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什么样的浇注系统适用于铝合金铸造?
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自熔炼炉中取出合金液、再将其浇注到铸型中,是铸件生产过程中的关键工序,这一工序经历的时间虽然很短,但合金液在传送过程中的运动非常激烈,液面的氧化膜不断遭受破坏,不断地产生新的氧化膜,又不断地将‘氧化膜夹层’卷入合金液中,因而,大多数废品都是在在这一阶段造成的。从卷入‘氧化膜夹层’的角度分析,浇注过程的控制比熔炼过程的控制重要得多。

铝合金液流动时,如果流速较低,合金液的表面张力可以约束液流,使其不至于分散、飞溅;如果流速高,液流即不可避免地会分散、飞溅。

许多研究工作表明,对于多种液态铸造合金,液流不产生分散、飞溅的临界流速是0.5m/s。

目前,应用很广的浇注方式,仍然是传统的重力浇注,也会是利用合金液本身的重力,将其自铸型的上方注入铸型。实际上,对铝合金而言,这是很不可取的浇注方式,因为,液流自直浇口下落到其底部时,流速都远高于0.5m/s,液流散乱和飞溅是不可避免的。此外,一些大家视为常规的浇注系统设计原则,也有不少问题,液流在浇注系统中往往会发生紊流、飞溅,会使大量的‘氧化膜夹层’和气泡卷入合金液中,造成多种铸造缺陷。

采用差压铸造或低压铸造工艺,液流自铸型的下方进入铸型,如果控制得当,合金液可以平稳、缓慢地充型,铸件的缺陷很少,材质的力学性能当然大幅度提高。从文献得知,美国航空、航天用较大型的铝合金、镁合金铸件,不少都是用差压铸造工艺制造的。

还有一种平稳充型的浇注工艺值得注意,那会是使液流水平转移的“倾转浇注(tiltcasting或tiltfilling)”,浇注的方式是:将铸型和浇包(或其他盛合金液的容器)安置在一可倾转的装置中,使铸型的浇口和浇包的流出口对齐,然后,使装置缓慢地倾转,使合金液平稳地从浇包转移到铸型中。目前,已有将此种工艺用于生产铝合金铸件和钛合金铸件的报道,主要是一些特别重要的铸件。

尽管后两种浇注工艺效果很好,更适应于生产铝合金铸件,但是,重力浇注毕竟是应用了几千年的传统工艺,而且还有生产条件方面的制约,在铝合金铸件用量不断增长的今,绝大部分铸件仍然是用重力浇注的方式生产的。为了进一步提高铸件的质量,在铸造生产方面更充分地利用铝合金在力学性能方面的潜力,改进浇注系统是当前必须认真面对的课题。

近年来,采用视频射线摄影技术和计算机模拟,可以更好地了解合金液的充型过程,但是,由于受到目前可供引用的参数的制约,至今,对充型过程的认识仍有不少不甚确切之处。

适用于铝合金的工艺方法很多,以下仅会水平分型的砂型铸造工艺,提出的一些改进浇注系统的意见,是依据J.Compbell和其他人士的研究结果归纳得到的,还不能认为是非常成熟的,只能作为我们更新观念的起点,行之有效的具体工艺方案,仍有待我们在实际生产中不断地分析、研究和探求。

1、什么样的浇注系统适用于铝合金

按照浇注系统各组元截面积的比,可以有多种不同的模式,我们在这里只提到其中的三种。

1)封闭式浇注系统特点是:直浇口末端的截面积>横浇道的截面积>内浇口的截面积,是制造铸铁件很常用的浇注系统,很小的阻流截面在内浇口处。

采用封闭式浇注系统时,由于系统内静压头和液流动能的作用,合金液是以喷射的方式进入型腔的,产生紊流和卷入液流表面的氧化膜是难以避免的,而且会冲击铸型,这些情况都对铸件的质量有负面影响。因此,这种浇注系统原则上不适用于易于氧化、而氧化物熔点又很高的铝合金和镁合金,但实际生产中也有人采用。

2)开放式浇注系统对于铝合金铸件,为了避免紊流和氧化膜卷入,开放式浇注系统的应用较广,有的文献建议浇注系统各组元截面积之比为:

直浇口流出口截面积∶横浇道总截面积∶内浇口总截面积=1∶2∶4

也有人提出三者的比宜为1∶4∶4。

近年来,很多研究工作表明,横浇道截面积增大,并不能避免紊流和散流,而且充满浇注系统的时间长,合金液面易于氧化,并不能确保铸件的质量。再则,浇注系统的尺寸太大,还会导致工艺出品率降低,这也是不可取的。

3)自然流浇注系统这是比较适用于铝合金铸造的模式,采用紧凑的浇注系统约束液流,保持液流稳定而不分散。直浇口与横浇道的连接部位应采用平滑过渡的方式,横浇道须转到另一方向时,转角处也应是平滑的圆弧。这样的浇注系统,J.Campbell等人称之为“自然流浇注系统”。

液流转90°弯时,由于摩擦力的作用,液流的流速约降低20%,因此,自然流浇注系统各组元之间的关系大致是:直浇口流出口截面积∶横浇道截面积∶内浇口总截面积=1∶1.2∶1.4,

至于浇注系统各组元的具体尺寸,要根据铸件的结构和浇注系统的总体安排具体考虑,目前还不可能有普遍适用的数据。重要的铸件、批量生产的铸件,设计浇注系统时应参考计算机模拟的结果,有条件的话,宜采用视频射线摄影技术校核。

2、不宜采用V-形漏斗式浇口杯

目前铸造行业广泛采用的V-形漏斗式浇口杯,对于铝合金铸件而言是不适宜的,因为它会带来很多问题,如:

1)浇注时,如果液流直接自浇包嘴冲入直浇口,浇注系统中即会产生紊流和飞溅;

2)浇口杯的容量小,浇注过程中难以保持充满状态,容易卷入空气、氧化膜和其他夹杂;

3)浇注时液流可能直接注入直浇口中,也可能冲向浇口杯的某一部位,因而,液流不平稳,流速也难以控制,导致浇注系统其他组元的设计功能难以体现;

4)浇注时,如液流偏离直浇口的中心线,即会产生涡流,极易卷入空气和氧化膜。

采用流出口偏置的浇口盆,液流注入浇口盆后有缓冲作用,效果当然较好,但是,如果浇口盆底是平的,液流流向流出口时,由于惯性的作用,下降的直流道中,靠液流起点一面相当一部分不能充满,如图1a中的斜线所示。

图1流出口偏置的浇口盆

a-不设堤堰;b-直角形堤堰;c-圆形堤堰

解决问题的方法是在浇口盆中设置堤堰,但要考虑堤堰形状的影响。如果设置直角形堤堰,液流流向流出口时,有一小段水平流动,惯性仍然会起作用,但影响较小,如图1b中的斜线所示。如果设置圆形堤堰,会更为理想。

3、关于直浇口的考虑

铸造行业通常使用的直浇口,往往都是上、下截面积相同的圆柱形。对于很容易氧化的铝合金,这种直浇口是不宜采用的,因为,在浇注过程中,这种直浇口内存在体积很大的气隙,在液流表面形成氧化膜。更为重要的是,如果直浇口内不存在气隙,液流与铸型中直浇口的壁密切接触,表面的氧化膜大部分会附着在壁上,不进入型腔;如果存在气隙,这些氧化膜都易于卷入型腔内。

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