TWI834515B - 金屬鑄件之鑄造方法 - Google Patents
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Abstract
本發明有關於一種金屬鑄件之鑄造方法。此金屬鑄件之鑄造方法係利用包含冷卻環之模具對具有特定組成及高純度之低溫膨脹的金屬材料進行由下往上之冷卻步驟，以使低溫膨脹的金屬材料定向凝固，從而獲得無缺陷之金屬鑄件。
Description
本發明係有關於一種金屬鑄件之鑄造方法，且特別是有關於一種用以具有特定組成及高純度之低溫膨脹的金屬材料之金屬鑄件的鑄造方法。
習知低溫膨脹金屬鑄件之鑄造方法係將晶種加入熔融態之低溫膨脹金屬材料，以利用晶種促進熔融態之低溫膨脹金屬材料長晶，從而形成金屬鑄件，藉此降低金屬鑄件的缺陷。
然而，前述晶種包含了低溫膨脹金屬外之其他金屬，以致所鑄造之金屬鑄件的純度降低，故習知方法不適用於製造具有高純度要求(如純度大於99重量百分比)之金屬鑄件。有鑑於此，亟需發展一種新的金屬鑄件之鑄造方法，以改善上述缺點。
有鑑於上述之問題，本發明之一態樣是在提供一種金屬鑄件之鑄造方法。此鑄造方法對具有特定組成及高純度之低溫膨脹的金屬材料進行由下往上之冷卻步驟，以使其定向凝固，從而獲得無缺陷之金屬鑄件。
根據本發明之一態樣，提出一種金屬鑄件之鑄造方法。在金屬鑄件之鑄造方法中，先提供低溫膨脹的金屬材料，此低溫膨脹的金屬材料係選自於由銻、鉍、鎵、青銅及其合金所組成之族群，且低溫膨脹的金屬材料之純度大於99重量百分比。接續，熔化低溫膨脹的金屬材料至熔融態，其中使低溫膨脹的金屬材料升溫至低溫膨脹的金屬材料之熔化溫度以上。然後，澆注熔融態之低溫膨脹的金屬材料至模具。此模具包含柱體、複數個冷卻環及控溫元件。柱體具有周壁、模穴、底面及開口，且柱體之熔點高於熔融態之低溫膨脹的金屬材料之當前溫度。此些冷卻環埋設於周壁內且環繞模穴，其中此些冷卻環之每一者的環面垂直於柱體之中心線，此些環面之相鄰二者沿著中心線相隔一距離。控溫元件連接此些冷卻環之至少一半者。在由底面往開口之方向上，與控溫元件連接之此些冷卻環之至少一半者沿著底面往開口之方向之初始溫度呈遞增，且初始溫度大於熔化溫度。
接續，對熔融態之低溫膨脹的金屬材料進行冷卻步驟，以獲得金屬鑄件，其中控溫元件以冷卻速率降低此些冷卻環之至少一半者，直至此些冷卻環之至少一半者之每一者的最終溫度小於低溫膨脹的金屬材料之凝固溫度。
依據本發明之一實施例，熔化低溫膨脹的金屬材料之操作包含以高於熔化溫度10℃以上之溫度熔化低溫膨脹的金屬材料。
依據本發明之另一實施例，模穴之內徑為5cm至10cm。
依據本發明之又一實施例，此些冷卻環埋設於與周壁之表面的深度為9mm至11mm。
依據本發明之又一實施例，距離為48mm至52mm。
依據本發明之又一實施例，沿著中心線的方向，沿著通過中心線的平面，此些冷卻環之每一者的剖面為圓形，且圓形之直徑為15mm至18mm。
依據本發明之又一實施例，當控溫元件連接此些冷卻環之全部時，此些冷卻環之相鄰二者之初始溫度相差0.5℃至5.5℃。
依據本發明之又一實施例，當控溫元件連接此些冷卻環之一半者時，與控溫元件連接之此些冷卻環之一半者的每一者及未與控溫元件連接之此些冷卻環之另一半者的每一者相鄰。
依據本發明之又一實施例，此些冷卻環之一半者中之相鄰二者的初始溫度相差0.5℃至5.5℃。
依據本發明之又一實施例，冷卻速率為-0.3℃/分鐘至-0.7℃/分鐘。
應用本發明之金屬鑄件之鑄造方法，其中利用包含冷卻環之模具對具有特定組成及高純度之低溫膨脹的金屬材料進行由下往上之冷卻步驟，以使其定向凝固，從而獲得無缺陷之金屬鑄件。
以下仔細討論本發明實施例之製造和使用。然而，可以理解的是，實施例提供許多可應用的發明概念，其可實施於各式各樣的特定內容中。所討論之特定實施例僅供說明，並非用以限定本發明之範圍。
請參閱圖1，在金屬材料之鑄造方法100中，先提供低溫膨脹的金屬材料，如操作110所示。前述之低溫膨脹的金屬材料選自於由銻、鉍、鎵、青銅及其合金所組成的族群之一者。倘若低溫膨脹的金屬材料添加前述之金屬材料以外之金屬材料，所鑄造之金屬鑄件具有缺陷。缺陷可如鑄件結構破損，且其具體例可包含但不限於隙縫及/或孔洞。
再者，低溫膨脹的金屬材料之純度大於99重量百分比。此處，本發明所稱之「純度」係指基於低溫膨脹的金屬材料之重量為100重量百分比，低溫膨脹的金屬材料中具有最高含量之金屬的含量(重量百分比)。再者，金屬鑄件之鑄造方法100排除使用晶種，而使用純度大於99重量百分比的低溫膨脹的金屬材料，以獲得純度大於99重量百分比的金屬鑄件。
在操作110後，熔化低溫膨脹的金屬材料至熔融態，如操作120所示。於操作120中，使低溫膨脹的金屬材料升溫至低溫膨脹的金屬材料之熔化溫度(亦稱作熔點)以上。在一些實施例中，操作120的熔化溫度高於低溫膨脹的金屬材料之熔點10℃以上，以利於進行後續冷卻步驟，從而助於熔融態之低溫膨脹的金屬材料後續的定向凝固。
在操作120後，澆注熔融態之低溫膨脹的金屬材料至模具中，如操作130所示。請參閱圖2及圖3A至圖3B，圖2係繪示根據本發明之一實施例之模具200之示意圖，圖3A係繪示根據圖2之模具200的柱體210的透視圖，且圖3B係繪示根據圖3A的單一冷卻環之示意圖。模具200包含柱體210、複數個冷卻環220及控溫元件230。柱體210具有周壁211、模穴212、底面213及開口214。柱體210之模穴212用以接收澆注之熔融態之低溫膨脹的金屬材料。
在一些實施例中，模穴212之內徑ID為5cm至10cm，以利熔融態之低溫膨脹的金屬材料後續的定向凝固。此外，柱體210之熔點高於熔融態之低溫膨脹的金屬材料之當前溫度，以確保柱體210不會被熔融態之低溫膨脹的金屬材料熔化。較佳地，柱體210之熔點高於操作120之熔化溫度10℃以上。
舉例而言，柱體210之材料可包含但不限於鑄砂、金屬或陶瓷。在一些實施例中，柱體210之熱傳係數可為10W/mk至38W/mk，以利於熔融態之低溫膨脹的金屬材料之冷卻，從而利於其後續的定向凝固。
此些冷卻環220埋設於周壁211內且環繞模穴212。控溫元件230連接此些冷卻環220之至少一半者，以使與控溫元件230連接之冷卻環220受到控溫元件230控制而降溫，以冷卻熔融態之低溫膨脹的金屬材料。舉例而言，控溫元件230可為安裝程控式軟體之設備，以透過程控式軟體控制冷卻環220降溫。
在一些實施例中，此些冷卻環220之每一者與周壁211之表面SF的深度SD為9mm至11mm，以利於進行後續冷卻步驟，從而助於熔融態之低溫膨脹的金屬材料後續之定向凝固。
再者，如圖3A至圖3B所示，此些冷卻環220之每一者的環面CP係指所述之冷卻環220往中心線AL延伸之平面(如圖3B所示)。此些冷卻環220之每一者的環面CP皆垂直於柱體210之中心線AL，且此些環面CP之相鄰二者沿著中心線AL相隔距離DD(如圖3A所示)。在一些實施例中，距離DD為48mm至52mm，以利於進行後續冷卻步驟，從而助於熔融態之低溫膨脹的金屬材料後續定向凝固。再者，可理解的是，冷卻環220之數量由相鄰的冷卻環220之相隔距離DD的長短與柱體210之高度決定。柱體210之高度及模穴212的內徑ID可隨低溫膨脹的金屬材料之體積調整。
在一些實施例中，此些冷卻環220具有相同的尺寸，以對應於應用在圓柱狀之柱體210。在另一些實施例中，此些冷卻環220具有不同的尺寸。舉例而言，在由底面213往開口214之方向上，此些冷卻環220之每一者之環面CP的直徑呈遞增或遞減，以對應於應用在錐狀之柱體(未繪示)。
在一些實施例中，沿著通過中心線AL的平面，此些冷卻環220之每一者的剖面為圓形CR，且圓形CR之直徑CD為15mm至18mm，以利於周壁211內之熱傳導，從而利於熔融態之低溫膨脹的金屬材料後續定向凝固。
在由底面213往開口214之方向上，與控溫元件230連接之此些冷卻環220之至少一半者沿著底面213往開口214之方向之初始溫度呈遞增，且初始溫度大於熔化溫度。倘若初始溫度不呈前述之遞增情況，無法進行由下往上之冷卻步驟，故熔融態之低溫膨脹的金屬材料不能進行後續的定向凝固。附帶說明，如本發明所屬技術領域中具有通常知識者可理解的，當熔融態之低溫膨脹的金屬材料剛澆注至模具200時，亦可透過控溫元件230使此些冷卻環220升溫，以使此些冷卻環220之初始溫度大於低溫膨脹的金屬材料之熔化溫度，或者更大於低溫膨脹的金屬材料之當前溫度。此時，冷卻環220進行升溫。
在操作130後，對熔融態之低溫膨脹的金屬材料進行冷卻步驟，以獲得金屬鑄件，如操作140所示。控溫元件230以冷卻速率降低此些冷卻環220之至少一半者，直至此些冷卻環220之至少一半者之每一者的最終溫度小於低溫膨脹的金屬材料之凝固溫度。倘若控溫元件230未同時以相同之冷卻速率降低此些冷卻環220之至少一半者，無法進行由下往上之冷卻步驟，而使熔融態之低溫膨脹的金屬材料不能定向凝固。具體而言，冷卻速率可為0.3℃/分鐘至0.7℃/分鐘，以利於熔融態之低溫膨脹的金屬材料定向凝固。
詳述之，距離底面213愈近之冷卻環220的初始溫度愈低。當控溫元件230控制冷卻環220降溫後，愈接近底面213之冷卻環220愈快達到金屬材料的熔點，然後在冷卻環220降溫至低於金屬材料的凝固溫度後，此冷卻環220旁的金屬材料開始凝固。於是，金屬材料由底面213往開口214之方向進行凝固，即熔融態之低溫膨脹的金屬材料之凝固方向由柱體210之底面213(相當於柱體210之底部)往開口214(相當於柱體210之頂部)，故可稱作由下往上之冷卻步驟。此由上往下之冷卻步驟能夠達成定向凝固。
相反地，倘若在由底面213往開口214之方向上，與控溫元件230連接之此些冷卻環220之初始溫度呈遞減，愈接近開口214之冷卻環220愈快達到金屬材料的凝固溫度，故金屬材料之凝固方向由柱體210之開口214(相當於柱體210之頂部)往底面213(相當於柱體210之底部)，故可稱作由上往下之冷卻步驟。於此冷卻步驟中，上方的熔融態之低溫膨脹的金屬材料先凝固，而下方的熔融態之低溫膨脹的金屬材料尚未凝固，遂不能達成定向凝固，故由其所鑄造之鑄件具有缺陷，甚至裂痕。
在本發明之金屬鑄件的鑄造方法100中，操作140排除使用晶種促進熔融態之低溫膨脹的金屬材料凝固或長晶，故相較於使用晶種的金屬鑄件之鑄造方法，本發明之金屬鑄件之鑄造方法100可製得純度高於99重量百分比的金屬鑄件。
在一些實施例中，如圖2所示，當控溫元件230連接此些冷卻環220之一半者時，與控溫元件230連接之此些冷卻環220之一半者的每一者及未與控溫元件230連接之此些冷卻環220之另一半者的每一者相鄰，且此些冷卻環220之一半者中之相鄰二者的初始溫度相差0.5℃至5.5℃，以利於熔融態之低溫膨脹的金屬材料定向凝固。在另一些實施例中，如圖4所示，當控溫元件430連接此些冷卻環420之全部時，此些冷卻環420之相鄰二者的初始溫度相差0.5℃至5.5℃，以更利於熔融態之低溫膨脹的金屬材料定向凝固。
在低溫膨脹的金屬材料之鑄造方法100中，低溫膨脹的金屬材料之鑄造方法100可選擇性包含脫模步驟及切除冒口步驟。脫模步驟可接續於操作140後，且切除冒口步驟可於操作130及操作140之間進行。
以下利用實施例以說明本發明之應用，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。
低溫膨脹的金屬材料之鑄造方法
實施例1
根據下表1對純度為99.5重量百分比之銻進行鑄造。先以640℃之溫度熔化銻，再將液態銻澆注至模具。模具包含4個冷卻環，柱體之內徑為8cm，柱體熔點高於液態銻10℃。此些冷卻環之每一者與周壁之表面的深度為10mm。相鄰的冷卻環之相隔距離為50mm。此些冷卻環具有相同的尺寸，且柱體為圓柱狀。此些冷卻環之每一者的縱剖面為圓形，此圓形之直徑為16mm。
實施例2至12及比較例1至14
實施例2至12及比較例1至14係以與實施例1相同的方法鑄造銻棒。不同的是，實施例2至6及比較例1至7使用不同的冷卻條件。實施例7至12及比較例8至14均使用純度為100重量百分比之鉍進行鑄造，且以282℃之溫度熔化鉍，再將液態鉍澆注至模具，其中模具包含8個冷卻環。前述之實施例1至6及比較例1至6之具體條件及評價結果如下表1所示，前述之實施例7至12及比較例8至14之具體條件及評價結果如下表2所示。
評價方式
1.鑄件結構之評價
以肉眼觀察鑄件外觀的完整性，並分成頂部、中間部及底部進行評價鑄件結構，其具體評價標準如下：
○：鑄件結構完整無缺陷，
△：鑄件結構稍微有缺陷，
╳：鑄件結構破損且不完整。
2.鑄造時間之評價
對鑄造方法之鑄造時間進行評價，且其具體評價標準如下：
最短：鑄造時間小於1小時，
短：鑄造時間不小於1小時且小於3小時，
適中：鑄造時間不小於3小時且小於5小時，
長：鑄造時間不小於5小時。
表1
備註：於上表1及下表2中，欄位「連接之冷卻環」代表與控溫元件連接之冷卻環的數量，其中「全部」代表全部的冷卻環與控溫元件連接，「間隔1者」代表冷卻環以間隔1者之方式與控溫元件連接，且位於最底部之冷卻環與控溫元件連接。欄位「溫度差值」代表在與控溫元件連接之冷卻環中，此些冷卻環之相鄰二者的初始溫度之差值，且與控溫元件連接之冷卻環沿著底面往開口之方向，初始溫度呈遞增。
| 鑄造方法 | 評價結果 | ||||||||
| 冷卻步驟 | 冷卻環 | 冷卻速率 (℃/min) | 鑄件結構 | 鑄造時間 | |||||
| 連接之 冷卻環 | 溫度差值(℃) | 頂部 | 中間部 | 底部 | |||||
| 實施例 | 1 | 由下往上 | 全部 | 1 | 0.5 | ○ | ○ | ○ | 短 |
| 2 | 3 | ○ | ○ | ○ | 適中 | ||||
| 3 | 5 | ○ | ○ | ○ | 長 | ||||
| 4 | 間隔1者 | 1 | △ | △ | ○ | 短 | |||
| 5 | 3 | △ | △ | ○ | 適中 | ||||
| 6 | 5 | △ | △ | ○ | 長 | ||||
| 比較例 | 1 | 由上往下 | 全部 | 1 | △ | ╳ | ╳ | 短 | |
| 2 | 3 | △ | ╳ | ╳ | 適中 | ||||
| 3 | 5 | △ | ╳ | ╳ | 長 | ||||
| 4 | 間隔1者 | 1 | △ | ╳ | ╳ | 短 | |||
| 5 | 3 | △ | ╳ | ╳ | 適中 | ||||
| 6 | 5 | △ | ╳ | ╳ | 長 | ||||
| 7 | 自然冷卻 | 無控溫 | ╳ | ╳ | △ | 最短 |
表2
| 鑄造方法 | 評價結果 | ||||||||
| 冷卻步驟 | 冷卻環 | 冷卻速率 (℃/min) | 鑄件結構 | 鑄造時間 | |||||
| 連接之 冷卻環 | 溫度差值(℃) | 頂部 | 中間部 | 底部 | |||||
| 實施例 | 7 | 由下往上 | 全部 | 1 | 0.5 | ○ | ○ | ○ | 短 |
| 8 | 3 | ○ | ○ | ○ | 適中 | ||||
| 9 | 5 | ○ | ○ | ○ | 長 | ||||
| 10 | 間隔1者 | 1 | △ | △ | ○ | 短 | |||
| 11 | 3 | △ | △ | ○ | 適中 | ||||
| 12 | 5 | △ | △ | ○ | 長 | ||||
| 比較例 | 8 | 由上往下 | 全部 | 1 | △ | ╳ | ╳ | 短 | |
| 9 | 3 | △ | ╳ | ╳ | 適中 | ||||
| 10 | 5 | △ | ╳ | ╳ | 長 | ||||
| 11 | 間隔1者 | 1 | △ | ╳ | ╳ | 短 | |||
| 12 | 3 | △ | ╳ | ╳ | 適中 | ||||
| 13 | 5 | △ | ╳ | ╳ | 長 | ||||
| 14 | 自然冷卻 | 無控溫 | ╳ | ╳ | △ | 最短 |
請參閱表1及2，相較於各比較例，各實施例使用由下往上之冷卻步驟，確實可使熔化之銻定向凝固，從而獲得較佳結構之金屬鑄件。其次，使用全部的冷卻環進行冷卻，可更提升金屬鑄件的結構完整性。
綜上所述，本發明之金屬鑄件之鑄造方法對具有特定組成及高純度之低溫膨脹的金屬材料進行由下往上之冷卻步驟，以使其定向凝固，從而獲得無缺陷之金屬鑄件。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，在本發明所屬技術領域中任何具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100:方法
110,120,130,140:操作
200,400:模具
210,410:柱體
213,413:底面
214,414:開口
211,411:周壁
220,420:冷卻環
230,430:控溫元件
AL:中心線
CD:直徑
CP:環面
CR:圓形
DD:距離
ID:內徑
SD:深度
SF:表面
為了對本發明之實施例及其優點有更完整之理解，現請參照以下之說明並配合相應之圖式。必須強調的是，各種特徵並非依比例描繪且僅係為了圖解目的。相關圖式內容說明如下：
圖1係繪示根據本發明之一實施例的金屬鑄件之鑄造方法的流程圖。
圖2係繪示根據本發明之一實施例的模具之示意圖，其中模具的柱體以沿著通過中心線的平面進行切剖的剖面呈現。
圖3A係繪示根據圖2之柱體的透視圖。
圖3B係繪示根據圖3A的單一冷卻環之示意圖。
圖4係繪示根據本發明之另一實施例之模具的示意圖。
100:方法
110,120,130,140:操作
Claims (10)
- 一種金屬鑄件之鑄造方法，包含： 提供一低溫膨脹的金屬材料，其中該低溫膨脹的金屬材料係選自於由銻、鉍、鎵、青銅及其合金所組成之一族群，且該低溫膨脹的金屬材料之一純度大於99重量百分比； 熔化該低溫膨脹的金屬材料至一熔融態，其中使該低溫膨脹的金屬材料升溫至該低溫膨脹的金屬材料之一熔化溫度以上； 澆注該熔融態之該低溫膨脹的金屬材料至一模具中，其中該模具包含： 一柱體，具有一周壁、一模穴、一底面及一開口，其中該柱體之一熔點高於該熔融態之該低溫膨脹的金屬材料之一當前溫度； 複數個冷卻環，埋設於該周壁內且環繞該模穴，其中該些冷卻環之每一者的一環面垂直於該柱體之一中心線，該些環面之相鄰二者沿著該中心線相隔一距離；以及 一控溫元件，連接該些冷卻環之至少一半者， 其中在由該底面往該開口之一方向上，與該控溫元件連接之該些冷卻環之該至少一半者沿著該底面往該開口之該方向之一初始溫度呈遞增，且該初始溫度大於該熔化溫度；以及 對該熔融態之該低溫膨脹的金屬材料進行一冷卻步驟，以獲得該金屬鑄件，其中該控溫元件以一冷卻速率降低該些冷卻環該至少一半者，直至該些冷卻環該至少一半者之每一者的一最終溫度小於該低溫膨脹的金屬材料之一凝固溫度。
- 如請求項1所述之金屬鑄件之鑄造方法，其中該熔化該低溫膨脹的金屬材料之操作包含以高於該熔化溫度10℃以上之一溫度熔化該低溫膨脹的金屬材料。
- 如請求項1所述之金屬鑄件之鑄造方法，其中該模穴之一內徑為5cm至10cm。
- 如請求項1所述之金屬鑄件之鑄造方法，其中該些冷卻環埋設於與該周壁之一表面的一深度為9mm至11mm。
- 如請求項1所述之金屬鑄件之鑄造方法，其中該距離為48mm至52mm。
- 如請求項1所述之金屬鑄件之鑄造方法，其中沿著通過該中心線的一平面，該些冷卻環之每一者的一剖面為一圓形，且該圓形之一直徑為15mm至18mm。
- 如請求項1所述之金屬鑄件之鑄造方法，其中當該控溫元件連接該些冷卻環之全部時，該些冷卻環之相鄰二者的該初始溫度相差0.5℃至5.5℃。
- 如請求項1所述之金屬鑄件之鑄造方法，其中當該控溫元件連接該些冷卻環之一半者時，與該控溫元件連接之該些冷卻環之該一半者的每一者及未與該控溫元件連接之該些冷卻環之另一半者的每一者相鄰。
- 如請求項8所述之金屬鑄件之鑄造方法，其中該些冷卻環之該一半者中之相鄰二者的該初始溫度相差0.5℃至5.5℃。
- 如請求項1所述之金屬鑄件之鑄造方法，其中該冷卻速率為-0.3℃/分鐘至-0.7℃/分鐘。
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|---|---|---|---|
| TW112108447A TWI834515B (zh) | 2023-03-08 | 2023-03-08 | 金屬鑄件之鑄造方法 |
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ID=91269578
Family Applications (1)
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| TW112108447A TWI834515B (zh) | 2023-03-08 | 2023-03-08 | 金屬鑄件之鑄造方法 |
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| Country | Link |
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| TW (1) | TWI834515B (zh) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20100163207A1 (en) * | 2007-08-03 | 2010-07-01 | Forschungszentrum Dresden-Rossendorf E. V. | Method and device for the electromagnetic stirring of electrically conductive fluids |
| CN102397987A (zh) * | 2011-11-23 | 2012-04-04 | 北京交通大学 | 一种自调温模具及其使用方法 |
| CN103170577A (zh) * | 2011-12-20 | 2013-06-26 | 通用电气公司 | 感应搅拌、超声修改的熔模铸件和产生设备 |
-
2023
- 2023-03-08 TW TW112108447A patent/TWI834515B/zh active
Patent Citations (3)
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