熔模精密铸造合金凝固补缩问题的研究

1、熔模精密铸造合金凝固补缩问题的研究1 合金性能与凝固补缩的关系在研究熔模精铸合金凝固补缩之前,应了解合金的流动性、收缩性等铸造性能,了解该合金容易出现的收缩缺陷。合金的收缩分液态收缩(液相线以上温度) 、凝固收缩(液2固相线温度区间) 和固态收缩(固相线以下温度) 。合金液浇注成形,使铸件内部产生缩孔、疏松的主要原因是合金的液态收缩和凝固收缩,其液态收缩与浇注温度有关,浇注温度越高,收缩也越大。而凝固收缩则主要取决于合金的化学成分。例如,铸钢中碳含量(质量分数, 下同) 为0110 %、0135 %、0145 %、0170 %时, 其凝固收缩率分别为210 %、310 %、4. 3 %、5.

2、3 %1 。同时从金属学合金相图中得知,液固相温度区间越大,则固溶体的枝晶偏析越严重,合金的流动性也越差。在液固相线的最大间隔处流动性达到最低点。结晶温度区间的大小,还影响到缩孔类型。液固相温度区间越大,枝晶就越发达。因此在枝晶间隙中形成的缩松孔洞(即分散性小缩孔) 越多,反之则分散性小缩孔就越少,而集中性缩孔增加。此外结晶温度区间大的合金,铸造时有较大的热裂倾向。亚共析钢(碳含量< 0170 %) 形成集中性缩孔的倾向大。铸钢一般为亚共析钢,所以凝固补缩的问题主要就是如何防止集中性缩孔的问题。对合金钢而言,还要注意合金元素对收缩性能的影响。Cr 、Mn 、Mo 、V、Ni是增加缩孔倾向

3、的元素1 。而对于锡青铜ZQSn62623 、ZQSn1021 等铸件,由于结晶温度间隔大,流动性差,补缩困难,因而易产生偏析、疏松缺陷。2 合金液流动状况与凝固补缩的关系2. 1 凝固方式的影响合金注入铸型有多种方式,有底注、顶注、侧注之分。不管那种方式,总的要求是要平稳、顺畅,要有利于补缩。一般认为顶注便于补缩,可获得致密的铸件。顶注广泛用于薄壁件、复杂件、不便于底注、侧注的铸件(见图1) 。但是,当合金液自上而下注入铸型时,使上升液面的纵向和横向都受到了冲击力的影响,有时还会使合金液飞溅氧化,干扰了合金液向下补缩的作用,甚至引起渣气不能上浮,造成孔洞缺陷。底注则是合金液体自下而上注入铸型

4、(见图2) 。合金液流动平稳,不易产生气孔、夹杂。但一般认为不利于定向凝固。但如果具备下列条件,即: 结构简单,轮廓尺寸较小; 上升的高度较小或者一个内浇道分担的上升高度较小,合金液能梯度上升; 铸型温度较高,铸型较光滑,上升阻力较小; 易于设置与直浇道相联的冒口,能使顶部合金液温度与直浇道高温铁水相通,或能在顶部开一内浇道与同时具备补缩功能的直浇道相连; 合金的结晶凝固温度区间较小,流动性较好,则采用底注,既可以使流动平稳,又能解决凝固补缩这个问题。由于熔模铸造具有第1第4 个条件(砂型铸造第3 、第4 条一般是较难实现的) ,低碳钢铸件又具有第5 个条件,所以熔模铸造低碳钢铸件,应优先考虑

5、底注为基础的双层或多层内浇道浇注成形。2. 2 双(多) 层内浇道对补缩的作用熔模精铸一般采用直浇道、内浇道浇注补缩方式,为使组焊牢固,双层内浇道用的较多。双层内浇道的特点是,合金液从底部注入铸型,液体平稳上升至第二层内浇道,合金液又从第二层浇道进入,尽管乍看起来上面金属液的温度低于下层金属液的温度,上面的金属液不能对下面进行补缩,但当底注上升高度较小,铸型温度较高时,它是在铸型充满以后进行结晶的,第二层内浇道又接通了来自直浇道的高温铁水,所以还是造成了上部温度高,下部静压力大的局面。三层及多层浇道,都具有同样的效果。底注式多层内浇道,铸件中温度场变化示意图见图3 , 铸件分A B 、B C、

6、CD 3 段。假定A B 、B C、CD 为独立的3 段,则温度曲线如:1 - 2 、3 - 4 、5 - 6 。因为3 段为一整体,分层浇注温度场就发生了变化。A B 浇完时,温度曲线为1 - 2 ; B C 浇完时,温度曲线为1 - 2 - 4 ; CD 浇完时,温度曲线为1 - 2 - 4 - 6 。图3 底注式多层内浇道铸件中温度场变化由于D 点以上无铸件,此处温度马上达到7 点(与1 、3 、5 点相同,即浇注温度) 温度曲线变化为1 - 2 -4 - 6 - 7 。由图3 可以定性地看出温度曲线已变为上高下低,从而有利于顺序凝固。2. 3 金属液上升速度的影响金属液在熔模铸造型壳中

7、的上升速度对补缩的影响,是很明显的。从宏观分析看,如果上升速度太小,液态动能就小,渗入补缩的能力就小;太大就使流动紊乱,干扰补缩。由于铸件的复杂程度不同,要确定一个适合的上升速度是困难的。熔模铸造中,一般通过样件试验来确定。由于浇注速度(每s 注入铸型的合金质量,kg/ s) 的大小,反映了上升速度的大小。一般对浇注速度应于以控制,通过生产试验认定可行的浇注速度见表1 。设定了浇注速度,浇注时间也就确定了。由于熔模铸件质量一般小于50 kg ,用小包浇注,其浇注时间是较易控制的。表1 熔模铸造件浇注速度(铸件质量+ 浇冒口质量) / kg 浇注速度/ (kg ·s - 1)<

8、10 1101. 51030 1. 52103060 2102. 560100 2. 53102. 4 合金液温度对补缩的影响(1) 合金液的浇注温度影响合金液在型壳中的流动状况。温度高时流动性好,补缩渗入能力强;温度低时流动性差,补缩渗入能力也差。但温度高,合金的液态收缩增加,加大了凝固补缩的难度。由于熔模铸造型壳光滑、阻力较小、型壳温度较高,合金的浇注温度应较砂铸略低一点,如20 碳钢浇注温度取1 5501 560 。(2) 合金熔化的最高温度与合金的品质有密切关系。熔模铸造一般利用中频炉熔化合金,合金熔化、调整成分后,中频炉升温很快,应严格控制最高的熔化温度。温度太高,增大了合金液态收缩

9、,更加容易产生缩孔,同时气体(如O2 ,N2 ) 在合金液中的溶解度也会升高。当合金温度下降,氧气又从合金中析出阻碍补缩,而且可能产生孔洞缺陷,因此不但要严格控制最高熔化温度,在浇注之前还要进行有效地脱氧除气。脱氧除气好的合金液在浇注凝固后,浇口杯中有较深的收缩孔穴。2. 5 型壳品质对补缩的影响型壳品质的好坏直接影响合金液的流动状况。型壳强度不够,在浇注过程易发生裂缝、跑火;型壳砂层结合不好,会造成浇注时砂层翘起,使铸件产生“起皮”;型壳焙烧不好,透气性差,产生气体以及型壳材料耐火度低,造成浇注中易发生溃散等,都造成合金液流动阻力增大,流动不顺,影响合金液的凝固补缩。3 熔模铸造补缩系统的特

10、点及其计算在砂型铸造中,为了设计有效的浇注补缩系统(浇冒口系统) ,提出了凝固模数(简称模数) M 和有效补缩距离这两个参数1 。模数M 就是铸件(或冒口、热节)的体积(V ) 与散热面积( A) 之比,即M = V / A 。根据传热学理论,铸件(冒口或热节) 的凝固时间与模数M2 成正比。模数越大,散热越慢,凝固也越慢。于是按照组成铸件各简单型体组元模数的大小,可推出各组元的凝固顺序,凝固较晚的组元就可作为设置冒口的位置,在砂型铸造中还可以把一些后凝固的组元通过设置冷铁或补贴,形成向设置冒口的组元方向凝固,使之不再另设冒口,由此解决了最后设置冒口的位置和冒口大小。另一个参数就是冒口有效补缩

11、距离,即一个冒口能使多大的范围不产生缩孔。对于简单平板件,有效补缩距离L 与冒口之间为4,冒口与铸件边缘(即末端) 为415,其中为壁厚(mm) 。对于杆件,有效补缩距离L 和冒口之间为20,冒口与铸件边缘为30(见图4) 。3. 1 熔模铸造的内浇道,直浇道模数及其截面尺寸熔模铸造广泛采用直浇道2内浇道浇注补缩形式。从补缩功能讲,内浇道、直浇道模数应遵守最后冷却原则,如果内浇道开在铸件热节处,该部位的模数M件,应满足M件< 内浇道模数( M内) < 直浇道截面模数(M直) 。但从浇注系统看,内浇道截面积太大,则可能导致进渣及铸件与内浇道交接处产生疏松等问题。如何确定内浇道截面尺寸

12、是一个较困难的问题,笔者通过生产试验,对质量小于50 kg ,热节圆直径小于60 mm(热节模数小于115 cm) 的铸件,亦即目前国内广泛生产的熔模精铸件,推荐按下式取值:即M件M内M直= 110 0. 9 1. 3 (1)取M件M内= 110 019 ,是因为内浇道长度较短(一般为2030 mm) ,且内浇道一直处于高温状态,计算出的模数值应考虑加大10 %。内浇道,直浇道的截面模数确定了,则内浇道截面积F内和直浇道截面积F直也就是确定了。设内浇道截面积为矩形,边长为a、b(cm) 。M内= ab/ 2 ( a + b) (2)一般取a b = 2 1解得a = 6 M内(cm) b =

13、3M内(cm)内浇道截面积F内= a ·b(cm2 ) (3)设直浇道截面为正方形M直= a/ 4 得边长a =4 M若直浇道截面为圆形M直= r/ 2 = d/ 4 得直径d = 4 M直浇道截面积(正方形) F直= 16 (M直) 2 (cm2 )直浇道截面积(圆形) F直= 4(M直) 2 (cm2 )按式(1) 、式(2) 计算的内浇道截面积较大,对熔模铸造来说,它既保证了补缩的需要,又能达到组焊粘结的要求。3. 2 冒口和冒口颈尺寸熔模铸造的冒口尺寸由被补缩铸件部位的模数决定,该部位可视为一简单的几何形体(如圆柱体,方块等) 来计算模数,铸件该部位的模数M件与冒口颈模数M颈

14、及冒口模数M冒之比,通过试验并在生产中采用:M件M颈M冒= 110 1. 1 1. 3 (4)冒口颈尺寸稍大一点,这是因为配合内浇道截面较大,设想浮渣易于进入冒口之故。应该指出的是,并不是冒口越大,补缩效果就越好,特别是远离直浇道的冒口,如果太大,充满冒口的时间就越长,冒口的温度降低越明显。冒口中合金液温度比铸件温度低到一定程度时,即使冒口的热容量大,但它已失去补缩的能力,反而使冒口颈与铸件相连接的部位温度较高而致使该处产生缩孔。熔模铸造一般不便于通过设冷铁、加补贴来疏通补缩通道,分散的铸件热节,可以分别设置冒口,进行补缩,但应防止此种冒口在冒口颈与铸件相接处产生缩孔,这种冒口如有可能,也可另

15、开通道与直浇道相连以增加补缩能力。冒口设计除应满足定向凝固外,还必须保证足够的体积使冒口具有充分可靠的补缩能力。冒口的体积V 冒,可由下式确定。V冒=Vc / k + V冒/ k =Vc / ( k - ) (5)式中,V c 为铸件被补缩部位的体积;为合金收缩率,常见碳钢和低碳钢约为6 %; k 为冒口有效补缩率,熔模铸造可取14 %15 %。将铸钢的和k 代入下式得铸钢件的补缩冒口的体积为:V冒0. 7V c (6)冷却模数M 有按热节体积计算的,有按热节截面计算的,计算公式见表2 。表2 简单几何体冷却模数计算公式形状厚/ cm 宽/ cm 长/ cm M 按热节体积计算M 按热节截面计

16、算板a - - a/ 2 a/ 2条杆截面长方体a b L abL/ 2 ( ab+ bL + aL) ab/ 2 ( a + b) 正方体a a L aL/ 2 ( a + 2L) a/ 4圆形d - L dL/ 2 ( d + 2L) d/ 4球d - - d/ 6 -立方体a a a a/ 6 -管筒a - L aL/ 2 ( a + L) a/ 23. 3 冒口的补缩距离熔模铸造的合理补缩距离,因型壳比普通砂型保温性能较好,同时型壳温度又较高,所以其补缩距离可比砂型铸造推荐的计算值加大20 %1 ,见图4 ,其中为壁厚。图4 熔模铸造冒口与补缩系数的关系3. 4 底注层浇道的上升高度熔模精铸一般要组焊多件,多数通过直浇道、内浇道形式进行补缩,按模数匹配的直浇道、内浇道的截面积一般都较大。对组焊的小件有一定的压力,但对较大铸件,直到浇注最后才有较大的静压力。因此熔模铸造采用多层内浇道浇注时,其每层内浇道分担的上升高度应予以控制。笔者通过试验发现取h = 50200cm为宜。环形较大铸件可取h = 150350 cm。4 结语从研究熔模铸造基本理论出发,探讨了熔模铸造浇注补缩