專利名稱：減少輕合金鑄件中氣孔的方法和設(shè)備及所用的熔鹽和鹽核的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過使用熱等靜壓方法(HIP)來減少輕合金鑄件，例如鋁合金鑄件、鎂合金鑄件等中產(chǎn)生的氣孔(blow hole)的設(shè)備和方法，也涉及用于該方法的熔鹽和鹽核。
但是，使用上述任何方法生產(chǎn)的任何鑄件都有存在氣孔的問題，所以質(zhì)量次于鍛件。所以，鑄造工程師試圖通過改進鑄造方案、鑄造條件、冒口廢料等，或者通過減少模腔的壓力來解決這個問題。但是，在鑄件中仍然存在氣孔，所以其質(zhì)量不可靠。因此，使用氣體介質(zhì)例如氬或氮，通過熱等靜壓方法處理例如用于飛機的鋁合金、鎳合金、鈦合金等，進而減少氣孔以增強其作為機械部件的可靠性。
但是，用于這種處理的HIP機器非常昂貴，并且每次處理需要花費很長時間。而且，由于使用的氣體昂貴，處理的運行成本高。所以，使用這種HIP機器不適合減少輕合金鑄件中存在的氣孔。
此外，砂芯經(jīng)常用于生產(chǎn)輕合金鑄件，但是砂芯顆粒趨于粘附在合金鑄件上。在進行HIP處理之前，必須從鑄件上完全清除這些顆粒，否則這些顆粒會進入熱等靜壓處理機器并且造成其操作的破壞或停止。
本發(fā)明的產(chǎn)生正是基于上述問題。
本發(fā)明的目的是提供一種使用液壓介質(zhì)進行HIP的方法和設(shè)備，從而以低成本來減少輕合金中的氣孔，同時也提供用于本方法的熔鹽和鹽核。
本發(fā)明使用鹽代替氣體例如氬通過HIP處理輕合金鑄件。在本發(fā)明的方法中，為破裂存在于輕合金鑄件，例如鋁合金鑄件、鎂合金鑄件等中的鑄塊縮孔、缺口等，在液相出現(xiàn)的溫度下加熱輕合金鑄件，而且還通過液壓介質(zhì)進行壓制。
從用來破裂孔的溫度(即等于或低于600℃)，以及在環(huán)境和該溫度下的穩(wěn)定性考慮，采用等溫淬火工藝的鹽浴中使用的鹽作為液壓介質(zhì)。使用的鹽包括硝酸鈉、硝酸鉀、硝酸鋇和含有其中兩種或兩種以上的混合鹽。一種穩(wěn)定劑，例如重鉻酸鈉、重鉻酸鉀等，可以加入到鹽中。
使用的鹽也包括氯化鋇、氯化鈉、氯化鉀和含有其中兩種或兩種以上的混合鹽。這種鹽的氯化物可能不適用于使用鋼的處理機器，因為該氯化物會腐蝕鋼。
這些鹽的氫氧化物也不適合，因為它們在處理機器中會產(chǎn)生凝結(jié)快，或者難于處理待處理的工件。
熔鹽可以是環(huán)境溫度的熔鹽，例如氯化鋁。熔鹽應(yīng)具有可以被快速加熱到預(yù)定溫度，其中溫度的分布均勻，以及溫度可以被細致地調(diào)整的性能。
從下面的說明書中可以理解本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點。
附圖簡述

圖1表示依據(jù)本發(fā)明的熱等靜壓處理機器和減少輕合金鑄件中存在氣孔的方法的實施方案示意圖。
優(yōu)選具體實施例詳述下面說明本發(fā)明的具體實施例。
首先，參考附圖(圖1)說明本發(fā)明的熱等靜壓處理機器的具體實例。
處理機器包括兩個壓力容器1、2，其中每一個容器中盛放輕合金鑄件和液壓介質(zhì)，用來交替地將液壓介質(zhì)輸送到壓力容器1、2中的增壓設(shè)備3，用來交替地減少壓力容器1、2中液壓介質(zhì)的壓力的減壓設(shè)備4，與增壓設(shè)備3和減壓設(shè)備4流體相連用來溶解鹽使之成為液體狀態(tài)，并且在其中盛放熔鹽的設(shè)備5。在每個壓力容器中放置電加熱器6。
在運行如上所述構(gòu)造的熱等靜壓處理機器中，增壓設(shè)備3給壓力容器1提供液壓介質(zhì)，從而對壓力容器1中的輕合金鑄件進行HIP處理，同時將已經(jīng)在另外的壓力容器2中處理過的輕合金鑄件從容器2中取出，并且將未處理的輕合金鑄件放置在里面并且進行加熱。所以，一旦在第一壓力容器1中的HIP處理完成，在第二壓力容器2中的另一個HIP處理就開始。所以，該處理機器可以提高生產(chǎn)能力并且降低每個鑄件(工件)的處理成本。
通過使用熱等壓處理機器并采用上述的方法對輕合金鑄件進行HIP處理。通過在砂型中鑄造鋁材料AC4C來生產(chǎn)輕合金，AC4C是一種鑄造材料。采用具有適于拉伸試驗的形狀，并且在其平行部分具有8mm直徑的輕合金鑄件棒作為試樣。這些試樣棒在液壓介質(zhì)溫度改變，但是其壓力保持不變的條件下進行HIP處理，即對于所有的試樣，壓力為100MPa。試樣棒經(jīng)過處理之后，測量其密度，并且切割，在切割表面出現(xiàn)一定數(shù)量的氣孔，其大小等于或大于0.2mm，對其進行評價。結(jié)果示于表1中。
此外，如上所述的試樣棒材也在液壓介質(zhì)溫度保持在540℃但其壓力改變的條件下進行HIP處理。試樣棒材經(jīng)過處理之后，測量其密度，并且切割，在切割表面出現(xiàn)一定數(shù)量的氣孔，其大小等于或大于0.2mm，對其進行評價。結(jié)果示于表2中。
表1處理溫度、密度和氣孔之間的關(guān)系(壓力100MPa)溫度(℃)密度(g/cm3)氣孔數(shù)量備注未處理 2.6727.3-4202.6727.2-4402.6756.9-4602.6802.7-4802.6851.2-5002.6900.8-5402.6910.1-560-- 液相出現(xiàn)表2處理壓力、密度和氣孔之間的關(guān)系(溫度540℃)壓力(MPa)密度(g/cm3)氣孔數(shù)量備注未處理2.6727.3-502.6737.3-602.6803.8-702.6822.3-802.6852.2-902.6880.6-100 2.6910.1-110 2.6920.1-120 2.6920.1-在處理中，使用包括50％硝酸鈉和50％硝酸鉀的混合鹽與0.3％的重鉻酸鈉穩(wěn)定劑構(gòu)成的液體作為液壓介質(zhì)。每次處理的試樣棒的數(shù)量是10，其平均值如表所示。
從表1和2可以發(fā)現(xiàn)處理溫度應(yīng)當(dāng)盡可能高，但是要求在試樣的液相不出現(xiàn)的溫度范圍內(nèi)，處理溫度可以是任何試樣通常使用的溶解溫度。也發(fā)現(xiàn)如果處理壓力等于或大于90MPa，幾乎可以消除所有的氣孔，如果處理壓力等于或大于60MPa，可以基本上消除氣孔。
觀察試樣棒的結(jié)構(gòu)。通過觀察，在枝晶之間的共晶部分發(fā)現(xiàn)硅的共晶顆粒但是在未處理和已經(jīng)處理的試樣棒之間沒有發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的變化。而且，在未處理的試樣棒中幾乎沒有發(fā)現(xiàn)砂眼，盡管在使用砂型生產(chǎn)的鑄件中典型的會發(fā)現(xiàn)這些砂眼。在某些已處理的試樣棒中，并不能完全清除氣孔。這是由于在鑄造階段空氣的混入造成的，似乎具體是由于氮氣的混入造成的。在已處理的試樣棒中的氣孔尺寸遠遠小于未處理的試樣棒中的氣孔尺寸。
現(xiàn)在說明第二個具體實施例，其中涉及適合的熔鹽。
發(fā)明者發(fā)現(xiàn)如果熔鹽是由40-50％亞硝酸鈉，40-50％硝酸鉀和1-10％硝酸鈉構(gòu)成，并且具有熔點140-200℃(更優(yōu)選140-160℃)，熔鹽不會腐蝕(如上所述低于600℃)用作熱等靜壓處理機器元件的耐熱鋼合金，并且對于工件來說它是安全和穩(wěn)定的。而且，如果鹽在溶解之前是具有體積小于10mm3的固體，它不受任何日本法律限制。
實施例1由鑄造材料鋁材料AC4C生產(chǎn)作為輕合金鑄件的兩個試樣。每個試樣都是類似階梯形狀，其階梯部分具有10mm，30mm和50mm厚度。熱電偶安裝在每個試樣階梯部分的中心部位。
一個試樣放置在通常使用的電爐里，保持在500℃。另一個試樣放置在由50％亞硝酸鈉，45％硝酸鉀和5％硝酸鈉構(gòu)成并且具有熔點為143-150℃熔鹽的鹽浴中，保持在500℃。測量試樣階梯的中心部位達到490℃的時間。結(jié)果示于表3中。
從表3可以很清楚地看到依據(jù)本發(fā)明的HIP鹽浴比電爐能更快地加熱輕合金鑄件達到所需要的溫度。所以，在HIP之前使用鹽浴加熱輕合金鑄件，然后使用相同的熔鹽通過HIP來進行處理，處理的效率會極大提高。
表3試樣的階梯部分的中心部位達到目標溫度的時間(分鐘)10mm部分30mm部分50mm部分電爐 27分鐘 64分鐘129分鐘鹽浴 6分鐘 19分鐘47分鐘表4鋁鑄件重量的變化(克)AC4CH鑄件ADC12鑄件試驗前5小時以后試驗前5小時以后98.7598.75 98.88 98.8899.1499.14 98.79 98.7999.0899.08 98.77 98.7798.8498.84 98.85 98.8599.0399.03 98.95 98.9598.8898.88 98.83 98.83生產(chǎn)兩個鋁鑄件試樣。兩個都重約100克。一個試樣是由AC4CH制成的，另一個是由ADC12制成的。這些試樣浸沒在與上述相同熔鹽的鹽浴中(溫度為500℃)，檢驗鹽對試樣的腐蝕。該測試是測量在鹽浴中浸沒之前以及浸沒5小時之后并用水洗滌和干燥后的試樣重量。
從表4的結(jié)果中可以明顯看出，浸沒之后試樣的重量沒有改變。所以，可以認為熔鹽不會影響輕合金鑄件或與其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。而且，因為鹽的熔點低，在鹽浴中粘附在輕合金鑄件上的鹽保持液體狀態(tài)直到它被洗滌掉。所以，它是很容易被除去的。
現(xiàn)在說明本發(fā)明的第三個具體實施例。
在本發(fā)明的第三個具體實施例中，使用熔點為190℃-290℃的熔鹽作為液壓介質(zhì)。而且，使用由硝酸鹽制成并且具有熔點為190℃-290℃的鹽核來生產(chǎn)鋁合金鑄件或鎂合金鑄件，然后使用熔鹽的液壓介質(zhì)對鑄件進行HIP處理。
HIP處理之后，如果需要，合金鑄件會經(jīng)過熱處理和水洗滌。用來洗滌合金鑄件的水是通過硝酸鹽濃縮法進行濃縮的，然后濃縮的水返回到HIP處理中。
通過將熔點為190℃-290℃的熔鹽澆注到金屬模型中，然后改鑄(remolding)來生產(chǎn)鹽核。
當(dāng)使用鹽核來鑄造鋁材料時，鹽的熔點一定要高，否則在鑄造階段鹽會熔化。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)為了使鹽核的組成與HIP中使用的鹽相同，并且使鹽核在HIP中循環(huán)，鹽核的熔點優(yōu)選190℃-280℃。
重要的是，當(dāng)洗滌合金鑄件之后，使用硝酸鹽濃縮法將洗滌水中含有的硝酸鹽濃縮30倍，并且回收到熱等靜壓處理機器中而不排放掉。
實施例2使用鹽核由鋁材料AC4C生產(chǎn)的試樣鑄件具有的厚度為10毫米，30毫米或50毫米。熔點為145℃、195℃、220℃或280℃的硝酸鹽(硝酸鈉和硝酸鉀的混合鹽)被溶解并且澆注到金屬模型中以形成鹽核。測試結(jié)果(試驗之后鹽核的外觀)示于表5中。
表5鑄件厚度；10毫米30毫米50毫米硝酸鹽核(145℃) G M B硝酸鹽核(195℃) G G M硝酸鹽核(220℃) G G G硝酸鹽核(280℃) G G G在表5中符號“G”表示試驗后鹽核的形狀沒有問題?！癕”表示只有非常小部分的鹽已經(jīng)溶解，鹽核的外形有輕微改變，“B”表示鹽核已經(jīng)溶解，并且，已確定鑄造試樣是可接受的產(chǎn)品。
從示于表5的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)用作鑄造鹽核的鹽必須具有相對高的熔點。但是，很難配備適用于高熔點鹽的熱等靜壓處理機器。所以，優(yōu)選使用的鹽的熔點不超過300℃或更高。
當(dāng)在鑄造中不使用鹽核時，可以使用熔點為145℃-290℃的氮化物的熔鹽進行本發(fā)明的HIP。
然后，在硝酸鹽浴中測試由AC4C或ADC12生產(chǎn)、每個重量約100克的鋁鑄件試樣。為檢測鹽對試樣的影響，例如腐蝕性，將試樣浸沒在硝酸鹽浴中5個小時，然后用水洗滌和干爆。測量實驗后重量的變化(g)。結(jié)果示于表6中。
從表6中的結(jié)果可以明顯看出，鹽沒有影響鋁鑄件。而且，因為鹽的熔點低，粘附在試樣上的熔鹽保持液體狀態(tài)直到被洗滌掉。所以，它很容易被清除。
表6重量變化(克)AC4CH鑄件ADC12鑄件試驗前5小時以后試驗前5小時以后98.75 98.75 98.88 98.8899.14 99.14 98.79 98.7999.08 99.08 98.77 98.7798.84 98.84 98.85 98.8599.03 99.03 98.95 98.9598.88 98.88 98.83 98.8權(quán)利要求
1.一種通過使用熱等靜壓工藝來減少輕合金鑄件中氣孔的方法，該方法包括的步驟是在比輕合金鑄件液相出現(xiàn)的溫度低5-100℃的溫度下加熱輕合金鑄件；和采用液壓介質(zhì)壓制已加熱的輕合金鑄件，進而減少其中存在的氣孔。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中采用液壓介質(zhì)壓制已加熱的輕合金鑄件的壓力為60-120MPa。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中液壓介質(zhì)是熔鹽。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中輕合金鑄件是鋁合金鑄件和鎂合金鑄件中的一種。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中液壓介質(zhì)是由40-50％亞硝酸鈉，40-50％硝酸鉀和1-10％硝酸鈉構(gòu)成并且具有熔點140-200℃的熔鹽。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中液壓介質(zhì)是熔鹽，并且其中通過在熔鹽被加熱的鹽浴中壓制熔鹽，借助熔鹽來加熱和壓制輕合金鑄件。
7.如權(quán)利要求5或6所述的方洗其中輕合金鑄件是鋁合金鑄件和鎂合金鑄件中的一種。
8.一種用于實施權(quán)利要求5所述方法的熔鹽，該熔鹽由40-50％亞硝酸鈉，40-50％硝酸鉀和1-10％硝酸鈉構(gòu)成并且具有熔點140-200℃。
9.如權(quán)利要求8所述的熔鹽，在溶解之前具有的體積是10mm3。
10.如權(quán)利要求4所述的方法，其中液壓介質(zhì)是熔點為190-290℃的熔鹽。
11.如權(quán)利要求4所述的方法，其中鹽核用于生產(chǎn)鋁合金鑄件和鎂合金鑄件中的一種，鹽核是由熔點為190-290℃的硝酸鹽的鹽原料形成的，其中通過熔鹽液壓介質(zhì)壓制鋁合金鑄件和鎂合金鑄件中的一種。
12.一種用于實施權(quán)利要求11所述方法的鹽核，該鹽核是通過在模中鑄造熔點為190-290℃的熔鹽并且在該熔鹽凝固以后改鑄鑄態(tài)的鹽得到的。
13.如權(quán)利要求11所述的方法，更進一步包括的步驟是如果需要，在采用液壓介質(zhì)壓制之后，熱處理鋁合金鑄件和鎂合金鑄件中的一種；用水洗滌已壓制的鋁和鎂合金鑄件中的一種；采用硝酸鹽濃縮法濃縮用于洗滌已壓制的鋁和鎂合金鑄件中的一種的水；和回收濃縮的水以用于熱等靜壓工藝中。
14.如權(quán)利要求4所述的方法，其中采用熔點為145-290℃的硝酸鹽壓制鋁和鎂合金鑄件中的一種，該方法更進一步包括的步驟是用水洗滌已壓制的鋁和鎂合金鑄件中的一種；采用硝酸鹽濃縮法濃縮用于洗滌已壓制的鋁和鎂合金鑄件中的一種的水；回收濃縮的水以用于借助熔鹽進行的熱等靜壓工藝中。
15.如權(quán)利要求1所述的方法，其中使用第一和第二壓力容器，每個容器均用于盛放輕合金鑄件，溶解鹽和盛放熔鹽的單獨設(shè)備，和與第一和第二壓力容器和所述用于溶解鹽的設(shè)備流體相連的單獨的增壓設(shè)備，該方法包括的步驟是在比輕合金鑄件液相出現(xiàn)的溫度低5-100℃的溫度下加熱第一和第二壓力容器中的輕合金鑄件；和通過使用增壓設(shè)備從用于溶解鹽的設(shè)備中交替提供液壓介質(zhì)到第一壓力容器和第二壓力容器中，進而壓制在壓力容器中已加熱的輕合金鑄件。
16.一種通過使用熱等靜壓工藝來減少輕合金鑄件中氣孔的設(shè)備，包括第一和第二壓力容器，每一個容器均用于盛放輕合金鑄件和熔鹽，每一個容器都具有在比輕合金鑄件液相出現(xiàn)的溫度低5-100℃的溫度下加熱輕合金鑄件的裝置；用于在高壓下交替提供液壓介質(zhì)到第一壓力容器和第二壓力容器中的增壓設(shè)備；用于交替減少第一壓力容器和第二壓力容器中液壓介質(zhì)的壓力的減壓設(shè)備；以及用于溶解鹽和盛放熔鹽的設(shè)備，該設(shè)備與增壓設(shè)備和減壓設(shè)備相連。
全文摘要
通過使用熱等靜壓工藝來減少輕合金鑄件中氣孔的方法，包括的步驟是在比輕合金鑄件液相出現(xiàn)的溫度低5－100℃的溫度下加熱輕合金鑄件，和采用液壓介質(zhì)壓制已加熱的輕合金鑄件，進而減少其中存在的氣孔。
文檔編號B01J3/06GK1427090SQ02151890
公開日2003年7月2日 申請日期2002年10月2日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月2日
發(fā)明者加藤龍彥 申請人:新東工業(yè)株式會社