铝合金低压铸造知识整理
第一章铝合金低压铸造知识整理
2.1低压铸造概论
2.1.1低压铸造定义
铸型一般安置在密封的坩埚上方，坩埚中通入压缩空气，在熔融金属的表面上造成低压力(0.06～0.15MPa)，使金属液由升液管上升填充铸型和控制凝固的铸造方法。
2.1.2基本原理
在密闭的保持炉的熔汤表面上施加0.01~0.05Mpa的空气压力或惰性气体压力，熔汤通过浸放在熔汤里的给汤管上升，被充填进连接着的炉子上方的模具内。因此熔汤是从型腔的下部慢慢开始充填，保持一段时间的压力后凝固。凝固是从产品上部开始向浇口方向转移，浇口部分凝固的时刻就是加压结束的时间。然后冷却至可以取出产品的强度后从模具中脱离。于是就凭借浇口的方向性凝固和从浇口开始的冒口压力效果得到了完美的铸件。
低压铸造装置如图1所示。
缓慢地向坩埚炉内通入干燥的压缩空气，金属液受气体压力的作用，由下而上沿着升液管和浇注系统充满型腔，如图1b所示。开启铸型，取出铸件，如图1c所示。
图1
2.1.3与其他铸造法的比较
与压力铸造比较：
1）低压铸造适用的合金范围广，而压力铸造一般只适用于铸造性能较好的合金；2）压力铸造一般用于生产批量大的中小铸件，而低压铸造可适用于不同大小，
不同批量的铸件；
3） 压力铸造是在高速高压下充型，型腔中的气体不易被排除，易于产生气孔，
而低压铸造则与此相反；
4） 低压铸造的设备比压力铸造的设备简单，制造容易；
5） 低压铸造比压力铸造生产效率低。
与金属型铸造比较：
1） 低压铸造可以大大简化浇注系统；
2） 低压铸造更易于实现机械化自动生产；
3） 低压铸造的设备比金属型铸造稍高。
与一般砂型重力铸造比较
1） 低压铸造浇包中的合金液自下而上的从底部注入型腔，浇注平稳，因此成品
率比砂型铸造高；
2） 低压铸造是在低压下充型，又在较高的压力下结晶凝固，使铸件的组织、机
械性能、气密性、耐压性能均比砂型重力铸造好；
3） 低压铸造浇注系统比砂型重力铸造简单，并可以大大减小冒口，有的铸件甚
至可以不设置冒口，从而简化了工艺，节省了金属材料；
2.2 铝合金低压铸造工艺
铝合金低压铸造的工艺过程如图2所示。
图2
2.2.1铸型种类的选择
1）铸型质量精度要求高，形状一般，生产批量较大的有色金属铸件，可选用金属型或石墨型。
2）铸型内腔结构复杂，不能用金属芯时，可采用砂芯。
3）铸件的精度要求不高的大型铸件在生产批量不大时或小于批量生产，可采用砂型。
4）铸件精度要求较高结构有很复杂时可用熔模壳型、石膏型。
2.2.2铸件凝固方式的选择
充型时，液态金属从内浇口引入，并由上而下地充填铸型；凝固过程中，升液管中的炽热金属液经由浇注系统向铸件提供补缩。为了充分体现低压铸造方法中铸件在一定的压力作用下结晶，获得的铸件组织致密的优点，充分发挥升液管的补缩作用，针对低压铸造的特点，通常情况下，实现“自上而下顺序凝固”的方式是历来公认的原则。
2.2.3金属型壁厚的确定
金属型壁厚的选择与许多因素有关。问题比较复杂，所以，到目前为止仍然是根据经验数据来确定的。参考数据如表1所示。
表1 铝合金铸件金属型壁厚(mm)
铸件的平均厚度3—5 5—6 6—8
金属型的最小壁厚15—20 20—25 25—30 2.2.4浇注系统的选择
1）浇口面积的大小是作为不引起熔汤乱流的截面积，内浇口最小面积计算公式如下：
a=G×1000/t×u×r×√(2×g×h)
a—浇口的最小面积
G—含浇口的铸件重量(kg)
t —到浇口之前的浇铸时间(sec)
u —阻力系数(0.3-0.4)
r —熔汤的比重(2.3-2.4)
g —重力加速度9.8m/s
h —从熔汤面到铸件上部的高度cm
2）应充分发挥浇注系统的补缩作用，为此保证截面积：升液管出口>横浇道>内浇道。
3）尽量避免液态金属直接冲击型壁和型芯（尤其是热导率大的部位），以防止局部过热。
4）当有多个内浇道与横浇道相连时，为了使各内浇道流量分配的均匀，应根据
具体的情况来确定各个内浇道的面积。一般说来，远离升液管的盲端及紧靠升液管的内浇道面积较小。
5）在生产较大的等壁厚铸件时，当金属型壁厚设计合理，并保证能够充填性的前提时，应将内浇道开设在铸件的短边面的中部，以便造成高度上的单向的温度梯度，从而有利于补缩的进行。此时，内浇道的开设应使充型的液态金属均匀的注入型腔，避免减少横向液流，达到减小或消除水平方向的温度梯度。
6）连接升液管与铸型的输液通道的管壁应尽可能薄些，以减少液态金属在该处的热量损失，这有利于补缩的进行。
7）应尽量减少用设置在充型末端，由冷金属液聚集而成的冒口。这样的冒口补缩效率低，并有出现“倒补缩”的危险。
2.2.5分型面的选取
1）分型面应尽量是一个平面。
2）尽可能不使分型面通过铸件本身，即将铸件尽量放在一侧型腔中。
3）尽可能使活块数量减少。
4）尽可能减少型芯数量，并使其安装方便稳固。
5）使起模斜度尽可能地小，以保证铸件尺寸精度。
6）便于安放冒口，并利于型内气体的排出。
7）便于铸件取出，不致拉裂或变形。
8）便于铸件顺序凝固，保证补缩，以使其组织致密。
2.2.6铸型的排气
在低压铸造中，要特别注意型腔中气体的排出。一般低压铸造没有冒口，顶部又是封闭的，所以铸型排气更显得重要。砂型低压铸造除了砂型本身具有透气性外，还可考虑在铸型顶部扎细的通气眼或设通气芯子。对于金属型低压铸造的型腔排气可采用下述措施：
1）在分型面上开排气槽，它既能迅速地排出型腔中的气体，又不使合金液从排气槽中溢出。常在分型面开设片状缝隙和三角形排气槽。目前，金属型的排气槽的尺寸选择还是根据经验数据进行的。对于铝合金，片状缝隙排气槽的厚度一般为0.5mm，宽度为10~15mm；三角形排气槽的尺寸：深度一般为
0.3~1.0mm，两边夹角为60~90°，间距一般取10mm。
2）在型腔的凹处及个别凸起部分应打入排气塞。
●当凹面是圆形的搭子时，则按圆的直径大小安排排气塞。圆的直径在25mm
以内按一只塞子就行了。如果圆的直径太大，则应该专门设计一个大的排气塞，中间再套一个小的排气塞。
●当凹面为非圆形的搭子，不论其凹面朝上、朝下或是垂直于水平面，均须安
排气塞。
3） 利用金属型与型腔连通的各配合面如芯座、活块、顶杆等开设排气槽。
4） 利用拼块模具排气。
5） 除了排气塞，排气槽以外，也可以在需要的大平面上开设蓄气槽；或在金属
型工作表面喷涂一定厚度的涂料，涂料层中的孔隙具有一定的蓄气作用和排气作用。
2.2.7 机械加工余量的选择
铸件的加工余量与所采用的铸型材料有关。一般砂型的尺寸精度和表面粗糙度都较差，铸件需放较多的加工余量，而金属型和石墨型的尺寸精度和表面粗糙度较高，铸件的加工余量可以减少，一般可取0.5~4mm 。加工余量的选取还需考虑以下因素：
1） 加工表面的粗糙度要求越小时，所留的机械加工余量应越大。
2） 尺寸精度要求越高时，对该尺寸的加工余量越大。
3） 加工面的面积越大时，机械加工余量越大。
4） 加工表面距离机械加工基准面越远时，机械加工余量越大。
5） 如有砂芯，那么由砂芯形成的铸件表面部分的机械加工余量应大于由金属型
（芯）直接形成的铸件表面部分的机械加工余量。
6） 冒口或浇口和铸件连接的表面，其加工余量应该放大一些。
7） 下表面、侧表面、上表面的加工余量应依次适当加大。
2.2.8 金属型型腔尺寸的确定
金属型型腔及型芯尺寸的确定，除根据铸件外形和内腔的公称尺寸以外，还要考虑到铸件的线收缩、涂料层的厚度、以及金属型材料从室温升至预热温度时的膨胀率。
金属型型腔和型芯的尺寸可用以下公式确定：
()2x p p x A A A K A δ=++±?
()2x p p x D D D K D δ=+-±?
x A 、x D —型腔、型芯的尺寸；
p A 、p D —件外形、内孔的公称尺寸；
K —综合线收缩率；
δ—涂料层厚度（一般取0.1~0.3mm ）
x A ?、x D ?—金属型制造公差
对于铝合金铸件，综合线收缩率可参考表2确定。
表2 不同情况下的K 值
受阻情况
K ×100 有型芯、无阻碍
有型芯、有阻碍
有邻近二凸台
0.8~1.2 0.7~0.9 0.5~0.7
2.2.9 金属型的合型力、抽芯力以及开型力 1） 合型力的确定 采用金属型进行低压铸造时，为保证工艺过程的顺利进行，
铸型除具有足够的强度、刚度外，合型之后，对铸型的分型面还应施加足够的锁紧力（合模力）。根据帕斯卡原理，锁紧力必须大于增压阶段液态金属在合模方向上对分型面的总压力，即p kp F =∑合
式中 F ∑—铸件（包括浇注系统）在合模方向上的正投影面积之和
p —增压阶段最高压力（Kpa ）
k —安全系数，一般取值为1~1.3。.
2） 抽芯力的确定 根据铸件结构特点，低压铸造用的金属型有时也设有抽芯机
构，以便开型时及时从铸件中将活动芯或活块取出。此时要预先计算所需要的抽芯力的大小。其大小可用下面的经验公式计算：
c m b p F p LK
μ=+ 式中
c p —抽芯力（N ）；
m μ—考虑到摩擦阻力的系数，对于铝合金为0.25；
b F —被铸件包住的型芯部分表面积（㎡）； p —挤压应力，对于铝合金，单面铸造斜度1%（约40′）时，为10MPa ； L —铸件包紧型芯的长度（m ）
K —常数，依合金种类及铸件包紧型芯处的厚度，对铝合金，壁厚为
3~5mm 时，K 取70，壁厚大于5mm 时，K 取140。
3） .开型力的确定 影响开型力的因素很多，一般是根据生产中积累的经验数据
来进行计算，有如下经验公式可用于开型力的估算：
P F p =?
式中 F —型腔在分型面上的投影面积（㎡）
P —型腔在分型面上的投影单位面积所需的开型力（铝合金值如表3）
表3 铸铝时的p 值
铸件的类型
简单 一般 复杂 P/MPa
0.5~1.0 ＞1.0~1.5 ＞1.5~5.9 2.2.10 充型压力的确定
充型压力p 充是指充型阶段中，金属液上升至铸型型腔顶部（即完全充满型
腔）时所需提供的气体压力。其值可根据帕斯卡原理确定，即：
2==p p H μγ充 式中 H — 型腔顶部与坩埚中金属液的距离；
γ—金属液重度； μ—充型阻力系数，一般取值1.2~1.5。（其值与型内反压力，铸件的平
均壁厚，充型速度有关）。
2.2.11 充型速度的确定
充型速度v 充是指充型过程中，金属液在型腔中的平均上升速度。v 充数值选择的恰当与否对铸件质量有直接影响。在升液管出口截面积一定的情况下，充型速度就取决于作用在合金液面上的气体压力的增长速度（称为加压速度）。加压速度越快，合金液的充型速度也越快。恰当的充型速度v 充应当是一个适当的数值，即应满足下面的不等式max min v v v 充充充＞＞。
2.2.12 结壳时间的确定
对于有一定壁厚的铸件，采用干砂型或金属型干砂芯进行低压铸造时，充型结束后，必须有一段压力保持不变的结壳时间，一般约为15~30s 。当铸件表层形成具有一定厚度的壳后，再继续增压，可以避免液态金属渗入砂型（芯）中，减少机械粘砂的机会。
一般的说，采用金属型时的结壳时间比较短，而采用砂型时的结壳时间则比较长；铸件壁厚较大的，结壳时间比较长，壁厚较小的则比较短，浇注温度较高时结壳时间比较长，反之则比较短。在生产中，用无砂芯的金属型浇注薄壁铸件时，有时可以取消结壳时间，即型腔充满之后直接增压补缩结晶。恰到好处的结壳时间是在生产中调试出来的，总之在不粘砂不跑火的前提下结壳时间越短越有利于补缩及提高铸件的内在质量。
2.2.13 增压压力的确定
液态金属在一定的压力下进行结晶，是低压铸造的特点之一。在加压规范中一般都有增压阶段，即充型结束后，在充型压力的基础上，再使压力增加一定数
值。增压压力可用下面的经验公式计算：
1=p k p 增压充
式中
p 充—充型压力； 1k —增压系数。
当使用比较老式的液面加压系统时，由于老式系统的快速性差，对于金属型及金属芯的铸型，1 1.5~2.0k =；金属型砂芯及干砂型，1 1.3~1.5k =。对于湿砂型，一般不增压，或稍许增加一点也可以（如在p 充基础上，增加2.7KPa ）。薄壁干砂型或金属型干砂芯，增压压力可取0.05~0.08MPa ，薄壁金属型（芯），增压压力一般为0.05~0.1MPa ，对于特殊要求的铸件可增至0.2~0.3MPa 。增压压力的大小一般根据铸型种类、铸件特点，通过实验加以确定。上述数值可做制定工艺时的参考。
当使用闭环控制的CLP 型液面加压控制系统时，由于该系统快速性良好，故增压压力值可大大降低。一般的说，对于带砂芯的金属型而言，增压压力值比充型压力值大（2~4）×4
10Pa 就可以；对于带金属芯的金属型而言，增压压力值比充型压力直大（3~5）×410Pa 就可以。增压压力太大，则容易跑火，如果金属型合型后密封良好又有足够大的合型力，那么增压压力可进一步增加，这对提高铸件的内在质量是有益的。
2.2.14 保压时间的确定
保压时间是指在保持恒定的增压压力作用下铸件凝固阶段所需的时间。保压时间的精确控制是获得优质铸件并使工艺过程顺利进行的重要条件。
保压时间与铸件壁厚、结构及浇口形状，液态金属的热导率及温度，铸型的温度、热导率及冷却条件，坩埚内液态金属的存量，底型的直浇口处的热阻及热容等诸多因素有关。到目前为止，尚未出现较为简便实用的公式来计算各种铸件的保压时间。生产中一般仍是依据“铸件重量—保压时间” 参考曲线（如图3）先选取参考值，然后由实验加以确定。生产实践认为，使铸件凝固后浇口残留长度为40mm ，或铸件与内浇口连接处无缩孔时的保压时间较为合适。
图3保压时间参考值
A—浇口位于铸件薄壁处
B—介于A，C之间的情况
C—浇口位于铸件厚壁处
2.2.15浇注温度和铸型温度的确定
合金液的浇注温度与铸型温度对铸件的成形和结晶组织有直接影响。在保证铸件成形的前提下，浇注温度与铸型温度应尽可能低一点。
低压铸造的浇注温度比一般的铸造方法低10~20℃，对于具体的铝合金铸件而言，浇注温度需根据其结构、大小、壁厚及合金种类、铸型条件来选择。经验温度是使用的合金熔点温度+100度，但壁厚的铸件稍低点，壁薄或形状复杂的铸件应稍高一些。
对铝合金铸件而言，非金属型（如砂型、石墨型）的型温一般为室温或预热至150~200℃；金属型预热温度一般为200~350℃（如汽缸体、汽缸盖、曲轴箱壳、透平轮等），薄壁复杂件，应预热至400~450℃（如增压器叶轮、导风轮、顶盖等）。