一、反重力壓鑄方法及其分類
1、特點(diǎn)
反重力鑄造是使液態(tài)金屬在與重力相反的力的作用下完成充型、補(bǔ)縮和凝固的一種鑄造方法。
與壓力鑄造和擠壓鑄造相比,為完成充型和補(bǔ)縮所施加的力較小,因此,液態(tài)金屬在充型過(guò)程中的流動(dòng)非常平穩(wěn),但與重力鑄造相比,鑄件又能在一定的壓力下實(shí)現(xiàn)補(bǔ)縮和凝固,因此是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鑄件的理想方法。
2、分類
反重力鑄造中,根據(jù)產(chǎn)生壓力方式的不同,可進(jìn)一步把它分為差壓鑄造、低壓鑄造、調(diào)壓鑄造、真空吸鑄以及復(fù)合反重力鑄造等類型。從設(shè)備結(jié)構(gòu)上看,差壓鑄造、調(diào)壓鑄造、真空吸鑄和復(fù)合反重力鑄造均采用上下室形式,即保溫爐置于下室,鑄型置于上室,低壓鑄造只使用下室,鑄型置于大氣環(huán)境中。不同反重力鑄造形式產(chǎn)生壓力的方式及特點(diǎn)如下:
(1)低壓鑄造低
壓鑄造時(shí),鑄型處在常壓環(huán)境之下,下室進(jìn)氣,形成壓差,在壓差的作用下完成升液、充型和保壓環(huán)節(jié)。所需設(shè)備簡(jiǎn)單,操作容易,充型過(guò)程控制簡(jiǎn)單。一般情況下,只要保壓時(shí)的增壓滿足要求,同樣可使鑄件得到很好的補(bǔ)縮。與其它反重力鑄造方法相比,低壓鑄造的應(yīng)用范圍更廣。由于低壓鑄造中,鑄型處在常壓環(huán)境之下,利用金屬型鑄造時(shí),容易實(shí)現(xiàn)金屬型的開(kāi)合模以及鑄件頂出。
(2)真空吸鑄
真空吸鑄時(shí),下室處在常壓環(huán)境,上室抽真空形成壓差,在壓差的作用下完成升液、充型和保壓環(huán)節(jié)。由于鑄型處在真空環(huán)境之下,所以,液態(tài)金屬的充型能力較好,但所建立的充型壓差受限,凝固壓力小,補(bǔ)縮能力較弱,適合于成形小型薄壁鑄件。
(3)差壓鑄造
差壓鑄造中,建立壓差的形式有兩種:上排氣法、下進(jìn)氣法
差壓鑄造中,不僅可在壓力下完成充型和補(bǔ)縮,而且由于鑄型處在壓力下,能夠更好地發(fā)揮冒口的補(bǔ)縮,提高了鑄件的致密度。這種鑄造方法適合于生產(chǎn)大型厚壁鑄件。
(4)調(diào)壓鑄造
鑄造時(shí)上下室同時(shí)抽真空,達(dá)到指定真空度后,下室進(jìn)氣,形成壓差,在壓差的作用下完成升液和充型環(huán)節(jié)后,上下室按照充型完成時(shí)的壓差同時(shí)進(jìn)氣,使鑄型處在正壓環(huán)境之下,來(lái)增強(qiáng)鑄件的補(bǔ)縮能力。
優(yōu)點(diǎn)是:既發(fā)揮了液態(tài)金屬的充型能力,有利于成形薄壁鑄件,又能在壓力下實(shí)現(xiàn)補(bǔ)縮,提高鑄件的致密度。這種鑄造方法需要精確控制加壓時(shí)的壓差,對(duì)控制系統(tǒng)的要求很高。
3、特點(diǎn)
1)充型速度可控:反重力鑄造一般用于生產(chǎn)有色合金鑄件,鑄件的成形能力和內(nèi)部質(zhì)量尤其是尺寸和壁厚對(duì)充型速度有比較嚴(yán)格的要求,充型速度可以通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的控制。
2)成形性好、表面光潔:反重力鑄造時(shí),金屬液是在壓力下充填成形,在工藝參數(shù)選擇合理的情況下,所獲得的鑄件輪廓清晰,對(duì)于薄壁件的生產(chǎn),更是如此;反重力鑄造時(shí)有壓氣體充塞于砂型空隙,且在金屬液與砂型之間形成一層氣相保護(hù)層,將兩者隔開(kāi),可以減少金屬液對(duì)鑄型的熱力及化學(xué)作用,可降低鑄件的表面粗糙度。
3)鑄件晶粒細(xì)、組織致密、機(jī)械性能高:金屬液在壓力下結(jié)晶凝固,初凝枝晶在壓力的作用下會(huì)發(fā)生變形、破碎,而且冷卻速度快,因而晶粒細(xì)?。煌瑫r(shí),壓力能提高補(bǔ)縮能力和抑制金屬液中氣體的析出,使疏松和微觀氣孔大為減少。所以,鑄件的機(jī)械性能得到明顯的改善。
4)可實(shí)現(xiàn)可控氣氛下澆注:反重力鑄造時(shí),可對(duì)上室、下室或者上下室的氣氛進(jìn)行控制。利用反重力鑄造澆注鋁合合鑄件時(shí),使用除油干燥的壓縮空氣即可,但對(duì)于鎂合金,必須注意金屬液和鑄型的環(huán)境氣氛,因?yàn)殒V合金在空氣中會(huì)發(fā)生燃燒??煽貧夥盏氖褂脩?yīng)根據(jù)鑄件質(zhì)量的要求及鑄件的輪廓尺寸等因素決定。
5)提高了金屬的利用率:反重力鑄造時(shí),鑄件凝固收縮可以不斷地得到來(lái)自內(nèi)澆口金屬液的補(bǔ)縮;加之壓力的擠濾和塑性變形的作用,強(qiáng)化了冒口的補(bǔ)縮效果,冒口尺寸可相應(yīng)減小甚至不需要。
6)鑄件可進(jìn)行熱處理:與壓力鑄造相比,利用反重力鑄造方法生產(chǎn)鑄件時(shí),充型速度較慢,液面平穩(wěn),型內(nèi)氣體可以順利排出,所以,鑄件內(nèi)部的氣孔很少、甚至沒(méi)有,故可像重力鑄造成形的鑄件一樣進(jìn)行熱處理。
二、反重力壓鑄工藝
反重力壓鑄工藝包括澆注位置的選擇、澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、冒口和冷鐵的合理使用以及最佳工藝參數(shù)的確定等內(nèi)容。
(1)鑄件的澆注位置及澆注系統(tǒng)反重力鑄造中,鑄件凝固時(shí)主要通過(guò)澆口補(bǔ)縮。因此,確立澆注位置時(shí),應(yīng)使鑄件的凝固順序朝著澆口的方向進(jìn)行。通常,將鑄件的薄壁位置置于遠(yuǎn)離澆口位置,讓金屬液從厚壁處引入。為使鑄件厚壁位置的熱分布合理,可采用分散澆口,直接利用內(nèi)澆口進(jìn)行補(bǔ)縮。
設(shè)計(jì)反重力鑄造的澆注系統(tǒng)時(shí),在保證金屬液平穩(wěn)充型的前提下,充型要快,有利于擋渣、排氣和實(shí)現(xiàn)順序凝固。對(duì)于大型復(fù)雜薄壁鑄件,應(yīng)盡可能采用下寬上窄的縫隙式澆注系統(tǒng),保證金屬液可在縫隙內(nèi)平穩(wěn)上升,以充分發(fā)揮垂直方向上的補(bǔ)縮,同時(shí)也不會(huì)影響其水平方向的補(bǔ)縮能力。
(2)冒口和冷鐵此外,冷鐵常與冒口或澆注系統(tǒng)配合使用,以加強(qiáng)冒口或澆口的補(bǔ)縮,但也可單獨(dú)使用,用來(lái)加快鑄件局部熱節(jié)處的冷卻速度,保證鑄件整體的順序凝固。
(3)反重力壓鑄工藝參數(shù)的確定
1)升液管直徑的確定確定時(shí),首先要考慮鑄件重量預(yù)計(jì)充型時(shí)間和充型速度,然后確定對(duì)升液管的流量要求,再根據(jù)充型速度和流量要求計(jì)算升液管的直徑;其次,從保證鑄件的順序凝固所要求的熱平衡角度來(lái)考慮。升液管要便于壓力傳遞,有利于補(bǔ)縮,金屬液充型時(shí),不產(chǎn)生紊流,清理和噴刷涂料方便。升液管的材料根據(jù)合金的種類及對(duì)鑄件質(zhì)量的要求確定,對(duì)于普通鋁合金鑄件,采用鋼管或鑄鐵管即可;合金對(duì)含鐵量要求比較高時(shí),可采用鈦合金或或陶瓷升液管。
2)充型壓力的確定充型壓力指金屬液充滿型腔所需要的壓力,其大小與鑄件的形狀高度、坩堝形狀、金屬熔化量等有關(guān)。如果坩堝的形狀、大小不變,熔化量已知,鑄件澆注量核定準(zhǔn)確,則可比較精確地計(jì)算出充型壓力。然而,在砂型反重力鑄造中,連續(xù)澆注幾個(gè)不同的鑄件時(shí),充型壓力的精確計(jì)算比較困難。為此,每次澆注之前,可測(cè)量坩堝內(nèi)液面距離升液管口的實(shí)際高度近似計(jì)算充型壓力。
3)結(jié)晶壓力的選擇結(jié)晶壓力是為鑄件結(jié)晶創(chuàng)建一個(gè)高壓條件。金屬在壓力下結(jié)晶,使晶粒細(xì)化,組織致密。結(jié)晶壓力越大,機(jī)械性能越高。但過(guò)高的結(jié)晶壓力會(huì)給反重力設(shè)備帶來(lái)困難,且鑄件強(qiáng)度增加很少。壓力過(guò)小,會(huì)降低反重力鑄造的擠濾及塑性變形作用,不利于補(bǔ)縮和抑制金屬液中氣體的析出,鑄件易產(chǎn)生疏和微觀縮孔。選擇結(jié)晶壓力時(shí),要考慮鑄件結(jié)構(gòu)、合金的結(jié)晶特性。鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜時(shí),選擇較大的壓力;合金結(jié)晶范圍較寬時(shí),選擇較高的壓力。
4)升液、充型速度的確定在升液管出口面積固定的情況下,充型速度取決于坩堝液面上的加壓速度。加壓速度分升液和充型兩個(gè)階段,金屬液由坩堝液面上升到橫澆道為升液,要求液流平穩(wěn)、緩慢,以利于型腔中氣體的排出,防止升液管出口處出現(xiàn)噴濺和翻滾,避免產(chǎn)生二次氧化夾渣。充型階段的流速需根據(jù)鑄件的壁厚大小、復(fù)雜程度和合金種類等因素確定。一般情況下,充型速度應(yīng)當(dāng)比升液速度略快,這樣有利于補(bǔ)縮,減少二次夾渣的產(chǎn)生。
5)保壓時(shí)間鑄型內(nèi)金屬液在壓力作用下保持到鑄件完全凝固結(jié)束的時(shí)間為保壓時(shí)間。保壓時(shí)間大體上接近鑄件凝固所需要的時(shí)間。若保壓時(shí)間過(guò)短,金屬?zèng)]有完全凝固,未凝固的金屬液通過(guò)升液管返回坩堝,鑄件得不到充分補(bǔ)縮,甚至不能成形,造成鑄件報(bào)廢;保壓時(shí)間過(guò)長(zhǎng),使?jié)部跉埩暨^(guò)長(zhǎng),清理困難,有時(shí)甚至?xí)股汗艹隹趦鼋Y(jié),影響生產(chǎn)。保壓時(shí)間的長(zhǎng)短與鑄件的壁厚、合金種類、鑄型性質(zhì)以及結(jié)晶凝固壓力有關(guān)。鑄件壁越厚、合金的結(jié)晶溫度范圍越寬,保壓時(shí)間越長(zhǎng)。砂型反重力鑄造的保壓時(shí)間比金屬型的長(zhǎng)。結(jié)晶凝固壓力越大,保壓時(shí)間越短。
6)澆注溫度一般情況下,在保證金屬液的充填和補(bǔ)縮能力的前提下,應(yīng)盡可能使?jié)沧囟鹊鸵恍?。反重力鑄造其成型能力遠(yuǎn)高于重力鑄造,所以,其澆注溫度應(yīng)比重力鑄造低5-10°C。