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alvons

2006-06-21 16:48

真空鑄造技術(shù)的研究現(xiàn)狀

摘要：通過分析真空鑄造在造型、充型、凝固過程中產(chǎn)生的現(xiàn)象，討論了真空密封造型、實型真空鑄造、真空吸鑄、真空低壓鑄造、真空差壓鑄造等技術(shù)的現(xiàn)狀．針對國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀提出今后真空熔模吸鑄的研究與發(fā)展的方向。
關(guān)鍵詞：真空密封造型；實型真空鑄造；真空吸鑄；真空低壓鑄造；真空差壓鑄造；真空熔模吸鑄
中圖分類號：TG24 文獻標識碼：A 文章編號：1002-0322(2005)01-0006-05
真空密封造型技術(shù)是從20世紀70年代形成的，到20世紀80年代誕生了真空澆注技術(shù)，該技術(shù)可用于生產(chǎn)形狀非常復雜、厚度非常薄的鑄件，使鑄件無縮孔及縮松現(xiàn)象，是目前較先進又非常具有發(fā)展前途的技術(shù)，在航空領(lǐng)域，配合使用計算機技術(shù)進行輔助模擬，預測鑄造缺陷的產(chǎn)生，能大幅度節(jié)約時間，降低生產(chǎn)費用，提高鑄件的生產(chǎn)效率。
1 真空造型
真空造型是一種物理造型法，它將真空技術(shù)與砂型鑄造結(jié)合，靠塑料薄膜將砂型的型腔面和背面密封起來，借助真空泵抽氣產(chǎn)生負壓，造成砂型內(nèi)、外壓差使型砂緊固成型，經(jīng)下芯、合箱、澆注，待鑄件凝固，解除負壓或停止抽氣，型砂便隨之潰散而獲得鑄件。根據(jù)目前所應用的領(lǐng)域主要可分為真空密封造型(V法)和實型真空鑄造(FV法)。目前國內(nèi)外對真空造型方面的研究主要集中在以下幾方面。
1．1 真空度對型腔緊實的影響
在造型方面研究發(fā)現(xiàn)[2]：真空度高，型腔緊實度高，鑄件質(zhì)量也高。但真空度過高時，造型材料的緊實度也大，鑄件就易出現(xiàn)裂紋；而且金屬液常被抽過涂料層形成鑄件表面的針刺和粘砂缺陷。當真空度過低時，會降低鑄型的緊實度。同時還降低了排氣效率，鑄件易產(chǎn)生增碳和氣孔等缺陷。吳志超[1]等對坍塌成因的研究表明：當鐵水充型時，因流動前沿氣隙，內(nèi)外真空度急劇下降，同時受力失去平衡，造成干砂向氣隙流動，引起坍塌。并建立了力學公式。真空度的大小與鑄件的重量、壁厚以及鑄造合金和造型材料的類別有關(guān)。另外，與真空度一樣，抽氣量同樣也是研究的重點。在同一鑄型的不同的階段，所需的抽氣量不一樣，而以澆注時所需的抽氣量最大。當選用水環(huán)式真空泵時，其真空度適宜在0.080～0.025MPa。在一般情況下，100kg以下的小型或薄壁鑄件的真空度可控制在0.050～0．025 MPa，厚壁或中型鑄件控制在0.060～0.045 MPa[3]。
1．2 真空度對金屬液流動的影響
很多人對真空下金屬液前沿流動形態(tài)和流動速度進行了大量研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)[5,8]：抽真空，可以改變金屬液前沿流動形態(tài)。而金屬液前沿的流動形態(tài)直接影響鑄件的充型情況。在真空條件下，金屬液前沿為不規(guī)則的凹形，且隨真空度的增加而增大。此狀態(tài)可以提高金屬液充型質(zhì)量。而且在不同的真空度下澆注時，隨著真空度的提高，液體金屬的前沿弧度加大，充型時間減少，充型速度提高[4,5,6]。真空度在73～46 KPa之間比沒有真空度的鑄型，充型速度可提高一倍(鑄鋼、鑄鋁都有類似趨勢)。研究發(fā)現(xiàn)[12]，對于任何給定的鑄件都存在著一個特定的l臨界充型速度區(qū)間。當充型速度小于臨界充型速度的下限時鑄件易產(chǎn)生塌砂、澆不足[1]；當充型速度大于臨界充型速度區(qū)間的上限時，不僅模樣材料的熱解產(chǎn)物沒有足夠的時間從金屬一模樣一涂料界面排除，而且液態(tài)金屬的流動液不穩(wěn)定，這時鑄件易產(chǎn)生氣孔、皺皮、粘砂的缺陷。臨界充型速度區(qū)間的上限大小隨模樣模數(shù)(或壁厚)的增大而增加。保證鑄件良好成型的氣壓條件應該是：P大氣>P鑄型<P氣隙<P金屬液。如果P鑄型>P氣隙可能發(fā)生型壁移動或鑄件夾砂，甚至鑄件不能成型。如果P大氣<P鑄型，可能發(fā)生鑄型潰散，致使鑄件不能成型。如果P氣隙過大，可能澆不足。此外，研究還發(fā)現(xiàn)澆注溫度對液態(tài)金屬充型流動性的影響同樣與真空度的大小有關(guān)。當鑄型不抽真空時，澆注溫度對充型時間影響較大；當鑄型有真空度時，對充型時間基本無影響[4,7]。
清華大學的李峰軍[11,12]對消失模鑄造液態(tài)金屬充型速度進行了研究，試驗表明：隨真空度和直澆道高度的增加，平均充型速度增大。通過多元線性回歸建立了充型速度隨真空度、模樣密度、澆注溫度、金屬靜壓頭變化的計算公式，并研究了該公式在充型過程數(shù)值模擬中的應用。Wang[13,14]采用有限差分法(FDM)對三維任意幾何形狀的消失模鋁鑄件進行了流動及傳熱計算，并將計算結(jié)果與實際測試進行了比較。在計算過程中，假定了金屬流動速度受模樣分解速度制約，并假定模樣分解速度僅受金屬液溫度、真空度(壓力)，消失模模樣的模數(shù)影響。Y.F.Chen[15]在原有普通模擬軟件的基礎(chǔ)上，假定液態(tài)金屬自由表面的速度與內(nèi)澆道液態(tài)金屬的流量有關(guān)，建立了消失模模擬程序，試塊及實際鑄件的計算結(jié)果與實際測試結(jié)果一致。
1．3 真空度對金屬液凝固的影響
真空造型主要是通過干砂之間的熱傳導來冷卻，砂粒之間是以點或類似點的狀態(tài)接觸，砂粒間空氣稀薄，熱量只能靠砂粒間極小接觸面的熱傳導和熱輻射傳遞出去，所以熱的擴散能力較差，冷卻速度最慢。澆入鑄型內(nèi)的金屬液，在真空吸力作用下，具有密貼于型腔壁面的傾向，這似乎有利于熱的傳導，但與鑄型型腔表面水的汽化及有機物燃燒時大量吸熱、形成快冷的條件相比，其冷卻效果還是較差的。所以真空度的大小將影響V法鑄型的冷卻速度。鑄型中的真空度愈高，則鑄件冷卻速度就愈慢[2]。另外,研究發(fā)現(xiàn)鑄件凝固時間與鑄件模數(shù)有關(guān)。試驗測定不同真空度對模數(shù)低于2.O的試塊，其凝固時間基本無影響；模數(shù)大于2.O，真空度越高，鑄件凝固越慢。這是因真空度越高，砂粒間存留的空氣越稀薄，空氣以傳導和對流方式作為熱傳遞的媒質(zhì)作用也微弱的緣故[9,10]。
2 真空澆注
2．1 真空吸鑄
將型殼置于密閉的容器內(nèi)，抽出型殼內(nèi)空氣，使型殼內(nèi)造成一定的負壓，導致金屬液吸入型腔。當鑄件的內(nèi)澆道凝固后，去除負壓，令直澆道內(nèi)未凝固的金屬液流回溶池中。其優(yōu)點是提高了合金液的充型能力，吸鑄鑄件的最小壁厚可達O．2mm的面積可達300mm2，同時減少氣孔、夾渣等缺陷。適用于生產(chǎn)薄而精細的小型精鑄件，鑄鋼(含不銹鋼)件尤宜。
目前對真空吸鑄的研究主要集中在真空度對金屬液充型和凝固特性的影響上。北京航空材料研究院熊艷才研究表明[19]真空吸鑄有利于鑄型中氣體的排除，抑制紊流及卷氣的產(chǎn)生，克服了低壓鑄造和差壓鑄造的弊端，使金屬液的充型能力明顯提高。正因為如此，真空吸鑄時，金屬液的澆注溫度可以比重力澆注時低20～30℃，可澆鑄壁厚相差大、薄壁、品質(zhì)要求高的鑄件。真空吸鑄時，金屬液的充型可以近似為射流過程[20]，此時金屬液的充填狀態(tài)取決于射流的寬度、金屬液的粘度、金屬液進入型腔的速度、內(nèi)澆道的尺寸和分布、型腔的尺寸等因素，在內(nèi)澆道的尺寸和分布及型腔的尺寸確定后主要取決于金屬液進入型腔的速度v。
v = KdP/dt 式中 K——與升液管及坩堝截面積有關(guān)的常數(shù) dP／dt——真空度的變化率
所以通過選擇合適的真空度變化率，來控制金屬液進入型腔的速度，就可以獲得平穩(wěn)的充填效果。沈陽鑄造研究所孫遜等人[16]根據(jù)相似原理設(shè)計制作了真空吸鑄葉輪鑄件的水力模擬模型，研究了水充填模型型腔過程中型內(nèi)壓力和充型速度變化規(guī)律，通過實驗確定了合理的充型工藝參數(shù)，并將其應用于實際葉輪吸鑄試驗中，消除了鑄件內(nèi)的大面積氣孔缺陷。北京航空航天大學王貴等人[21]通過測溫試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了真空吸鑄條件下具有特定結(jié)構(gòu)特征的鋁合金試驗鑄件的充型和凝固過程基本規(guī)律，該鑄件充型及補縮的基本規(guī)律，表明在當前試驗條件下，鑄件中的局部厚大部位存在縮松缺陷，而通過局部放置鉻鐵礦砂的方法可以明顯減輕鑄件產(chǎn)生縮松缺陷的傾向。