鋁合金熔模非對(duì)稱離心鑄造工藝探究

張軍社，李汝勇

（杭州萬向職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310023）

1 傳統(tǒng)鋁合金熔模鑄造工藝及現(xiàn)狀

隨著現(xiàn)代工業(yè)及鑄造新技術(shù)的發(fā)展，對(duì)鋁合金鑄件的需求量越來越大，要求也越來越高，要求鑄件尺寸精確、表面質(zhì)量和內(nèi)部冶金質(zhì)量好，表面粗糙度一般要求Ra在 0.8～3.2之間，并且向大型、薄壁、復(fù)雜、整體的方向發(fā)展。大型、薄壁鑄件一般指鋁合金精密鑄件的外廓尺寸大于500mm、平均壁厚小于2mm。目前，發(fā)達(dá)國家可以生產(chǎn)的鋁合金熔模精密鑄件，最大外廓尺寸在800-1000mm。

鋁合金熔模鑄件可以采用重力鑄造和反重力鑄造。重力鑄造可以在大氣下進(jìn)行，也可以在真空條件下進(jìn)行，石膏型鑄造須在真空下進(jìn)行澆注。重力鑄造無法實(shí)現(xiàn)對(duì)充型壓力的良好控制，無論澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)的多么合理，都很難避免飛濺和紊流，易使鑄件產(chǎn)生欠鑄、疏松、氧化夾雜等鑄造缺陷。如果采用與重力相反的方向?yàn)楹辖鹨禾峁┏湫蛪毫?，使合金液由下至上“反向充填”型腔，即反重力鑄造，則有可能實(shí)現(xiàn)對(duì)充型壓力的準(zhǔn)確控制。 根據(jù)充型壓力引入方式的不同，反重力鑄造又可分為低壓鑄造、真空吸鑄和差壓（正壓或負(fù)壓）鑄造。

在現(xiàn)有的鋁合金熔模鑄造工藝中，為了提高鑄件成品率，采取了大量的措施和手段，雖然鑄件的質(zhì)量有一定的提高，但還是不盡人意。

特別是內(nèi)型復(fù)雜鑄件及薄壁鑄件的成型問題，根本原因是鋁合金質(zhì)量輕，澆注以后充型能力差等原因造成。下面我們就分析一下由于鋁合金密度小而造成鑄造缺陷的原因。

1）質(zhì)量小重量就小，鋁合金溶液流動(dòng)性就差。我們?cè)跐沧⑦^程中模殼溫度比鋁合金溶液溫度低，模殼對(duì)澆注到模殼中的鋁合金溶液有冷卻作用，降低了的鋁合金溶液流動(dòng)性就更差，自然充型能力就差。對(duì)于復(fù)雜鑄件來說，甚至有的地方還沒有充滿之前就已經(jīng)凝固了，失去了流動(dòng)性，就會(huì)產(chǎn)生欠鑄現(xiàn)象。

2）由于重量小，對(duì)模殼透氣性要求就高。在鋁合金澆注過程中模殼內(nèi)部有大量的空氣需要排出，當(dāng)然我們?cè)诮M型過程中設(shè)計(jì)了冒口等排氣系統(tǒng)，但有的部位空氣還是需要靠溶液產(chǎn)生的重力擠壓通過模殼透氣性排氣，鋁合金溶液重力越大對(duì)氣體擠壓力就大，排氣效果就好。當(dāng)然對(duì)于充型后包裹在鋁合金溶液中的氣體來說，要想排除只有通過自身浮力上升的方法，由于重力小浮力就小，自然排出空氣的效果就差。

3）同樣也會(huì)產(chǎn)生疏松現(xiàn)象。澆注以后，鋁合金溶液要逐步冷卻凝固，由于鋁合金溶液重量小，補(bǔ)縮壓力就會(huì)下降，同時(shí)流動(dòng)性也變差，就會(huì)造成補(bǔ)縮能力差，產(chǎn)生疏松現(xiàn)象，使鑄件強(qiáng)度得不到保證。

4）同樣也會(huì)產(chǎn)生氧化夾雜等現(xiàn)象。氧化夾雜物質(zhì)比重比鋁合金溶液密度小，澆筑過程中隨著液流進(jìn)入模殼內(nèi)部（冶煉過程中產(chǎn)生的氧化雜質(zhì)在澆注過程中有過濾網(wǎng)，但還是會(huì)有細(xì)小的雜質(zhì)），只有靠自身浮力上升到澆道、輔助澆道等部位。鋁合金密度小自然氧化夾雜浮力就小，上浮的速度就慢，來不及析出，隨著溶液凝固就夾雜在鑄件中了。

5）為了防止由于鋁合金密度小而造成鑄件缺陷，所以在鑄件模具設(shè)計(jì)、蠟?zāi)＝M型工藝、涂料工藝、模殼焙燒以及模殼澆注溫度控制等過程中絞盡腦汁，大大影響了工作效率。盡管鑄件成型了，但為保證成型，后加工余量也很大。

通過以上分析可以看出，由于鋁合金密度小，致使按現(xiàn)有的鋁合金熔模鑄造技術(shù)很難較理想解決鑄造缺陷，能不能找到一種通過增加鋁合金溶液重力的方法來解決這個(gè)問題呢？

2 非對(duì)稱離心機(jī)械探究

鋁合金鑄造工藝中有一種離心鑄造工藝，這種工藝主要是對(duì)于圓形桶件，通過模具旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力，這樣鋁合金溶液澆注到內(nèi)腔使鋁合金溶液旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力的鑄造工藝，大大提高成品率和鑄造缺陷，但鑄件內(nèi)壁加工余量較大，這種工藝不適合非對(duì)稱熔模鑄造。但根據(jù)這種工藝原理，我們可以對(duì)其加以變形改造應(yīng)用到鋁合金熔模鑄造工藝中。

在鋁合金熔模鑄造工藝中，模殼經(jīng)過焙燒后在規(guī)定溫度下就可以進(jìn)行鋁合金溶液澆注了，當(dāng)然這是在靜止地球引力作用下澆注。我們不妨簡單設(shè)想一下，讓焙燒后的模殼以澆口上方某一點(diǎn)做圓周運(yùn)動(dòng)，這種圓周運(yùn)動(dòng)在水平面上進(jìn)行（就好像是人們?cè)谟螛穲@坐的做圓周運(yùn)動(dòng)游樂飛機(jī)），以一定速度做圓周運(yùn)動(dòng)就會(huì)產(chǎn)生離心力，根據(jù)離心力計(jì)算公式：

可以看出離心力大小與質(zhì)量、圓周角速度平方、旋轉(zhuǎn)半徑成正比，根據(jù)此公式：當(dāng) r=2米、ω=3.1415*2（也就是1周/秒）時(shí)，離心加速度a=78.95米/秒平方，是重力加速度的8倍，這樣就相當(dāng)于大大提高鋁合金的重力。具體方法是根據(jù)以上原理，讓模殼做圓周運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，把鋁合金溶液從旋轉(zhuǎn)中心位置澆注，通過擺臂導(dǎo)流裝置將溶液導(dǎo)流到模殼澆注口，這樣液流在較大離心力作用下迅速充滿到模殼內(nèi)部。當(dāng)然這個(gè)離心力可能太大，但根據(jù)模殼強(qiáng)度，可以調(diào)整離心力大小。這是非對(duì)稱離心鑄造基本設(shè)想，當(dāng)然要實(shí)現(xiàn)這種鋁合金熔模非對(duì)稱離心鑄造工藝有以下問題需要解決：

1）由于鋁合金溶液在較大的離心力作用下沖入模殼內(nèi)部，對(duì)模殼內(nèi)壁擠壓力很大，這就要求采取必要工藝保證模殼不至于破裂。為了提高模殼抗破裂能力，我們可以在涂料時(shí)，使外殼適當(dāng)加厚，同時(shí)在焙燒工藝中，將模殼放置于專門用鋼板制作的圓形容桶中，將模殼放入后，在容捅內(nèi)壁與模殼之間填充顆粒狀（較大）耐火材料，焙燒后，將容捅和模殼一起放到離心機(jī)上做圓周運(yùn)動(dòng)，這樣耐火填充物在澆注過程中對(duì)模殼起到支撐作用。

2）蠟?zāi)＝M型工藝中，主澆道設(shè)計(jì)適當(dāng)降低高度，澆口向正上方，便于鋁合金液流注入到澆口里。

3）在澆注過程中，由于模殼做圓周運(yùn)動(dòng)，所以必須還要在離心機(jī)上設(shè)計(jì)專門外部導(dǎo)流系統(tǒng)，這套導(dǎo)流系統(tǒng)必須加熱保溫，并且溫度可以控制，不能使鋁合金溶液流過導(dǎo)流裝置時(shí)溫度降低。

4）由于將模殼等放到離心機(jī)做圓周運(yùn)動(dòng)，再加上澆注到模殼里的鋁合金溶液，產(chǎn)生巨大的偏心離心力，因此必須在另一端等臂加上平衡物，這樣旋轉(zhuǎn)后會(huì)得到適當(dāng)平衡。為了將模殼容捅吊掛到離心機(jī)擺臂上，需要設(shè)計(jì)專門吊掛裝置。

5）由于旋轉(zhuǎn)半徑較大，因此離心機(jī)采用坑道式設(shè)計(jì)，坑道內(nèi)空氣需要循環(huán)，采用外吸式通風(fēng)裝置。離心機(jī)轉(zhuǎn)速能夠根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。

6）由于旋轉(zhuǎn)過程中風(fēng)力作用，在澆筑前模殼做圓周運(yùn)動(dòng)這時(shí)模殼不能風(fēng)吹降溫，因此必須設(shè)計(jì)擋風(fēng)板。澆注后為了讓模殼降溫?fù)躏L(fēng)板自動(dòng)按一定速度提起，并且還要專門設(shè)計(jì)一套裝置使容捅轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣使模殼冷卻均勻，實(shí)現(xiàn)從模殼底部向澆口方向順序冷卻，冷卻速度可以調(diào)整。

把離心鑄造用到鋁合金熔模鑄造工藝中是一種新的鑄造工藝，需要從全新角度考慮問題，當(dāng)然還有一些問題需要考慮解決，比如，離心力作用下的重金屬偏析問題，但這種非對(duì)稱離心鑄造和平常我們常用的對(duì)稱離心鑄造有所不同，后者產(chǎn)生的離心力要大的多，因此偏析現(xiàn)象比較明顯。如果前者產(chǎn)生一些不大的偏析現(xiàn)象，完全可以通過順序冷卻等手段解決。

3 非對(duì)稱離心鋁合金熔模鑄造工藝優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：

1）采用此種工藝可以大大減少鑄件在

傳統(tǒng)熔模鑄造工藝中缺陷，特別是成型、疏松缺陷，提高鑄件強(qiáng)度，提高成品率。

2）在此種工藝中，在鋁合金溶液凝固過程中，可以通過非對(duì)稱離心機(jī)設(shè)計(jì)，在鋁合金溶液凝固過程中實(shí)現(xiàn)高頻振動(dòng)，結(jié)晶組織致密、均勻，增加鑄件的強(qiáng)度。同時(shí)由于模殼澆注后轉(zhuǎn)動(dòng)和順序冷卻，不但具有很強(qiáng)的補(bǔ)縮作用，而且大大減少內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生。

3）此種工藝能夠解決內(nèi)型復(fù)雜、精度高、傳統(tǒng)熔模不能解決的問題，特別是航空航天等要求較高、附加值較高的鋁合金鑄件。

4）可以簡化傳統(tǒng)鋁合金熔模工藝中澆注系統(tǒng)，簡化蠟?zāi)＝M型要求等。

5）離心力、冷卻順序和速度等可以調(diào)整。

缺點(diǎn)：

1）此種工藝由于使用了非對(duì)稱離心機(jī)機(jī)械，占用的空間大，費(fèi)用較高。

2）由于離心力較大（可以調(diào)整），非對(duì)稱離心機(jī)強(qiáng)度要求高，對(duì)模殼強(qiáng)度要求也較高，要采用專門焙燒容捅，并有吊裝設(shè)備。

3）生產(chǎn)效率較低，但成品率會(huì)得到很大提高。

4）高度較大鑄件可能出現(xiàn)合金中比重較大合金金屬元素偏析現(xiàn)象。

4 結(jié)束語

我在鋁合金熔模鑄造行業(yè)好多年了，總相探索出一種全新熔模鑄造方法，可能設(shè)計(jì)思路存在不足，希望讀者提出寶貴意見！