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產(chǎn)品推薦

鋁合金壓鑄適合什么樣的澆注系統(tǒng)

來源: 譽(yù)格壓鑄    人氣:5571    發(fā)布時(shí)間: 2020-08-04 

自熔煉爐中取出鋁合金液

、再將其澆注到鑄型中,是鋁合金壓鑄件生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵工序
,這一工序經(jīng)歷的時(shí)間雖然很短
,但合金液在傳送過程中的運(yùn)動(dòng)非常激烈,液面的氧化膜不斷遭受破壞
,不斷地產(chǎn)生新的氧化膜
,又不斷地將‘氧化膜夾層’卷入合金液中,因而
,大多數(shù)廢品都是在在這一階段造成的
。從卷入‘氧化膜夾層’的角度分析,澆注過程的控制比熔煉過程的控制重要得多

鋁合金壓鑄適合什么樣的澆注系統(tǒng)

鋁合金液流動(dòng)時(shí)

,如果流速較低,合金液的表面張力可以約束液流
,使其不至于分散
、飛濺;如果流速高,液流就不可避免地會(huì)分散
、飛濺

許多研究工作表明,對(duì)于多種液態(tài)鑄造合金

,液流不產(chǎn)生分散、飛濺的臨界流速是0.5m/s

目前

,應(yīng)用最廣的澆注方式,仍然是傳統(tǒng)的重力澆注
,也就是利用合金液本身的重力,將其自鑄型的上方注入鑄型
。實(shí)際上
,對(duì)鋁合金而言,這是最不可取的澆注方式
,因?yàn)?div id="jfovm50" class="index-wrap">,液流自直澆口下落到其底部時(shí)
,流速都遠(yuǎn)高于0.5 m/s
,液流散亂和飛濺是不可避免的。此外
,一些大家視為常規(guī)的澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則
,也有不少問題,液流在澆注系統(tǒng)中往往會(huì)發(fā)生紊流
、飛濺,會(huì)使大量的‘氧化膜夾層’和氣泡卷入合金液中
,造成多種鑄造缺陷

采用差壓鑄造或低壓壓鑄工藝,液流自鑄型的下方進(jìn)入鑄型

,如果控制得當(dāng)
,合金液可以平穩(wěn)、緩慢地充型
,鋁合金壓鑄件的缺陷很少
,材質(zhì)的力學(xué)性能當(dāng)然大幅度提高。從文獻(xiàn)得知
,美國航空
、航天用較大型的鋁合金
、鎂合金壓鑄件
,不少都是用差壓壓鑄工藝制造的

還有一種平穩(wěn)充型的澆注工藝值得注意,那就是使液流水平轉(zhuǎn)移的“傾轉(zhuǎn)澆注(tiltcasting或tilt filling)”

,澆注的方式是:將鑄型和澆包(或其他盛合金液的容器)安置在一可傾轉(zhuǎn)的裝置中
,使鑄型的澆口和澆包的流出口對(duì)齊
,然后
,使裝置緩慢地傾轉(zhuǎn),使合金液平穩(wěn)地從澆包轉(zhuǎn)移到鑄型中
。目前
,已有將此種工藝用于生產(chǎn)鋁合金壓鑄件和鈦合金壓鑄件的報(bào)道,主要是一些特別重要的壓鑄件

盡管后兩種澆注工藝效果很好,更適應(yīng)于生產(chǎn)鋁合金壓鑄件

,但是
,重力澆注畢竟是應(yīng)用了幾千年的傳統(tǒng)工藝,而且還有生產(chǎn)條件方面的制約
,在鋁合金壓鑄件用量不斷增長的今天
,絕大部分壓鑄件仍然是用重力澆注的方式生產(chǎn)的。為了進(jìn)一步提高壓鑄件的質(zhì)量
,在鑄造生產(chǎn)方面更充分地利用鋁合金在力學(xué)性能方面的潛力
,改進(jìn)澆注系統(tǒng)是當(dāng)前必須認(rèn)真面對(duì)的課題。

近年來

,采用視頻射線攝影技術(shù)和計(jì)算機(jī)模擬
,可以更好地了解合金液的充型過程,但是
,由于受到目前可供引用的參數(shù)的制約,至今
,對(duì)充型過程的認(rèn)識(shí)仍有不少不甚確切之處

適用于鋁合金的工藝方法很多,以下僅就水平分型的砂型鑄造工藝

,提出的一些改進(jìn)澆注系統(tǒng)的意見
,是依據(jù)J.Compbell和其他人士的研究結(jié)果歸納得到的
,還不能認(rèn)為是非常成熟的
,只能作為我們更新觀念的起點(diǎn)
,行之有效的具體工藝方案,仍有待我們在實(shí)際生產(chǎn)中不斷地分析
、研究和探求

1

、什么樣的澆注系統(tǒng)適用于鋁合金壓鑄

按照澆注系統(tǒng)各組元截面積的比

,可以有多種不同的模式,我們在這里只提到其中的三種

1)封閉式澆注系統(tǒng)  特點(diǎn)是:直澆口末端的截面積 > 橫澆道的截面積> 內(nèi)澆口的截面積

,是制造鑄鐵件最常用的澆注系統(tǒng)
,最小的阻流截面在內(nèi)澆口處

采用封閉式澆注系統(tǒng)時(shí),由于系統(tǒng)內(nèi)靜壓頭和液流動(dòng)能的作用

,合金液是以噴射的方式進(jìn)入型腔的
,產(chǎn)生紊流和卷入液流表面的氧化膜是難以避免的,而且會(huì)沖擊鑄型
,這些情況都對(duì)鑄件的質(zhì)量有負(fù)面影響。因此
,這種澆注系統(tǒng)原則上不適用于易于氧化
、而氧化物熔點(diǎn)又很高的鋁合金和鎂合金,但實(shí)際生產(chǎn)中也有人采用

2)開放式澆注系統(tǒng)  對(duì)于鋁合金壓鑄件,為了避免紊流和氧化膜卷入

,開放式澆注系統(tǒng)的應(yīng)用較廣
,有的文獻(xiàn)建議澆注系統(tǒng)各組元截面積之比為:

直澆口流出口截面積∶橫澆道總截面積∶內(nèi)澆口總截面積 =1∶2∶4

也有人提出三者的比宜為  1∶4∶4。

近年來

,很多研究工作表明
,橫澆道截面積增大
,并不能避免紊流和散流
,而且充滿澆注系統(tǒng)的時(shí)間長,合金液面易于氧化
,并不能確保鑄件的質(zhì)量
。再則,澆注系統(tǒng)的尺寸太大
,還會(huì)導(dǎo)致工藝出品率降低
,這也是不可取的。

3)自然流澆注系統(tǒng)  這是比較適用于鋁合金壓鑄的模式

,采用緊湊的澆注系統(tǒng)約束液流
,保持液流穩(wěn)定而不分散。直澆口與橫澆道的連接部位應(yīng)采用平滑過渡的方式
,橫澆道須轉(zhuǎn)到另一方向時(shí),轉(zhuǎn)角處也應(yīng)是平滑的圓弧
。這樣的澆注系統(tǒng)
,J. Campbell等人稱之為“自然流澆注系統(tǒng)”。

液流轉(zhuǎn)90°彎時(shí)

,由于摩擦力的作用
,液流的流速約降低20%
,因此
,自然流澆注系統(tǒng)各組元之間的關(guān)系大致是:直澆口流出口截面積∶橫澆道截面積∶內(nèi)澆口總截面積=1∶1.2∶1.4,

至于澆注系統(tǒng)各組元的具體尺寸

,要根據(jù)壓鑄件的結(jié)構(gòu)和澆注系統(tǒng)的總體安排具體考慮
,目前還不可能有普遍適用的數(shù)據(jù)。重要的壓鑄件
、批量生產(chǎn)的壓鑄件
,設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)時(shí)應(yīng)參考計(jì)算機(jī)模擬的結(jié)果
,有條件的話,宜采用視頻射線攝影技術(shù)校核

2

、不宜采用V-形漏斗式澆口杯

目前鑄造行業(yè)廣泛采用的V-形漏斗式澆口杯

,對(duì)于鋁合金壓鑄件而言是不適宜的
,因?yàn)樗鼤?huì)帶來很多問題,如:

1)澆注時(shí)

,如果液流直接自澆包嘴沖入直澆口
,澆注系統(tǒng)中就會(huì)產(chǎn)生紊流和飛濺;

2)澆口杯的容量小

,澆注過程中難以保持充滿狀態(tài),容易卷入空氣
、氧化膜和其他夾雜

3)澆注時(shí)液流可能直接注入直澆口中

,也可能沖向澆口杯的某一部位,因而
,液流不平穩(wěn)
,流速也難以控制
,導(dǎo)致澆注系統(tǒng)其他組元的設(shè)計(jì)功能難以體現(xiàn)

4)澆注時(shí),如液流偏離直澆口的中心線

,就會(huì)產(chǎn)生渦流
,極易卷入空氣和氧化膜。

采用流出口偏置的澆口盆

,液流注入澆口盆后有緩沖作用
,效果當(dāng)然較好,但是
,如果澆口盆底是平的
,液流流向流出口時(shí),由于慣性的作用
,下降的直流道中,靠液流起點(diǎn)一面相當(dāng)一部分不能充滿

解決問題的方法是在澆口盆中設(shè)置堤堰

,但要考慮堤堰形狀的影響。如果設(shè)置直角形堤堰
,液流流向流出口時(shí)
,有一小段水平流動(dòng)
,慣性仍然會(huì)起作用
,但影響較小。如果設(shè)置圓形堤堰
,就更為理想

3、關(guān)于直澆口的考慮

鑄造行業(yè)通常使用的直澆口

,往往都是上、下截面積相同的圓柱形
。對(duì)于很容易氧化的鋁合金
,這種直澆口是不宜采用的,因?yàn)?div id="4qifd00" class="flower right">
,在澆注過程中
,這種直澆口內(nèi)存在體積很大的氣隙
,在液流表面形成氧化膜。更為重要的是
,如果直澆口內(nèi)不存在氣隙,液流與鑄型中直澆口的壁密切接觸
,表面的氧化膜大部分會(huì)附著在壁上
,不進(jìn)入型腔;如果存在氣隙
,這些氧化膜都易于卷入型腔內(nèi)

由于重力加速度的作用

,液體下落時(shí)
,其流速隨下落的距離而增大,液流的截面積也就相應(yīng)地縮小

液流的外輪廓是雙曲線形

,理論上,要使直澆口內(nèi)不存在氣隙
,直澆口應(yīng)該做成這樣的形狀。實(shí)際生產(chǎn)中
,將直澆口做成這種形狀是很麻煩的
。為簡便起見,可以做成上大
、下小的錐體
。工藝設(shè)計(jì)時(shí),根據(jù)壓鑄件的具體情況
,由計(jì)算
、計(jì)算機(jī)模擬確定了澆口盆流出口端部面積A1
、高度H1和H2后,就很容易求得直澆口下端的面積
,從而確定其尺寸

有些壓鑄廠,采用造型機(jī)造型

,為了起模方便,往往將直澆口做成上小
、下大的錐體
,那就更不合適了

直澆口截面的形狀可以是圓形,也可以是方形(正方形或長方形)

,采用方形直澆口
,還有一個(gè)好處,就是可以抑制渦流
,避免卷入氣泡。

液流自直澆口下落時(shí)

,表面張力有約束液流的作用
。對(duì)于鋁合金壓鑄而言,液流表面形成的氧化膜有一定的剛性
,像一個(gè)套管
,也可以防止液流散亂
。如果下落的高度不大
,氧化膜套管保持穩(wěn)定,起保護(hù)液流的作用
。下落高度增大
,液流對(duì)套管內(nèi)表面的剪切作用增強(qiáng),可以使套管的上部與澆注口分離
、落下
,在下端的液面上聚集成圈
,液流表面又產(chǎn)生新的氧化膜
。下落高度進(jìn)一步增大,液流就會(huì)將大量氣泡和氧化膜卷入合金液中

鋁合金液的下落高度在100㎜左右

,可以保持氧化膜套管穩(wěn)定;下落高度為200㎜時(shí)
,下端的流速約2 m/s
,氧化膜脫落就是不可避免的
。實(shí)際生產(chǎn)中
,直澆口高度很少能保持在200㎜以內(nèi),因而
,澆注過程是使合金液中卷入‘氧化膜夾層’最多工藝環(huán)節(jié)

如果采用上大、下小的直澆口,澆注過程中又能保持直澆口充滿

,由于液流與直澆口壁接觸,相當(dāng)一部分氧化膜可以附著在直澆口壁上
,不進(jìn)入型腔
。如果采用上下一致的直澆口,這種可能性就很小
。采用上大
、下小的直澆口,情況就會(huì)更差

10㎏的鋁合金液,以10s左右的時(shí)間注入鑄型

,澆注過程中可能卷入的氧化膜
,面積大約是0.1~1㎡。

還應(yīng)該注意到:在保證充型的條件下

,應(yīng)使直澆口的截面積盡可能地小些
。這樣,就可以在澆注過程中保持直澆口呈充滿狀態(tài)
,其中不存在氣隙
。特別是在用樹脂黏結(jié)砂造型時(shí),如果直澆口的截面積過大
,液流與澆口壁之間存在很多空氣
,空氣受熱后會(huì)使黏結(jié)型砂的樹脂氧化,失去黏結(jié)作用
,砂粒被液流帶入型腔
,在鑄件中造成夾砂缺陷。用尿烷樹脂自硬砂(Pep-set)生產(chǎn)同一鋁合金鑄件
,用不同截面積直澆口的情況
。直澆口截面積過大
,澆注過程中
,澆口壁上不少型砂脫落,圖4a是鑄件落砂后直澆口的狀況
;直澆口截面積正常
,澆口壁無損毀

4

、關(guān)于澆口窩

在直澆口的下端設(shè)置澆口窩,是鑄造行業(yè)常規(guī)的作法

,一般都認(rèn)為澆口窩能起緩沖的作用
,可減少氣泡的卷入,而且可以減輕澆注系統(tǒng)中的紊流

但是

,用X射線攝影進(jìn)行的系統(tǒng)研究表明:對(duì)于小型或稍大的鑄件,在通道緊湊的澆注系統(tǒng)中
,直澆口和橫澆道的相接處以采用流線型的圓弧過渡為好,在這種條件下
,合金液的表面張力可以約束液流的前沿
,不會(huì)產(chǎn)生散流和飛濺。在直澆口下端設(shè)置澆口窩
,反而會(huì)引起紊流
、卷入氣泡,不利于鋁合金壓鑄件的質(zhì)量

當(dāng)然

,在鑄造行業(yè)中完全摒棄澆口窩,目前也是不現(xiàn)實(shí)的
。較大的鋁合金壓鑄件
,橫澆道截面積大,充滿橫澆道有一個(gè)過程
,液流沖擊澆口窩卷入的氣泡可以排出
,設(shè)置澆口窩也是可行的。鋁合金鑄件一般都不太大
,最好不采用澆口窩
。在這方面,仍有待進(jìn)行進(jìn)一步的研究工作

如果不設(shè)置澆口窩

,直澆口與橫澆道的連接處,最好采用圖5a那樣的平滑過渡方式
,但是
,對(duì)于水平分型的造型工藝,是難以做到的
。變通的方法是采用局部圓角過渡方式。

5

、橫澆道和內(nèi)澆口

橫澆道

、內(nèi)澆口截面積的確定

1)內(nèi)澆口的位置  采用封閉式澆注系統(tǒng)時(shí),內(nèi)澆口通常都位于橫澆道的下部。作這樣安排的指導(dǎo)思想

,是認(rèn)為卷入液流中氧化膜
、氣泡和其他夾雜物可以浮在橫澆道的上方,不會(huì)通過內(nèi)澆口進(jìn)入型腔
。實(shí)際上
,橫澆道內(nèi)的液流前沿
,經(jīng)過第一個(gè)內(nèi)澆口時(shí)就會(huì)落入內(nèi)澆口而流入型腔
,并卷入氧化膜、氣泡和夾雜物
,這種考慮的謬誤是顯而易見的
。即使是用封閉式澆注系統(tǒng)鑄造鑄鐵件,由于液流的前沿也是氧化最嚴(yán)重
、最臟
、含雜質(zhì)最多的,這種工藝也是不可取的

內(nèi)澆口應(yīng)設(shè)置在橫澆道的上方。

2)橫澆道的截面積

很多生產(chǎn)單位所用的橫澆道

,無論其長度如何
、有幾個(gè)內(nèi)澆口,都是等截面的
,而沒有認(rèn)真地考核其作用和效果

如果橫澆道后面設(shè)有多個(gè)內(nèi)澆口,為了使液流均勻地通過各內(nèi)澆口進(jìn)入型腔

,采用等截面橫澆道