熔模精密铸造合金凝固补缩问题的研究

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1、熔模精密铸造合金凝固补缩问题的研究1　合金性能与凝固补缩的关系在研究熔模精铸合金凝固补缩之前,应了解合金的流动性、收缩性等铸造性能,了解该合金容易出现的收缩缺陷。合金的收缩分液态收缩(液相线以上温度)、凝固收缩(液2固相线温度区间)和固态收缩(固相线以下温度)。合金液浇注成形,使铸件内部产生缩孔、疏松的主要原因是合金的液态收缩和凝固收缩,其液态收缩与浇注温度有关,浇注温度越高,收缩也越大。而凝固收缩则主要取决于合金的化学成分。例如,铸钢中碳含量(质量分数,下同)为0110%、0135%、0145%、0170%时,其凝固收缩率分别为210

2、%、310%、4.3%、5.3%[1]。同时从金属学合金相图中得知,液固相温度区间越大,则固溶体的枝晶偏析越严重,合金的流动性也越差。在液固相线的最大间隔处流动性达到最低点。结晶温度区间的大小,还影响到缩孔类型。液固相温度区间越大,枝晶就越发达。因此在枝晶间隙中形成的缩松孔洞(即分散性小缩孔)越多,反之则分散性小缩孔就越少,而集中性缩孔增加。此外结晶温度区间大的合金,铸造时有较大的热裂倾向。亚共析钢(碳含量<0170%)形成集中性缩孔的倾向大。铸钢一般为亚共析钢,所以凝固补缩的问题主要就是如何防止集中性缩孔的问题。对合金钢而言,还要注意

3、合金元素对收缩性能的影响。Cr、Mn、Mo、V、Ni是增加缩孔倾向的元素[1]。而对于锡青铜ZQSn62623、ZQSn1021等铸件,由于结晶温度间隔大,流动性差,补缩困难,因而易产生偏析、疏松缺陷。2　合金液流动状况与凝固补缩的关系2.1　凝固方式的影响合金注入铸型有多种方式,有底注、顶注、侧注之分。不管那种方式,总的要求是要平稳、顺畅,要有利于补缩。一般认为顶注便于补缩,可获得致密的铸件。顶注广泛用于薄壁件、复杂件、不便于底注、侧注的铸件(见图1)。但是,当合金液自上而下注入铸型时,使上升液面的纵向和横向都受到了冲击力的影响,有时

4、还会使合金液飞溅氧化,干扰了合金液向下补缩的作用,甚至引起渣气不能上浮,造成孔洞缺陷。底注则是合金液体自下而上注入铸型(见图2)。合金液流动平稳,不易产生气孔、夹杂。但一般认为不利于定向凝固。但如果具备下列条件,即:①结构简单,轮廓尺寸较小;②上升的高度较小或者一个内浇道分担的上升高度较小,合金液能梯度上升;③铸型温度较高,铸型较光滑,上升阻力较小;④易于设置与直浇道相联的冒口,能使顶部合金液温度与直浇道高温铁水相通,或能在顶部开一内浇道与同时具备补缩功能的直浇道相连;⑤合金的结晶凝固温度区间较小,流动性较好,则采用底注,既可以使流动平

5、稳,又能解决凝固补缩这个问题。由于熔模铸造具有第1～第4个条件(砂型铸造第3、第4条一般是较难实现的),低碳钢铸件又具有第5个条件,所以熔模铸造低碳钢铸件,应优先考虑底注为基础的双层或多层内浇道浇注成形。2.2　双(多)层内浇道对补缩的作用熔模精铸一般采用直浇道、内浇道浇注补缩方式,为使组焊牢固,双层内浇道用的较多。双层内浇道的特点是,合金液从底部注入铸型,液体平稳上升至第二层内浇道,合金液又从第二层浇道进入,尽管乍看起来上面金属液的温度低于下层金属液的温度,上面的金属液不能对下面进行补缩,但当底注上升高度较小,铸型温度较高时,它是在铸

6、型充满以后进行结晶的,第二层内浇道又接通了来自直浇道的高温铁水,所以还是造成了上部温度高,下部静压力大的局面。三层及多层浇道,都具有同样的效果。底注式多层内浇道,铸件中温度场变化示意图见图3,铸件分AB、BC、CD3段。假定AB、BC、CD为独立的3段,则温度曲线如:1-2、3-4、5-6。因为3段为一整体,分层浇注温度场就发生了变化。AB浇完时,温度曲线为1-2;BC浇完时,温度曲线为1’-2’-4;CD浇完时,温度曲线为1’’-2’’-4’-6。图3　底注式多层内浇道铸件中温度场变化由于D点以上无铸件,此处温度马上达到7点(与1、3

7、、5点相同,即浇注温度)温度曲线变化为1’’-2’’-4’-6’-7。由图3可以定性地看出温度曲线已变为上高下低,从而有利于顺序凝固。2.3　金属液上升速度的影响金属液在熔模铸造型壳中的上升速度对补缩的影响,是很明显的。从宏观分析看,如果上升速度太小,液态动能就小,渗入补缩的能力就小;太大就使流动紊乱,干扰补缩。由于铸件的复杂程度不同,要确定一个适合的上升速度是困难的。熔模铸造中,一般通过样件试验来确定。由于浇注速度(每s注入铸型的合金质量,kg/s)的大小,反映了上升速度的大小。一般对浇注速度应于以控制,通过生产试验认定可行的浇注速度

8、见表1。设定了浇注速度,浇注时间也就确定了。由于熔模铸件质量一般小于50kg,用小包浇注,其浇注时间是较易控制的。表1　熔模铸造件浇注速度(铸件质量+浇冒口质量)/kg浇注速度/(kg·s-1)<10110