（材料加工工程专业论文）铝合金真空低压消失模铸造的充型特征及其设备设计.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 f ( 真空低压消失模铸造是一种新的铸造工艺方法，它将反重力低压铸造与真空消 失模精密铸造工艺有机地结合起来，具有反重力低压铸造和消失模真空铸造的综合 优势。采用在真空低压场中的压差浇注充型，有利于消失模的气化及废气的快速排 出、金属液的平稳底注，也使铸件的充型能力大大加强；同时在高于大气压条件下 结晶凝固，又使铸件的致密度较大提高、缩松缺陷大为减少、力学性能明显提高， 并可浇注复杂、不同壁厚的铸件。因此，真空低压消失模铸造可实现薄壁复杂铝、 ，相应的铸造装备 消失模铸造下的充 试验研究了铝合金在真空低压消失模铸造过程中的流动充型特征，测试了真空 低压反重力充型的条件下，铝合金消失模铸造的充型工艺参数( 真空负压、浇注温 度、内浇口面积、充型压力、壁厚等) 对充型过程和充型形态的影响，分析探讨了 铝合金真空低压消失模铸造的充型规律和凝固特征，提出了铝合金真空低压消失模 铸造工艺参数的范围，为该新的铸造工艺的进一步生产应用奠定了基础。 对铝合金真空低压消失模铸造工艺与其它类似的铸造工艺的特点进行了分析比 较，观察对比了铝合金在真空低压消失模铸造下的显微组织与重力消失模铸造和普 通低压空型铸造下的显微组织的区别，说明了铝合金铸件择用真空低匝消失模铸造 工艺的优越性。 根据铝合金真空低压消失模铸造工艺的特点，设计了一台用于工业生产的5 0 k g 真空低压消失模铸造设备系统，为该技术的商品化和工业应用创造了菜件。 关键词：铝合金消失模铸造真空低压铸造充型特征设备设计 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ev a c u u ml o wp r e s s u r el o s tf o a m c a s t i n g ( v l p l f c ) 扭a n e w c a s t i n gp r o c e s s i t c o m b i n e st h ev a c u u ml o wp r e s s u r e c a s t i n gf v l p c ) i n i n v e r s eg r a v i t yw i t l lt h el o s tf o a m c a s t i n g ( l f m ) c l e v e r l y , a n dp o s s e s s e st h ea d v a n t a g e so fv a c u u ml o w p r e s s u r ec a s t i n g a n dl o s tf o a m c a s t i n g t h ea d v a n t a g e so f v l p l f ci n c l u d e ：( 1 ) t h el o wp r e s s u r ef i e l da n d v a c u u m a r ea p p l i e di np o u r i n ga n d f i l l i n gp r o c e s s ，s oi ti sa d v a n t a g e o u s t ot h eg a s i f i c a t i o n o f l o s tf o a m ，t h ef a s td i s c h a r g eo f w a s t e g a sa n ds t e a d yf i l l i n go f m e l tm e t a l ，a n dt h ef i l l i n g a b i l i t yo f m e l tm e t a li sa l s oa d d e dg r e a t l y ；( 2 ) t h ec r y s t a l l i z i n gs o l i d i f i c a t i o ni sc a r r i e do u t u n d e rt h ec o n d i t i o no f o v e r a t m o s p h e r ep r e s s u r e ，s ot h ed e n s i t yo f c a s t i n g a n di t sm e c h a n i c p r o p e r t i e s a r e i m p r o v e d ，t h es h r i n k a g e d e f e c ti s r e d u c e d ，a n dt h ec o m p l i c a t e da n d t h i n - w a l l e dc a s t i n gi sm a d e ；( 3 ) t h em e l t i n g ，r e f i n i n ga n dp o u r i n gp r o c e s sa r ec o m p l e t e d u n d e rt h ec o n t r o l l a b l ep r o t e c t i n gg a s ，s ot h ep r o b l e m st h a tm e l ta 1a l l o ya n d m ga l l o ya r e o x i d i z e dv e r ye a s i l yi nt h ea t m o s p h e r ew i ub eo v e r c o m e t h e r e f o r e t h ev l p l f ci s s p e c i a l l y s u i t e dt op r e c i s ef o a m i n go f a l u m i n i u m a l l o ye v e nm a g n e s i u ma l l o yp a r t s i ti st h eb a s eo fan e w c a s t i n gp r o c e s s u s ei ni n d u s t r yt h a ti t sf i l l i n gc h a r a c t e r i s t i e sa r c i n v e s t i g a t e ds y s t e m a t i c a l l ya n di t se q u i p m e n t sf i r ed e v e l o p e d s of o l l o w i n gw o r k sa r e c a r r i e do u t ： t h e f i l l i n gc h a r a c t e r i s t i c so f a l u m i n i a r n a l l o yu n d e r t h ev l p l f ca r ei n v e s t i g a t e d ，t h e t e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r s ，s u c ha sv a c u u mn e g a t i v ep r e s s u r e ，p o u r i n gt e m p e r a t u r e ，p o u r i n g i n - g a t ea r e a , f i l l i n gp r e s s u r e ，w a l lt l l i c k ，e t c ，a r et e s t e d ，a n dt h ef i l l i n gr e g u l a t i o no f s o l i d i f i c a t i o no fa l u m i n i u ma l l o yi nt h ev l 】? l f ci sa n a l y z e d a n dt h ep a r a m e t e r sa r e a s s u i t a b l et ot h ev l p l f co f a l u m i n i u l t i a l l o ya r ep r o v i d e d t h i si n v e s t i g a t i o nh a se s t a b l i s h e d p r e l i m i n a r i l y t h et h e o r e f i e a la n dt e c h n o l o g i c a lf o u n d a t i o no ft h ev l p l f cf o ri t s a p p l i c a t i o n t h ed i f f e r e n c eo ft h ev l p l f cw i t ht h eo t h e rc a s t i n gm e t h o d su s e dt oa l u m i n i u r n a l l o ya r ec o m p a r e da n dt h ec a s t i n gm i c r o - o r g a n i z a t i o n sb yd i f f e r e n tc a s t i n gp r o c e s s e sa r e a l s oa n a l y z e d t h e s es t a r tt h er o a dt os t u d yf u r t h e rt h ep r o p e r t i e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so f c a s t i n g sb y t h ev l p l f c am a c h i n eo ft h ev l p l f cf o rs m a l la n dm i d d l es i z eo f c a s t i n g sh a sb ed e s i g n e d a c c o r dt ot h em e t h o dc h a r a c t e r i s t i c sf o ra ia l l o y , a n dt h ed e t a i l sd e s i g n i n g d r a w i n g so f t h e m a c h i n e p a r t s h a v eb em a d e ，s ot h ef o u n d a t i o no f t h ev l p l f c e q u i p m e n t f o ri t si n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n h a sb ea l s oe s t a b l i s h e d p r e l i m i n a r i l y k e yw o r d s ：a l u m i n i u ma l l o y , l o s tf o a mc a s t i n g ，v a c u u ml o wp r e s s u r ec a s t i n g ，f i l l i n g c h a r a c t e r i s t i c s ，e q u i p m e n td e s i g n 华中科技大学硕士学位论文 1 1 本研究的背景、意义 1 绪论 铸造生产的历史悠久，我国是铸造的故乡。在那漫长的历史过程中，手工造型 一直是铸造生产的主要方法。劳动强度大，生产率低，产品质量不高。随着工农业 生产的不断地发展，铸件的需求量越来越多，铸件的质量要求越来越高，手工造型 方法远远不能满足生产发展的需要。大约在2 0 世纪3 0 年代，西方发达国家广泛采 用机器造型与制芯。到6 0 年代，高压造型自动生产线在发达国家中广泛应用，使铸 造工业的劳动生产率迅速提高，铸件产量猛增，铸件质量得到改善。 随着现代科学技术的发展，铸造生产中也逐渐采用了新材料、新技术，为国民 经济和现代科学技术的迅速发展提供了大量必须的铸件。 一九九九年在德国杜塞尔多夫举行的世界上规模最大的、最有权威的铸造国际博 览会( g i f a 、9 9 ) 展示：2 l 世纪铸件的发展趋势是“精密化”、“轻量化”和“复合 化”，并提出了“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 l o s e t o l e r a n c e s ) 、“柔性”( a h i g h d e g r e e o f f 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 ) 【i j 。为适应未来市场的需求，面向2 1 世纪的我国铸造业应体现以下特 点： 1 ) 铸造生产的“绿色集约化”，重视环境保护，实施可持续发展，绿色制造， 清洁生产，以文明生产取胜。铸造行业是能源和金属材料的消耗大户，是废砂、废渣、 废气及噪声、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 2 1 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2 l 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1 2 】。“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。 绿色集约化铸造可以定义为：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，产品应从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个生 产周期中，使废气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、资本投入、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为 华中科技大学硕士学位论文 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。 2 ) 铸件的“轻量化”，促进了铝、镁轻合金在汽车和航天领域的应用及发展。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 至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t 3 1 。主要是由于它的比 重轻同时又具有较高的比强度，这对于汽车和航空航天业产品来说十分重要。研究 表明，每降低1 0 0 k g 汽车重，油耗可降低o 7 l 1 0 0 k m l 4 j 。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上世纪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 埏，到了 1 9 9 2 年为5 0 6 0 k g ；据统计，到2 0 0 0 年，将达到1 1 5 k g 【5 】；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 t 3 1 ，差距是 明显的。汽车的铝合金化越高，其轻量化的程度就越明显。 3 ) 铸件的“精密化”，权威制造专家认为“铸件的精确成型是最节省的零件制 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。优质的铸件，包括内在质量的优化和外观的精 化，譬如：轿车铸件的生产正朝着精密化、轻量化、强韧化及复合化的方向发展， 不仅外观质量好，尺寸精度高，而且内在质量也好，使用寿命长。据统计，在机械 加工行业中的能源消耗：轧材+ 机械a n t 需要能耗2 6 6 m j k g ，而精确成形+ 少量加工 只需能耗2 8 m j k g ! ”。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 铝坯+ 数控加工”的方法，需要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。 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。许多铝件的壁厚仅1 5 2 0 m 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、c l a 真空吸铸、可控气氛和压力下成形技术等。表1 1 对比了几种 典型复合工艺技术。 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，从上世纪60 年代起各国都相继开展了大量的 2 华中科技大学硕士学位论文 研究，并取得许多成果。上世纪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【1o 】；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【l l l 。 表1 - 1 典型的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内部要求致密的 活性气体充入型腔以置 铝合金铸件。铝镁 换型内空气，充型时，活合金铸件可以进 充氧压铸性气体与金属液反应生 降低了铝合金压铸件的 成弥散分布的金属氧化 气孔。 行热处理。如镁合 金汽车轮毂和方 物，达到消除压铸件内气向盘。 体和气孔的目的 将挤压铸造与低压铸造1 、生产过程中金属液 低压一挤压铸造【6 1 及电磁定量浇注泵结合与空气隔绝： 适角于高质量的 成一体，形成低压一挤2 、金属液可在较低温 镁合金铸件的生 产。 压铸造技术。度下保温和浇注。 在铸件进行真空吸铸 真空吸铸加压凝固【7 1 后，迅速将压力加大到金属液的补缩能力增 在航空、航天中的 2 3 个大气压，使铸件强。 复杂薄壁铝合金 精铸件。 在压力下凝固。 采用高密度、高表面质 量的聚苯乙烯( p s ) 珠 解决了长期困扰着铸钢 r e p l i c a s t 法f 8 】粒，结5 层陶瓷壳然后 件生产的增碳问题，为消适用于要求高复 加热到1 0 0 0 除去p s 失模铸造在铸钢件中的杂的铸钢件。 并装葙抽真空浇注。 广泛应用开辟了道路。 将普通消失模铸造法浇 注的铸件和砂箱迅速置较多地减少了铸件中的内在质量要求高 c a s t y r a l 法【9 1于1 0 个大气压的压力釜气孔，获得致密度较高的无飞边的复杂 中，使还没有凝固结晶的消失模铸件。铸件。 的铸件在高压下结晶。 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， 华中科技大学硕士学位论文 较难获得高强韧、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要的意义。 1 2 国内外消失模铸造技术概况及其充型特征 1 2 1 国内外消失模铸造技术概况 消失模铸造技术( 也称气化模铸造，即e p c ) 是由美国人h e s h r o y e r 于1 9 5 8 年发明的实型铸造【1 2 】与西德人e k r z y a n a w s k i 于1 9 6 7 年发明的真空密封造型相结合 而形成的【1 3 1 ，即利用实型铸造的泡沫塑料模样、干砂及真空密闭造型的抽真空技术 进行造型。该工艺不需型芯，不需起模，获得的铸件无飞边、无毛刺，尺寸形状精 确，铸件表面质量高。它使用不舍任何粘结剂的干砂，砂的回用率高，且减少了污 染，被誉为“绿色铸造工程”。进入八十年代以来，采用消失模铸造法生产铝合金汽 车铸件在欧美得以迅速发展。消失模铸造是一项完全不同于传统湿砂型铸造的全新 技术。采用该技术进行生产，具有铸件质量高、生产成本低、结构设计自由度大、 易于实现自动化生产、应用范围广等许多优点。该铸造技术可实现铸件的轻量化和 精密化，铸件的尺寸精度可达c t 6 8 级，表面粗糙度r a 6 3 1 2 5 u m ，与传统砂型铸 造相比，可减少加工量1 0 3 0 ，降低投资成本1 5 4 0 ，并显著提高生产效率， 改善工作环境，实现清洁生产。该技术是铸造工艺的一个重要发展方向，被誉为二 十一世纪的铸造技术【1 4 】【”】。 目前，工业发达国家已有5 0 0 多家企业采用该技术生产大批量的铸件。主要有 美国、英国、德国、意大利、法国、日本、韩国等。其中，美国就有近百家工厂应 用该技术生产铸件。1 9 8 6 年，福特( f o r d ) 公司用该技术年产汽车进气管2 0 0 万根： 通用汽车公司用1 1 0 0 万美元建成一条3 7 0 万套气缸盖的自动化生产线【1 6 1 【1 7 】；1 9 9 6 年美国s t r a t e c a s t s 公司用该技术生产铝合金铸件6 4 万吨，铁合金铸件2 6 万吨。1 9 9 1 年，意大利t e k s i d 公司投资1 5 0 0 万美元建成球铁轮毂自动化生产线，年产铸件 l o o o o t 1 5 0 0 0 t ，废品率在1 以下，意大利f a t a 公司、m a s s i f o n d 公司都建成自动 化消失模铸造生产线。 4 华中科技大学硕士学位论文 近年来，我国消失模铸造技术应用发展迅速，据不完全统计，目前我国已有4 0 余家大中型企业应用该技术生产批量或大批量的铸件，建成几十条消失模铸造机械 化生产线。1 9 9 0 年，北京通县宋庄铸造厂建成年产5 0 0 0 吨的消失模铸造生产线；1 9 9 3 年，第一汽车集团轻型发动机厂从美国v u l c a n 公司引进了制模成套设备及振动 台，与国内其他设备配套组成生产线，用于大批量生产c a 4 8 8 发动机铝合金进气管， 已于1 9 9 3 年正式投产；1 9 9 6 年，湖北省汉江集团投资9 0 0 多万元人民币，建成年产 4 0 0 0 吨铸件的机械化生产线。另外，我国已有近百家中小型企业建成投资在1 5 万元 3 0 万元的简易消失模铸造生产线。 消失模铸造技术对于铜合金、铝合金及各种铸铁合金皆适用。从实践经验分析， 该技术对铸件的工艺结构有一定要求，在实际应用时应注意研究。汽缸盖、排气管、 曲轴、气缸体、阀体、电动机壳体、变速箱壳体、轮毂、刹车盘、模球、耐磨衬板 等都可采用该技术生产。 当前我国消失模铸造技术水平，与工业发达国家相比，无论在铸出零件的品种、 复杂程度和铸件质量、机械化程度、自动化程度、生产效率、基础研究方面，都有 着相当大的差距，以时间为计算，差距在1 0 年以上【”】。 工业发达国家对消失模铸造的几个关键技术，如：气化模材料及制模技术、涂 料技术、消失模铸造的充填特性、干砂的紧实特性、消失模铸造工艺设计与废品分 析等，作了深入的研究，进行了长时期的技术积累，为工业应用打下了较好的基础。 消失模铸造的主要工艺过程是：消失模型的制造模型与浇冒口的粘合 涂挂涂料和干燥填砂和震动紧实浇注和落砂清理。其主要特点有： 1 ) 它是一种近无余量，精确成形的新工艺。由于采用遇金属液即气化的泡沫塑 料作模型，无需取模、无分型面、无芯，因而，无飞边毛刺、无拔模斜度，减少了 由于型芯块组合而造成的尺寸误差。尺寸精度和表面粗糙度接近熔模精密铸造。由 于填充砂采用干砂，根除了由于型砂中的水份、粘结剂、附加物带来的缺陷，铸件 废品率显著下降。 2 ) 容易实现清洁生产。消失模铸造对环境危害小，浇注时排除有机物的数量少、 时间短，地点集中容易收集，通过负压抽吸式燃烧器处理，燃烧产物对环境无公害。 同时消失模铸造的清理工作量大大降低，减少了噪音、一氧化碳、石英粉尘危害， 旧砂回用率在9 5 以上，整个工艺过程易实现机械自动化生产，国外已有消失模铸 造无人车间。 3 ) 为铸件结构设计提供了充分的自由度。通过分片制模、然后粘合的办法整体 铸出，原先需加工形成的孔和洞可直接铸出，节约了加工装配的费用和投资。 华中科技大学硕士学位论文 4 ) 消失模铸造法的主要问题包括： ( a ) 模具的设计制造周期较长、成本较高，决定了它不适应批量太小、要求很快 拿出样件的定货： ( b ) 由于金属液充填前沿存在着比普通铸造法更复杂的物理化学变化，包括金属 液与涂层、干砂、气化模与铸型间的传热、传质和动量传递作用，如果基础工作做的 不扎实，对消失模铸造充型凝固原理掌握不够，容易产生气孔、增碳、皱皮等缺陷。 5 ) 消失模铸造技术的适应范围有： ( a ) 合金种类：铝、镁、铸铁、铜、低碳钢以外的铸钢。 ( b ) 铸件壁厚：4 m m 以上。 ( c ) 最佳重量范围：几公斤至1 2 百公斤。 ( d ) 生产批量：年产量在数千件以上。 ( e ) 形状：适用两个或更多泥芯，机加工零件，可将数个零件组装起来的组装件。 1 2 2 消失模铸造的充型凝固特性 消失模铸造工艺充型特性研究的内容主要包括：金属液流动前沿的形态、金属 液的流动性、充型速度( 充型时间) 三个方面。考虑到模样的存在，消失模铸造中 的液态金属前沿的流动形态与空腔铸造相比具有明显的特殊性。许多研究者用各种 方法【l9 。”】，如冷淬法、高速摄影法、x 射线法、电极触点法等，对不同的合金、不 同形状铸件的流动形态进行了观察测试。研究结果表明：消失模铸造的充型形态与 普通空型铸造下的流动形态有着明显的不同。 在普通的砂型铸造中，金属液从内浇道进入型腔以后，将沿惯性流动方向向前 流动，直到遇到型壁后形成回流甚至涡流。而在干砂消失模铸造中，金属液的充型 过程则比较复杂。充型时，在金属液热辐射作用下，金属液尚未与模样接触，模样 就开始气化，在金属液和模样之间形成一个间隙( 如图1 1 所示) ，其中充满模样分 解产物 2 6 - 3 0 ，并通过该间隙与金属液之间发生相互作用。由于该间隙中气体压力的 阻碍作用，显著降低了金属液充型时的惯性作用，导致金属液充填方式不同于普通 砂型铸造【3 l 】。 图l l 金属液充型示意图 华中科技大学硕士学位论文 文献1 3 2 3 7 1 研究了浇注系统对铝合金液充填形态的影响。1 9 6 4 年，英国的铸造【3 i 】 公司率先对消失模铸造的充型特点进行实验研究，认为金属液的充型速度取决于较 慢的模样气化速度，导致金属液从内浇道开始以辐射状形式向前充填，如图1 2 所示。 由于金属液与模样紧密接触，二者之间没有间隙，因此可以采用无任何粘结剂的干 砂型【3 l 】。 图1 - 2 金属液充填过程流动场 1 9 7 3 年，韩国的h s l e e 采用高速摄影技术研究了金属液充型过程，结果表明， 无论是顶注或是侧注，金属液均呈放射状向前充填【3 l 】。x y a o 等人采用热电偶测量 了金属液充型时的流动，表明金属液从内浇道开始呈放射状均匀向前充填口”。 c h t s e n g 等人浇注水平放置的长条形试样得到，对于消失模铸件，金属液最后充填 部位是距内浇道最远处，而在湿砂型铸造中，金属液则由下向上充填，最后充填部 位在顶部。由于金属液以辐射状形式均匀平稳地由内浇道开始向距内浇道最远处进 行充填，消除了普通湿砂型铸造中的涡流与回流等不利现象，因而消除了由此而产 生的铸造缺陷。 在常压下充型时，金属液端部呈凸状在型( 模样气化后的) 中向前移动，模样分解 产物被挤向型壁；在负压下充型时，金属液优先沿型壁向前充填，容易将模样碎块 及分解物卷入到金属液中，产生气孔缺陷。用电触头记录方法测量了金属液的充型 形态表明：施加负压以后，金属液的充型速度大幅度提高。 负压的引入可能产生所谓的附壁效应，即在负压的作用下，金属液沿铸型壁先 行。严重的附壁效应会导致厚壁铸件产生夹杂和气孔缺陷。模样的存在不仅影响了 金属液的流动形态，而且也恶化了金属液的流动性，降低了金属液的充型能力。大 量文献对各种合金在消失模铸造的条件下的流动性能进行了描述，探讨了提高金属 液充型能力的方法p “。 华中科技大学硕士学位论文 采用计算机数值模拟技术【3 8 1 ，则不受试验条件的限制，可以定性地研究金属液的 充型过程及各种因素的影响规律，预测铸造缺陷的产生等，是研究干砂消失模铸造的 一个重要手段u 。很多研究者在物理测试的基础上采用计算机数值模拟的方法对消 失模铸造的充型过程的温度场和流动场进行研究。c h t s e n g 3 9 】建立了铝合金液体流 动性的二维数学模型，对简单铸件金属液的流动长度进行计算。c m w a n g l 4 0 】把模样 气化速度做为金属液充型过程的控制元，对消失模铸造三维充型过程进行了数值模 拟：大量研究结果表明，充型过程中“金属液一模样”间的间隙压力的大小，直接影响 金属液充型速度的大小；它通过建立压力与间隙宽度变化的计算表达式，把该间隙压 力做为金属液充型速度的控制元，耦合金属液充型过程中传热对干砂消失模铸造中金 属液的三维充型流动及浇注系统与负压对充型流动的影响规律，进行了数值模拟研 究。哈尔滨工业大学的魏尊杰、华中理工大学的陈立亮教授、常庆明博士在消失模 铸造的充型过程的数值模拟方面也进行了一些有益的探索1 1 4 2 1 。 1 3 国内外反重力铸造工艺方法 1 3 1 低压铸造 低压铸造工艺是一种常用的铸件精确成形方法，其充型压力为o 0 2 0 0 5 m p a 、 铸型与大气连通。该铸造工艺的原理，如图1 3 所示【8 】，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0 0 5 o 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、不同壁厚的铸件。 图卜3 低压铸造工艺示意图 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 华中科技大学硕士学位论文 蚀，管内的夹杂难以清除，而且升液管的最上端易过早凝固而堵塞，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。 如今，已经出现了电磁泵金属液传输系统、电磁泵低压铸造系统。电磁泵是一 种传送导电流体的装置，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。电磁泵在铸造工业主 要用于金属液的平稳传送，与气压力、机械力相比，电磁泵输送具有非接触式传送 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，尤其适合于铝镁合金等活泼金属的传输，流量可控范围为0 6 k g s ，同 时，电磁泵还易于实现自动化生产，减少金属液氧化和吸气。图1 - 4 所示为利用电 磁泵传输金属液示意图。 图1 - 4 电磁泵法基本原理示意图 1 3 2 真空吸铸 真空吸铸法是由美国的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， 命名为c l a 。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。 真空吸铸法的工作原理如图1 5 所示【鄹，把普通熔模工艺制作的壳型放在密封室 内，密封宣下降，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。真空吸铸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4 0 7 0 k p a ，太大会引起型壳爆裂，过低则充 型不好。 9 华中科技大学硕士学位论文 图1 5 真空吸铸法( c l a ) 示意图 真空吸铸法的优点有：( 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，每个模组可多组装蜡模，一般可提高产量 8 5 1 3 5 ；( 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 c ；( 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。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。 v i e p c 法是消失模型真空吸引铸造法的简称，此法是以消失模铸造法为基础， 采用真空吸引进行浇注的一种新的铸造方法【4 3 】。它是利用e p c 模型作一次模样，采 用不含水分、粘结剂及任何其他附加物的干砂作填料，利用抽真空而产生的铸型内 外压差的作用，通过升液管将金属液从坩锅( 或浇包) 吸入铸型内，从而获得铸件。 该法既有消失模铸造法的特点，也具有真空吸铸的优点。其主要特点是：可以通过 改变真空负压来改变充型速度，充型过程平稳，克服了消失模重力浇注中出现的飞 溅和卷气现象；节约金属，铸件成方向性凝固，且凝固时可在一定的压力下进行， 提高了铸件质量，强化充型能力；另外，增加负压可以固定松散的干砂，保持铸型 有足够的强度和刚度，防止浇注时铸型坍塌和铸件变形。 1 3 3 差压铸造 差压铸造是6 0 年代初期由保加利亚的研究人员首先发明的，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1 - 6 所示【8 】 将铸型 华中科技大学硕士学位论文 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。 图1 - 6 差压铸造工艺原理图 差压铸造设备的工作压力为o 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 原予态存在于铸件中，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。差压铸造的突出优点表现在： 1 ) 消除了铸件气孔、缩孔、缩松等缺陷； 2 ) 明显地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，与低压铸造法相比铸件的抗拉强度可提高1 0 2 0 0 , o ；伸长率提高7 0 。 但差压铸造也有缺点【4 4 1 ，如：由于铸型内气体的存在，压力下结晶使气体以非 气孔的形式残存在于金属中，这对在较高的温度下工作的零件尺寸稳定性及强度均 有不良影响；同时，型内的反压力，较大地影响液态金属的填充能力，铝液表面形 成氧化膜不仅仅要带入铸型中，而且由于它的存在使铝液表面张力大大提高，影响 对铸型薄壁部位的充填。差压铸造设备比较复杂、昂贵，如高温密封要求高、需要 高压罐、高压供给系统等，生产率不高。 我国的西北工业大学、沈阳工业学院、哈尔滨工程大学等单位对低压、差压铸 华中科技大学硕士学位论文 造也作了比较深入的研究嘲。 1 4 本研究的目标及研究内容 华中科技大学消失模铸造研究课题组，将真空消失模铸造与反重力的低压铸造 结合起来，形成和发明了一种新的铸造工艺方法真空低压消失模铸造。本课题 将研究液态铝合金在真空低压消失模铸造过程中的充型与凝固特征，试验测试其充 型流动的影响因素，观察其铸件的组织性能特点，并对消失模真空低压铸造的设备 系统进行初步设计。 真空低压消失模铸造，具有反重力低压铸造和真空消失模铸造的综合优势，熔 化精炼和浇注充型均在可控的保护性气氛下完成，可很好地解决铝、镁等有色液态 金属与空气接触时，易氧化等问题，可实现铝合金( 甚至镁合金) 薄壁复杂铸件的消失 模精密成形。研究铝合金在消失模真空低压铸造过程中的充型与凝固特征是该新铸 造工艺方法实际应用的前提，它有助于了解和掌握该新工艺浇注系统设计的规律， 认识其铸造缺陷与工艺参数间的相互关系，为该工艺进一步生产应用奠定技术基础。 本课题的具体研究内容是：( 1 ) 试验测试真空低压反重力充型的条件下，铝合金 消失模铸造的充型工艺参数( 真空负压、浇注温度、内浇口面积、充型压力、壁厚 等) 对充型过程和充型形态的影响，分析探讨铝合金真空低压消失模铸造的充型规 律和凝固特征，优化工艺参数；( 2 ) 对铝合金在真空低压消失模铸造下的显微组织特 征进行观察和分析，比较其与重力消失模铸造、及普通低压空型铸造下显微组织的 区别：( 3 ) 设计工业化的真空低压消失模铸造设备系统，为该方法的工业应用莫定技 术基础。 1 2 华中科技大学硕士学位论文 2 真空低压消失模铸造新工艺的原理 2 1 真空低压消失模铸造新工艺的提出 为解决适合于中小批量的、铸件质量要求高的铝合金铸件精确成形的问题，华 中科技大学消失模铸造研究课题组，在多年来对消失模铸造和差压铸造试验研究的 基础上，将真空消失模铸造与反重力的低压铸造有机地结合起来，形成和发明了一 种新的铸造工艺方法真空低压消失模铸造。本工艺方法已申报国家发明专利( 发 明专利的申报书见附录1 ) 。 这是一种有别于低压铸造、真空吸铸、差压铸造的新的铸造工艺方法，它将干 砂消失模铸造中需抽真空来建立对泡沫塑料模样的支持力、以及低压铸造中的反重 力充型的特点结合起来，采用在真空低压场中的压差浇注充型，有利于消失模的气 化及废气的快速排出、金属液的平稳底注，铸件的充型能力大大加强，而在高于大 气压条件下结晶凝固，又使铸件的致密度较大提高、缩松缺陷大为减少、力学性能 明显提高，并可浇注复杂、不同壁厚的铸件。在低压下充型，金属液上升速度慢( 位 于o 2 o 6 n g s ) 且可调，流动比较平稳，很少卷气和夹杂，因而铸件质量可得到保证。 真空低压消失模铸造技术的研究与发明希望达到以下要求： ( 1 ) 真空低压消失模铸造，具有反重力低压铸造和真空消失模铸造的综合优势， 铸件的尺寸精度好、表面精度高，可实现复杂薄壁铝合金铸件的近净成形。 ( 2 ) 目前，尺寸精度好、表面精度高的铝镁合金铸件，主要采用压力铸造、低压 铸造等进行大量生产，但由于金属模具结构等原因，通常对于复杂薄壁的铸件( 尤其 是带复杂内腔的铸件) 无法实现压力铸造、低压铸造的精确成形，而只能求助于尺寸 精度和表面质量都不高的普通砂型铸造工艺。由真空低压消失模铸造生产的铸件， 其尺寸精度和表面质量都可大大优于普通的砂型铸造工艺，而其生产成本又不会增 加较多。 ( 3 ) 针对复杂薄壁铸件的特点，在充型方面，真空辅助的低压充型具有很大的潜 力。不仅是由于真空能减少充型时泡沫模样气化而产生的背压，提高充型速度；而且 在压差充型中还能够提供较低的压差下限，容易很快的得到充型的动力。因此，真空 低压消失模铸造兼有真空吸铸和低压铸造的优点，可实现铸件生产的“复合化”。 ( 4 ) 在结晶方面，充型完成后快速加压保压，使铸件能够及时得到补缩，在高于 大气压下凝固，因而铸件的致密度高。 华中科技大学硕士学位论文 ( 5 ) 无需采用低压铸造中的加工成本高、周期长的金属型，采用e p c 泡沫模样， 生产成本较低；也不需要采用高压釜以及大容量的空压机( 如差压铸造机) ，就能获得 致密度较高、机械性能较好的铸件。 ( 6 ) 铸造生产的“绿色集约化”，污染少，型砂可循环使用，节约资源，铸件的 成本较低。 2 2 真空低压消失模铸造新工艺的原理 高温金属液的充型过程是个在外力作用下复杂的流动和结晶的过程，它既是 不稳定流动又是不稳定传热过程，是一个非常复杂的问题。为实现金属液的平稳流 动，要求金属液的充型速度( v ) 等于常数【4 5 】，即： ，：塑： 堂：常数( 2 - 1 ) d t帝d t 式中：h 一金属液充型时上升的高度( m ) ； ，一金属液的充型时间( s ) ： p 一坩埚中金属液面所受的压力( p a ) ； ，一金属液的重度( n m m 3 ) ； 厂一充型阻力系数，与铸件的形状、壁厚、铸型表面状态等有关。 根据真空泵的原理，其时间和负压的关系可表示为( 真空泵为水环泵) 【4 6 】： f _ v f ! 一一11(2-2) 口i p 异j 由式2 2 得： 尸：堡( 2 3 ) a p o t + v 式中：卜抽真空时间( s ) ； v 一真空室容积( 1 ) ： r 一起始压力( m p a ) ( 等于l 大气压) ； p 一负压( m p a ) ； 口一