大型、薄壁、复杂铝合金精铸件由于质量小、尺寸精密、可靠性高、整体结构性好 ,在航空、航天、船舶等工业中的应用越来越广泛 ,而其铸造成形和内部品质是研制该类铸件的关键技术之一<1> 。这类薄壁复杂铝合金构件结构复杂 ,壁厚小且不均匀。平均壁厚为 3ｍｍ左右 ,局部 1～ 2ｍｍ和 2 0～ 30ｍｍ不等 ,一般的重力浇注方法难以获得形状完整的铸件 ,只有采用反重力充填技术才可使之成形。反重力充填可以提高金属液的充型能力 ,增强金属液对铸件的补缩效果 ,获得平稳的液流<2 > 。这种技术包括差压铸造、真空吸铸、低压铸造等。本文介绍采用真空吸铸、加压凝固设备研制该类 铸件。1 真空吸铸加压凝固原理及分析1.1 真空吸铸加压凝固原理真空吸铸加压凝固设备为自行研制设备,其原理如图 1所示。先将铸型或型壳置于上室并固定 ,然后将上室合上并密封 ,下室与大气相通 ;将上室按一定的抽气速率抽到一定的真空度并保持一段时间 ,使铝液平稳充型 ;将下室密封并通入气体 ,在铝液表面施加一定压力 ,使铸件在一定压力下补缩凝固。图 1 真空吸铸加压凝固原理示意图1 保温炉 2 下室 3 铸型 4 上室 5 抽真空 6 放气阀7 加压阀 8 放气阀1.2 真空吸铸加压凝固原理分析真空吸铸过程中 ,金属液在充型前已具有一定的真空度 ,铸型中受热气体的反压大大降低 ,铝液充型阻力减小 ;通常浇注时的真空度为 - 0 .0 0 2～ - 0 .0 0 4ＭＰａ ,相当于一般重力浇注时 0 .74～ 1.58ｍ高的铝液压头 ,这是一般重力浇注所难以达到的 ,所以充填速度相当快 ;另外 ,真空吸铸有利于铸型中气体的排除 ,抑制紊流及卷气的产生 ,克服了低压铸造和差压铸造的弊端 ,使金属液的充型能力明显提高。正因为如此 ,真空吸铸时 ,金属液的浇注温度可以比重力浇注时低 2 0～ 30℃ ,可浇铸壁厚相差大、薄壁、品质要求高的铸件。真空吸铸时 ,金属液的充型可以近似为射流过程<3> ,此时金属液的充填状态取决于射流的宽度、金属液的粘度、金属液进入型腔的速度、内浇道的尺寸和分布、型腔的尺寸等因素 ,在内浇道的尺寸和分布及型腔的尺寸确定后主要取决于金属液进入型腔的速度ｖ。ｖ=ＫｄＰ/ｄｔ ( 1)式中Ｋ———与升液管及坩埚截面积有关的常数ｄＰ/ｄｔ———真空度的变化率所以 ,通过选择合适的真空度变化率 ,来控制金属液进入型腔的速度 ,就可以获得平稳的充填效果。金属液在充型完毕后即进入补缩状态 ,补缩时的压力一般为 0 .0 5～ 0 .2 0ＭＰａ,根据缩松形成的新山判据<4 > :ＧＳＣＲＳＣ≤ＫＣ ( 2 )式中 ＧＳＣ———对应于临界固相率的温度梯度ＲＳＣ———对应于临界固相率的冷却速度ＫＣ———缩松判据临界值考虑压力时的判据为<5> :ＧＳＣ ＰＳＣＲＳＣ≤ＫＣ ( 3)式中 ＰＳＣ———对应于临界固相率的压力 ,对于相同的合金 ,在压力下结晶 ,金属液的补缩能力显著提高真空吸铸、加压凝固技术中 ,通过内浇道对铸件的补缩是凝固补缩的重要方式。多数情况下 ,适当增加内浇道的数量和大小对形成致密组织有利 ,但局部内浇道数量和尺寸偏大会使流经此处的金属液过多 ,导致铸型和型芯等过热 ,使型芯受到损害 ,而且在补缩无力时会产生非热节缩松。对壁厚悬殊的复杂铸件 ,远离内浇道的厚大部位难以受到压力的补缩 ,适当安置冒口和冷铁是在此处获得致密组织的重要手段之一。真空吸铸时 ,远离内浇道处的温度一般较低 ,但由于比较厚大 ,金属液的热含量高 ,不会在短时间内凝固。在大小适当的冒口中 ,由于自然对流的作用 ,会形成对补缩有利的温度分布 ,配合冷铁的使用 ,可以消除此处的缩松等缺陷。2 典型铸件试制以增压器叶轮铸件为典型铸件 ,增压器叶轮铸件壁厚相差很大 ,叶片部分壁厚仅为 1～ 2ｍｍ ,中心部位厚大 ,一般为50～ 2 0 0ｍｍ ;铸件性能和品质要求高 ,不允许有气孔和夹杂等缺陷 ;工作转速一般为 30 0 0 0～ 700 0 0ｒ/ｍｉｎ。普通浇铸方法叶片难以成形 ,并且难以保证叶轮心部的组织致密。本研究采用石膏型和熔模型壳 ,叶轮小端作为内浇道 ,利用自行研制的真空吸铸、加压凝固设备成功地研制出多种叶轮铸件 ,如图 2所示。叶轮铸件经Ｘ射线透视和荧光检验合格 ,低倍腐蚀叶轮心部未见疏松 ,铸件组织致密。某叶轮铸件切取性能如表 1所示。图 2 各种叶轮铸件表 1 叶轮铸件切取性能 (ＺＬ10 5Ａ)切取部位σｂ/ＭＰａσ0 .2 /ＭＰａδ5 / %轮心 (轴向 ) 340 2 35 9轮底 (旋向 ) 365 2 55 1 0 .53 结 论真空吸铸、加压凝固技术是浇铸大型、薄壁、复杂铝合金铸件的有效方法之一 ,配合合适的内浇道及冒口、冷铁 ,可浇铸出形状复杂、壁厚相差大、质量要求高的铸件薄壁复杂铝合金精铸件真空吸铸工艺研究@熊艳才$北京航空材料研究院
@周永江$北京航空材料研究院
@洪润洲$北京航空材料研究院铝合金铸件;;精密铸造;;真空吸铸;;加压凝固以薄壁复杂铝合金精密铸件为对象 ,分析并采用真空吸铸、加压凝固技术 ,研制该类铸件1 叶荣茂 .有色合金薄壁件精密铸造工艺的发展和它的特点 .特种铸造及有色合金 ,1 995(2 ) :33～ 34
2 曾建民 ,周尧和 .薄壁铸件及其反重力成形技术 .航空精密制造技术 ,1 999(3) :1 7～ 1 9
3 吕衣礼 ,张启勋 ,周尧和 .薄壁件反重力铸造中流体充填形态 .特种铸造及有色合金 ,1 994(4) :1～ 4
4 闻星火 ,何丙军 ,童本行等 .压力条件下缩松判据的研究 .清华大学学报 (自然科学版 ) ,1 999(8) :54～ 56
5 张毅 .铸造工艺CAD及其应用 .北京 :机械工业出版社 ,1 994 ,周尧和 .薄壁铸件及其反重力成形技术 .航空精密制造技术 ,1 999(3) :1 7～ 1 9
3 吕衣礼 ,张启勋 ,周尧和 .薄壁件反重力铸造中流体充填形态 .特种铸造及有色合金 ,1 994(4) :1～ 4
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