该驱动轴穿过顶部56上的偏中心孔98延伸并在驱动端100连接安装到炉10的框架74上的双向可变速电动机102。双向可变速电动机102设计成以一个100-200rpm之间的角速度使螺钻62旋转。在图示的装置内，螺钻62逆时针方向的旋转(从上往下看)使螺旋片104迫使任何相邻的半固态金属34向下朝容器12的底墙36移动，而螺钻62顺时针方向的旋转使螺旋片104迫使任何相邻的半固态金属34向上朝容器12的顶部56移动。为防止在半固态金属槽16中悬浮的固化金属沉淀于容器12的底部36，螺钻62以顺时针的方向运行。这样，沉淀的固化金属就从底部36被拉起，保持了储器30中半固态金属槽16的匀质的性质。螺钻62的底部106位于邻近底墙36上通向加热腔24的小孔42。这样，螺钻62的旋转同时也诱发了半固态金属34进出加热腔24的流动。所叙述的螺钻62是作为举例的，其他的搅动或混合装置也可以被应用。例如，用多片的混合装置也已经取得很好的结果。

对半固态金属槽16的不断的搅拌，以及用稍高于液化温度的熔化金属32快速地替换被移走的半固态金属34，创立了一个能维持匀质的、等温的存在于储器30内的一槽半固态金属16，当需要时铸造用料就可以从储器30中抽取。当应用A356时，所公开的炉10使具有在流体的金属份额中直至45％的固体金属的半固态金属槽16，在凝固点温度的一摄氏度(1℃)(1.8°F)之内用于向铸造机器传送材料。在图示的在转移系统107中使用真空舀出的炉10中，最好是将悬浮在流体金属份额中的固体材料百分比维持在30％或以下。如果转移系统包括手动或机械的铸勺，则被认为更高的固体份额也可以使用。悬浮的固体金属微粒的尺度要限制在100-500微米(0.0254-0.127″)并且相当均匀地分布在遍及半固态金属槽16内。

吸管108包括一个顶端114，一个拾取端110，以及一个纵向轴118。吸管108穿过容器12的顶部56延伸，而拾取端110则配置在半固态槽16的表面112以下。吸管108的顶端114和进料套筒116有流体相通。吸管108的纵向轴118最好取向垂直以便于阻止半固态金属34在吸管108中凝固。吸管108也由经控制的加热器120加热，该加热器将吸管108的温度保持在大于600℃(1112°F)以便于防止半固态金属34在吸管108中凝固。

吸管108连接到其内包含有一个能往复移动的柱塞128的进料套筒116。进料套筒116连接到金属馈入门(未显示)，以便和由至少一对具有一个真空门(未显示)的模(未显示)形成的模腔(未显示)有流体相通。外夹套121围住了进料套筒116并且设计成容纳保持在大致150℃(302°F)的流体123，诸如油，用以防止进料套筒116的过度的加热或冷却。因为据想象半固态金属34将仅存在于进料套筒116一个短时期，大约在一秒的十分之一(1/10)，所以进料套筒116和半固态金属34之间的温度差异将不足以使金属凝固。

如图说明，进料套筒116和吸管108一样是一个管子。吸管108被加热到大大高于进料套筒116的温度，因为正在由真空舀出到模腔的半固态金属34趋向于在进料套筒116和吸管108的连接点处凝固，在这个连接点半固态金属34是首次和进料套筒116接触。进料套筒116有一个墙115，该墙具有一个外墙117，一个内墙160，以及一个在外墙117和内墙160之间延伸的连接墙119，以限定一个连接点孔133，如在图11中举例显示的那样。半固态金属34在连接点154的凝固通过减少半固态金属可以与其接触的连接墙119的表面区域而降到最低。连接点孔133被形成为具有和吸管108的内直径大致相等的直径125。一个深的锥口孔129形成在外表面117上的连接墙119处，而吸管108的顶端114的形成包括一个被接纳在该锥口孔129内的斜口131，如图11中举例显示的那样。

金属馈送门用作向模腔内传送半固态金属34。一个和真空门、模腔、金属馈送门、进料套筒116和吸管108相通的真空源(未显示)为快速地从半固态金属槽16通过吸管108抽取半固态金属34进入送料套筒116提供了足够的压力差。柱塞128被连接到一个汽缸(未显示)，这样在半固态金属34被接纳到进料套筒116以后，柱塞128就迫使半固态金属34在压力下通过金属馈送门注进模腔。在图示的炉10中，被传送到进料套筒的半固态金属34含有少于30％的固体微粒，所示柱塞128只需要在5000-13000psi(0.725-1.885巴)的压力下迫使半固态金属34进入模腔。当炉10在使半固态槽16保持有25％的固体微粒操作时，柱塞128就在6000psi(0.87巴)的压力下迫使半固态金属34进入模腔。因为模具和柱塞128遭受的压力小于在钢坯技术中遭遇的压力(即16000-30000psi(2.32-4.35巴))，所以柱塞128和模具的寿命可以因本发明而延长。

柱塞128包括一个推杆130和一个柱塞头132。柱塞头132包括一个前墙134，一个具有仅比进料套筒116的内径140稍小的直径138的圆周向延伸的密封墙136和一个具有比密封墙136的直径138和进料套筒116的直径140还小的直径144的圆周向延伸的通道墙142。

密封墙136从前墙134向后延伸一段距离146到将通道墙142和密封墙136分开的台阶148。柱塞头132，就象得自Semco公司NO.869-D5型号的用在模铸条件下的标准柱塞头，是用经热处理的铍铜制成。柱塞头132不同于这些标准柱塞头之处为，标准柱塞头通常不包括一个台阶148和一个圆周向延伸的通道墙142。柱塞头132可以从一个标准柱塞头通过对一个标准柱塞头在车、镗组合机床或类似机床上适当地机械加工以形成台阶148和通道墙142而制造出来。柱塞头132包括一个和一种温度经控制的能控制柱塞头132的温度的流体诸如空气、油、水、冷却剂或类似物有流体相通的内腔150。

柱塞头132可往复地被接纳在进料套筒116内，如同在图7-10中举例显示的那样。在将接纳在进料套筒116内的半固态材料34压入模铸机的模腔之前，柱塞头132被置于进料套筒116和吸管108的连接点154的一侧156的相对侧152上，在该侧156上置有一个真空源(未显示)，如图7中举例所示。这样，密封墙136密封了进料套筒116以在压铸模(未显示)和半固体槽16之间限定一个流体通道158。真空源能够向上抽取半固态材料34通过吸管108和进料套筒116进入模腔(未显示)。当真空源(未显示)不再提供真空时，流体通道158仍保持密封，而半固态材料34仍保留在进料套筒116和吸管108内准备被压进模腔。然后如图8中显示的那样推杆130开始把柱塞头132推向模腔。在图8中台阶148还没有越过连接点154的相对的一侧152，所以密封墙136继续密封了进料套筒116。因为流体通道158仍旧保持密封，在吸管108中的半固态材料34在先前施加的真空的影响下仍保持悬浮在吸管108中。

当柱塞头132向前移动因而台阶148处在连接点154的两侧152和156之间时，密封墙136不再密封流体通道158，而通道墙142和进料套筒116的内墙限定了一个放气通路或空气通道162，破坏了真空并容许吸管108中的半固态金属34在重力之下开始落回半固体槽16，如图9中显示的那样。当柱塞头132进一步移动到左侧，空气通道162在尺度上增加了，先前悬浮在吸管108中的所有的半固态金属34最终在重力之下返回到半固态槽16，如图10中举例显示的那样。应该理解，柱塞头132继续进一步移向左侧并且将半固态金属34压进模腔(未显示)。当进料套筒116中的半固态金属34被压进模腔以后，金属馈送门就关闭，而柱塞头132返回到在图7中所占的位置，准备作下一次铸造循环。在由真空源施加低压力而启动真空舀出之前，装置呈现出基本上和图3中描述的状态一样。

柱塞头132的构形不仅提供了一个用以破坏将半固态金属34保持在吸管108内的密封的空气通道162，而且还将半固态金属34和冷却的柱塞头132的铍铜材料之间的接触最大限度地减小。这样，柱塞头132的构形有助于保持在吸管108和进料套筒116中的半固态材料34的匀质等温的性质。虽然图示的柱塞头132包括一个圆周向延伸的通道墙142，但应该理解，通道墙142是不需要圆周向地绕柱塞头132延伸的，它可以形成为一个纵向的沟槽或类似物，只要柱塞头132的取向能使通道墙142破坏将半固态金属34保持在吸管108内的密封以及最大限度地减小半固态金属34和冷却的柱塞头132的铍铜材料之间的接触即可。当半固态金属34被保持在吸管108和进料套筒116内一个短时间时，一种标准的柱塞头也可以用在本发明中，只要推杆130的冲程足够长，能使标准柱塞的后沿越过连接点154的相对侧152并且形成一个空气通道使原先悬浮在吸管108中的半固态金属34能返回半固态金属槽16即可。

参阅图4，图中显示了吸管108和加热器220的第二种实施例。在图2和3中说明了一种用线圈加热吸管108的电加热器120，而在图4中举例显示的第二实施例中，吸管108是靠来自一个喷灯或燃气出口224的火焰222加热的。用电加热器120，燃气出口224和/或其他加热器的结合来加热吸管108的，也是在本发明的范围之内。

在本发明的目前的最佳实施例中，吸管108是用能对吸管108提供更均匀加热的石墨制成。如前面提及的，对吸管108加热是为了阻止半固态金属34在吸管108内凝固。在本发明的目前最佳实施例中，吸管108由电加热器120和燃气出口224共同加热。吸管108的下端浸没在半固态金属槽116中并且因此基本上处在半固态金属槽116的温度下，从下端往上大致上6英寸(6″)(15.24cm)处，吸管108由电加热器120加热到大约790℃(1450°F)。来自燃气出口224的火焰222加热吸管108上由电加热器120加热的部分以上的部分。应该理解，沿吸管108的不同位置处的温度可能有所不同，只要吸管108被充分加热到当柱塞越过连接点154后能使半固态金属34从吸管108返回到槽16即可。

在模铸零件的制造中，从半固态金属槽16中通过吸管108移入进料套筒116的半固态金属34的数量是受控制的。这可以通过控制真空源的工作循环来控制，使得压力差被施加一个特定的期间。所以，对于每一次模铸，一个已知数量122的半固态金属34被从半固态金属槽16中移出。该已知的数量122就是模腔的容积，由图3左边的点线143和进料套筒116中在吸管连接点154的模腔一侧156的部分图解性代表，如图7中举例显示的那样。当已知数量122的半固态金属34从半固态金属槽16中通过吸管108移出时，一个相似数量126的熔化金属32从源52通过进口26被添加到半固态金属槽16中用以保持储器30中半固态金属槽16的水平124和半固态金属槽16的温度。相似数量126的熔化金属32的数量最好基本上和已知数量122的被移走的半固态金属34的数量相等。虽然每一次铸造循环以后已知数量122的被移走的半固态金属34可以被相似数量126的熔化金属32所接替，但通常最好是经过几次铸造循环以后用相似的累积数量的熔化金属32来接替在几次循环期间被移走的累积的半固态金属34。

在典型的应用中，容器12含有大致1200磅(544.3Kg)的半固态A356铝合金，而从半固态合金形成的构件通常需要5到30磅(5-30Lbs.)(2.27-13.6Kg)的半固态合金来制造。所以，在重量上不到百分之三(3％)的590-615℃(1094-1139°F)的半固态金属34被从槽16移走并且由高于165℃(1139°F)的熔化金属32替代，引起槽16的平均温度在每次铸造循环中的变化大大小于摄氏1度(1℃)(1.8°F)。甚至如果二十五磅(25lbs.)(11.34Kg)半固态金属34由来自源52的熔化金属32替代，A356槽16的平均温度的变化也小于十分之三摄氏度(0.3℃)(0.54°F)。

本发明精心设计的一个方法包括提供一台具有一个用于接纳将被铸造的金属并使该金属冷却到固体形态的模腔的模铸压机，和提供一个具有一个底墙36和一个侧墙38的熔化金属的容器12。在容器12中的熔化金属的温度降低到金属开始凝固的水平，然后金属被搅动和加热，其目的是使该金属保持在一个含有金属的固体微粒和熔化的金属的百分比受控制的等温状态。如图说明，固体微粒的百分比的控制部分地通过将金属的温度控制在一个设定点的特定范围之内来实现，其方法是将半固态金属34通过一个加热腔24循环，该加热腔通过容器12的底墙36与容器相通并且使半固态金属34通过容器12的侧墙38冷却。

受控制数量122的半固态金属34周期性地从容器12中抽取出并转送到模腔进行铸造。整个转送过程中半固态金属34都保持其半固体的状态直至转送完成。在转送步骤的期间被抽取的半固态金属34的温度是受到控制的。虽然目前的最佳方法通过提供一个温度受控制的吸管108和进料套筒116来控制在转送期间被抽取的半固态金属34的温度，但也可以将压机和容器12定位得互相之间充分邻近来控制温度，这样被抽取的半固态金属34可以在容器12和进料套筒116之间足够快地用人工或自动地舀出以防止大量热量从被转送的数量122中损耗。作为转送步骤的一部分，受控制数量122的半固态金属34在压力下被迫使进入模腔。所需要的压力大约为10000psi(1.45巴)。

用于将被抽取的半固态金属34压进模腔的柱塞头132被设计成有选择地密封进料套筒116以便于在压制前容许将半固态金属34真空舀出至模具，以及破坏密封以容许不在进料套筒116内的半固态金属34返回至槽16。

相应的受控制数量126的熔化金属32周期性地被添加到容器12中以替代每次被抽取的数量122的半固态金属34。通过不断的搅拌和受控制的加热，容器12中的半固态金属34被保持在稳定的半固体的状态。限制受控制数量122的被抽取的半固态金属34的数量，使被抽取的数量不会超过容器12中半固态金属34的全部体积的特定的百分比，以及控制被添加以接替被抽取掉的半固态金属34的熔化金属32的温度，使该温度仅稍稍高于金属的液化温度，这些都包括在受控制地加热半固态金属34的各个方面之中。

虽然本发明通过参考某些最佳实施例已经详尽地进行了叙述，但在下面的权利要求书中所叙述和限定的本发明的范围和精神下还存在各种变化和改进。

Claims (34)

1、一种将经加热的金属传送到一用于制造模制金属铸件的模铸装置的设备，该模铸装置包括形成至少一个具有一个真空门和一个金属馈送门的模腔的模具，该设备包括：

一个熔化金属源，其中该熔化金属的温度保持在一个预先确定的高于金属将开始凝固的温度的温度范围；

一个含有在半固体状态下的金属的容器，其中直至约45％的金属是金属的流体份额中悬浮着的微粒；

一个加热的吸管；

一个和该容器通过该被加热的吸管有金属流体相通的注射套筒，该注射套筒通过金属馈送门和模腔相通，并且有一个在该套筒中能往复移动的用于迫使在该套筒中的半固态金属在压力下进入模腔的柱塞；以及

一个和真空门，模腔，馈送门和注射套筒相通的真空源，该真空源用于从温度受控制的该容器通过经加热的该吸管将半固态金属抽取进入该套筒中处于将由该柱塞迫使其进入模具的一个位置。

2、如权利要求1所述的设备，其特征在于所述的容器包括一个底部，一个侧墙和一个顶部，还包括一个配置在该容器内的搅拌器和一个用于将热量通过该容器的底部传递到该容器内的半固态金属的加热器。

3、如权利要求2所述的设备，其特征在于该容器的底部包括一个有独立尺度的和该容器内的半固态金属通过该容器的底部有金属流体相通的加热腔，并且该加热器是被安置来加热该加热腔中的金属。

4、如权利要求3所述的设备，其特征在于该加热器是一种感应加热器。

5、如权利要求4所述的设备，其特征在于该搅拌器被安置在该容器中，用于促进在该加热腔中的金属和该容器中的半固态金属的混合。

6、如权利要求1所述的设备，其特征在于该注射套筒被包以一个夹套，而一种该流体通过该夹套循环。

7、如权利要求6所述的设备，其特征在于该容器的底部包括一个有独立尺度的和该容器内的半固态金属通过该容器的底部有金属流体相通的加热腔，而该加热器是安置来加热该加热腔中的金属。

8、如权利要求1所述的设备进一步包括一个用于将预先确定体积的熔化金属从该熔化金属源传送到该容器的传送装置。

9、如权利要求8所述的设备，其特征在于该容器的底部包括一个有独立尺度的和该容器内的半固态金属通过该容器的底部有金属流体相通的加热腔，而该加热器是安置来加热该加热腔中的金属。

10、如权利要求3所述的设备，其特征在于用于将半固态金属传送到经加热的注射套筒的吸管从该容器中的半固态金属的表面向上延伸。

11、一种改进的用于盛放一半固态金属并将其保持在一种等温状态而用于铸造的容器，所述容器具有一个底部，一个侧墙及顶部，一个搅拌器以及一个加热器，其改进之处为其中加热器是设置为将热量通过该容器的底部传送给该容器中的半固态金属。

12、如权利要求11的经改进的容器，其特征在于该容器的底部包括一个有独立尺度的和该容器中的半固态金属通过该容器的底部有金属流体相通的加热腔，而该加热器是安置来加热该加热腔中的金属。

13、如权利要求12的经改进的容器，其特征在于该加热器是一种感应加热器。

14、如权利要求12的经改进的容器进一步包括一个在该容器中的搅拌器，该搅拌器是安置来促进加热腔中的金属和该容器中的经搅动的半固态金属的混合。

15、在一种模铸工艺中，其中一半固态金属由一个柱塞从一个注射套筒中被驱动进入一个模具，其改进之处为包括加热该注射套筒的步骤。

16、如权利要求15的经改进的工艺，其特征在于注射套筒被包以夹套，而一种流体通过该夹套而循环。

17、一种用于从一个保持在一种半固体状态下的合金源模铸金属合金的方法，该方法包括的步骤为：

提供一台具有一个用于接纳将被铸造的金属并且将该金属冷却到一种固体形态的模腔的模铸压机，

提供一个具有一个底部和一个侧面的熔化金属的容器，

将该熔化金属的温度降低到该金属将开始凝固的水平，和

搅动该金属和控制温度，将该金属保持在一种含有金属和熔化金属的固体微粒的等温状态，其中控制温度由通过该容器的底部加热来完成，以及其中该金属的冷却部分地通过该容器的侧面，以及其中的搅动包括从该容器的侧面剪切正在凝固中的金属，

由此该容器中的金属通过不断的搅动和温度控制保持在一种稳定的半固体状态。

18、如权利要求17的方法进一步包括从该容器中周期性地抽取控制数量的金属，并且将该金属通过一个吸管转送到用于铸造的模腔中的步骤。

19、如权利要求18的方法进一步包括在转送步骤期间控制被抽取的金属的温度的步骤。

20、如权利要求18的方法进一步包括周期性地将相应的控制数量的熔化金属添加至该容器以替代每次抽取的金属的数量的步骤。

21、如权利要求20的方法进一步包括在转送步骤期间控制被抽取的金属的温度的步骤。

22、如权利要求18的方法进一步包括在构件的铸造期间允许悬浮在吸管中的金属返回到槽中的步骤。

23、一种用于将经加热的金属传送到模铸装置以制造模制金属铸件的设备，该模铸装置包括至少一对在其间形成至少一个具有一个真空门和一个金属馈送门的模腔的模具，这种设备包括

一个包括温度控制机构和搅拌器，用于盛放一槽半固态金属的容器，

一个用于向该容器传送熔化金属的系统，

一个从该容器向模铸模具在半固体状态下传送半固态金属的转送系统，以及

一个和该容器有流体相通的加热腔。

24、如权利要求23的设备进一步包括用于控制从容器抽取的半固态金属的数量和添加到该容器去的熔化金属的数量的调节器。

25、如权利要求23的设备，其特征在于其中转送系统包括机械铸勺。

26、如权利要求23的设备，其特征在于其中传送系统包括真空铸勺。

27、如权利要求26的设备，其特征在于其中转送系统包括一个带有一个加热器的吸管。

28、如权利要求24的设备，其特征在于其中转送系统包括一个和一个注射套筒有流体相通的吸管和一个柱塞，该柱塞在真空舀出期间密封了该注射套筒以允许被抽取的半固态金属进入该注射套筒并在将该材料压入模腔之前悬浮在该吸管中，该柱塞在加压过程期间创立了一个排出通道以允许先前悬浮在吸管中的金属返回到金属槽中。

29、如权利要求23的设备进一步包括一个用于加热在加热腔中的金属的感应加热器。

30、如权利要求23的设备，其特征在于其中的容器具有的体积要大大地大于通过模铸制造一个构件所需要的半固态金属的体积。

31、一种用于将经加热的金属传送到模铸装置以制造模制金属铸件的设备，该模铸装置包括至少一对在期间形成至少一个具有一个真空门和一个金属馈送门的模腔的模具，这种设备包括

一个用于盛放一储器的半固态金属的容器，

一个和该储器有流体相通的吸管，以及

一个和该模腔和吸管有流体相通的进料套筒，其中该进料套筒包括一个在其内接纳该吸管而形成一个连接点的小孔，所形成的小孔最大限度地减小了在连接点的进料套筒的表面区域。

32、如权利要求31的设备，其特征在于其中该吸管包括一个接纳在该小孔中的切成斜坡的端口。

33、如权利要求32的设备，其特征在于其中该吸管是非金属的。

34、如权利要求32的设备，其特征在于其中该进料套筒包括一个在该小孔内形成的锥口孔。

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