鋁合金低壓鑄造知識整理

1、第一章鋁合金低壓鑄造知識整理2.1低壓鑄造概論2.1.1低壓鑄造定義鑄型一般安置在密封的坩堝上方，坩堝中通入壓縮空氣，在熔融金屬的表面上造成低壓力(0.060.15MPa),使金屬液由升液管上升填充鑄型和控制凝固的鑄造方法。2.1.2基本原理在密閉的保持爐的熔湯表面上施加0.010.05Mpa的空氣壓力或惰性氣體壓力,熔湯通過浸放在熔湯里的給湯管上升,被充填進連接著的爐子上方的模具內(nèi)因此熔湯是從型腔的下部慢慢開始充填,保持一段時間的壓力后凝固。凝固是從產(chǎn)品上部開始向澆口方向轉(zhuǎn)移,澆口部分凝固的時刻就是加壓結(jié)束的時間。然后冷卻至可以取出產(chǎn)品的強度后從模具中脫離。于是就憑借澆口的方向性凝固和從澆口

2、開始的冒口壓力效果得到了完美的鑄件。低壓鑄造裝置如圖1所示。緩慢地向坩堝爐內(nèi)通入干燥的壓縮空氣,金屬液受氣體壓力的作用,由下而上沿著升液管和澆注系統(tǒng)充滿型腔，如圖1b所示。開啟鑄型，取出鑄件，如圖1c所示。J咅b)莊舞圖12.1.3與其他鑄造法的比較與壓力鑄造比較：低壓鑄造適用的合金范圍廣，而壓力鑄造一般只適用于鑄造性能較好的合金壓力鑄造一般用于生產(chǎn)批量大的中小鑄件，而低壓鑄造可適用于不同大小，不同批量的鑄件；壓力鑄造是在高速高壓下充型，型腔中的氣體不易被排除，易于產(chǎn)生氣孔而低壓鑄造則與此相反；低壓鑄造的設(shè)備比壓力鑄造的設(shè)備簡單，制造容易；低壓鑄造比壓力鑄造生產(chǎn)效率低。與金屬型鑄造比較：低壓鑄

3、造可以大大簡化澆注系統(tǒng)；低壓鑄造更易于實現(xiàn)機械化自動生產(chǎn)低壓鑄造的設(shè)備比金屬型鑄造稍高。與一般砂型重力鑄造比較低壓鑄造澆包中的合金液自下而上的從底部注入型腔，澆注平穩(wěn)，因此成品率比砂型鑄造高；低壓鑄造是在低壓下充型，又在較高的壓力下結(jié)晶凝固，使鑄件的組織、機械性能、氣密性、耐壓性能均比砂型重力鑄造好；低壓鑄造澆注系統(tǒng)比砂型重力鑄造簡單，并可以大大減小冒口，有的鑄件甚至可以不設(shè)置冒口，從而簡化了工藝，節(jié)省了金屬材料；2.2鋁合金低壓鑄造工藝鋁合金低壓鑄造的工藝過程如圖2所示。金屬型準(zhǔn)備：清理、預(yù)熱、配模、合型噴涂料、加熱充型增壓、結(jié)晶、凝固升液管準(zhǔn)備：清理、預(yù)熱涂料圖22.2.1鑄型種類的選擇鑄

4、型質(zhì)量精度要求高，形狀一般，生產(chǎn)批量較大的有色金屬鑄件，可選用金屬型或石墨型。鑄型內(nèi)腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不能用金屬芯時，可采用砂芯。鑄件的精度要求不高的大型鑄件在生產(chǎn)批量不大時或小于批量生產(chǎn)，可采用砂型。鑄件精度要求較高結(jié)構(gòu)有很復(fù)雜時可用熔模殼型、石膏型。2.2.2鑄件凝固方式的選擇充型時，液態(tài)金屬從內(nèi)澆口引入，并由上而下地充填鑄型；凝固過程中，升液管中的熾熱金屬液經(jīng)由澆注系統(tǒng)向鑄件提供補縮。為了充分體現(xiàn)低壓鑄造方法中鑄件在一定的壓力作用下結(jié)晶，獲得的鑄件組織致密的優(yōu)點，充分發(fā)揮升液管的補縮作用，針對低壓鑄造的特點，通常情況下，實現(xiàn)“自上而下順序凝固”的方式是歷來公認的原則。2.2.3金屬型壁厚的確定

5、金屬型壁厚的選擇與許多因素有關(guān)。問題比較復(fù)雜，所以，到目前為止仍然是根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)來確定的。參考數(shù)據(jù)如表1所示。表1鋁合金鑄件金屬型壁厚(mm)鑄件的平均厚度355668金屬型的最小壁厚1520202525302.2.4澆注系統(tǒng)的選擇澆口面積的大小是作為不引起熔湯亂流的截面積，內(nèi)澆口最小面積計算公式如下：a=Gx1000/txuxrxV(2xgxh)a澆口的最小面積G含澆口的鑄件重量(kg)t到澆口之前的澆鑄時間(sec)u阻力系數(shù)(0.3-0.4)r熔湯的比重(2.3-2.4)g重力加速度9.8m/sh從熔湯面到鑄件上部的高度cm應(yīng)充分發(fā)揮澆注系統(tǒng)的補縮作用，為此保證截面積：升液管出口橫澆道內(nèi)

6、澆道。盡量避免液態(tài)金屬直接沖擊型壁和型芯(尤其是熱導(dǎo)率大的部位)，以防止局部過熱。當(dāng)有多個內(nèi)澆道與橫澆道相連時，為了使各內(nèi)澆道流量分配的均勻，應(yīng)根據(jù)具體的情況來確定各個內(nèi)澆道的面積。一般說來，遠離升液管的盲端及緊靠升液管的內(nèi)澆道面積較小。在生產(chǎn)較大的等壁厚鑄件時，當(dāng)金屬型壁厚設(shè)計合理，并保證能夠充填性的前提時，應(yīng)將內(nèi)澆道開設(shè)在鑄件的短邊面的中部，以便造成高度上的單向的溫度梯度，從而有利于補縮的進行。此時，內(nèi)澆道的開設(shè)應(yīng)使充型的液態(tài)金屬均勻的注入型腔，避免減少橫向液流，達到減小或消除水平方向的溫度梯度。連接升液管與鑄型的輸液通道的管壁應(yīng)盡可能薄些，以減少液態(tài)金屬在該處的熱量損失，這有利于補縮的進

7、行。應(yīng)盡量減少用設(shè)置在充型末端，由冷金屬液聚集而成的冒口。這樣的冒口補縮效率低，并有出現(xiàn)“倒補縮”的危險。2.2.5分型面的選取分型面應(yīng)盡量是一個平面。盡可能不使分型面通過鑄件本身，即將鑄件盡量放在一側(cè)型腔中。盡可能使活塊數(shù)量減少。盡可能減少型芯數(shù)量，并使其安裝方便穩(wěn)固。使起模斜度盡可能地小，以保證鑄件尺寸精度。便于安放冒口，并利于型內(nèi)氣體的排出。便于鑄件取出，不致拉裂或變形。便于鑄件順序凝固，保證補縮，以使其組織致密。2.2.6鑄型的排氣在低壓鑄造中，要特別注意型腔中氣體的排出。一般低壓鑄造沒有冒口，頂部又是封閉的，所以鑄型排氣更顯得重要。砂型低壓鑄造除了砂型本身具有透氣性外，還可考慮在鑄型

8、頂部扎細的通氣眼或設(shè)通氣芯子。對于金屬型低壓鑄造的型腔排氣可采用下述措施：在分型面上開排氣槽，它既能迅速地排出型腔中的氣體，又不使合金液從排氣槽中溢出。常在分型面開設(shè)片狀縫隙和三角形排氣槽。目前，金屬型的排氣槽的尺寸選擇還是根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行的。對于鋁合金，片狀縫隙排氣槽的厚度一般為0.5mm,寬度為1015mm；三角形排氣槽的尺寸：深度一般為0.31.0mm,兩邊夾角為6090，間距一般取10mm。在型腔的凹處及個別凸起部分應(yīng)打入排氣塞。當(dāng)凹面是圓形的搭子時，則按圓的直徑大小安排排氣塞。圓的直徑在25mm以內(nèi)按一只塞子就行了。如果圓的直徑太大,則應(yīng)該專門設(shè)計一個大的排氣塞,中間再套一個小的排氣

9、塞。當(dāng)凹面為非圓形的搭子,不論其凹面朝上、朝下或是垂直于水平面,均須安排氣塞。利用金屬型與型腔連通的各配合面如芯座、活塊、頂桿等開設(shè)排氣槽。利用拼塊模具排氣。除了排氣塞，排氣槽以外，也可以在需要的大平面上開設(shè)蓄氣槽；或在金屬型工作表面噴涂一定厚度的涂料，涂料層中的孔隙具有一定的蓄氣作用和排氣作用。2.2.7機械加工余量的選擇鑄件的加工余量與所采用的鑄型材料有關(guān)。一般砂型的尺寸精度和表面粗糙度都較差，鑄件需放較多的加工余量，而金屬型和石墨型的尺寸精度和表面粗糙度較高，鑄件的加工余量可以減少，一般可取0.54mm。加工余量的選取還需考慮以下因素：加工表面的粗糙度要求越小時，所留的機械加工余量應(yīng)越大

10、。尺寸精度要求越高時，對該尺寸的加工余量越大。加工面的面積越大時，機械加工余量越大。加工表面距離機械加工基準(zhǔn)面越遠時，機械加工余量越大。如有砂芯，那么由砂芯形成的鑄件表面部分的機械加工余量應(yīng)大于由金屬型(芯)直接形成的鑄件表面部分的機械加工余量。冒口或澆口和鑄件連接的表面，其加工余量應(yīng)該放大一些。下表面、側(cè)表面、上表面的加工余量應(yīng)依次適當(dāng)加大。2.2.8金屬型型腔尺寸的確定金屬型型腔及型芯尺寸的確定，除根據(jù)鑄件外形和內(nèi)腔的公稱尺寸以外，還要考慮到鑄件的線收縮、涂料層的厚度、以及金屬型材料從室溫升至預(yù)熱溫度時的膨脹率。金屬型型腔和型芯的尺寸可用以下公式確定A=(A+AK+2s)AAxppxD=(

11、D+DK-25)ADxppxA、D型腔、型芯的尺寸；xxA、D件外形、內(nèi)孔的公稱尺寸；ppK綜合線收縮率；5涂料層厚度(一般取0.10.3mm)AA、AD金屬型制造公差xx對于鋁合金鑄件，綜合線收縮率可參考表2確定。表2不同情況下的K值受阻情況KX100有型芯、無阻礙0.81.2有型芯、有阻礙0.70.9有鄰近二凸臺0.50.72.2.9金屬型的合型力、抽芯力以及開型力1）合型力的確定采用金屬型進行低壓鑄造時，為保證工藝過程的順利進行，鑄型除具有足夠的強度、剛度外，合型之后，對鑄型的分型面還應(yīng)施加足夠的鎖緊力（合模力）。根據(jù)帕斯卡原理，鎖緊力必須大于增壓階段液態(tài)金屬在合模方向上對分型面的總壓力

12、，即p厶=kp工F合式中工F鑄件（包括澆注系統(tǒng)）在合模方向上的正投影面積之和p增壓階段最高壓力（Kpa）k安全系數(shù)，一般取值為11.3。.2）抽芯力的確定根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)特點，低壓鑄造用的金屬型有時也設(shè)有抽芯機構(gòu)，以便開型時及時從鑄件中將活動芯或活塊取出。此時要預(yù)先計算所需要的抽芯力的大小。其大小可用下面的經(jīng)驗公式計算：p=Fp+LKcmb式中p抽芯力（N）；C卩一考慮到摩擦阻力的系數(shù)，對于鋁合金為0.25；mFb一被鑄件包住的型芯部分表面積（mJ；bp擠壓應(yīng)力，對于鋁合金，單面鑄造斜度1%（約40）時，為lOMPa；L鑄件包緊型芯的長度（m）K常數(shù)，依合金種類及鑄件包緊型芯處的厚度，對鋁合金，壁

13、厚為35mm時，K取70,壁厚大于5mm時，K取140。3）.開型力的確定影響開型力的因素很多，一般是根據(jù)生產(chǎn)中積累的經(jīng)驗數(shù)據(jù)來進行計算，有如下經(jīng)驗公式可用于開型力的估算：P=Fxp式中F型腔在分型面上的投影面積（mJF型腔在分型面上的投影單位面積所需的開型力（鋁合金值如表3）表3鑄鋁時的p值鑄件的類型簡單一般復(fù)雜P/MPa0.51.01.01.51.55.92.2.10充型壓力的確定充型壓力p充是指充型階段中，金屬液上升至鑄型型腔頂部（即完全充滿型腔）時所需提供的氣體壓力。其值可根據(jù)帕斯卡原理確定，即：p=p=卩Hy充2式中H型腔頂部與坩堝中金屬液的距離；y金屬液重度；卩一充型阻力系數(shù)，一般

14、取值1.21.5。（其值與型內(nèi)反壓力，鑄件的平均壁厚，充型速度有關(guān)）。2.2.11充型速度的確定充型速度卩充是指充型過程中，金屬液在型腔中的平均上升速度。v充數(shù)值選擇的恰當(dāng)與否對鑄件質(zhì)量有直接影響。在升液管出口截面積一定的情況下，充型速度就取決于作用在合金液面上的氣體壓力的增長速度（稱為加壓速度）。加壓速度越快，合金液的充型速度也越快。恰當(dāng)?shù)某湫退俣葀充應(yīng)當(dāng)是一個適當(dāng)?shù)臄?shù)值，即應(yīng)滿足下面的不等式v充maxvv充充min結(jié)殼時間的確定對于有一定壁厚的鑄件，采用干砂型或金屬型干砂芯進行低壓鑄造時，充型結(jié)束后，必須有一段壓力保持不變的結(jié)殼時間，一般約為1530s。當(dāng)鑄件表層形成具有一定厚度的殼后，再

15、繼續(xù)增壓，可以避免液態(tài)金屬滲入砂型（芯）中，減少機械粘砂的機會。一般的說，采用金屬型時的結(jié)殼時間比較短，而采用砂型時的結(jié)殼時間則比較長；鑄件壁厚較大的，結(jié)殼時間比較長，壁厚較小的則比較短，澆注溫度較高時結(jié)殼時間比較長，反之則比較短。在生產(chǎn)中，用無砂芯的金屬型澆注薄壁鑄件時，有時可以取消結(jié)殼時間，即型腔充滿之后直接增壓補縮結(jié)晶。恰到好處的結(jié)殼時間是在生產(chǎn)中調(diào)試出來的，總之在不粘砂不跑火的前提下結(jié)殼時間越短越有利于補縮及提高鑄件的內(nèi)在質(zhì)量。增壓壓力的確定液態(tài)金屬在一定的壓力下進行結(jié)晶，是低壓鑄造的特點之一。在加壓規(guī)范中一般都有增壓階段，即充型結(jié)束后，在充型壓力的基礎(chǔ)上，再使壓力增加一定數(shù)值。增壓壓

16、力可用下面的經(jīng)驗公式計算：p=kp增壓1充式中p充充型壓力；k1增壓系數(shù)。當(dāng)使用比較老式的液面加壓系統(tǒng)時，由于老式系統(tǒng)的快速性差，對于金屬型及金屬芯的鑄型，k二1.52.0；金屬型砂芯及干砂型，k二1.31.5。對于濕砂11型，一般不增壓，或稍許增加一點也可以（如在P充基礎(chǔ)上，增加2.7KPa）。薄壁干砂型或金屬型干砂芯，增壓壓力可取0.050.08MPa，薄壁金屬型（芯）增壓壓力一般為0.05O.IMPa,對于特殊要求的鑄件可增至0.20.3MPa。增壓壓力的大小一般根據(jù)鑄型種類、鑄件特點，通過實驗加以確定。上述數(shù)值可做制定工藝時的參考。當(dāng)使用閉環(huán)控制的CLP型液面加壓控制系統(tǒng)時，由于該系統(tǒng)

17、快速性良好，故增壓壓力值可大大降低。一般的說，對于帶砂芯的金屬型而言，增壓壓力值比充型壓力值大（24）X104Pa就可以；對于帶金屬芯的金屬型而言，增壓壓力值比充型壓力直大（35）X104Pa就可以。增壓壓力太大，則容易跑火，如果金屬型合型后密封良好又有足夠大的合型力，那么增壓壓力可進一步增加，這對提高鑄件的內(nèi)在質(zhì)量是有益的。2.2.14保壓時間的確定保壓時間是指在保持恒定的增壓壓力作用下鑄件凝固階段所需的時間。保壓時間的精確控制是獲得優(yōu)質(zhì)鑄件并使工藝過程順利進行的重要條件。保壓時間與鑄件壁厚、結(jié)構(gòu)及澆口形狀，液態(tài)金屬的熱導(dǎo)率及溫度，鑄型的溫度、熱導(dǎo)率及冷卻條件，坩堝內(nèi)液態(tài)金屬的存量，底型的直澆口處的熱阻及熱容等諸多因素有關(guān)。到目前為止，尚未出現(xiàn)較為簡便實用的公式來計算各種鑄件的保壓時間。生產(chǎn)中一般仍是依據(jù)“鑄件重量保壓時間”參考曲線（如圖3）先選取參考值，然后由實驗加以確定。生產(chǎn)實踐認為，使鑄件凝固后澆口殘留長度為40mm，或鑄件與內(nèi)澆口連接處無縮孔時的保壓時間較為合適。/通用格式/通用格式/通用格式/通用格式/通用格式/通用格式/通用格式保壓時間/ming質(zhì)件鑄圖3保壓時間參考值A(chǔ)澆口位于鑄件薄壁處B介于A,C之間的情況C澆口位于鑄件厚壁處2.2.15澆注溫度和鑄型溫度的確定合金液的澆