消失模铸造铝液充型速度研究 - 文章

消失模铸造铝液充型速度研究

作者：吴国华罗吉荣

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摘　要：研究了各工艺因素对消失模铸造铝液在型腔中平均流速的影响。结果表明，保温涂料及一定的涂层厚度有利于提高铝液的充型速度。浇注温度越高、直浇道空心面积率越大，铝液充型速度越快。模样厚度越大，铝液充型速度越慢。一定的直浇道长度及直浇道面积有利于提高铝液的充型速度。施加负压会使铝液的充型速度大大提高。
关键词：铝合金　消失模铸造　充型

干砂消失模铸造是铸造工艺的一个重要发展方向，被誉为21世纪的铸造技术，其成形理论不同于传统的湿砂型铸造［1，2］。但对于铝合金干砂消失模铸造，有两个关键问题有待解决，一是充型能力差，二是铝铸件针孔严重、晶粒粗大、气密性差。为了让聚苯乙烯热解产物能尽快排出型腔并保证铝液有足够的充型能力，铝液的浇注温度一般高达760～800 ℃，比普通空腔铸造高得多。由于浇注温度高，铝液熔炼以及精炼、变质的难度大大增加，再加上消失模铸造本身的特点，生产的铝铸件往往针孔严重、晶粒粗大、气密性差。因此，提高干砂消失模铸造铝液的充型能力，减少其针孔是个需要迫切解决的一大难题。目前已有一些学者对铝合金干砂消失模铸造充型特性进行了一些研究，但由于各人的试验研究条件不同，以至于得到的结论不完全一致，有些甚至是矛盾的。由于铝液的充型特性对铝铸件针孔的形成、泡沫塑料模样热解产物的排除、以及铸件的内在质量均有较大影响，研究铝液的充型特性有利于进行铝合金消失模铸造工艺设计，因此有必要进一步研究消失模铸造铝液的充型特性，以便为生产提供理论指导。

1　试验方法

试验采用的铝合金各元素的质量分数为：w(Si)=9.5%、w(Mn)=0.5%、w(Mg)=0.22%、w(Fe)=0.45%，其余为Al。合金在5 kW电阻坩埚炉中熔化、保温。采用多孔头吹氩装置对铝液进行吹氩精炼，多孔头的孔径为0.5～1 mm，氩气为高纯氩气，氩气经CaCl2脱湿后吹入铝液。变质采用Al-10%Sr中间合金。

熔炼好的铝液直接浇注条形试样，试样的长度和宽度分别为240 mm和45 mm，厚度有5 mm、10 mm、20 mm三种规格。模样和浇注系统用热电阻丝从固体泡沫塑料板上切割而得，聚苯乙烯模样的密度为20 kg/m3，水平放置侧注。在模样表面涂挂上自制的铝合金消失模涂料，待其停止滴淌后，放入55～60 ℃的烘箱中烘干。涂层厚度为0.2～0.3 mm。造型采用50～100目的江西都昌砂，型砂由三维振动台紧实。

采用本校研制的气化模充型试验仪研究消失模铸造铝液的充型速度。在模样中预埋若干触点(0～n点)，0点接地，1～n点通过一电阻接高电平。每个电极触点由细铜导线与数据采集系统的一个通道组成一开式电路。利用金属液体的导电性能，当铝液流经电极触点时，开式电路被接通，铜导线之间的电压开始迅速下降，可视为铝液流动前沿的到达。通过测定各触点的电压变化，就可获得金属液到达各触点的时间，从而间接地获得流动前沿的位置。该法简单实用，测试的数据稳定可靠。数据采集仪的采样时间间隔为0.1 s。

2　试验结果与分析

在大量初步试验的基础上，选定涂料种类、浇注温度、模样厚度、直浇道长度、直浇道面积、直浇道空心面积率、涂层厚度、负压度等因素，按L18(2×37)正交表进行正交试验设计，试验因素和水平如表1所示。以考察各因素对铝液流动速度的影响。充型时间取铝液从模样上离内浇道5 mm处第一个电极触点所处位置始至全部充满型所用的时间，平均流速用这段充型距离(235 mm)除以充型时间而获得。

表1　正交设计因素及水平表

水平	涂料种类	浇注温度 ℃	模样厚度 mm	直浇道长度 mm	直浇道面积 mm²	直浇道空心面积率 %	涂层厚度 mm	负压度 MPa
1	激冷	740	5	100	20×20	0	0.2	0
2	保温	770	10	150	25×25	50	0.5	0.02
3		800	20	200	30×30	75	0.8	0.04

2.1　涂料种类的及涂层厚度影响

干砂消失模铸造过程中，需要在模样表面涂挂一层耐火涂料。涂料对消失模铸造的成败起着关键性作用。涂料种类对铝液平均流速的影响列于表2，采用两种涂料，一种为硅藻土保温涂料，另一种为镁砂粉激冷涂料。可见，涂料种类对铝液的充型速度有影响，采用保温涂料有利于提高铝液的充型速度。消失模铸造采用干砂造型，其激冷只有湿砂型的1/3～1/2，但由于合金充型速度只有湿砂型的1/4，合金充型时因涂层散热而损失的热量仍然很高，因此，其他条件一定时，涂层的保温性好坏，是减少热量损失提高金属充型能力的一个关键因素。为提高消失模铸造铝液的充型能力，应尽量采用保温涂料。

表2　涂料种类对铝液平均流速的影响

涂料种类	保温涂料	激冷涂料
平均流速/mm^.s^-1	119.17	103.12

涂层厚度对铝液平均充型速度的影响如图1所示。

图1　涂层厚度对充型速度的影响

涂层厚度对充型速度的影响有一个峰值，当涂层厚度太小时，铝液散热快，故充型速度较低，当涂层厚度太大时，由于泡沫塑料模样热解产物难以排除，在型腔内形成气压，这会阻碍铝液的充型，故充型速度下降。可见，为提高铝液的充型速度，应有一个合适的涂层厚度。

2.2　浇注温度的影响

浇注温度对铝液平均流速的影响如图2所示，浇注温度越高，铝液平均流速越大。这是因为浇注温度越高，铝液所含的热量越多，粘度也越小，有助于铝液的充型。但对于铝合金干砂消失模铸造，若浇注温度太高，则铝液熔炼、精炼和变质的难度大大增加，铝液吸气严重，且会降低铝液的凝固速度，从而使铝件针孔增加，气密性下降。一般浇注温度以760～780 ℃为宜。

图2　浇注温度对充型速度的影响

2.3　模样厚度的影响

模样厚度对铝液平均流速的影响如图3所示，在此条件下，模样厚度越大，则铝液充型速度越慢，这是因为模样越厚，模样热解需消耗较多热量，此外流动截面增大，均引起铝液平均流速有所下降，这与文献［3，4］的研究结果不同，文献［3，4］认为，模样厚度增大，铝液平均流速增加，可见，模样厚度对铝液充型速度的影响有其复杂性。

图3　模样厚度对充型速度的影响

模样的存在不仅影响铝液的流动形态，而且也恶化了铝液的流动性，降低了铝液的充型能力。研究表明，铝液充型前沿热解产物主要为液态，气态产物较少。铝液充型速度主要受模样材料的液态热解产物渗出涂层的速度所控制。消失模铸造铝液稳态充型速度一般为10 cm/s而相应的湿砂型铸造时其充型速度为80～100 cm/s。因此，聚苯乙烯模样对消失模铸造铝液的充型速度有着很大的影响。

2.4　直浇道长度的影响

由图4可见，随着直浇道长度的增大，铝液平均流速开始增大，但在直浇道长度增大到一定程度后，其平均流速又变小，这可解释为直浇道越长，铝液静压头越大，对铝液充型的推动力越大，有使平均流速增大的作用。但直浇道过长，由于要热解的EPS量增加，铝液需消耗较大的热量，从而温降多，使平均流速有所下降。

图4　直浇道长度对充型速度的影响

2.5　直浇道面积的影响

直浇道面积对铝液充型速度的影响如图5所示，其对铝液平均流速的影响有一个峰值。当直浇道面积太小时，由于其比表面积小，铝液散热快，故充型速度低，而当直浇道面积过大时，则由于需要热解的泡沫塑料多，即消耗的铝液热量多，不利于充型速度的提高，故直浇道面积对平均流速的影响有一个峰值，当直浇道面积适当时，铝液充型速度最大。

图5　直浇道面积对充型速度的影响

2.6　直浇道空心面积率的影响

直浇道空心面积对铝液平均流速的影响如图6所示。随着直浇道空心面积比率提高，铝液的平均流速增加。这是因为直浇道空心面积越大，则需要热解的泡沫塑料越少，铝液在充型过程中消耗的热量越少，故有利于充型速度的提高，因此为提高铝液的充型能力，应当采用空心直浇道。

图6　直浇道空心面积率对充型速度的影响

2.7　负压度的影响

由图7可见，负压度提高，铝液充型速度提高。这是因为负压加快了热解产物的排除，并降低了型腔内的压力，从而有利于铝液的充型，故充型速度大大提高。但负压度不能太高，否则会对铝件的密度产生影响。图8为负压度对铝件密度的影响。可见负压度对铝件密度的影响有一个峰值。当负压度较低时，一方面有利于热解产物透过涂层的排出，减少了热解产物对铝件针孔的影响；另一方面，由于负压度不是很高，充型的铝液不致于形成紊流，不易将热解产物卷入铝液中形成针孔。因此较低的负压度有利于减少铝件的针孔，提高其密度。而当负压度较大时，则在充型过程中产生的紊流可能把热解产物卷入铝液中形成针孔，而使铝件的密度降低。并且高的负压会降低氢在铝液中的溶解度，加剧铝液中氢的析出而增加铝件的气孔，从而进一步降低铝件的密度。本试验结果表明，对于铝合金消失模铸造，为减少铝件的针孔，负压度不能太高，以小于0.02 MPa的低负压为宜。由此可见，在考虑工艺因素对铝液充型速度影响的同时，应同时考虑其对铝件密度的影响。

图7　负压度对充型速度的影响　图8　负压度对铝件密度的影响

3　结　论

(1) 保温涂料有利于提高铝液的充型速度。为提高铝液的充型能力，应有一定的涂层厚度。
(2) 浇注温度越高，铝液充型速度越大。模样厚度越大，铝液充型速度越慢。
(3) 一定的直浇道长度及直浇道面积有利于提高铝液的充型速度。直浇道空心面积率越大，铝液充型速度越快。
(4) 施加负压有利于提高铝液的充型速度。但负压度不能太高，否则会使铝液产生紊流而增加铝件的针孔。

作者简介：吴国华,男,1964年出生,博士生,副教授,湖北武汉(430074)
作者单位：吴国华(华中理工大学)
罗吉荣(华中理工大学)

参考文献：
［1］Lessiter M J.Innovations in Controlling the Lost Foam Process.Modern Casting.1996(1):45～58
［2］Dion J L,Warda R D.Production of Aluminum Alloy Castings Using Evaporative Pattern and Vacuum Techniques.AFS Transactions,1990,130:131～140
［3］Shivkumar S.Physico-Chemical Aspects of the Full Mold Casting of Aluminum Alloys,Part Ⅱ:Metal Flow in Simple Patterns.AFS Transactions,1987,95:801～812
［4］杨军生.干砂消失模铸造铝合金充型特性研究.［博士学位论文］.北京：清华大学，1995.(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (2/21/2005)


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