壓鑄工藝介紹——反重力壓鑄

一、反重力壓鑄方法及其分類

1、特點

反重力鑄造是使液態(tài)金屬在與重力相反的力的作用下完成充型、補縮和凝固的一種鑄造方法。

與壓力鑄造和擠壓鑄造相比，為完成充型和補縮所施加的力較小，因此，液態(tài)金屬在充型過程中的流動非常平穩(wěn)，但與重力鑄造相比，鑄件又能在一定的壓力下實現(xiàn)補縮和凝固，因此是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鑄件的理想方法。

2、分類

反重力鑄造中，根據(jù)產(chǎn)生壓力方式的不同，可進一步把它分為差壓鑄造、低壓鑄造、調(diào)壓鑄造、真空吸鑄以及復合反重力鑄造等類型。從設(shè)備結(jié)構(gòu)上看，差壓鑄造、調(diào)壓鑄造、真空吸鑄和復合反重力鑄造均采用上下室形式，即保溫爐置于下室，鑄型置于上室，低壓鑄造只使用下室，鑄型置于大氣環(huán)境中。不同反重力鑄造形式產(chǎn)生壓力的方式及特點如下：

（1）低壓鑄造低

壓鑄造時，鑄型處在常壓環(huán)境之下，下室進氣，形成壓差，在壓差的作用下完成升液、充型和保壓環(huán)節(jié)。所需設(shè)備簡單，操作容易，充型過程控制簡單。一般情況下，只要保壓時的增壓滿足要求，同樣可使鑄件得到很好的補縮。與其它反重力鑄造方法相比，低壓鑄造的應(yīng)用范圍更廣。由于低壓鑄造中，鑄型處在常壓環(huán)境之下，利用金屬型鑄造時，容易實現(xiàn)金屬型的開合模以及鑄件頂出。

（2）真空吸鑄

真空吸鑄時，下室處在常壓環(huán)境，上室抽真空形成壓差，在壓差的作用下完成升液、充型和保壓環(huán)節(jié)。由于鑄型處在真空環(huán)境之下，所以，液態(tài)金屬的充型能力較好，但所建立的充型壓差受限，凝固壓力小，補縮能力較弱，適合于成形小型薄壁鑄件。

（3）差壓鑄造

差壓鑄造中，建立壓差的形式有兩種：上排氣法、下進氣法

差壓鑄造中，不僅可在壓力下完成充型和補縮，而且由于鑄型處在壓力下，能夠更好地發(fā)揮冒口的補縮，提高了鑄件的致密度。這種鑄造方法適合于生產(chǎn)大型厚壁鑄件。

（4）調(diào)壓鑄造

鑄造時上下室同時抽真空，達到指定真空度后，下室進氣，形成壓差，在壓差的作用下完成升液和充型環(huán)節(jié)后，上下室按照充型完成時的壓差同時進氣，使鑄型處在正壓環(huán)境之下，來增強鑄件的補縮能力。

優(yōu)點是：既發(fā)揮了液態(tài)金屬的充型能力，有利于成形薄壁鑄件，又能在壓力下實現(xiàn)補縮，提高鑄件的致密度。這種鑄造方法需要精確控制加壓時的壓差，對控制系統(tǒng)的要求很高。

3、特點

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格的要求，充型速度可以通過計算機實現(xiàn)準確的控制。

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層，將兩者隔開，可以減少金屬液對鑄型的熱力及化學作用，可降低鑄件的表面粗糙度。

3）鑄件晶粒細、組織致密、機械性能高：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，因而晶粒細小；同時，壓力能提高補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，鑄件的機械性能得到明顯的改善。

4）可實現(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，因為鎂合金在空氣中會發(fā)生燃燒。可控氣氛的使用應(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)澆口金屬液的補縮；加之壓力的擠濾和塑性變形的作用，強化了冒口的補縮效果，冒口尺寸可相應(yīng)減小甚至不需要。

6）鑄件可進行熱處理：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行熱處理。

二、反重力壓鑄工藝

反重力壓鑄工藝包括澆注位置的選擇、澆注系統(tǒng)的設(shè)計、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縮。因此，確立澆注位置時，應(yīng)使鑄件的凝固順序朝著澆口的方向進行。通常，將鑄件的薄壁位置置于遠離澆口位置，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)澆口進行補縮。

設(shè)計反重力鑄造的澆注系統(tǒng)時，在保證金屬液平穩(wěn)充型的前提下，充型要快，有利于擋渣、排氣和實現(xiàn)順序凝固。對于大型復雜薄壁鑄件，應(yīng)盡可能采用下寬上窄的縫隙式澆注系統(tǒng)，保證金屬液可在縫隙內(nèi)平穩(wěn)上升，以充分發(fā)揮垂直方向上的補縮，同時也不會影響其水平方向的補縮能力。

（2）冒口和冷鐵此外，冷鐵常與冒口或澆注系統(tǒng)配合使用，以加強冒口或澆口的補縮，但也可單獨使用，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）反重力壓鑄工藝參數(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計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，鑄件澆注量核定準確，則可比較精確地計算出充型壓力。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際高度近似計算充型壓力。

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，使晶粒細化，組織致密。結(jié)晶壓力越大，機械性能越高。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)當比升液速度略快，這樣有利于補縮，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，有時甚至會使升液管出口凍結(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高于重力鑄造，所以，其澆注溫度應(yīng)比重力鑄造低5-10°C。