有色合金浇冒口系统的基本原则.doc

有色合金浇冒口设计基本原则Jeff Meredith浇冒口系统的基本作用是将干净的、无渣滓的金属液平稳地引入铸型并且在的凝固过程中始终保持对铸件的补缩。在有色合金铸造中，气孔、夹渣、缩松等铸造缺陷常常是由于不合理的浇冒口系统所引起的。一但出现这些问题，铸造工作者就应该认真分析浇冒口系统结构的合理性并找出产生缺陷的原因。这里要讨论的中心问题就是浇冒口系统设计的基本原则。本文论述了浇冒口系统设计的一些基本原则，尽管对于不同的合金以及形状、尺寸、复杂程度不同的铸件没有一种绝对通用的规则，但是这些基本原则能够为生产优质铸件的浇冒口系统设计提供一个理论基础。浇注系统设计对于有色合金浇注系统而言，首要问题是使金属液以尽可能低的速度无紊流地进入型腔并维持一个最佳的充型速度，这种最佳的速度对于同一种合金不是一个固定值，因为它受铸件重量、壁厚、形状等因素的影响，当然也随合金种类的不同而变化，可以从铝铜合金的75mmsec到铝合金的500mmsec；过大的液流速度可能增加紊流、夹渣及粘砂的趋向，使铸件的机械性能下降，甚至出现废品。作为一种解决方法，常常设计超过推荐值的较大的浇注系统来解决高的充型速度与低的液流速度之间的矛盾（特别是对于窄结晶温度范围的合金和易产生杂质的合金）。有色合金应该采用无压式浇注系统，内浇道开设在铸型的上箱，以保证横浇道在浇注过程中一直处于充满状态。此外，直浇道和内浇道之间应保持一定的距离以使杂质能上浮到横浇道顶端而被捕集（图1），另外，还应尽可能使金属液从铸件底部或接近底部的位置引入，以保证在型腔内产生最小的紊流。浇口杯除对特别小的铸件外，我们推荐在各种有色合金铸件中使用浇口杯，合理的浇口杯可以使浇注工能够快速地注满直浇道并且在整个浇注过程中保持一个相对稳定的压头。浇口杯常常设计成与直浇道相对偏移的、有一个底坎的结构（图2）。浇口杯应为长方形，这样在浇注过程中可以产生向上的环流有助于杂质的清除，浇口杯出口应高于直浇道入口。一种手工操作的浇口塞有时会在浇注中采用（对于窄结晶温度范围的合金如铝铜合金），它使浇注工能够完全地注满浇口杯，进而更快地充满浇注系统和铸型，并且在塞子拨出之前使熔渣有足够的时间浮上表面。对有色合金铸造来说，从直浇道直接注入或是采用锥形浇口窝直接注入的方式都是不推荐的，没有浇口杯，空气和杂质容易被卷入金属液，并被带入浇注系统，同时高速流动的金属液会在浇注系统中产生过多的紊流。直浇道直浇道控制着整个铸件的充型速度，因此它是浇注系统中最重要的一部分。直浇道应尽可能设计成园锥形结构，底部为最小控制截面，浇注系统其它部分截面的大小都根据这个最小控制截面的大小而定。许多资料都提供了直浇道的合适的锥度值，通常，从浇口杯出口处保持一个5的斜度即可。如果直浇道的高度超过了300mm，其截面直径或宽度也应增加50直浇道的横截面可以是园形、正方形或长方形，有关资料表明：长方形是较理想的形式，因为它有助于减少涡流的形成和空气的吸入，另外，长方形或正方形比园形更容易制造。液体金属最高的流速产生在直浇道末端浇口窝。浇口窝的重要作用是缓冲液流，并且使液流从垂直方向流动转为水平方向流动时产生最小的紊流，浇口窝的推荐尺寸为：直径为直浇道末端直径的23倍，深度为横浇道深度的两倍（图3）横浇道和内浇道作一个明显的提示：有色合金浇注系统必须为开放式浇注系统，横浇道在下箱，内浇道在上箱，横浇道的截面积应为直浇道截面积的24倍，内浇道总截面积应为横浇道截面积的12倍，它能保证以较低的液流速度获得所需的充型速度。对杂质特别敏感的合金如铝铜合金，可选取较大的横浇道和内浇道，以保持较慢的液流速度。横浇道理想的截面应为长方形，其宽度与厚度之比为2：1，横浇道上表面越宽其集渣能力也越强，当在一个横浇道上开设多个浇口时，横浇道的截面积应根据各个内浇口的面积作相应的缩减，以保证每个内浇口内金属流动的状况大致相同（图4），另外，一种置于横浇道末端的集渣器能够清除在浇注系统内产生的氧化杂质。内浇道应尽可能开设在在较低的位置，以避免液体金属在下落过程中产生紊流，与横浇道一样，内浇道截面应为长方形，以防在交接面上出现热结点而产生缩松，内浇道准确的宽度厚度比应根据铸件的凝固时间来确定，作为一个经验数据推荐：内浇道的厚度应小于交接处铸件厚度33。冒口系统在有色合金补缩系统中（冒口），合金的凝固方式是多种多样的，这是因为有色合金的凝固温度范围可以从铝铜合金几到铜合金200多。讨论合金的补缩首先就要了解合金是怎样凝固的，有色合金不能简单地根据其名称进行的分类，因为同一名称的合金可能在凝固温度范围上有很大的区别，因此有色合金常常根据其凝固温度范围进行分类。（液相线和固相线）合金的凝固窄结晶温度范围的合金在砂型中冷却时，先降到液相线温度的液体金属首先开始凝固，这通常发生在铸件的表面上，那里的热交换作用最强，铸型型壁的激冷作用使金属液很快形成一个固体薄壳包裹着金属液，通过这个薄壳向外散热，金属液体开始不断地在上面凝固，金属壳的厚度不断增加。固体和液体被一条清楚的分界线凝固前沿分开，凝固前沿一直不断地朝铸件中心发展，晶体在凝固前沿的生长区域是很小的，这与铸件开始凝固时顶面的情况和凝固结束时底面的情况是一致的，窄结晶温度范围的合金即使在较低的温度梯度下也倾向于顺序凝固。对于宽结晶温度范围的合金，进行顺序凝固是困难的，尽管在凝固初期也会在型壁形成一个固体薄壳，但凝固不能逐渐地向铸件内部进行，而是从铸型型壁向一个与液相线对应的形核波内部推进，此后，一个与固相线对应的凝固结束波从型壁紧随形核波朝铸件的中心推进，因此，凝固是在形核波到达的每一处开始并且在凝固结束波到达时结束。通常情况下宽结晶温度范围的合金在凝固期间存在三种不同的结晶区域:在铸件中心的液相区；紧挨着型壁的固相区；介于液态区和固态区之间的凝固区。对于一些特殊的宽结晶温度范围的合金，如断面厚大的锡青铜铸件，其凝固温度范围超过392并具有较高的热导性，这种情况下液相和固相往往是共存于整个铸件断面中。 凝固方式和收缩在有色合金中表现出的各种凝固方式导致在铸件和冒口中存在不同形式的收缩，通常，窄结晶温度范围的合金具有较深的补缩通道，补缩液体通过整个凝固区域对铸件进行补缩，铸件内部的收缩可能在铸件最后凝固的地方形成小的孔洞,此时由于凝固前沿交接而使补缩通道被切断，或者说缩孔产生在不能得到充分补缩的铸件热节部分和厚大断面处。（图5）对于宽结晶范围的合金，由于其糊状凝固的特点，冒口的补缩通道很小，在整个凝固期间仅仅存在于很短的时间内，细小的分散的缩松存在于整个铸件断面上，粗大的集中的缩孔则存在于铸件冷却较慢的地方如热节和冒口中。在通常的铸造条件下，要在锡青铜或磷铜这样一些结晶范围宽的合金上获得绝对无缺陷的铸件是不可能的。这类合金通常有超过60的缩松被分散到整个铸件断面上（图5B）补缩实际对于窄结晶温度范围合金，要生产出优质铸件必须使合金从远离冒口的地方开始凝固，并且逐步朝冒口（最后凝固的地方）方向发展，这样，所有的液态和固态收缩都集中在冒口内进行，而铸件则是无缺陷的，这种逐渐凝固的方式被称作顺序凝固，它被看成在纵断面上形成V形凝固前沿的基本条件（V形的大端指向冒口）但是，这种理想的情况在实际铸造生产中是不存在的，由于铸件结构的复杂性使得很难在断面上形成所需要的温度梯度，通常，窄结晶温度范围的合金有效补缩冒口的设计原则如下：冒口必须置于铸件的热节部分上冒口应该在它所补缩的部分凝固之后才凝固（模数大于1）冒口必须有足够的体积补偿合金液态和固态的收缩，该收缩受合金构成、浇注温度、铸件的形状以及合金的含气量等因素的影响。此外还应考虑合金的补缩范围以确定冒口的距离，冒口将改变铸件同一断面上的温度梯度以促进顺序凝固。对于宽结晶范围的合金，几乎不存在顺序凝固，由于在一些区域内存在集中的缩孔，这对于保证铸件质量是不利的。例如，对于宽结晶范围的铜和铝合金，由于合金的高的导热性，使得在整个的铸件凝固区域保持几乎一样的温度梯度，这对于补缩是困难的。另外，特殊的高温和潜热都将加剧这种趋向。对于宽结晶范围的合金，补缩的目的并不是消除收缩，而是使收缩均匀分布到铸件的整个断面。一个实际的例子是铅青铜，它经常采用无冒口铸造工艺，以保持尽可能一致的温度梯度。如果冒口只对热节部分和收缩部分进行补偿那是最理想的。