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气压辅助铸造成型技术 1

1 绪论

1.1 铸造在国民经济中的地位

铸造生产是获得机械产品毛坯的主要方法之一，是机械制造工业的重要基础，在许多机械中，铸件重量占整机重量的比例很高，内燃机80%，拖拉机65%-80%，液压件、泵类机械50%-60%。作为我国支柱产业正在大力发展的汽车工业，其心脏部分——发动机的关键零件，如缸体、缸盖、曲轴、缸套、活塞、进气管、排气管等八大件几乎全部由铸造成而成；冶金、矿山、电站等重大关键设备需求优质的重大型铸件；另外国民经济的基础设施和人民生活也需要大量铸件，输水（气）管道则需要各种尺寸的高韧性球墨铸铁管。因此，铸造在国民经济中占着相当重要的位置。

1.2 铸造技术的现状

铸造是现代制造工业的基础工艺之一。它是将金属熔炼成符合一定要求的液体并浇入铸型里，经冷却凝固、清整处理后得到有预定形状、尺寸和性能的铸件的工艺过程。铸造毛坯因近乎成形，而达到免机械加工或少量加工的目的降低了成本并在一定程度上减少了时间。

铸造是比较经济的毛坯成形方法，对于形状复杂的零件更能显示出它的经济性。铸造的零件尺寸和重量的适应范围很宽，金属种类几乎不受限制；零件在具有一般机械性能的同时，还具有耐磨、耐腐蚀、吸震等综合性能，是其他金属成形方法（如锻、轧、焊、冲等）所做不到的。因此在机器制造业中用铸造方法生产的毛坯零件，在数量和吨位上迄今仍是最多的。

铸造产品发展的趋势是要求铸件有更好的综合性能，更高的精度，更少的余量和更光洁的表面；生产的机械化自动化程度在不断提高的同时，将更多地向柔性生产方面发展，以扩大对不同批量和多品种生产的适应性。

铸造铝合金的密度比铸铁和铸钢小，而比强度则较高。因此在承受同样载荷条件下采用铝合金铸件，可以减轻结构的重量，故在航空工业及动力机械和运输机械制造中，铝合金铸件得到广泛的应用。

铝合金有良好的表面光泽，在大气及淡水中具有良好的耐腐蚀性，故在民用器皿制造中，具有广泛的用途。纯铝在硝酸及醋酸等氧化性酸类介质中具有良好的耐蚀性，因而铝铸件在化学工业中也有一定的用途。纯铝及铝合金有良好的导热性能，放在化工生产中使用的热交换装置，以及动力机械上要求具有良好导热性能的零件，如内燃机的汽缸盖和活塞等，也适于用铝合金来制造。

铝合金具有良好的铸造性能。由于熔点较低（纯铝熔点为660.230C，铝合金的浇注

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温度一般约在730～750oC左右），故能广泛采用金属型及压力铸造等铸造方法，以提高铸件的内在质量，尺寸精度和表面光洁程度以及生产效率。铝合金由于凝固潜热大，在重量相同条件下，铝液的凝固过程时间延续比铸钢和铸铁长得多，放流动性良好，有利于铸造薄壁和结构复杂的铸件。

铸造产品发展的趋势是要求铸件有更好的综合性能，更高的精度，更少的余量和更光洁的表面；生产的机械化自动化程度在不断提高的同时，将更多地向柔性生产方面发展，以扩大对不同批量和多品种生产的适应性。

1.2.1 铸造存在的缺陷

在实际生产中,由于多方面因素的影响,铸造件会出现多种缺陷,如气孔、缩松、冷隔、

拉痕、裂纹、表面花纹等, 严重的会导致批量废品, 造成相当严重的经济损失。 (1)缩孔、缩松

与压铸件相比,挤压铸件一般具有更大的壁厚(数十毫米以上) ,因此更容易发生缩孔(见图1-1) 和缩松,特别是在型腔与内浇口相连处等厚大部位或最后凝固的部位。挤压铸造的补缩不良一般有金属液的凝固收缩超过所设计的补缩能力、凝固顺序设计或控制不当和挤压压力作用不到位等3个原因。

图1-1 挤压铸件上的典型缩孔(壁厚:45 mm) (a) 铸件内部厚大部位 (b) 内浇口根部缩孔

（a）金属液的凝固收缩超过所设计的补缩能力

该问题主要是由于浇注温度过高、合金成分变化导致凝固温度区间变大等原因造成,因此在生产中要严格监控浇注温度和合金成分,并及时作出调整。

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（b）凝固顺序设计或控制不当

当靠近内浇口的铸件形状内部有型芯时,特别需要注意型腔充填的速度切换位置和对于型芯的冷却。在冲头速度切换成高速以前,金属液与型芯接触将导致型芯温度升高,型芯实际形成热节,对所接触的金属液将失去冷却作用,引起缩孔或缩松。因此,在工艺上一般需要将充型速度的切换位置后移一段距离,同时要加强对型芯的冷却。 （c）凝固过程中挤压压力作用不到位

挤压铸造的理想状态是挤压压力在型腔内金属液的整个凝固过程中发挥有效作用,以促进金属液流动,补偿凝固收缩造成的孔隙。为保证金属液由型腔远端向内浇口的顺序凝固,使来自冲头的挤压压力能有效作用于型腔内所有部位金属液凝固的全过程。当某些关键部位向内浇口方向或向其它非关键部位无法实现顺序凝固时,可以考虑使用局部增压方法。 (2) 气孔

挤压铸造由于充型速度远慢于普通压铸,所以只要保证金属液由下向上平稳充填,和型腔内没有死角,一般不会有卷气或憋气引起的气孔。因此,挤压铸造中重点要控制的是金属液的含气量,防止形成析出性气孔。 (3) 组织不致密性缺陷

由于挤压铸件组织致密度不够的缺陷可能引起挤压铸件的力学性能下降15 %左右。在实际生产中,一般无法观察到这种缺陷,而通常是当铸件力学性能测试出现问题后才会发现,而此前生产一直在持续,会造成大量损失。因此,生产中一定要严格控制金属液熔化温度和保温时间,并采用相对高于设计标准的挤压压力,同时加强对这些措施执行情况的监管。 (4) 组织割裂性缺陷

挤压铸造中由于内浇口厚大,料筒内壁上先期凝固的皮膜和金属液表面的氧化皮非常容易被卷入型腔,形成的典型组织割裂缺陷见图1-3。此类缺陷在组织内部,因此最好利用X光探伤进行在线检查,否则容易造成批量废品,带来较大损失。

目前常用的方法包括防止氧化皮或先期凝固皮膜的形成和对已形成皮膜的滤除。前者一般通过对给料系统的保温或加热(如使用陶瓷料勺、恒温料筒等) 、加快给料循环来实现、使用封闭给料系统(如东芝机械的DXHV系列机器使用的电磁泵给料系统) ;后者则可以通过料柄处设计挡渣槽、在浇道系统使用滤网、设计捕渣包等方法实现。

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图1-3 割裂组织的氧化皮

(5) 冷隔

由于挤压铸造的金属液流动速度很慢,而充型前金属液充填浇道系统的速度更慢,因此当冲头速度切换成高速充填型腔之前,如果有少量金属液进入型腔,则会立即凝固,并与后续金属液凝固后形成严重冷隔。另外一种主要的冷隔成因是金属液在型腔内部喷溅或不连续导致后续的液流与先期凝固的部分无法有效熔合。这种冷隔往往由表面深入铸件内部,甚至贯穿整个壁厚(见图1-4) ,是挤压铸造中最严重的缺陷之一。针对这种类型的冷隔,工艺设计和控制上要注意以下两个方面: （a）高速充型前金属液一定不能进入型腔; （b）保证金属液在型腔内平衡、平稳的流动。

图1-4 挤压铸件上的冷隔

重皮实际上是冷隔的一种,与图1-5所示冷隔的区别在于,重皮是“平铺”在铸件局部的表面,与内部组织间没有熔合成一体,厚度一般为150 ～ 210 mm。由于重皮在铸件表面往往没有如图1-5所示的开口,在现场的表观检查中难以分拣。重皮部位在受到冲击或疲劳载荷的情况下,表皮非常容易剥落,所以潜在的安全性风险极大。对于重皮缺陷的基本预防方法,除上述方法以外,还可以考虑提高模具温度,使用保温性良好的脱模剂和

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适当提高浇注温度等措施。 (6) 粘模

壁厚非常厚大的挤压铸件往往使型腔表面受高温作用时间长,因而比一般压铸更容易发生粘模问题,见图1-5。解决粘模问题的典型对策包括使用隔离作用更强的脱模剂、提高脱模剂浓度、强化脱模剂喷涂、强化模具冷却、使用更低的浇注温度等。但在使用提高脱模剂浓度和强化脱模剂喷涂时,需要注意脱模剂在型腔表面的均匀性和残留量,局部过多的脱模剂残留可能使铸件表面形成“麻点”(见图1-6) ,影响铸件品质。

图1-5 挤压铸件上的粘模图

图1-6 脱模剂残痕

(7) 缩裂与缩凹

对于比较厚大的挤压铸件而言,特别要避免壁厚发生急剧变化和局部形状发生锐角或直角变化。在工艺方面,要特别注意模具温度场的控制,强化对壁厚处的冷却,此外要保证对于厚大部位的补缩和挤压压力的有效作用。在不影响产品性能和功能的前提下,尽量选用成分接近共晶的合金,如ADC12。使用晶粒细化剂以抑制树枝晶长大也是预防此类缺陷的有效方法之一。

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