特种铸造教学配套课件作者陈维平特种铸造第4章-反重力铸造4-5学时-王猛.ppt

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,第4章,反重力铸造,4.1概述4.2反重力铸造工艺参数4.3反重力铸造工艺方案4.4反重力铸造设备及自动化4.5反重力铸造缺陷与对策4.6反重力铸造应用实例,4-1,4.1概述,一、反重力铸造定义及特点二、真空吸铸三、低压铸造四、差压铸造五、调压铸造,4-2,4-3,反重力铸造是以外部作用力驱动金属液使其沿反重力方向进入型腔并完成充型和补缩，从而获得良好的充型流态和补缩效果，并改善铸件质量的一种特种铸造技术。

图4-1反重力铸造原理示意图（教材图4-1）1-铸型2-升液管3-金属液4-坩埚,一、反重力铸造定义及特点,技术特点：

1）金属液沿反重力方向实现充型流动；2）通过外部压力控制驱动，改善充型及补缩；3）重力对金属液流动进行约束，获得平稳充型流动；4）避免液流飞溅、复杂汇流、气体及氧化膜裹入等对铸件质量的不良影响；5）充型及补缩压差一般在2060kPa范围内，金属液上升的速度以不超过0.3米/秒为宜。

4-4,4-5,反重力铸造的充型、补缩与传统的重力铸造有显著差异，同时也与高压充型的压力铸造有明显差别，因而具备如下优点：

金属液充型流动平稳有序流动，液面上升速度易于控制；铸件成形性能好充型压头高于显著提升充填能力；铸件致密度高有序充型可获得良好温度场分布，补缩易于实现；合金纯净度高升液管直接从金属液中层吸取金属，避免卷渣；铸件含气量低铸件可热处理实现性能强化；材料利用率高有效减少浇冒系统对金属原料的消耗；工艺可控性及稳定性好自动控制来确保铸造工艺方案严格执行。

依据反重力铸造过程中压力控制的具体方式的不同，可将反重力铸造技术划分为真空吸铸、低压铸造、差压铸造、调压铸造四个类别。

4-6,真空吸铸是一种在型腔内形成真空，而将金属液置于开放的大气环境中或置于一定压力的气体氛围中，在液面与型腔之间的压差作用下，将金属液由下而上地压入型腔，进行凝固成形的铸造方法。

图4-2真空吸铸系统示意图1-机架，2-熔化炉，3-坩埚，4-金属液，5-升液管，6-隔板，7-真空室，8-铸型，9-通气塞，10-大气截止阀，11-流量调节阀，12-真空缓冲罐，13-真空截止阀，14-真空泵,图4-3空心柱状铸件真空吸铸示意图1-真空泵，2-真空截止阀，3-缓冲罐，4-流量调节阀，5-大气截止阀，6-提升机，7-结晶器，8-金属液，9-坩埚，10-熔化炉,二、真空吸铸,4-7,除具备反重力铸造技术的一般特征，如压差及充型速度可控、充型平稳性好以外，真空吸铸还具有以下技术特点：

1）、型腔内的气体阻力小，可提高金属液的充填性，适合于生产形状复杂的薄壁铸件，生产铝、镁合金铸件时可完整充填1.5mm以下的壁厚。

2）、避免金属液直接接触空气，氧化卷气现象可得到抑制，有利于保证铸件冶金质量，可用于易氧化金属如钛合金，铸钢件等的铸造。

3）、金属液/型壁气隙小，热量传输顺畅，凝固较快，晶粒细小，真空吸铸生产的铝合金铸件强度、硬度较重力铸造提高5%10%，延伸率提高30%。

4）、压力降低，型内气泡易于上浮外逸，可降低合金含气量，有利于抑制铸件气孔；但未完全析出的气体在较低压力下膨胀，则可能加重针孔缺陷。

5）、真空条件下较低的凝固压力可能导致铸件补缩不利，产生较常压浇注更为严重的疏松缺陷。

6）、提供的压差低于其它反重力铸造方法，仅适用于小型精密铸件的生产。

7）、采用真空吸铸方案生产空心铸件时，内孔尺寸难于精确控制。

4-8,4-9,低压铸造是通过将气体压力作用于金属液面，而铸型型腔与大气均压，进而使金属液在压力驱动下自下而上完成型腔充填，并在压力作用下凝固而获得铸件的一种铸造方法。

图4-4低压铸造系统示意图（教材图4-4）1-压室，2-熔化炉，3-坩埚，4-金属液，5-升液管，6-隔板，7-铸型，8-通气塞，9-大气截止阀，10-流量调节阀，11-增压截止阀，12-空气压缩站，13-储气罐,三、低压铸造,与真空吸铸相比：

1）可使铸件在较高压力条件下完成凝固，气体析出量及体积较小，可以抑制气孔或针孔缺陷；2）型内存在气体反压，需通过强化铸型透气来改善铸件充填性能。

与压力铸造相比：

3）充型平稳，补缩可控；4）可与砂型、熔模型壳、金属型等多种铸型匹配进行生产。

充型压力通常为20-60kPa。

4-10,4-11,在对金属液面和铸型型腔同步增压后，建立压差，将金属液由坩埚中压入型腔，实现充型；充型完毕后，保持系统压力，强化凝固补缩，抑制气体析出，获得更高的铸件致密度。

图4-5差压铸造系统示意图（教材图4-5）1-下压室，2-熔化炉，3-升液管，4-互通阀，5-隔板，6-泄压阀，7-上压室，8-铸型，9-上压室进气阀，10-下压室进气阀，11-坩埚，12-金属液,四、差压铸造,压室同步增压压力可达500kPa以上：

1）改善补缩，抑制疏松，显著提高铸件的致密度和机械性能；2）提高凝固压力，有效抑制气体析出，针孔缺陷产生几率下降；3）铸件含气量较真空吸铸及低压铸造件高；4）型腔内有高压气体存留，降低充型效率，薄壁充型存在障碍；5）为了保证型腔排气，对铸型透气性能有较高要求；6）适合壁厚较大的有色合金铸件的高性能生产。

4-12,4-13,増压法差压铸造通过下压室进气获得充型压差；减压法差压铸造通过上压室排气获得充型压差。

图4-6差压铸造过程示意图（教材图4-6）（a）增压，（b1）增压法充型，（b2）减压法充型，（c）保压，（d）泄压,五、调压铸造,调压铸造技术是在差压铸造的基础上而提出的一种新型薄壁铸件成形方法。

这种方法汲取了传统反重力铸造方法的优点并加以改进提高，使充型平稳性、充型能力和顺序凝固条件均优于普通差压铸造，因而可铸造壁厚更薄、力学性能更好的大型薄壁铸件，适用于大型复杂薄壁铸件的生产。

调压铸造装置如图4-7所示，其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。

4-14,4-15,首先对上下抽真空并保持负压；对下压室充入气体建立压差，使金属液沿升液管压入处于真空的型腔；充型结束后同步对上下压室加压并保持压差，直至金属液在压力下凝固成形；卸除压力，未凝固的金属液回流进入坩埚中。

图4-7调压铸造装置结构示意图（教材图4-7）1-压力罐，2-正压控制系统，3-上压室，4-铸型，5-负压控制系统，6-真空罐，7-金属液，8-保温炉，9-下压室,三个重要的技术特征及优势：

真空除气充分去除金属液及铸型内的气体；负压充型充型时型内无气体阻碍；正压凝固促进补缩并进一步抑制气孔。

4-16,图4-7调压铸造装置结构示意图（教材图4-7）1-压力罐，2-正压控制系统，3-上压室，4-铸型，5-负压控制系统，6-真空罐，7-金属液，8-保温炉，9-下压室,虽然凝固压力较大，但压室间压差保持较低水平，不会对铸型的强度提出更高的要求；负压充型降低了对铸型透气性的要求，不必进行排气结构的强化设计；调压铸造方法对铸型的适应性较强，可适用于金属型、砂型、石膏型、熔模精铸型壳等各类铸型的应用。

4.2反重力铸造工艺参数,一、压力调控二、浇注温度及铸型温度,4-17,4-18,一、压力调控,低压铸造,真空吸铸,差压铸造,调压铸造,图4-8反重力铸造铸型及金属液环境压力示意图（教材图4-8）P1-铸型环境气压P2-金属液环境气压,4-19,压差是控制充型及补缩的重要参数：

1、为了驱动金属液沿反重力方向完成充型，需提供足够的压差；2、要考虑铸型结构强度，给定最大压差应小于铸型的破坏极限；3、压差的建立应在一定时限内完成，以保证有效充型；4、为了保证充型的平稳性，应适当降低压差的建立速度；5、为了保证充型效率，应适当增大压差的建立速度。

保证金属液完整充填型腔的必要条件为：

式中金属液的密度为，型腔顶端到坩埚液面的高度H，g为重力加速度。

4-20,为了更好地实现充型及补缩流动控制，可将压差建立过程划分升液、充型、结壳、增压四个阶段进行，实现分阶段的增压操作：

图4-9反重力铸造过程中各阶段的压差控制1-升液时间，2-充型时间，3-结壳时间，4-增压时间，5-保压时间，6-卸压时间,升液充型结壳增压保压卸压,升液阶段：

充型阶段：

：

阻力系数，取值可在11.5之间,结壳阶段：

3可控制在1020s之间,附加增压阶段：

k：

增压系数，取值可在0.31.0之间,4-21,压力及真空度控制：

对于低压铸造及真空吸铸工艺来说，一旦确定压差变化曲线，则系统的最大压力或真空度也就同时确定，而差压铸造以及调压铸造工艺则需要进一步给定系统的压力及真空度控制条件。

差压铸造最大保压压力：

500600kPa，补缩能力较低压铸造可提升45倍。

调压铸造真空阶段压力：

-95kPa-80kPa，保持1015分钟，气体充分析出；最大保压压力：

100200kPa，抑制针孔析出并强化铸件补缩。

500600kPa,100200kPa,-95kPa-80kPa，1015min,4-22,二、浇注温度及铸型温度,浇注温度确定规范：

在保证铸件成形的条件下，尽可能降低浇注温度，减少金属液的吸气和收缩，抑制气孔、缩孔、缩松、应力及裂纹等各类缺陷的产生；反重力铸造条件下金属液的流动得到了外加压力的驱动，充型能力更易于保证，浇注温度可较常规铸造工艺低1020C。

简单厚壁零件通过降低浇注温度来提高冷却速度，获得良好凝固组织；复杂薄壁铸件通过提高浇注温度来强化充型，保证铸件完整充填。

真空吸铸及调压铸造因采用了真空负压充型工艺，型内无气体反压或反压较低，热量散失较小，浇注温度可适当降低；差压铸造条件下，因型内存在高压气体阻碍，且金属液更易于通过空气散热，应适当提高浇注温度，保证铸件充型。

4-23,铸型温度确定规范：

根据铸型种类、铸件结构来合理选择铸型温度；在保证有效充型的前提下，适当降低铸型温度。

对于砂型、石膏型等低热导率铸型，可以进行无预热浇注，或将铸型预热至150200C；对于金属型反重力铸造，由于铸型激冷能力强、导热性能高，应将铸型预热至200350C后浇注；对于金属型复杂薄壁铸件，铸型温度可进一步提高到400450C后再进行浇注。

4.3反重力铸造工艺方案,一、浇注位置及分型面二、浇注系统及冒口设计三、铸型排气设计四、铸型涂料,4-24,4-25,

（1）优先保证充型的有效性和平稳性：

1）金属液应由型腔底部引入，液面沿反重力方向上升，直至完整充填型腔；2）保证型腔顶部的排气通畅，防止铸件局部出现憋气现象；3）严格控制金属液在型腔局部的自由下落，减少气体或氧化夹杂的卷入；4）匹配型腔截面上的金属液流量，以获得最佳的液流形态；5）将厚大部位置于型腔底部，有利于提高充型平稳性和铸件补缩；6）将对称铸件结构轴线沿垂直方向放置，通过分布式的浇注系统引入金属液，提高流动均衡度，强化铸件对称部位性能的一致性。

一、浇注位置及分型面,4-26,

（2）优化凝固顺序及补缩效果：

1）液面沿反重力方向上升获得朝升液管方向温度提升温度场分布2）将厚大部位置于型腔底部有利于建立凝固顺序强化铸件补缩；3）采用辅助手段强化朝向升液管的凝固顺序;,图4-11建立凝固顺序的措施（教材图4-11）（a）安置冷铁，（b）改变金属型壁厚，（c）使用局部激冷1-厚冷铁，2-铸件型腔，3-薄冷铁，4-金属型，5-水冷装置,图4-10使用加工余量调整凝固顺序（教材图4-10）1-铸件，2-工艺余量,4-27,（3）铸件大平面的处理：

对于有较大平面的铸件，应当避免将水平面水平放置，以防止注入平面的金属液分成多股流路充填，合流时卷入气体及氧化膜。

（4）分型面的设计：

在反重力铸造过程中，铸型被安放于中间隔板上，为便于开合型以及铸型紧固等操作，在分型面的选择上，多采用水平分型方案。

4-28,反重力铸造降低了液流飞溅及氧化夹渣卷入的可能性，浇注系统的主要任务是合理分配液流，同时保障补缩。

简单结构铸件，可设置直通式浇口（即中心锥形浇口）构成点式浇注系统；复杂结构铸件，可増设横浇道、集渣槽等，以合理分配液流并净化金属液；避免内浇口直接朝向型芯，防止造成型芯破坏或型芯局部过热