真空吸铸

HEATS

    1.1 概述

    1.1.1 真空吸铸分类与应用范围

, m8 D+ f, O7 r( `9 r

    真空吸铸是一种在型腔内造成真空，把金属由下而上地吸入型腔，进行凝固成形的铸造方法。

    根据铸件形状特点，有两种真空吸铸法：

    （1）柱状铸件真空吸铸 专用于生产圆柱、方柱状中空和实心件的真空吸铸法。生产的铸件可用来加工成螺母、螺杆、轴套、轴瓦等，大多为铜合金铸件，也可生产铝合金件、铸铁件、铸钢件。铸件最大外径可达120mm。其工作原理见图215。结晶器（即水冷金属型）1的内壁周围用水冷却，结晶器下口埋入金属液2中，其上口接真空系统，金属液在大气作用下升入结晶器内腔达一定高度，结晶器内金属液由外向中心凝固，待凝固达到所要求的厚度时，将结晶器上口接通大气，结晶器中心未凝固的金属液下落回流至坩锅中，得中空柱状铸件。

# k8 B! Q& C# K8 ?

 

图215  柱状铸件真空吸铸工作原理

2 B$ D( A9 }2 z2 U5 o9 Y2 n( M

1—结晶器；2—金属液；3—凝固层

    （2）成形铸件真空吸铸 用于生产各种形状铸件的真空吸铸法，其工作原理见图216。将铸型置于真空室1中，型腔顶部有通气孔，型中浇注系统连接下面的升液管8，升液管下端浸入金属液9中。打开电磁阀3，真空室与真空罐5接通，在型腔内建立一定的真空度，坩锅中的金属液在大气作用下上升进入型内，凝固成形。节流阀4用来控制型腔内负压的建立速度，以调节金属液充填型腔的速度。由时间继电器控制真空室内负压的保持时间，当型内内浇道凝固后，即可将真空室接通大气，升液管内金属液回流至坩锅中。也可在金属液充型时采用真空吸铸法，充完型后，增大金属液面上的压力，实现低压作用下的铸件凝固，进一步改善铸件凝固时的补缩条件。用此法可高效地生产铝合金、镁合金薄壁铸件。

; V" |; O. v# \3 L

 

图216  成形铸件真空吸铸工作原理

6 ~! z, L& l, N9 c) m. h: l5 x

1—真空室；2—管道；3—电磁阀；4—节流阀；5—真空罐；6—电接触真空计；7—真空泵；8—升液管；9—金属液

. D9 v2 X6 d/ \

    1.1.2 真空吸铸的优缺点

: d) {. Y; [3 E0 `9 W! r7 I" {

    1）铸型自金属液中吸取金属，故浮在金属液表面的渣子，不易进入型内。

* B( ?5 k* F' P) `# {& N! H

    2）金属液自下而上地平稳进入空气稀薄真空条件下的型腔，不能产生卷气现象，氧化可能性也较小，又在真空条件下实现金属液的凝固。凝固过程中析出的气体也易上浮外逸，故铸件中不易形成气孔。

    3）型内金属与型壁接触较紧密，金属凝固较快。柱状铸件真空吸铸时，更采用水冷薄壁金属型，铸件的凝固速度更大，故铸件晶粒细小，不易产生重度偏析。

; E+ ^; R1 N, A4 [1 G

    4）可创较好的自下而上，自型壁向壁厚中心的定向凝固条件，铸件不易形成缩松。

' i6 q! }7 l' W+ e" V

 |||   

2 ?; Z9 t/ {4 Y5 `4 i

    上述四点都可使铸件获得致密的组织，使铸件力学性能提高。如柱状铜合金铸件，与砂型铸造时比较，其强度极限可提高6%～25%，伸长率提高5%～20%；而铝合金铸件，与金属型铸造时比较，其强度级限可增大5%～10%，伸长率增大30%。

    5）充型时，金属液在型腔内遇到的气体阻力很小，可提高金属液的充填性，生产形状复杂的薄壁铸件，如铝合金、镁合金件的最小壁厚可为1.5mm。

* I9 Y" x2 I( r; e& `* v' Q$ m

    6）浇注系统或结晶器中粘附的金属液损失较少，故可提高工艺出品率。

    7）生产过程易于机械化、自动化，生产效率高。

! C: w$ y( e# U4 Z+ V# {

    8）柱状铸件中空内壁不平度较大，内孔尺寸不易正确控制，故需留较大加工余量。

( f5 G5 t: r5 a3 K- I. N5 X) C& G3 ~

    1.2 真空吸铸工艺

* q* v y/ [7 h: i

    1.2.1 铸型型腔真空度

" A; D3 }' K# `3 V3 Z& o5 w1 z

    1）柱状铸件真空吸铸时的型腔真空度按所需提升金属液的高度（即铸件长度）L（mm）计算

/ }* h5 p$ G* M& R

        （Pa）

; ~7 Y! p, [- D" n' ~

    式中 ρ—合金液密度（g/cm³）。

! r7 t, y' B* K) Z

    一般铜合金铸件的长度小于1m。

    2）成形铸件真空吸铸时型腔内直空度根据金属液保温炉（或坩锅中）允许的最低金属液面高度与铸型顶部高度间的差值h（mm）计算

; L1 N: n% k) }7 N; U

=9.8hp·A（Pa）

* {2 Q1 T3 j' P6 U4 V

    式中 A——系数≌1.2。

    真空吸铸铝硅合金时，h应小于4m；真空吸铸铝铜合金时，h小于3.4m。

    型腔内真空度的建立速度由真空管路中的节流阀开启程度和铸型顶部的通气道形状、尺寸决定。实际生产中主要根据试浇铸件品质（质量），用节流阀调节真空度建立速度。通气道的形状和尺寸应在合理的真空度建立速度情况下，保证型内气体能顺利逸出，但金属液如进入通气道后应很快凝固不能溢出型外。如采用金属型时的通气隙厚度应小于0.15mm。

e0 U3 m) U! K+ n

    1.2.2 柱状铸件真空吸铸时结晶器口浸入金属液的深度

9 @/ q, V* r* w* C' G5 P

    结晶器下口浸入金属液的深度应保证在吸铸完后，结晶器下口边缘还能处于金属液表面的深度不小于10mm，防止真空吸铸时金属液表面的大气随金属一起吸入型腔，同时还可减少在结晶器下口旁粘附的金属数量。当真空吸铸圆柱形铸件时，结晶器下口浸入金属液深度H（mm）的计算式为

4 W$ \2 O$ A6 b

H≥L   （mm）

! q' G8 t5 } q i8 i3 c" |! ]

    式中  L——铸件长度（mm）；

1 ~/ g& I, L$ n0 s% B; I# y# s

       r、R——型腔、坩埚熔池的内半径（mm），设金属保温坩埚的内腔为圆筒形。

" ~, r, ~! }# |. t, Q4 ~2 [) Y

    1.2.3 真空保持时间

    柱状铸件真空吸铸时，应在铸件的凝固层厚度达到所要求的数值前，保持型腔内的真空度值；成形铸件真空吸铸时，当铸型底部内浇口断面全部凝固后，即可撤去真空。真空保持时间可采用由传热学中的平方根原理推导而得的公式进行近似计算

) C7 L4 S6 V# X( {9 g! W+ j/ j) @

τ=

    式中 R——铸件凝固层厚度或铸型内浇道断面换算厚度（mm）；

         K——凝固系数（mm/s^1/2），其值与铸型材料、结构、吸铸合金及其温度、铸型工作状态等有关，一般柱状铜合金件真空吸铸时，K=2～3mm/s^1/2，在铝合金成形铸件金属型吸铸时，K=3～5mm/s^1/2。

    最后由生产实践对τ值修正。

   ||| 

7 a9 W! ?! M$ p- f9 }; J* Y

    1.2.4 吸铸温度

    柱状铸件真空吸铸时，金属液的温度可比一般重力铸造时稍低。因型腔断面大，金属液充型时流动距离短。但温度不能太低，避免结晶器头部粘附金属太厚。表306为一些铜合金柱状铸件的吸铸温度。

5 d. B$ T9 N# G' v, ?: p) @+ v

表306  一些铜合金柱状铸件的吸铸温度

# u% a1 T3 i8 j) I! A& a1 H4 m

( ~& L* X# t. t5 g: Y$ Z7 o% ?* h3 y9 x, F- R: A" Q. {$ N8 ~7 w: F6 ^6 _6 }% l! M8 V# O \3 S6 s( O3 f4 N6 N9 f' P5 z B2 \; X: u: V5 ^1 L% ]4 O% t$ L3 A3 s# W) F2 w# T" W. {- U) e- i9 C6 y: E T7 y L0 K3 s% L @* U K" \0 }: f, T' P) B& S P% e# e% m z, s p4 {1 s# q6 u# J# K9 o5 L# y0 e a( v& g8 j7 E

9 q& |$ b/ o. e3 [% ^1 D3 s" T- C 合金牌号	吸铸温度（℃）
5 N; P5 L: P5 O* v4 }. I8 l ZCuZn13Si4Pb3	950～1000
ZCuSn10Zn2	" X8 ]5 `" V/ f+ Z) T! S 1050～1080
ZcuSn6Zn6Pb3
ZcuZn48
ZcuSn5Pb5Zn5	' G- J7 T- l9 T* t3 r 1020～1070
$ d5 G0 A/ L6 U' l0 `4 t! T- i4 x ZcuZn40Pb2
0 i0 |, D: g) ~. g& D7 _9 ?. `: R ZcuAl9Fe4	7 j5 J& t) O: ~7 s ^, |3 { 1120～1150
ZcuAl10Fe3Mn2
ZcuSn10Pb1	1100～1150

( Z& `5 m2 n7 z7 D3 n4 \9 L) u- Y N% f

    成形铸件的吸铸温度随铸型材质而异，其具体取值与重力铸造相同。

    1.2.5 铸型涂料

% S+ G* L, }" z+ }

    柱状铸件真空吸铸时，结晶器型腔工作表面上的涂料主要起润滑工作，使铸件易自结晶器中取出。一般采用在400～450℃烘烤约1h后的石墨或滑石粉，用涂刷法使涂料附着于结晶器型腔工作表面上。结晶器头部处的涂料应有好的绝热作用，以减薄该处在工作时可能粘附的金属，可用ZnO93%+水玻璃7%和适量水配制的涂料涂于结晶器的头部外表面上，涂料层的厚度约为0.5mm，并经烘烤干透牢固后使用。结晶器内工作表面上出现的浅凹坑可用石墨加机油共混的膏状物涂抹平，经烘干后使用。

# K+ `2 e0 T! S2 ~1 T7 x

    成形铸件真空吸铸时，铸型型腔工作表面上的涂料随铸型材料及吸铸的金属而异，一般与重力铸造时同。

; @; [/ g9 ?" C: M

    1.2.6 柱状铸件真空吸铸时结晶器的冷却

& O' u5 i! M: i) u) @& ] k! C, ~

    进入结晶器内的冷却水温度应高于室温，防止吸铸前在结晶器型壁上凝有水滴，一般为35～60℃。进入结晶器的冷却水应具有0.2～0.25MPa的压头。吸铸空心铸件时，冷却水由结晶器下部进入，使在高度结晶的高度方向上铸件凝固的厚度均衡化；而吸铸实心铸件时，冷却水宜在结晶器上部引入，创造铸件上部凝固较快，下部较慢的条件，使坩锅中的金属液能顺利地由下向上补缩。

, N' j! o/ V2 S* O* _1 [

    1.3 真空吸铸机

- U/ Z% C% i& Z- L8 O

    1.3.1 柱状铸件真空吸铸机

% R8 G9 j( r# a

    图217为常用柱状铸件真空吸铸机。机架1可绕机器主轴带动全部机器附件旋转，通过升降杠杆3的下压或上抬可带动钢绳10沿滑轮11来回移动，达到上抬或下降结晶器4的目的。在此机上采用负压喷嘴13在结晶器内腔建立真空。压力为0.6MPa的压缩空气通过阀门2进入负压喷嘴（见图218）的肘管7，经喷嘴3喷出，同时吸出抽气管2内的空气，抽气管通过管接头1与结晶器型腔接通，从而使结晶器型腔建立起真空。真空度的大小可通过机器上的真空调节阀（图217中的17）调节，调节阀结构，见图219。

 

图217  常用真空吸铸机的主机

1—机架；2—气阀；3—升降杠杆；4—结晶器；5—真空表；6—冷却水管；7—平衡锤；8—限位丝杠；9—挡块；10—钢绳；11—滑轮；12—导向杆；13—喷嘴；14—手柄；15—基座；16—斜架；17—真空调节阀

! E0 G- r$ p4 G$ W: ]

 

图218 负压喷嘴结构

" c5 C; A7 y& G; e% G& o! _( ^

1—管接头；2—抽气管；3—喷嘴；4—外壳；5—导气管；6—螺母；7—肘管

/ q& j3 t/ w6 f

 

图219 真空调节阀结构

% _) A& ~1 a/ e% n

1—调节螺钉；2—真空表座；3—通大气孔；4—接真空系统；5—阀体

    结晶器的真空也可用真空泵建立，其抽气率可为0.6m³/h，配置的真空罐尺寸可为φ800mm×1000mm。

   ||| 

) w' X; ]. k& @+ D2 O8 h

    自动化的柱状铸件真空吸铸机，见图220。整个机器装在小车上，在水平支架的导轨上装有可水平直线运动，并由气缸7驱动的结晶器架。结晶器架上有带动结晶器1升降的气缸8。真空系统直接放在小车平板上，真空泵6由电动机驱动。吸铸后凝固的铸件在随结晶器移至接受槽上时直接掉落在接受槽上。

 

8 M7 }: o+ p0 U0 E7 l e$ z

图220  自动化柱状铸件真空吸铸机

1—结晶器；2—金属液；3—真空罐；4—阀；5—调节器；6—真空泵；7、8—气缸

    目前市场上供应液压电气控制半自动式的柱状铸件真空吸铸机，结晶器支架结构似图217所示，但结晶器的升降和支架的转动则由液压缸完成。一台机器2～3人操作，班产1～2t，φ25～100、长度为400mm的棒、套类铜合金铸件。

5 ~: G& x; y( e& i8 t( E

    1.3.2 柱状铸件结晶器

1 ?. Z, O+ _9 {

    图221为柱状铸件真空吸铸用结晶器的结构。壁厚为4～6mm的工作套2直接与金属液接触，为取出铸件方便，其内壁做成0.2°～1.0°的锥度。工作套与外套1间的通冷却水缝隙为3～6mm。结晶器下端头部直接与坩锅熔池中金属液接触，其圆弧半径为9～10mm，端头部的圆锥面交角为60°。

 

图221 柱状铸件真空吸铸结晶器结构

# E( n8 n' x- [7 I7 J

1—外套；2—工作套；3—弯水管；4—环水室套；5—圆环；6—胶圈；7—接真空管；8—压盖；9—填圈；10—套管；11—冷却水管；12、13—弯管

    1.3.3 成形铸件真空吸铸机

, l) i9 L* l: u

    图222为一种金属型铸件真空吸铸机，金属液1处于保温炉内，炉膛与大气相通，保温炉用盖2密封，盖上置金属型4，金属型用罩7罩住，罩与真空罐接通，并用油缸6压住。

    图223为真空吸铸铝合金件压缩机轮的真空吸铸机示意图。该机的生产效率为每小时30个铸件，真空度调节范围为0.04～0.08MPa，真空室直径为300mm，保温炉功率18kW。

 

0 k, t" U& P& T( e

图222  金属型真空吸铸机

1—金属液；2—盖；3—升液管；4—金属型；5—直浇道；6—液压缸；7—罩

. P* h% r0 ]! R7 W

 

图223  压缩机轮真空吸铸机

1—保温炉；2—升液管；3—工作台；4—气缸；5—柱子；6—压紧铸型用气缸；7—气阀；8—压紧真空室用气缸；9—真空罐；10—电接触真空计；11—真空泵；12—真空室；13—行程开关；14—操纵块

1 p- f5 _$ n. P, {% D6 J& n