真空吸鑄是一種在型腔內造成真空，把金屬由下而上地吸入型腔，進行凝固成形的鑄造方法。
基本介紹
- 中文名：真空吸鑄
- 外文名：suction casting
- 類別：鑄造方法
- 原理：型腔內造成真空，
- 優點：浮在表面的渣子，不易進入型內
形狀特點,工作原理,工藝原理,工藝分類,工藝特點,套用範圍,結晶器,溫度影響,真空鑄造,
形狀特點
根據鑄件形狀特點，有兩種真空吸鑄法：
（1）柱狀鑄件真空吸鑄：專用於生產圓柱、方柱狀中空和實心件的真空吸鑄法。生產的鑄件可用來加工成螺母、螺桿、軸套、軸瓦等，大多為銅合金鑄件，也可生產鋁合金件、鑄鐵件、鑄鋼件。鑄件最大外徑可達120mm。
（2）成形鑄件真空吸鑄：用於生產各種形狀鑄件的真空吸鑄法。將鑄型置於真空室中，型腔頂部有通氣孔，型中澆注系統連線下面的升液管，升液管下端浸入金屬液中。打開電磁閥，真空室與真空罐接通，在型腔內建立一定的真空度，坩鍋中的金屬液在大氣作用下上升進入型內，凝固成形。節流閥用來控制型腔內負壓的建立速度，以調節金屬液充填型腔的速度。由時間繼電器控制真空室內負壓的保持時間，當型內內澆道凝固後，即可將真空室接通大氣，升液管內金屬液回流至坩鍋中。也可在金屬液充型時採用真空吸鑄法，充完型後，增大金屬液面上的壓力，實現低壓作用下的鑄件凝固，進一步改善鑄件凝固時的補縮條件。用此法可高效地生產鋁合金、鎂合金薄壁鑄件。
工作原理
1.1.2真空吸鑄的優缺點1）鑄型自金屬液中吸取金屬，故浮在金屬液表面的渣子，不易進入型內。2）金屬液自下而上地平穩進入空氣稀薄真空條件下的型腔，不能產生卷氣現象，氧化可能性也較小，又在真空條件下實現金屬液的凝固。凝固過程中析出的氣體也易上浮外逸，故鑄件中不易形成氣孔。3）型內金屬與型壁接觸較緊密，金屬凝固較快。柱狀鑄件真空吸鑄時，更採用水冷薄壁金屬型，鑄件的凝固速度更大，故鑄件晶粒細小，不易產生重度偏析。4）可創較好的自下而上，自型壁向壁厚中心的定向凝固條件，鑄件不易形成縮松。|||上述四點都可使鑄件獲得緻密的組織，使鑄件力學性能提高。如柱狀銅合金鑄件，與砂型鑄造時比較，其強度極限可提高6%～25%，伸長率提高5%～20%；而鋁合金鑄件，與金屬型鑄造時比較，其強度級限可增大5%～10%，伸長率增大30%。5）充型時，金屬液在型腔內遇到的氣體阻力很小，可提高金屬液的充填性，生產形狀複雜的薄壁鑄件，如鋁合金、鎂合金件的最小壁厚可為1.5mm。6）澆注系統或結晶器中粘附的金屬液損失較少，故可提高工藝出品率。7）生產過程易於機械化、自動化，生產效率高。8）柱狀鑄件中空內壁不平度較大，內孔尺寸不易正確控制，故需留較大加工餘量。1.2真空吸鑄工藝1.2.1鑄型型腔真空度1）柱狀鑄件真空吸鑄時的型腔真空度按所需提升金屬液的高度（即鑄件長度）L（mm）計算（Pa）式中ρ—合金液密度（g/cm3）。一般銅合金鑄件的長度小於1m。2）成形鑄件真空吸鑄時型腔內直空度根據金屬液保溫爐（或坩鍋中）允許的最低金屬液面高度與鑄型頂部高度間的差值h（mm）計算=9.8hp·A（Pa）式中A——係數≌1.2。真空吸鑄鋁矽合金時，h應小於4m；真空吸鑄鋁銅合金時，h小於3.4m。型腔內真空度的建立速度由真空管路中的節流閥開啟程度和鑄型頂部的通氣道形狀、尺寸決定。實際生產中主要根據試澆鑄件品質（質量），用節流閥調節真空度建立速度。通氣道的形狀和尺寸應在合理的真空度建立速度情況下，保證型內氣體能順利逸出，但金屬液如進入通氣道後應很快凝固不能溢出型外。如採用金屬型時的通氣隙厚度應小於0.15mm。1.2.2柱狀鑄件真空吸鑄時結晶器口浸入金屬液的深度結晶器下口浸入金屬液的深度應保證在吸鑄完後，結晶器下口邊緣還能處於金屬液表面的深度不小於10mm，防止真空吸鑄時金屬液表面的大氣隨金屬一起吸入型腔，同時還可減少在結晶器下口旁粘附的金屬數量。當真空吸鑄圓柱形鑄件時，結晶器下口浸入金屬液深度H（mm）的計算式為H≥L（mm）式中L——鑄件長度（mm）；r、R——型腔、坩堝熔池的內半徑（mm），設金屬保溫坩堝的內腔為圓筒形。1.2.3真空保持時間柱狀鑄件真空吸鑄時，應在鑄件的凝固層厚度達到所要求的數值前，保持型腔內的真空度值；成形鑄件真空吸鑄時，當鑄型底部內澆口斷面全部凝固後，即可撤去真空。真空保持時間可採用由傳熱學中的平方根原理推導而得的公式進行近似計算τ=式中R——鑄件凝固層厚度或鑄型內澆道斷面換算厚度（mm）；K——凝固係數（mm/s1/2），其值與鑄型材料、結構、吸鑄合金及其溫度、鑄型工作狀態等有關，一般柱狀銅合金件真空吸鑄時，K=2～3mm/s1/2，在鋁合金成形鑄件金屬型吸鑄時，K=3～5mm/s1/2。最後由生產實踐對τ值修正。|||1.2.4吸鑄溫度柱狀鑄件真空吸鑄時，金屬液的溫度可比一般重力鑄造時稍低。因型腔斷面大，金屬液充型時流動距離短。但溫度不能太低，避免結晶器頭部粘附金屬太厚。表306為一些銅合金柱狀鑄件的吸鑄溫度。
一些銅合金柱狀鑄件的吸鑄溫度合金牌號吸鑄溫度（℃）
ZCuZn13Si4Pb3950～1000
ZCuSn10Zn21050～1080
ZcuSn6Zn6Pb3
ZcuZn48
ZcuSn5Pb5Zn51020～1070
ZcuZn40Pb2
ZcuAl9Fe41120～1150
ZcuAl10Fe3Mn2
ZcuSn10Pb11100～1150
工藝原理
真空吸鑄的工藝原理是，把熔模殼型放在密封室內，密封室下降，直澆道浸入液體金屬中，而後啟動真空泵將密封室抽成真空，液體同時被吸鑄。型殼內鑄件凝固後，真空狀態解除，澆道內的殘餘金屬液體回流到熔爐中，經清砂得到真空吸鑄鑄件。
工藝分類
根據真空吸鑄工藝建立壓差的不同，可將真空吸鑄分為直接吸鑄法和特殊真空吸鑄法。
（1）直接吸鑄法
以CLA法為例，首先把普通熔模工藝製作的型殼放在密封室內，密封室下降，直澆道插入液態金屬。起動真空泵將密封室抽成真空，液態金屬同時充型。待型殼內金屬液凝固後，使密封室接通大氣，消除真空，澆道內尚未凝固的液體金屬再流回到坩堝內。最後取出型殼清砂得到鑄件。除CLA法，還有傾轉倒置法真空吸鑄，即在真空吸鑄充型完成後，將鑄型倒置，由直澆道內剩餘的金屬液為鑄件凝固提供補縮。此種方法易於實現連續化生產，具有很高的生產效率。
（2）特殊真空吸鑄法
此類真空吸鑄方法主要是根據所澆注的鑄件工藝要求或合金種類對真空吸鑄的過程增加了一些特殊化的操作。比如，為增強真空吸鑄的補縮能力。在完成上密封室抽真空（見圖2a）；金屬液充滿型腔後，下密封室接著通入壓縮氣體，提高上下密封室之間的壓差（見圖2b），從而增強鑄件結晶凝固期間的金屬液補縮能力。其工藝過程示意如圖2所示。還有採用惰性氣體保護的真空吸鑄，該方法主要用於生產高溫合金及易氧化合金的真空熔煉及澆注的吸鑄法（又稱CLV法），該方法是將金屬在真空下熔化後，向真空熔煉室和吸鑄室同時通入惰性氣體，並使它們保持相同的氣壓。將型殼澆道或升液管插入金屬液，然後降低吸鑄室壓力，進行吸鑄。在保持一定時間後，卸壓後直澆道中金屬液流回坩堝。
工藝特點
（1）成品率高，鑄件質量好吸鑄時，金屬液充型平穩，氧化夾渣和飛濺少，減少了鑄件的氣孔和夾渣等缺陷，提高了成品率。此外，可以採用較低的澆注溫度進行澆注，使鑄件晶粒細化，力學性能提高。
（2）良好的充型性能。吸鑄時，鑄型型腔內的反壓小且充型速度可調，因而充型能力強，鑄件最薄處可達到0.3mm。
（3）大大提高了金屬液的利用率和工藝出品率。
（4）簡化工藝，降低成本。
（5）易於實現機械化，勞動生產率高。與普通熔模鑄造工藝相比，每個模組可多組裝蠟模，一般可提高產量85%～135%。
套用範圍
真空吸鑄適用於熔模鑄造、陶瓷型鑄造、殼型鑄造、石膏型鑄造、石墨型鑄造及砂型鑄造，可用於生產鋁合金、鎂合金、鈦合金、不鏽鋼及高溫耐熱合金等平均壁厚小於5mm的複雜薄壁鑄件，以及單件澆注重量小於100kg的鑄件。
結晶器
結晶器（即水冷金屬型）1的內壁周圍用水冷卻，結晶器下口埋入金屬液2中，其上口接真空系統，金屬液在大氣作用下升入結晶器內腔達一定高度，結晶器內金屬液由外向中心凝固，待凝固達到所要求的厚度時，將結晶器上口接通大氣，結晶器中心未凝固的金屬液下落回流至坩鍋中，得中空柱狀鑄件。圖215柱狀鑄件真空吸鑄工作原理1—結晶器；2—金屬液；3—凝固層（2）成形鑄件真空吸鑄用於生產各種形狀鑄件的真空吸鑄法，其工作原理見圖216。將鑄型置於真空室1中，型腔頂部有通氣孔，型中澆注系統連線下面的升液管8，升液管下端浸入金屬液9中。打開電磁閥3，真空室與真空罐5接通，在型腔內建立一定的真空度，坩鍋中的金屬液在大氣作用下上升進入型內，凝固成形。節流閥4用來控制型腔內負壓的建立速度，以調節金屬液充填型腔的速度。由時間繼電器控制真空室內負壓的保持時間，當型內內澆道凝固後，即可將真空室接通大氣，升液管內金屬液回流至坩鍋中。也可在金屬液充型時採用真空吸鑄法，充完型後，增大金屬液面上的壓力，實現低壓作用下的鑄件凝固，進一步改善鑄件凝固時的補縮條件。用此法可高效地生產鋁合金、鎂合金薄壁鑄件。
溫度影響
成形鑄件的吸鑄溫度隨鑄型材質而異，其具體取值與重力鑄造相同。1.2.5鑄型塗料柱狀鑄件真空吸鑄時，結晶器型腔工作表面上的塗料主要起潤滑工作，使鑄件易自結晶器中取出。一般採用在400～450℃烘烤約1h後的石墨或滑石粉，用塗刷法使塗料附著於結晶器型腔工作表面上。結晶器頭部處的塗料應有好的絕熱作用，以減薄該處在工作時可能粘附的金屬，可用ZnO93%+水玻璃7%和適量水配製的塗料塗於結晶器的頭部外表面上，塗料層的厚度約為0.5mm，並經烘烤乾透牢固後使用。結晶器內工作表面上出現的淺凹坑可用石墨加機油共混的膏狀物塗抹平，經烘乾後使用。成形鑄件真空吸鑄時，鑄型型腔工作表面上的塗料隨鑄型材料及吸鑄的金屬而異，一般與重力鑄造時同。1.2.6柱狀鑄件真空吸鑄時結晶器的冷卻進入結晶器內的冷卻水溫度應高於室溫，防止吸鑄前在結晶器型壁上凝有水滴，一般為35～60℃。進入結晶器的冷卻水應具有0.2～0.25MPa的壓頭。吸鑄空心鑄件時，冷卻水由結晶器下部進入，使在高度結晶的高度方向上鑄件凝固的厚度均衡化；而吸鑄實心鑄件時，冷卻水宜在結晶器上部引入，創造鑄件上部凝固較快，下部較慢的條件，使坩鍋中的金屬液能順利地由下向上補縮。1.3真空吸鑄機1.3.1柱狀鑄件真空吸鑄機圖217為常用柱狀鑄件真空吸鑄機。機架1可繞機器主軸帶動全部機器附屬檔案旋轉，通過升降槓桿3的下壓或上抬可帶動鋼繩10沿滑輪11來回移動，達到上抬或下降結晶器4的目的。在此機上採用負壓噴嘴13在結晶器內腔建立真空。壓力為0.6MPa的壓縮空氣通過閥門2進入負壓噴嘴的肘管7，經噴嘴3噴出，同時吸出抽氣管2內的空氣，抽氣管通過管接頭1與結晶器型腔接通，從而使結晶器型腔建立起真空。真空度的大小可通過機器上的真空調節閥調節，調節閥結構，見圖219。圖217常用真空吸鑄機的主機1—機架；2—氣閥；3—升降槓桿；4—結晶器；5—真空表；6—冷卻水管；7—平衡錘；8—限位絲槓；9—擋塊；10—鋼繩；11—滑輪；12—導向桿；13—噴嘴；14—手柄；15—基座；16—斜架；17—真空調節閥圖218負壓噴嘴結構1—管接頭；2—抽氣管；3—噴嘴；4—外殼；5—導氣管；6—螺母；7—肘管圖219真空調節閥結構1—調節螺釘；2—真空表座；3—通大氣孔；4—接真空系統；5—閥體結晶器的真空也可用真空泵建立，其抽氣率可為0.6m3/h，配置的真空罐尺寸可為φ800mm×1000mm。自動化的柱狀鑄件真空吸鑄機。整個機器裝在小車上，在水平支架的導軌上裝有可水平直線運動，並由氣缸7驅動的結晶器架。結晶器架上有帶動結晶器1升降的氣缸8。真空系統直接放在小車平板上，真空泵6由電動機驅動。吸鑄後凝固的鑄件在隨結晶器移至接受槽上時直接掉落在接受槽上。
自動化柱狀鑄件真空吸鑄機1—結晶器；2—金屬液；3—真空罐；4—閥；5—調節器；6—真空泵；7、8—氣缸目前市場上供應液壓電氣控制半自動式的柱狀鑄件真空吸鑄機，結晶器支架結構似圖217所示，但結晶器的升降和支架的轉動則由液壓缸完成。一台機器2～3人操作，班產1～2t，φ25～100、長度為400mm的棒、套類銅合金鑄件。1.3.2柱狀鑄件結晶器圖221為柱狀鑄件真空吸鑄用結晶器的結構。壁厚為4～6mm的工作套2直接與金屬液接觸，為取出鑄件方便，其內壁做成0.2°～1.0°的錐度。工作套與外套1間的通冷卻水縫隙為3～6mm。結晶器下端頭部直接與坩鍋熔池中金屬液接觸，其圓弧半徑為9～10mm，端頭部的圓錐面交角為60°。圖221柱狀鑄件真空吸鑄結晶器結構1—外套；2—工作套；3—彎水管；4—環水室套；5—圓環；6—膠圈；7—接真空管；8—壓蓋；9—填圈；10—套管；11—冷卻水管；12、13—彎管1.3.3成形鑄件真空吸鑄機圖222為一種金屬型鑄件真空吸鑄機，金屬液1處於保溫爐內，爐膛與大氣相通，保溫爐用蓋2密封，蓋上置金屬型4，金屬型用罩7罩住，罩與真空罐接通，並用油缸6壓住。
真空吸鑄鋁合金件壓縮機輪的真空吸鑄。
該機的生產效率為每小時30個鑄件，真空度調節範圍為0.04～0.08MPa，真空室直徑為300mm，保溫爐功率18kW。金屬型真空吸鑄機1—金屬液；2—蓋；3—升液管；4—金屬型；5—直澆道；6—液壓缸；7—罩圖223壓縮機輪真空吸鑄機1—保溫爐；2—升液管；3—工作檯；4—氣缸；5—柱子；6—壓緊鑄型用氣缸；7—氣閥；8—壓緊真空室用氣缸；9—真空罐；10—電接觸真空計；11—真空泵；12—真空室；13—行程開關；14—操縱塊
真空鑄造
真空鑄造是金屬在真空室中進行熔煉、澆注和結晶的鑄造過程。真空鑄造可以使金屬中的氣體含量減到最少，可以防止金屬氧化。用此法可以生產要求很高的特殊合金鋼鑄件和極易氧化的鈦合金鑄件等。真空鑄造費用高，一般多用於冶煉蒸氣壓力高、易於揮發損失的合金和高質量鑄件，鑄型不應含有揮發物。
