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。

其进一步的优点是减少了系统抽气和充入惰性气体所需的时间，这对于铸造大型零件是有用的。

在优选的工艺和设备中，坩埚套的开口上配有可移动式盖，该盖在开口周围与密封室是可密封的。铸造操作前取下此盖而铸造操作后再将其盖上。此盖与开口配合严密，由于它不需要承受密封室的抽真空负荷，所以相对较轻且易于手工操纵。为了在高真空下熔化新供给的金属锭，配备了另一个更大更重的无孔盖，该盖亦在开口周围可与密封室相密封，此盖可用机械起重装置来操纵。金属在真空下熔化之后，密封室回充入惰性气体，大盖为小盖所替换。

在此工艺和设备中，自坩埚密封室向铸模室提供了额外的惰性气体，帮助进行冲洗操作和（或）随后升高铸模室的压力。上述专利中的铸模抽真空连通件的优点也得到利用。

以下将结合附图来详述本发明，在附图中：图1和图2是本发明一优选设备的侧视剖面图，表明了本发明方法操作中的步骤。

图3和图4是本发明另一优选设备的侧视剖面图，表明了操作步骤。

图5是一个类似设备的视图，表示了往坩埚内加入金属的情形。

参照图1，用来盛放具有上表面64的熔融铸造金属的坩埚62密封在一个通常为箱式的结构内，总标号为60。密封室60可放置在地面上，它有其上壁66，上壁66通过O型密封环68安置在侧壁的顶部，是可拆卸式的（以便全部暴露内部）。密封室60壁的内部可配有蛇形管（未示出）以进行冷却液（如水）的循环，或采用相间一定距离的双层壁使冷却剂能在其间循环。坩埚62嵌入一个电绝缘的耐火材料件70中，坩埚周围环绕着感应加热线圈72。

在密封室60的上壁66上有开口74，与坩埚62中熔融金属的表面64对中，此开口的尺寸能使可抽真空的铸造装置10的注入管40的下端44自由地从中穿过。在隔热板78上有一个类似的开口76，该板由绝热材料制成，位于坩埚上方，支撑在耐火件70的顶部。活动盖80用于盖住开口74，靠O型密封环82在开口74周围与密封室的上壁66相密封。在盖80的中间可有一小孔84，可从其中将热电偶插入熔池进行测温。密封室60有一个与差压装置（未示出）相连的连通件86，能够在密封室密封后将坩埚密封室抽成高真空。至惰性气体源（未示出）也配有连通件88。

至此所述设备的优点与美国专利4589466号的简化铸造设备是一致的，适用于无空气铸造法。然而，最好还是使用本文附图所示的改进型。

铸造装置10有一个安装在可竖直移动的支架14上、密封的可分式铸模室12。铸模室12分为两部分，当其闭合时靠一个O型环（未示出）密封在一起，用适用的装置（未示出）可使这两部分在竖直方向上打开和闭合。在其铸模下支撑壁，铸模室12有一个支撑透气铸模（总标号为20）的中心孔18，此处所示的铸模为壳型铸模，铸模有一个带有下端24的竖直注入通道22，用来将熔融金属引入其中的铸模型腔26。在其上壁，铸模室12有一个至差压装置（未示出）的连通件16。

所配置的不透气注入管40有一喇叭形的上部分和竖直向下延伸的下部分44，上部分有一个放射状向外延伸的上凸缘42。

上凸缘42密封地插入铸模室12的铸模下支撑壁与铸模20围绕其开口24的下端之间。下部分44穿过铸模室12的中心孔18竖直向下延伸。与活动支架14相连的动力液压缸34可通过有选择地升降带有铸模20的铸模室12，使坩埚62和带有铸模20的铸模室12产生相互靠近和分开的相对移动。尽管图中没有表示，然而铸模室12的各个可分开的半部分均可有冷却内部的装置，诸如与冷却剂（可以是水）源相连的环绕状蛇形管或双层壁间的循环空间。

差压装置可进行选择性操作，通过连接差压装置（未示出）的连通件16a给铸模20的内部施加一个较低的压力，使之低于通过连通件16同时给铸模室12提供的压力。最好是采用能高度透气而不能透过金属的透气塞47，该塞盖在铸模20上部注入通道22的开口上，连通件16a的唇口靠密封件46在透气塞47之上与铸模顶部密封。通过连通件16a可在透气塞47及其下方的铸模内部有选择地产生一个低于铸模室12中压力的低压。密封件48可防止导管45和铸模室12之间漏气。连通件16和16a可连到不同的真空泵系统上，也可连到装有适当控制阀、能为两个连通件提供不同压力的单个真空泵系统上。

一个能回复可压缩的柔性保护罩89位于上壁66和铸造装置10之间。为了耐热，该保护罩由耐火纤维材料编织而成。保护罩89的优选材料是一种以RefresilTM为名称出售的耐火玻璃纤维，它可以从美国的Niantic Rubber Co.公司购得，该公司在美国罗得岛克兰斯顿。熔融金属表面64至位于铸造装置10的中心孔18处的保护罩89顶端的距离至少约为18英寸。这种布置使得当盖80被取下时能污染熔融金属的最近的空气源是孔18，它距熔池相对较远。这样，在用氩气吹洗密封室60的同时，可用绳子或棒（未示出）取下盖80。喷吹氩气的压力要高于大气压，使氩气充满保护罩89，并通过保护罩上的孔将保护罩内的空气排除。这样，熔池液面与唯一的潜在空气源间的距离防止了循环气流（Brillion区）将空气带入熔池。

在以本发明的方法和设备进行的铸造中，熔融金属从处于基本无空气的惰性气氛下的坩埚62中供给（以如下所述的方式）。将注入管的端部44与坩埚密封室的开口74对中即确定了铸模室12的位置（如图1所示），盖80要在铸造操作开始之前取下。通过在铸模室12的下壁和铸模20的下端之间环绕开口24密封注入管40的上凸缘42，以及采用保护罩89且同时将密封室60内惰性气体的压力维护在大气压之上，就可以防止空气通过开口74进入坩埚密封室。使用比空气致密数倍的氩气或密度仅稍低于空气的氮气，可以很容易地控制气流以防止空气从开口74进入密封室60。

在铸造过程中，通过动力液压缸34移动铸模室12，使注入管40和坩埚密封室60相对运动，从而将注入管从密封室的开口74中穿过。参照图2，注入管端部44从开口74中插入且浸入熔融金属液面之下。注入管端部44和坩埚密封室60的相对运动将保护罩压缩成一个小的较为扁平的形状。同上述相应美国专利的方法一致，当注入管端部44和坩埚密封室60相互靠近时，靠操纵连通件16a通过竖直通道22给铸模20的内部施加低压压差，使氩气，随后是金属，向上流入注入管40并充满竖直通道22，竖直通道22中的金属静压头也使金属横向流入铸模型腔20中。同时，等于或高于通过连通件16a所施加的压力，但低于坩埚内熔融金属压力的一个二次压力通过连通件16施加给铸模室12，同样也加到铸模20的外部，以确保铸模型腔26充满熔融金属。二次压力的大小要恰好适于使铸模型腔26充满。一旦注模完成，可升高围绕铸模20的压力，同时保持铸模内部的低压，以改善铸件质量和降低铸模内的拉应力。只要铸造金属处于活性温度，就将通过连通件50输入惰性气体，升高铸模室12中的压力。

一旦铸造完成，上述压力均恢复到大气压。随后打开铸模室12，取出注满的铸模20和注入管40，准备下一个铸造循环。由于保护罩89是能回复可压缩的，这时它恢复其原始形状。盖80重新盖在密封室60的开口74上，除非另一套铸模已作好铸造准备。

连通件16a的使用和刚才所述的操作方法是优选的方案，但并不是必需的。省略连通件16a，所述方法的改变只是在于，充满铸模型腔所需的低压完全是在铸模室12内通过连通件16产生的，铸模外部的低压通过其透气模体传入铸模内部。其结果总的来说不如使用压力不同的双真空连通件的那样令人满意。这时，在充满铸模型腔的过程中未能有效地从铸模系统中清除杂质，为获得适当充满所需的铸模外部压力要降低，结果铸模的负荷增大。但是无论如何，同早期技术相比，没有连通件16a的本发明的方法和设备也有显著效益。

参照图3，这里给出了防护熔融金属不受污染的另一种方法。坩埚密封室60配备有一个支撑在液压缸（未示出）上的活动部分67，使金属表面64与开口74（最近的空气源）相隔一段距离并将这段距离保持在约18英寸或更大。就这一距离来说，可以在取下盖80充入氩气的情况下防止循环气流所造成的污染。如图4所示，在铸造过程中，当注入管40和坩埚密封室60相对运动相互靠近，装置10的底部（注入管40从其中伸出）与坩埚密封室的上壁66相接触时，活动部分67接合并压入。一旦铸造完成且注入管40抽出，活动部分67回到其原始位置。装置10底部和壁66的接合密封住开口74，在活动部分67被压缩的过程中和充模后回到其原始位置时防止了任何显著的空气侵入。

参照图5，为了开始时在无空气的惰性气氛下向坩埚供给金属（只是有时需要这样），配备了一个无孔的替换盖90，它在尺寸和强度上均大于盖80，并且能够满足给坩埚密封室抽高真空的要求。取下盖80，移开图1的铸模室12及其注入管40，通过开口74和76将要熔化的金属锭92放入坩埚，替换盖90盖在开口74上且通过O型环94与密封室的上壁呈可拆式密封。密封室通过连通件80抽真空达到基本无空气的状态，感应线圈72工作，熔化金属锭。当熔池达到预期的温度时，通过连通件88向密封室内输入所需压力的惰性气体，用操纵杆（未示出）重新放上盖80，并取下替换盖90。由于盖90盖在密封室60的活动上壁66上且与其在周边上密封，所以壁66未曾暴露在一面是大气压而另一面是高真空的压差中，所以它可以象盖80那样，做得比盖90轻些，从而也就比其易于操纵。

图中为了说明本发明所选的铸模是用于多铸件的高温粘结陶瓷型铸模。然而可以理解，这只是举例说明，其它类型的铸模也是可以用的，诸如低温粘结的砂模，单铸件或多铸件，各种尺寸和形状的均可。配备低压连通件16a并按本文所述进行使用，可增加铸模的选择性。