一文全解反重力铸造

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一文全解反重力铸造

一、反重力铸造方法及其分类
1、特点
反重力铸造是使液态金属在与重力相反的力的作用下完成充型、补缩和凝固的一种铸造方法。
与压力铸造和挤压铸造相比，为完成充型和补缩所施加的力较小，因此，液态金属在充型过程中的流动非常平稳，但与重力铸造相比，铸件又能在一定的压力下实现补缩和凝固，因此是生产优质铸件的理想方法。
2、分类
反重力铸造中，根据产生压力方式的不同，可进一步把它分为差压铸造、低压铸造、调压铸造、真空吸铸以及复合反重力铸造等类型。从设备结构上看，差压铸造、调压铸造、真空吸铸和复合反重力铸造均采用上下室形式，即保温炉置于下室，铸型置于上室，低压铸造只使用下室，铸型置于大气环境中。不同反重力铸造形式产生压力的方式及特点如下（反重力铸造原理示意图）：
（1）低压铸造  低压铸造时，铸型处在常压环境之下，下室进气，形成压差，在压差的作用下完成升液、充型和保压环节。所需设备简单，操作容易，充型过程控制简单。一般情况下，只要保压时的增压满足要求，同样可使铸件得到很好的补缩。与其它反重力铸造方法相比，低压铸造的应用范围更广。由于低压铸造中，铸型处在常压环境之下，利用金属型铸造时，容易实现金属型的开合模以及铸件顶出，所以，金属型低压铸造广泛用于生产质量要求较高的铸件，如汽车轮毂、缸体、缸盖等铸件。在砂型低压铸造中，可以成形轮廓很大的优质铸件。
（2）真空吸铸  真空吸铸时，下室处在常压环境，上室抽真空形成压差，在压差的作用下完成升液、充型和保压环节。由于铸型处在真空环境之下，所以，液态金属的充型能力较好，但所建立的充型压差受限，凝固压力小，补缩能力较弱，适合于成形小型薄壁铸件。
（3）差压铸造  差压铸造中，建立压差的形式有两种：上排气法、下进气法
差压铸造中，不仅可在压力下完成充型和补缩，而且由于铸型处在压力下，能够更好地发挥冒口的补缩，提高了铸件的致密度。这种铸造方法适合于生产大型厚壁铸件。
（4）调压铸造  铸造时上下室同时抽真空，达到指定真空度后，下室进气，形成压差，在压差的作用下完成升液和充型环节后，上下室按照充型完成时的压差同时进气，使铸型处在正压环境之下，来增强铸件的补缩能力。优点是：既发挥了液态金属的充型能力，有利于成形薄壁铸件，又能在压力下实现补缩，提高铸件的致密度。这种铸造方法需要精确控制加压时的压差，对控制系统的要求很高。
3、特点
1）充型速度可控：反重力铸造一般用于生产有色合金铸件，铸件的成形能力和内部质量尤其是尺寸和壁厚对充型速度有比较严格的要求，充型速度可以通过计算机实现准确的控制。
2）成形性好、表面光洁：反重力铸造时，金属液是在压力下充填成形，在工艺参数选择合理的情况下，所获得的铸件轮廓清晰，对于薄壁件的生产，更是如此；反重力铸造时有压气体充塞于砂型空隙，且在金属液与砂型之间形成一层气相保护层，将两者隔开，可以减少金属液对铸型的热力及化学作用，可降低铸件的表面粗糙度。
3）铸件晶粒细、组织致密、机械性能高：金属液在压力下结晶凝固，初凝枝晶在压力的作用下会发生变形、破碎，而且冷却速度快，因而晶粒细小；同时，压力能提高补缩能力和抑制金属液中气体的析出，使疏松和微观气孔大为减少。所以，铸件的机械性能得到明显的改善。
4）可实现可控气氛下浇注：反重力铸造时，可对上室、下室或者上下室的气氛进行控制。利用反重力铸造浇注铝合合铸件时，使用除油干燥的压缩空气即可，但对于镁合金，必须注意金属液和铸型的环境气氛，因为镁合金在空气中会发生燃烧。可控气氛的使用应根据铸件质量的要求及铸件的轮廓尺寸等因素决定。
5）提高了金属的利用率：反重力铸造时，铸件凝固收缩可以不断地得到来自内浇口金属液的补缩；加之压力的挤滤和塑性变形的作用，强化了冒口的补缩效果，冒口尺寸可相应减小甚至不需要。
6）铸件可进行热处理：与压力铸造相比，利用反重力铸造方法生产铸件时，充型速度较慢，液面平稳，型内气体可以顺利排出，所以，铸件内部的气孔很少、甚至没有，故可像重力铸造成形的铸件一样进行热处理。

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二、反重力铸造工艺
反重力铸造工艺包括浇注位置的选择、浇注系统的设计、冒口和冷铁的合理使用以及最佳工艺参数的确定等内容。
（1）铸件的浇注位置及浇注系统  反重力铸造中，铸件凝固时主要通过浇口补缩。因此，确立浇注位置时，应使铸件的凝固顺序朝着浇口的方向进行。通常，将铸件的薄壁位置置于远离浇口位置，让金属液从厚壁处引入。为使铸件厚壁位置的热分布合理，可采用分散浇口，直接利用内浇口进行补缩。
设计反重力铸造的浇注系统时，在保证金属液平稳充型的前提下，充型要快，有利于挡渣、排气和实现顺序凝固。对于大型复杂薄壁铸件，应尽可能采用下宽上窄的缝隙式浇注系统，保证金属液可在缝隙内平稳上升，以充分发挥垂直方向上的补缩，同时也不会影响其水平方向的补缩能力。
（2）冒口和冷铁  此外，冷铁常与冒口或浇注系统配合使用，以加强冒口或浇口的补缩，但也可单独使用，用来加快铸件局部热节处的冷却速度，保证铸件整体的顺序凝固。
（3）反重力铸造工艺参数的确定
1) 升液管直径的确定  确定时，首先要考虑铸件重量预计充型时间和充型速度，然后确定对升液管的流量要求，再根据充型速度和流量要求计算升液管的直径；其次，从保证铸件的顺序凝固所要求的热平衡角度来考虑。升液管要便于压力传递，有利于补缩，金属液充型时，不产生紊流，清理和喷刷涂料方便。升液管的材料根据合金的种类及对铸件质量的要求确定，对于普通铝合金铸件，采用钢管或铸铁管即可；合金对含铁量要求比较高时，可采用钛合金或或陶瓷升液管。
2) 充型压力的确定  充型压力指金属液充满型腔所需要的压力，其大小与铸件的形状高度、坩埚形状、金属熔化量等有关。如果坩埚的形状、大小不变，熔化量已知，铸件浇注量核定准确，则可比较精确地计算出充型压力。然而，在砂型反重力铸造中，连续浇注几个不同的铸件时，充型压力的精确计算比较困难。为此，每次浇注之前，可测量坩埚内液面距离升液管口的实际高度近似计算充型压力。
3) 结晶压力的选择 结晶压力是为铸件结晶创建一个高压条件。金属在压力下结晶，使晶粒细化，组织致密。结晶压力越大，机械性能越高。但过高的结晶压力会给反重力设备带来困难，且铸件强度增加很少。压力过小，会降低反重力铸造的挤滤及塑性变形作用，不利于补缩和抑制金属液中气体的析出，铸件易产生疏和微观缩孔。选择结晶压力时，要考虑铸件结构、合金的结晶特性。铸件结构复杂时，选择较大的压力；合金结晶范围较宽时，选择较高的压力。
4) 升液、充型速度的确定  在升液管出口面积固定的情况下，充型速度取决于坩埚液面上的加压速度。加压速度分升液和充型两个阶段，金属液由坩埚液面上升到横浇道为升液，要求液流平稳、缓慢，以利于型腔中气体的排出，防止升液管出口处出现喷溅和翻滚，避免产生二次氧化夹渣。充型阶段的流速需根据铸件的壁厚大小、复杂程度和合金种类等因素确定。一般情况下，充型速度应当比升液速度略快，这样有利于补缩，减少二次夹渣的产生。
5) 保压时间 铸型内金属液在压力作用下保持到铸件完全凝固结束的时间为保压时间。保压时间大体上接近铸件凝固所需要的时间。若保压时间过短，金属没有完全凝固，未凝固的金属液通过升液管返回坩埚，铸件得不到充分补缩，甚至不能成形，造成铸件报废；保压时间过长，使浇口残留过长，清理困难，有时甚至会使升液管出口冻结，影响生产。保压时间的长短与铸件的壁厚、合金种类、铸型性质以及结晶凝固压力有关。铸件壁越厚、合金的结晶温度范围越宽，保压时间越长。砂型反重力铸造的保压时间比金属型的长。结晶凝固压力越大，保压时间越短。
6) 浇注温度  一般情况下，在保证金属液的充填和补缩能力的前提下，应尽可能使浇注温度低一些。反重力铸造其成型能力远高于重力铸造，所以，其浇注温度应比重力铸造低5-10°C。

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三、反重力铸造发展
1．低压铸造
上世纪20年代初，英国人莱克(E．H．Lake)登记了第一个低压铸造专利，最初主要用于巴氏合金的铸造。同时期法国入制出了用于铜合金，铝合金铸造的低压铸造机。
二次世界大战中，英国伯明翰铸铝公司用低压铸造法制造飞机发动机汽缸。
1945年后，英国阿田姆斯克(Alumusc)公司开始探讨把低压铸造法用于生产民用产品，如炊事用具等。
1947年，英国人刘易斯(E．c．Lewis)用低压铸造法生产高硅铝啤酒桶成功。
50年代开始用低压铸造法生产汽车汽缸体和电动机转子。1955年在德国出现了铸铁和铸钢的低压铸造专利。
1965年，英国开展了汽车轮毂的低压铸造法生产实践。
2.差压铸造
目前保加利亚在差压铸造方面的技术较为领先。
国内哈尔滨工业大学在差压铸造装备与技术方面的研究较为深入。西北工业大学郝启堂教授等在低压及差压铸造装备方面也有较多研究。
3.调压铸造
调压铸造技术是由西北工业大学周尧和、曾建民等人发明的新型反重力铸造技术。随着这项技术的不断研究，由早期的实验室小批量、小尺寸零件的试生产，已经发展到大批量、大尺寸零件的工程化生产。
目前凝固技术国家重点实验室已承接了多项相关项目的研究。以2002年在洪都集团开展的X型号导弹舱体构件调压铸造工程化应用研究中，成功应用此项技术，完成了大型复杂薄壁舱体构件的高质量及高合格率批量化生产。

Maysu

以前真没听说过，涨姿势啦