鋁合金熔模非對稱離心鑄造工藝探究

張軍社，李汝勇

（杭州萬向職業技術學院，浙江 杭州 310023）

1 傳統鋁合金熔模鑄造工藝及現狀

隨著現代工業及鑄造新技術的發展，對鋁合金鑄件的需求量越來越大，要求也越來越高，要求鑄件尺寸精確、表面質量和內部冶金質量好，表面粗糙度一般要求Ra在 0.8～3.2之間，并且向大型、薄壁、復雜、整體的方向發展。大型、薄壁鑄件一般指鋁合金精密鑄件的外廓尺寸大于500mm、平均壁厚小于2mm。目前，發達國家可以生產的鋁合金熔模精密鑄件，最大外廓尺寸在800-1000mm。

鋁合金熔模鑄件可以采用重力鑄造和反重力鑄造。重力鑄造可以在大氣下進行，也可以在真空條件下進行，石膏型鑄造須在真空下進行澆注。重力鑄造無法實現對充型壓力的良好控制，無論澆注系統設計的多么合理，都很難避免飛濺和紊流，易使鑄件產生欠鑄、疏松、氧化夾雜等鑄造缺陷。如果采用與重力相反的方向為合金液提供充型壓力，使合金液由下至上“反向充填”型腔，即反重力鑄造，則有可能實現對充型壓力的準確控制。 根據充型壓力引入方式的不同，反重力鑄造又可分為低壓鑄造、真空吸鑄和差壓（正壓或負壓）鑄造。

在現有的鋁合金熔模鑄造工藝中，為了提高鑄件成品率，采取了大量的措施和手段，雖然鑄件的質量有一定的提高，但還是不盡人意。

特別是內型復雜鑄件及薄壁鑄件的成型問題，根本原因是鋁合金質量輕，澆注以后充型能力差等原因造成。下面我們就分析一下由于鋁合金密度小而造成鑄造缺陷的原因。

1）質量小重量就小，鋁合金溶液流動性就差。我們在澆注過程中模殼溫度比鋁合金溶液溫度低，模殼對澆注到模殼中的鋁合金溶液有冷卻作用，降低了的鋁合金溶液流動性就更差，自然充型能力就差。對于復雜鑄件來說，甚至有的地方還沒有充滿之前就已經凝固了，失去了流動性，就會產生欠鑄現象。

2）由于重量小，對模殼透氣性要求就高。在鋁合金澆注過程中模殼內部有大量的空氣需要排出，當然我們在組型過程中設計了冒口等排氣系統，但有的部位空氣還是需要靠溶液產生的重力擠壓通過模殼透氣性排氣，鋁合金溶液重力越大對氣體擠壓力就大，排氣效果就好。當然對于充型后包裹在鋁合金溶液中的氣體來說，要想排除只有通過自身浮力上升的方法，由于重力小浮力就小，自然排出空氣的效果就差。

3）同樣也會產生疏松現象。澆注以后，鋁合金溶液要逐步冷卻凝固，由于鋁合金溶液重量小，補縮壓力就會下降，同時流動性也變差，就會造成補縮能力差，產生疏松現象，使鑄件強度得不到保證。

4）同樣也會產生氧化夾雜等現象。氧化夾雜物質比重比鋁合金溶液密度小，澆筑過程中隨著液流進入模殼內部（冶煉過程中產生的氧化雜質在澆注過程中有過濾網，但還是會有細小的雜質），只有靠自身浮力上升到澆道、輔助澆道等部位。鋁合金密度小自然氧化夾雜浮力就小，上浮的速度就慢，來不及析出，隨著溶液凝固就夾雜在鑄件中了。

5）為了防止由于鋁合金密度小而造成鑄件缺陷，所以在鑄件模具設計、蠟模組型工藝、涂料工藝、模殼焙燒以及模殼澆注溫度控制等過程中絞盡腦汁，大大影響了工作效率。盡管鑄件成型了，但為保證成型，后加工余量也很大。

通過以上分析可以看出，由于鋁合金密度小，致使按現有的鋁合金熔模鑄造技術很難較理想解決鑄造缺陷，能不能找到一種通過增加鋁合金溶液重力的方法來解決這個問題呢？

2 非對稱離心機械探究

鋁合金鑄造工藝中有一種離心鑄造工藝，這種工藝主要是對于圓形桶件，通過模具旋轉產生離心力，這樣鋁合金溶液澆注到內腔使鋁合金溶液旋轉產生離心力的鑄造工藝，大大提高成品率和鑄造缺陷，但鑄件內壁加工余量較大，這種工藝不適合非對稱熔模鑄造。但根據這種工藝原理，我們可以對其加以變形改造應用到鋁合金熔模鑄造工藝中。

在鋁合金熔模鑄造工藝中，模殼經過焙燒后在規定溫度下就可以進行鋁合金溶液澆注了，當然這是在靜止地球引力作用下澆注。我們不妨簡單設想一下，讓焙燒后的模殼以澆口上方某一點做圓周運動，這種圓周運動在水平面上進行（就好像是人們在游樂園坐的做圓周運動游樂飛機），以一定速度做圓周運動就會產生離心力，根據離心力計算公式：

可以看出離心力大小與質量、圓周角速度平方、旋轉半徑成正比，根據此公式：當 r=2米、ω=3.1415*2（也就是1周/秒）時，離心加速度a=78.95米/秒平方，是重力加速度的8倍，這樣就相當于大大提高鋁合金的重力。具體方法是根據以上原理，讓模殼做圓周運動的同時，把鋁合金溶液從旋轉中心位置澆注，通過擺臂導流裝置將溶液導流到模殼澆注口，這樣液流在較大離心力作用下迅速充滿到模殼內部。當然這個離心力可能太大，但根據模殼強度，可以調整離心力大小。這是非對稱離心鑄造基本設想，當然要實現這種鋁合金熔模非對稱離心鑄造工藝有以下問題需要解決：

1）由于鋁合金溶液在較大的離心力作用下沖入模殼內部，對模殼內壁擠壓力很大，這就要求采取必要工藝保證模殼不至于破裂。為了提高模殼抗破裂能力，我們可以在涂料時，使外殼適當加厚，同時在焙燒工藝中，將模殼放置于專門用鋼板制作的圓形容桶中，將模殼放入后，在容捅內壁與模殼之間填充顆粒狀（較大）耐火材料，焙燒后，將容捅和模殼一起放到離心機上做圓周運動，這樣耐火填充物在澆注過程中對模殼起到支撐作用。

2）蠟模組型工藝中，主澆道設計適當降低高度，澆口向正上方，便于鋁合金液流注入到澆口里。

3）在澆注過程中，由于模殼做圓周運動，所以必須還要在離心機上設計專門外部導流系統，這套導流系統必須加熱保溫，并且溫度可以控制，不能使鋁合金溶液流過導流裝置時溫度降低。

4）由于將模殼等放到離心機做圓周運動，再加上澆注到模殼里的鋁合金溶液，產生巨大的偏心離心力，因此必須在另一端等臂加上平衡物，這樣旋轉后會得到適當平衡。為了將模殼容捅吊掛到離心機擺臂上，需要設計專門吊掛裝置。

5）由于旋轉半徑較大，因此離心機采用坑道式設計，坑道內空氣需要循環，采用外吸式通風裝置。離心機轉速能夠根據需要進行調節。

6）由于旋轉過程中風力作用，在澆筑前模殼做圓周運動這時模殼不能風吹降溫，因此必須設計擋風板。澆注后為了讓模殼降溫擋風板自動按一定速度提起，并且還要專門設計一套裝置使容捅轉動，這樣使模殼冷卻均勻，實現從模殼底部向澆口方向順序冷卻，冷卻速度可以調整。

把離心鑄造用到鋁合金熔模鑄造工藝中是一種新的鑄造工藝，需要從全新角度考慮問題，當然還有一些問題需要考慮解決，比如，離心力作用下的重金屬偏析問題，但這種非對稱離心鑄造和平常我們常用的對稱離心鑄造有所不同，后者產生的離心力要大的多，因此偏析現象比較明顯。如果前者產生一些不大的偏析現象，完全可以通過順序冷卻等手段解決。

3 非對稱離心鋁合金熔模鑄造工藝優缺點

優點：

1）采用此種工藝可以大大減少鑄件在

傳統熔模鑄造工藝中缺陷，特別是成型、疏松缺陷，提高鑄件強度，提高成品率。

2）在此種工藝中，在鋁合金溶液凝固過程中，可以通過非對稱離心機設計，在鋁合金溶液凝固過程中實現高頻振動，結晶組織致密、均勻，增加鑄件的強度。同時由于模殼澆注后轉動和順序冷卻，不但具有很強的補縮作用，而且大大減少內應力產生。

3）此種工藝能夠解決內型復雜、精度高、傳統熔模不能解決的問題，特別是航空航天等要求較高、附加值較高的鋁合金鑄件。

4）可以簡化傳統鋁合金熔模工藝中澆注系統，簡化蠟模組型要求等。

5）離心力、冷卻順序和速度等可以調整。

缺點：

1）此種工藝由于使用了非對稱離心機機械，占用的空間大，費用較高。

2）由于離心力較大（可以調整），非對稱離心機強度要求高，對模殼強度要求也較高，要采用專門焙燒容捅，并有吊裝設備。

3）生產效率較低，但成品率會得到很大提高。

4）高度較大鑄件可能出現合金中比重較大合金金屬元素偏析現象。

4 結束語

我在鋁合金熔模鑄造行業好多年了，總相探索出一種全新熔模鑄造方法，可能設計思路存在不足，希望讀者提出寶貴意見！