鋁合金壓鑄適合什么樣的澆注系統(tǒng)

自熔煉爐中取出鋁合金液、再將其澆注到鑄型中，是鋁合金壓鑄件生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵工序，這一工序經(jīng)歷的時(shí)間雖然很短，但合金液在傳送過程中的運(yùn)動非常激烈，液面的氧化膜不斷遭受破壞，不斷地產(chǎn)生新的氧化膜，又不斷地將‘氧化膜夾層’卷入合金液中，因而，大多數(shù)廢品都是在在這一階段造成的。從卷入‘氧化膜夾層’的角度分析，澆注過程的控制比熔煉過程的控制重要得多。

鋁合金液流動時(shí)，如果流速較低，合金液的表面張力可以約束液流，使其不至于分散、飛濺；如果流速高，液流就不可避免地會分散、飛濺。

許多研究工作表明，對于多種液態(tài)鑄造合金，液流不產(chǎn)生分散、飛濺的臨界流速是0.5m/s。

目前，應(yīng)用最廣的澆注方式，仍然是傳統(tǒng)的重力澆注，也就是利用合金液本身的重力，將其自鑄型的上方注入鑄型。實(shí)際上，對鋁合金而言，這是最不可取的澆注方式，因?yàn)?，液流自直澆口下落到其底部時(shí)，流速都遠(yuǎn)高于0.5 m/s，液流散亂和飛濺是不可避免的。此外，一些大家視為常規(guī)的澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則，也有不少問題，液流在澆注系統(tǒng)中往往會發(fā)生紊流、飛濺，會使大量的‘氧化膜夾層’和氣泡卷入合金液中，造成多種鑄造缺陷。

采用差壓鑄造或低壓壓鑄工藝，液流自鑄型的下方進(jìn)入鑄型，如果控制得當(dāng)，合金液可以平穩(wěn)、緩慢地充型，鋁合金壓鑄件的缺陷很少，材質(zhì)的力學(xué)性能當(dāng)然大幅度提高。從文獻(xiàn)得知，美國航空、航天用較大型的鋁合金、鎂合金壓鑄件，不少都是用差壓壓鑄工藝制造的。

還有一種平穩(wěn)充型的澆注工藝值得注意，那就是使液流水平轉(zhuǎn)移的“傾轉(zhuǎn)澆注（tiltcasting或tilt filling）”，澆注的方式是：將鑄型和澆包（或其他盛合金液的容器）安置在一可傾轉(zhuǎn)的裝置中，使鑄型的澆口和澆包的流出口對齊，然后，使裝置緩慢地傾轉(zhuǎn)，使合金液平穩(wěn)地從澆包轉(zhuǎn)移到鑄型中。目前，已有將此種工藝用于生產(chǎn)鋁合金壓鑄件和鈦合金壓鑄件的報(bào)道，主要是一些特別重要的壓鑄件。

盡管后兩種澆注工藝效果很好，更適應(yīng)于生產(chǎn)鋁合金壓鑄件，但是，重力澆注畢竟是應(yīng)用了幾千年的傳統(tǒng)工藝，而且還有生產(chǎn)條件方面的制約，在鋁合金壓鑄件用量不斷增長的今天，絕大部分壓鑄件仍然是用重力澆注的方式生產(chǎn)的。為了進(jìn)一步提高壓鑄件的質(zhì)量，在鑄造生產(chǎn)方面更充分地利用鋁合金在力學(xué)性能方面的潛力，改進(jìn)澆注系統(tǒng)是當(dāng)前必須認(rèn)真面對的課題。

近年來，采用視頻射線攝影技術(shù)和計(jì)算機(jī)模擬，可以更好地了解合金液的充型過程，但是，由于受到目前可供引用的參數(shù)的制約，至今，對充型過程的認(rèn)識仍有不少不甚確切之處。

適用于鋁合金的工藝方法很多，以下僅就水平分型的砂型鑄造工藝，提出的一些改進(jìn)澆注系統(tǒng)的意見，是依據(jù)J.Compbell和其他人士的研究結(jié)果歸納得到的，還不能認(rèn)為是非常成熟的，只能作為我們更新觀念的起點(diǎn)，行之有效的具體工藝方案，仍有待我們在實(shí)際生產(chǎn)中不斷地分析、研究和探求。

1、什么樣的澆注系統(tǒng)適用于鋁合金壓鑄

按照澆注系統(tǒng)各組元截面積的比，可以有多種不同的模式，我們在這里只提到其中的三種。

1）封閉式澆注系統(tǒng)  特點(diǎn)是：直澆口末端的截面積 ＞ 橫澆道的截面積＞ 內(nèi)澆口的截面積，是制造鑄鐵件最常用的澆注系統(tǒng)，最小的阻流截面在內(nèi)澆口處。

采用封閉式澆注系統(tǒng)時(shí)，由于系統(tǒng)內(nèi)靜壓頭和液流動能的作用，合金液是以噴射的方式進(jìn)入型腔的，產(chǎn)生紊流和卷入液流表面的氧化膜是難以避免的，而且會沖擊鑄型，這些情況都對鑄件的質(zhì)量有負(fù)面影響。因此，這種澆注系統(tǒng)原則上不適用于易于氧化、而氧化物熔點(diǎn)又很高的鋁合金和鎂合金，但實(shí)際生產(chǎn)中也有人采用。

2）開放式澆注系統(tǒng)  對于鋁合金壓鑄件，為了避免紊流和氧化膜卷入，開放式澆注系統(tǒng)的應(yīng)用較廣，有的文獻(xiàn)建議澆注系統(tǒng)各組元截面積之比為：

直澆口流出口截面積∶橫澆道總截面積∶內(nèi)澆口總截面積 ＝1∶2∶4

也有人提出三者的比宜為  1∶4∶4。

近年來，很多研究工作表明，橫澆道截面積增大，并不能避免紊流和散流，而且充滿澆注系統(tǒng)的時(shí)間長，合金液面易于氧化，并不能確保鑄件的質(zhì)量。再則，澆注系統(tǒng)的尺寸太大，還會導(dǎo)致工藝出品率降低，這也是不可取的。

3）自然流澆注系統(tǒng)  這是比較適用于鋁合金壓鑄的模式，采用緊湊的澆注系統(tǒng)約束液流，保持液流穩(wěn)定而不分散。直澆口與橫澆道的連接部位應(yīng)采用平滑過渡的方式，橫澆道須轉(zhuǎn)到另一方向時(shí)，轉(zhuǎn)角處也應(yīng)是平滑的圓弧。這樣的澆注系統(tǒng)，J. Campbell等人稱之為“自然流澆注系統(tǒng)”。

液流轉(zhuǎn)90°彎時(shí)，由于摩擦力的作用，液流的流速約降低20%，因此，自然流澆注系統(tǒng)各組元之間的關(guān)系大致是：直澆口流出口截面積∶橫澆道截面積∶內(nèi)澆口總截面積＝1∶1.2∶1.4，

至于澆注系統(tǒng)各組元的具體尺寸，要根據(jù)壓鑄件的結(jié)構(gòu)和澆注系統(tǒng)的總體安排具體考慮，目前還不可能有普遍適用的數(shù)據(jù)。重要的壓鑄件、批量生產(chǎn)的壓鑄件，設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)時(shí)應(yīng)參考計(jì)算機(jī)模擬的結(jié)果，有條件的話，宜采用視頻射線攝影技術(shù)校核。

2、不宜采用V-形漏斗式澆口杯

目前鑄造行業(yè)廣泛采用的V-形漏斗式澆口杯，對于鋁合金壓鑄件而言是不適宜的，因?yàn)樗鼤砗芏鄦栴}，如：

1）澆注時(shí)，如果液流直接自澆包嘴沖入直澆口，澆注系統(tǒng)中就會產(chǎn)生紊流和飛濺；

2）澆口杯的容量小，澆注過程中難以保持充滿狀態(tài)，容易卷入空氣、氧化膜和其他夾雜；

3）澆注時(shí)液流可能直接注入直澆口中，也可能沖向澆口杯的某一部位，因而，液流不平穩(wěn)，流速也難以控制，導(dǎo)致澆注系統(tǒng)其他組元的設(shè)計(jì)功能難以體現(xiàn)；

4）澆注時(shí)，如液流偏離直澆口的中心線，就會產(chǎn)生渦流，極易卷入空氣和氧化膜。

采用流出口偏置的澆口盆，液流注入澆口盆后有緩沖作用，效果當(dāng)然較好，但是，如果澆口盆底是平的，液流流向流出口時(shí)，由于慣性的作用，下降的直流道中，靠液流起點(diǎn)一面相當(dāng)一部分不能充滿。

解決問題的方法是在澆口盆中設(shè)置堤堰，但要考慮堤堰形狀的影響。如果設(shè)置直角形堤堰，液流流向流出口時(shí)，有一小段水平流動，慣性仍然會起作用，但影響較小。如果設(shè)置圓形堤堰，就更為理想。

3、關(guān)于直澆口的考慮

鑄造行業(yè)通常使用的直澆口，往往都是上、下截面積相同的圓柱形。對于很容易氧化的鋁合金，這種直澆口是不宜采用的，因?yàn)?，在澆注過程中，這種直澆口內(nèi)存在體積很大的氣隙，在液流表面形成氧化膜。更為重要的是，如果直澆口內(nèi)不存在氣隙，液流與鑄型中直澆口的壁密切接觸，表面的氧化膜大部分會附著在壁上，不進(jìn)入型腔；如果存在氣隙，這些氧化膜都易于卷入型腔內(nèi)。

由于重力加速度的作用，液體下落時(shí)，其流速隨下落的距離而增大，液流的截面積也就相應(yīng)地縮小。

液流的外輪廓是雙曲線形，理論上，要使直澆口內(nèi)不存在氣隙，直澆口應(yīng)該做成這樣的形狀。實(shí)際生產(chǎn)中，將直澆口做成這種形狀是很麻煩的。為簡便起見，可以做成上大、下小的錐體。工藝設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)壓鑄件的具體情況，由計(jì)算、計(jì)算機(jī)模擬確定了澆口盆流出口端部面積A1、高度H1和H2后，就很容易求得直澆口下端的面積，從而確定其尺寸。

有些壓鑄廠，采用造型機(jī)造型，為了起模方便，往往將直澆口做成上小、下大的錐體，那就更不合適了。

直澆口截面的形狀可以是圓形，也可以是方形（正方形或長方形），采用方形直澆口，還有一個好處，就是可以抑制渦流，避免卷入氣泡。

液流自直澆口下落時(shí)，表面張力有約束液流的作用。對于鋁合金壓鑄而言，液流表面形成的氧化膜有一定的剛性，像一個套管，也可以防止液流散亂。如果下落的高度不大，氧化膜套管保持穩(wěn)定，起保護(hù)液流的作用。下落高度增大，液流對套管內(nèi)表面的剪切作用增強(qiáng)，可以使套管的上部與澆注口分離、落下，在下端的液面上聚集成圈，液流表面又產(chǎn)生新的氧化膜。下落高度進(jìn)一步增大，液流就會將大量氣泡和氧化膜卷入合金液中。

鋁合金液的下落高度在100㎜左右，可以保持氧化膜套管穩(wěn)定；下落高度為200㎜時(shí)，下端的流速約2 m/s，氧化膜脫落就是不可避免的。實(shí)際生產(chǎn)中，直澆口高度很少能保持在200㎜以內(nèi)，因而，澆注過程是使合金液中卷入‘氧化膜夾層’最多工藝環(huán)節(jié)。

如果采用上大、下小的直澆口，澆注過程中又能保持直澆口充滿，由于液流與直澆口壁接觸，相當(dāng)一部分氧化膜可以附著在直澆口壁上，不進(jìn)入型腔。如果采用上下一致的直澆口，這種可能性就很小。采用上大、下小的直澆口，情況就會更差。

10㎏的鋁合金液，以10s左右的時(shí)間注入鑄型，澆注過程中可能卷入的氧化膜，面積大約是0.1～1㎡。

還應(yīng)該注意到：在保證充型的條件下，應(yīng)使直澆口的截面積盡可能地小些。這樣，就可以在澆注過程中保持直澆口呈充滿狀態(tài)，其中不存在氣隙。特別是在用樹脂黏結(jié)砂造型時(shí)，如果直澆口的截面積過大，液流與澆口壁之間存在很多空氣，空氣受熱后會使黏結(jié)型砂的樹脂氧化，失去黏結(jié)作用，砂粒被液流帶入型腔，在鑄件中造成夾砂缺陷。用尿烷樹脂自硬砂（Pep-set）生產(chǎn)同一鋁合金鑄件，用不同截面積直澆口的情況。直澆口截面積過大，澆注過程中，澆口壁上不少型砂脫落，圖4a是鑄件落砂后直澆口的狀況；直澆口截面積正常，澆口壁無損毀。

4、關(guān)于澆口窩

在直澆口的下端設(shè)置澆口窩，是鑄造行業(yè)常規(guī)的作法，一般都認(rèn)為澆口窩能起緩沖的作用，可減少氣泡的卷入，而且可以減輕澆注系統(tǒng)中的紊流。

但是，用Ｘ射線攝影進(jìn)行的系統(tǒng)研究表明：對于小型或稍大的鑄件，在通道緊湊的澆注系統(tǒng)中，直澆口和橫澆道的相接處以采用流線型的圓弧過渡為好，在這種條件下，合金液的表面張力可以約束液流的前沿，不會產(chǎn)生散流和飛濺。在直澆口下端設(shè)置澆口窩，反而會引起紊流、卷入氣泡，不利于鋁合金壓鑄件的質(zhì)量。

當(dāng)然，在鑄造行業(yè)中完全摒棄澆口窩，目前也是不現(xiàn)實(shí)的。較大的鋁合金壓鑄件，橫澆道截面積大，充滿橫澆道有一個過程，液流沖擊澆口窩卷入的氣泡可以排出，設(shè)置澆口窩也是可行的。鋁合金鑄件一般都不太大，最好不采用澆口窩。在這方面，仍有待進(jìn)行進(jìn)一步的研究工作。

如果不設(shè)置澆口窩，直澆口與橫澆道的連接處，最好采用圖5a那樣的平滑過渡方式，但是，對于水平分型的造型工藝，是難以做到的。變通的方法是采用局部圓角過渡方式。

5、橫澆道和內(nèi)澆口

橫澆道、內(nèi)澆口截面積的確定

1）內(nèi)澆口的位置  采用封閉式澆注系統(tǒng)時(shí)，內(nèi)澆口通常都位于橫澆道的下部。作這樣安排的指導(dǎo)思想，是認(rèn)為卷入液流中氧化膜、氣泡和其他夾雜物可以浮在橫澆道的上方，不會通過內(nèi)澆口進(jìn)入型腔。實(shí)際上，橫澆道內(nèi)的液流前沿，經(jīng)過第一個內(nèi)澆口時(shí)就會落入內(nèi)澆口而流入型腔，并卷入氧化膜、氣泡和夾雜物，這種考慮的謬誤是顯而易見的。即使是用封閉式澆注系統(tǒng)鑄造鑄鐵件，由于液流的前沿也是氧化最嚴(yán)重、最臟、含雜質(zhì)最多的，這種工藝也是不可取的。

內(nèi)澆口應(yīng)設(shè)置在橫澆道的上方。

2）橫澆道的截面積

很多生產(chǎn)單位所用的橫澆道，無論其長度如何、有幾個內(nèi)澆口，都是等截面的，而沒有認(rèn)真地考核其作用和效果。

如果橫澆道后面設(shè)有多個內(nèi)澆口，為了使液流均勻地通過各內(nèi)澆口進(jìn)入型腔，采用等截面橫澆道，不僅多耗用合金、降低工藝出品率，而且充型的效果不好，有損鑄件的質(zhì)量。