反重力鑄造

反重力鑄造是20世紀50年代發展起來的一種鑄造澆注成形工藝。它是使坩堝中的金屬在壓力的作用下沿升液管自下而上克服重力及其他阻力充填鑄型，並在壓力下獲得鑄件的一種方法。根據金屬液充填鑄型施加壓力形式的不同，反重力鑄造可以分為低壓鑄造、差壓鑄造、調壓鑄造及真空吸鑄等。

基本介紹

• 中文名：反重力鑄造
• 含義：態金屬充填鑄型
• 方法：在壓力下獲得鑄件
• 分類：等低壓鑄造、差壓鑄造

技術原理

反重力鑄造技術是指液態金屬充填鑄型的驅動力與重力方向相反,金屬液沿重力的相反方向流動。反重力鑄造中金屬液實際上是在重力和外加驅動力共同的作用下充型。外加驅動力在金屬液充填過程中是主導力,它使金屬液克服其自身重力、型腔內阻力以及其它外力的作用完成充填鑄型。由於外加驅動力的存在,使得反重力鑄造成為一種可控工藝,在金屬液充填的過程中,通過控制外加力的大小可以實現不同充型速度的充填,滿足不同工藝的要求;同時,使鑄件在一較大力的作用下凝固,提高金屬液的補縮能力,降低縮孔、氣孔和針孔等鑄造缺陷。

低壓鑄造

概述

低壓鑄造是液體金屬在壓力（一般為氣體壓力） 作用下，完成充型及凝固過程而獲得鑄件的一種鑄造 方法。由於作用的壓力較低（一般為2070kPa）， 故稱為低壓鑄造。

低壓鑄造可生產的鑄型可使用砂型、金屬型、 熔模殼型、石膏型、及石墨型等，可生產鋁合金、銅 合金、鐵合金等材質的鑄件。

原理

低壓鑄造分為5個階段，合型、升液階段、沖型階段、凝固階段、頂出。

低壓鑄造的工藝規範包括壓力、增壓速度、鑄型預熱溫度、澆注溫度，以及鑄型的塗料等。

低壓鑄造的鑄型有金屬型和非金屬型兩類。金屬型多用於大批、大量生產的有色金屬鑄件，非金屬鑄型（如砂型、石墨型、陶瓷型和熔模型殼等）多用於單件小批量生產，生產中採用較多的是砂型，要求造型材料的透氣性和強度應比重力澆注時高。

特點

1)澆注壓力和速度便於調節，適於不同材料的鑄型；

2)充型平穩，對鑄型衝擊小，可有效控制卷氣和夾渣，防止合金氧化，有效克服鋁合金針孔缺陷；

3)便於實現順序凝固，以防止縮孔和縮松；

4)鑄件的表面質量受鑄型材料影響較大；

5)一般情況下不需要冒口，使金屬液的收得率大大提高，一般可達90%；

6)勞動條件好，設備簡單，設備費用比壓鑄低，易實現機械化和自動化。

差壓鑄造

概述

差壓鑄造又稱反壓鑄造、壓差鑄造。是在低壓鑄造的基礎上，鑄型外罩個密封罩，同時向坩堝和罩內通入壓縮空氣，但坩堝內的壓力略高，使坩堝內的金屬液在壓力差的作用下經升液管充填鑄型，並在壓力下結晶。

原理

差壓鑄造按工作時壓力筒內充氣壓力的大小可分為，低壓、中壓、高壓差壓鑄造，按壓差產生的方式可分為增壓法、減壓法差壓鑄造技術。

差壓鑄造分為6個階段：充氣階段、壓力平衡階段、升液階段、沖型階段、保壓階段、互通排氣階段。

特點

1)充型速度可以準確控制，以獲得最佳充型速度。

2)鑄件成形性好，表面粗糙度值低。

3)鑄件晶粒細小，組織緻密，力學性能高，與低壓鑄造相比，鑄件抗拉強度可提高10-50%，伸長率可提高25-50%。

4)提高了金屬的利用率，可減小冒口的尺寸或不設冒口。

5)能用氣體作為合金元素，故可往一些合金（如鋼）中溶入N2，提高合金強度和耐磨性能。

6)設備較龐大，操作麻煩。

真空吸鑄

概述

真空吸鑄是利用真空系統裝置，在結晶器內造成負壓，將熔融金屬從坩堝吸入圓筒形石墨鑄型或金屬型中，並保持一定時間而獲得鑄件的方法。

原理

真空吸鑄的基本原理是，將與真空系統連線的結晶器（即鑄型），浸入金屬液，抽真空使結晶器內成負壓而將金屬液吸入，由於結晶器壁內通有循環冷卻水，所以其中的金屬液實現由外向中心的順序凝固，當凝固層達到所需尺寸時，關閉真空泵使結晶器內未凝固的金屬液返回坩堝。這樣就獲得了筒形鑄件，鑄件的長度取決於結晶器的長度，厚度則取決於凝固時間。

特點

1）由於結晶器內的空氣壓力小，減小了金屬液在充型時的吸氣傾向。

2）獲得鑄件的組織緻密、晶粒細小、無氣孔和砂眼等缺陷，使鑄件的機械性能提高。

3）鑄件不用澆口、冒口，減少了金屬的消耗。

4）生產率高，易於實現機械化和自動化。

5）通過控制凝固時間，可以生產不同壁厚的管子。

6）不能生產形狀複雜的鑄件，且鑄件的內表面不光滑，尺寸不易控制。

由於以上特點，真空吸鑄主要用來生產內燃機的銅合金軸套和鋁合金錠坯。

鑄造工藝

工藝流程

反重力鑄造工藝包括澆注位置的選擇、澆注系統的設計、冒口和冷鐵的合理使用以及最佳工藝參數的確定等內容。

1、鑄件的澆注位置及澆注系統

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，應使鑄件的凝固順序朝著澆口方向進行。通常，將鑄件的薄壁位置置於遠離澆口位置，讓金屬液從厚壁處引入。為使鑄件厚壁位置的熱分布合理，可採用分散澆口，直接利用內澆口進行補縮。

2、冒口和冷鐵

冷鐵常與冒口或澆注系統配合使用，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處的冷卻速度，保證鑄件整體的順序凝固。

3、反重力鑄造工藝參數的確定

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，然後確定對升液管的流量要求，再根據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。升液管要便於壓力傳遞，有利於補縮，金屬液充型時，不產生紊流，清理和噴刷塗料方便。升液管的材料根據合金的種類及對鑄件質量的要求確定，對於普通鋁合金鑄件，採用鋼管或鑄鐵管即可;合金對含鐵量要求比較高時，可採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。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，可測量坩堝內液面距離升液管口的實際高度近似計算充型壓力。

3) 結晶壓力的選擇 結晶壓力是為鑄件結晶創建一個高壓條件。金屬在壓力下結晶，使晶粒細化，組織緻密。結晶壓力越大，機械性能越高。但過高的結晶壓力會給反重力設備帶來困難，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，不利於補縮和抑制金屬液中氣體的析出，鑄件易產生疏和微觀縮孔。選擇結晶壓力時，要考慮鑄件結構、合金的結晶特性。鑄件結構複雜時，選擇較大的壓力;合金結晶範圍較寬時，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，充型速度取決於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、緩慢，以利於型腔中氣體的排出，防止升液管出口處出現噴濺和翻滾，避免產生二次氧化夾渣。充型階段的流速需根據鑄件的壁厚大小、複雜程度和合金種類等因素確定。一般情況下，充型速度應當比升液速度略快，這樣有利於補縮，減少二次夾渣的產生。

5) 保壓時間 鑄型內金屬液在壓力作用下保持到鑄件完全凝固結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，使澆口殘留過長，清理困難，有時甚至會使升液管出口凍結，影響生產。保壓時間的長短與鑄件的壁厚、合金種類、鑄型性質以及結晶凝固壓力有關。鑄件壁越厚、合金的結晶溫度範圍越寬，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，應儘可能使澆注溫度低一些。反重力鑄造其成型能力遠高於重力鑄造，所以，其澆注溫度應比重力鑄造低5-10°C。

特點

1）充型速度可控：反重力鑄造一般用於生產有色合金鑄件，鑄件的成形能力和內部質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，在工藝參數選擇合理的情況下，所獲得的鑄件輪廓清晰，對於薄壁件的生產，更是如此；反重力鑄造時有壓氣體充塞於砂型空隙，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、組織緻密、機械性能高：金屬液在壓力下結晶凝固，初凝枝晶在壓力的作用下會發生變形、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，使疏鬆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）可實現可控氣氛下澆註：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，使用除油乾燥的壓縮空氣即可，但對於鎂合金，必須注意金屬液和鑄型的環境氣氛，因為鎂合金在空氣中會發生燃燒。可控氣氛的使用應根據鑄件質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鑄件時，充型速度較慢，液面平穩，型內氣體可以順利排出，所以，鑄件內部的氣孔很少、甚至沒有，故可像重力鑄造成形的鑄件一樣進行熱處理。