壓鑄工藝介紹——反重力壓鑄

一、反重力壓鑄方法及其分類

1、特點(diǎn)

反重力鑄造是使液態(tài)金屬在與重力相反的力的作用下完成充型、補(bǔ)縮和凝固的一種鑄造方法。

與壓力鑄造和擠壓鑄造相比，為完成充型和補(bǔ)縮所施加的力較小，因此，液態(tài)金屬在充型過程中的流動(dòng)非常平穩(wěn)，但與重力鑄造相比，鑄件又能在一定的壓力下實(shí)現(xiàn)補(bǔ)縮和凝固，因此是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鑄件的理想方法。

2、分類

反重力鑄造中，根據(jù)產(chǎn)生壓力方式的不同，可進(jìn)一步把它分為差壓鑄造、低壓鑄造、調(diào)壓鑄造、真空吸鑄以及復(fù)合反重力鑄造等類型。從設(shè)備結(jié)構(gòu)上看，差壓鑄造、調(diào)壓鑄造、真空吸鑄和復(fù)合反重力鑄造均采用上下室形式，即保溫爐置于下室，鑄型置于上室，低壓鑄造只使用下室，鑄型置于大氣環(huán)境中。不同反重力鑄造形式產(chǎn)生壓力的方式及特點(diǎn)如下：

（1）低壓鑄造低

壓鑄造時(shí)，鑄型處在常壓環(huán)境之下，下室進(jìn)氣，形成壓差，在壓差的作用下完成升液、充型和保壓環(huán)節(jié)。所需設(shè)備簡單，操作容易，充型過程控制簡單。一般情況下，只要保壓時(shí)的增壓滿足要求，同樣可使鑄件得到很好的補(bǔ)縮。與其它反重力鑄造方法相比，低壓鑄造的應(yīng)用范圍更廣。由于低壓鑄造中，鑄型處在常壓環(huán)境之下，利用金屬型鑄造時(shí)，容易實(shí)現(xiàn)金屬型的開合模以及鑄件頂出。

（2）真空吸鑄

真空吸鑄時(shí)，下室處在常壓環(huán)境，上室抽真空形成壓差，在壓差的作用下完成升液、充型和保壓環(huán)節(jié)。由于鑄型處在真空環(huán)境之下，所以，液態(tài)金屬的充型能力較好，但所建立的充型壓差受限，凝固壓力小，補(bǔ)縮能力較弱，適合于成形小型薄壁鑄件。

（3）差壓鑄造

差壓鑄造中，建立壓差的形式有兩種：上排氣法、下進(jìn)氣法

差壓鑄造中，不僅可在壓力下完成充型和補(bǔ)縮，而且由于鑄型處在壓力下，能夠更好地發(fā)揮冒口的補(bǔ)縮，提高了鑄件的致密度。這種鑄造方法適合于生產(chǎn)大型厚壁鑄件。

（4）調(diào)壓鑄造

鑄造時(shí)上下室同時(shí)抽真空，達(dá)到指定真空度后，下室進(jìn)氣，形成壓差，在壓差的作用下完成升液和充型環(huán)節(jié)后，上下室按照充型完成時(shí)的壓差同時(shí)進(jìn)氣，使鑄型處在正壓環(huán)境之下，來增強(qiáng)鑄件的補(bǔ)縮能力。

優(yōu)點(diǎn)是：既發(fā)揮了液態(tài)金屬的充型能力，有利于成形薄壁鑄件，又能在壓力下實(shí)現(xiàn)補(bǔ)縮，提高鑄件的致密度。這種鑄造方法需要精確控制加壓時(shí)的壓差，對(duì)控制系統(tǒng)的要求很高。

3、特點(diǎn)

1）充型速度可控：反重力鑄造一般用于生產(chǎn)有色合金鑄件，鑄件的成形能力和內(nèi)部質(zhì)量尤其是尺寸和壁厚對(duì)充型速度有比較嚴(yán)格的要求，充型速度可以通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的控制。

2）成形性好、表面光潔：反重力鑄造時(shí)，金屬液是在壓力下充填成形，在工藝參數(shù)選擇合理的情況下，所獲得的鑄件輪廓清晰，對(duì)于薄壁件的生產(chǎn)，更是如此；反重力鑄造時(shí)有壓氣體充塞于砂型空隙，且在金屬液與砂型之間形成一層氣相保護(hù)層，將兩者隔開，可以減少金屬液對(duì)鑄型的熱力及化學(xué)作用，可降低鑄件的表面粗糙度。

3）鑄件晶粒細(xì)、組織致密、機(jī)械性能高：金屬液在壓力下結(jié)晶凝固，初凝枝晶在壓力的作用下會(huì)發(fā)生變形、破碎，而且冷卻速度快，因而晶粒細(xì)??；同時(shí)，壓力能提高補(bǔ)縮能力和抑制金屬液中氣體的析出，使疏松和微觀氣孔大為減少。所以，鑄件的機(jī)械性能得到明顯的改善。

4）可實(shí)現(xiàn)可控氣氛下澆注：反重力鑄造時(shí)，可對(duì)上室、下室或者上下室的氣氛進(jìn)行控制。利用反重力鑄造澆注鋁合合鑄件時(shí)，使用除油干燥的壓縮空氣即可，但對(duì)于鎂合金，必須注意金屬液和鑄型的環(huán)境氣氛，因?yàn)殒V合金在空氣中會(huì)發(fā)生燃燒。可控氣氛的使用應(yīng)根據(jù)鑄件質(zhì)量的要求及鑄件的輪廓尺寸等因素決定。

5）提高了金屬的利用率：反重力鑄造時(shí)，鑄件凝固收縮可以不斷地得到來自內(nèi)澆口金屬液的補(bǔ)縮；加之壓力的擠濾和塑性變形的作用，強(qiáng)化了冒口的補(bǔ)縮效果，冒口尺寸可相應(yīng)減小甚至不需要。

6）鑄件可進(jìn)行熱處理：與壓力鑄造相比，利用反重力鑄造方法生產(chǎn)鑄件時(shí)，充型速度較慢，液面平穩(wěn)，型內(nèi)氣體可以順利排出，所以，鑄件內(nèi)部的氣孔很少、甚至沒有，故可像重力鑄造成形的鑄件一樣進(jìn)行熱處理。

二、反重力壓鑄工藝

反重力壓鑄工藝包括澆注位置的選擇、澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、冒口和冷鐵的合理使用以及最佳工藝參數(shù)的確定等內(nèi)容。

（1）鑄件的澆注位置及澆注系統(tǒng)反重力鑄造中，鑄件凝固時(shí)主要通過澆口補(bǔ)縮。因此，確立澆注位置時(shí)，應(yīng)使鑄件的凝固順序朝著澆口的方向進(jìn)行。通常，將鑄件的薄壁位置置于遠(yuǎn)離澆口位置，讓金屬液從厚壁處引入。為使鑄件厚壁位置的熱分布合理，可采用分散澆口，直接利用內(nèi)澆口進(jìn)行補(bǔ)縮。

設(shè)計(jì)反重力鑄造的澆注系統(tǒng)時(shí)，在保證金屬液平穩(wěn)充型的前提下，充型要快，有利于擋渣、排氣和實(shí)現(xiàn)順序凝固。對(duì)于大型復(fù)雜薄壁鑄件，應(yīng)盡可能采用下寬上窄的縫隙式澆注系統(tǒng)，保證金屬液可在縫隙內(nèi)平穩(wěn)上升，以充分發(fā)揮垂直方向上的補(bǔ)縮，同時(shí)也不會(huì)影響其水平方向的補(bǔ)縮能力。

（2）冒口和冷鐵此外，冷鐵常與冒口或澆注系統(tǒng)配合使用，以加強(qiáng)冒口或澆口的補(bǔ)縮，但也可單獨(dú)使用，用來加快鑄件局部熱節(jié)處的冷卻速度，保證鑄件整體的順序凝固。

（3）反重力壓鑄工藝參數(shù)的確定

1)升液管直徑的確定確定時(shí)，首先要考慮鑄件重量預(yù)計(jì)充型時(shí)間和充型速度，然后確定對(duì)升液管的流量要求，再根據(jù)充型速度和流量要求計(jì)算升液管的直徑；其次，從保證鑄件的順序凝固所要求的熱平衡角度來考慮。升液管要便于壓力傳遞，有利于補(bǔ)縮，金屬液充型時(shí)，不產(chǎn)生紊流，清理和噴刷涂料方便。升液管的材料根據(jù)合金的種類及對(duì)鑄件質(zhì)量的要求確定，對(duì)于普通鋁合金鑄件，采用鋼管或鑄鐵管即可；合金對(duì)含鐵量要求比較高時(shí)，可采用鈦合金或或陶瓷升液管。

2)充型壓力的確定充型壓力指金屬液充滿型腔所需要的壓力，其大小與鑄件的形狀高度、坩堝形狀、金屬熔化量等有關(guān)。如果坩堝的形狀、大小不變，熔化量已知，鑄件澆注量核定準(zhǔn)確，則可比較精確地計(jì)算出充型壓力。然而，在砂型反重力鑄造中，連續(xù)澆注幾個(gè)不同的鑄件時(shí)，充型壓力的精確計(jì)算比較困難。為此，每次澆注之前，可測量坩堝內(nèi)液面距離升液管口的實(shí)際高度近似計(jì)算充型壓力。

3)結(jié)晶壓力的選擇結(jié)晶壓力是為鑄件結(jié)晶創(chuàng)建一個(gè)高壓條件。金屬在壓力下結(jié)晶，使晶粒細(xì)化，組織致密。結(jié)晶壓力越大，機(jī)械性能越高。但過高的結(jié)晶壓力會(huì)給反重力設(shè)備帶來困難，且鑄件強(qiáng)度增加很少。壓力過小，會(huì)降低反重力鑄造的擠濾及塑性變形作用，不利于補(bǔ)縮和抑制金屬液中氣體的析出，鑄件易產(chǎn)生疏和微觀縮孔。選擇結(jié)晶壓力時(shí)，要考慮鑄件結(jié)構(gòu)、合金的結(jié)晶特性。鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜時(shí)，選擇較大的壓力；合金結(jié)晶范圍較寬時(shí)，選擇較高的壓力。

4)升液、充型速度的確定在升液管出口面積固定的情況下，充型速度取決于坩堝液面上的加壓速度。加壓速度分升液和充型兩個(gè)階段，金屬液由坩堝液面上升到橫澆道為升液，要求液流平穩(wěn)、緩慢，以利于型腔中氣體的排出，防止升液管出口處出現(xiàn)噴濺和翻滾，避免產(chǎn)生二次氧化夾渣。充型階段的流速需根據(jù)鑄件的壁厚大小、復(fù)雜程度和合金種類等因素確定。一般情況下，充型速度應(yīng)當(dāng)比升液速度略快，這樣有利于補(bǔ)縮，減少二次夾渣的產(chǎn)生。

5)保壓時(shí)間鑄型內(nèi)金屬液在壓力作用下保持到鑄件完全凝固結(jié)束的時(shí)間為保壓時(shí)間。保壓時(shí)間大體上接近鑄件凝固所需要的時(shí)間。若保壓時(shí)間過短，金屬?zèng)]有完全凝固，未凝固的金屬液通過升液管返回坩堝，鑄件得不到充分補(bǔ)縮，甚至不能成形，造成鑄件報(bào)廢；保壓時(shí)間過長，使?jié)部跉埩暨^長，清理困難，有時(shí)甚至?xí)股汗艹隹趦鼋Y(jié)，影響生產(chǎn)。保壓時(shí)間的長短與鑄件的壁厚、合金種類、鑄型性質(zhì)以及結(jié)晶凝固壓力有關(guān)。鑄件壁越厚、合金的結(jié)晶溫度范圍越寬，保壓時(shí)間越長。砂型反重力鑄造的保壓時(shí)間比金屬型的長。結(jié)晶凝固壓力越大，保壓時(shí)間越短。

6)澆注溫度一般情況下，在保證金屬液的充填和補(bǔ)縮能力的前提下，應(yīng)盡可能使?jié)沧囟鹊鸵恍?。反重力鑄造其成型能力遠(yuǎn)高于重力鑄造，所以，其澆注溫度應(yīng)比重力鑄造低5-10°C。