低压铸造技术研究发展与应用现状

1低压铸造技术研究发展与应用现状1 低压铸造技术研究进展1.1 低压铸造发展史和应用概况低压铸造最早由英国人 E. F. LAKE 于 1910 年提出并申请专利。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, 因此铸型内温度场分布不利于冒口补缩。低压铸造则巧妙地利用坩埚内气压,将金属液由下而上充填铸型,在低气压下保持下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。低压铸造真正被推广应用是在“二战”以后,当时发现低压铸造可解决厚大断面铝合金铸件的壁厚效应 ,即因壁厚增加力学性能急剧下降的缺点。低压铸造由于有较高的补缩压力和温度梯度,有效地提高了厚大断面铸件的致密性。这一技术至今仍被应用于厚大断面铸件的铸造。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。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。据 1989 年统计,美国 Parkficld 车轮有限公司低压铸造轮毂年产量达到 250 万只,日本日立金属制作所采用 14 台自动化低压铸造机,年产铝合金轮毂 180 万只。德国 StahlschmidtC 为被铸件包紧的型芯断面周长,mm;L 为被铸件包紧的型芯部分长度,mm;P 为单位包紧力,MPa,低压铸造铝合金取 10 MPa; 为压铸合金对型芯的摩擦因数,低压铸造铝合金取 02; 为型芯的拔模斜度,=04。经计算,F=2 375464 kN。3.2 开模方式8由于中央主芯的起始抽芯力远大于垂直主缸最大开模力,直接抽芯, 低压机主缸开模力远远不够。为此,首先将机座 4 个侧模的散热片拔模斜度增加到单边 3,同时采用水基石墨乳涂料喷涂侧模及中央主芯。生产上首先分别打开 4 个水平侧缸, 利用侧模的开模力松动被包紧的型芯,减少了铸件对中央主芯的包紧力。当 4个侧模打开后,低压机垂直主缸带动动板并通过动板连接螺纹 29 带动主芯固定板 25、导柱 24、卸料板 30、中央主芯 32 连同铸件一起上升,到达脱模位置时,卸料板碰到与低压机定板固定在一起的顶杆 28,卸料板压住铸件不动 ,而低压机的垂直主缸带动动板、主芯固定板及中央主芯沿导柱继续上升,直至铸件与主芯脱离。3.3 低压浇注工艺3.3.1 浇注系统浇注过程中,为保证铝合金液平稳的进入型腔,减少夹杂物、裹气等铸造缺陷,采用了开放式浇注系统。直浇道出口截面积(升液管出口截面积)横浇道截面积(铸件底浇道截面积)内浇道截面积之和=1.001.44300。升液管内径为 50 mm,铸件底浇道直径为 60 mm,4 道内浇道均布在机座内膛上,内浇道尺寸:与铸件底浇道连接部分深为 50 mm、宽为 30 mm;与机座内膛连接部分深为 30mm、宽为 50 mm。为防止跑火, 内浇道均设在与侧模分型面成 45的位置。3.3.2 浇注温度通过试验,铝液的浇注温度定为 680720( 利用便携式温度计测量升液管内铝温),冬季温度高一些,首件温度高一些。在铸件不产生冷隔、浇不足等缺陷的前提下 ,铝液的浇注温度取下限为宜。3.3.3 模具温度机座模具质量达 2 800 kg,采用冷态安装、对模,要求 4 个侧模分型面间隙小于0.15 mm,调试合格后在低压机上用柴油加热器加热。预热温度下模为300350,侧模为 250300。3.3.4 液面加压装置及升液、充型、增压结晶参数低压铸造机液面加压装置采用定压力自动控制系统。加压曲线先在系统内的模拟加压罐内进行调整,通过调节升液、充型、增压结晶 3 个玻璃转子流量计控制压缩空气的流量并观察 3 个阶段的计时器，控制 3 个阶段的增压速度。通过试验, 增压速率调整为 1.33 kPa/s(相当于升液与充型速度均为 50mm/s)。由于采用了定压力自动控制系统,机座充型时虽然维持 50 mm /s 的充型速度,但此时升液管内的铝液上升速度却高达 1 156 mm/s。生产上首先用 3 mm 铝焊条从下模底浇道处测量升液管内的铝液高度 H,将升液光电头滑块调到 H/5 高度处,充型光电头滑块调到与升液光电头滑块压差为 22 cm 处,此时,机座的充型时间为 22 s。充型时, 到达充型压差时 ,启动急增压阀,510 s 增压结束, 最终增压结晶压力为 015 MPa。为防止跑火, 并考虑气路系统的泄露及充型阻力系数,充型压差定为 29.3 kPa,当充型压差为 178 kPa 时, 铸件充型已结束(忽略气路系统的泄露及充型阻力系数),继续维持 133 kPa/s 的缓慢增压,9 s 以后转急增压模式,10 s 之内增压结束,增压速度相当于 2412kPa/s。保压时间为 210 min,最佳保压时间的确定,以直浇道残留高度为调整依据,控制在030 mm。为加强铸件浇道附近热节处的补缩,升液管与浇道结合部设置了保温套, 保温套功率为 5 kW,通过调节炉丝的电压控制保温套的温度。93.4 热处理方式热处理采用铸态淬火加完全人工时效工艺。铸件开模时,将接件装置置于铸件下方, 当铸件与主型芯完全脱离后,用接件装置将铸件接出并迅速入水,水温保持在1025之间。入水前用表面接触型温度计测量机座地脚处温度300。人工时效温度为(1755), 保温时间为 10 h,空冷。2.2 车辆工程应用DF7C 机车用耐压铝合金泵轮( 如图所示)的材质为 ZL104,外形尺寸为 470 mm94 mm,毛重为 17 kg,铸件主要壁厚为 10 mm,叶片厚度为 4mm。技术要求:叶片侧面及循环流道表面铸造粗糙度不大于 12.5m, 叶片间距偏差不大于 0.5 mm。铸件加工完成后进行 0.7 MPa 的水压试验,保压 5 min 不得有泄漏现象。通过工艺分析,认为铸造工艺的难点为:泵轮 224 mm 的圆环部位热节约为 40 mm,该部位易出现缩孔、缩松缺陷,而且该处不易补缩;对叶片侧面及循环流道表面的粗糙度、叶片间距偏差要求较高;泵轮属薄壁耐压铸件,要求轮廓清晰完整。采用普通砂型铸造工艺很难解决上述技术难点。泵轮结构3.1 金属型结构10根据金属型低压铸造特点及泵轮结构,设计制作金属型如图所示。两个水平方向开合的侧型以底座为中心,底座本体形成叶片及内腔。砂芯用人工放入,形成铸件内腔, 金属型的开合、锁紧均采用液压装置。低压铸造金属型设计应重点考虑金属型的排气。由于低压铸造铸型型腔是封闭的,金属型不象砂型具有透气性,加上低压铸造压力充型的原因,铸型的排气情况直接影响金属液充型过程及铸件质量。泵轮的金属型排气主要采用了排气片、排气孔及排气槽3 个排气方式。金属型结构1-上型;2-侧型;3-砂芯;4-底座3.2.1 浇冒口系统设计铝合金液易氧化、易形成氧化夹渣、针孔等铸造缺陷。因此,低压铸造浇注系统的设计决定了铸件的质量,应重点考虑以下因素:保证升液和充型时金属液流平稳,呈层流状态;有利于铸件的顺序凝固和在压力作用下补缩;铝合金铸件应采用开放式浇注系统,即 F 内 (F 为截F升液管出口面积)。泵轮的浇冒口系统设计如图所示,考虑内浇道的浇注和补缩双重作用,铸件结晶凝固过程中的压力和补缩效果,内浇道应在 224 mm 圆环上分3 处引入,内浇口截面积 F 内(22.4/2)2-(16.2/2)2-34(22.4/2-16.2/2)=150.76 cm2。为