（材料科学与工程专业论文）复杂薄壁铝合金铸件真空压差铸造技术.pdf

士学位论文 摘要 ( 随着现代科学技术的发展，铝合金铸件呈现复杂化、薄壁化、强韧化的趋势，市 场要求其生产工艺具有近净形、成本低、效率高、绿色集约化的特点，而目前常用的 铝合金精确铸造工艺在铸件的成形性、致密度、生产效率等方面尚存在着一定的局限 性，需要进一步开发新的精确成形工艺。本研究针对复杂薄壁铝合金铸件的特点，将 真空、压差、c o s w o r t hp r o c e s s 等几种技术集成，力求综合解决铸件成形性和致密性 之间的矛盾，开发一种设备简单、生产效率高、铸件质量好的精确成形新工艺，具有 较高的学术意义和较大的实际应用价值。，- ， 本研究揭示了真空压差铸造法的工艺原理及其设备设计原则，提出了具有高度线 性化充型特点的真空压差铸造工艺方案，成功开发了新颖的真空压差铸造法试验装 置，填补了国内空白。该工艺保留了现有的真空吸铸、低压铸造、c o s w o r t hp r o c e s s 等方法的优点，提高了复杂薄壁铸件的薄壁成形性能，同时又实现了铸件在压力下的 结晶凝固，从而提高了铸件致密性和机械性能。 采用水力学模拟和电极接触测试法，对真空压差铸造工艺的充填理论进行了探 讨，掌握了薄壁铸件的充填规律，并提出了薄壁铸件浇注过程中金属液的变密度浮射 流、冲击射流充型理论；制定了薄壁铸件按不同的壁厚和复杂程度取用不同的充填形 态方案：对于厚壁铸件采用顺序充填，以得到致密铸件：对于薄壁具有许多复杂结构 的铸件采用逆向附壁充填的方式浇注，以得到完整的铸件。 f 首次对真空压差铸造工艺参数与铸件充型性能和内在质量的关系作了系统地研 究： ( 1 ) 用压力传感器对真空压差铸造工艺曲线进行了测试，对充型过程的实际压 力的变化作了准确的描述。曲线充型段斜率直接说明了充型速度的大小，保压段的 高度表示了凝固过程中的补缩能力。对于薄壁复杂铸件，要求充型段的斜率较大，保 压段的压力可稍低；对于壁厚较大的铸件，充型段的斜率可小些，但保压压力必须增 大： ( 2 ) 对于z l l 0 1 合金，采用优化的工艺参数，铸件抗拉强度可达2 6 5 m p a 2 8 4 m p a ，通常砂型铸造铸件的抗拉强度为2 2 8 m p a ； 关键词：真空压差铸造 铝合金复鑫溲壁铸件 蒜赫螽 蠢：溘菇麓馘。 p r o d u c t i o np o s s e s sc h a r a c t e r i s t i c so f s e a l - n e ts h a p e ，l o wc o s lh i 【g h e f f i c i e n c ya n df e w p o l l u t i o n h o w e v e lt h e c o n v e n t i o n a la 1 一a l l o yp r e c i s i o nc a s t i n gt e c h n i q u e sh a v es o m e l i m i t so nf i l l i n g c a p a b i l i t y , p o r o s i t yd e f e c t a n dp r o d u c t i o ne f f i c i e n c yf o r c o m p l i c a t e d ， t h i n w a l l e da 1 a l l o yc a s t i n g d e v e l o p i n gn e w p r e c i s i o nc a s t i n gt e c h n i q u e si sn e c e s s a r y i n o r d e rt os o l v et h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e nb a s e do na l l s i d e da n a l y s i so f t e c h n i q u e s ( s u c ha s v a c u u ms u c t i o nc a s t i n g ，d i f f e r e n t i a lp r e s s u r ec a s t i n ga n dc o s w o r t hp r o c e s se t c ) ，an e w v a c u u md i f f e r e n t i a l p r o c e s sc a s t i n gt e c h n i q u e ( v d p c ) w a sp r e s e n t e d t h a th a st h e a d v a n t a g e so fs i m p l i f i e dd e v i c e s ，s t a b l ea n da d j u s t a b l ef i l l i n gv e l o c i t y , e x c e l l e n tf i l l i n ga n d f e e d i n ga b i l i t ya n dh i g hq u a l i t yf o rt h ec o m p l i c a t e d ，t h i n - w a l l e da 1 - a l l o yc a s t i n g s t h et e c h n i c a lf u n d a m e n t a l sa n dt h ed e s i g n p r i n c i p l e so f t h ef a c i l i t yo fv d p c a r ed e s c r i b e d i nm i s p a p e r t h es c h e m e 诵ml l i g hl i n e a r i z a t i o nf i l l i n gm o l dc a p a b i l i t yw a sp r o p o s e d t h e n e wt e s td e v i c eo fv d p ci sd e v e l o p e ds u c c e s s f u l l y v d p cp o s s e s s e ss o m ea d v a n t a g e so f v a c u u ms u c t i o nc a s t i n g ，l o w p r e s s u r ec a s t i n ga n dc o s w o r t hp r o c e s s i ti n c r e a s e st h ef i l l i n g c a p a c i t yf o rc o m p l i c a t e dt h i n w a l l e da 1 - a l l o yc a s t i n g ，a n db r i n g sa b o u tt h ec r y s t a l l i z a t i o n a n dt h es o l i d i f i c a t i o no f c a s t i n g u n d e r p r e s s u r e t h e r e f o r e ，t h eh i g h m e c h a n i c a l p e r f o r m a n c eo f a l 一a l l o yc a s t i n gc a n b e g a i n e d c o m b i n i n gt h eh y d r a u l i cs i m u l a t i o nw i t ht h ee l e c t r o d ec o n t a c tt e s tm e t h o d ，t h ef i l l i n g t h e o r yo f v d p cw a ss t u d i e d ，a n dt h ef i l l i n gr u l eo ft h i n - w a l l e dc a s t i n gw a s m a s t e r e d ，a n d t h eu n s t a b l ed e n s i t yf l o a tj e tf i l l i n gt h e o r ya n di m p a c t j e tf i l l i n gt h e o r yd u r i n gm e l tm e t a l f i l l i n gm o l d a r ep r o p o s e d t h ed i f f e r e n tf i l l i n gm o d e lw a sd e t e r m i n e d t h er e s u l t ss h o w t h a tt h es l o w e r p r o p e ro r d e rf i l l i n gm o d e lw a su s e df o rt h et h i c k e rw a l l e dc a s t i n g ，a n dt h e f a s t e rc o n v e r s ef i l l i n gm o d e lw a sa p p l i e dt ot h i n w a l l e da n dc o m p l i c a t e dc a s t i n gs oa st o g a i np e r f e c tc a s t i n g s t h er e l a t i o n so ft h e f i l l i n ga b i l i t y a n di n t e r n a l q u a l i t yo fc a s t i n g s w i t ht h et e c h n i c a l n i 华中科技大学博士学位论文 p a r a m e t e r so f v d p c w e r es y s t e m a t i c a l l yi n v e s t i g a t e d t h er e s u l t sa r ea sf o l l o w s j ( 1 ) t h et e c h n i c a lc u r v e so fv d p c t h a t e x a c t l ys h o w e dc h a n g e so ft h e a c t u a lp r e s s u r e d u r i n gf i l l i n gm o l dw e r et e s t e db ym e a n so fp r e s s u r es e n s o r s t h ec u r v es l o p ed i r e c t l yl i l l u s t r a t e dt h ev a l u eo ff i l l i n gv e l o c i t y , a n dt h ea l t i t u d eo fd w e l lp r e s s u r es e c t i o no f c l o f f v e s i l l u s t r a t e dt h ef e e d i n gc a p a c i t yo fm e l tm e t a ld u r i n gs o l i d i f i c a t i o n o fc a s t i n g f o rt h e l c o m p l i c a t e dt h i n t h ew a l lc a s t i n g ，t h e s l o p eo ff i l l i n g c l l r v es h o u l db el a r g e r , a n dt h e l a l t i t u d eo fd w e l lp r e s s u r es e c t i o ns h o u l d b el o w e r o nt 1 1 eo t h e rh a n d 。f o rt h et h i c k e rw a l l e d l c a s t i n g s ，t h ef i l l i n gv e l o c i t y s h o u l db ed e c r e a s e d ，a n dt h ed w e l lp r e s s u r es h o u l db e l i n c r e a s e d l ( 2 ) t h et e c h n i c a lp a r a m e t e r so f v d p ch a v eag r e a ti n f l u e n c eu p o nt h ei n t e r n a lq u a l i t yo f ； c o m p l i c a t e dt h i n w a l l e dc a s t i n g b yo p t i m i z i n gt e c h n i c a lp a r a m e t e r s i nv d p c ，t h eu l t i m a t e f t e n s i l e s t r e i ：i g t h o fc a s t i n g so fa 1 a l l o yz l l 0 1 m a yr e a c hu pt o 2 6 5 m p a 2 8 4 m p a 1 h o w e v e r , t h ec a s t i n gs t r e n g t h w i t ht h et r a d i t i o n a lg r a v i t ys a n dm o l di sa b o u t 2 2 6 m p a j ( 3 ) c o m p a r i n g v d p cw i t ht r a d i t i o n a l g r a v i t yc a s t i n g ，v a c u u m s u c t i o n c a s t i n g a n d l o w - p m s s u r ec a s t i n g ，t h ef i l l i n gc a p a b i l i t yo f v d p ci s2 0 - 3 0 g r e a t e rt h a nt h a to fv a c u u m l s u c t i 。nc a s t i n gu n d e rt h ec 。n d i t i 。n 。fr 。mt e m p e r a t u r e 姐di su pt 。2t i m e st h a nt h a t 。f l t r a d i t i o n a lg r a v i t yc a s t i n g t h eu l t i m a t et e n s i l es t r e n g t ha n de l o n g a t i o no fv d p c c a s t i n g l a r eh i g h e rt h a nt h a to fv a c u u ms u c t i o nc a s t i n gb y2 0 - 2 5 a n d1 0 0 r e s p e c t i v e l y i t h ec a s t i n gd e f e c t so fv d p cw e r ea n a l y z e di nd e t a i l ，t h em e t h o d so fp r o t e c t i n gc a s t i n g 。l f r o mt h e s ec a s t i n gd e f e c t sw e r e p r o p o s e d ，w h i c hl a i das o l i df o u n d a t i o n sf o rw i d e l ys p r e a d l a p p l i c a t i o n o fv d p c s i m u l t a n e o u s l y , s e v e nt y p i c a l a i - a l l o yc a s t i n g s w i t ht h ew a l l 一 t h i c k n e s sf r o mo 7 m mt o3 o m m ，s u c ha ss i d e l i g h th o u s i n go f a u t o m o b i l e ，t u r b o w h e e la n d。j t u r b o s u p e r c h a r g e re t c ，w e r es u c c e s s f u l l ym a d eb yv d p cp r o c e s sw h i c hp r o v e dt h e l s u p e r i o r i t yo f v d p c l k e y w o r d s ：v a c u u m d i f f e r e n t i a lp r e s s u r e c a s t i n ga 1 a l l o y t h i n w a l l e d c a s t i n g ； c o m p l i c a t e d ， 一i v 一 蠢滋藤讯妊蕊； 溢j 蓬，羹。 绪论 1 1 本研究的背景、意义 一九九九年在德国杜塞尔多夫举行的世界上规模最大、最有权威性的铸造国际博 览会( g i f a ，9 9 ) 展示：2 1 世纪铸件的发展趋势是“精密化”、“轻量化”和“复合化”， 并提出t 一近无余量铸件”和“零缺陷铸件”的口号。未来世界市场铸造产品“精确” ( c 1 0 s et o l e r a n c e s ) 、“柔性”( ah i g h d e g r e eo ff l e x i b i l i t y ) 和“快捷”( j u s t i n t i m ed e l i v e r y ) 。3 。为适应未来市场的需求，面向21 世纪的我国铸造业应体现以下 特点： 1 1 1 铸造生产的“绿色集约化” 必须重视环境保护，实施可持续发展战略，大力发展“绿色铸造”。铸造行业是 能源和金属材料的消耗大户，是废砂、废渣、废水及噪音、粉尘的重要污染源。我国 年排放废砂1 6 0 0 万吨，废渣3 3 0 万吨，废气2 4 0 万m 3 。1 9 9 2 年6 月，在巴西举行 了联合国环境与发展大会，通过了2l 世纪议程，提出了全球性的可持续发展战略， 强调在全球大力开展清洁生产的重要性。1 9 9 4 年3 月我国国务院通过了中国2l 世纪议程，将开展清洁生产列为中国可持续发展的重大行动【i 。“绿色铸造”、“清洁 生产”的概念正日益为广大铸造工作者所认同。绿色集约化铸造可定义为：对环境无 害( 或危害很少) 、合理使用和节约自然资源和能源、依靠先进的技术得到最大产出和 效益。为了实现“高效、节能、无污染”的可持续发展战略目标，使产品从设计、制 造、包装、运输、使用到报废处理的整个生产周期中，废弃资源和有害排放物降低到 最少( 即：对环境的负面影响最小，对健康无害，资源利用效率最高) ，并通过增加科技 投入和资本投入及其精心经营和管理，在资源得到合理使用的基础上，获得最大的产 出和效益。因此，绿色生产的概念不仅对铸造行业普遍存在的资源浪费、环境污染的 问题指明了方向，同时也为铸造行业转变其增长方式，指出了一条新路。 1 1 2 铸件的“轻量化” 铸件轻量化的趋势将促进铝镁轻合金的飞速发展。近年来的铝合金铸件需求呈迅 速增长的趋势，根据统计，从1 9 7 0 1 9 9 5 的2 5 年中，在世界范围内铝合金铸件的产 量以每年4 的增长率稳步增长啪“3 ”。主要是由于它比重轻同时具有较高的比强度( 单 疆粉：t 。，溢。i 。，疆鎏： 位重量的强度) ，这对于汽车和航空航天业产品来够十分重要。研究表明，每降低1 0 0 k g 汽车重，油耗可降低0 7 l l o o k m 3 0 1 。未来汽车既要求操作性能好又要求油耗低、无 污染，有赖于广泛应用铝镁合金代替钢铁零件，实现“轻量化”。欧美国家的汽车制 造商从8 0 年代开始就着手于发动机缸体、缸盖的铝合金化，并取得了很大的成绩。 在英国，1 9 8 9 年，汽车单车用铝量为4 7 k g ，到了1 9 9 2 年为5 0 6 0 k g ；据估计，到 2 0 0 0 年，将达到1 1 5 k g p 2 1 ；美国、日本等也有相同的趋势。而我国，“九五”计划的 轿车单车用铝量为3 0 k g ，轻型车为6 0 k g 2 9 1 ，差距是明显的a 汽车的铝合金化率越高， 其轻量化的程度就越明显。 1 1 3 铸件的“精密化” 权威制造专家认为“铸造精确成形是最节省的零件制造方法”。铸件的“轻量化” 必须以铸件的“精密化”为前提。“近净形、零缺陷铸造”是铸件内外质量好的最高 体现。据统计，在机械加工行业中的能源消耗：轧材+ 机械加工需能耗2 6 6 m j k g ，而 精确成形+ 少量加工只需能耗6 2 8 m j k g 9 1 。例如：一个类似脸盆状的变矩器壳体消失 模模具，目前采用“锻铝胚+ 数控加工”的方法，需用1 0 0 公斤的锻铝，耗费加工工 时数百小时，若采用精确成形方法获得精密铸件毛坯，再经少量机加工的方法，只需 不到几十小时，消耗铝材仅1 5 公斤，节约铝材约8 5 ，经济效益十分显著。 1 1 4 铸件生产的“复合化” 近年来，随着国内外的汽车铸件的“轻量化”、“精密化”，以及航空、航天、兵 器、电子等行业的仪器设备的小型化，复杂薄壁铝铸件获得更广泛的应用。许多铝铸 件的壁厚仅1 5 2 0a i m ，这就给铸造工作者提出了更高的要求，应采用先进的、合理 的复合精确成形工艺来生产优质的复杂薄壁铝铸件，譬如真空压铸、cla 真空吸铸、 在可控气氛和压力下成形工艺等。 表1 - 1 典型复合精确铸造技术简要 复合工艺技术复合工艺特点主要解决的问题应用范围 在充型前将氧气或其他活性内部要求致密的铝合 气体充入型腔以置换型内空金铸件铝镁合金铸 气，充型时，活性气体与金属降低了铝合金压铸件的气 件可以进行热处理 充氧压铸 液反应生成弥散分布的金属孔如镁合金汽车轮毅和 氧化物，达到消除压铸件内气方向盘。 体和气孔的目的 ；螽螽纛漉蘧慧。涵毒 华中科技大学博士学位论文 i 将挤压铸造与低压铸造及电 i 、生产过程中金属液与空 低压一挤压铸造“3 “磁定量浇注泵结合成一体，形 气隔绝；适用于高质量的镁合 2 、金属液可在较低温度下金铸件的生产 成低压一挤压铸造技术 保温和浇注。 在铸件进行真空吸铸后，迅速在航空、航天中的复 真空吸铸加压凝固、”将压力加大到2 3 个大气金属液的补缩能力增强杂薄壁铝合金精铸 压，使铸件在压力下凝固件 采用高密度、高表面质量的聚解决了长期困扰着铸钢件生 低压消失模壳型技术苯乙烯( p s ) 珠粒，结5 层陶产的增碳问题，为消失模铸适用于要求高复杂的 ( f f e p li c a s t ) “1瓷壳然后加热到1 0 0 0 c 除去造在铸钢件中的广泛应用开铸钢件 p s 并装葙抽真空浇注辟了道路 将普通消失模铸造法浇注的 压力消失模铸件迅速置于1 0 个大气压的 较多地减少了铸件中的气 ( c a s t y r a l 法) 压力釜中，使还没有凝固结晶 孔t 获得致密度较高的消失 内在质量要求高的无 模铸件 飞边的复杂铸件。 的铸件在高压下结晶。 铸件材料的复合化也是铸件生产“复合化”的一个重要环节。譬如金属基复合材 料具有高比强度、高比模量、高耐磨性、高抗疲劳性、高耐温性等优越的性能，日益 受到国内外材料工作者的关注，从60 年代起各国都相继开展了大量的研究，并取得 许多成果。7 0 年代末美国把金属基复合材料用于航空、航天及汽车工业上。8 0 年代 以来，为了降低金属基复合材料的制造成本，满足民用需要，研究的重点转向以非连 续纤维即颗粒、晶须、短纤维增强的金属基复合材料1 1 4 ”。2 0 世纪9 0 年代，颗粒增强 铝基复合材料成为金属基复合材料发展和应用的重要部分，该类材料可铸造成形，获 得各种尺寸、形状复杂的复合材料铸件，如：s i c 和a 1 2 0 3 陶瓷颗粒增强铝基复合材 料已经在欧美、日本的汽车工业中得到了实际应用【m j 。 基于以上特点的未来铸造技术无疑要更广泛的引入高科技。未来铸造产品市场( 尤 其是轿车工业、航空航天、家用电器、通讯器材、办公自动化等行业) 对复杂薄壁铝 合金成形技术的要求越来越高，优良的成形性和内在质量的统一是更加重要。然而， 当前我国铝铸件的现实生产中，普遍存在着铸件质量差、废品率高的现象，难获得高 强韧、无缺陷的铝合金铸件，尤其是复杂薄壁铝合金铸件。为改变这种落后的现状， 从合金熔炼方面，主要应解决金属液的纯净化、成分合金化和组织的细化、均匀化问 题；从铸造工艺方面，则应着重解决先进的精确成形工艺方法，为获得近无余量、高 强韧、无缺陷的铸件提供良好的成形和凝固条件，两者相辅相成，缺一不可。本课题 就是基于以上背景提出的，旨在开发一种适用于复杂薄壁铝合金铸件的精密铸造技 术，这对于我国轿车工业，航空航天、家用电器、通讯器材等行业的快速发展具有重 二鑫鼗鑫骊；菇溘。蕊蕊，蕊曼滚 要的意义。 1 2 复杂薄壁铝合金铸件的特点及其成形工艺要求 1 2 1复杂薄壁铸件的基本概念及其特征 长期以来，人们一直难以对复杂薄壁铸件下一个准确的定义。然而，铸件的薄壁 化是现代铸造技术的发展方向，明确“复杂薄壁”铸件的含义对于铸造技术的发展是 有帮助的。在这方面，叶荣茂教授、周尧和院士、曾建明教授对此作了一些工作，他 们认为相对于厚大铸件来说，复杂薄壁铸件至少具备以下特征睇1 ； 1 )壁薄：一般小于4 m m ，局部薄至0 s m m ，这类铸件往往由几个大的平面和曲 面组成，难以加工成形。 2 )复杂：一是轮廓结构复杂，用其他铸造或机械切削加工方法都很难完成；二 是从铸件结构设计的角度来看，要突破一些禁区，如厚薄断面的急剧过渡、 凹凸急剧过渡等。 3 )精密：铸件尺寸精度和表面质量要求高，具有近无余量铸件的特征，除个别 重要部件外，一般不需经粗加工工序。 可以这样认为：轻合金铸件的壁厚为2 4mf f l 时，铸铁件壁厚在4 6 m m ( 国 外3 3 5 mm ) 1 时一般可称之为薄壁铸件，而铝合金铸件壁厚小于2m n l 、铸铁件 的壁厚小于3 5 m m 的时可称之为超薄壁铸件“”。 铸件的允许最小壁厚与合金的种类和铸件表面积密切相关。铸件表面积越大，则 允许最小壁厚就越大。如：对于压铸件，铸件的允许最小壁厚与合金的种类和铸件表 面积之间的统计的关系见表1 - i “”1 。这个关系在数值上不一定适用于其它铸造工艺， 但对于大多数铸造工艺都是有指导意义的。 表1 - 1 压铸条件下不同舍金及铸件表面积允许的最小壁厚( m m ) 锋件单面表面积 合金种类 总和( c m 2 )锌合金铝合金镁合金铜合金 2 50 81 01 31 5 1 0 01 o1 51 82 0 2 5 01 52 02 32 5 4 0 02 02 52 83 0 6 0 02 53 o3 54 0 9 0 03 ，03 54 05 0 1 2 0 03 54 o5 0 熬薹溢i i 蠢速；豢瓢，蕊惑菇，。 华中科技大学博士学位论文 1 2 2 复杂薄壁铸件成形的基本要求 复杂薄壁类铸件的充形特点不仅因为壁薄、充型面积大，导致散热面积大，冷却 速度快，而且金属液体流动通道弯曲、变截面的细长通道多，一般采用重力浇注难以 满足要求，其特种成形工艺的选择显得更为重要。针对薄壁铸件的特点，对成形工艺 应满足以下要求： ( 1 ) 充型速度要快： 金属液面在型腔中的平均上升速度比一般铸件要提高。一般而言，充型速度过大 将使充型过程不平稳，使紊流加剧，甚至会引起金属液的飞溅裹气、氧化夹杂等缺陷。 但金属液的平均流速也不能小于最小临界速度，否则，就会因为充填不满而得不到完 好的铸件。 影响金属液在型腔中最小充填速度的因素很多，如浇注温度、铸件的高度和壁厚 等，文献( 1 4 3 ) 介绍了决定最小充型速度的h m 卡尔金公式： f v = o 2 2 牟 ( 卜1 ) 。 j i n 鱼 3 8 0 式中： v i 一一金属液在铸型中的( 最小允许) 平均上升速度，c m s h 一一铸件高度，c n l 占铸件厚度，c m 合金的浇注温度，。 从式( 卜1 ) 可以看出，随着壁厚的减小，要求的最小允许充型速度增加。表卜2 列出了铝合金金属液上升速度与壁厚的关系。”的经验数据。实践证明，在保证充填的 前提下，型内液面上升越慢越好。 表卜2 金属液在铸型中的上升速度( s ) 与铸件壁厚的关系 6 m 经验数据 4 2 0 1 5 1 6 0 8 61 3 6 8 1 0 6 5 5 一 吐戴穗纛 ：。蕊。l i 盘纛 华中科技大学博士学位论文 l o8 0 4 1 2 6 7 1 55 3 6 2 04 0 2 3 0 2 6 8 复杂薄壁铸件的特点是型腔狭小，且弯弯曲曲，合金液充填过程中要多次改变流 动方向，流程长，温度降低显著，由此液态金属液粘度的增大，粘滞力和表面张力增加， 因而其充填阻力增大。 ( 2 ) 铸型中的背压要尽可能少： 浇注时，型腔中的气体受热体积膨胀，压力增大，阻碍金属液流入型腔。同时， 浇注过程中铝合金液表面生成氧化膜，也会使金属液表面张力提高，因而使充填阻力 增大。因此，尽可能地消除型腔中的背压，避免充型过程中的卷气是减少缺陷的重要 措施。 ( 3 ) 严格控制型内气氛： 在熔炼和浇注过程中，要严格控制炉内、型内气氛，避免熔炼、浇注过程中金属 液体的氧化或发生其他化学反应。同时，应尽量避免金属液在浇道中的紊流、翻腾、 飞溅等，以保证金属液熔体的平稳传输。 ( 4 ) 选择合适的铸型材料： 当采用金属型时能够得到较快的冷却速度、铸件结晶组织致密，铸件机械性能提 高。但为了保证薄壁件的充型能力，需预热铸型到定的温度。当采用非金属型材料 作铸型时应注意使之不与金属液发生化学或物理化学反应，同时又有较高的强度和好 的溃散性。 1 3 国内外复杂薄壁铸件精确成形工艺的现状 1 3 1 在压力下成形的技术 ( i ) 压力铸造 压力铸造是得到低成本、高精度、高表面质量铝镁合金铸件的常用工艺，薄壁铝 台金件压铸成型工艺一直是压铸工作者所关心的技术难题，选择高性能压铸机，设计 制造高质量压铸模具，采用较高的内浇口充填速度，合适的模具温度( 2 5 0 c ) 、浇 囊藏赢麓送簪。鑫翘曩 华中科技大学博士学位论文 注入温度及压射比压，严格其他的压铸工艺，薄壁铝件压铸成品率也只能达到8 0 1 3 7 1 ，因为金属液在充填过程中与金属型壁的摩擦阻力及型腔内气体阻力使充填阻力 增大、充填速度损耗增加，易造成欠铸、冷隔、花纹等铸造缺陷。同时薄壁件充填成 型凝固时间短，易造成铸件疏松，开裂。因此，发展了真空压铸、充氧压铸等先进的 压铸工艺1 1 3 8 】，以提高铸件的内在和表面质量。 ( 2 ) 挤压铸造 挤压铸造是一种采用低的充型速度和小的扰动、使金属液在高压下凝固以获得可 热处理的高致密度铸件的铸造工艺。研究表明，当充型速度小于2 m s 、充型压力大 于7 0 m p a 时，即可获得可热处理的铸件【1 1 5 1 。目前全世界约有300 台挤压铸造机， 主要用于生产汽车、自行车、空调、阀、泵等产品的零件。挤压铸造的充型压力比重 力金属型铸造要高几个数量级，能够得到晶粒细小、组织致密、力学性能优异的铸件， 同时它还可用于金属复合材料和半固态金属的成? g t 5 9 1 。其不足是生产率低，不适用 于复杂铸件的生产。 ( 3 ) 低压铸造 低压铸造工艺是一种常用的精确成形方法， 其充型压力为o 0 2 0 0 5 m p a 、铸型与大气连 通。原理图如图1 1 所示 2 6 1 1 3 9 1 1 5 4 1 【4 8 1 。压缩空气 充入密闭的坩埚中，金属液体在压力的作用下 从升液管进入铸型中，并在一定的压力下凝固。 低压铸造工艺的突出优点是：金属液上升速度 慢，仅仅为o 0 5 0 2 m s ，流动非常平稳，很少 卷气和夹杂，因而铸件质量可得到保证。铸型 处于正压力场中作用下，缩松缺陷大为减少， 力学性能明显提高，还可浇注较复杂、不同壁 图1 - i 低压铸造工艺示意图 厚的铸件。其明显的缺点是：设备的密封系统易泄漏，液面加压系统精度差；升液管 易腐蚀，管内的夹杂难以清除，而且升液管最上端易过早凝固堵塞，造成生产率、成 品率下降。此外，低压铸造金属液结晶凝固压力低，不足以阻止金属液中的氢析出而 产生针孔，因此不宜用于高致密度的铝合金铸件的生产。 i 黼旅一j 溢，。 墟 华中科技大学博士学位论文 1 3 2 电磁泵铸造技术 电磁泵是一种输送导电流体的装置，它的原理是通过电场使流体局部成为带电粒 子，在与电场相垂直磁场的作用下，粒子将受到电磁力作用发生定向流动。电磁泵在 铸造生产中，主要用于金属液的平稳输送。与气压力、机械力相比，电磁泵输送具有 非接触式输送的优点，使金属液处于与大气隔绝的状态，而且流动速度精确可调、噪 音小、设备结构简单，尤其适合于铝镁等活泼金属的传输。目前，国内外利用电磁泵 技术开发的精确铸造工艺主要有以下几种。 ( 1 ) c o s w o r t hp r o c e s s 铸造工艺 c o s w o r c hp r o c e s s 法于1 9 7 8 年发明于英国w o r c e s t e r 的c o s w o r t hr & d 有限公 司( 故名c o s w o r t hp r o c e s s ，简称cp 法) i l lj l ”j ，主要用于生产一级方程式赛车的 高质量的c o s w o r t hd f v 铝合金缸体、缸盖等铸件。其主要工艺原理图如图1 2 所示 1 5 l 。其主要特点是： 1 ) 该工艺采用低压铸造的原理，通过电磁泵控制液流充型，使金属浇注过程中的紊 流极大地降低，使得卷气、夹杂缺陷减少到最低，铸件的致密度达到了 o 0 0 1 0 0 1 ( 体积比例) 。 2 ) 采用呋喃树脂气硬冷芯盒法造型制芯，使型芯性能明显提高，铸型的尺寸精度达 到5 0 0 m m 士0 1 m m ，组芯之间的间隙达n 士0 1 5 m m 。 3 ) 原砂采用锆英砂，降低了型芯的热膨胀变形，提高了铸件的冷却速度。 4 ) 与金属型相比，其成本降低1 0 2 0 ，铸件性能有很大提高，尤其是疲劳强度提 高明显，适用于复杂薄壁铝合金铸件的生产。 5 ) 该工艺还适用于便宜的共晶铝合金材料的铸造，经热处理后可达到高强铝合金的 性能【3 】。 图卜2 c p 法工艺生产流程图 墓。誊谶i 滋溢。溢一越攮。， 华中科技大学博士学位论文 在c p 法的初期，主要的研究重点在降低铝合金液体的扰动，减少夹杂、卷气而 产生的内在缺陷，提高砂型的冷却速度，改善铸件的内在质量。因此，该工艺的生产 率很低，只有每小时1 0 型左右，只能用于赛车或i n d y c a r 部件的生产。因此进一步 提高该工艺的生产率是一个非常迫切的问题。八十年代以后，随着研究的不断深入， c p 法发展更加完善，对熔炼、造型制芯、充型、废砂回收、铸件处理等进行了综合 考虑。尤其是翻转浇注系统的发明，真正使它进入了大规模发展的时期。该工艺的实 质就是高精度、可控气氛、低压砂型铸造，适用于制造薄壁、高致密度、复杂的铝合 金铸件，并使生产环境得到了根本的改善。该工艺在欧美、南非等国家的许多企业得 到了应用【1 2 】。 ( 2 ) d i s a 铝合金铸造技术f 5 】 d i s a 公司新代无箱射挤压造型生产线，将无箱射挤压造型机、电磁泵低压浇 注、机器人等技术集成于一体，实现生产过程全自动化。图1 3 为该工艺的示意图。 该技术最关键两点：可驱动浇注( a c t i v ef i l l i n g ) 和可驱动补缩( a c t i v ef e e d i n g ) 。可 驱动浇注( a c t i v ef i l l i n g ) 技术与c p 法相似。为提高补缩效果，采用了可驱动浇注 ( a c t i v ef i l l i n g ) 技术，该技术将可控压力冒口置于内浇口处，冒口控制压力比大气 压高0 1 - 4 ) 2 大气压左右，使补缩效果得到了加强。该工艺的最大优势是：采用无毒 湿型秸土砂使得型砂回用率高、无污染、生产率高达5 0 0 箱h ，从而使铝合金铸件成 本大大降低。 圈1 - 3d i s a 线电磁泵低压无箱射挤压自动线 一9 一 。x # 翘贼，i 。艇矗蔷。骢蠡n ； 华中科技大学博士学位论文 i i ( 3 ) 电磁泵在铸造中的其他用途 在我国，北方恒利科技发展有限公司成功开发了电磁泵金属液传输系统、电磁泵 低压铸造系统等工艺系统1 4 3 1 ，如图i - 4 所示。 图1 f 4 电磁泵在铸造中的应用 电磁泵与压铸机或低压铸造机配用，主要是利用其流动平稳及精确可调的定量性 能，流量可控范围为0 6 k s ，同时，电磁泵还易于实现自动化生产，减少金属液的 氧化和吸气。 1 3 3 真空吸铸及其最新发展 真空吸铸法是种新颖的零件成型工艺方法，由美国的h i t c h i n e r 公司的g d c h a n d l e y 和j n l a m b 发明的，它的命名cla 是由两位发明者名的首位字母再加 上a i rc a s t i n g 的首位字母组成。该法于1 9 7 5 年在美国取得专利，1 9 8 1 年在日本应 用于生产中。国内近几年对此也进行了研究，如北京航空航天大学、河北机电学院、 沈阳铸造所等单位，而且已取得了一定的成功。 如图1 - 5 【l ，把普通熔模工艺制作的壳型放在密封室内，密封室下降，直浇 道浸入液体金属中，再启动真空泵将密封室抽成真空，液体同时被吸铸。型壳内铸 件凝固后，真空状态解除，浇道内的残余金属液体回流到熔炉中，经清砂得到精密 铸件。 一1 0 一 纛羹谶越纛；氯。墓：j ，。 抽真空 图1 - 5 真空吸铸法( c l a ) 示意图 c l a 法的主要工艺因素有真空度、型壳透气性和强度、浇注系统等。真空度一 般控制在0 0 6 0 0 3 0 m p a ，太大会引起型壳爆裂，过低则充型不好。 c l a 法发明后，在全世界引起了广泛的注意，现已应用于机械、国防工业、汽 车、电子等精密零件的制造中。适用的合金种类有：普通碳素钢、不锈钢、铜合金、 铝合金等。例如：潜望镜壳体，外形尺寸2 1 0 1 5 0 8 5 壁厚为1 2 m m ，表面粗 糙度为3 2 u m 。薄壁铸钢件最小可达1 5 m m 。但在浇注薄壁铸件时铸型需预热，预热 温度与壁厚有很大的关系，从3 0 0 - - 6 0 0 不等。 c l a 法的优点有： ( 1 ) 显著提高铸件的金属利用率，减少加工余量，工艺出品率可达9 0 。 ( 2 ) 与普通熔模铸造工艺相比，每个模组在可多组装蜡模，一般可提高产量8 5 1 3 5 ，提高了产量。 ( 3 ) 在负压状态下平稳吸铸充型，氧化和飞溅夹杂少，合金吸铸温度比重力铸造 浇注时低1 0 0 1 5 0 。 ( 4 ) 铸型内抽真空使得型内背压降低，显著提高了铸件充型能力。 真空吸铸用于薄壁铸件有较大的优势，经过多年的研究和改进，已发展了多种方 法。如：c l v ( 用于高温耐热合金钢的真空吸铸工艺) 6 1 i 、真空浇注及压力结晶技术 等。这些技术在航天、航空、电子等高科技领域具有很大的应用价值。但是，该工艺 有两大不足：铸型需预热，导致铸件晶粒粗大，机械性能下降；铸件凝固时无补缩压 力，铸件可能发生缩孔或缩松的缺陷。 ；。鑫懿藏蹯。蕊，。螽蠡。箍釜蠢i ， 华中科技大学博士学位论文 1 3 4 差压铸造及其最新发展 差压铸造是6 0 年代初期由保加利亚首先发明的，他们系统地研究了该工艺的工 作原理、工艺特点并建立了差压铸造设备的专业生产工厂，产品远销世界各地。差压 铸造工艺方法先进，经济效益高，适用范围广，能用于各种铸型，如金属型、壳型、 砂型及其他铸型。与低压铸造相比，其铸 件的致密度、抗拉强度和延伸率有较大的 提高。 差压铸造综合了低压和高压釜铸造技 术的优点，其原理如图i - 6 所示【8l 。将铸型 和坩埚分别置于主体部分的上、下两个互 相隔绝又可相互连通的密闭压力筒内；经 密封后，在上、下简体内通入预定压力的 干燥气体介质，达到平衡后，采用一定的 方法( 减压法或增压法) 使下筒的压力比 图i - 6 差压铸造工艺原理图 上筒的压力高，金属液在压力的作用下充型，充满后保压，铸件在较高的压力下结晶、 凝固；最后解除压力，使剩余的金属液流回坩埚。 差压铸造设备的工作压力为0 6 m p a ，压差范围为5 0 k p a 左右。由于铸件在很高的 压力下凝固( 补缩能力是低压铸造的4 5 倍) ，能获得致密的组织。由于原子氢在铝 液中的溶解度，随着外界压力的增大而增加。溶解于铝液中的氢来不及析出，以原子 态存在于铸件中，铸件针孔大大减少，组织致密。同时，外加压力还能参与补缩，铸 件在压力下凝固时，产生的缩孔、缩松能为压力下的金属液所填满，因而形成致密组 织，铸件的力学性能也相应提高。总之，差压铸造的突出优点有： ( 1 ) 消除了铸件气孔、缩孔、缩松等缺陷； r ( 2 ) 明显减少了大型复杂铸件凝固时的热裂倾向； ( 3 ) 差压铸造的补缩能力是低压铸造的4 5 倍； ( 4 ) 差压铸造的铸件质量高。 但它也有缺点f 6 ”，如：由于铸型内气体的