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鋁合金壓鑄適合什么樣的澆注系統(tǒng)

來源: 譽格壓鑄    人氣:4891    發(fā)布時間: 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)歷的時間雖然很短,但合金液在傳送過程中的運動非常激烈,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)

鋁合金液流動時,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分散、飛濺。

許多研究工作表明,對于多種液態(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。實際上,對鋁合金而言,這是最不可取的澆注方式,因為,液流自直澆口下落到其底部時,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)計原則,也有不少問題,液流在澆注系統(tǒng)中往往會發(fā)生紊流、飛濺,會使大量的‘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)真面對的課題。

近年來,采用視頻射線攝影技術(shù)和計算機(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,對充型過程的認(rèn)識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,行之有效的具體工藝方案,仍有待我們在實際生產(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,由于系統(tǒng)內(nèi)靜壓頭和液流動能的作用,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,而且會沖擊鑄型,這些情況都對鑄件的質(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、而氧化物熔點又很高的鋁合金和鎂合金,但實際生產(chǎn)中也有人采用。

2)開放式澆注系統(tǒng)  對于鋁合金壓鑄件,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,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,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)計澆注系統(tǒng)時應(yīng)參考計算機(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,對于鋁合金壓鑄件而言是不適宜的,因為它會帶來很多問題,如:

1)澆注時,如果液流直接自澆包嘴沖入直澆口,澆注系統(tǒng)中就會產(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)計功能難以體現(xiàn);

4)澆注時,如液流偏離直澆口的中心線,就會產(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,由于慣性的作用,下降的直流道中,靠液流起點一面相當(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,有一小段水平流動,慣性仍然會起作用,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。對于很容易氧化的鋁合金,這種直澆口是不宜采用的,因為,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,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)計時,根據(jù)壓鑄件的具體情況,由計算、計算機(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,表面張力有約束液流的作用。對于鋁合金壓鑄而言,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,下端的流速約2 m/s,氧化膜脫落就是不可避免的。實際生產(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,情況就會更差。

10㎏的鋁合金液,以10s左右的時間注入鑄型,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,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,不會產(chǎn)生散流和飛濺。在直澆口下端設(shè)置澆口窩,反而會引起紊流、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,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,不會通過內(nèi)澆口進(jìn)入型腔。實際上,橫澆道內(nèi)的液流前沿,經(jīng)過第一個內(nèi)澆口時就會落入內(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,不僅多耗用合金、降低工藝出品率,而且充型的效果不好,有損鑄件的質(zhì)量。

標(biāo)簽: 鋁合金壓鑄
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