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      鋁合金澆鑄系統 什么樣的更適用?

      時間: 2019-09-04 14:12:45來源: 江陰市嘉達機電制造有限公司

      鋁合金澆鑄系統 什么樣的更適用?  自熔煉爐中取出合金液、再將其澆注到鑄型中,是鑄件生產過程中的關鍵工序,這一工序經歷的時間雖然很短,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...

      鋁合金澆鑄系統 什么樣的更適用?

        自熔煉爐中取出合金液、再將其澆注到鑄型中,是鑄件生產過程中的關鍵工序,這一工序經歷的時間雖然很短,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,對于多種液態鑄造合金,液流不產生分散、飛濺的臨界流速是0.5m/s。

        目前,應用最廣的澆注方式,仍然是傳統的重力澆注,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,一些大家視為常規的澆注系統設計原則,也有不少問題,液流在澆注系統中往往會發生紊流、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鑄造工藝,液流自鑄型的下方進入鑄型,如果控制得當,合金液可以平穩、緩慢地充型,鑄件的缺陷很少,材質的力學性能當然大幅度提高。從文獻得知,美國航空、航天用較大型的鋁合金、鎂合金鑄件,不少都是用差壓鑄造工藝制造的。

        還有一種平穩充型的澆注工藝值得注意,那就是使液流水平轉移的“傾轉澆注(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,使合金液平穩地從澆包轉移到鑄型中。目前,已有將此種工藝用于生產鋁合金鑄件和鈦合金鑄件的報道,主要是一些特別重要的鑄件。

        盡管后兩種澆注工藝效果很好,更適應于生產鋁合金鑄件,但是,重力澆注畢竟是應用了幾千年的傳統工藝,而且還有生產條件方面的制約,在鋁合金鑄件用量不斷增長的今天,絕大部分鑄件仍然是用重力澆注的方式生產的。為了進一步提高鑄件的質量,在鑄造生產方面更充分地利用鋁合金在力學性能方面的潛力,改進澆注系統是當前必須認真面對的課題。

        近年來,采用視頻射線攝影技術和計算機模擬,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的制約,至今,對充型過程的認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,提出的一些改進澆注系統的意見,是依據J.Compbell和其他人士的研究結果歸納得到的,還不能認為是非常成熟的,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中不斷地分析、研究和探求。

      1、什么樣的澆注系統適用于鋁合金

        按照澆注系統各組元截面積的比,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

        特點是:直澆口末端的截面積>橫澆道的截面積>內澆口的截面積,是制造鑄鐵件最常用的澆注系統,最小的阻流截面在內澆口處。

        采用封閉式澆注系統時,由于系統內靜壓頭和液流動能的作用,合金液是以噴射的方式進入型腔的,產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量有負面影響。因此,這種澆注系統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,但實際生產中也有人采用。

        2)開放式澆注系統

        對于鋁合金鑄件,為了避免紊流和氧化膜卷入,開放式澆注系統的應用較廣,有的文獻建議澆注系統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,而且充滿澆注系統的時間長,合金液面易于氧化,并不能確保鑄件的質量。再則,澆注系統的尺寸太大,還會導致工藝出品率降低,這也是不可取的。

        3)自然流澆注系統

        這是比較適用于鋁合金鑄造的模式,采用緊湊的澆注系統約束液流,保持液流穩定而不分散。直澆口與橫澆道的連接部位應采用平滑過渡的方式,橫澆道須轉到另一方向時,轉角處也應是平滑的圓弧。這樣的澆注系統,J. Campbell等人稱之為“自然流澆注系統”。

        液流轉90°彎時,由于摩擦力的作用,液流的流速約降低20%,因此,自然流澆注系統各組元之間的關系大致是:直澆口流出口截面積∶橫澆道截面積∶內澆口總截面積=1∶1.2∶1.4,至于澆注系統各組元的具體尺寸,要根據鑄件的結構和澆注系統的總體安排具體考慮,目前還不可能有普遍適用的數據。重要的鑄件、批量生產的鑄件,設計澆注系統時應參考計算機模擬的結果,有條件的話,宜采用視頻射線攝影技術校核。

      2、不宜采用V-形漏斗式澆口杯

        目前鑄造行業廣泛采用的V-形漏斗式澆口杯,對于鋁合金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,澆注系統中就會產生紊流和飛濺;

        2)澆口杯的容量小,澆注過程中難以保持充滿狀態,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,流速也難以控制,導致澆注系統其他組元的設計功能難以體現;

        4)澆注時,如液流偏離直澆口的中心線,就會產生渦流,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一部分不能充滿,如圖1a中的斜線所示。

        解決問題的方法是在澆口盆中設置堤堰,但要考慮堤堰形狀的影響。如果設置直角形堤堰,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,如圖1b中的斜線所示。如果設置圓形堤堰,就更為理想。

      3、關于直澆口的考慮

        鑄造行業通常使用的直澆口,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,不進入型腔;如果存在氣隙,這些氧化膜都易于卷入型腔內。

        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地縮小。

        液流自澆口盆流出口端下落時,已自澆口盆液面下落的距離為H1,初始流速不是零,而是v1,上端流出口的面積為A1。液流下落到距澆口盆液面H2處,截面積為A2,流速是v2。這樣,我們很容易得到以下的計算式:

      v1= (2gH1)1/2 ; v2 = (2gH2)1/2;

      v1A1 = v2A2 ;   v2 =( v1A1)/A2 。

        液流的外輪廓是雙曲線形,理論上,要使直澆口內不存在氣隙,直澆口應該做成這樣的形狀。實際生產中,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。工藝設計時,根據鑄件的具體情況,由計算、計算機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。

        有些鑄造廠,采用造型機造型,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,氧化膜套管保持穩定,起保護液流的作用。下落高度增大,液流對套管內表面的剪切作用增強,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,液流表面又產生新的氧化膜。下落高度進一步增大,液流就會將大量氣泡和氧化膜卷入合金液中。

      a-氧化膜套管保持穩定;b-氧化膜套管脫落、聚集在液面成圈;

      c -氣泡和氧化膜卷入合金液中

        試驗研究工作表明,鋁合金液的下落高度在100mm左右,可以保持氧化膜套管穩定;下落高度為200mm時,下端的流速約2 m/s,氧化膜脫落就是不可避免的。實際生產中,直澆口高度很少能保持在200mm以內,因而,澆注過程是使合金液中卷入‘氧化膜夾層’最多工藝環節。

        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,相當一部分氧化膜可以附著在直澆口壁上,不進入型腔。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。

      10kg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㎡。

        還應該注意到:在保證充型的條件下,應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,其中不存在氣隙。特別是在用樹脂黏結砂造型時,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型砂的樹脂氧化,失去黏結作用,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)生產同一鋁合金鑄件,用不同截面積直澆口的情況如圖所示。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、關于澆口窩

        在直澆口的下端設置澆口窩,是鑄造行業常規的作法,一般都認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中的紊流。

        但是,用X射線攝影進行的系統研究表明:對于小型或稍大的鑄件,在通道緊湊的澆注系統中,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,不會產生散流和飛濺。在直澆口下端設置澆口窩,反而會引起紊流、卷入氣泡,不利于鑄件的質量。

        當然,在鑄造行業中完全摒棄澆口窩,目前也是不現實的。較大的鑄件,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,仍有待進行進一步的研究工作。


        如果不設置澆口窩,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。

        如果不采用圖5中的過渡方式,在過渡處保持直角,由于液流下落時的慣性,橫澆道的進口端會形成氣隙和小氣泡,如圖6所示。

        在橫澆道比較長的情況下,進口端的氣隙可能對鑄件質量沒有太大的影響。如橫澆道很短,就不能不對此有所考慮。

      5、橫澆道和內澆口

        橫澆道、內澆口截面積的確定,前面已經談到,這里還要說3個問題。

        1)內澆口的位置

        采用封閉式澆注系統時,內澆口通常都位于橫澆道的下部。作這樣安排的指導思想,是認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,不會通過內澆口進入型腔。

        實際上,橫澆道內的液流前沿,經過第一個內澆口時就會落入內澆口而流入型腔,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鑄造鑄鐵件,由于液流的前沿也是氧化最嚴重、最臟、含雜質最多的,這種工藝也是不可取的。

      內澆口應設置在橫澆道的上方。

        2)橫澆道的截面積

        很多生產單位所用的橫澆道,無論其長度如何、有幾個內澆口,都是等截面的,而沒有認真地考核其作用和效果。

        如果橫澆道后面設有多個內澆口,為了使液流均勻地通過各內澆口進入型腔,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,有損鑄件的質量,如圖7所示。

        等截面橫澆道:在型腔尚未充滿的情況下,由于液流動量的作用,大量液流由內澆口3進入型腔;同時,流經內澆口1處的流速高,按照Bernoulli定律,液流的側壓力低,不僅不進入型腔,而且可能將型腔內的氣流、乃至合金液吸出;流經內澆口2處的流速有所減緩,液流的側壓力較高,有液流自內澆口2進入型腔,也可能有少量合金液自型腔流出。這種情況下,不僅充型不均勻,而且會卷入氧化膜和氣泡。

          橫澆道的截面積自內澆口1處開始逐漸縮小,由于液流的前端受到制約,可以使其自3個內澆口均勻地進入型腔。圖7是示意圖,進行工藝設計時,可根據鑄件的條件由計算機模擬求得適用的數據。

        當然,橫澆道前端的壁厚也不能是0、呈刃口狀,對于一般的鑄件,可以是5mm左右。


      關鍵詞:鋁合金澆鑄

      文章來源:http://www.max-heindel.com/article/show_16.html


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