低压铸造升液管的研究与应用_米国发.pdf

综述 2007 年 8 月第 4 期 56 低压铸造升液管的研究与应用 河南理工大学材料学院 米国发 赵恒涛 摘要 介绍了低压铸造的发展概况及升液的基本原理 重点叙述了升液管结构 联接 方式及材料的研究应用状况 分析了升液管在低压铸造过程中的常见故障及预防方法 关键词 低压铸造 升液管 1 引言 低压铸造是介于重力铸造和压力铸造之间的一 种铸造方法 其目的是解决重力铸造中浇注系统充型 和补缩的矛盾 在重力铸造中为了充型平稳 避免气 孔 夹渣 一般都采用底注式 而铸型内温度场分布 则不利于冒口补缩 低压铸造吸收了重力铸造中底注 平稳充型和压力铸造中铸件在压力下结晶凝固的优 点 巧妙地利用坩埚内气压 将金属液由下而上充填 铸型 在低气压下保持浇道与补缩通道合二为一 始 终维持铸型温度梯度与压力梯度的一致性 从而解决 了重力铸造中充型平稳性与补缩的矛盾 而且使铸件 品质大大提高 1 4 低压铸造最早由英国人 E F LAKE 于 1910 年提 出并申请专利 真正被推广应用是在 二战 以后 1950 年以后由于汽车工业的发展 使低压铸造工艺和 设备有了一个飞跃 1 4 汽车轮毂由于质量要求高 本身结构又适于低压铸造 而且需求量大 因此极大 地推动了低压铸造技术的发展 英国在 60 年代率先 发展低压铸造汽车轮毂 其后美国 日本 西德相继 发展 铸铝轮毂市场占有率 1981 年仅 4 1994 年扩 大到 40 至 2000 年市场份额扩大到 60 5 现在 铸铝轮毂的生产绝大多数采用低压铸造法 2 6 9 目 前 低压铸造的应用范围正在不断拓展 从简单的铸 件到复杂的航空 国防用铸件 从轻金属到重金属 从有色金属到黑色金属 低压铸造设备向大规模 自 动化方向发展 整个铸造过程也在向机械化 自动化 方向发展 升液管是指在低压铸造时将密封坩埚内的液态 金属导入铸型的管道 主要作用是导流和补缩 作为 浇注系统中的重要组元 它应保证液态金属在上升过 程中流动平稳 不致引起液态金属的氧化和吸气 从 而保证铸件质量 因此升液管在低压铸造工艺中起着 至关重要的作用 本文叙述了升液管的基本原理 升 液管结构 联接方式及其材料的研究应用状况 2 升液的基本原理 在低压铸造时 作用于密封坩埚液态金属液面上 的气体压力使液态金属沿升液管向上运动 图 l 液态 金属在升液管中的上升过程应做到流态合理 不致引 起液态金属 尤其是铝 镁合金 的氧化和吸气 为使 液态金属在升液管中流动平衡 其流动应处于层流状 态 此时升液速度 v升应小于某一临界速度即 v临 即 v升F横 F内 F件 其中 F升为升液管出 口面积 F横为单个横浇道面积 F内为单个内浇道面 积 F件为铸件热节面积 d 加压面积比 22 2 1 Dd R d 其中 D 为坩埚内径 d 为升液管外径 d1为升液管内径 为保证铝液流动 平稳 R 应在 20 45mm 的范围内 e 升液管应经受 0 4MPa 压力不泄漏 以保证增 压过程中不发生漏气现象 14 f 用于浇注大批量铝合金铸件的升液管 它的 中 下部浸在金属液中 要经受高温金属液的反复冲 刷 涂料层容易剥落 裸露在金属液中的钢管 特别 是管内壁 腐蚀严重 为提高升液管的使用寿命 可 做成镶石墨内衬或石墨铸铁浇合的升液管 g 带有保温装置的升液管 使用前要进行除锈 喷刷涂料 预热 装入压力罐后 将加热器电源接通 使升液管出口温度达 500 600 15 h 升液管法兰与钢管应保证一定的垂直精度 升 液管的安放应使其轴线与坩埚内的液面垂直 以免涂 料剥落 3 2 结构型式与联接方式 低压铸造升液管常用的结构型式可分为直筒形 和带锥度的两类 带锥口的升液管分为正锥口形与倒 锥口形两类 如图 2 所示 目前铝合金 铜合金以及 铸铁件的低压铸造都广泛采用直筒形的升液管 它的 最大优点是结构简单 制造方便 但不利于撇渣与排 气 根据升液管与铸型结构的不同 升液管与铸型有 四种常用的联接方式 见图 3 联接方式 3a 适合于垂 直分型的铸型 否则铸件难以脱型 联接方式 3b 适 合于水平分型的铸件 正锥口升液管与铸型的联接如 图 3c 所示 合金液上升至升液管与铸型连接处 能 顺管径平滑过渡通过收缩断面 避免了憋气死角 升 液管锥度部分可起到撇渣的作用 这种结构的不足在 于当合金液在升液管上端口凝固后 铸件便难以脱 型 以致必须拆卸铸型和升液管才能敲出铸件 因此 应考虑上端口的保温 倒锥口升液管与铸型的联接如 图 3d 所示 这种结构具有适当延长铸件浇口可凝固 长度的能力 12 16 a 直筒形升液管 b 正锥口升液管 c 倒锥口升液管 图 2 升液管结构 a 直筒形升液管与铸型 b 直筒形升液管与铸型 的联接方式之一 的联接方式之二 c 正锥口升液管与铸型的联接 d 倒锥口升液管与铸型的联接 图 3 升液管与铸型的联接方式 综述 2007 年 8 月第 4 期 58 鞍山钢铁公司钢铁研究所发明了一种整体浇灌 复合升液管 其结构特点是以钢管为承重和防止气体 泄漏的骨架 钢管内外浇灌高铝矾土耐火材料 制造 工艺是整体一次浇灌成型 经自然干燥和中温干燥后 交付使用 使用前需经升温烘烤 使用后需降温烘烤 该升液管不仅适用于铸铁 铸钢等黑色金属低压铸 造 也可应用于铸铝 铸铜等有色金属的低压铸造 17 建设工业 集团 有限责任公司发明了一种上端带有凸 边的低压铸造升液管 它由上管与下管两部分螺纹连 接组成 上管与下管的内径一致 上管为铁质材料 下管为石墨材料 该发明既能克服升液管熔蚀的问 题 防止铝液增铁 还能保证升液管的承重能力和耐 磨性 延长使用寿命 18 3 3 升液管的材料 升液管是铝合金低压铸机上的关键部件之一 工 作时 下端置于低压铸造机密闭的保温炉中 温度 700 900 上端连接低压铸造机模具腔 熔融铝液 通过压力作用沿升液管上升进入模具腔里 完成周期 性的铸造 实现自动化与连续化 要求升液管不仅要 耐高温 抗热震 耐铝液腐蚀及良好的气密性 而且 要具有长期抗热冲击疲劳性 国内升液管一般是用铸铁制造的 由于高温下铁 与熔融铝液发生反应 易污染铝液 影响铸铝产品的 质量 且铸铁升液管使用寿命短 更换费时费力 影 响生产效率 国外如日本多采用 Si2N3反应结合 SiC 陶瓷升液管 具有使用寿命长 耐侵蚀 不污染铝液 等优点 而极大地提高铸铝产品的质量和生产效率 但由于 Si2N3反应结合 SiC 陶瓷升液管生产成本高 价格昂贵 在我国推广较困难 19 20 钛酸铝陶瓷不仅具有较高的熔点 1860 较低 的热膨胀系数 2 0 10 6 和优良的抗热震性 Tc 1200 21 23 且具有与铝等许多有色金属熔 体不润湿的特性 因此是制备铸铝用升液管的优良材 料 目前国内对钛酸铝陶瓷升液管进行了广泛的研 究 浙江大学的徐刚等利用 XRD 对试验采用不同稳 定剂制备的钛酸铝陶瓷在85O 铝熔体中的稳定性进 行了研究 发现稳定剂 MgO Y2O3的固溶可有效抑制 钛酸铝的分解 利用钛酸铝所制备的陶瓷升液管可连 续运行 60d 不破坏 23 还对材料的抗热震性能进行了 研究 经过 12 个周期的进入和热震 强度变化很小 抗热震性能优良 可以适应铝合金低压铸造的间歇应 用 24 湖南陶瓷研究所的李忠权等采用一步法进行钛 酸铝陶瓷升液管的研究 讨论了添加剂和烧成温度对 钛酸铝陶瓷升液管性能的影响 25 山东中博先进材料 股份有限公司的杨为振等采用二步法进行钛酸铝陶 瓷升液管的研究 讨论了添加剂对陶瓷升液管性能的 影响 20 4 升液管故障分析 4 1 升液管漏气 升液管漏气在内部发生的 用肉眼很难发现 因 而危险较大 及早进行判断是很重要的 可以根据如 下的方法判断升液管是否漏气 当零件热节处突然出 现较大的内部光滑气泡时 说明已经发生升液管漏气 现象 这种气泡可能与外界直接连通也可能仅有一层 膜一砸孔塌陷 当升液管漏气量较小时很难判别 随 着生产的进行 这种气泡将会越来越大 这是由于漏 气处的小孔壁已经很薄 加上液态金属不断侵蚀 使 孔隙越来越大所致 严重的升液管漏气 可在铸型顶 部出现体积较小的金属液滴飞溅出来的现象 对于薄 壁件 既使模温正常 升液管漏气也会使上半部出现 充不满 并在内浇道的断口中心有小气泡残存 这是 由于进入薄壁的气体会很快离开液态金属 聚集在型 的上部 使正常的排气道无法排除由坩埚中窜进来的 过多的气体 造成型腔内部充气 而无法充满 由于 高温状态空气和液态金属长时间的混流 在直浇道的 倾出液窝处有严重的氧化夹杂或面积较大的弧形氧 化膜的薄壳凝固在其中 通过称量可以得出 升液管 漏气时浇注的铸件比正常时浇注的铸件要轻得多 预防方法如下 开炉前检查升液管是否漏气 若 漏气 则需进行维修或更换 用过的升液管 最好进 行喷砂处理 以使表面杂物脱落 然后将其预热到 200 左右 再多喷几次涂料 尤其是长期接触液态 金属处 要用涂料覆盖好 这才能提高使用寿命 有 效地减少升液管漏气事故 11 4 2 升液管冻死 下模温度太低 液态金属温度太低或保压时间过 长时容易造成升液管冻死 一般易在首件生产中发 生 并且铸件越小越容易出现此类事故 预测方法如 下 首件的保压时间应尽量短些 底模口径应力求小 于升液管上口面积 升液管在放入坩埚前 应将其上 端烤到暗红色 当不能满足这一要求时 要用耐火毡 将端面盖好 严防端面金属与液态金属直接接触 否 则将易产生升液管冻死事故 生产前坩埚盖应敞开一 段时间 以便对工作台面进行烘烤 使其温度升高到 综述 航天制造技术 59 100 200 左右 升液管上半部用水玻璃粘硅酸铝纤 维毡进行保温 粘贴高度大约 100 200mm 也可用 石棉板泡制成的浆糊加入适量水玻璃为涂料刷到升 液管上部及浇道处厚度 约 3 5mm 生产小件时切 勿中断时间较长 以防升液管降温易产生升液管冻死 事故 解决升液管冻死的方法 可用气焊枪或喷灯将冻 死的部分熔化开 停机取出冻死的升液管 并放入到 盛金属液的坩埚中化开 若无加热工具 且升液管又 与底型冻死在一起 无法拆卸 此时可用手电钻在冻 死的升液管口上钻一个稍大的通孔 然后浇入过热度 较大的金属液 以便冲开升液管口 升液管上端口随 着生产的进行 在不正常时会一层层冻厚 使端口变 小 此时应立即停产 升高炉温 并向冻细的升液管 口内冲倒高温金属液 化开冻死部分 恢复正常生产 严禁在炉上敲砸冻死的升液管及底型模具 以防损坏 高温运行的电炉和模具 11 5 结束语 低压铸造铸件质量优良 应用范围正在不断拓 展 而升液管作为低压铸造的关键部位 其设计对铸 件质量具有决定性意义 越来越多的科研人员开始投 入或关注低压铸造升液管技术的研发 使低压铸造技 术的应用前景更加广阔 参考文献 1 唐多光 21 世纪低压铸造技术的展望 特种铸造及有色合金 J 1998 4 28 31 2 王柯 柳百成 熊守美等 低压铸造温度场数值模拟中换热情况处理 J 重庆大学学报 2002 25 12 11 13 3 曾昭昭主编 特种铸造 浙江 浙江大学出版社 M 1990 246 252 4 刘孝福 娄延春 齐笑冰等 低压铸造技术在铜合金和黑色金属领域的 发展和应用 J 铸造 2006 55 6 585 588 5 Nussbaum A I Semi solid Forming of Al Mg J Light Metal Age 1996 54 5 6 6 A E Miller D M Maijer Investigation of erosive corrosive wear in the low pressure dies casting of aluminum A356 J Materials Science and Engineering 2006 435 100 111 7 万柳军 张辉 荆涛 低压铸造汽车轮毂充型过程数值模拟研究 J 热 加工工艺 2005 34 12 27 29 8 张辉 万柳军 荆涛 汽车轮毂低压铸造凝固过程模拟研究 J 特种铸 造及有色合金 2006 26 7 409 411 9 潘晓涛 贺伯平 阳林等 汽车铝合金轮毂低压铸造模具设计 J 机电 工程技术 2005 34 9 46 48 10 刘志明 曲万春 王宏伟等 低压铸造中液态金属的填充规律及其影 响 J 特种铸造及有色合金 1999 2 16 19 11 董秀琦主编 低压及差压铸造理论与实践 北京 机械工业出版社 M 2003 17 19 319 320 12 陈立亮 刘瑞祥 林汉同等 低压铸造流动与传热耦合计算的研究 J 特种铸造及有色合金 2002 压铸专刊 173 175 13 刘泓波 杨波 张虎 低压铸造升液管优化的水模拟 J 特种铸造及 有色合金 2005 25 9 546 549 14 北京机械工程学会铸造专业学会编 铸造技术数据手册 M 北京 机 械工业出版社 1996 923 929 15 陈琦 彭兆弟主编 铸造技术问题对策 M 北京 机械工业出版社 2001 527 529 16 梁敏洁 铝合金低压铸造工艺 CAD 技术研究 D 太原 华北工学院 2004 17 鞍山钢铁公司钢铁研究所 整体浇灌复合升液管 P 中国 CN88104790 2 19