液态金属充型和铸件浇注系统
一、液态金属充型能力的基本概念
1．液态金属充型能力：液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力称为液态金属充填铸型能力，简称液态金属的充型能力。液态金属充填铸型一般是在纯液态下充满型腔的，也有边充型边结晶的情况，在充型过程中形成晶粒堵塞充型通道时流动则停止，如果停止流动出现在型腔未充满，则造成铸件“浇不足”。
实践证明，同一种金属用不同的铸造方法所能铸造的铸件最小壁厚不同。同样的铸造方法，由于金属不同，能得到的最小壁厚也不同。
所以，液态金属的充型能力首先取决于金属本身的流动能力，同时又受外界条件如铸型性质、浇注条件、铸件结构等因素的影响，是各种因素的综合反映。
2．液态金属的流动性：液态金属本身的流动能力，称为“流动性”。是金属的铸造性能之一，与金属的成分、杂质含量及其物理性质有关。
金属的流动性对于气体、杂质的排除、补缩以及防止裂纹有很大影响。流动性好的合金充型能力强，流动性差的合金充型能力就较差。液态金属的流动性是用浇注流动性试样的方法来衡量的。
由于影响液态金属充型能力的因素很多，很难对各种合金在不同铸造条件下的充型能力进行比较，所以常常采用在相同条件下所测得的合金流动性表示合金的充型能力。流动性试样很多，在生产和科学研究中应用最多的是螺旋形试样。
二、影响液态金属充型能力的因素
液态合金的充型过程是一个复杂的热交换和流体运动的过程。归纳起来，液态金属的充型能力受金属的性质、铸型的性质、浇注条件和铸件结构等四个方面的因素影响。
1．金属性质方面
这类因素是内因，决定了金属本身的流动性。影响合金流动的因素有合金成分、结晶潜热、金属的比热容、密度和热导率、液态金属的粘度、表面张力及合金熔炼过程和其它影响因素。如：铸铁的结晶温度范围一般都比铸钢宽，铁液的流动性比钢液好。这是由于铸钢的熔点高，钢液的过热度比铁液小，保持液态流动的时间短。另外由于钢液的温度高，在铸型中的散热速度快，很快就析出一定数量的枝晶，使钢液失去流动性。高碳钢的结晶温度范围虽然比低碳钢宽，可是由于液相线温度低，容易过热，所以实际流动性比低碳钢好。
铸铁中的其它合金元素也影响铁液的流动性。含磷量的增加，铁液的流动性增大；但是一般铸件通常不用增加磷的方法提高铁液的流动性。
铸铁中的硅的作用与碳相似，硅量增加，液相线下降。在同一过热温度下铁液的流动性随硅量增加而提高。
在化学成分和浇注温度相同的情况下，稀土镁球墨铸铁的流动性比铸铁好。这是由于稀土镁有脱硫、去气和排除金属夹杂物，对铁液有净化作用。但原铁液经球化处理后，温度下降很多，则流动性比普通铸铁差。
2．铸型性质方面
铸型对金属流动阻力、铸型与金属液热交换的强度对金属液的充型能力有重要影响。
铸型的蓄热系数：铸型的蓄热系数表示铸型从其中的金属吸取并储存在本身中的热量的能力。蓄热系数愈大，铸型激冷能力就愈强，金属液在铸型中保持液态的时间就愈短，充型能力下降。一般说来，砂型比金属型、干型比湿型、热型比冷型流动性好，湿型比干型小10%～20%。
铸型温度：预热铸型能减小金属与铸型的温差，从而提高金属液的充型能力。如金属型在浇注前预热；熔模铸造浇注前型壳的高温焙烧等，都是为了提高液态合金的流动性。
3．浇注条件方面
浇注温度：浇注温度对液态金属的充型能力有决定性的影响，浇注温度越高，充型能力越好。在一定温度范围内充型能力随浇注温度的提高而直线上升，超过某一界限后，由于吸气增多、氧化严重，充型能力的提高幅度减小。
充型压头：液态金属在流动方向上所受的压力越大，充型能力越好。为此可以用提高直浇道高度。但是金属液的静压头过大或充型速度过快时，不仅要发生喷射和飞溅显现，使金属氧化和产生“铁豆”缺陷，而且型腔中气体来不及排出，反压力增加，造成“浇不足”或“冷隔”等缺陷。
浇注系统结构：浇注的结构越复杂，流动阻力越大，在静压头相同的情况下，充型能力越低。在设计浇注系统时，必须合理布置内浇道在铸件上的位置，选择恰当的浇注系统结构和组元（直浇道、横浇道、内浇道）的截面积，使金属液平稳地充满铸型。
4． 铸件结构方面
铸件结构影响充型能力，主要是铸件的大小、壁厚和复杂程度。除铸件大小外，较突出的是铸件壁厚的影响，充型能力与铸件壁厚成正比。
铸件的复杂程度：铸件结构复杂，厚薄部分过渡面多，则型腔结构复杂，流动阻力大，铸型充型困难。
三、 铸件的浇注系统
为填充型腔和冒口而开设于铸型中的一系列通道称为浇注系统。一般铸件的浇注系统由以下四部分组成：外浇道（浇口杯、浇口盆）、直浇道、横浇道、内浇道。其结构组成见图：
浇注系统应满足以下要求：
1 控制金属液流动的速度和方向。
2 金属液在型腔中的流动应平稳、均匀。
3 有利于铸件温度的合理分布。
4 浇注系统应具有除渣功能。
6 浇注系统应尽可能节省液态金属的消耗，便于造型和清理。
外浇道：用浇口圈单独制成的浇口杯（浇口盆），放在合型后的铸型上，与直浇道的顶端对中相接。其作用是承接浇包注入的液态金属并引入直浇道，增加静压头高度，提高金属液的充型能力，储存容纳部分金属液，防止液流飞溅，减缓液流的冲击，使熔渣上浮，避免熔渣、杂质和气体卷入型腔。
浇口杯：它形如漏斗，结构简单，可单独制作，也可以在铸型直浇道顶部作出。浇注重要件时，宜采用带过滤器的浇口杯，如图所示。
浇口盆是单独制作成的承接金属液的容器，是一种特制的浇口杯。浇口盆有如下四种形式：普通式浇口盆、闸门式浇口盆、柱塞式浇口盆、过滤器式浇口盆。充满浇口盆的金属液可减缓液流冲击，消除水平涡流，熔渣杂质上浮，避免气体熔渣进入型腔。除普通浇口盆外，后几种浇口盆都具有良好的挡渣能力。如浇口盆容量略大于浇注金属液的量，浇口盆还可起定量作用；柱塞浇口盆对球墨铸铁件尤为适用。浇口盆容积大，消耗金属多，一般用于中、大型及重要铸件的浇注。
直浇道：浇注系统中的垂直通道为直浇道。直浇道的最小直径不小于15～18mm，直浇道顶端应高出铸型内腔顶端100～200mm。a型是斜度为1:50的正圆台形直浇道，它浇注时充型快，金属液在直浇道中呈正压状态流动，可防止气体和熔渣卷入铸型。b型与a型相反是倒圆台型直浇道，直浇道固定在模板上，一般用于机器造型中，这时要增加直浇道出口的阻力，如在横浇道中增加过滤器，使直浇道内充满并呈正压状态流动。c型多用于铸钢件生产中，采用耐火材料烧结的管件作直浇道，以增加其强度、耐火度和防止冲砂。d型直浇道用于非铁合金铸件，主要是为了降低流速、充型平稳、避免氧化和吸气。为避免金属液从直浇道进入横浇道后，由于液流方向急剧改变，造成金属液的强烈搅动和冲击，因此必须加以缓冲和引导。通常采用直浇道与横浇道呈圆弧连接，并且直浇道底部设置浇口窝。浇口窝直径为直浇道下端直径的1.4～2倍。直浇道类型如图所示。
横浇道：浇注系统中连接直浇道和内浇道的水平通道。它是浇注系统中重要的组成部分。横浇道的作用：将金属液平稳地、均匀地分配给各个内浇道，同时具有捕集、滞留由浇包经直浇道流入的夹杂物，又称“捕渣器”或“撇渣道”。
提高横浇道挡渣能力的主要途径是改变横浇道的结构，增加流程中的阻力，减慢金属液的流速，减少紊流搅拌作用，常见的方法有以下几种：
①稳流式浇注系统 将普通平直横浇道分割成几段，依次置于上下型中，组成曲折形横浇道，液态金属在其中流动时，不断变流向，流动受阻、流速下降、杂质上浮，具有较好的挡渣作用。
②阻流式（节流式）浇注系统 浇注时控制金属液充型速度的最小断面称阻流断面。即在直浇道出口部分设置截面缩小的阻流片，浇注时液态金属经阻流片进入横浇道，由于断面突然扩大和流向改变，流速急剧下降，杂质上浮；此种横浇道挡渣能力强，适用于大批量生产。
③过滤器式浇注系统 在浇道中设置过滤装置的浇注系统，过滤器一般安放在浇口杯中、直浇道下方、横浇道搭接处，它的挡渣效果显著，是净化金属液的可靠手段，目前许多高档铸件普遍采用。
④集渣式浇注系统 在横浇道中局部加高的结构称为集渣包；集渣包的形式分两类：一类是锯齿形集渣包，另一类是离心式集渣包。当金属液流经此处因断面扩大而流速下降，使杂质易于上浮并停留在该处。锯齿形集渣包一般逆齿比顺齿效果好。离心式集渣包一般设在横浇道末端，直接同内浇道相连，金属液从切线方向进入集渣包，产生涡流，在离心力作用下杂质向中心集中并上浮于液面。离心式集渣包出口截面应比入口截面小，出口方向必须与液流方向相反。离心式集渣包常用于球墨铸铁件的浇注系统，又称离心式集渣包为暗冒口，因为它既能集渣又能补缩。离心式集渣包见图所示。
内浇道：在浇注系统中内浇道是把金属液直接导入型腔的通道，即金属液的导入位置，对铸件的质量有很大影响。下面从不同角度说明金属液导入位置的选择原则：
㈠．内浇道应避免直冲砂芯、型壁或型腔中其它薄弱部位（如凸台、吊砂等），防止造成冲砂。
㈡．有利于提高铸件外观质量。一般将内浇道开设在铸件要求不高的加工面上，尽量不开设在铸件非加工面上，以免影响铸件外观质量。
㈢．应有利于铸件凝固和补缩。
1）．要求同时凝固的铸件，内浇道应开设在铸件薄壁处，且要数量多，分散布置，使金属液快速均匀地充满铸型，避免内浇道附近的砂型局部过热。
2）．要求定向凝固的铸件，内浇道应开设在铸件厚壁处。如设有冒口补缩，最好使金属液从冒口经内浇道引入型腔，以提高冒口的补缩效率。
3）．对于结构复杂的铸件，往往采用定向凝固与同时凝固相结合的所谓“较弱定向凝固”原则布置内浇道。即对每一个补缩区按定向凝固的要求设置内浇道，按同时凝固的要求采用多个内浇道充型。这样设置即可使铸件各厚大部位得到充分补缩而不产生缩孔和缩松，又可将应力和变形减到最小程度。
㈣．有利于改善铸件铸态组织
1）．内浇道不得开设在铸件质量要求高的部位，以防止内浇道附近组织粗大。对有耐压要求的管类铸件，内浇道通常开设在法兰处，以防止管壁处产生缩松。
2）．内浇道不得开设在靠近冷铁或芯撑处，以免降低冷铁的作用或造成芯撑过早熔化。
㈤．有利于减少铸件收缩应力和防止裂纹
1）．对收缩倾向较大的合金，内浇道的设置应不阻碍铸件收缩，避免铸件产生较大应力或因收缩受阻而开裂。
2）．内浇道应使金属液迅速而均匀地充满铸型，尽量缩短充型流程，减少热损失，避免铸件各部分温差过大。
㈥有利于铸件清理
1）．内浇道设置应便于清理、打磨，不影响铸件使用和外观质量。
2）．内浇道与铸件接口处的横截面厚度一般应小于铸件壁厚1/2，最多不超过2/3。在与铸件接口处可做出断口槽，防止清理时造成铸件缺肉。
㈦．其它要求
1）．内浇道位置最好使其底面与横浇道底面处于同一底面上。
2）．直浇道与第一个内浇道之间距离和最后一个内浇道与横浇道末端之间的距离可参考下表：
3)．在满足浇注要求和铸件选择质量前提下，应尽量减少浇注系统的金属消耗，提高铸件的工艺出品率。
下一信息：泡沫陶瓷过滤器应用技术的探讨
版权所有 山东成远实业有限公司 2015-2018 保留所有权利 技术支持:奔跑的蜗牛
QQ在线客服
