本發(fā)明涉及鑄造鋁部件的制造，并且更具體地涉及不使用脫氣設(shè)備或晶粒細(xì)化劑來生產(chǎn)具有精細(xì)微結(jié)構(gòu)的無孔隙鋁鑄件的方法和技術(shù)。

背景技術(shù)：

孔隙和晶粒結(jié)構(gòu)長期被認(rèn)為是影響鑄造部件的機(jī)械性能，特別是疲勞性能的因素。由于固化期間從液體到固體的體積收縮而形成孔隙，同時(shí)如果固化溫度控制不當(dāng)，會(huì)形成不合需要的晶粒結(jié)構(gòu)(包括大的柱狀晶粒構(gòu)造)。在輕金屬合金(例如，通常為鋁基合金，特別地為Al-Si合金(319、356、390等))的鑄造過程中，這些問題尤為突出，這些輕金屬合金特別用于制造機(jī)動(dòng)車汽缸體和汽缸蓋。

與液態(tài)金屬相比，固體中的氣體的溶解度明顯降低，導(dǎo)致溶解的氣體形成，這通常是造成孔隙的主要原因。這對(duì)于鋁基鑄件尤其如此，其中因?yàn)闅涫俏ㄒ灰兹苡谌廴阡X的氣體，所以氫致孔隙是主要的形式。因此，有幾種目前用于減少液態(tài)鋁中的夾雜物和氫含量的方法。這些方法包括各種脫氣技術(shù)，包括旋轉(zhuǎn)葉輪脫氣、片劑(例如六氯乙烷(C₂Cl₆))脫氣、真空脫氣和噴霧脫氣。雖然這些脫氣方法已經(jīng)被證明對(duì)改變精煉鋁基熔體的程度是有效的，但它們會(huì)導(dǎo)致環(huán)境問題(例如，由于氯氣(Cl₂)釋放導(dǎo)致的環(huán)境問題)或涉及大量的資金投入。

對(duì)于晶粒結(jié)構(gòu)，我們希望鋁基鑄件產(chǎn)生精細(xì)和等軸的晶粒結(jié)構(gòu)，以使收縮、熱裂和疲勞易感性最小化，同時(shí)獲得更均勻分布的精細(xì)標(biāo)度的第二相和微孔。這些進(jìn)而改進(jìn)了屈服強(qiáng)度、斷裂韌性和其他有用的機(jī)械性能。通常，增加成核位置數(shù)量或降低生長速率的任何因素往往造成在鑄造鋁合金中產(chǎn)生精細(xì)的晶粒。常用技術(shù)包括在模具中使用激冷件或相關(guān)的插入件以提高局部固化速率(其進(jìn)而易于促進(jìn)晶粒尺寸減小并提高相關(guān)的機(jī)械性能)。例如，在砂鑄發(fā)動(dòng)機(jī)缸體中，靠近曲軸軸頸區(qū)域的艙壁形成有重金屬激冷件，以確保所需的機(jī)械性能。遺憾地是，當(dāng)使用激冷件時(shí)，可能形成不合需要的局部柱狀晶粒結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)可能會(huì)大大降低材料的疲勞性能。因此，在實(shí)踐中，當(dāng)采用激冷件時(shí)，通常在模具填充之前，將化學(xué)或元素添加劑(例如Ti、B、C或其組合)形式的晶粒細(xì)化劑放置在液態(tài)金屬或模具中。因?yàn)閷⑦@種晶粒細(xì)化劑添加到火爐中的液態(tài)金屬熔體往往隨著時(shí)間導(dǎo)致淤渣沉降，所以這種方法可大大增加火爐和再循環(huán)泵的維護(hù)成本。同樣，模內(nèi)晶粒細(xì)化趨向于在鑄造過程中產(chǎn)生更多的氧化物(其可導(dǎo)致不合需要的雙膜構(gòu)造)和微結(jié)構(gòu)偏析。因此，本發(fā)明人認(rèn)為應(yīng)當(dāng)避免使用這些晶粒細(xì)化方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，公開了一種熔融金屬脫氣和晶粒細(xì)化系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括：被配置成將所述熔融金屬的源流體地耦接到模具的傳送組件，以及被配置成使傳送組件的部分(或流經(jīng)由傳送組件限定的行進(jìn)路徑的熔融金屬)發(fā)生超聲振動(dòng)的裝置，使得在所述源與所述模具之間行程的至少一部分期間，熔融金屬與振動(dòng)互相作用以減少氫氣存在并且(在隨后固化時(shí))減小其晶粒尺寸。這種配置利用了液態(tài)或熔態(tài)下的氫、氧化物或其他雜質(zhì)的溶解度(其是的鑄造孔隙形成的重要因素)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于固態(tài)下的溶解度的事實(shí)。以這種方式，沿熔融金屬行進(jìn)路徑產(chǎn)生的振動(dòng)容易迫使金屬在模具中被固化(硬化)之前析出更低密度的氣態(tài)雜質(zhì)。這樣，等到基本上所有鋼包中所含的金屬固化之后，先前夾帶在熔融金屬中的大多數(shù)(或所有)的氫(或其他氣體雜質(zhì))被釋放出來。另外，靠近模具的部分發(fā)生振動(dòng)進(jìn)一步有助于確保在部件固化時(shí)形成小的等軸晶粒。以這種方式，使得熔體中的氫氣存在和晶粒尺寸都減小。因此，根據(jù)振動(dòng)誘發(fā)設(shè)備的位置，脫氣和晶粒細(xì)化可以連續(xù)地或局部地進(jìn)行。例如，希望對(duì)整個(gè)鑄造部件進(jìn)行脫氣或晶粒細(xì)化的情形下，可以將超聲振動(dòng)致動(dòng)器放置在沿鑄造工藝行進(jìn)路徑的多個(gè)位置中，包括流槽管、澆注包或澆注槽。同樣地，在所選部件位置(例如發(fā)動(dòng)機(jī)缸體中的艙壁或汽缸蓋的燃燒室)處進(jìn)行的局部脫氣或晶粒細(xì)化可以通過將超聲振動(dòng)致動(dòng)設(shè)備放置在對(duì)應(yīng)各種部件區(qū)域的模具的特定部分附近來實(shí)現(xiàn)。在一種示例性形式中，它們可以被放置在激冷件或相關(guān)散熱插入件上，所述激冷件或相關(guān)散熱插入件被放置在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的艙壁、汽缸蓋燃燒室等附近。顯著地，振動(dòng)誘發(fā)設(shè)備的操作使得可以進(jìn)行這種脫氣和晶粒細(xì)化，而不需要復(fù)雜的附加機(jī)械或者對(duì)熔融金屬使用晶粒細(xì)化劑添加劑。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，公開了一種生產(chǎn)鑄造鋁部件的方法，其中脫氣和結(jié)構(gòu)細(xì)化均使用超聲振動(dòng)進(jìn)行。所述方法包括：將鋁基熔體(也被稱為成品部件的熔融金屬或液態(tài)金屬前體)從其源傳送到模具；在鋁基熔體在所述源與所述模具之間的行進(jìn)路徑的至少一部分期間，向熔體施加超聲振動(dòng)，使得相對(duì)于沒有這種振動(dòng)存在的情況，實(shí)現(xiàn)熔體中的氫氣脫除；以及在熔體在模具中固化期間，向熔體施加超聲振動(dòng)，使得相對(duì)于沒有這種振動(dòng)存在的情況，所述部件的至少一部分表現(xiàn)出晶粒尺寸減小。

附圖說明

結(jié)合下面的附圖，可以最佳地理解以下具體實(shí)施例的詳細(xì)描述，其中相同的結(jié)構(gòu)用相同的附圖標(biāo)記表示，并且其中：

圖1描述了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的可被鑄造的象征性發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的視圖；

圖2A和圖2B示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的簡(jiǎn)化的熔融金屬傳送組件與鑄造組件之間的流體連接性；

圖3A至圖3C是示出了鋁合金鑄件樣品的孔隙的比較的顯微照片，其中圖3A具體地示出了沒有使用超聲振動(dòng)的這些孔隙，而圖3B和圖3C示出了相繼更長的超聲振動(dòng)應(yīng)用時(shí)間的這些孔隙減??；

圖4示出了超聲振動(dòng)施加設(shè)備相對(duì)于V形發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的艙壁的象征性放置；

圖5示出了超聲振動(dòng)施加設(shè)備相對(duì)于汽缸蓋的燃燒室的象征性放置；以及

圖6A到圖6C是示出了鋁合金鑄件樣品的晶粒尺寸的比較的顯微照片，其中圖6A具體表示沒有使用超聲振動(dòng)的這些晶粒尺寸，而圖6B和圖6C表示相繼更長的超聲振動(dòng)應(yīng)用時(shí)間的這些晶粒尺寸減小。

具體實(shí)施方式

首先參考圖1，示出了具有缸孔(在下文又稱為“發(fā)動(dòng)機(jī)孔”或更簡(jiǎn)單地稱為“孔”)105的四汽缸汽車內(nèi)燃機(jī)缸體100的簡(jiǎn)圖。除孔之外，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)配置，缸體100包括尤其用于曲軸箱110、曲軸軸承120、凸輪軸軸承130(在具有頂置式閥和推桿的發(fā)動(dòng)機(jī)的情況中)、水冷卻夾套140、飛輪殼體150和缸孔160的部分，所述部分可以由腔體限定。雖然未示出，但是汽缸蓋被固定(諸如通過螺栓連接)至發(fā)動(dòng)機(jī)缸體100的頂部并且限定(尤其)大致上圓柱形拱頂狀區(qū)域，所述區(qū)域與上文討論的缸孔105對(duì)準(zhǔn)，使得組裝有活塞、火花塞和閥(其中的每一個(gè)均未示出)的燃燒室可以影響燃燒過程和后續(xù)推進(jìn)動(dòng)力。如下文將更詳細(xì)地討論，本發(fā)明可以用于為軸承120、130和預(yù)期支承大量靜態(tài)或動(dòng)態(tài)負(fù)荷的其它表面提供材料結(jié)構(gòu)性質(zhì)的局部增強(qiáng)。

接著參考圖2A和圖2B，示出了上游熔融金屬輸送組件200與具有重力澆注的下游鑄造組件300之間的流體配合。鋁基材料首先在火爐210中熔化并且接著被泵(諸如電磁泵、機(jī)械泵或如本領(lǐng)域已知的其它泵)220強(qiáng)制穿過熔融金屬輸送組件200。熔融金屬輸送組件200包括各種流體通道，包括流槽管230、鋼包240和澆注凹盤250(象征性地示出為偏離凹盤，但是同樣可適用于圓錐形或其它形狀)。鑄造組件300包括接受來自鋼包240和澆注凹盤250的熔融金屬(或熔體)400的澆口310。來自澆口310的熔融金屬400收集在填充蓋或井320中并且接著進(jìn)入大致上水平的澆道330中(用于諸如砂鑄的低壓鑄造操作)或進(jìn)入壓射缸中(未示出，用于高壓模鑄操作)。模具340可以包括上砂箱350和下砂箱360作為可分離結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)上半部分和下半部分，但是其它變型(諸如用于制造如本領(lǐng)域中已知的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體或汽缸蓋的變型)也可以用于模具340。大致上水平的內(nèi)澆道370用于將澆道330流體地耦接至上砂箱350和下砂箱中的一個(gè)或兩者以將熔融金屬400傳遞至限定所制造部件的形狀的內(nèi)腔。附加的立管380(又稱為供料機(jī))可以被放置在模具340的最上部分中供可選擇的附加供料補(bǔ)償固化收縮。

超聲振動(dòng)施加裝置500包括數(shù)個(gè)分散放置的振動(dòng)激勵(lì)器或致動(dòng)器，比如探針、換能器等。在替代實(shí)施例中，來自超聲振動(dòng)施加裝置500的振動(dòng)可以由磁流體力學(xué)攪拌機(jī)構(gòu)，比如基于磁體的電磁線圈等，施加。另外，在其中超聲探針、換能器或線圈被放置在使它們被暴露于很高溫度環(huán)境，比如鑄造模具，的位置中的情形中，它們可以進(jìn)一步包括冷卻機(jī)構(gòu)(比如通過強(qiáng)制水冷卻)。在如圖2中特別所示的一種形式中，超聲振動(dòng)施加裝置500的致動(dòng)器是沿流槽管230的軸向長度分隔開，但是，鋼包240和澆注凹盤250中的一個(gè)或兩者附近或澆口310(如圖2B中特別所示)或澆道330中的附加放置也是優(yōu)選的，就如同放置在流槽管230與模具340(如圖2B中象征性所示)之間的任何其它區(qū)域周圍一樣，其中可能需要熔融金屬400脫氣。通過將某個(gè)最小強(qiáng)度(例如，60％振幅和20kHz的頻率下10W/cm²的聲強(qiáng)度)的超聲振動(dòng)施加到橫越流槽管230、鋼包240、澆注凹盤250和澆口310的熔融金屬400，存在于熔融金屬400中的殘留氫氣可以通過伴隨的攪動(dòng)在連續(xù)脫氣運(yùn)動(dòng)中在由與超聲振動(dòng)施加裝置500振動(dòng)配合的熔融金屬輸送組件200的部分限定的行進(jìn)路徑長度上形成氣泡上升至表面。

接著參考圖3A至圖3C，示出了鋁基合金樣本上的脫氣操作的結(jié)果。具體地說，圖3A示出了當(dāng)呈熔融形式的金屬?zèng)]有經(jīng)受任何形式的超聲振動(dòng)時(shí)存在的大量暗區(qū)域(孔隙)，而圖3B和圖3C示出了當(dāng)熔融金屬在750℃溫度下經(jīng)受超聲振動(dòng)15秒(圖3B)和在750℃溫度下經(jīng)受超聲振動(dòng)34秒(圖3C)時(shí)的量相繼變少的孔隙。

接著參考圖4和圖5，示出了由發(fā)動(dòng)機(jī)缸體(圖4)和汽缸蓋(圖5)進(jìn)行的超聲振動(dòng)施加裝置500的兩次象征性放置。特別地，至于圖4，示出了V型發(fā)動(dòng)機(jī)缸體600的部分。除具有用于限定缸孔的一對(duì)大致上傾斜缸體(以及可能大量這樣的孔)之外，缸體600具有類似于上文討論的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體100的構(gòu)造并且包括隔板區(qū)域610，所述隔板區(qū)域610可以對(duì)應(yīng)于缸體600的縱向前部或后部以容置類似于缸體100的軸承120、130的軸承。超聲振動(dòng)施加裝置500(當(dāng)前示為電磁線圈的形式)可以被放置在需要通過晶粒細(xì)化(比如上文提及的軸承120、130)進(jìn)行附加表面硬化的部分附近。如上文討論，本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)結(jié)合局部激冷件700施加超聲振動(dòng)顯著減小了晶粒尺寸以及降低了以柱狀方式生長的趨勢(shì)。圖5中特別所示，超聲振動(dòng)施加裝置500還可以被放置在汽缸蓋800的拱頂區(qū)域內(nèi)。用于影響迅速固化的冷卻(和優(yōu)選的等軸晶粒結(jié)構(gòu))可以通過將激冷的水或相關(guān)冷卻劑輸送至探針或換能器以及從探針或換能器輸送激冷的水或相關(guān)冷卻劑(如箭頭所示)而實(shí)現(xiàn)。

接著參考圖6A至圖6C，示出了鋁基合金樣本上的晶粒細(xì)化操作的結(jié)果。具體地說，圖6A示出了金屬?zèng)]有經(jīng)受任何形式的超聲振動(dòng)而固化時(shí)存在的大量孔隙和相對(duì)較大晶粒結(jié)構(gòu)，而圖6B和圖6C示出了當(dāng)熔融金屬在固化之前在750℃溫度下經(jīng)受超聲振動(dòng)15秒(圖6B)和在750℃溫度下經(jīng)受超聲振動(dòng)34秒(圖6C)時(shí)的相繼變小(即，更細(xì))的晶粒尺寸。顯著地，圖3B和圖4C的孔隙減小以及圖6B和圖6C的晶粒尺寸減小和全方位圖案是在不借助于諸如晶粒細(xì)化劑或脫氣添加劑的添加劑的情況下實(shí)現(xiàn)的。另外，這些結(jié)果是在不需要復(fù)雜的脫氣裝備的情況下實(shí)現(xiàn)的。

在當(dāng)前背景中，構(gòu)成輸送組件200的每個(gè)部分均被示為分離的、分散的部件。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將明白的是，這些部件(包括流槽管230、鋼包240和澆注凹盤250)的各種功能屬性可以被并入至較大、結(jié)構(gòu)上更集成的部件中作為模擬本文描述的各種液態(tài)金屬輸送功能的方式，且執(zhí)行這種功能或這些功能的這些集成部件的任何組合均被視為在本發(fā)明的范圍內(nèi)，無論執(zhí)行這種功能的部件是否可物理地彼此分離。例如，流槽管230的遠(yuǎn)端可以配備有用作鋼包240的一體式形成的噴嘴或相關(guān)分配器(未示出)，使得橫越流槽管230的熔融金屬400從鋼包240被分配并且被分配至澆注凹盤250中。鋼包240(a)在結(jié)構(gòu)意義上與流槽管230成一體或(b)甚至不存在的事實(shí)不會(huì)有損鋼包的功能屬性在熔融金屬400從火爐210傳遞并且通過流槽管230至合適的澆注凹盤250時(shí)仍然存在的事實(shí)。因而，這些功能屬性而非它們各自分散形式的結(jié)構(gòu)部件的存在決定它們是否形成整個(gè)輸送組件200中的一部分，而且只要這種功能顯而易見，那么對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)便被視為同樣存在。

振動(dòng)誘發(fā)裝置500的放置通常(尤其是該裝置的前述探頭或者換能器部分)被敘述且描述為“處在”沿著熔融金屬400行進(jìn)路徑的一個(gè)或多個(gè)分散位置，以及“在…中”或“處在“用于塑形部件的模具340內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)位置。在當(dāng)前背景下，這不意為這種裝置必須物理地嵌入對(duì)應(yīng)的輸送組件200或模具340中(雖然其能夠這樣)，而是僅意為這種裝置被放置得足夠接近以確保相對(duì)于熔融金屬或固化金屬所生成的超聲振動(dòng)的效能；因此，振動(dòng)探頭、換能器或振動(dòng)誘發(fā)裝置500的線圈的放置可以在組件200或模具340的內(nèi)表面上或外表面上或相鄰所述內(nèi)表面或外表面。

通過使用合適的控制器(未示出)，可自動(dòng)進(jìn)行鑄造操作。在這種情況下，控制器可以配備有中央處理器(CPU)，和內(nèi)容可尋址存儲(chǔ)器(例如，以只讀存儲(chǔ)器(ROM)和隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器(RAM)的形式，該只讀存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)控制整個(gè)裝置的操作的程序，該隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)域)。CPU連接至輸入/輸出界面(其可以執(zhí)行分散和模擬輸入及輸出中的一個(gè)或兩者)，而附加信號(hào)處理裝置，比如模擬-數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換器和一個(gè)或多個(gè)濾波電路。這種控制器可以作為數(shù)字信號(hào)處理器，應(yīng)用專用集成電路，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，任何適當(dāng)?shù)目删幊踢壿嬈骷?，分散門或晶體管邏輯器，分散硬件部件或其任何組合。在一個(gè)優(yōu)選形式中，控制器被配置成指示超聲振動(dòng)施加裝置500如何分段進(jìn)行其包括頻率和振動(dòng)幅度的操作。在一個(gè)示例性形式中，這種振動(dòng)借助在振動(dòng)頻率至少約15kHz以及更優(yōu)選至少約20kHz的10W/cm²的最小聲強(qiáng)度以60％幅度(即，振動(dòng)能量范圍的測(cè)量值)進(jìn)行。本發(fā)明人已經(jīng)確定，為了能夠執(zhí)行合適的鑄造鋁合金的脫氣以及晶粒細(xì)化，頻率需要至少15kHz，并且雖然較高頻率是有益的，但需要考慮超聲振動(dòng)設(shè)備資金成本的實(shí)際限制。在當(dāng)前背景下，約100kHz的上限頻率應(yīng)該足以用于平衡與合理設(shè)備成本相關(guān)的高頻率性能。同樣，所需振幅范圍在約50％和100％之間。

應(yīng)當(dāng)注意，術(shù)語“優(yōu)選地”“通?！焙汀暗湫偷亍痹诒疚牟挥脕硐拗扑蟊Ｗo(hù)的發(fā)明的范圍，也不暗示某些特征對(duì)于所要求保護(hù)的發(fā)明的結(jié)構(gòu)或功能是關(guān)鍵的、必要的或甚至為重要的。相反，這些術(shù)語僅旨在強(qiáng)調(diào)可以在或不在本發(fā)明的具體實(shí)施例中采用的替代或附加的特征。

為了描述和限定本發(fā)明，需注意，術(shù)語“器件”在本文用來代表部件的組合和單獨(dú)部件，無論這些部件是否和其它部件組合。例如，根據(jù)本發(fā)明的“器件”可以包括電化學(xué)轉(zhuǎn)換組件或者燃料電池、包含根據(jù)本發(fā)明的電化學(xué)轉(zhuǎn)換組件的車輛等。

為了描述和限定本發(fā)明，需注意，術(shù)語“基本上”在本文用于表示不確定性的固有程度，其可歸因于任何定量比較、數(shù)值、測(cè)量或其它表示。術(shù)語“基本上”在本文還用來表示定量表示可以與給定的參考有差異的程度，而不會(huì)導(dǎo)致討論中的主題的基本功能的變化。

已經(jīng)參照本發(fā)明的具體實(shí)施例詳細(xì)描述了本發(fā)明，顯然，在不背離由所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明范圍的情況下，可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更改和改變。更具體地，雖然本發(fā)明的一些方面在本文中被認(rèn)為是優(yōu)選的或特別有利的，但是考慮本發(fā)明不必局限于本發(fā)明的這些優(yōu)選方面。