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铸造锌铝系合金底缩现象探讨 |
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作者：四川农业大学 端木光明 |
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摘 要 锌铝系合金铸造时出现反常的底部缩孔，而用一般上置式冒口对此类缩孔的补缩效果甚微。由于重力偏析造成的异常成分过冷导致底缩现象，因此针对成因提出消除或减轻底缩的途径。
关键词： 锌铝系合金 底缩 成分过冷 重力偏析
锌铝系合金因具有一些优良性能，如熔点低、强度高等特点而应用日趋广泛。特别是作为易熔模具合金使用较多。但中大型锌铝系铸件如采用一般的铸造方法，常在铸件底部而不是上部出现缩孔或缩松，即出现底缩现象。这种底缩孔很难用通常采用的上置式冒口进行补缩。故解决底缩问题对锌铝系合金的应用至关重要。
1 底缩现象
液态合金凝固时，由于液态下的热胀冷缩和液固转变时的凝固收缩，都将在最后凝固部位——一般在铸件的厚部的上部产生缩孔(松)，而通常在这些部位上方设置冒口进行补缩，即可解决缩孔(松)问题。
而锌铝系合金用常规方式铸造 ，产生的缩孔却出现在厚部的下部，有些缩孔深度超过厚度的40%。四川某厂在铸造锌铝系合金易熔模时，底部出现蜂窝状缩孔，有的缩孔深度超过厚度的一半。对于这种缩孔，该厂曾采用加大冒口的方式进行补缩但收效甚微。
2 原因分析
2.1 底缩现象原因分析
通过对底缩现象和底缩孔进行研究分析，认为锌铝系合金产生底缩的主要原因是由于重力偏析导致特殊的成分过冷，又由于这种成分过冷导致异常的由上而下的逆向凝固顺序，即上部液体先凝固，下部液体向上补充上部收缩，最终形成底缩。
2.1.1 重力偏析
在锌铝系合金中，锌密度为7.12 g/cm3，而铝密度为2.69 g/cm3，两者相差甚远，在液态下放置，由于重力作用，将产生重力偏析，即上部液体含铝量较多而下部液体含铝量较少。保持液态时间越长，则上下液体的成分差异越大，即重力偏析越严重。
2.1.2. Zn-Al相图分析
如图1所示锌铝系合金。当w(Al)>4%的锌铝系合金，其先析相为β，富铝而密度较小。常用于易熔模的合金w(Al)>4%。
在w(Al)=4%时共晶反应
L4.0 382 ℃ α1.0 + β16
其中α富锌而β富铝，α相密度大于β相密度。
图1中共晶点以右的合金，随铝的质量分数的增加，液相线温度升高。结晶温度区间变宽，而在冷却速度相同的条件下，结晶温度区间越宽，保持液态或准液态的时间越长，合金液体中铝原子上浮，锌原子下沉的机会越多，则合金的液态偏析会越严重。造成合金液上部富铝，下部富锌。
图1 锌铝合金相图
Fig.1 Zn-Al Alloy phase Diagram
2.2 重力偏析与成分过冷
2.2.1 液相线温度
设有成分为A的合金，其理论液相线温度为TA，见图1。浇注后某时刻，由于液态重力偏析，造成上部液体富铝，设其成分为C，对应液相线温度为TC。而下部液体富锌，成分为B，液相线温度为TB，显然TC大于TB。由此可知在整个型腔中合金的液相线温度分布与高度有关。其分布如图2中虚线所示。图2中TA为该成分合金的理论液相线温度，TN为浇注后某时刻合金液沿竖直方向的实际温度分布，一般上部温度略高于下部温度。
图2 液相线和成分过冷图
2.2.2 成分过冷
如不考虑重力偏析，则在图2所示的条件下，在铸型的下部TN小于TA，即图中所示Ⅰ区，该区液体处于过冷状态，将进入凝固阶段。而铸型上部TN尚大于TA，即图中Ⅱ区，此时合金液尚属过热状态。因而该合金液在铸型中将自下而上地凝固结晶，最后凝固部位位于上部，可采用上置冒口方便地补缩。
由于出现重力偏析，则如图2中该时刻下部液体的液相线温度尚低于实际温度TN，即图2中所示Ⅲ区，该区液体尚属过热状态。而上部液体，如图2中Ⅳ区所示，其实际温度TN低于液相线温度，即上部合金液处于过冷状态。将进入结晶过程，而造成该区过冷是由于成分差异造成的成分过冷。正是由于成分过冷的影响，尽管实际温度分布是上部高下部低，但其结晶都是自上而下地逆向进行，当上部结晶时下部尚处于过热态而流动性很好。在由上部凝固收缩造成的负压和枝晶间的毛细作用下，反而向上补充上部的收缩。而最后凝固的下部得不到补缩而造成底部缩孔。显然这类底缩是不能由上置式冒口来补缩的。
2.3 影响因素
由上述分析可知，锌铝系合金的底缩是由于重力偏析造成成分过冷，而成分过冷又引起至上而下的逆向凝固顺序，使最后结晶部位在厚部下方，因而形成底部缩孔。
一般来说，保持液态时间越长，则液态偏析越严重，底缩现象越明显。共晶成分合金由于结晶温度区间窄而底缩现象不如过共晶成分严重。而薄小件由于凝固快、液态时间短，偏析甚微，因而未见底缩。
3 消除或减少底缩的措施
根据上述分析，可采取如下措施消除或减轻底缩现象。
3.1 控制重力偏析
控制重力偏析，减小成分过冷，造成正常凝固顺序，然后用上置冒口补缩。控制重力偏析的措施如下。
3.1.1 快速冷却
缩短合金在型腔中呈液态的时间，从而控制重力偏析。对一般中小型铸件，由于散热条件好，冷却较快，基本未见底缩现象。但对于大型铸件，要作到快速冷却，显然有困难。
3.1.2 分层浇注
对厚大型铸件，加快冷却速度有困难，则可考虑采用分层多次浇注的措施，即第一次浇注部分合金液，当其快凝固时再浇注第二次液体。当第二次浇注的液体快凝固时再浇注第三批，直至注满。在浇注时还应注意逐次降低浇注温度。采用分层浇注可减轻重力偏析，从而减轻底缩现象。
3.2 增大温度梯度
增大液体在型腔内沿高度方向分布的实际温度梯度TN，造成从下而上的顺序凝固条件，如图3所示，铸型中合金沿高度方向分布的实际温梯度大于液相线沿高度方向的分布梯度，从而补偿了由于重力偏析造成的逆向凝固条件。
图3 增大温度梯度
四川某厂采用下置冷铁(金属底模)并分层浇注，实现强制性的至下而上的凝固顺序，并用上置冒口进行补缩，基本消除了底缩。
3.3 改变铸造工艺
采用底部浇注，底部补缩的方式，利用合金的特点，对最后凝固的下部区域进行补缩，从根本上消除底缩。如采用低压铸造，如图4所示，低压铸造所需设备简单，适应性强，在易熔模铸造中值得推广。川西某厂采用低压铸造制作锌铝系板金成型用易熔模，未见底缩现象。
图4 低压铸造示意图
Fig.4 Scheme of Low pressure casting
1.铸型 2.升液管 3.熔池 4.进气口
3.4 降低浇注温度
一般来说，降低浇注温度，增大冷却速度，可减少液态重力偏析，而凡是减小液态重力偏析的措施，都有助于减小底缩倾向，这在实际中也得到证实。
4 结语
锌铝系合金具有熔点低、强度高，且有一定塑性等优点，目前广泛用于易熔模材料。当解决了底缩现象的困扰之后，必将获得更广阔的应用前景。
作者简介：端木光明，男，1950年出生，讲师，四川省雅安市（625014）
作者单位：端木光明 四川农业大学(end)
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(2/23/2005) |
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