制造具有低孔隙率的铸钢合金曲轴的系统和方法

政府许可权利

本发明是根据美国能源部授予的合同号DE-EE0008877在政府的支持下完成的。政府对本发明具有某些权利。

技术领域

本公开涉及曲轴，并且更具体地涉及制造用于车辆的具有低孔隙率的铸钢合金曲轴的系统和方法。

背景技术

曲轴是能够执行在往复运动和旋转运动之间的转变的车辆零件。曲轴可以以各种方式被制造，诸如通过坯料、锻造和铸造。当前，铸钢合金曲轴的制造可以被改进以实现质量效率和成本节约。

发明内容

因此，虽然当前曲轴达到了其预期目的，但是仍需要一种新的且改进的系统和方法来制造车辆曲轴，诸如铸钢合金曲轴。根据本文讨论的实施例和示例，本公开提供了制造具有低孔隙率的车辆铸钢合金曲轴的系统和方法。进而，实现了制造成本节约。

根据本公开的一个方面，提供制造用于内燃发动机的铸钢合金曲轴的方法。该方法包括提供曲轴的阴砂铸模具。阴砂铸模具具有型腔以形成曲轴。曲轴包括至少三个销轴颈和在限定中心线的曲轴旋转轴线上对齐的至少四个主轴颈。

在此方面，每个销轴颈被布置成围绕相应的销轴颈轴线并且被定位在主轴颈之间。而且，相应的销轴颈轴线中的每个被定向成平行于所述曲轴轴线且与所述曲轴轴线径向隔开。所述销轴颈中的每个被连结到一对曲柄臂以用于在所述销轴颈和所述一对曲柄臂之间进行力传递。此外，每一对曲柄臂被连结到相应的主轴颈以用于在所述一对曲柄臂和所述主轴颈之间传递扭矩。此外，每个曲柄臂具有被布置成相对于所述中心线与相应的销轴颈相对的配重以便平衡和稳定。

在此方面，该方法进一步包括以（例如在1400摄氏度（℃）和1600℃之间的）预定温度融化第一金属材料以限定熔融金属材料。此外，该方法进一步包括在阴砂铸模具的型腔中以30°和75°之间的冒口连接角度馈送熔融金属材料。

该方法进一步包括在所述阴砂铸模具中以预定凝固时间冷却所述熔融金属材料，以限定具有所述铸钢合金曲轴的尺寸的凝固金属材料。此外，该方法包括从所述阴砂铸模具分离所述凝固金属材料以限定所述铸钢合金曲轴。

在此方面的一个示例中，所述凝固时间是在所述阴砂铸模具中在5秒和20秒之间以限定所述凝固金属材料。在另一示例中，所述凝固金属材料具有小于百分之十（10%）的孔隙率。在又另一示例中，所述凝固金属材料具有900兆帕（MPa）至1200 MPa的极限拉伸强度（UTS）、大于750 MPa的屈服强度（YS）以及5%至10%的伸长率（EL）。

在此方面的示例中，所述第一金属材料包括0.29重量百分比（wt%）至0.65wt%的碳（C）、0.40wt%至0.80wt%的硅（Si）、0.6wt%至1.5wt%的锰（Mn）、至少0.03wt%的磷（P）；0.04wt%至0.07wt%的硫（S）、0.8wt%至1.4wt%的铬（Cr）、0.2wt%至0.6wt%的镍（Ni）、0.15wt%至0.55wt%的钼（Mo）、0.25wt%至2.0wt%的铜（Cu）、至少0.03wt%的钛（Ti）、0.07wt%至0.17wt%的钒（V）、0.02wt%至0.06wt%的铝（Al）、至少0.03wt%的氮（N）、0.01wt%至0.06wt%的铈（Ce）和镧（La）之一以及余量为铁（Fe）。

在一个示例中，所述冒口连接角度在31°和65°之间。在另一示例中，所述冒口连接角度在30°和55°之间。在再另一示例中，该方法进一步包括，在馈送步骤之前，将冷却构件布置在所述阴砂铸模具的至少一个配重上。

在本公开的另一方面，提供用于制造用于车辆的铸钢合金曲轴的系统。所述系统包括模制单元，其被设置成形成所述铸钢合金曲轴的阴砂铸模具。在此方面，所述模具包括形成在其内的至少一个模制型腔，所述模制型腔具有模型，该模型具有所述钢合金曲轴的尺寸。所述曲轴包括至少四个主轴颈，其在限定中心线和水平平面的曲轴旋转轴线上对齐，穿过每个主轴颈的中间点形成所述中心线，并且沿着所述中心线纵向形成所述水平平面。所述水平平面限定所述模具的上切半部（top cut half）和下拽半部（bottom drag half）。所述曲轴进一步包括至少三个销轴颈。

在此方面，每个销轴颈被布置成围绕相应的销轴颈轴线并且被定位在主轴颈之间。而且，相应的销轴颈轴线中的每个被定向成平行于所述曲轴轴线且与所述曲轴轴线径向隔开。另外，所述销轴颈中的每个被连结到一对曲柄臂以用于在所述销轴颈和所述一对曲柄臂之间进行力传递。每一对曲柄臂被连结到相应的主轴颈以用于在所述一对曲柄臂和所述主轴颈之间传递扭矩。此外，每个曲柄臂具有被布置成相对于所述中心线与相应的销轴颈相对的配重以便平衡和稳定。

在此方面，系统进一步包括熔炉，其被设置成以（例如在1400摄氏度（℃）和1600℃之间的）预定温度融化第一金属材料以限定熔融金属材料。此外，所述系统进一步包括被设置成在所述模具的所述至少一个型腔中馈送所述熔融金属材料的馈送机构。在此方面，所述馈送机构包括被设置成具有连接部的冒口，所述熔融金属材料流动通过该连接部。所述连接部具有与所述至少一个模具型腔流体连通的颈部。所述连接部具有开口端部，所述开口端部被设置成从所述颈部扩口到所述至少一个模具型腔，从而限定相对于所述水平平面在30°和75°之间的冒口连接角度。

所述系统进一步包括冷却区域，其被设置成使所述熔融金属材料在所述阴砂铸模具中以预定凝固时间凝固，以限定具有所述铸钢合金曲轴的尺寸的凝固金属材料。此外，所述系统进一步包括分离单元，其被设置成从所述阴砂铸模具分离所述凝固金属材料以限定所述铸钢合金曲轴。

所述系统进一步包括与所述模制单元、所述熔炉、所述馈送机构和所述分离单元通信的控制器。所述控制器被构造成控制所述模制单元、所述熔炉、所述浇铸机构和所述分离单元。此外，所述系统包括电源，其被构造成给所述模制单元、所述熔炉、所述馈送机构、所述分离单元和所述控制器提供动力。

在一个实施例中，所述凝固时间在5秒和20秒之间，从而限定所述凝固金属材料。在另一实施例中，所述凝固金属材料具有小于百分之十（10%）的孔隙率。在又另一实施例中，所述凝固金属材料具有900兆帕（MPa）至1200 MPa的极限拉伸强度（UTS）、大于750 MPa的屈服强度（YS）以及5%至10%的伸长率（EL）。

在此方面的实施例中，所述第一金属材料包括：0.29重量百分比（wt%）至0.65wt%的碳（C）、0.40wt%至0.80wt%的硅（Si）、0.6wt%至1.5wt%的锰（Mn）、至少0.03wt%的磷（P）；0.04wt%至0.07wt%的硫（S）、0.8wt%至1.4wt%的铬（Cr）、0.2wt%至0.6wt%的镍（Ni）、0.15wt%至0.55wt%的钼（Mo）、0.25wt%至2.0wt%的铜（Cu）、至少0.03wt%的钛（Ti）、0.07wt%至0.17wt%的钒（V）、0.02wt%至0.06wt%的铝（Al）、至少0.03wt%的氮（N）、0.01wt%至0.06wt%的铈（Ce）和镧（La）之一以及余量为铁（Fe）。

在一个实施例中，所述冒口连接角度在31°和65°之间。在另一实施例中，所述冒口连接角度在30°和55°之间。在又另一实施例中，所述冷却区域包括被布置在所述阴砂铸模具的至少一个配重上的冷却构件。在再另一实施例中，所述冒口是多个冒口。

在本公开的又另一方面，提供用于内燃发动机的铸钢合金曲轴。所述曲轴包括至少三个销轴颈以及在限定中心线的曲轴旋转轴线上对齐的至少四个主轴颈。每个销轴颈被布置成围绕相应的销轴颈轴线并且被定位在所述主轴颈之间。相应的销轴颈轴线中的每个被定向成平行于所述曲轴轴线且与所述曲轴轴线径向隔开。所述销轴颈中的每个被连结到一对曲柄臂以用于在所述销轴颈和所述一对曲柄臂之间进行力传递。每一对曲柄臂被连结到相应的主轴颈以用于在所述一对曲柄臂和所述主轴颈之间传递扭矩。每个曲柄臂具有被布置成相对于所述中心线与相应的销轴颈相对的配重以便平衡和稳定。

在此方面，每个主轴颈和每个销轴颈包括第一金属材料，其具有小于百分之十五的孔隙率。所述第一金属材料包括0.29重量百分比（wt%）至0.65wt%的碳（C）、0.40wt%至0.80wt%的硅（Si）、0.6wt%至1.5wt%的锰（Mn）、至少0.03wt%的磷（P）；0.04wt%至0.07wt%的硫（S）、0.8wt%至1.4wt%的铬（Cr）、0.2wt%至0.6wt%的镍（Ni）、0.15wt%至0.55wt%的钼（Mo）、0.25wt%至2.0wt%的铜（Cu）、至少0.03wt%的钛（Ti）、0.07wt%至0.17wt%的钒（V）、0.02wt%至0.06wt%的铝（Al）、至少0.03wt%的氮（N）、0.01wt%至0.06wt%的铈（Ce）和镧（La）之一以及余量为铁（Fe）。

在一个实施例中，所述第一金属材料具有小于百分之十的孔隙率。在另一实施例中，所述第一金属材料具有900兆帕（MPa）至1200 MPa的极限拉伸强度（UTS）、大于750 MPa的屈服强度（YS）以及5%至10%的伸长率（EL）。

1. 一种制造用于内燃发动机的铸钢合金曲轴的方法，所述方法包括：

提供所述曲轴的阴砂铸模具，所述阴砂铸模具具有型腔以形成所述曲轴，所述曲轴包括：

在限定中心线的曲轴旋转轴线上对齐的至少四个主轴颈；和

至少三个销轴颈，每个销轴颈被布置成围绕相应的销轴颈轴线并且被定位在所述主轴颈之间，相应的销轴颈轴线中的每个被定向成平行于所述曲轴轴线且与所述曲轴轴线径向隔开，所述销轴颈中的每个被连结到一对曲柄臂以用于在所述销轴颈和所述一对曲柄臂之间进行力传递，每一对曲柄臂被连结到相应的主轴颈以用于在所述一对曲柄臂和所述主轴颈之间传递扭矩，每个曲柄臂具有被布置成相对于所述中心线与相应的销轴颈相对的配重以便平衡和稳定；

以预定温度融化第一金属材料以限定熔融金属材料；

在所述阴砂铸模具的所述型腔中以30°和75°之间的冒口连接角度馈送所述熔融金属材料；

在所述阴砂铸模具中以预定凝固时间冷却所述熔融金属材料，以限定具有所述铸钢合金曲轴的尺寸的凝固金属材料；以及

从所述阴砂铸模具分离所述凝固金属材料以限定所述铸钢合金曲轴。

2. 根据方案1所述的方法，其中，所述预定凝固时间是在所述阴砂铸模具中在5秒和20秒之间以限定所述凝固金属材料。

3. 根据方案1所述的方法，其中，所述凝固金属材料具有小于百分之十（10%）的孔隙率。

4. 根据方案1所述的方法，其中，所述凝固金属材料具有900兆帕（MPa）至1200MPa的极限拉伸强度（UTS）、大于750 MPa的屈服强度（YS）以及5%至10%的伸长率（EL）。

5. 根据方案1所述的方法，其中，所述第一金属材料包括：0.29重量百分比（wt%）至0.65wt%的碳（C）、0.40wt%至0.80wt%的硅（Si）、0.6wt%至1.5wt%的锰（Mn）、至少0.03wt%的磷（P）；0.04wt%至0.07wt%的硫（S）、0.8wt%至1.4wt%的铬（Cr）、0.2wt%至0.6wt%的镍（Ni）、0.15wt%至0.55wt%的钼（Mo）、0.25wt%至2.0wt%的铜（Cu）、至少0.03wt%的钛（Ti）、0.07wt%至0.17wt%的钒（V）、0.02wt%至0.06wt%的铝（Al）、至少0.03wt%的氮（N）、0.01wt%至0.06wt%的铈（Ce）和镧（La）之一以及余量为铁（Fe）。

6. 根据方案1所述的方法，其中，所述冒口连接角度在31°和65°之间。

7. 根据方案1所述的方法，其中，所述冒口连接角度在30°和55°之间。

8. 根据方案1所述的方法，其进一步包括：

在馈送步骤之前，将冷却构件布置在所述阴砂铸模具的至少一个配重上。

9. 一种用于制造用于车辆的铸钢合金曲轴的系统，所述系统包括：

模制单元，其被设置成形成所述铸钢合金曲轴的阴砂铸模具，所述模具包括至少一个模制型腔，所述模制型腔具有模型，所述模型具有所述钢合金曲轴的尺寸，所述曲轴包括：

至少四个主轴颈，其在限定中心线和水平平面的曲轴旋转轴线上对齐，穿过每个主轴颈的中间点形成所述中心线，并且沿着所述中心线纵向形成所述水平平面，所述水平平面限定所述模具的上切半部和下拽半部；以及

至少三个销轴颈，每个销轴颈被布置成围绕相应的销轴颈轴线并且被定位在所述主轴颈之间，相应的销轴颈轴线中的每个被定向成平行于所述曲轴轴线且与所述曲轴轴线径向隔开，所述销轴颈中的每个被连结到一对曲柄臂以用于在所述销轴颈和所述一对曲柄臂之间进行力传递，每一对曲柄臂被连结到相应的主轴颈以用于在所述一对曲柄臂和所述主轴颈之间传递扭矩，每个曲柄臂具有被布置成相对于所述中心线与相应的销轴颈相对的配重以便平衡和稳定；

熔炉，其被设置成以预定温度融化第一金属材料以限定熔融金属材料；

馈送机构，其被设置成在所述模具的所述至少一个型腔中馈送所述熔融金属材料，所述馈送机构包括被设置成具有连接部的冒口，所述熔融金属材料流动通过所述连接部，所述连接部具有与所述至少一个模具型腔流体连通的颈部，所述连接部具有开口端部，所述开口端部被设置成从所述颈部扩口到所述至少一个模具型腔，从而限定相对于所述水平平面在30°和75°之间的冒口连接角度；

冷却区域，其被设置成使所述熔融金属材料在所述阴砂铸模具中以预定凝固时间凝固，以限定具有所述铸钢合金曲轴的尺寸的凝固金属材料；

分离单元，其被设置成从所述阴砂铸模具分离所述凝固金属材料以限定所述铸钢合金曲轴；

与所述模制单元、所述熔炉、所述馈送机构和所述分离单元通信的控制器，其中，所述控制器被构造成控制所述模制单元、所述熔炉、所述浇铸机构和所述分离单元；和

电源，其被构造成给所述模制单元、所述熔炉、所述馈送机构、所述分离单元和所述控制器提供动力。

10. 根据方案9所述的系统，其中，所述预定凝固时间在5秒和20秒之间，从而限定所述凝固金属材料。

11. 根据方案9所述的系统，其中，所述凝固金属材料具有小于百分之十（10%）的孔隙率。

12. 根据方案9所述的系统，其中，所述凝固金属材料具有900兆帕（MPa）至1200MPa的极限拉伸强度（UTS）、大于750 MPa的屈服强度（YS）以及5%至10%的伸长率（EL）。

13. 根据方案9所述的系统，其中，所述第一金属材料包括：0.29重量百分比（wt%）至0.65wt%的碳（C）、0.40wt%至0.80wt%的硅（Si）、0.6wt%至1.5wt%的锰（Mn）、至少0.03wt%的磷（P）；0.04wt%至0.07wt%的硫（S）、0.8wt%至1.4wt%的铬（Cr）、0.2wt%至0.6wt%的镍（Ni）、0.15wt%至0.55wt%的钼（Mo）、0.25wt%至2.0wt%的铜（Cu）、至少0.03wt%的钛（Ti）、0.07wt%至0.17wt%的钒（V）、0.02wt%至0.06wt%的铝（Al）、至少0.03wt%的氮（N）、0.01wt%至0.06wt%的铈（Ce）和镧（La）之一以及余量为铁（Fe）。

14. 根据方案9所述的系统，其中，所述冒口连接角度在31°和65°之间。

15. 根据方案9所述的系统，其中，所述冒口连接角度在30°和55°之间。

16. 根据方案9所述的系统，其中，所述冷却区域包括被布置在所述阴砂铸模具的至少一个配重上的冷却构件。

17. 根据方案9所述的系统，其中，所述冒口是多个冒口。

18. 一种用于内燃发动机的铸钢合金曲轴，所述曲轴包括：

在限定中心线的曲轴旋转轴线上对齐的至少四个主轴颈；和

至少三个销轴颈，每个销轴颈被布置成围绕相应的销轴颈轴线并且被定位在所述主轴颈之间，相应的销轴颈轴线中的每个被定向成平行于所述曲轴轴线且与所述曲轴轴线径向隔开，所述销轴颈中的每个被连结到一对曲柄臂以用于在所述销轴颈和所述一对曲柄臂之间进行力传递，每一对曲柄臂被连结到相应的主轴颈以用于在所述一对曲柄臂和所述主轴颈之间传递扭矩，每个曲柄臂具有被布置成相对于所述中心线与相应的销轴颈相对的配重以便平衡和稳定，

其中，每个主轴颈和每个销轴颈均包括第一金属材料，所述第一金属材料具有小于百分之十五的孔隙率并且包括：0.29重量百分比（wt%）至0.65wt%的碳（C）、0.40wt%至0.80wt%的硅（Si）、0.6wt%至1.5wt%的锰（Mn）、至少0.03wt%的磷（P）；0.04wt%至0.07wt%的硫（S）、0.8wt%至1.4wt%的铬（Cr）、0.2wt%至0.6wt%的镍（Ni）、0.15wt%至0.55wt%的钼（Mo）、0.25wt%至2.0wt%的铜（Cu）、至少0.03wt%的钛（Ti）、0.07wt%至0.17wt%的钒（V）、0.02wt%至0.06wt%的铝（Al）、至少0.03wt%的氮（N）、0.01wt%至0.06wt%的铈（Ce）和镧（La）之一以及余量为铁（Fe）。

19. 根据方案18所述的曲轴，其中，所述第一金属材料具有小于百分之十的孔隙率。

20. 根据方案18所述的曲轴，其中，所述第一金属材料具有900兆帕（MPa）至1200MPa的极限拉伸强度（UTS）、大于750 MPa的屈服强度（YS）以及5%至10%的伸长率（EL）。

根据本文提供的描述，另外的应用领域将变得显而易见。应当理解，描述和具体示例仅旨在用于说明目的并且不旨在限制本公开的范围。

附图说明

本文描述的附图仅用于说明目的并且不旨在以任何方式限制本公开的范围。

图1是根据本公开的一个实施例的用于制造用于车辆的具有低孔隙率的铸钢合金曲轴的系统的示意图。

图2是根据一个实施例的由图1的系统制造的曲轴的侧视图。

图3是沿线3-3截取的图2的曲轴的截面图。

图4是图2中的曲轴的俯视透视图。

图5是图4的曲轴的端视图。

图6是根据一个实施例的图1的系统的馈送机构的俯视图。

图7A是沿线7-7截取的图6中的馈送机构的冒口的截面侧视图。

图7B是根据一个示例的图6中的多个冒口的冒口连接角度的表格。

图8是图6的馈送机构的冷却构件的透视图。

图9A是图6中的馈送机构的侧视图。

图9B是图9A的冷却构件的凝固时间表格。

图10是根据本公开的一个示例的由图1中的系统制造铸钢合金曲轴的方法的流程图。

具体实施方式

下述描述本质上仅是示例性的并且不旨在限制本公开、其应用或使用。

图1示出了根据本公开的一个实施例的用于制造用于车辆的具有低孔隙率的铸钢合金曲轴110（图2）的系统10。如所示，这系统10包括模制单元12，其被设置成具有铸钢合金曲轴110的阴砂铸模具30（见图9A）。模具30包括至少一个模制型腔，优选地多个模制型腔，以限定要被铸造的曲轴。模制单元12被设置成使得模具30具有模型，该模型具有曲轴的尺寸。在一个示例中，模具30具有使用湿砂或化学粘合砂制成的模型。之后，可以在模具内布置芯组件以进一步限定模型的尺寸或结构。应理解的是，在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可以通过任何其他合适方式来制造模具。

参考作为示例的图2-3，曲轴110被设计或设置成包括至少四个主轴颈112，其在限定中心线116和水平平面H的曲轴旋转轴线114上对齐。如所示，穿过每个主轴颈112的中间点117形成中心线116，并且沿着中心线116纵向地形成水平平面H。水平平面H限定曲轴110的上切半部118和下拽半部119。

曲轴110被设计或设置成包括至少三个销轴颈120。如所示，每个销轴颈120被布置成围绕相应的销轴颈轴线122并且被定位在主轴颈112之间。而且，每个销轴颈轴线122被定向成平行于曲轴轴线114且与曲轴轴线114径向隔开。另外，销轴颈120中的每个被连结到一对曲柄臂124以用于在销轴颈120和所述一对曲柄臂124之间进行力传递。此外，每一对曲柄臂124被连结到相应的主轴颈112以用于在所述一对曲柄臂124和主轴颈112之间传递扭矩。此外，主轴颈112、销轴颈120和曲柄臂124中的每个由第一金属材料制成。

如作为示例的图2和图3所示，曲柄臂124中的至少一个被设置成具有模制配重130。而且，每个模制配重130被布置成相对于中心线116与相应的销轴颈120相对以便平衡和稳定。在制造曲轴110期间，配重130被模制到曲柄臂中的一个。

在一个实施例中，第一金属材料包括具有诸如铈或镧的稀土金属的钢合金。优选地，第一金属材料由如下成分制成，该成分包括0.29重量百分比（wt%）至0.65wt%的碳（C）、0.40wt%至0.80wt%的硅（Si）、0.6wt%至1.5wt%的锰（Mn）、至少0.03wt%的磷（P）；0.04wt%至0.07wt%的硫（S）、0.8wt%至1.4wt%的铬（Cr）、0.2wt%至0.6wt%的镍（Ni）、0.15wt%至0.55wt%的钼（Mo）、0.25wt%至2.0wt%的铜（Cu）、至少0.03wt%的钛（Ti）、0.07wt%至0.17wt%的钒（V）、0.02wt%至0.06wt%的铝（Al）、至少0.03wt%的氮（N）、0.01wt%至0.06wt%的铈（Ce）和镧（La）之一以及余量为铁（Fe）。

更优选地，第一金属材料包括：0.35 wt%的C、0.45 wt%的Si、1.0 wt%的Mn、至少0.03 wt%的P、0.06wt%的S、1.0 wt%的Cr、0.2 wt%的Ni、0.25 wt%的Mo、0.45 wt%的Cu、至少0.03 wt%的Ti、0.1 wt%的V、0.03 wt%的Al、至少0.03 wt%的N、0.02 wt%的Ce和La之一以及余量为Fe。

在另一实施例中，曲轴的第一金属材料具有小于百分之十五（15%）且优选地小于10%的孔隙率。而且，第一金属材料具有900兆帕（MPa）至1200 MPa的极限拉伸强度（UTS），大于750 MPa的屈服强度（YS），和5%至10%的伸长率（EL）。

返回参考图1，系统10进一步包括熔炉14以用于在1400摄氏度（℃）和1600℃之间融化第一金属材料（例如，钢合金）以限定熔融金属材料。在一个实施例中，熔炉14可以被钢合金填料。熔炉14可以是电弧炉、感应炉或任何其他合适的熔炉，而不脱离本公开的精神或范围。

如图1和图6所示，系统10进一步包括馈送机构16，其被设置成在限定要铸造的曲轴110的尺寸的模具30的至少一个型腔中馈送熔融金属材料。在一个示例中，馈送机构16包括浇包（未示出）、下浇口31、与下浇口31流体连通的过滤器32、与下浇口31流体连通的浇道34以及与浇道和模具的所述至少一个型腔流体连通的至少一个冒口。在该示例中，馈送机构16包括多个冒口R1-R10，如图6所示。

在该示例中，浇包接收熔融金属材料（例如，钢合金）以用于将熔融金属材料浇注在具有过滤器32的下浇口31中，以消除熔融金属材料中的氧化物。如提到的，下浇口31与浇道34（在此是具有第一和第二翼部36、38的双浇道）流体连通，熔融金属材料从过滤器32流过该浇道34。如所示，浇道34被连接到冒口R1-R10，使得熔融金属材料被馈送到冒口。这样，浇道34被设置成与熔融金属材料被馈送到的冒口R1-R10流体连通。

如图6-7A所示，每个冒口（例如冒口R3）被设置成具有连接部42，熔融金属材料流动通过该连接部42。连接部42具有与所述至少一个模具型腔流体连通的颈部44。如图7A-7B所示，颈部44被设置成从连接部42的壁46朝向模具30扩口或延伸。而且，颈部44延伸到内部基座48，其中，内部基座48被设置成朝向模具30延伸，例如在倾斜部上延伸。如所示，颈部44和内部基座48延伸到开口端49，熔融金属材料可以穿过该开口端49到模具30。进而，颈部44和内部基座48限定相对于水平平面在30°和75°之间的总体冒口连接角度。在一个实施例中，总体冒口连接角度在31°和65°之间。在另一实施例中，总体冒口连接角度在30°和55°之间。

参考图6-7B，颈部44限定相对于水平平面H的第一冒口连接角度A1并且内部基座48限定相对于水平平面H的第二冒口连接角度A2。如图7B中能够看到的，冒口R1-R10中的每个均具有第一和第二冒口连接角度A1、A2，其中每个连接角度可以根据曲轴的尺寸不同。例如，冒口R4具有30°的第一冒口连接角度A1和1°的第二冒口连接角度A2。从而，冒口R4具有31°的总体冒口连接角度。然而，冒口R5具有45°的第一冒口连接角度A1和10°的第二冒口连接角度A2。从而，冒口R5具有55°的总体冒口连接角度。

之后模具30可以被化学粘合砂封口或密封。其后，允许熔融金属材料在指定冷却区域（下文讨论）中冷却到大约450°C以便使熔融金属材料在模具的多个模制型腔中凝固以形成具有曲轴的尺寸的目标部件。优选地，曲轴由包括上文讨论的成分的钢合金制成。

另外，系统10进一步包括被设置成使熔融金属材料凝固的冷却区域17。这样，冷却区域17使熔融金属材料在阴砂铸模具中以5秒到20秒之间的凝固时间凝固，以限定具有铸钢合金曲轴110的尺寸的凝固金属材料。在另一实施例中，凝固时间在10秒和15秒之间，从而限定凝固金属材料。

为了实现所需凝固时间范围，冷却区域17可以包括被布置于阴砂铸模具的至少一个配重上的冷却构件。如图8所示，冷却构件50被布置于模具30的配重130上。当熔融金属材料被馈送到模具30的型腔中时，冷却构件50提供更迅速的冷却效应以将熔融金属材料凝固成凝固金属材料。

参考图9A-9B，在用熔融金属材料给模具馈料之前，冷却构件1’-12’被布置于模具30的相应的配重部分CW1-CW12上。如上所述，冷却构件1’-12’提供熔融金属材料的更迅速凝固以限定凝固金属材料。凝固时间可以不同。例如，冷却构件1’被布置于在位置CW1处的配重上，这导致当熔融金属材料在模具中馈送时具有6秒的凝固时间。然而，冷却构件3’被布置于在位置CW3处的配重上，这导致当熔融金属材料在模具中馈送时具有8秒的凝固时间。

返回参考图1，系统10进一步包括分离单元18以用于将曲轴的目标部件与阴砂铸模具分离以限定铸钢合金曲轴110。在一个实施例中，分离单元18被设置成从目标部件摇掉或移除包括化学粘合砂的模具。为了完成从目标部件移除模具，自动单元可以被用于破坏模具并且由此获得目标部件。例如，振动单元或台可以被使用，其具有用于接收来自模具的模具颗粒的底部捕获滤网。应理解的是，在不脱离本公开的精神或范围的情况下，通过任何其他合适方式来破坏模具均可被使用。

在该实施例中，分离单元18进一步被设置成在从目标部件移除模具后给目标部件清除浇口。如本领域公知的，给目标部件清除浇口可以包括移除粘合砂的在铸造和浇注期间用于填充模具的部分。

在一个实施例中，分离单元18进一步被设置成在清除浇口之后清理目标部件。在一个示例中，抛丸机可以被用于在目标部件的表面上施加或喷射珠丸（例如金属珠丸）。为了满足合金设计期望，分离单元18还可以包括检查区域，在该检查区域中检查目标部件的机械尺寸、机械性能、化学成分和微观结构。在一个示例中，诸如坐标测量机（CMM）的计算机化系统可以被用于测量目标部件的机械尺寸，从而限定曲轴110。任何合适方法和设备可以被用于评估曲轴的尺寸、机械性能、化学成分和微观结构，而不脱离本公开的精神或范围。

返回参考图1，系统10进一步包括与模制单元12、熔炉14、馈送机构16和分离单元18通信的至少一个控制器20。控制器20被构造成控制模制单元12、熔炉14、馈送机构16和分离单元18。此外，系统10包括电源22，其被构造成给模制单元12、熔炉14、馈送机构16、分离单元18和控制器20提供动力。

图10示出了根据本公开的一个示例的制造用于车辆的具有低孔隙率的铸钢合金曲轴的方法210。在该示例中，方法210可以由图1的系统来实现。如所示，方法210包括在框212中提供用于铸钢合金曲轴的阴砂铸模具。如上文讨论的且如图2-5所示，曲轴110被设计成或被设置成包括至少四个主轴颈112，其在限定中心线116的曲轴旋转轴线114上对齐。如所示，穿过每个主轴颈112的中间点117形成中心线116，并且沿着中心线116纵向地形成水平平面H。如所示，水平平面H限定上切半部118和下拽半部119。曲轴110进一步包括至少三个销轴颈120。

在该实施例中，每个销轴颈120被布置成围绕相应的销轴颈轴线122并且被定位在主轴颈112之间。而且，每个销轴颈轴线122被定向成平行于曲轴轴线114且与曲轴轴线114径向隔开。另外，销轴颈120中的每个被连结到一对曲柄臂124以用于在销轴颈120和所述一对曲柄臂124之间进行力传递。此外，每一对曲柄臂124被连结到相应的主轴颈112以用于在所述一对曲柄臂124和主轴颈112之间传递扭矩。

如作为示例的图2-5所示，曲柄臂124中的至少一个被设置成具有配重130。而且，每个模制配重130被布置成相对于中心线116与相应的销轴颈120相对以便平衡和稳定。在制造曲轴110期间，配重130与曲柄臂中的所述至少一个一起被模制。此外，主轴颈112、销轴颈120、配重和曲柄臂124中的每个由上文讨论的第一金属材料制成。

此外，在该示例中，方法210进一步包括在框214中在1400摄氏度（℃）和1600℃之间融化第一金属材料以限定熔融金属材料。在一个示例中，第一金属材料可以由上文讨论的熔炉14融化。熔炉可以是电弧炉、感应炉或任何其他合适的熔炉，而不脱离本公开的精神或范围。

方法210进一步包括在框216中在阴砂铸模具的型腔中以30°和75°之间的冒口连接角度馈送熔融金属材料。在另一示例中，冒口连接角度在31°和65°之间。在又另一示例中，冒口连接角度在30°和55°之间。馈送步骤可以通过上文讨论的馈送机构16来完成以在限定要被铸造的曲轴110的尺寸的模具的所述至少一个型腔中馈送熔融金属材料。如上文讨论的，馈送机构16包括浇包（未示出）、下浇口31、与下浇口31流体连通的过滤器32、与过滤器32和下浇口31流体连通的浇道34以及与浇道34和模具30的所述至少一个型腔流体连通的冒口R1-R10。

在该示例中，浇包接收熔融金属材料（例如，钢合金）以用于将熔融金属材料浇注在具有过滤器32的下浇口31中，以消除熔融金属材料中的氧化物。如提到的，下浇口31与浇道34流体连通，熔融金属材料流动通过该浇道34。如所示，浇道34被连接到冒口R1-R10，使得熔融金属材料被馈送到冒口。这样，浇道34被设置成与冒口R1-R10流体连通，熔融金属材料在阴砂铸模具的型腔中以在30°和75°之间的总体冒口连接角度被馈送到冒口R1-R10。在一个示例中，冒口连接角度在31°和65°之间。在另一示例中，冒口连接角度在30°和55°之间。

如所示，方法210进一步包括在框220中在阴砂铸模具中以在5秒到20秒之间的凝固时间冷却或凝固熔融金属材料，以限定具有铸钢合金曲轴的尺寸的凝固金属材料。凝固步骤可以通过上文讨论的冷却区域17来完成以将熔融金属材料凝固成凝固金属材料。在另一示例中，凝固时间在10秒和15秒之间，从而限定凝固金属材料。为了实现所需凝固时间范围，冷却区域17可以包括被布置于阴砂铸模具的至少一个配重上的冷却构件。凝固步骤可以包括允许熔融金属材料冷却到大约450℃。

替代性地，方法可以包括，在馈送步骤之前，将冷却构件（见图8）布置在阴砂铸模具的至少一个配重上以便在所需凝固时间冷却熔融金属材料。

在一个示例中，凝固金属材料具有小于百分之十（10%）的孔隙率、900兆帕（MPa）至1200 MPa的极限拉伸强度（UTS）、大于750 MPa的屈服强度（YS）和5%至10%的伸长率（EL）。

方法210进一步包括在框222中从阴砂铸模具分离凝固金属材料以限定铸钢合金曲轴。如图1的系统10中所示，为了完成从铸造曲轴移除模具，自动单元被用于破坏模具并由此获得铸钢合金曲轴。例如，振动单元或台可以被使用，其具有用于接收来自模具的模具颗粒的底部捕获滤网。应理解的是，在不脱离本公开的精神或范围的情况下，破坏模具可以通过任何合适方式来实现，诸如振动单元。

在该示例中，分离步骤可以包括在从曲轴移除模具之后给目标曲轴铸件清除浇口并且在清除浇口之后清理目标曲轴铸件。如图1的系统10中那样，抛丸机可以被用于在目标曲轴铸件的表面上施加或喷射金属珠丸。为了满足设计期望，分离单元还可以包括检查区域，在该检查区域中检查目标曲轴铸件的尺寸、机械性能、化学成分和微观结构。例如，诸如CMM的计算机化系统可以被用于测量目标曲轴的机械尺寸，从而限定本公开的曲轴。任何合适方法和设备可以被使用来评估曲轴的机械尺寸、机械性能、化学成分和微观结构，而不脱离本公开的精神或范围。

在一个示例中，第一金属材料包括钢合金。在一个示例中，第一金属材料具有如下成分，其包括0.29重量百分比（wt%）至0.65wt%的碳（C）、0.40wt%至0.80wt%的硅（Si）、0.6wt%至1.5wt%的锰（Mn）、至少0.03wt%的磷（P）；0.04wt%至0.07wt%的硫（S）、0.8wt%至1.4wt%的铬（Cr）、0.2wt%至0.6wt%的镍（Ni）、0.15wt%至0.55wt%的钼（Mo）、0.25wt%至2.0wt%的铜（Cu）、至少0.03wt%的钛（Ti）、0.07wt%至0.17wt%的钒（V）、0.02wt%至0.06wt%的铝（Al）、至少0.03wt%的氮（N）、0.01wt%至0.06wt%的铈（Ce）和镧（La）之一以及余量为铁（Fe）。

更优选地，第一金属材料包括：0.35 wt%的C、0.45 wt%的Si、1.0 wt%的Mn、至少0.03 wt%的P、0.06wt%的S、1.0 wt%的Cr、0.2 wt%的Ni、0.25 wt%的Mo、0.45 wt%的Cu、至少0.03 wt%的Ti、0.1 wt%的V、0.03 wt%的Al、至少0.03 wt%的N、0.02 wt%的Ce和La之一以及余量为Fe。

本公开的描述本质上仅仅是示例性的，并且不脱离本公开的要点的变型旨在落入本公开的范围内。这样的变型不应该被看作脱离本公开的精神和范围。