[其他]反重力金属铸造的设备和方法

说明书

本发明涉及反重力金属铸造的方法和设备，尤其是活性金属，如某些含有在铸造温度下易与空气反应生成氧化物和（或）氮化物（对铸造产品有害）的元素的特定合金。

由于在整个铸造操作中金属所处的温度是其易与空气反应的温度，所以为了高质量地铸造这些活性金属，整个铸造操作都应在排除空气的情况下进行，排除空气可以是抽真空也可以用惰性气体置换空气。通过排除空气进行反重力铸造通常所用的一种方法和设备公开于美国专利3863706号和3900064号中。依照这些专利，金属熔化坩埚的密封室上方安装有一个可抽真空的密封外室，该外室有通过一个从其上伸出穿过坩埚密封室顶部的管道而通向坩埚的通路，管道上装有中间闭合的滑动阀。外室内有一个可竖直分开的铸模室，室内可容纳一个透气性铸模且围绕铸模是密封的，铸模注入管的下端从铸模室的底部伸出。

使用这些专利中所述的专利设备，所铸的熔融金属来自坩埚，在坩埚密封室抽成高真空的条件下将金属锭在坩埚中熔化。在铸造中，铸模放在外室内的铸模室中，铸模室和外室都是密封的且抽真空，它们和坩埚密封室被用惰性气体例如氩气回充达到同样的低真空。随着管道阀张开，铸模室通过管道下降，使铸模注入管的伸出端处于坩埚内熔融金属的表面之下。随后将铸模室抽成足够高的真空，使熔融金属流过注入通道注满铸模型腔。当铸模型腔中的金属充分硬化后，升高铸模室和外室的压力，将铸模室从坩埚密封室中取出送入外室，而后从铸模室和外室中取出铸模。

这些专利的方法和设备在生产易与空气反应的金属的优质铸件方面已经是很成功的了，但围绕铸模室的外室及其与坩埚密封室相连的装有阀门的管道是很昂贵的设备，这些设备使操作复杂化且给使用带来一些不良的制约。例如，外室需要有密封门来提供通向铸模室的通道，以放入和取出铸模，但该外室对这些操作有妨碍。通过连通管道，外室受到来自坩埚密封室的热传导的影响，当阀门打开时，外室受到其中热量的影响，这使得外室的充分冷却很困难。用来在外室内部升降铸模室的机械装置的位置使伸入外室中的活动件四周的密封复杂化，而且在外室密封时使封闭通向机械装置和铸模的通道很复杂。

其它现有技术尽管避免了上述复杂设备，但未能在盛放熔融金属的坩埚中有效地获得惰性气氛。

本发明使之成为可能，取消上述专利设备中铸模室的外室及其与坩埚密封室相连的装有阀门的管道，同时在熔融金属表面有效地保持惰性气氛。

有可能进行这种实质性的改进部分上要归因于新设备的构想，在新设备中装有使熔融金属上表面与开口外的环境空气源相隔一段距离的装置，足以防止循环气流（称为Brillion区）通过坩埚密封室的开口将空气向下带至金属，而且该装置还能在铸模的注入过程以外的时间内保持这一间距。

在优选的实施例中，金属上表面与环境空气源之间的距离至少为8英寸，更好的是至少18英寸。一种优选的间隔装置是一个能回复可压缩的柔性保护罩，它位于坩埚密封室的开口与有注入管自由端从其中伸出的可抽真空铸模室的开口之间。当注入管插入坩埚密封室位于熔融金属表面之下时，保护罩压缩。在插入过程中，铸模室抽真空从而在铸模内部造成低压，使其低于坩埚密封室中惰性气体的压力。这样即可将惰性气体和熔融金属从坩埚密封室中吸入铸模。一旦铸模型腔被充满，注入管从坩埚密封室的开口抽出，于是保护罩回复到其原有形状。

另一个优选的间隔装置是一个可移动件，它是坩埚密封室的一个组成部分，当注入管的自由端伸入坩埚密封室时，该装置压缩，最好的情况是，压缩发生于坩埚密封室的上壁与容纳铸模的可抽真空铸模室的下壁相接触之时。一旦铸造完成且注入管抽出，该件回到其原有位置。

此设备和工艺的优点是，不必具有如早期技术的复杂的密封室即可进行铸造。为了达到这一目的，注入管的表面要不透气，而且在坩埚密封室内要保持足够的惰性气体压力，以防止空气自开口外的空气源通过开口进入坩埚密封室内部。惰性气体的压力最好是稍高于大气压。如果惰性气体是氩气（密度大于空气）或氮气（密度略小于空气）或其它在相同条件下密度至少与氮气相近的气体，那么随之而产生的惰性气体通过开口向大气的散失是最少的。

用这种方法不仅取消了早期技术的复杂设备，而且通过采用长度适当的注入管，使保持铸模室与坩埚密封室有一定间隔且靠空气或惰性气体使它们之间绝热成为可能，从而保证了更高的效率和降低了铸模室的冷却费用。此外，在铸造操作过程中注入管易于接近和便于操作，例如可如同美国专利4589966号中那样对其进行咬合密封。