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内压胀型铸造技术的研究 摘要 在现代工业生产中，通过铸造来获得机械产品毛坯是机械零件制造的主 要方法之一，铸造行业在国民经济中起着非常重要的作用。在铸件生产中出 现夹渣、气孔、气泡、缩松、结晶组织粗大或偏析、裂纹、冷隔等缺陷，经 过技术人员的努力，采用合理设计浇注系统以实现顺序凝固，采用压力铸造 等先进工艺在解决夹杂、气孔、气泡等问题时已经取得很好的效果，但是在 生产复杂型腔铸件时，在面对缩孔、缩松、结晶组织粗大或偏析、裂纹等缺 陷，并没有很好的解决方法。 本文简单介绍了重力铸造与外力场下的铸造技术的特点。介绍了真空压 铸和真空增压铸造的工作原理和特点，分析了这两种方法对铸件质量的提 高、缺陷的改善。通过研究发现在金属液浇注过程中抽真空，可以提高金属 液的充型能力，减少或消除铸件中气孔或气泡的产生；凝固时增加压力，可 以增强铸件的补缩能力，提高铸件致密度，改善针孔度级别缺陷的优良。本 文所研究的内压胀型铸造技术正是基于“真空 、“加压”这两大特点下提 出的，针对有空腔结构铸件的新的铸造方法。 内压胀型铸造技术与以往的利用“真空浇注、“加压凝固”的铸造方 法不同之处是：通过堵头与铸件空腔形成密封结构，然后向空腔中通入压缩 气体，使铸件在均布的内压作用下胀型凝固。在均布内压作用下的胀型凝固 可以有效减少缩松和缩孔的产生；由于内压的作用，裂纹的产生得到遏制； 凝固时，型芯拥有良好的热溃散性，能减少冷裂纹的产生；采用此方法，不 需要压铸机就能实现大型复杂铸件的压力铸造，生产单件或小批量压铸件时 其成本会比压铸低。本次研究尝试采用新的液态金属凝固方法，使铸件基本 上实现在压力作用下同步凝固，极大的减少气孔和缩松的缺陷，并减少浇道 与冒口对金属液的消耗量，实现铸造工艺的节能目标。 在分析了内压胀型铸造技术的原理及其特性后，确定了实验方案及其工 艺过程。为了研究内压胀型铸造技术，我们设计了金属铸型，搭建了实验平 台，并进行了实验研究，基本确定了此方法的可行性。随后，对操作过程及 得到的铸件进行了研究，分析、验证了此方法的特点，并对铸件产生的缺陷 进行了研究，找出了原因，对后续实验研究提出了建议。 关键词：缩松，真空浇注，加压凝固，胀型凝固 t h es t u d yo ni n t e r n a lp r ess u r e e x p a n d i n gc a s t i n gt e c h n i q u e a b s t r a c t i nm o d e r ni n d u s t r i a lp r o d u c t i o n ，o n eo ft h em a i nm e t h o d st om a n u f a c r u - e m e c h a n i c a l p a r t s w a sr o u g hc a s t i n g 1 1 1 ef o u n d r yi n d u s t r yp l a y e dav e r y i m p o r t a n tr o l ei nc h i n a sn a t i o n a le c o n o m y s l a gi n c l u s i o n s ，g a sh o l e s ，b l i s t e r ， p o r o s i t y ，r o u g hg r a i no rs e g r e g a t i o n ，c r a c k s ，c o l ds h u ta n do t h e rd e f e c t si n c a s t i n gw o u l dc a u s ea s e r i o u si m p a c to nt h eq u a l i t yo ft h ec a s t s ；v e r yg o o dr e s u l t h a db e e na c h i e v e db yt e c h n i c i a n sb yu s i n gp r o p e rd e s i g n i n go fp o u r i n g - s y s t e m f o rd i r e c t i o n a ls o l i d i f i c a t i o na n dp r e s s u r ec a s t i n g h o w e v e r ，t h e r eh a db e e nn o s u i t a b l es o l u t i o n st ot h ed e f e c t ss u c ha ss h r i n k a g e ，p o r o s i t y ，r o u g hg r a i no r s e g r e g a t i o n ，c r a c k si nc o m p l e xc a v i t yc a s t i n g 1 1 1 i sp a p e rb r i e f l yd e s c r i b e dt h eg r a v i t yc a s t i n ga n dt h ec a s t i n gt e c h n o l o g y u n d e re x t e r n a lf o r c ef i e l d s t h i sp a p e ra l s od e s c r i b e dt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n d p r i n c i p l e sb e h i n dv a c u u md i e c a s t i n ga n dv a c u u mp r e s s u r i n gc a s t i n g a n a l y s i s w a sd o n eo nt h e s et w ok i n d so fm e t h o d st oi m p r o v et h eq u a l i t yo fc a s t i n ga n d r e d u c ed e f e c t s 1 1 1 es t u d yf o u n dt h a ti nt h el i q u i dm e t a lp o u r i n gp r o c e s s ，v a c u u m c a ni m p r o v et h ef i l l i n gm o l da b i l i t yo ft h el i q u i dm e t a l t h i sc o u l dr e d u c eo r e l i m i n a t et h eg a sh o l e so rb l i s t e ri nc a s t s a l s o ，i n c r e a s i n gp r e s s u r ei n t h e f r e e z i n gp r o c e s s ，c o u l ds 仃e n g t h e nt h ec a s t sa b i l i t yo ff i l l i n gs h r i n k a g e ，i m p r o v e d t h ec a s t s d e n s i t y ，a n dm a d et h ed e f e c t si nt h el e v e lo fp i n h o l ed e g r e e sf m e 1 1 1 e i n t e r n a lp r e s s u r ee x p a n d i n gc a s t i n gt e c h n o l o g yw h i c hw a ss t u d i e di nt h i sp a p e r w a sb a s e do nt h et w om a jo rc h a r a c t e r i s t i c s ，v a c u u m a n d p r e s s u r i n g ”1 1 1 i s n e wc a s t i n gm e t h o dw a ss t u d i e df o rt h ec a s t sw h i c hh a dc a v i t ys t r u c t u r e t h em a i nd i f f e r e n c eb e t w e e ni n t e r n a l p r e s s u r ee x p a n d i n gc a s t i n g t e c h n o l o g ya n do t h e r sw h i c hw e r eu s e do fv a c u u mf i l l i n ga n dp r e s s u r ef r e e z i n g w a st h a tt h eb u l k h e a da n dc a s t i n gc a v i t yf o r m i n gs e a l i n gs t r u c t u r e ，c o m p r e s s e d g a sw a sa c c e s s e di n t ot h ec a v i t y ；c a s t i n gw o u l ds o l i d i f yu n d e rt h ea c t i o no f t h e i n n e rp r e s s u r e 卫b j sc o u l de f f e c t i v e l yr e d u c et h es h r i n k a g ea n dt h ep o r o s i t y ；i t a l s oc o u l dp r e v e n tt h eg e n e r a t i o no fc r a c k m e nt h el i q u i dm e t a ls o l i d i f i e d ，t h e 1 1 1 c o l dt e a rc o u l db er e d u c e dw i t ht h ec o r e s h o tc o l l a p s i b i l i t y e s p e c i a l l y ，t h e c a s t i n gw h i c h w a sl a r g ea n dc o m p l e xc o u l db em a d ew i t h o u td i ec a s t i n gm a c h i n e ， a n dt h e i rc o s tw a sl o w e rt h a nd i ec a s t i n gw h e nw e r em a d ei nt h es i n g l ea n ds m a l l b a t c hc a s t i n g t h i ss t u d ya t t e m p t e dt ou s et h en e ws o l i d i f y i n gm e t h o do fl i q u i d m e t a lw h i c hc o u l da c h i e v e c a s t i n g ss y n c h r o n o u s s o l i d i f i c a t i o nu n d e rt h e i n t e r n a lp r e s s u r e ；i tc o u l dg r e a t l yr e d u c et h es h r i n k a g ea n dt h ep o r o s i t y i ta l s o r e d u c e dt h ec o n s u m p t i o no fl i q u i dm e t a l ，t om a k et h ec a s t i n gm e e tt h e e n e r g y s a v i n gt a r g e t s d u r i n gt h ea n a l y s i so nt h ep r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i c so fi n n e rp r e s s u r e c a s t i n gt e c h n o l o g y ，t h ee x p e r i m e n ta n dt e c h n o l o g i c a lp r o c e s sw e r ef o u n d a m e t a lc a s t i n gw a sd e s i g n e d ，a ne x p e r i m e n t a lp l a t f o r mw a sb u i l t ，a n df e a s i b i l i t y s t u d i e sw e r ec o n d u c t e df o rt h ei n t e r n a lp r e s s u r ee x p a n d i n gc a s t i n gm e t h o d t h e n ， t h ec a s t i n gw a sa n a l y z e dt of m dt h ec a u s e so ft h ed e f e c t ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i co f t h ec a s t i n gw a sa l s os t u d i e d s u g g e s t i o n so ns u b s e q u e n te x p e r i m e n tr e s e a r c h w e r ep r o p o s e d k e y w o r d s ：p o r o s i t y ，v a c u u mf i l l i n g ，p r e s s u r es o l i d i f i c a t i o n ，e x p a n s i o na n d s o l i d i f i c a t i o n i v 内压胀型铸造技术的研究 l 绪论 1 1 铸造业的现状及发展 1 1 1 我国铸造业的现状 铸造，在我国是一个古老的行业，可以追溯n 6 0 0 0 年前。在现代工业生产中，通过 铸造来获得机械产品毛坯是机械零件制造的主要方法之一，铸造行业在国民经济中起着 非常重要的作用。在许多机械产品中，铸件产品占整机重量的比例很高，比如内燃机、 机床、重型机器的7 0 - 9 0 ，农业机械的4 0 - - - 7 0 都是铸件。铸造业的发展，标志着 一个国家的生产实力。 据2 0 0 8 年统计，我国年产铸件3 3 5 0 万吨，是世界铸造第一大国。但是，这些铸件中 的大部分产品是由中小型铸造企业完成的，其技术水平低，生产的铸件质量差，成本投 入高，利润低，经济效益差，工人的劳动环境恶劣，对环境的污染较为严重，而拥有高 水平铸造技术的仅限于少数骨干企业。就我国铸造行业整体水平来说较为落后，铸件质 量低，材料和能源投入可占到产值的5 5 - 7 0 ，铸模仍以手工或简单机械进行模具加 工，工艺设计多凭个人经验，计算机应用少；铸造技术装备差，特种铸造技术和关键设 备主要依靠国j , b i j i 进n 3 。 目前我国正逐步成为世界制造中心，对铸件的需求量越来越多的同时，对铸件质量 也有更高的要求，这就需要我们提高铸造工艺水平、开发新技术、新设备，使我国由铸 造大国向铸造强国转变。 1 1 2 铸造行业的发展 作为传统的铸造方法，砂型铸造得到的铸件精度低，表面粗糙，内部质量不理想， 已经很难满足现代工业对机械零件质量的高要求。科学技术和生产的不断发展，促进了 铸造技术的不断进步，在1 9 世后期和2 0 世纪前期，人们又发明了很多新的铸造方法，如 低压铸造、陶瓷铸造、连续铸造等。这些新的铸造方法都是人们在砂型铸造的基础上， 通过改变铸型的材料、模型材料、浇注方法、金属液充填铸型或铸件凝固的条件等，创 造出来的。这些铸造方法统称为特种铸造，并且都有各自的优缺点，都能在不同程度上 满足对铸件的高质量要求。 铸造产品发展的趋势是要求铸件有更好的综合性能，更高的精度，更少的加工余量 和更光洁的表面，并且对铸造成本和铸件生产的效率等提出了更高的要求。为应对此趋 势，我国在这几年加大了在精密铸造技术、连续铸造技术、特种铸造技术、铸造自动化 和铸造成型模拟技术等方面的投入n 1 。此外，社会对节能和环境保护的要求呼声越来越 高，铸造技术也向着低能耗、低污染、高效益方向发展。为适应这些要求，新的铸造合 金将会被开发，冶炼新工艺和新设备将相应出现。 陕西科技大学硕士学位论文 目前，在国外计算机技术在铸造中得到了大量使用，运用计算机设计模具、进行合 金液充型和凝固过程模拟，建立合金热物性参数、凝固补缩特性参数数据库等。国内对 压力铸造研究的比较多，正在对压铸充型、凝固规律进行深入研究，研发新的压铸设备 及控制系统，以满足铸件的更高工艺要求；研究新涂料、半固态合金压铸技术；开发新 的压铸合金材料；采用快速原型制作技术制作压铸模；开发新的低压铸造设备以满足各 种工艺参数要求的；加大铸造过程中计算机技术的运用，推行低压铸造模具、合金液填 充和凝固过程模拟，以更好的了解充型、凝固特性；开发高度自动化铸造机，提高生产 率；研发新技术，改进现有技术以适应高可靠性零部件、复杂、薄壁、致密铸件的生产。 1 2 现有的铸造技术 铸造在适应性上非常广泛，它不受零件形状、大小的限制，几乎任何大小、任何简 单、复杂的零件都可以通过铸造得到，对于某些脆性金属或合金，铸造是其成型的唯一 方法。 液态金属成型主要有两个基本过程：金属液的浇注充型和冷却凝固。这两个过程进 行的好坏，直接关系到铸件的质量。浇注充型和冷却凝固可以在重力下进行，也可以在 外力作用下进行，由此，可以将铸造技术分为两大类：重力铸造和外力场作用下的铸造。 1 2 1 重力铸造 重力铸造是指金属液在自身重力的作用下填充铸型、凝固的铸造技术。它包括砂型 铸造、金属型铸造、熔模铸造、消失模铸造、陶瓷型铸造、石膏型铸造等2 1 。 a 砂型铸造 砂型铸造所使用的造型材料价格低廉、易得，铸型制造简便，且适应广泛，长期以 来，是使用最多的铸造方法。常用的原砂是石英砂和特种砂，石英砂即硅砂，特种砂主 要有锆英砂、铬铁矿砂、橄榄石砂及硅酸铝砂等。砂型又可以分为粘土砂型、有机粘结 剂砂型、树脂自硬砂型等等。 目前，不论是我国还是国际上，铸件总产量的6 0 - - 7 0 是通过砂型铸造生产的，这 些砂型生产的铸件中的7 0 左右运用的是粘土砂型。出现此种情况的主要原因是砂型铸 造拥有成本低、工艺简单、周期短等优势。最常用的是粘土湿型砂工艺，其次是其他砂 型工艺。 b 金属型铸造 金属型铸造，是用金属材料制作铸型，金属液在重力的作用下充填型腔获得铸件。 由于金属型无退让性，又被称为硬模铸造；一副铸型可以多次使用，因此也被称为永久 型铸造。由金属型生产的铸件组织致密、力学性能好、表面粗糙度低、质量稳定，广泛 用于汽车发动机、仪表、农机等部门。 2 内压胀型铸造技术的研究 c 熔模铸造 熔模铸造，又叫失蜡铸造，是用蜡制作铸件模型，然后在蜡模表面涂上多层耐火材 料，待耐火材料干透后熔去蜡模，得到有铸件形状的壳体，再经过焙烧后浇注金属液得 到铸件。 熔模铸造在4 0 0 0 年前就已经存在，而其进入工业领域是在2 0 世纪4 0 年代，目前正在 不断地发展。采用熔模铸造生产的铸件尺寸精度、表面光洁度非常高，但其工艺极复杂， 使用的材料较为昂贵，一般在生产有较高质量要求、较高价值的铸件时使用。 d 消失模铸造 消失模铸造是在2 0 世纪5 0 年代由美国人发明的，随后发展起来的一项精密铸造技术。 它是用泡沫塑料代替木模或金属模进行造型，造好型后模样并不取出，浇筑时泡沫塑料 在金属液的高温下气化，金属液取代泡沫塑料原来的位置，凝固后得到铸件。制造模样 是非常关键的，其模样不仅要求外在质量高，对内部质量也有一定要求。消失模铸造在 使用过程中会产生大量的气体，所以要非常注意气体的排出。 目前，消失模在汽车制造领域运用较多。消失模铸造在技术、经济、环境保护等方 面均具有非常明显的优势，被称为铸造业的革命，有很好的发展前景。 e 其它重力铸造技术 陶瓷型铸造是由英国人s h o w ：i ! e 2 0 世纪5 0 年代实验成功的，通过灌注陶瓷浆料得到 铸型的一种铸造方法。由其得到的铸件尺寸精度高、表面光洁，但生产成本较高，生产 效率较低，一般运用于不易加工、形状不规则的铸件。 石膏型铸造是用石膏制作铸型的一种铸造技术，铸型制作的时间较长，且耐火性 较差，金属液在石膏型中冷却速度比较慢，生产较高温度的铸件时铸型易分解。 1 2 2 外力场作用下的铸造 外力场作用下的铸造技术，是指金属液在浇注充型或凝固过程中，不仅要受到重力 的作用，还要受到外加力场的作用。施加外力，是为了在人工干预下改变金属液充型、 凝固状态，以获得质量更高、更理想的铸件。在外力场作用下的铸造技术主要有压力铸 造、低压铸造、差压铸造、离心铸造、挤压铸造等。 a 压力铸造 压力铸造是一种非常重要的铸造技术，从其出现到现在已经有1 0 0 多年的历史。其原 理是将熔炼好的金属液在高压的作用下，快速充填金属型的型腔，并保持压力，使金属 液在此压力下凝固成型。其特点是高速、高压，压力可以从几兆帕到几十兆帕，甚至达 到几百兆帕，填充速度能达到百米每秒。 压力铸造的生产效率非常高，生产的铸件质量高，经济性好；但也存在一些缺点， 其高速充型时，金属液流态不稳定，易卷气，不适合小批量生产。目前，压力铸造又发 展出了真空压铸、加氧压铸等。 陕西科技大学硕士学位论文 b 低压铸造 低压铸造，是一种反重力铸造方法，是将金属液通过放置在铸型下面的升液管压入 型腔，并在压力下凝固的铸造技术。通常使用的压力在2 0 至8 0 千帕之间，在此低压下， 金属液能平稳充型。由下向上充型，与气体的流动方向相同，减少了卷气现象，充型完 成后，多余的金属液回流，减少了损耗。 低压铸造最早出现在2 0 世纪2 0 年代，我国是n 6 0 年代开始采用这一方法的，由此种 方法生产的铸件轮廓清晰，力学性能好，金属液回收率高，主要用来生产质量高的镁、 铝合金铸件。 c 差压铸造 差压铸造起源于保加利亚，是在低压铸造的基础上发展起来的，与低压铸造的区别 在于差压铸造的铸型放置在一个密封罩内，铸型也受到一定的气体压力，而低压铸造时 铸型是放在大气环境中。浇注时，金属液在铸型之间存在压力差，金属液就是在这个压 力差下完成充型、凝固，在此条件下，铸件的凝固条件比低压铸造更好，因此可以得到 比低压铸造更好质量的铸件。 差压铸造分为增压法和减压法两类，按充气压力的大小又可以分为低压差压法、中 压差压法、高压差压法。 d 离心铸造 离心铸造是将金属液浇入旋转的铸型中，在离心力的作用下，金属液充型、凝固的 铸造方法。离心铸造需要有旋转的工作条件，所以常用来生产回转零件，如管件、筒体、 缸套、铜套、轴承等。离心铸造机分为立式和卧式两种。 离心铸造不需要型芯就能生产出中空的铸件，且没有浇注系统和冒口，使金属液的 消耗量减少，由其得到的铸件质量要比砂型高，但是铸件内部较为粗糙，且易产生偏析 现象。 e 挤压铸造 挤压铸造是将定量的金属液浇入铸型型腔中，再施以较高的机械压力，使金属液充 型、凝固成铸件的一种铸造方法，也被称为液态模锻。此种方法最早产生于2 0 世纪中叶， 现已被广泛运用于生产力学性能高、气密性好的铸件。 ， 不同的铸造方法有其自身的优缺点，其应用范围都有一定的局限。随着科学技术和 生产的发展，人们对铸件质量的要求会更高，各种铸造技术也在不断地改进，新技术也 会不断出现。在表1 - i 中，我们给出了各种铸造方法的特点和适用范围。 表1 - 1 各种铸造方法的特点和适用范围瞳1 t a b1 - 1t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n ds c o p eo f v a r i o u sc a s t i n gm e t h o d s 霎萋薯蓑茎篓嘉要光蓁篓主主： 适用范围工艺特点 方法材料重量洁度杂程度成本 4 内压胀型铸造技术的研究 几十 砂型各种 克差简单低免爰，间早低 铸造 材料 很大 竺苎 有色 型铸 善金 铸钢 熔模及有 铸造色合 陶瓷铸钢 型铸及铸 造铁 石膏 型铸 霎 低压 铸造 有色 合金 铝、 差压 镁合 铸造 金 篆耋娶 离心灰 复杂 用高 模费 简单、 生产 批量 复杂均比时 尝较低 铸件 歌陌 5 最常用的铸造方法 手工造型：单件、小批 量和不能使用造型机 的铸件 机械造型：批量生产 的中、小铸件 小批量、大批量生产 非铁合金铸件，也可 生产钢铁铸件 各种批量铸钢件及高 熔点合金小型复杂精 密件，艺术品及精密 机械零件特别适合 模具、精密铸件 单件、小批量 小批量，最好是大批 量的大、中型铸件， 可生产薄壁铸件 手工：灵活、易行，效率 低，劳动强度大，尺寸精 度低，表面质量差 机械：尺寸精度高，表面 质量好；投资大 精度高、表面质量好，组 织致密度高，力学性能好， 效率高 尺寸精度高，表面光洁， 工序繁多，劳动强度大 尺寸精度高、表面光洁， 生产效率低 铸件组织致密，出品率高， 设备简单，铸型选择多样， 生产效率低 耋差能、形状复杂的 耋袭妻萎：凳墨譬嚣薯： 铸件 一。差轰辜茬。“ 大量生产的有色合金 中、小型铸件，薄壁、 耐压铸件 各种批量的旋转铸 件、各种直径管件 尺寸精度高、表面光洁， 组织致密，生产率高，成 本低。压铸机、铸型成本 高 尺寸精度高、表面光洁， 组织致密，生产率高 子 好 好 好 子 子 子 好 好 睹 曙 孵 好 好 好 姗 十 十斤l 公亍公 百斤十 十斤十 十斤l十斤乙十斤十几克二公月克几厂几斤几公几克几公几克几公克几公克几公几左 陕西科技大学硕士学位论文 1 3 真空在铸造中的应用 金属液在充型过程中会卷入气体造成缺陷，影响铸件的质量，严重时使铸件报废， 人们为了减少浇注过程中由于气体的卷入而造成的缺陷，引入了真空技术，就是指在金 属液充型过程中对型腔抽真空，以减少铸型中的气体，改善金属液的流动状态，来提高 铸件的质量。真空技术一般与加压技术相结合使用，已有的运用真空、加压的铸造方法 有真空吸铸、真空差压铸造、真空压铸，以及真空增压铸造法等。本文要研究的内压胀 型铸造技术与真空压铸、真空增压铸造有许多相似之处，所以在以下仅对这两种方法做 了简单的介绍。 1 3 1 真空压铸 压力铸造具有生产效率高，铸件尺寸精度高，且表面粗糙度低，形状复杂等一系列 优点，但是由于压力铸造在充型时，型腔中的气体未排除，金属液会出现卷气、吸气等 现象而使铸件形成气孔，凝固收缩时得不到补缩出现疏松。这些缺陷的存在带来的强度 问题，使得铸件在进行热处理、焊接或用于气密性要求较高的场合时，会出现严重的问 题。为了改进压力铸造技术，减少压铸件的气孔缺陷，提高力学性能，研究人员在对压 铸工艺及其铸件缺陷进行大量研究的基础上，结合真空技术，发明了真空压铸技术，如 图卜1 跚。 6 内压胀型铸造技术的研究 i ) 进料秭闭合 图卜1 真空压铸原理示意图嘲 f i g1 1t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f v a c u u md i ec a s t i n g 真空压铸是在压力铸造基础上发展而来的，通过浇注时对型腔抽真空，以消除或减少 引起气孔缺陷的气体，来提高压铸件质量为目的一种压铸方法。其原理是，在压射金属 液的过程中，当活塞刚刚封闭浇注孔时启动真空泵( 图1 - 1 a ) ，通过真空阀抽出密闭连通 的压室、型腔中的空气，当型腔基本被金属液充满、金属液前沿接近排气道时关闭真空 阀( 图1 - 1 b ) ，金属液会在真空条件下完成型腔的充填。此时，型腔处于真空状态，金属 液吸气、卷气的可能性大大降低，气孔缺陷的成因也从根本上得到消除嘲。 真空压铸的特点如下口4 1 ： a 真空压铸可以使压铸件内部的气孔减少或消除，使铸件的力学性能和表面质量得 到提高和改善，铸件的度覆性能也得以提高； b 真空使型腔的反压力减少，提高了金属液的充型能力，可以降低充型压力，浇注 铸造性能差的合金，可以压铸较大和较薄的铸件； c 真空压铸机的密封结构比较复杂，压铸机在制造和安装时比较困难，使用成本比 较高，并且对使用技巧要求高。 目前，r y o b i 、日产、本田等大型压铸相关企业正在对真空压铸进行研究嘲。 1 3 2 真空增压铸造 中国兵器工业第五九研究所的孙昌建等人研究了真空增压铸造技术，它是一种反重 力铸造方法，借鉴了真空吸铸、低压铸造及差压铸造等方法的优缺点，将真空状态浇注和 压力下凝固相结合而形成的一种铸造技术1 。 7 陕西科技大学硕士学位论文 图1 - 2 真空增压铸造设备原理示意图踌1 f i g1 2t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f v a c u u mp r e s s u r i z i n gc a s t i n g 真空增压铸造设备示意图如图1 - 2 ，其工艺过程如下啼3 。 a 将铸型、金属液安放于工作舱中，关闭舱门，并使其密封； b 启动真空泵，将工作舱抽成真空，在真空条件下浇注金属液，完成充型； c 关闭真空泵，打开增压装置，对工作舱充入压力气体，使金属液在外加的压力作用 下凝固成型。 真空增压铸造与其他铸造方法相比，有如下几个重要特征随即： a 真空除气 首先，将熔化的金属液放置于工作舱中，并对工作舱抽真空，工作舱中的压力减小， 气体在金属液中的溶解度降低，部分溶解的气体会析出，这可使得到的铸件中的气体含 量减少，从而减少了铸件凝固时出现的针孔，保证了铸件使用时的精度。在真空环境下， 金属液表面很少氧化，减少了氧化物的产生，能够得到较为纯净的金属液。此外，在真 空条件下还可以充分除去铸型吸附的气体或水汽，减少了侵入性气孔产生的可能性。 b 真空充型 金属液在真空环境下充型，使得卷气、吸气现象不再出现，型腔内的气体阻力消失， 极大地提高了金属液的充型能力。金属液流动性的提高，十分有利于浇注薄壁、复杂的 铸件。在真空下，大部分气体由真空装置排出，铸型所需排出的气体量大幅减少，对铸 型的透气性能就不再有较高的要求。在真空下，金属液面能由下向上平稳推进，且随着 金属的流动，温度在不断降低，这就很容易形成从下向上，温度逐渐减小的温度分布， 再配合热节处正确的冷却措施，可以实现最有利于铸件质量的凝固方式，即铸件从上及 下依次凝固的顺序凝固方式。 c 加压凝固 金属液凝固时施加一定的压力，在此压力下，金属液的补缩能力得到有效提高。凝 固中的铸件在外力的作用下，存在于晶粒间隔中的液态金属受到挤压，初始凝固的晶粒 发生显微变形，使得冒口的补缩能力得到大幅提高，大大改善了铸件内部的缩松；也有 8 内压胀型铸造技术的研究 利于得到细密的晶体组织。在加压条件下，气泡的形成得以抑制，固态金属中气体的溶 解度也有所增加，减少了铸件针孔级别的缺陷，从而使铸件获得了更好的气密性。 目前，在航空、航天、军工、船舶类薄壁铝合金铸件的工程化生产中，真空增压铸 造技术已成功应用，铸件品质十分优良，铸件合格率也大幅提高，真空增压铸造技术在生 产大型复杂薄壁铸件时拥有十分明显的优势嘲。 1 4 本课题的主要研究内容 在制造金属铸件毛坯的过程中，夹杂、气孔、气泡、缩松、结晶组织粗大或偏析、 裂纹、冷隔等是影响铸件毛坯质量的主要缺陷，通过合理设计浇注系统，改善凝固条件 等工艺在解决夹杂、气孔、气泡等问题时已经取得很好的效果；目前，在生产简单结构 铸件时，这些缺陷已经能够很好地消除。但是在生产复杂型腔铸件时，在面对缩孔、缩 松、结晶组织粗大或偏析、裂纹等缺陷，目前国内外还是注重于运用物理场，如电场、 磁场、超声波、压力场、温度场等方法来改善铸件的结晶过程，以便解决问题口3 。 经过前人研究以及生产实践证明，当有外力作用时，凝固中的金属液会形成致密的 结晶组织，能够使铸件毛坯的质量得到提高；在生产型腔复杂的铸件时，要实现顺序凝 固是很困难的，如果用压力铸造，在压力传递过程中沿程损失很大，对铸件的补缩非常 不利，在生产大型单件或小批量铸件时更加明显。因此，如果能够实现等压力凝固，就 能很好的改善型腔复杂铸件毛坯的质量口3 。 本论文要研究的内压胀型铸造技术是一种通过向铸件型腔内部通入压力气体，并使 铸件在此压力下凝固以改善铸件结晶组织，提高铸件质量的技术。它主要针对的是有空 腔结构的铸件。 本技术所采用的主要方法是：在制做型芯时，在其与铸件开孔部位相对应的位置上 分别设置一个堵头，堵头中插入通气管；当金属液完成浇注时，铸件毛坯会与堵头熔接， 形成密闭的壳体。通过通气管调节铸件型腔中气体的进出，以实现真空浇注，等压力下 凝固的铸造方法h 1 。 本课题所采用就是通过在真空条件下浇注、充型，在均匀压力下凝固的方法来获得 质量较好的铸件。目前，内压胀型铸造技术还只是存在于理论阶段，需要不断地实验以 验证其可行性，确定其优缺点。为此，本次实验的主要研究内容有： ( 1 ) 完成内压胀型铸造技术实验平台的建立； ( 2 ) 确定完善的铸造技术工艺； ( 3 ) 对完成的铸造胚件的质量进行检验，验证内压胀型技术的可行性，并分析此技 术的优缺点。 9 内压胀型铸造技术的研究 2 内压胀型铸造的原理及实验方案的设计 2 1 真空对铸件质量的影响 真空技术在铸造中的运用，主要包括真空造型、真空除气和真空浇注。 真空造型真空造型是指在砂型铸造造型过程中运用真空技术，具体方法是：将砂型 的型腔面和背面用塑料薄膜密封起来，通过真空泵抽气在密封塑料薄膜内产生负压，使 砂型内、外产生压差，型砂在压力差下紧固成型，经过下芯、合箱、浇注，待铸件凝固 后，解除负压，型砂便随之溃散而获得铸件。目前，真空造型主要在真空密封造型( v 法) 和实型真空铸造( f v 法) 等方法中运用9 3 。 前人在造型方面的研究发现n0 1 1 1 ：造型时真空度高，型腔的紧实度也高，所得的铸 件质量也好。但过高的真空度，会造成造型材料紧实度大增，铸件容易产生裂纹；真空 度过低，铸型的紧实度也低，造型材料比较松，同时也会使排气效率下降，增碳和气孔 等缺陷较易产生。 真空除气将熔化的金属液放置于真空环境中，由于压力降低，气体在金属液中的 溶解度将会减小，一部分气体随之逸出，凝固的金属液中气体的含量会减少，从而提高 了铸件的致密度，减少了针孔级别缺陷的产生，保证了铸件的精度。 真空浇注是指金属液在填充型腔时对型腔抽真空，使型腔处于负压状态，在真空 气氛中进行铸件的浇注、充型。在真空压铸、真空吸铸、真空差压铸造、真空低压铸造、 真空增压铸造等方法中，真空浇注都有所运用。前人在研究真空浇注时，发现其优点主 要在以下几个方面晦1 2 1 钔： a 对金属液流动性的影响 在真空状态下浇注，相比与在大气条件下浇注，金属液不会出现吸气、卷气现象， 型腔内的气体阻力降低，强化了充型能力，为充型过程的平稳进行提供了有利保证。在 真空所提供的有利情况下，金属液流动性得到大幅提高，十分有利于薄壁、复杂铸件的 浇注充型。在真空条件下，大部分气体由真空装置排出，铸型所需排出的气体量大幅减 少，对铸型的透气性能不在有较高的要求。 金属液前沿流动形态和流动速度直接影响到铸件的充型情况，很多人对此进行了大 量研究。结果发现：金属液在真空环境下充型，可以改变金属液前沿的流动形态。在真 空条件下，金属液面表面张力降低，金属液前沿呈现不规则的凹形，真空度越大，不规 则凹形越大，此状态可以使金属液的充型质量提高。金液属前沿的弧度随着浇注时真空 度的提高而加大，充型时间也会减少，充型速度得到提高。图2 1 资料表明，在真空条件 下，金属液的流动性大约提高了一倍。 陕西科技大学硕士学位论文 艇奄 膨 泳。由k 壁、 图2 - 1 流动性对比( 材料：a c 4 a ) 嘲 f i g 2 1c o m p a r i s o no fl i q u i d i t y ( m a t e r i a l ：a c 4 a ) b 对机械性能的影响 铸件的机械性能，与弥散在铸件内部的氧化膜夹杂微粒的多少的有关，氧化膜夹杂 会降低铸件的力学性能，图2 - 2 是前人研究的真空浇注一加压凝固与普通浇注一加压凝固所 得铸件性能的试验对比图，可以看出，在真空浇注时铸件的强度要比在大气下浇注的铸 件强度高，大气下浇注的铸件强度值波动较大；而在一定的应力值下，由图示两种铸造 方法获得的铸件的疲劳寿命相差巨大。以上分析以及图2 2 可以说明铸件的强度和疲劳寿 命在使用真空浇注时要比普通浇注高。 i 麓；濑 簟。、j ；r 4 ， j 荔i j 参麓鬟耄 i 鬻鍪，。蓼。笺 | j 警j 攀 1 一 j 。器量 蚕7 l i s 0 l o 、。l 薯_ 蠢翟拳二兰? n ”；撼 卜，0 ： - i ，_ 嘲 一 i _ i ， 。_ 。 图2 - 2 疲劳强度对比哺1 f i g2 - 2t h ec o m p a r i s o no ff a t i g u es t r e n g t h 真空浇注加压凝固得到的铸件嘴通浇注加压凝固得到的铸件 材料：a c 4 a 疲劳试验 c 对铸件侵入性气孔及欠浇注情况的影响 浇注时，将型腔抽真空，会使型腔内的空气减少，可以减少金属液浇注充型时的紊 流卷气以及铸型的型腔窝气，同样也使侵入铸件内部的气孔减少，提高了铸件质量，也 减少了铸件欠浇缺陷的出现，保证了铸件的成品率。 1 2 内压胀型铸造技术的研究 2 2 加压凝固对铸件质量的影响 在铸件的整个凝固过程中，对其施力i l j , b 力，使铸件在外力的作用下凝固，以得到更 好性能的产品，此种方法在压力铸造、挤压铸造、差压铸造、真空压铸等方法中得到运 用。金属液在压力下凝固，不仅能改善铸件的缩孔、缩松，还能保证铸件针孔度级别的 优良，使铸件的气密性、耐压性得以提高。前人在研究真空差压铸造、真空压铸时指出 眦1 4 1 ：凝固时，保压压力越大，铸件相同部位的致密度越高；铸件不同部位的致密度随着 保压压力的增大越来越均匀；保压压力越大，铸件的补缩速度就越大，补缩能力越强h 们； 增大铸造压力，可以消除铸件内部的缩孔和缩松。 a 加压凝固对铸件缩松的影响 铸件凝固时，由于施加的外力挤压正在凝固的金属晶粒，使得枝晶间隔中的还未凝 固的液相金属从晶粒间挤出、凝固，而初始凝固的晶粒由于受压发生显微变形，此举使 金属组织的致密度得到提高，也使冒口的补缩能力得到大幅提高，产生的结果是改善了 铸件内部的缩松嘲。图2 - 3 是前人研究的加压铸造对棒状铸件缩松影响的结果图，由图可 以看出，随着加压压力的增加，铸件的缩松度不断下降。 爨 ，争 越 冬 瓣 # 瓤蟹0 * 鬻露i 菇巍i 鹣霪 ；鬻。霪霪舅。鬻。鬻篱 。一一”蔓荔，麓雾 澄蒺 ，i 。，静 藜菱囊攀攀；霪雾囊i囊鬻豢 鬻攀囊 瞎彩礴雾耋 彩j 荔一蘩i 蹬i ，4 v ，1，一| # 嚣弱 i t 黪4 ：黧黔臻缓戮。 ：誉。篡薯畿j霞i 鬻 ； z 参雾囊嚣 攀鬻黪 蕊躐雾露 鼷藜荔雾荔i 甥豢，j ： 黪i 糕 ! 爹爹鬻：u = j b 。g 一嘶 摹x ；瓣二j 。鬈7 誓；飘。 溪i 荔雾乏黪ij 渗i 。0 i，； 。 簟 黪i k ” 黪黪 荔i 爹蒺! 蒸黉j 攀j | 。，一 ：一1 k 。 i 7。 一7； ，。曾， 一 攀嚣 i 麓| 0 鬈参锈：李霉? 蠢囊一? ，z ， ，“ j 卜? 鬻j j 鬈：。擘攀j 瑟蘩 季譬董j ， ：。囊萋0 荔蠹薹? ?墨穗霉 ， 。 i ，善，。 ， 1 _紫 - 上一 誉萋 t，“一， 1。 篆鎏? | | ；| 豢 i 一薯t ， j “ 曩一 ， 。o o ：“ 萋誊i 豢h _ ； ， ， 。、。 c + ： 蓬办0m p a 图2 3 加压铸造对棒状铸件缩松的影响嘲 ( 青铜浇注温度1 1 4 0 - 11 6 0 c ) f i g 2 3t h er o l eo f p r e s s u r i z i n gc a s t i n gw i t hs t 曲g eo f c a s t i n g - r o d b 对铝铸件针孔的影响 在生产材料为铝及铝合金的铸件时，在金属液凝固过程中溶解与其中的分子氢会析 出，并导致针孔的出现。铸件凝固时，析出的原子氢结合变成分子氢，分子氢聚合在一 1 3 陕西科技大学硕士学位论文 起出现氢气泡。当金属液凝固时，氢气泡来不及析出而留在铸件内形成针孔。针孔的出 现，会降低铸件的气密性能和力学性能，针孔太多，会导致铸件直接报废。 下面，我们讨论在压力条件下凝固时，铝合金液的析氢问题。 式( 2 - 1 ) 为氢气泡形成的条件式： 9 r r n ( 2 1 ) 气 = 磊压+ 吸力+ y 日+ 二 式中：名一氢气泡的压力，常压； r 气泡外部的总压力，常压； 斥压一大气压力，常压； 氏力一凝固时的加压压力，m p a ； y 一铝液密度，g c m 3 ； 日气泡上方铝液高度，c m ； 盯一铝液表面张力，n m ； r 气泡半径，c m 。 一般情况下，式中? x t t 和仃都很小，可以忽略，如此式( 2 - 1 ) 可简化为式( 2 - 2 ) ： p 2 = 珞压+ 力【6 l ( 2 2 ) 当增大“ 使马 时，就不能形成氢气泡。 由图2 4 可以看出，原子氢在铝合金液中的溶解度与外界压力有关，随外界压力的增 加，原子氢在铝合金液中溶解度也增加。 平衡状态曲线不平衡状态曲线 t a 一液相线温度佃一固相线温度 f l 一常压时开始析出气体温度，2 0 4 m p a 时开始析出气体温度 虱2 - 4 不同外压下气体在合金中的溶解度示意图哺3 f i g2 - 4t h eg a