金属精密液态成形技术-第8章反重力铸造

第8章反重力铸造CounterGravityCasting知识要点掌握程度相关知识反重力铸造的概念熟悉反重力铸造的概念、反重力铸造工艺种类、特点及其应用工程流体力学，传热学，薄壁铸件概念和特征低压铸造与差压铸造了解低压铸造与差压铸造工作原理，熟悉低压铸造与差压铸造工艺参数的选择，掌握浇注系统设计方法凝固理论，铸造工艺设计基础，计算机控制理论第8章反重力铸造本章教学要点薄壁铸件及其反重力成形技术

铸件薄壁化是现代铸造技术的发展方向，是产品轻量化发展的前提，在航空航天汽车电子等领域实现铸件的薄壁化具有重要的意义。

充型是薄壁铸件制造技术的关键。大型复杂薄壁铸件散热快、凝固时间短、充型阻力大，通常条件下采用重力铸造法一般难以成形。借助于离心力、电磁力、压力等外力充型的铸造方法正在取代传统的重力铸造法，其中反重力铸造法最具有优越性。薄壁铸件的基本概念和特征概念:

薄壁铸件是个相对概念，它并没有说明铸件的壁厚究竟为多少才算作薄壁铸件。特征：①在薄壁铸件的浇注过程中，由液态金属表面张力引起的拉普拉斯力占有重要作用。研究表明，对铝合金平板类铸件来说，当铸件的壁厚大约小于4mm时，拉普拉斯力将对充型的流动状态产生很大影响。对于大型薄壁铸件，黏滞力的作用也将变得不可忽视。②薄壁铸件应具有精密铸件的含义。因为对于壁厚仅仅几毫米的薄壁铸件，不可能设置过大的加工余量或工艺裕量。③传热学因素在充型过程中起重要作用。充型时流动过程和传热过程相互影响。铸件的温度场以及缩孔、疏松、欠铸、冷隔、氧化夹杂等铸造缺陷的形成由流体动力学因素和传热学因素共同确定。薄壁铸件的反重力成形技术

反重力铸造（CounterGravityCasting,简称CGC）技术是指金属液充填铸型的驱动力与重力方向相反，金属液沿反重力方向流动的一类铸造技术总称。生产过程中根据合金液充填铸型驱动力的施加形式不同，CGC工艺可分为低压铸造、差压铸造、调压铸造和真空吸铸等。

具有充型平稳、充型能力好，充型速率可控、温度场分布合理、压力下凝固及有利于铸件凝固补缩等特点，铸件的力学性能好，组织致密，铸造缺陷较少。金属液收得率高，劳动条件好，易于实现机械化、自动化，对合金牌号适用范围较宽，对铸型材料无特殊要求，所生产的铸件可热处理。其中最重要的特点之一就是能铸造薄壁复杂铸件。反重力铸造特点反重力铸造可与砂型铸造、金属型铸造、熔模精铸、石膏型精密铸造等技术结合,生产出用其他成形方法难以浇注的复杂、薄壁、整体铝、镁合金铸件,解决了优质复杂薄壁铸件浇注中的重大关键难题。型腔置负压，大气压作用于坩埚液面，将金属液沿反重力方向压入铸型型腔。型腔及坩埚液面均置正压，继续建立压差，将金属液沿反重力方向压入铸型型腔并在压力条件下完成凝固。坩埚液面增压，将金属液沿反重力方向压入铸型型腔。型腔及坩埚液面先置负压，继续建立压差，将金属液沿反重力方向压入铸型型腔，再对系统增压，使金属液在压力条件下完成凝固。低压铸造差压铸造真空铸造调压铸造反重力铸造8.1低压铸造成形概述

低压铸造（Low-pressureCasting）是使液态金属在压力作用下充填型腔，并在一定压力下凝固成形而获得铸件的方法，它是介于重力铸造和压力铸造之间的一种铸造方法。由于所用的压力较低（0.02～0.06MPa）所以叫做低压铸造。三、低压铸造8.1低压铸造成形概述低压铸造加压方式：坩埚加压式容器加压式低压铸造工作原理工艺过程如下：在装有合金液的密封容器（如坩埚）中，通入干燥的压缩空气，作用在保持一定浇注温度的金属液面上，造成密封容器内与铸型型腔的压力差，使金属液在气体压力的作用下，沿升液管上升，通过浇口平稳地进入型腔，并适当增大压力并保持坩埚内液面上的气体压力，使型腔内的金属液在较高压力作用下结晶凝固。然后解除液面上的气体压力，使升液管中未凝固的金属液依靠自重流回坩埚中，再开型并取出铸件，至此，一个完整的低压浇铸工艺完成。

8.1.1工作原理及浇注工艺过程

（2）低压铸造工艺过程铸型准备开型取件升液增压、凝固卸压、冷却合型充型8.1.2工艺特点浇注及凝固时的压力容易调整、适应性强，可用于各种铸型、各种合金及各种尺寸的铸件；底注式浇注充型平稳，无金属液的飞溅，不对铸型的冲刷，故铸件中无针孔缺陷；铸件轮廓清晰，组织致密；金属利用率高，约90%以上；设备简单，易于机械化和自动化。优点(a)增压釜铸造(

100)(b)反重力低压铸造(

100)涡道铸件增压釜和反重力低压铸造条件下相同部位的微观组织升液管的寿命短，有时还会污染金属液；金属液在保温过程中易氧化；由于充型速度及凝固过程比较慢，因此低压铸造的单件生产周期比较长，一般在6～10min/件左右，生产效率较低。缺点

几种铸造方法铸件的力学性能比较力学性能铸造方法抗拉强度σb(Mpa)断后伸长率δ(%)布氏硬度HBS备注铸态热处理铸态热处理铸态热处理铝合金金属型铸造140～180170～230

——70～8095～115金属型低压铸造170～210240～320

——75～85100～120铜泵体砂型铸造300—15—90—砂型低压铸造345～374—18.5～48.7—84～100—铝壳体砂型铸造—350～360

—13—70～80合金为ZAlMg10砂型低压铸造—390～395

—21～24—98金属型低压铸造—440～450

—17～22—120～1258.1.3应用目前广泛应用于铸造铝合金铸件，如汽车发动机缸体、缸盖、活塞、叶轮、导弹舱体铸件等，也可用于球墨铸铁、铜合金等较大的铸件，如球铁曲轴、铜合金螺旋桨等。

中低批量生产，质量要求高，大中尺寸，薄壁复杂，各种熔点的金属铸件，特别是优质铝合金铸件。美国目前可生产φ800mm×5000mm、壁厚6～8mm的巡航导弹舱体，合金材料A357。案例介绍沈阳铸造研究所低压铸造生产的大型薄壁铝合金导弹舱体铸件外型尺寸φ570mm×1350mm，铸件壁厚2.8±0.7mm。铸造的最大铝合金铸件尺寸为3.8m×2.3m×2.7m,净重为2.7t。哈尔滨第一机械制造厂用低压铸造法生产变速箱和传动箱箱体大型铝合金铸件,铸件最大尺寸1024mm×346mm×465mm,最大毛重85kg。厦门路达有限公司（台资企业），产品为高档水龙头。国际市场售价在几十到几百美元不等。该水龙头基体为黄铜铸件，采用数控低压铸造，生产过程瑞士远端实时故障监控。案例介绍汽车轮毂V型汽车铝缸盖铝合金缸盖英国黑豹汽车桥梁铸件某型号进气道唇口铸件汽车涡轮增压器美国Wellman公司生产的导弹燃料舱和喷气式发动机进气道8.1.4低压铸造与其它铸造法的比较低压铸造适用的合金范围广，铝合金、镁合金、铜合金、高密度黑色金属。压力铸造一般只适用于铸造性能较好的合金，如铝硅合金、锌合金、镁合金等。低压铸造可适用于不同大小、不同批量的铸件。就砂型低压铸造而言，所能成形的铸件轮廓尺寸、铸件重量几乎不受限制。压力铸造一般用于生产批量大的中小铸件，压力铸造是在高速高压下充型，型腔中的气体不易排除，易于产生气孔，所生产的铸件不能进行热处理，而低压铸造则与此相反。低压铸造应用的金属模要求较低，制造容易，模具费用只相当于压铸模费用的1/4。采用石墨型、壳型、砂型低压铸造时，模具费用更低。而且低压铸造适用的铸型种类多、范围广。压力铸造所用的铸型(金属型)，要求高、制造困难、周期长、成本高。低压铸造的设备比压力铸造的设备简单，且容易制造。8.2低压铸造工艺设计

金属型非金属铸型8.2低压铸造工艺设计

低压铸造对铸型材料没有特殊要求，凡可作为铸型的各种材料，都可以用作低压铸造的铸型材料。

8.2.1铸型种类

如砂型（黏土砂、水玻璃砂、树脂砂等）、壳型、金属型、石墨型、熔模精铸壳型、陶瓷型、石膏型等都可应用。铸型种类选择铸件精度或质量要求较高，形状一般、生产批量较大的有色金属铸件，可选用金属型铸件内腔复杂，不能用金属芯时，可用砂芯，外部用金属型精度要求不高的大、中型铸件，在单件或小批量生产时，可采用砂型铸件精度要求较高、成批生产时可用壳型

精度要求较高的大、中型铸件适宜用陶瓷型铸件形状复杂、精度要求高的中小件适宜采用熔模型壳对特殊要求的单件、小批生产的铸件可采用石膏型、石墨型等铸型种类选择8.2.2分型面的选择

低压铸造分型面的选择除遵循重力铸造分型面选择的原则外，还应考虑如下几点：采用金属型水平分型时顶出机构位于上型，开型后铸件应留在包紧力较大的上型中，以便于顶出铸件。分型面的选择，应有利于设置浇注系统和气体排出。

铸件留于包紧力较大的上模中分型面选择要便于设置浇道和排气

8.2.3浇注系统设计低压铸造浇注系统应满足顺序凝固的要求，还应保证金属液流动平稳，除渣效果好，并能提高生产效率，节约金属液，浇注后便于清除浇冒口。

（1）内浇道内浇道截面积可按下式计算：

①内浇道截面积试模后根据生产实践进行修正。形状：一般为圆形，特殊情况也有异形浇注系统主要结构形式有下列三种：②内浇道形状单升液管单浇口单升液管多浇口多升液管多浇口单升液管多浇口多升液管多浇口单升液管单浇口浇注系统的结构形式

1-内浇道；2-横浇道；3-升液管；4-铸件箱体铸件浇注系统示意图

薄壁筒体铸件双升液管浇注系统示意图

暗冒口潜水泵铝合金壳体砂型低压铸造低压铸造一般不设冒口，若必须设置，也应设置为暗冒口。

铝轮毂低压铸造冒口（2）横浇道及升液管截面积

内浇道截面积确定之后，按照比例，可选择横浇道和升液管出口处截面积。对于易氧化的金属应采用开放式浇注系统。对不易氧化的金属常采用封闭式浇注系统。但对于使用单个内浇道的铸件一般采用：

升液管出口的截面积＞横浇道总截面积＞内浇道总截面积缝隙式内浇道对于航天用舱体类大型薄壁铸件，采用底注式内浇口难以满足铸件充型和顺序凝固的需要，一般都采用缝隙式内浇道。缝隙式内浇道的位置、方向和个数取决于舱体的结构特点，应符合铸件的凝固原则和补缩方法。缝隙式内浇道首先要考虑开设在铸件的热节部位，同时要尽量均匀分布，既保证对铸件厚大部位的补缩，同时避免金属液直接冲刷型芯。各缝隙式内浇道通过横浇道相连，由升液口通过横浇道充型。立筒横浇道直浇道缝隙式浇注系统大型薄壁壳体浇注系统示意图

1-缝隙式内浇道；2-升液管；3-集渣包；4-横浇道当铸件高度与其壁厚之比值大于50时，常常采用垂直缝隙式浇注系统，国内用低压铸造方法生产的铝合金、镁合金大型薄壁筒形铸件是很典型的例子。浇注系统的结构包括直浇道、横浇道、立筒（亦称中间直浇道、冒口、集渣筒）、缝隙内浇口（亦称立缝）几个组成单元。

浇注系统举例升液管材质

金属材质：不锈钢、碳钢、铸铁、钛合金等，目前多用铸铁材质。

陶瓷材质：碳化硅、氮化硅、钛酸铝等。复合材质：无缝钢管+内外覆层。升液管需具备的特点1.优异的抗热冲击性能。2.与金属熔液不浸润，不发生化学反应。3.高的室温和高温强度。4.耐磨腐蚀性优良。5.低的热膨胀系数。8.2.4升液管设计铸铁升液管

优点：成本低。

缺点：①铁质易污染金属液，影响产品质量。②使用寿命短，易黏结铝液，造成升液管堵塞。陶瓷升液管

优点：耐腐性强，无渗漏。

缺点：①韧性及抗热冲击性能差。②成本高。不同结构的金属型升液管升液管直径：与铸件直浇口面积接近。升液管长度：底端距离坩埚底部100mm以上。升液管法兰：在保证刚度的情况下尽可能薄，以减小激冷结果。直筒形升液管与铸型的连接a）升液管内径与浇道直径相等b）升液管内径大于浇道口直径1-铸型2-坩埚盖板3-密封圈4-升液管5-抛物线状液面升液管与铸型的连接8.2.5铸件顺序凝固条件的创造（1）浇口设在铸件的厚壁部位，而使薄壁部位远离浇口。低压铸造铸件凝固过程

低压铸造件浇口开设位置示例

应尽量使铸件厚处接近浇道，薄处远离浇道。

低压铸造浇口开设位置重力铸造

低压铸造

（2）用加工余量调整铸件壁厚如果铸件壁厚比较均匀，采用不同加工余量来控制顺序凝固（3）改变铸件的冷却条件创造铸件顺序凝固的措施(a)采用不同厚度冷铁

；(b)采用不同金属型壁厚1-厚冷铁；2-薄冷铁；3-厚型；4-薄型；对壁厚均匀的铸件，或局部较厚难以补缩的地方，在采用砂型时可用不同厚度的冷铁，创造自上而下的凝固方向；当采用金属型时，可改变金属型壁的厚度。对于壁厚差很大的铸件，可在铸件厚壁处进行局部冷却,以实现顺序凝固铸件局部水冷以创造顺序凝固的条件（4）对壁厚差很大的特殊结构铸件，往往需采用特殊的方法铸件局部强制冷却

铸件局部强制冷却1-内浇道；2-冷却水；3-冷却板8.3低压铸造工艺8.3低压铸造工艺金属的熔炼及模具的准备；浇注前的准备：包括坩埚密封(装配密封盖)，升液管中的扒渣，测量液面高度，密封性试验，配模，紧固模具等；浇注：包括升液、充型、结晶凝固、排气等四个过程；脱模：包括松型脱模和取件。

低压铸造工艺流程（1）升液阶段（2）充型阶段（3）结壳增压阶段（4）结壳保压阶段（5）结晶增压阶段（6）结晶保压阶段8.3.1加压工艺参数选择升液压力p1

是指当金属液面上升到浇口，高度为h1时所需要的压力。

(1)升液阶段8.3.1加压工艺参数选择

金属液在外加压力作用下开始从升液管上升至铸型浇口的阶段。合型升液充型升液速度V1

升液速度指熔体在升液管中的上升速度，单位为cm·s-1。升液速度太大，会造成充型不平稳现象。升液速度缓慢些为好，以防止金属液自浇口流入型腔时产生喷溅，并使型腔中气体易于排出型外。一般情况下，对于铝合金升液速度一般控制在5～15cm·s-1。(2)充型阶段金属液由浇道（铸型底部）向上充填铸型的阶段P2P2充型压力P2

充型压力是指在充型过程中，金属液上升到铸型型腔顶部（高度为h2）时所需的气体压力，单位Pa。P2P2充型压力的取值与熔化保温炉内熔体的多少及铸件的高度有关。炉内熔体越少，该值越大；铸件越高，该值越大。充型压力取值太小，会造成欠铸；取值太大，有可能导致黏砂，甚至破坏铸型。一般取值略大于实际值即可。充型速度V2

充型速度是指在充型过程中，金属液面在型腔中的平均上升速度，单位为cm·s-1，取决于通入坩埚内气体压力增加的速度。充型速度的取值对铸件质量至关重要。取值太大，会造成充型不平稳，引起熔体飞溅或憋气；取值太小，会造成冷隔或欠铸。具体大小与铸件高度、壁厚、复杂程度有关，应针对具体铸件，进行摸索。采用湿砂型浇注厚壁件时，充型速度可低些，一般保持金属液在升液管中的上升速度即可。用湿砂型浇注薄壁件时，为了防止铸件产生冷隔或浇不足，常需适当提高充型速度。金属型低压浇注厚壁铸件时，由于铸件壁厚，型腔容易充满，同时为了让型腔中的气体有充裕时间逸出，充型速度可低些。采用金属型和金属芯浇注薄壁铸件时，由于金属型冷却速度大并能承受较高的压力，在不产生气孔的前提下，充型速度应尽可能快些。(3)结壳阶段结壳增压压力（Pa）结壳增压压力指为了使铸件在一定的压力下结壳而提供的压力增量，也就是在熔体充满型腔的基础上，再增加一定的压力(结壳增压压力)，目的是保证熔体在压力下结壳的同时，不致于产生黏砂。该参数取值太大，会出现黏砂现象，甚至会使铸型发生变形。金属液充满铸型后在一定压力下铸件表层先形成一层硬壳的阶段（对厚壁砂型铸件）。结壳时间（s）结壳时间指从充满铸型到铸件表面凝固结壳所需要的时间，单位为S。

结壳时间取值太大，结壳太厚，甚至使铸件处于糊状凝固阶段，影响凝固补缩，最终导致出现缩松、微缩松。一般情况下，控制在2到5秒之间。

金属液充满型腔后，立即进行增压，使型腔中的金属液在一定的压力下作用下结晶凝固。(4)结晶阶段金属液在压力作用下完成由液态到固态转变的阶段。结晶增压压力P3

指为了使铸件在较大的压力下结晶而提供的较大的增压值，单位为Pa。或

结晶压力越大，则补缩效果越好，有利于获得组织致密的铸件。增压压力可根据铸件结构、铸型种类、加压工艺来选定。例如采用湿砂型时，结晶压力就不能太大，一般在0.04～0.07MPa。压力太大不仅影响铸件的表面粗糙度和尺寸精度，还会造成黏砂、胀箱甚至跑火等缺陷。

薄壁干砂型或金属型干砂芯，增压压力可高些，取0.05～0.08MPa，金属（芯）增压压力一般为0.05～0.1MPa，对于有特殊要求的铸件可增至0.2～0.3MPa。为使压力能够起到应有补缩作用，应根据铸件的壁厚及铸型种类确定增压速度。

用砂型浇注厚壁铸件，铸件凝固缓慢，若增压速度很大，就可能将刚凝固的表面层压破。

用金属型浇注薄壁铸件，铸件凝固速度很快，若增压速度很小，增压就无意义。结晶增压速度V3结晶增压速度指提供结晶增压压力所使用的速度。

保压时间（又称结晶时间）指铸件完成结壳凝固后，最终完全凝固所需要的时间，单位为S。低压铸造加压工艺示意图

保压时间不足，铸件不能完全凝固，过早的卸压，会导致铸件组织不致密，达不到补缩目的；取值太大，会使升液管冻结，影响工作效率。当浇注厚大铸件时，若保压时间不足，铸件未完全凝固就卸压，型腔中的金属液会回流至坩埚中，导致铸件“放空”而报废。若保压时间过长，则增加浇道残留长度，不仅降低工艺出品率，而且由于浇道冻结，使铸件出型困难，并增加升液管与浇道接口处的清理工作量，影响生产效率。

生产中常以铸件浇道残留长度来确定保压时间，一般浇道残留长度以20～50mm为宜。

8.3.2浇注温度及铸型温度（1）浇注温度低压铸造浇注温度可比一般的铸造方法低10～20℃。（2）铸型温度

非金属铸型，铸型温度一般为室温或预热至150～200℃。

金属型铸造铝合金铸件时，金属型工作温度一般为200～250℃，薄壁复杂件，应预热至300～350℃。8.3.3涂料保护升液管，提高升液管寿命使用铸铁坩埚时，防止铝合金液中铁含量增加涂料的作用8.4Cosworth工艺（电磁泵低压铸造）工艺原理该工艺采用锆砂与SO2固化呋喃树脂成型，采用可编程控制的电磁泵来实现可控压力下控制铝液充填铸型的速度，使铝液自下而上平稳地充填铸型。CP法基本原理示意图

8.4Cosworth工艺(电磁泵低压铸造)工艺特点1.该工艺采用低压铸造的原理，通过电磁泵精密地控制金属液充型速度，极大地避免了浇注时紊流的产生，使得卷气、氧化夹杂等缺陷降到最低。2.采用锆砂呋喃树脂冷芯盒法造型制芯，锆砂的热膨胀系数小，铸件的尺寸稳定且精度高。3.锆砂的热容量大，产生的冷却速度类似于金属型，对铝合金的晶粒细化十分有利，可提高合金的力学性能。4.与金属型相比，其成本降低10%～20%，铸件性能有很大提高，尤其是疲劳强度提高明显，适用于复杂薄壁铝合金铸件的生产。工艺应用

1988年美国福特汽车公司从英国引进这一技术，随后在此基础上发明了翻转充型法。铸型翻转工艺主要原理是将原来的底注式浇注变为下侧注式浇注。金属液通过电磁泵从下侧浇口浇注到铸型中，直至铸型充满。铸型翻转，此时下侧浇口转到了上面，电磁泵的充型压力降低，使泵的浇口脱离铸型。铸型内的金属液在自重的作用下结晶凝固，不至于使金属液从下侧浇口流出而报废，不仅提高了生产率，而且优化了冶金组织，使之更适用于大批量生产。美国福特公司Cosworth法生产线采用铸型翻转工艺使生产率达到100型/h，每年生产110万型。8.5低压铸造设备

低压铸造机低压铸造设备的分类按照加压介质分类：普通低压铸造设备电磁低压铸造设备按照所使用铸型分类：金属型低压铸造设备砂型低压铸造设备按照承压方式分类：坩埚加压型低压铸造设备罐体加压型低压铸造设备8.5低压铸造设备保温炉及密封坩埚系统机架及铸型开合机构液面加压控制系统低压铸造设备

低压铸造设备总体示意图1-保温炉；2-坩埚；3-升液管；4-水平开型缸；5-铸型；6-垂直开型缸；7-开合型腔控制台；

8-液面加压控制系统机架及铸型开合机构液面加压系统保温炉及坩埚炉型很多，如焦碳炉、煤气炉、电阻炉、感应炉等。电阻保温炉在低压铸造生产中应用最普遍。其结构简单、操作方便。其次是电热反射炉。

电阻保温炉适用于铝、镁合金。

工频和中频感应炉耗电省、熔化率高，适用于铝、镁、铜合金及铸铁和铸钢熔炼、保温，越来越受到重视。

保温炉8.5.1保温炉及附属装置

1-炉体2-排铝口3-炉壳4-电阻丝5-坩埚6-升液管7-密封盖保温炉及密封坩埚系统

坩埚及密封盖8.5.2铸型开合机构

手动机械传动气动传动液压传动8.5.3液面加压系统作用：正确控制对铸型的充型和增压设计：根据不同铸件，不同铸型的要求，加压系统应可以任意调节，

工作要稳定可靠

结构要使维修方便气源：空气压缩机计算机控制机架吊装式机架移动式机架旋转式炉体移动式炉体侧置式8.5.4低压铸造机的结构类型1-主液压缸2-吊环3-横梁4、17-动型板5、16-活塞杆

6-定柱7-立柱8-侧液压缸9-支架10-底板11-支撑杆12-保温炉13-导杆14-密封盖15-升液管三开型吊装式低压铸造机1-主油缸；2-立柱；3-侧油缸；4-底板；5-移动油缸；

6-弹簧；7-顶起油缸；8-保温炉；9-坩埚；10-密封盖液压移动式低压铸造机1-摇臂回转油缸；2-立柱；3-主梁翻转油缸；4-主梁翻转传动机构；5-主梁；6-柱塞；7-横担；8-开合型油缸；9-拉杆；10-顶柱；11-支撑腿；12-动型板；13-压轨；14-滚轮；15-弧形轨；16-保温炉；17-摇臂回转传动机构旋转式三工位低压铸造机1-气水分离器；2-稳压罐；3-控制台；4-信号装置；

5-气缸套铸型；6-升液管；7-铁水包；8-压力罐炉体侧置气缸套低压铸造机

1-铜水包；2-压力罐；3-升液管；4-弯管；5-石墨套管；

6-托板；7-砂型；8-压板；9-紧固螺栓；10-泥芯；12-箱盖；13-底座砂箱；14-内浇口泥芯；15-横浇口泥芯大中型螺旋浆低压铸造机

特点：一台炉上只能放一副铸型，结构简单，操作方便，但生产效率低，生产结构复杂的铸件需要向下抽芯时，无法设置抽芯机构。低压铸造机按铸型和保温炉的连接方式分为：顶置式低压铸造机侧置式低压铸造机1-电阻加热保温炉；2-机架；3-供气系统顶置式低压铸造机

1-电热反射式保温炉；2-机架；3-供气系统

特点：它将铸型置于保温炉的侧面，铸型和保温炉由升液管连接。一台保温炉同时可为两副以上的铸型提供金属液，生产效率提高。此外，装料、撇渣和处理金属液都较方便；铸型的受热条件也得到了改善。但侧置式低压铸造机结构复杂，限制了其应用。侧置式低压铸造机金属型低压铸造生产线主要用于金属型铸造，由于需要实现开合模动作，所以，主要结构为四立柱形式。但保温炉形式有所区别。有金属坩埚、石墨坩埚、碳化硅坩埚和耐火材料打结坩埚。日本五十铃制作所生产的“上模滑动式低压铸造机”德国琦玛(GIMA)低压铸造机（使用数字组合阀）低压铸造机J452C低压铸造机

J452G低压铸造机铝合金熔炼炉低压铸造机英国AWPlume

公司为客户设计制造了欧洲最大的大型铝合金铸件低压铸造机,其铝液炉容量达1100kg,充型压0.12MPa。首台在欧洲用于生产φ800mm电机定子,第2台售于远东,可采用砂型或金属型,已用来生产重达600kg的内燃机机体。沈阳铸造研究所联合开发了容量分别为1800kg和600kg的大型铝合金用低压铸造机。设备采用了国内先进的液面加压计算机控制系统,可以根据具体铸件预设工艺参数,实现整个流程控制,实时跟踪升液、充型过程,对铸件在低压铸造条件下的充型和凝固进行模拟,优化工艺参数,针对可能出现的缺陷,研制解决方案。8.6其他反重力铸造成形工艺8.6其他反重力铸造成形工艺

差压铸造(DifferentialPressureCasting)又称反压铸造，是在低压铸造的基础上，铸型外罩个密封罩，同时向坩埚和罩内通入压缩空气，但坩埚内的压力略高，使坩埚内的金属液在压力差的作用下经升液管充填铸型，并在压力下结晶。它是低压铸造和压力下结晶两种工艺的结合。8.6.1差压铸造（1）概述

差压铸造工艺方法的核心是差压充型，压力下凝固。形成金属液充型时的压力差△P有两种方式：

增压法：即增加下压力筒压力，使P2＞P1；形成△P进行充型；

减压法：即减少上压力筒压力，使P1＜P2而形成△P。

①差压铸造的基本原理按工作时压力筒内充气压力的大小

②差压铸造的分类低压差压铸造中压差压铸造高压差压铸造按压差产生的方式增压法差压铸造减压法差压铸造（0.5～0.6MPa）（5～10MPa）（＞10MPa）减压法

减压充型可避免上筒内铸型由于金属液充填升温，产生蒸汽和气体膨胀而影响尺寸变化。减压法充型时可按浇注工艺控制放气速度。减压法金属液上升平稳。

增压法：

升液管中金属液靠自重回流。因而差压铸造具有比低压铸造更理想的结晶、凝固条件。差压铸造工作原理1-上压力筒；2-铸型；3-升液管；4-下压力筒；5-坩埚③差压铸造特点1）可获得最佳的充型速度；2）可避免外来夹杂物进入型内；3）可获得轮廓清晰、尺寸精确的铸件；4)可提高铸件力学性能，与低压铸造相比，差压铸造的铸件材料的抗拉强度可提高10～50％，伸长率可提高

25～50％；5)能用气体作为合金元素，高压下能提高气体溶解度，故可往一些合金（如钢）中溶入N2，提高合金强度和耐磨性能。铸造方法

力学性能

ZL101

ZL102壁厚5mm壁厚20mm壁厚5mm壁厚20mm差压铸造抗拉强度σb（Mpa）

171

190

190

184断后伸长率δ（%）

8.0

7.2

6.5

6.5低压铸造抗拉强度σb（Mpa）

171

132

168

143断后伸长率δ（%）

4.0

2.0

4.0

2.0差压铸造与低压铸造铝合金力学性能的比较④应用范围

★差压铸造目前主要用于航空、航天、船舶，兵器工业领域，生产一些大型复杂薄壁筒体件或复杂薄壁箱体类和框架类铸件。可铸造的合金有铝合金、锌合金、镁合金、铜合金以及铸钢。应用实例

差压铸造铸件重量可从小于1kg至100kg以上。目前国内最大铸造φ540mm、高度890mm、壁厚8～10mm的大型复杂薄壁整体舱铸件。生产的铸件有电机壳、阀门、叶轮、气缸、轮毂、坦克导轮、船体等。据报道保加利亚生产出0.5t的含氮合金钢铸件。AlSi5Cu合金飞机发动机汽缸头质量18kg，鳍片1.6mm，尺寸225×255mmAlSi11合金液力透平机转子质量5kg，尺寸φ360×60mm

差压铸造铸件差压铸造铸件①充气阶段②压力平衡阶段③升液阶段④充型阶段⑤保压阶段⑥互通排气阶段（2）差压铸造工艺（2）差压铸造工艺

①差压铸造浇注工艺过程差压铸造浇注工艺过程Ⅰ-同步进气；Ⅱ-升液；Ⅲ-充型；Ⅳ-保压；Ⅴ-上下压力室互通；Ⅵ-卸压差压铸造浇注工艺一般包括同步进气、升液、充型、保压结晶、卸压、冷却延时各工艺过程。

同步进气（充气）阶段，即在液面加压控制系统作用下，对坩埚所在的下压力室和铸型所在的上压力室同时通入压缩空气，在此过程中要求两压力室的压力差尽量小，不能超过某一要求范围，直至达到设定压力。同步进气阶段完成后，隔离两压力室，通过减少铸型压力室的压力（减压法），在上、下两个压力室之间形成一定的压力差，并作用在金属液面上，完成升液、充型及保压凝固过程，其充型过程和低压铸造的充型过程相同。同步建正压上压力筒减压保压结束后，上、下压力室互通，卸压，完成一个浇注过程。差压铸造过程所需控制的参数除了低压铸造提及的浇注工艺参数外，还应对同步进气阶段的参数如同步进气速度，同步进气时间及最终压力进行控制。式中，—金属液充满铸型所需压力差（pa）；

—充型结束时，坩埚液面至铸件顶端的距离（m）；

—金属液的液密度（kg·m-3）；

—重力加速度（m·s-2）；

—充型阻力系数，K=1.2～1.5，阻力小取下限，阻力大取上限。②差压铸造工艺参数选择充型压力差Δp的大小可按下式计算。

充型压力差Δp结晶压力

结晶压力越大，铸件越致密，铸件力学性能也越好。但结晶压过大会给设备制造带来困难。压力过小，会降低差压铸造的挤滤作用及塑性变形作用，不利于补缩和抑制金属液中气体的析出，铸件易产生疏松和显微气孔。结晶压力的大小和铸件结构、合金结晶特性等因素有关，一般在0.3～1.0Mpa之间。②差压铸造工艺参数选择升液速度升液速度较慢，应保持金属液平稳、缓慢升液，避免喷溅、翻滚。充型速度充型速度决定了铸件质量，一般充型速度应比升液速度略快，但不宜过快，这样有利于补缩，使液流平稳，减少二次夹杂的产生。②差压铸造工艺参数选择

充型速度与铸件复杂程度、壁厚、大小和合金种类有关，还与所用铸型种类有关。充型速度常通过试验决定。用金属型生产复杂铝铸件，充型速度可快一些；

砂型浇注厚大铝铸件时，充型速度则需慢些；浇注镁合金铸件则比铝合金铸件充型速度要小些。②差压铸造工艺参数选择保压时间保压时间应大体上与铸件凝固时间相同。因此，保压时间与铸件大小、壁厚、合金种类及结晶压力等有关。浇注温度差压铸造浇注温度比一般重力铸造可低些。如浇铝合金铸件时，浇注温度可低

30～60℃。②差压铸造工艺参数选择（3）差压铸造设备主机部分压力控制部分供气部分差压铸造设备主要优点：1．充型压差可控，充型流动平稳，减少了金属液的飞溅和对铸型的冲刷；2．凝固压力增大，可抑制氢的析出，避免铝合金件的针孔缺陷；3．凝固压力增大，可强化金属液补缩，避免铝合金件的疏松缺陷。主要缺点：1．设备较为复杂，制造、运行、维护成本较高；2．型腔内气体反压高，可阻碍充型并迅速降低合金液流动性。差压铸造设备特点主机

主机包括上、下压力罐、中隔板、锁紧机构、电阻炉、坩埚、升液管及控制系统等。为使设备保持密封，中隔板的上下两面应垫耐高温的石棉板、石棉绳、石墨盘根或硅橡胶圈。差压铸造主机简图

气压控制有两种：手动液面加压控制系统和微机控制液面加压系统。气压控制供气部分

供气部分由气水分离器、储气罐、空气干燥器、空气电热器和气源组成。差压铸造设备金属型差压铸造生产线8.6.2真空吸铸型腔置负压，大气压作用于坩埚液面，将金属液沿反重力方向压入铸型型腔。（1）结晶器真空吸铸真空吸铸真空吸铸是使型腔内造成负压使金属液充型凝固的铸造方法①真空吸铸工艺原理结晶器真空吸铸131装结晶器型腔上涂料结晶器下口浸入金属液型腔接通真空，金属液充型金属液在结晶器内凝固卸除型腔真空自金属液中提起结晶器脱出铸件②真空吸铸工艺流程③真空吸铸特点1．型腔压力小，可在一定程度上避免合金液与气氛之间的反应，抑制氧化膜的产生；2．型腔压力小，减小了金属液在充型时的吸气倾向；3．铸件不需设置浇口、冒口，减少了金属的消耗。4．型腔压力小，增大了金属液在凝固时的析气倾向；5．型腔压力小，凝固补缩效率降低，不利于得到致密零件；6．有效压差较低，铸件尺寸受限。133通常仅用于小型铸件的生产，适用于铝、铜、钛等有色合金。④应用（2）熔模真空吸铸

①CLA法工艺原理

将型壳置于密封室内，密封室下降，直浇道插入金属液中，通过抽真空使型壳内形成一定的负压。在压力差的作用下，金属液被吸入型腔。待铸件内浇道凝固后，去除真空，直浇道内未凝固的金属液流回熔池中。工艺参数

CLA法主要工艺参数有

真空度

型壳强度和透气性浇注系统

其中真空度是吸铸过程顺利进行的关键，一般控制在-0.06～-0.03MPa，太大会引起型壳吸爆，太小则充型不好。

工艺特点减少废品、提高了铸件质量良好的充型性能显著提高了金属液利用率和工艺出品率克服了低压和差压铸造的弊端合金种类铸造方法抗拉强度σbMPa断后伸长率布氏硬度HBS条件ZcuSn10Zn2真空吸铸37314.6107耐磨性砂型铸造提高7%砂型铸造2351397ZL105A熔模真空吸铸344.614.0__熔模重力铸造311.58.0__ZG0Cr17Ni4Cu4Nb熔模真空吸铸1275.713.5__熔模重力铸造1246.111.0__

真空吸铸对铸件力学性能的改善应用范围

CLA法现已应用于国防、汽车、电子等精密零件的制造中，适用于普通碳素钢、不锈钢、高温合金、铝合金等多种合金。如：铝合金潜望镜壳体，最薄处0.75mm镍基高温合金测温管铸件钛合金汽轮机叶片熔模真空吸铸还用于制造艺术品铸件②CLV法工艺原理

熔炼室和吸铸室由一个阀门隔开，当金属在真空下熔化后，将氩气充入真空熔炼室和吸铸室，并使它们保持相同气压。打开阀门，升高熔炼炉，使型壳浇道插入金属液中。然后减低吸铸室的氩气压力，进行吸铸。保持一定时间后，卸压使直浇道中金属液流回坩埚中。熔炼炉降至原位，关闭阀门，一次吸铸过程完成。

CLV法工艺过程示意图

工艺特点及应用特点

CLV法吸铸整个过程金属液都处在真空或惰性气体保护中，用于生产高温合金及易氧化合金铸件。

CLV法工艺过程较复杂，对设备控制要求较高。应用目前，CLV法在涡轮生产中应用较多。真空吸铸设备工作原理

首先使型腔和金属液处于真空状态，并且对金属液保温并保持负压；充型时，对型腔下部的液态金属液面施加压力，但型腔仍保持真空，将坩埚中的金属液沿升液管压入处于真空的型腔内；充型结束后迅速对两压室加压，始终保持下部金属液和型腔之间的压力差恒定，以避免铸型中未凝固的金属液回流到坩埚中导致铸件缺陷；保持正压一段时间，使金属液在压力下凝固成形，待型腔内的金属液完全凝固后，即可卸除压力，升液管内未凝固的金属液回流到坩埚中。8.6.3调压铸造

调压铸造与差压铸造最大的区别在于不仅能够实现正压的控制，还能够实现负压的控制。装置包括两个相互隔离的内部气体压力独立可控的压室，以及实现气体压力调控的控制设备。

调压铸造设备调压铸造工作原理图147型腔和金属液处于真空状态对液态金属液面施加压力，但型腔仍保持真空调压铸造浇注工艺过程Ⅰ-同步抽真空；Ⅱ-升液；Ⅲ-充型；Ⅳ-增压；Ⅴ-上下压力室同步增压；Ⅵ-保压；Ⅶ-上下压力室互通；Ⅷ-卸压真空除气

负压充型

正压凝固

与其他类型的反重力铸造相比较，调压铸造技术有三个重要特征。调压铸造却具有真空除气、负压充型与正压凝固３个重要特征，因此对铸件性能有明显的改善作用，尤其适合大型复杂薄壁铸件的高品质精密铸造。特点主要优点：1．充型压差可控，充型流动平稳，减少了金属液的飞溅和对铸型的冲刷；2．充型前可对金属液进行真空除气处理，同时避免合金氧化；3．充型前型腔内充分排气，降低充型阻力，强化充型能力；4．凝固压力增大，可抑制氢的析出，避免铝合金件的针孔缺陷；5．凝固压力增大，可强化金属液补缩，避免铝合金件的疏松缺陷。主要缺点：设备复杂，制造、运行、维护成本较高，生产效率偏低。

调压铸造技术主要用于生产一些质量要求高的复杂薄壁铝合金和镁合金铸件，如高气密性的舱体、高强度机匣等零件。

应用

调压铸造生产的航空1类铸件需实现的功能：型腔及坩埚液面先置负压，继而建立压差，将金属液沿反重力方向压入铸型型腔，再对系统增压，使金属液在压力条件下完成凝固，最后卸除压力取出铸件。结构要点：坩埚可封闭且可进行从负压到正压的压力控制；铸型可封闭且可进行从负压到正压的压力控制；以管道联通金属液与浇注系统；可控制压力变化速度及时间。调压铸造设备特点调压铸造设备155反重力铸造铸型及金属液