反重力鑄造低壓鑄造

反重力鑄造概述

低壓鑄造是液體金屬在壓力（一般為氣體壓力） 作用下，完成充型及凝固過程而獲得鑄件的一種鑄造 方法。由于作用的壓力較低（一般為2070kPa）， 故稱為低壓鑄造。

低壓鑄造可生產(chǎn)的鑄型可使用砂型、金屬型、 熔模殼型、石膏型、及石墨型等，可生產(chǎn)鋁合金、銅 合金、鐵合金等材質(zhì)的鑄件。

反重力鑄造原理

低壓鑄造分為5個階段，合型、升液階段、沖型階段、凝固階段、頂出。

低壓鑄造的工藝規(guī)范包括壓力、增壓速度、鑄型預(yù)熱溫度、澆注溫度，以及鑄型的涂料等。

低壓鑄造的鑄型有金屬型和非金屬型兩類。金屬型多用于大批、大量生產(chǎn)的有色金屬鑄件，非金屬鑄型（如砂型、石墨型、陶瓷型和熔模型殼等）多用于單件小批量生產(chǎn)，生產(chǎn)中采用較多的是砂型，要求造型材料的透氣性和強(qiáng)度應(yīng)比重力澆注時高。

反重力鑄造特點(diǎn)

1)澆注壓力和速度便于調(diào)節(jié)，適于不同材料的鑄型；

2)充型平穩(wěn)，對鑄型沖擊小，可有效控制卷氣和夾渣，防止合金氧化，有效克服鋁合金針孔缺陷；

3)便于實(shí)現(xiàn)順序凝固，以防止縮孔和縮松；

4)鑄件的表面質(zhì)量受鑄型材料影響較大；

5)一般情況下不需要冒口，使金屬液的收得率大大提高，一般可達(dá)90%；

6)勞動條件好，設(shè)備簡單，設(shè)備費(fèi)用比壓鑄低，易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動化。

反重力鑄造技術(shù)是指液態(tài)金屬充填鑄型的驅(qū)動力與重力方向相反,金屬液沿重力的相反方向流動。反重力鑄造中金屬液實(shí)際上是在重力和外加驅(qū)動力共同的作用下充型。外加驅(qū)動力在金屬液充填過程中是主導(dǎo)力,它使金屬液克服其自身重力、型腔內(nèi)阻力以及其它外力的作用完成充填鑄型。由于外加驅(qū)動力的存在,使得反重力鑄造成為一種可控工藝,在金屬液充填的過程中,通過控制外加力的大小可以實(shí)現(xiàn)不同充型速度的充填,滿足不同工藝的要求;同時,使鑄件在一較大力的作用下凝固,提高金屬液的補(bǔ)縮能力,降低縮孔、氣孔和針孔等鑄造缺陷。

反重力鑄造概述

差壓鑄造又稱反壓鑄造、壓差鑄造。是在低壓鑄造的基礎(chǔ)上，鑄型外罩個密封罩，同時向坩堝和罩內(nèi)通入壓縮空氣，但坩堝內(nèi)的壓力略高，使坩堝內(nèi)的金屬液在壓力差的作用下經(jīng)升液管充填鑄型，并在壓力下結(jié)晶。

反重力鑄造原理

差壓鑄造按工作時壓力筒內(nèi)充氣壓力的大小可分為，低壓、中壓、高壓差壓鑄造，按壓差產(chǎn)生的方式可分為增壓法、減壓法差壓鑄造技術(shù)。

差壓鑄造分為6個階段：充氣階段、壓力平衡階段、升液階段、沖型階段、保壓階段、互通排氣階段。

反重力鑄造特點(diǎn)

1)充型速度可以準(zhǔn)確控制，以獲得最佳充型速度。

2)鑄件成形性好，表面粗糙度值低。

3)鑄件晶粒細(xì)小，組織致密，力學(xué)性能高，與低壓鑄造相比，鑄件抗拉強(qiáng)度可提高10-50%，伸長率可提高25-50%。

4)提高了金屬的利用率，可減小冒口的尺寸或不設(shè)冒口。

5)能用氣體作為合金元素，故可往一些合金（如鋼）中溶入N2，提高合金強(qiáng)度和耐磨性能。

6)設(shè)備較龐大，操作麻煩。

反重力鑄造概述

真空吸鑄是利用真空系統(tǒng)裝置，在結(jié)晶器內(nèi)造成負(fù)壓，將熔融金屬從坩堝吸入圓筒形石墨鑄型或金屬型中，并保持一定時間而獲得鑄件的方法。

反重力鑄造原理

真空吸鑄的基本原理是，將與真空系統(tǒng)連接的結(jié)晶器（即鑄型），浸入金屬液，抽真空使結(jié)晶器內(nèi)成負(fù)壓而將金屬液吸入，由于結(jié)晶器壁內(nèi)通有循環(huán)冷卻水，所以其中的金屬液實(shí)現(xiàn)由外向中心的順序凝固，當(dāng)凝固層達(dá)到所需尺寸時，關(guān)閉真空泵使結(jié)晶器內(nèi)未凝固的金屬液返回坩堝。這樣就獲得了筒形鑄件，鑄件的長度取決于結(jié)晶器的長度，厚度則取決于凝固時間。

反重力鑄造特點(diǎn)

1）由于結(jié)晶器內(nèi)的空氣壓力小，減小了金屬液在充型時的吸氣傾向。

2）獲得鑄件的組織致密、晶粒細(xì)小、無氣孔和砂眼等缺陷，使鑄件的機(jī)械性能提高。

3）鑄件不用澆口、冒口，減少了金屬的消耗。

4）生產(chǎn)率高，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動化。

5）通過控制凝固時間，可以生產(chǎn)不同壁厚的管子。

6）不能生產(chǎn)形狀復(fù)雜的鑄件，且鑄件的內(nèi)表面不光滑，尺寸不易控制。

由于以上特點(diǎn)，真空吸鑄主要用來生產(chǎn)內(nèi)燃機(jī)的銅合金軸套和鋁合金錠坯。

反重力鑄造工藝流程

反重力鑄造工藝包括澆注位置的選擇、澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、冒口和冷鐵的合理使用以及最佳工藝參數(shù)的確定等內(nèi)容。

1、鑄件的澆注位置及澆注系統(tǒng)

反重力鑄造中，鑄件凝固時主要通過澆口補(bǔ)縮。因此，確立澆注位置時，應(yīng)使鑄件的凝固順序朝著澆口方向進(jìn)行。通常，將鑄件的薄壁位置置于遠(yuǎn)離澆口位置，讓金屬液從厚壁處引入。為使鑄件厚壁位置的熱分布合理，可采用分散澆口，直接利用內(nèi)澆口進(jìn)行補(bǔ)縮。

2、冒口和冷鐵

冷鐵常與冒口或澆注系統(tǒng)配合使用，以加強(qiáng)冒口或澆口的補(bǔ)縮，但也可單獨(dú)使用，用來加快鑄件局部熱節(jié)處的冷卻速度，保證鑄件整體的順序凝固。

3、反重力鑄造工藝參數(shù)的確定

1) 升液管直徑的確定 確定時，首先要考慮鑄件重量預(yù)計(jì)充型時間和充型速度，然后確定對升液管的流量要求，再根據(jù)充型速度和流量要求計(jì)算升液管的直徑;其次，從保證鑄件的順序凝固所要求的熱平衡角度來考慮。升液管要便于壓力傳遞，有利于補(bǔ)縮，金屬液充型時，不產(chǎn)生紊流，清理和噴刷涂料方便。升液管的材料根據(jù)合金的種類及對鑄件質(zhì)量的要求確定，對于普通鋁合金鑄件，采用鋼管或鑄鐵管即可;合金對含鐵量要求比較高時，可采用鈦合金或或陶瓷升液管。

2) 充型壓力的確定 充型壓力指金屬液充滿型腔所需要的壓力，其大小與鑄件的形狀高度、坩堝形狀、金屬熔化量等有關(guān)。如果坩堝的形狀、大小不變，熔化量已知，鑄件澆注量核定準(zhǔn)確，則可比較精確地計(jì)算出充型壓力。然而，在砂型反重力鑄造中，連續(xù)澆注幾個不同的鑄件時，充型壓力的精確計(jì)算比較困難。為此，每次澆注之前，可測量坩堝內(nèi)液面距離升液管口的實(shí)際高度近似計(jì)算充型壓力。

3) 結(jié)晶壓力的選擇 結(jié)晶壓力是為鑄件結(jié)晶創(chuàng)建一個高壓條件。金屬在壓力下結(jié)晶，使晶粒細(xì)化，組織致密。結(jié)晶壓力越大，機(jī)械性能越高。但過高的結(jié)晶壓力會給反重力設(shè)備帶來困難，且鑄件強(qiáng)度增加很少。壓力過小，會降低反重力鑄造的擠濾及塑性變形作用，不利于補(bǔ)縮和抑制金屬液中氣體的析出，鑄件易產(chǎn)生疏和微觀縮孔。選擇結(jié)晶壓力時，要考慮鑄件結(jié)構(gòu)、合金的結(jié)晶特性。鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜時，選擇較大的壓力;合金結(jié)晶范圍較寬時，選擇較高的壓力。

4) 升液、充型速度的確定 在升液管出口面積固定的情況下，充型速度取決于坩堝液面上的加壓速度。加壓速度分升液和充型兩個階段，金屬液由坩堝液面上升到橫澆道為升液，要求液流平穩(wěn)、緩慢，以利于型腔中氣體的排出，防止升液管出口處出現(xiàn)噴濺和翻滾，避免產(chǎn)生二次氧化夾渣。充型階段的流速需根據(jù)鑄件的壁厚大小、復(fù)雜程度和合金種類等因素確定。一般情況下，充型速度應(yīng)當(dāng)比升液速度略快，這樣有利于補(bǔ)縮，減少二次夾渣的產(chǎn)生。

5) 保壓時間 鑄型內(nèi)金屬液在壓力作用下保持到鑄件完全凝固結(jié)束的時間為保壓時間。保壓時間大體上接近鑄件凝固所需要的時間。若保壓時間過短，金屬沒有完全凝固，未凝固的金屬液通過升液管返回坩堝，鑄件得不到充分補(bǔ)縮，甚至不能成形，造成鑄件報廢;保壓時間過長，使?jié)部跉埩暨^長，清理困難，有時甚至?xí)股汗艹隹趦鼋Y(jié)，影響生產(chǎn)。保壓時間的長短與鑄件的壁厚、合金種類、鑄型性質(zhì)以及結(jié)晶凝固壓力有關(guān)。鑄件壁越厚、合金的結(jié)晶溫度范圍越寬，保壓時間越長。砂型反重力鑄造的保壓時間比金屬型的長。結(jié)晶凝固壓力越大，保壓時間越短。

6) 澆注溫度 一般情況下，在保證金屬液的充填和補(bǔ)縮能力的前提下，應(yīng)盡可能使?jié)沧囟鹊鸵恍?。反重力鑄造其成型能力遠(yuǎn)高于重力鑄造，所以，其澆注溫度應(yīng)比重力鑄造低5-10°C。

反重力鑄造特點(diǎn)

1）充型速度可控：反重力鑄造一般用于生產(chǎn)有色合金鑄件，鑄件的成形能力和內(nèi)部質(zhì)量尤其是尺寸和壁厚對充型速度有比較嚴(yán)格的要求，充型速度可以通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的控制。

2）成形性好、表面光潔：反重力鑄造時，金屬液是在壓力下充填成形，在工藝參數(shù)選擇合理的情況下，所獲得的鑄件輪廓清晰，對于薄壁件的生產(chǎn)，更是如此；反重力鑄造時有壓氣體充塞于砂型空隙，且在金屬液與砂型之間形成一層氣相保護(hù)層，將兩者隔開，可以減少金屬液對鑄型的熱力及化學(xué)作用，可降低鑄件的表面粗糙度。

3）鑄件晶粒細(xì)、組織致密、機(jī)械性能高：金屬液在壓力下結(jié)晶凝固，初凝枝晶在壓力的作用下會發(fā)生變形、破碎，而且冷卻速度快，因而晶粒細(xì)小；同時，壓力能提高補(bǔ)縮能力和抑制金屬液中氣體的析出，使疏松和微觀氣孔大為減少。所以，鑄件的機(jī)械性能得到明顯的改善。

4）可實(shí)現(xiàn)可控氣氛下澆注：反重力鑄造時，可對上室、下室或者上下室的氣氛進(jìn)行控制。利用反重力鑄造澆注鋁合合鑄件時，使用除油干燥的壓縮空氣即可，但對于鎂合金，必須注意金屬液和鑄型的環(huán)境氣氛，因?yàn)殒V合金在空氣中會發(fā)生燃燒?？煽貧夥盏氖褂脩?yīng)根據(jù)鑄件質(zhì)量的要求及鑄件的輪廓尺寸等因素決定。

5）提高了金屬的利用率：反重力鑄造時，鑄件凝固收縮可以不斷地得到來自內(nèi)澆口金屬液的補(bǔ)縮；加之壓力的擠濾和塑性變形的作用，強(qiáng)化了冒口的補(bǔ)縮效果，冒口尺寸可相應(yīng)減小甚至不需要。

6）鑄件可進(jìn)行熱處理：與壓力鑄造相比，利用反重力鑄造方法生產(chǎn)鑄件時，充型速度較慢，液面平穩(wěn)，型內(nèi)氣體可以順利排出，所以，鑄件內(nèi)部的氣孔很少、甚至沒有，故可像重力鑄造成形的鑄件一樣進(jìn)行熱處理。2100433B

反重力鑄造(Counter—Gravity Casting，CGC)是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來的一種鑄件成形工藝．是帕斯卡原理在鑄造生產(chǎn)中的應(yīng)用。就其工藝而言，它是介于壓力鑄造和重力鑄造之間的一種液態(tài)成形方法。合金液充填鑄型的驅(qū)動力與重力方向相反，合金液沿與重力相反方向流動。與重力鑄造相比，反重力鑄造液態(tài)成形過程中熔體的流態(tài)可控，可以通過外力的作用來增強(qiáng)凝固補(bǔ)縮能力，因此，這種工藝方法可以做到液態(tài)充型平穩(wěn)，鑄件組織致密，鑄造缺陷能夠得到有效控制，是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鑄件的優(yōu)選方法。

由于外加驅(qū)動力的存在，使得CGC成為一種可控工藝，在金屬液充填過程中，通過控制外加力的大小可以實(shí)現(xiàn)不同充型速度的充填，滿足不同工藝的要求。同時，充填結(jié)束后可以繼續(xù)增加外力，使鑄件在一較大力的作用下凝固，提高金屬液的補(bǔ)縮能力，降低縮孔、氣孔和針孔等鑄造缺陷。近幾十年來，相繼出現(xiàn)了多種CGC方法，根據(jù)金屬液充填鑄型驅(qū)動力的施加形式不同，CGC技術(shù)可以分為低壓鑄造、差壓鑄造、調(diào)壓鑄造等。