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液态金属成形过程及控制

时间: 2011-07-12 02:04 来源: 作者: 点击:

引言

铸造的定义:让金属液流入并凝固在预先制备的铸型中,获得特定形状的毛坯或零件(铸件)的方法或技术。 铸造成形的基本过程是充型和凝固:   充型的主要目的:使金属液充满铸型,从而实现对型腔形状、尺寸以及表面的复制。 充型的有效性:是否能够充满型腔; 充型的平稳性:是否卷入气体或杂质; 充型的顺序性:调整充填后的温度分布。   凝固的主要目的:使不具备机械性能的液相转变为具备特定机械性能的固相。 凝固的速度:晶粒大小及形态; 凝固的顺序:是否有助于补缩; 凝固末期的温度场:应力大小及分布、变形、热裂的产生与控制  

第一节  液态金属充型过程的水力学特性及流动情况

充型过程对铸件质量的影响很大可能造成的各种缺陷,如冷隔、浇不足、夹杂、气孔、夹砂、粘砂等缺陷,都是在液态金属充型不利的情况下产生的。正确地设计浇注系统使液态金属平稳而又合理地充满型腔,对保证铸件质量起着很重要的作用。

一、液态金属充型流动过程的水力学特性

目前在实际铸造生产中,砂型仍占相当大的分量,而液态金属在砂型中流动时呈现出如下水力学特性: 1. 粘性流体流动: 液态金属是有粘性的流体。液态金属的粘性与其成分有关,在流动过程中又随液态金属温度的降低而不断增大,当液态金属中出现晶体时,液体的粘度急剧增加,其流速和流态也会发生急剧变化。 2. 不稳定流动: 在充型过程中液态金属温度不断降低而铸型温度不断增高,两者之间的热交换呈不稳定状态。随着液流温度下降,粘度增加,流动阻力也随之增加;加之充型过程中液流的压头增加或和减少,液态金属的流速和流态也不断变化,导致液态金属在充填铸型过程中的不稳定流动。 3. 多孔管中流动: 由于砂型具有一定的孔隙,可以把砂型中的浇注系统和型腔看作是多孔的管道和容器。液态金属在“多孔管”中流动时,往往不能很好地贴附于管壁,此时可能将外界气体卷入液流,形成气孔或引起金属液的氧化而形成氧化夹渣。 4. 紊流流动: 生产实践中的测试和计算证明,液态金属在浇注系统中流动时,其雷诺数Re大于临界雷诺数Re临,属于紊流流动。例如ZL104合金在670℃浇注时,液流在直径为20mm的直浇道中以50cm/s的速度流动时,其雷诺数为25000,远大于2300的临界雷诺数。对一些水平浇注的薄壁铸件或厚大铸件的充型,液流上升速度很慢,也有可能得到层流流动。 轻合金优质铸件浇注系统的研究表明,当Re<20000时,液流表面的氧化膜不会破碎,如果将雷诺数控制在4000~10000,就可以符合生产铝合金和镁合金优质铸件的要求。有人通过水力模拟和铝合金铸件的实浇试验证明:允许的最大雷诺数,在直浇道内应不超过10000,横浇道内不超过7000,内浇道内不超过1100,型腔内不超过280。   综上分析,影响金属液流动的平稳性的主要因素是金属液的流动速度和浇注系统的形状及截面尺寸。为此,有必要研究液态金属在浇注系统中的流动情况。  

二、液态金属在浇注系统中的流动情况

浇注系统是液态金属流入型腔的通道,通常由浇口杯、直浇道、横浇道、内浇道等单元组成(图1-1浇注系统的基本形式)。分析液态金属在浇注系统中的流动规律、对正确地设计浇注系统有重要的作用。   1. 液态金属在浇口杯中的流动情况 1)、浇口杯的作用:承接来自浇包的金属液,防止金属液飞溅和溢出,便于浇注;减轻液流对型腔的冲击;分离渣滓和气泡,阻止其进入型腔;增加充型压力头。   2)、浇口杯的结构形状分类:漏斗形、池形。 漏斗形浇口杯结构简单,挡渣作用差,由于金属液易产生绕垂直轴旋转的涡流,易于卷入气体和熔渣,因此这种浇口杯仅适用于对挡渣要求不高的砂型铸造及金属型铸造的小型铸件。 池形浇口杯效果较好,底部设置凸起有利于浇注操作,使金属液的浇注速度达到适宜的大小后再流入直浇道。这样浇口杯内液体深度大,可阻止垂直轴旋转的水平旋涡的形成,从而有利于分离渣滓和气泡。   3)、浇口杯内一旦出现水平旋涡会带入渣滓和气体,必须注意防止。 漩涡产生的原因: 当合金液从各个方向流入直浇道时,各向流量不均衡,某一流股的流向偏离直浇道中心,就会形成水平涡流。根据水力学原理,水平涡流愈靠近中心部位压力愈低,液面愈低,这样浮在液面上的渣滓会沿着弯曲的液面,一面旋转,一面和空气一同进入直浇道,就有可能形成氧化夹渣等铸造缺陷。 浇口杯内金属液的高度对漩涡产生的影响: 水力模拟试验表明,影响浇口杯内水平旋涡的主要因素是浇口杯内液面的深度,其次是浇注高度,浇注方向及浇口杯的结构等。浇口杯内合金液面深度和浇注高度的影响如图1-2所示。液面深度大时不易出现水平旋涡(图1-2a),液面浅时易出现水平旋涡(图中b)。浇包嘴距浇口杯越高,水平旋涡越易于产生(图c)。液面浅和浇注高度大时,偏离直浇道中心的水平流速较高,因而易出现水平旋涡。(图1-2  液面深度和浇注高度的影响) 使用浇口塞抑制漩涡的产生: 为了减轻和消除水平旋涡,对于重要的中、大型铸件,常用带浇口塞的浇口杯(图1-2)。先用浇口塞堵住浇口杯的流出口,然后进行浇注,当浇口杯被充填到一定高度,熔渣已浮起时,才拔起浇口塞,使合金液开始流入直浇道。浇口塞可用耐火材料或铸铁材料制成,其结构应能保证拔起浇口塞时不产生涡流。有时也用一金属薄片盖住浇口杯的流出口,当浇口杯被充填到一定的高度时,金属薄片受热熔化,浇口杯的流出口就被打开。为了有利于熔渣上浮到液面,浇口杯应有一定的高度,并将浇口杯与直浇道相连的边缘作成凸起状以促使浇口杯中液流形成垂直旋涡。垂直旋涡能促使熔渣和气泡浮至液面,对挡渣和分离冲入的气泡有利。   2. 液态金属在直浇道中的流动情况 1)、直浇道的作用:将来自浇口杯的液流引入横浇道、内浇道或直接进入型腔。 通过调整直浇道的高度,可获得足够的压头以保证金属液能克服沿程阻力损失,在规定的时间内以适当的速度充满型腔。 直浇道越高,则压头越大,金属液进入型腔的速度越快,对充满薄壁铸件有利,但同时对铸型的冲击也愈大。   2)、液态金属在直浇道中的流动特征: 负压、离壁,容易吸入空气; 控制方法:增大流动阻力、降低流动速度、减小直浇道尺寸。 过去不少资料认为液态金属在直浇道中流动时,会呈负压状态,出现吸气现象。对液态金属在直浇道中的流动状态进行理论分析和水力模拟试验证明,对只有浇口杯和直浇道组成的浇注系统、直浇道上口为尖角,浇道截面为等截面时,会出现液流离壁现象且有一定的负压存在。 对液态金属在砂型直浇道中的流动状态进行模拟试验和摄影观察还得出:液态金属在直浇道中存在充满式流动和非充满式流动。在等截面的圆柱形和上小下大的倒锥形直浇道中液流呈非充满状态。在非充满的直浇道中,流股自上而下呈渐缩形,流股表面压力接近大气压力,微呈正压。流股表面会带动表层气体向下运动,并能冲入型内上升的金属液内。而在上大下小的锥形直浇道中液流呈充满状态,无负压和吸气现象。直浇道入口形状对液流流态影响较大,当入口为尖角时,增加了流动阻力和断面收缩率,常导致非充满式流动。要使直浇道呈充满状态,要求入口处圆角半径rd/4(d为直浇道上口直径)。实际生产中常用的直浇道结构形式见图1—3。图中a型直浇道制造方便,应用广泛。对于极易氧化的铝、镁合金铸件,为了增大阻力降低流速,也可采用b、c、d所示的直浇道。常用直浇道都存在各种局部阻力,只要合理选用浇注系统的结构形式,就不会出现离壁和负压现象。(图1-3  砂型铸造用直浇道形式及常用断面形状)   3)、浇口窝的作用有: 缓冲作用。 液流下落的动能有相当大的一部分被窝内液体吸收而转变为压力能,再由压力能转化为水平速度流向横浇道,从而减轻了对直流道底部铸型的冲刷。 缩短拐弯处的高度紊流区。 浇口窝可缩短高速紊流区(过渡区),也改善了横浇道内的压力分布(图1—4),压力分布特性说明过渡区的存在。这对减轻金属氧化、阻渣和减少卷入气体都有利。当内浇道距直浇道较近时,应采用浇口窝。 改善内浇道的流量分布。 设置浇口窝,有利于内浇道流量分布的均匀化,例如在F直∶F横∶F内=1∶2.5∶5的试验条件下,无浇口窝时,两等断面的内浇道的流量分配为31.5%(近直浇道者)和68.5%(远者);而有直浇道窝时流量分配为40.5%(近者)和59.5%(远者)。 减少浇道拐弯处的局部阻力系数和水头损失。   3.液态金属在横浇道中的流动情况 1)、横浇道是连接直浇道和内浇道的中间通道,它的功用主要有稳流、分配液流和挡渣三个方面。 2)、横浇道的稳流作用及其实现 液流从直浇道落下时,速度大不平稳,而经过浇口窝进入横浇道后,液流转向并趋于平稳。 3)、横浇道的流量分配作用及其实现 液流充满横浇道的同时,即由横浇道分配给各个内浇道。同一横浇道上有多个等断面的内浇道时,各内浇道的流量不等。一般条件下远离直浇道的流量大,近直浇道的流量小。各内浇道的流量主要取决于合金液柱的高度、横浇道的长度、内浇道在横浇道上的位置以及各浇道断面积之比。(图1-5  浇注系统结构形式对流量不均匀性的影响) 4)、横浇道的挡渣作用及其实现 横浇道是浇注系统的主要挡渣单元,其挡渣作用与熔渣特性、横浇道本身结构、各浇道的相互配置关系有关。 在横浇道中采取重力分离除渣原理如图1-6所示(图1-6 横浇道挡渣原理图)。随合金液进入横浇道的杂质,其运动受两个速度的作用,即随液流向前运动的速度υ横和由于密度差引起的上浮或下沉速度υ浮,最后杂质以两者的合速度υ合向前上方运动。横浇道的挡渣设计,则应使杂质在合金液流入内浇道之间就上浮到合金液的表面。在横浇道中渣的上浮速度受流态影响比较复杂, 影响上浮速度和横浇道挡渣作用的主要因素有: ①、杂质与合金液的密度差越大,渣子越易上浮除去。 ②、渣团半径R越大,渣子上浮速度越大,越易除去。 ③、合金液在横浇道中的流动速度υ横越大,液流在横浇道中的紊流程度越大,杂质上浮所遇到的干扰越大。当υ横达到一定程度时,杂质就浮不上来,而始终悬浮在液流中,此时的υ横临界速度称为悬浮速度。 ④、合金液的粘度越大,则渣团上浮越慢,越难除去夹杂。 根据以上对横浇道挡渣作用原理的分析,为强化挡渣作用,在设计横浇道时常采用以下措施: ①、降低合金液在横浇道的流动速度。为此,在实际生产中常采用增加横浇道的水力学阻力的措施,例如采用搭接式横浇道或双重横浇道(图1-7)。采用扩张式浇注系统、增大横浇道的截面积也有利于降低υ横。 ② 横浇道应呈充满状态,这样有利于使渣团上浮到横浇道顶部而不进入内浇道。减小浇注系统的扩张程度,采用底注式浇注系统等措施均有利于使横浇道呈充满状态。 ③ 内浇道的位置关系要正确。内浇道距直浇道应有一定距离,使渣团能浮上横浇道顶部而不进入内浇道。横浇道末端应有一定的延长段,以容纳最初进入横浇道的低温、含气及有夹杂的金属液,还可在末端设置集渣包。 ④ 在横浇道上设置过滤网以滤除渣团,如图1-7(a)所示。 ⑤ 在横浇道上设置集渣槽是常用的除渣措施,而在铸铁件生产中则常用带有离心集渣包的浇注系统。金属流入集渣包因断面积突然增大,流速降低并在集渣包内产生旋涡,使密度较小的渣团向旋涡中心集中并浮起。 5)、横浇道的结构形状 横浇道的断面形状,可有圆形、半圆形、梯形等多种形式。以圆形的热损失最小和流动最平稳,但造型工艺较复杂。为了使直浇道与横浇道和内浇道连接方便和造型工艺简单,一般都采用高度大于宽度(高∕宽=1.2~1.5)的梯形断面的横浇道。   4.液态金属在内浇道中的流动情况  1)、内浇道的作用:把液体金属引入型腔的最终单元,其功用是控制充型速度和方向,分配液态金属。 可同时调节铸件各部位的温度分布和凝固次序,并对铸件有一定的补缩作用。因此内浇道的位置、数量、尺寸大小等对铸件的质量有很大的影响。 2)、内浇道与横浇道的相对位置是否正确,对浇注系统的稳流和挡渣作用影响极大。为了浮渣和挡渣,第一个内浇道不要离直浇道太近,最后一个内浇道距横浇道末端要有一定距离。而在高度方向上,内浇道一般应置于横浇道的中部,其底面与横浇道的底面平齐。 3)、内浇道与铸件的相对位置和内浇口数量的选择应服从所选定的凝固顺序和补缩方式。为使铸件实现同时凝固,对壁厚不太均匀的铸件,内浇道应开设在薄壁处;对壁厚均匀的铸件则应开设较多的内浇道,并且分散、均匀地分布。为使铸件实现顺序凝固,内浇口应设在有冒口的厚壁处,最好是通过冒口进入型腔,使冒口的温度较高,使厚大部位得到补缩。对于较高大的铸件,则应首先保证铸件自下而上的顺序凝固,水平方向上同时凝固,内浇道位置应尽可能使水平方向的温度分布均匀,通常把内浇道均匀地设置在铸件的薄壁处,在厚壁部位放置冷铁。 4)、液流不要正对着冲击细小砂芯和型壁,以避免因飞溅、涡流等使铸件产生氧化夹渣、气孔和夹砂等缺陷。导入位置应选择沿着型壁方向,必要时切向引入,使金属液快速、平稳而均匀地充满型腔。 5)、应仔细分析液流在型腔中的流动情况,其开设位置应使金属液在型腔中流程尽量短。 6)、内浇道位置最好选择在铸件平面或凸出部位,以利于铸件的清理和打磨。 7)、内浇道的形状多为扁矩形。其宽度和厚度之比应按铸件壁厚和所要求的凝固形式而定。一般情况下,尽量采用薄的内浇道,其厚度为铸件壁厚的1/2~2/3。在铝、镁合金铸件生产中,对某些局部厚大部位,需要内浇道直接起补缩作用,内浇道结构形状及厚度则不受此限制。   5.液态金属通过过滤装置的流动情况 在浇注系统中常用的过滤方法有: 1)、过滤网过滤  铸造生产中常使用的过滤网是将耐热纤维织成的过滤网布(网眼尺寸为2×2mm),用数层叠放在横浇道的搭接面上。而在铝、镁合金铸件生产中也常使用厚度为0.2~0.5mm的钢片冲制而成的过滤网,过滤网可将大部分杂质阻留于过滤网前。同时由于液流通过网孔时遇到过滤网的阻力和断面突然扩大,使流动速度降低,也有利于使一部分已挤过网孔的气泡和杂质上浮而阻留于过滤网背后的浇道中。过滤网的放置对挡渣效果影响很大,一般过滤网有如图1—8所示的几种放置位置。 为了避免减少浇道的有效截面积,安置过滤网处的浇道应局部放大。浇道截面积局部放大程度,可用下式计算:                             (1—1) 式中,F扩为浇道扩大部分的截面积;F原为浇道原来的截面积;a为过滤网的孔洞率;b为过滤网的通过效率,孔小而密的过滤网,b=90%,孔大而稀的过滤网b=80%。 2)、过滤片过滤  国内外近年来采用泡沫陶瓷过滤片滤除合金液中的杂质,对滤除非金属夹杂物效果很好,当采用细孔泡沫陶瓷时,甚至可以滤除1μm的夹杂物。过滤片孔隙尺寸越小,厚度越大,过滤压力越小,效果就越明显。 泡沫陶瓷过滤片适用于多种铸造方法,如砂型铸造、金属型铸造和低压铸造等。过滤片通过以图1-9所示的两种方式安放在浇注系统中的各个部位。金属液流经过滤片时,增加了局部阻力。为了保证一定的充型速度,应将放置过滤片处的截面积扩大或增加直浇道的高度以提高静压头。 (图1-9  泡沫陶瓷过滤片在浇注系统中的放置位置)
 

第二节  浇注系统的设计

一、浇注系统的类型及应用 浇注系统类型的选择是正确设计浇注系统的重要问题之一。它与铸件的合金成分、结构、大小、技术要求和生产要求有关。   1.按液态金属导入铸件型腔的位置分类   1)、顶注式(又称上注式)浇注系统  ①、定义:金属液从铸件型腔顶部引入的浇注系统称为顶注式浇注系统。图1-10。   、优点: 液态金属从铸型型腔顶部引入,在浇注和凝固过程中,铸件上部的温度高于下部,有利于铸件自下而上顺序凝固,能够有效地发挥顶部冒口的补缩作用。 液流流量大,充型时间短,充型能力强。 造型工艺简单,模具制造方便,浇注系统和冒口消耗金属少,浇注系统切割清理容易。   、缺点: 液体金属进入型腔后,从高处落下,对铸型冲击大,容易导致液态金属的飞溅、氧化和卷入气体,形成氧化夹渣和气孔缺陷。   ④、适用范围: 质量不大、高度不高、形状简单的中小铸件, 铝合金和镁合金铸件在使用顶注式浇注系统时必须考虑液流在型腔内下落高度不能太大。   2)、底注式(又称下注式)浇注系统  ①、定义:内浇道设在铸件底部的称为底注式浇注系统。图1-11   、优点: 合金液从下部充填型腔,流动平稳。 无论浇道比多大,横浇道基本处于充满状态,有利于挡渣。   、缺点: 充型后铸件的温度分布不利于自下而上的顺序凝固,削弱了顶部冒口的补缩作用。 铸件底部尤其是内浇道附近容易过热,使铸件产生缩松、缩孔、晶粒粗大等缺陷。 充型能力较差,对大型薄壁铸件容易产生冷隔和浇不足的缺陷。 造型工艺复杂,金属消耗量大。   ④、适用范围: 底注式浇注系统广泛应用于铝镁合金铸件的生产,也适用于形状复杂,要求高的各种黑色铸件。 (图1-11  底注式浇注系统)   3)、中注式浇注系统  ①、定义:液态金属引入位置介于顶注和底注之间。图1-12   、其优、缺点也介于顶注与底注之间。   、适用范围:普遍应用于高度不大、水平尺寸较大的中小型铸件,在铸件质量要求较高时,仍应控制合金液的下落高度即下半型腔的深度。 采用机器造型生产铸件时,广泛使用中注式浇注系统。此时多采用两箱造型,内浇道开在分型面上,工艺简单,操作容易。(图1-12  中间注式浇注系统)   4)、阶梯式浇注系统  ①、定义:在铸件不同高度上开设多层内浇道的称为阶梯式浇注系统。图1-13 ②、优点: 金属液自下而上充型,充型平稳,型腔内气体排出顺利。充型后上部金属液温度高于下部,有利于顺序凝固和冒口的补缩。充型能力强,易避免冷隔和浇不到等铸造缺陷。利用多内浇道,可减轻内浇道附近的局部过热现象。 ③、缺点: 造型复杂,有时要求几个分型面,要求正确的计算和结构设计,否则容易出现上下各层内浇道同时进入金属液的“乱浇”现象,或底层进入金属液过多,形成下部温度高的不理想的温度分布。 ④、适用范围:阶梯式浇注系统适用于高度大的大中型铸钢件、铸铁件。 在铝合金、镁合金铸造生产中为了提高顶部冒口中金属液的温度,增强补缩作用,也可采用两层阶梯式浇注系统(即底层充填铸件,上层充填冒口)。   5)、缝隙式浇注系统  ①、定义:合金液由下而上沿着整个铸件高度开设的垂直缝隙状内浇道,平稳地进入型腔,这种浇注系统称为缝隙式浇注系统。图1-14 ②、优点:充型过程十分平稳,有利于铸件自下而上的顺序凝固 液流充型过程十分平稳,不仅不会产生新的氧化夹渣,而且有利于熔渣上浮于立筒和铸件顶部的冒口中。 在理想情况下,由缝隙进入型腔的金属液每增加一层,其温度都比下一层高,从而建立了类似顶注式的温度分布,有利于铸件自下而上的顺序凝固,有利于上部冒口的补缩。 ③、缺点:消耗液体金属多,工艺出品率低,浇道的切割既麻烦又费工。 ④、适用范围:广泛应用于轻合金铸造中,尤其适合于缩松倾向较大的镁合金铸件。来说,它是常用的浇注系统类型之一。但由于切割困难、在铸钢件、铸铁件生产中较少应用。   2.按浇注系统各单元断面积比例分类 浇注系统按直浇道、横浇道及内浇道断面积的比例关系,可分为收缩式、扩张式和半扩张式三种。 1)、收缩式浇注系统 ①、定义:直浇道、横浇道和内浇道的断面积依次缩小(即F直>F横>F内)的浇注系统称为收缩式浇注系统。 ②、优点:易于浮渣,合金液消耗少。 此种浇注系统在充型的最初阶段直至整个充型过程,都保持充满状态,金属液中的渣子易于上浮到横浇道上部,避免进入型腔。此外,这种浇注系统所占体积较小,减少了合金的消耗。 ③、缺点:液流不平稳,易引起喷溅和剧烈氧化。 液态金属在这种浇注系统中流动时,由于浇道截面积越来越小,流动速度越来越大,从内浇道进入型腔的液流,流动速度很大,对型壁产生冲击,易引起喷溅和剧烈氧化。 ④、适用范围:这种浇注系统主要用于不易氧化的铸铁件。 2)、扩张式浇注系统 ①、定义:直浇道、横浇道和内浇道截面积依次扩大的浇注系统(即FFF内)称为扩张式浇注系统。 ②、优点:金属液在横浇道和内浇道中流速较慢,在进入型腔时流动平稳。 ③、缺点:不足之处是横浇道在充填初期不易充满,在开始阶段浮渣作用较差。 ④、适用范围:易氧化的铝合金和镁合金要求液流平稳,大、中型铸件一般都采用扩张式浇注系统。 3)、半扩张式浇注系统  ①、定义:F直<F横>F内,而且F内>F直的浇注系统叫半扩张式浇注系统。 ②、优缺点介于扩张式与收缩式之间,液流比较平稳,充型能力和挡渣能力比较好。 ③、适用范围:适合于一般小型、结构简单铸件。   在浇注系统设计中,其浇道比对铸件质量有较大的影响,所以正确选择浇道比也是浇注系统设计中一个重要内容。在生产实践中,对浇道比的选择已积累了不少经验,也有不少专著文献。但由于铸件结构、生产工艺等具体条件不同,很难归纳出一个行之有效,简单易行的确定方法。有关资料和设计手册也列举了不同合金、不同结构铸件的浇道比,可供选择时参考。   二、浇注系统的尺寸计算 在浇注系统的类型和引入位置确定以后,就可进一步确定浇注系统各基本单元的尺寸和结构。目前大都采用水力学近似公式或经验公式计算出浇注系统的最小截面积,再根据铸件的结构特点、几何形状等确定浇道比,确定各单元的尺寸和结构。 1.按流体力学公式计算浇注系统求算最小断面面积 以流体力学为基础的计算方法,是把合金液视作普通流体,浇注系统视为通道,对于扩张式浇注系统,其最小断面积为直浇道底部的横断面积。如果以浇口杯中的合金液面为一端,直浇道出口处为另一端,在两个断面之间应用伯努力方程则可推导出计算浇注系统最小断面积的公式为:                     (1-2) 式中,G为名充填铸型的液体金属重量(kg);F为直浇道出口处的断面积(cm2);µ为流量消耗系数;τ为浇注时间(s);为液体金属的密度(g/cm3);Hp为平均计算静压头(cm) 对于收缩式浇注系统,其最小断面积为内浇口的截面积,用伯努力方程也可推导得到以上计算公式,按此公式,仔细确定式中各因素的数值,即可算出浇注系统的最小截面积。 (1)G和的确定  在计算的铸件确定以后,即已确定。铸件图上一般已标出了铸件的重量,再加上浇注系统和冒口的重量即为G值。但此时浇注系统和冒口尚未设计出,可根据经验对铸件重量乘以适当的系数来求得。对铝镁合金、铸钢件G值一般为铸件重量的2~3倍,铸铁件为1.1~1.4倍。 (2)流量系数μ值的确定  µ是合金液在充填浇注系统和铸件型腔的过程中,由于遇到各种摩擦阻力、水力学局部阻力和合金液与铸型的热作用、物理-化学作用等的影响,引起液流速度下降,流量消耗的一个修正系数。影响μ值的因素很多,难于用数学计算方法确定,一般都按生产经验和参考实验结果选定。铸铁和铸钢件的流量系数在0.25~0.50之间选取。对于航空铝、镁合金铸件所用的扩张式浇注系统,其μ值可在0.3~0.7之间选取。实际铸造时可根据铸件合金种类、浇注温度和铸件结构选择。 (3)浇注时间τ值的确定  合适的浇注时间应根据铸件的具体结构、合金种类和铸造工艺方法来确定。有关资料中列举了大量的计算浇注时间的经验公式和图表可供设计时选用。这些公式大部分不很完善,铸铁等不易氧化的合金铸件,主要依据铸件重量来定。而航空产品铝合金和镁合金铸件常以液面在型腔中适宜的上升速度为确定浇注时间的基本依据。 (4)平均计算静压头Hp的确定  金属液平均计算静压头依简单的水力学推导可得出如下公式:                            (1-3) 式中,H为内浇道以上至浇口杯中合金液面的高度(cm);P为内浇道以上型腔高度(cm);C为铸件型腔的总高度。 在确定了μτHp 之后,就可用公式(1-3)求出浇注系统的最小截面积(如计算收缩式浇注系统,最小断面积应是内浇道出口处的断面积),再按已选定的浇注系统各单元断面积之比以及各单元的结构形式即可初步确定浇注系统的具体尺寸。由于在最初计算时预定的Gτ的数值是估算值,并且各单元断面积的实际比例与选定的也有出入,所以计算结果还需经过验算和调整。 2.用反推法确定浇注系统截面尺寸  对铝、镁合金类易氧化的合金铸件的生产实践证明:内浇道的位置、数量、断面形状和大小对铸件质量影响很大,采用上述方法,有时不能满足实际生产的要求。因此,在生产实践的基础上成功地总结出利用“反推法”来确定浇注系统各单元的尺寸。所谓“反推法”,就是根据铸件的具体生产工艺、首先确定内浇道的数量及其断面积的大小,然后根据内浇道的总断面积和已选定的浇道比,再确定其它单元的尺寸和结构,其具体步骤如下: 1)根据铸件结构特点,选择浇注系统的类型和结构形式。 2)根据合金种类、铸件结构特点和生产工艺等具体情况,凭经验确定内浇道的数量和总断面积。一般都根据现场生产经验数据,通过归纳和总结,制定出表格形式,供设计同类铸件的浇注系统时选用。各种资料列举的表格很多,此处不再一一详述。 3)根据与内浇道相连接的铸件壁厚,选择内浇道的厚度、宽度和长度。 4)根据铸件特点选择浇道比,确定横浇道直浇道等各单元的尺寸。 3.缝隙式浇注系统的尺寸计算  缝隙式浇注系统的常见的结构形式如图1-15所示,这种浇注系统的作用和效果主要取决于立缝和立筒的结构形式及尺寸大小,它的设计方法与一般的浇注系统不同,如果把立缝和立筒视为一般的内浇道和集渣道来依次进行计算的话,不仅达不到预期目的,甚至会出现相反的结果。 缝隙式浇注系统的设计步骤和方法大致如下。 (1)立缝数量和位置的确定  确定立缝的数量,首先应考虑对铸件要有充分的补缩作用。如果立缝数量不足,超出立缝补缩的部位将因组织不致密而使机械性能降低,或因产生缩松而使铸件报废。增加立缝的数量不仅使铸件得到补缩,还能使水平方向的温度分布更趋均匀,这对获得优质铸件有重要的意义。立缝数量的增加,显然会使金属液的消耗、立缝的切割和清整工作量增加,提高了铸件生产成本。 立缝数量主要取决于铸件外廓尺寸和铸件的质量要求,对于中等大小的铸件,立缝数量一般可按下列经验公式确定。                          (1-4) 式中,n为立缝的数量;P为铸件外廓周长(mm);δ为立缝的厚度(mm)。 上式适用于质量要求一般的铸件。航空航天产品对铸件质量要求比较高,铸件比较薄,横向补缩比较困难,采用的立缝数量应比较多,一般为上式计算值的1.5~2倍。立缝应尽可能均匀地分布在铸件外廓上,应设置在铸件的厚壁部位。在铸件的复杂型面上,最好不要设置立缝,以简化立缝切割和铸件清整工作。(图1-15  常见的缝隙式浇注系统示意图) (2)立缝和立筒尺寸的确定  立缝的厚度(δ)对缝隙式浇注系统的效果具有直接的影响。立缝厚度一般取连接处铸件厚度的80%~150%。航空产品镁铸件,有时立缝厚度可达铸件壁厚的200%~300%。(图1-16  立缝和立筒断面结构图) 立缝常作成由下向上逐渐扩大的锥形,其锥度一般为2°~3°。为加强补缩,立缝在宽度方向也可作成向着立筒逐渐扩大的形式。立缝的宽度一般控制在15~35mm范围内。立缝与铸件相连处圆弧过渡。立筒主要起调节温度、补缩铸件的作用。立筒的直径根据立缝的大小来取,一般为立缝厚度的4~6倍。立缝与立筒的连接处也应倒成圆弧。主缝和立筒的高度通常与型腔的高度相等,即立缝和立筒都是自下而上地与型腔相连接。 (3)其它各单元的设计  缝隙式浇注系统除了立缝和立筒外,还有直浇道、横浇道及将金属液导入立筒的内浇道。它们的作用、结构形式和尺寸确定办法与一般的底注式浇注系统相同。应用和设计缝隙式浇注系统时,还应注意与冒口、冷铁配合使用。对于高大的圆筒状铸件使用缝隙式浇注系统时,通常需要在铸件底部放置厚度较大的冷铁激冷,促使下部金属液迅速降温,而在铸件顶部放有较大的冒口,将冒口和立缝、立筒自下而上地连通起来,这样可以加强冒口的补缩作用,对充分发挥缝隙式浇注系统的作用更有利。
第三节  液态金属凝固收缩过程的工艺分析 一、液态金属凝固过程的工艺特点 液态金属成形的另一重要过程是凝固过程。这一节主要介绍凝固过程的工艺特点和工艺方法。本节的有关内容同学们在材料成形原理课程中学习过,现简单地回顾与复习一下。重点是在对液态金属凝固过程的工艺特点进行分析的基础上,为下一节的冒口与冷铁的设计打下基础。 1.铸件的凝固方式 铸件的凝固方式可分为三种类型:逐层凝固、糊状凝固和中间凝固方式。凝固方式取决于凝固区的宽度。凝固区宽度主要受合金结晶温度间隔和铸件断面上温度梯度两个因素的影响。 1)、合金结晶温度间隔的影响  在断面温度梯度相近的情况下,合金结晶温度间隔越大,则凝固区域越宽,越易呈现为糊状凝固方式。纯金属和共晶合金,凝固过程中凝固区域宽度很小趋近于零,一般呈典型的逐层凝固方式。而对结晶温度间隔很大的合金,断面上的温度梯度又比较小时,铸件凝固期间各个时刻凝固区域很宽,甚至贯穿整个铸件断面,这时凝固则呈现为典型的糊状凝固或整体凝固。大部分铸造合金都有一定的结晶温度间隔,凝固区宽度可介于上述两种情况之间。 2)、温度梯度的影响  合金的结晶温度间隔确定之后,凝固区域宽度主要取决于温度梯度。当温度梯度很大时,宽结晶温度间隔的合金可以有较小的凝固区域,趋于中间凝固甚至逐层凝固。如高碳钢在金属型中的凝固情况就趋近于这种情况。当温度梯度很小时,凝固区域宽度一般均较大,甚至趋于体积凝固。例如工业纯铝在砂型中凝固时,为典型的体积凝固,而在金属型中铸造时则为逐层凝固。 3)、凝固方式对铸件质量的影响  凝固方式对铸件质量的影响是多方面,影响到铸件的充型能力、补缩条件、缩孔类型、热裂纹愈合能力等,从而影响铸件的致密性和健全程度。 逐层凝固时,凝固区域窄,凝固前沿较平滑,充型通道光滑,阻力小,充型能力好。液体补缩的通道短,阻力小,补缩比较容易。当铸件凝固后期收缩受阻出现热裂纹时,裂纹为液体重新充填而愈合的可能性较大。逐层凝固便于获得致密而健全的铸件。 体积凝固时,凝固区域宽,枝晶发达,由于流动阻力大,流速小,充型能力差。液体补缩通道长,补缩困难,结果形成分散的缩孔和缩松,一般铸造条件下难以排除。体积凝固时热裂倾向严重,铸件的致密性差。 2.铸件的凝固方向 铸造生产中在铸造合金和铸型都已确定的情况下,由于铸件结构及浇注位置、浇口引入位置的不同,冒口或冷铁的设置等原因,铸件各部位凝固的先后次序及凝固进程也可能不同。凝固方向的研究是以铸件纵断面即铸件长度方向的断面为研究对象。在凝固方向上,根据凝固次序的不同可分为顺序凝固和同时凝固。 1)、顺序凝固  图1-17为平板铸钢件轴线方向某瞬间的凝固情况示意图。远离冒口端由于多一个散热面,冷却较快、始终保持较低温度且有较大的温度梯度,先于其它部位凝固,然后逐步向冒口部位推近。冒口附近的金属液保持在高温的时间最长、凝固最晚。铸件的相邻部位按一定先后次序和方向结束凝固过程叫顺序凝固。顺序凝固的铸件,其凝固前沿纵断面呈楔形,如图1-17中的角φ,角φ是两侧等固(液)相线间的夹角,称扩张角或补缩通道扩张角。φ越大,顺序凝固特征越突出、补缩越容易(图1-17  铸钢板形件凝固过程示意图)。 顺序凝固的实现主要由铸件结构来决定。在铸造生产中可以采用必要的工艺措施来改变和影响凝固的顺序,如浇注系统形式不同,在铸件不同部位使用冒口和冷铁,都会改变铸件纵向上的温度分布,有利于形成顺序凝固和加强顺序凝固的程度。 在顺序凝固的铸件或铸件区段内,始终存在较大的温度梯度,凝固有先后之分,先凝固部分可以得到后凝固部分的补缩。在顺序凝固条件下,若冒口设计适当,可以防止铸件缩松、缩孔缺陷,铸件致密性好。这是顺序凝固的最大优点。顺序凝固的缺点是,由于铸件纵向温度较大,凝固先后不同,热裂可能在强度和塑性都比较小的区段产生。若凝固后冷却过程中仍保持较大的温度梯度,铸件中将产生应力和变形。此外,为了实现顺序凝固还需设置冒口、补贴及冷铁等工艺措施,将增加金属的消耗和生产费用。 2)、同时凝固  铸件相邻各部位或铸件各处凝固开始及结束的时间相同或相近,甚至是同时完成凝固过程,无先后的差异及明显的方向性,称作同时凝固。在同时凝固的铸件或铸件区段,纵断面温度梯度很小或没有温度梯度,图1—17所示平板铸钢件的中段,距离冒口和冷端都较远,则表现出无明显凝固方向的同时凝固的特征。许多均匀的薄壁铸件多属于同时凝固。同时凝固的铸件断面上扩张角为零,也不存在补缩通道。 同时凝固条件下,由于不存在补缩通道,因此补缩条件差,铸件不致密。缩松的分布形式因凝固方式的不同而不同。体积凝固时,铸件断面各处都会有缩松;逐层凝固时,缩松主要集中在断面中心,称轴线缩松。同时凝固时铸件各处温度均匀,产生热裂的危险性小,也不易引起大的应力和变形。同时凝固所用冒口小甚至不用冒口或补贴,因而节约金属、简化工艺。研究铸件凝固过程及规律的目的是利用其规律获得健全优质的铸件。为此,应对凝固过程进行必要而有效的控制。设计和使用冒口、冷铁及工艺补贴等都是最常用而且最有效的工艺措施。 二、液态成形收缩过程的工艺特点及对铸件质量的影响 液态金属成形过程是高温液态金属在铸型中冷却、凝固冷却至常温固态的过程,在这个过程中,会出现收缩。合金收缩会在铸件中产生缩孔、缩松、热裂、应力、变形和冷裂等缺陷,在铸造工艺设计过程中必须予以控制和防止。 1、缩孔和缩松缺陷的形成 对于逐层凝固成形的铸件,当合金的液态收缩与凝固收缩之和大于其固态收缩,则会出现缩孔。缩孔一般在铸件顶部或最后凝固部位,如果在这些部位设置冒口,缩孔将被移入冒口中。当铸件为了体积凝固成形时。凝固区中的结晶骨架将残余的金属液分割,甚至封闭在枝晶之间,液态收缩和凝固收缩的体积,将由被分割成分散的残余液相分担。若合金的固态收缩小于液态收缩与凝固收缩的总和,且其差值无以补偿,则在相应部位形成分散的收缩孔洞,即缩松。 2、缩孔缩松产生的原因及部位 (1)铸件结构  当铸件壁厚不均匀时,在局部厚大部位或内角处,因散热缓慢而形成热节,当热节部位得不到相邻部位对它的补缩,就会出现缩孔和缩松。均匀壁厚的厚壁铸件,板壁轴线部位凝固最晚,补缩最难,将出现轴线缩松。 (2)工艺因素  当浇冒口设计不合理时,可能造成局部过热或补缩能力降低,在这些部位形成缩孔或缩松;冷铁的尺寸或布置不当,将阻隔补缩来源也会引起缩孔和缩松;金属液含气量过高,成分不当,氧化严重,变质处理不良,浇注温度及浇注工艺不合理也都会引起缩孔缩松。 3.缩孔、缩松缺陷的防止 防止铸件中产生缩孔、缩松是对铸件的基本要求之一。应根据合金凝固收缩的特点及对铸件质量的要求采取必要的预防措施。 (1)采取适当的凝固方式及凝固方向  倾向于采取逐层凝固的方式和顺序凝固的方向,为此首先要减少凝固区域宽度。采用冷铁或其它激冷材料以提高铸型激冷能力,是以实现逐层凝固的有效并常用的方法。金属型在铝合金铸造中广泛应用;铸钢件及铝镁合金铸件中大量使用冷铁、铬铁矿砂、镁砂等激冷能力强的造型材料都是这一原则的体现。 采取不同的凝固控制手段来实现顺序凝固的,常用手段有合理地设计冒口冷铁和补贴;有利于顺序凝固的浇注系统;合理地浇注温度和浇注速度;金属液从冒口引入内浇道等。顺序凝固和同时凝固是对立的统一。同时凝固原则在某些特定情况下也是合理的。铸件结构一般比较复杂,在生产中往往将两者综合应用之。 (2)加压补缩  将铸型置于压力罐内,浇注后迅速关闭浇注孔,使铸件在压力下凝固,可以消除或减轻显微缩松的存在。在压力下凝固,增大了补缩力,有利于厚大铸件及铸件的厚大部位致密。 (3)热等静压法消除缩松和缩孔  将铸件置于压力容器内,在高温、高压下,通过惰性气体介质,使铸件表面承受均匀的压力。金属经蠕变——扩散过程,使内部孔洞闭合。实践证明,经该法处理后的铸件不仅可消除内部孔洞类缺陷,还可显著减轻或消除晶内偏析,改善机械性能。

第四节  冒口和冷铁和设计

一、冒口设计 1、定义:冒口是铸型内用以储存金属液的空腔,也指此空腔中金属液凝固后形成的金属实体。 2、作用: 1)补偿铸件凝固时的收缩。即将冒口设置在铸件最后凝固的部位,由冒口中的合金液补偿其体收缩,使收缩形成的孔洞移入冒口,防止铸件产生缩孔、缩松缺陷。 2)调整铸件凝固时的温度分布,控制铸件的凝固顺序。铝、镁合金铸件及铸钢件的生产中一般都使用较大的冒口,冒口内蓄积了大量的液态金属并且散热很慢,对凝固前的温度调整和凝固的温度分布产生一定的影响。 3)排气、集渣。 4)利用明冒口观察型腔内金属液的充型情况。   3、设计原则: 1)冒口的凝固时间应大于或等于铸件(被补缩部分)的凝固时间。 2)冒口应有足够大的体积,以保证有足够的金属液补充铸件的液态收缩和凝固收缩。 3)在铸件整个凝固的过程中,冒口与被补缩部位之间的补缩通道应该畅通,即使扩张角始终向着冒口。对于结晶温度间隔较宽、易于产生分散性缩松的合金铸件,还需要将冒口与浇注系统、冷铁、工艺补贴等配合使用,使铸件在较大的温度梯度下,自远离冒口的末端区逐渐向着冒口方向实现明显的顺序凝固。 4、冒口的种类和形状 1)冒口的种类:明冒口/暗冒口;顶冒口/侧冒口/贴边冒口 明冒口一般都设置在铸件顶部,它与大气相通,排气及浮渣效果较好。在轻合金铸件、铸铁件及中小型铸钢件的生产中多使用明冒口。 暗冒口可设置在铸件的任何位置上。在铸钢件的生产中,经常选用暗冒口。暗冒口的顶部常开有出气孔,以保证冒口空腔中的气体在浇注时逸出铸型。 顶冒口常采用明冒口的形式,一般设于铸件最高位置或热节部位的上面,这祥补缩压力大,补缩效果好,而且浮渣和排气也比较容易。 当铸件的热节部位处于铸件的侧面和下部时,应选用侧冒口(图1-18a)。侧冒口也有明冒口和暗冒口两种形式,依热节在铸件所处的位置而定。 贴边冒口是一种介于顶冒口和侧冒口之间的冒口。它适用于铸件的厚大部位处于铸件的中、下部而垂直壁厚又比较小的情况。此时,需加比较大的补贴工艺余量,才能充分发挥贴边冒口的补缩作用(图1-18b)。(图1-18  侧冒口和贴边冒口) 2)冒口的形状  常用的冒口有球形、圆柱形、长方体形、腰圆柱形等。 对于具体铸件,冒口形状的选择主要应考虑以下几方面: 冒口的补缩效果:常用冒口模数(M)的大小来评定冒口的补缩效果(M=冒口体积/冒口散热面积),在冒口体积相同的情况下,球形冒口的散热面积最小,模数最大,凝固时间最长,补缩效果最好,其它形状冒口的补缩效果,依次为圆柱形、长方体形等。 铸件被补缩部位的结构情况:冒口形状的选择还要考虑铸件被补缩部位的形状和造型是否方便。球形冒口的补缩效果虽好,但是造型起模困难,在铝、镁合金铸造生产中较少采用,而应用最广泛的是圆柱形明冒口,这种冒口的补缩效果较好,造型起模方便。有时由于铸件形状的需要,亦采用长方柱体和扇形冒口,只需将其四棱的尖角改为较大的圆角,以防止边角效应影响补缩效果。经改进后的这些冒口就称为椭圆柱体冒口和腰形冒口。在铸钢件生产中则经常使用球顶圆柱形暗冒口。 5、冒口的补缩原理 阐明补缩通道的形成和变化、有效补缩距离及影响因素,就可了解冒口的补缩原理。 1)冒口与铸件间的补缩通道  在铸件凝固过程中,要使冒口中的金属液能够不断地补偿铸件的体收缩,冒口与铸件被补缩部位之间应始终保持着畅通的补缩通道。如图1—17所示铸件的凝固过程,从末端向着冒口方向液相线之间形成的夹角φ称为补缩通道扩张角。在扩张角φ内的合金都处于液态,形成补缩通道,使冒口中的合金液在重力作用下能畅通无阻地补充到铸件凝固区域中去。Φ的大小和方向决定着补缩通道畅通与否和畅通的程度,φ越大,通道越畅通、补缩越容易。φ的大小,主要取决于铸件凝固方向上温度梯度的大小,向着冒口方向的温度梯度增加,φ也变大,向着冒口张开,则补缩通道畅通,促使铸件顺序凝固。为保证补缩通道畅通,所需的最小的温度梯度也不同。研究结果表明,对于普通碳钢,为保证板状铸件无缩松,朝着冒口的铸件纵向最小温度梯度应≥0.5℃/cm,而对于结晶温度间隔较宽的铝镁合金铸件要求达到的最小温度梯度比铸钢件高得多,如Al﹣7%Mg合金必须达到1~2℃/cm,Al﹣4.5%Cu合金为4~8℃/cm,Al﹣3%Cu﹣4.5%Si合金为1~2℃/cm,Mg﹣6%Al﹣3%Zn合金为4.6~5℃/cm。 2)冒口的有效补缩距离  分析图1—17所示的板状铸钢件凝固过程可知,在远离冒口的一端由于铸件的边角效应,补缩通道扩张角φ1比较大,凝固时易于补缩,无缩孔,此区域称为末端区。而靠近冒口的一侧由于冒口中贮存较多的金属液散热较慢,补缩通道扩张角φ2也比较大,补缩通道畅通,组织比较致密,此区域称为冒口区。当铸件较长时,在末端区和冒口区之间,会存在一个补缩通道扩张角很小的区域,该区域补缩困难,铸件中部会出现轴线缩松,故称轴线缩松区。冒口作用区长度和末端区长度之和称为冒口有效补缩距离。常用冒口补缩距离长度与铸件厚度之比来表示冒口的有效补缩范围。不同类型的冒口都有一定的补缩范围。冒口补缩距离是包括冒口周围各方向上的长度。以圆柱形冒口为例,以冒口为中心,以冒口半径加上冒口有效补缩距离为半径画圆,则圆内都属于冒口的有效补缩范围。如果铸件被补缩部分超出冒口的有效补缩范围,就会产生缩孔或缩松。反之,如果被补缩部分小于有效补缩范围,铸件虽然是致密的,但未充分发挥冒口的补缩作用,补缩效率低。由此可见,正确确定冒口的有效补缩距离是很重要的工艺问题。冒口的有效补缩距离与合金种类、铸件结构形状以及铸件凝固方向上的温度梯度有关,也和凝固时析出气体的反压力及冒口的补缩压力有关。 1)合金种类的影响  铸造合金的种类不同,其凝固特性也不同,冒口的有效补缩距离也有很大的不同。有关资料上分别介绍了各种合金的有效补缩范围,在冒口设计时可予以选择和参考。 2)铸件结构形状的影响  铸件的结构形状对冒口的有效补缩范围影响很大。形状不同的铸件,其中所形成的补缩通道也不一样。板状铸件的补缩通道较宽敞,有效补缩范围可以大一些,而杆状铸件的补缩通道较狭窄,有效补缩距离则小些。 3)冷铁的影响  在铸件上合理地安放冷铁利用冷铁的激冷作用使铸件朝着冒口方向的温度梯度增大,加强铸件的顺序凝固,从而增加冒口的有效补缩距离。如图1-19a所示,由于在板件的端部安放了冷铁,末端区的长度扩大了E′,对低碳钢板件E′约为50mm。在两个冒口之间放置冷铁,相当于在铸件中间增加了激冷端,如图c所示,可使原来的冒口作用区2A增加了两个末端作用区,于是两个冒口之间的有效补缩距离从2A增加到2(AEE’)。 (图1-19  冷铁对冒口有效补缩距离的影响) 3)工艺补贴的应用  在实际生产中往往有些铸件需补缩的高度超过冒口的有效补缩距离。由于铸件结构或铸造工艺上不便,难以在中部设置暗冒口,此时单靠增加冒口直径和高度,补缩效果很不明显。在这种情况下,一般采用在铸件壁板的一侧增加工艺补贴,来增加冒口的有效补缩距离,提高冒口的补缩效率(如图1-20)。依在铸件上的位置,补贴可分为垂直补贴和水平补贴两类(如图1-20)。水平补贴量目前尚无系统资料,对含碳量为0.25%的钢铸件实验指出,板形铸件只需2/100的斜度;杆件的补贴斜度为9/100。对垂直补贴的板状钢铸件,其补贴厚度与铸件厚度、高度之间的关系供参考有关资料。(图1-20  铸件工艺补贴示意图) 在铝、镁合金铸造中,工艺补贴一般从铸件末端区之后开始向上取,其斜度为3°~5°。有时为了简单,也可以从铸件底部开始向上取,也有用内切圆法来确定冒口的补贴工艺余量。补贴工艺余量,常附加在铸件的加工表面,最后用机械加工的方法切除。 3.冒口位置的确定 冒口位置的选择对获得优质铸件有着重要的意义。一般情况下,根据铸件结构特点,结合浇注位置、浇注系统类型以及冷铁的应用等工艺因素的影响,先确定铸件的热节位置,则冒口应设在铸件热节的上方或侧旁。且应尽量设在铸件最高、最厚的部位。对低处的热节增设补贴或使用冷铁、造成补缩的有利条件。当铸件结构复杂时,通常把铸件划分成几个区域,在每一个区域内设置一个合适的冒口。对于那些壁厚均匀的铸件,则需根据冒口的有效补缩距离来确定冒口的位置和个数。对铝镁合金铸件生产在确定冒口位置时应注意下述问题: 1)在铸件不同高度上布置冒口时,应采用冷铁等工艺措施将各个冒口补缩区隔离开(图1-21),以免引起上部冒口对下部冒口的补缩,使铸件上部产生缩孔或疏松。(图1-21  应用冷铁使冒口分区补缩) 2)冒口的设置不应使铸件上热量过分集中,若几个热节相距较近时,可用冷铁或一个尺寸较大的冒口同时补缩这几个热节。 3)冒口位置应与合金液引入位置相配合,最好安置在内浇道上,使金属液通过冒口进入型腔(图1-22)。这样流入型腔的金属液对冒口有预热作用,同时在充填过程中还起一定的挡渣作用。 4)冒口的安放应便于铸件的清理、切割、打磨等操作,冒口最好安置在铸件的加工面上,冒口切割后的残痕可在机械加工时去掉。(图1-22  在内浇口上安放冒口示意图) 4.冒口尺寸的确定 合理地确定冒口尺寸,在铸造生产中是一个很重要的工艺问题。目前还缺少一种适合各种合金、各种结构、被大家所公认的确定冒口尺寸的办法,往往根据生产经验总结出来的近似计算法。因此在应用这些方法时,要注意结合生产的具体情况,才能得到较好的结果。 (1)比例法  确定冒口尺寸最常用的方法是比例法。它以冒口根部直径dM或根部宽度为冒口的主要尺寸,以铸件热节圆直径dy或厚度T为确定dM的主要依据。即在不同的情况下用dy乘以一定的比例系数求得dM,冒口的其它尺寸由dM决定。 1)对铝镁合金铸件,生产中总结出如下比例关系可供设计时参考。对顶冒口,当垂直补缩时,dM/dy为1.1~1.8,需补缩的高度比例也越大,铸件热节圆直径dy越大,其比例越小。在冒口沿水平方向补缩时,其补缩效果不如垂直方向,所以水平补缩的冒口直径要比垂直补缩时大,dM/dy约为1.1~2.3。当铸件较薄时,dM/dy的的比值应取大些。顶冒口的高度HM/dM约为1.5~2.5。在确定了冒口的主要尺寸dM和HM之后,还应设计好冒口根部的形状和尺寸,冒口根部的形状、大小、连接形式都应和铸件的大小形状相符合。对铝镁合金常用的侧冒口,由于其补缩效果较差,所以选取的比例系数应比顶冒口大,根据生产经验,可按下列比例确定:dM=(1.5~2.5)dy ;d颈=(1.1~1.5)dy ;HM=(1.5~2.5)dM 。 (图1-23  侧冒口尺寸的确定) 2)对铸钢件生产中也总结出如下比例关系:  DCd                                   (1-5) 式中,D为冒口根部直径;d为铸件被补缩热节处内切圆直径;C为比例系数,可查相关资料。 (2)公式计算法  根据上述的冒口设计三条原则,人们推导和总结了各式各样的冒口计算公式。其中尤以“冒口方程式”介绍最多,从冒口应比铸件凝固得晚以及冒口应有足够的金属液补偿铸件凝固时的收缩这两条原则出发,经过数学推导,得出了如下通用的冒口方程式:                        (1-6) 式中,Vr、Ar、Kr为分别为冒口的体积、表面积和凝固系数;Vc、Ac、Kc为分别为铸件的体积、表面积和凝固系数;β为需要补缩的金属百分率,常用合金液态和凝固时的体收缩代替;fs 为形状因素,表示在体积和模数相同的情况下,铸件和冒口形状对其凝固时间的影响;fh 为过热因素,合金过热度对凝固时间的影响。 用(1-6)式可以比较方便地算出冒口的尺寸,但所得结果与生产实际尚有一定的差距,因为这些公式都是针对简单形状铸件并作了许多假设推导出来的。而实际铸件结构却比较复杂,影响因素也很多。另外,有关fsfh 等系数的实验数据很少,所以用公式法来计算复杂的铸件的冒口尺寸在实际生产中应用还较少,仅作参考。 (3)模数法  在铸钢件冒口设计中,模数法得到了广泛应用,近年来铸造工艺计算机辅助设计的发展,模数法被认为是一种方便可行的方法。模数法的基本原理有两条: 第一,冒口凝固时间应大于或至少等于铸件被补缩部位的凝固时间。在冒口计算中引入模数概念后,只要满足M冒≥M翱诰湍鼙戎砟獭 根据实验对于钢铸件来说,只要满足下列比例即能实现补缩。 顶明冒口                                   M冒=(1.1~1.2)M件                        (1-7) 侧暗冒口                                   M件: M颈: M冒=1 : 1.1 : 1.2                    (1-8) 钢水通过冒口浇注时: M件: M颈: M冒=1 :(1~1.03): 1.2                 (1-9) 式中,M件为铸件被补缩处的模数;M颈为冒口颈模数;M冒为冒口模数。 第二,冒口必须具有足够的合金液补充铸件热节处的体积收缩。 即                          V冒-V冒终=εV冒+V件)                   (1-10) 在保证铸件无缩孔的条件下,式(1一10)也可写成:                   εV冒+V件)≤Vη  或          (1-11) 式中,η为冒口补缩率(η的经验数据字列于表1-1);V冒、V冒终为分别为冒口初始和凝固终了的金属体积;V件为铸件被补缩热节处的体积;εV冒+V件)为缩孔体积。 计算冒口时,通常根据第一个基本条件即公式(1-7)、(1-8)、(1-9)确定冒口尺寸,用第二个基本条件校核冒口的补缩能力,即检查是否有足够的合金液补偿铸件的收缩。 表1-1  冒口补缩效率(η
冒口种类 圆柱形和腰 圆柱形冒口 球形冒口 补浇冒口时 发热保温冒口 大气压力冒口 压缩空气冒口 气弹冒口
η(%) 12~15 15~20 15~20 25~30 15~20 35~40 30~35
用以上方法确定和设计的冒口是否合适,尚需生产实践的检验,常用的检验办法是计算铸件实收率。铸件实收率又称工艺出品率,常用下式表示:                      (1-12) 式中,为铸件实收率,(%);Gc、Gr、Gg为分别为铸件、冒口和浇注系统的重量,(kg)。 将按上式计算的结果与根据生产经验所规定的同类铸件的实收率相比较,若小于经验数据,则说明冒口尺寸过大,应予以适当减小(一般是减小冒口高度)。反之,如果大于本厂的经验数据,则冒口尺寸可能偏小,应适当加大冒口尺寸或采取其它工艺措施提高冒口的补缩效率。 二、冷铁设计 为增加铸件局部冷却速度,在型腔内部及工作表面安放的激冷物称作冷铁。铸造生产中常将冷铁、浇注系统和冒口配合使用,控制铸件的凝固过程以获得合格铸件。冷铁分为内冷铁和外冷铁两种。将金属激冷物插入铸件型腔中需要激冷的部位,使合金激冷并同铸件熔为一体,这种金属激冷物称为内冷铁,内冷铁主要用于黑色金属厚大铸件如锤座、锤砧等。外冷铁又分为直接外冷铁和间接外冷铁两类。前者是只与铸件的部分内外表面接触而不熔接在一起,实际上它成为铸型或型芯的部分型腔表面。航空工业常用的铝镁铸造合金,大量使用直接外冷铁来排除铸件的缩松等缺陷。后者同被激冷铸件之间有10~15mm厚的砂层相隔,故又称隔砂冷铁、暗冷铁,它有时用于铸钢件的生产。 1.冷铁的作用  冷铁的作用分为以下几个方面。 (1)与浇注系统和冒口配合控制铸件凝固次序  为了获得合格铸件,必须根据铸件结构特点,确定正确的凝固次序,并控制铸件按这种次序进行凝固。 1)形成顺序凝固的凝固次序:对某些质量要求很高的铸件,常希望按顺序凝固,使得冒口及时补缩。但当铸件结构难以形成顺序凝固时,则可在铸件远离冒口部位放置冷铁,使铸件形成从冷铁到冒口的顺序凝固次序。 2)改变铸件的凝固次序,使之形成顺序凝固。常见的铝镁合金壳体类铸件(机匣等),两端常有安装边或凸台,壁厚较大,中间部位连接壁较薄。根据铸件结构及浇注系统,冒口的设置情况,铸件中间部位最早凝固,下端法兰次之,上部厚大部位最后凝固(图1-24)。显然按这样的凝固次序,下端法兰的凝固将得不到上部冒口的补缩,在下部法兰边和转角处将会产生缩孔和缩松。如果在下部法兰的底部设置尺寸足够大的冷铁,借助冷铁的激冷作用,改变原来的凝固次序,使下部法兰首先凝圆,中部连接壁次之,上部法兰最后凝固。这种自下而上的顺序凝固,使铸件凝固时得到充分补缩,从而消除下部法兰处的疏松缺陷。(图1-24  壳体铸件的冷铁设置方案) 3)增大凝固过程的温度梯度,使凝固次序更加明显:铝、镁合金大部分都有较大的结晶温度间隔,如ZM5为127℃,ZL301为180℃等。这些合金铸件在凝固时,凝固区宽度较大,补缩性能很差。即使有较大的冒口,铸件凝固时也是顺序凝固,但凝固过程中温度梯度不够大,补缩通道不够畅通,凝固后仍会出现疏松缺陷。对这种情况,在铸件端部放冷铁,则会加强铸件向着冒口方向的凝固次序,增大铸件凝固时的温度梯度,增强冒口的补缩作用。 4)加速铸件局部厚大部位的凝固速度,使之与周围部分同时凝固。对于铸件上局部厚大部位,如凸台、法兰等,在凝固时往往比周围的连接壁凝固的晚,得不到足够的液体金属补缩,容易产生缩孔、缩松和热裂纹。在这些局部热节处放置冷缺,可使热节比临近的连接壁早凝固,或与周围的连接壁同时凝固,以防止在这些热节部位产生缩孔或疏松缺陷。 (2)加速铸件的凝固速度,细化晶粒组织,提高铸件的力学性能  铸件在凝固过程中不仅要有较大的温度梯度,还要求较快的凝固速度。凝固速度越快,铸件的晶粒越细,晶轴之间的次生相、疏松、气孔和夹杂也越弥散、越细小,热处理后越易于得到均匀组织,因而不论是铸态,还是热处理状态都有较高的力学性能。同一种合金,金属型铸造出来的力学性能比砂型铸造出来的高,就是这个道理。据有关资料介绍,AlSi7Mg合金铸件试验表明,砂型铸造使用正确设计的冷铁,拉伸强度提高50%,延伸率提高70%,这证明冷铁对提高合金塑性的效果特别显著。砂型铸造时提高凝固速度的有效办法是放置冷铁,尤其是放置冷铁的板件端部,其凝固速度比不放冷铁时快得多。有关实验资料指出,使用冷铁后凝固速度比湿态砂型提高1.6倍,比干砂型提高1.7倍。 有关资料介绍,铝、镁合金铸件使用冷铁后可使晶界上的金属夹杂物和杂质弥散分布,从而提高机械性能。对于铝合金铸件,使用冷铁还可降低其针孔度。例如,某铝铸件的厚大部位约为40mm,薄壁处为10mm左右,在厚大部位放冷铁后,针孔度大大降低,低倍组织观察针孔度为1~2级,而未放冷铁的较薄部位,针孔度却高达3~4级。 除了以上作用外,冷铁还可用来划分冒口的补缩区域,控制和扩大冒口的补缩范围,提高冒口的补缩效率。 2.冷铁材料的选择 生产中常用的冷铁材料有铸铁、铝合金、石墨和铜合金等,各种冷铁材料的热物理系数可查相关资料。从表上可以看出,铸铁冷铁的蓄热系数较大,可以吸收较多的热量,有比较强的激冷能力。铸铁冷铁制作方便、成本低廉、广泛应用,尤其放在铸件底部或末端以加强铸件的凝固次序时,一般用铸铁冷铁。但是,铸铁的导热系数比较小,激冷速度比较慢,对于局部小的热节,要求激冷速度快时,使用铸铁冷铁,效果较差。 钢冷铁的激冷能力与铸铁相似,对于一些形状比较规则的矩形、圆形冷铁,常用型材直接制作。铸钢件生产中由于浇注温度高,大都使用钢冷铁。 铝质冷铁热导率比铸铁大,激冷速度快,制造方便,成本低,应用广泛,尤其对要求快速激冷的局部热节,常用铝冷铁。由于铝冷铁制备容易,铸件的理论型面,转角处放置的成形冷铁一般都用铝制冷铁。但是铝冷铁熔点较低,在受金属液包围,热量不易扩散的部位尽量不使用,以免将冷铁和铸件熔焊在一起。 从表1-3可看出,铜冷铁的热导率和热容量都比较大,激冷作用很强。在金属型铸造中铜冷铁常用于某些要求迅速激冷的部位,以控制铸件的凝固次序。但铜合金价格贵,材料比较短缺,在砂型铸造中较少使用。 3.冷铁的设计 冷铁设计的主要内容是确定冷铁放置的位置、冷铁的形状和尺寸大小。 (1)冷铁安放位置的确定  冷铁能否充分发挥作用,关键在于安放的位置是否合理。确定冷铁在铸型中的位置,主要取决于要求冷铁所起的作用以及铸件的结构、形状,同时还需要考虑冒口和浇注系统的位置。 1)冷铁的作用分析  由于铸件需要按自下而上的顺序凝固,一般将冷铁放在铸型的下部。即使铸件底部不是很厚大,为了加强铸件自下而上的顺序进行凝固,增加凝固过程的温度梯度,也在铸型底部放置冷铁。 对于铸件上的某些局部热节,为使其早凝固或与整个铸件同时凝固,冷铁自然应放于热节部位,或热节附近。结晶温度间隔宽的合金,常在转角处产生热裂和缩松,若在转角处设置冷铁,对防止热裂有明显的作用。 2)铸件结构的分析  为了确定冷铁的安放位置,必须先分析该铸件的结构特点,找出其厚大的部位,还应考虑浇注系统,冒口等的影响。在不宜安放冒口的厚大部位一般均应放冷铁,如靠近内浇道处,或被金属液所包围的型芯部位,散热条件很差,也应该放冷铁。相反,铸件某些部位虽然比较厚大,但若该处散热条件极好,或距冒口很近,易于得到充分补缩,也可以不放冷铁。 3)与冒口配合使用  冷铁位置应与冒口有一定的距离,使铸件凝固时沿着从安放冷铁部位向冒口方向顺序凝固,冷铁与冒口之间作用距离与冷铁材料的热物理性能、铸件的合金种类及壁厚尺寸有关。实际生产中此距离应如何选定,还缺少公认的参考数据。可参照冒口一节中冒口有效补缩距离的有关经验数据,根据铸件的实际结构和技术要求予以选定。厚大部位放置冷铁时,必须考虑该部位是否能得到冒口的补缩。若得不到液体金属的补缩时,即使放置冷铁也不能消除铸件的疏松,只不过使疏松缺陷移向别处而已。 4)浇注系统及引入位置的影响  选择冷铁安放位置时,还要考虑浇注系统及引入位置对铸件温度分布和冷铁作用的影响。采用底注式浇注系统时,一般均在铸件底部放置冷铁。 (2)冷铁形状的确定  冷铁的形状取决于使用冷铁部位铸件的形状和冷铁所应起的作用。常用冷铁分为成形冷铁和平面冷铁两类(图1-25)。在铸件理论型面及转角处一般使用成形冷铁,冷铁的形状应与放置冷铁的铸件形状相符合。在铸件底部、端部和平面部分,常放置平面冷铁。生产中常使用长方形、圆形、方形冷铁。(图1-25  冷铁的形状) (3)冷铁尺寸的确定  主要是确定冷铁的厚度。虽然已有人提出了根据铸件凝固时的热分析或冷铁的激冷能力来计算冷铁厚度的方法,但与实际应用还有很大的距离。目前生产中是根据冷铁的作用和放冷铁处铸件热节的大小来确定冷铁的厚度。 为了实现和加强铸件的顺序凝固以提高冒口的补缩效率而设置的冷铁,特别是冷铁置于铸件底部或末端时,冷铁的厚度可选大一些。采用铸铁冷铁时,冷铁厚度一般为铸件厚度的1~1.2倍,采用铝冷铁时,冷铁厚度为铸件厚度的1.2~1.5倍。冷铁的激冷效应随冷铁厚度的增加而增加,但不能无限制地增大冷铁厚度。在铸件局部热节处安放冷铁,要求热节处和邻近连接壁同时凝固时,该冷铁的厚度应有严格的要求。对铝镁合金铸件、一般取热节处厚度的0.8~0.9倍,对铸钢件,取0.3~0.8倍,对灰铸铁件取0.25~0.5倍。在铸件转角处为防止热裂或缩松的冷铁,对冷铁尺寸要求不很严格,但冷铁形状应与铸件圆角贴切。 各种冷铁的尺寸一般不宜过大,长度尺寸不大于200mm。较长或面积较大的冷铁,应分块使用,冷铁与冷铁之间应留有间隙。冷铁之间的间隙一般为3~5mm。冷铁的厚度大小应逐步向边缘处减薄,使激冷作用缓和过渡,避免铸件在冷铁边缘产生裂纹,对于镁合金铸件,尤为重要。冷铁工作表面一般应开设通气槽。回用冷铁应进行吹砂处理,以去除表面的旧砂、油污和氧化物。冷铁工作表面应涂敷石英砂,防止冷铁和铸件熔焊在一起。  

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