热加工传输原理大作业.docx

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热加工传输原理大作业

热加工过程传输原理大作业

题目：

消失模铸造浇注系统

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日期：

哈尔滨工业大学材料科学与工程学院

消失模铸造浇注系统

摘要：

消失模铸造工艺包括浇冒口系统设计、浇注温度控制、浇注操作控制、负压控制等。

浇注系统在消失模铸造工艺中具有十分重要的地位，是铸件生产成败的一个关键。

本文将从各方面探讨消失模铸造浇注系统的设计及缺陷。

关键词：

消失模铸造浇注设计缺陷

消失模铸造浇注系统的设计这个棘手的问题一直困扰着人们,目前解决这一问题的思路基本沿用原来的空腔铸造原则,原因是消失模铸造与空腔铸造有着共性,结构（浇口杯、直浇道、横浇道、内浇道）基本相同,功能也基本相同（把液态金属输送进型腔），但也存在着很大的区别——前者是白模汽化消失退让阻力为充型过程的主导阻力,而后者是型壁在充填时所产生的摩擦阻力及流体变形转弯扩张引起的附加阻力,由于铸件的结构不同,合金的种类不同,有时2种主导充型阻力相近似,这时传统的工艺就好用,否则就不行。

1.消失模铸造浇注系统设计的基本原则

能否获得健全的铸件，在许多情况下与浇注系统结构和形式有很大的关系。

如果设计不合理，就可能使铸件产生气孔、缩孔和冷隔等缺陷。

消失模铸造还会出现特有的皱皮、冷隔状夹杂和铸钢件的渗碳等瑕疵。

因此对消失模浇注系统的设计应遵循如下基本原则：

⑴保证金属液能充满型腔。

消失模铸造液态金属充型过程中，由于金属液前沿的热作用，泡沫塑料模将逐渐消失后退而让出的空间被金属液所占据使得两者之间存在一定的间隙，如图1所示，间隙内的液态或气态产物形成内压支撑涂料层，并与干砂对涂层的压力构成力的平衡；

⑵浇注系统的安排要考虑到模样束在砂箱中的位置，便于填砂紧实；

⑶浇注系统的设计要保证模样束的整体强度；

⑷内浇道个数及位置对金属液充型方向的影响；

⑸浇注系统多采用简单的形式以保证液态金属充型过程中不因砂型温度升高而使模样变形；

⑹金属液压头应超过金属前沿的界面气体压力，以防呛火（反喷）。

这里所指的金属液压头是直浇道顶面至型腔内金属液前沿水平高度之间的高度差。

2.浇注位置设计

浇注位置的正确与否关系到铸件的内在质量、铸件的尺寸精度以及液态金属能否顺利充型，并将气化产物及浮渣排除到冒口里，以获得优质铸件。

且浇注位置的确定在很大程度上着眼于控制铸件的凝固。

实现顺序凝固的铸件，可以消除缩孔、缩松，保证获得致密铸件。

根据对合金凝固理论的研究和生产经验，在选择浇注位置时，应注意以下几点：

⑴重要的加工平面要朝下或垂直放置，保证气化模在浇注时生成的熔渣易上浮到表面；⑵模样的大平面应垂直或倾斜放置，保证浇注顺利进行而避免塌箱，其次是避免填砂埋箱时使大平面变形，及平面之上真空度下降；⑶尽量将气化模截面积与周长之比最小的面朝上安放，以减小F/n的值，有利于气体和杂质的排除，避免夹杂结疤类缺陷；⑷尽量将气化模上具有开口部分（如空穴及凹槽等）朝上安放，便于填砂紧实；⑸利于造型材料的填充，避免形成死角区；⑹浇注位置还应有利于多层铸件的排列，在涂料和干砂充填紧实的

过程方便支撑和搬运，使模样某些部位加固，防止变形；⑺凝固原则，就是使截面的横截面积自上而下逐渐增大。

这样不仅有利于排气与浮渣，而且有利于补缩，消除气孔、缩孔缺陷，获得组织致密的铸件。

3.浇注系统形式的合理选择

确定浇注系统的形式，这是浇注位置确定之后要考虑的另一个重要的工艺技术。

生产实践证明，它比确定浇注系统各单元截面积尺寸大小还重要。

浇注系统各单元的截面积可以在一个较大的范围内变化，也不致引起铸件产生缺陷或塌箱；而浇注系统形式是否合理，对引起铸件缺陷十分敏感。

按金属液注入铸型（或内浇道）位置的不同，浇注系统可分为如图2所示几种。

在实际的生产中，应根据铸件的特点和金属材质进行合理选择浇注系统。

例如，铸钢的流动性差，收缩大，在最后凝固冷却的部位易出现缩松、缩孔等铸造缺陷。

为了消除或避免这些缺陷，大多数铸件采用顶注式（对小铸件）和阶梯式（大铸件）浇注系统，让直浇道或内浇道通过冒口，提高冒口的补缩能力。

且由于铸件的大小和壁厚不同，采用的浇注系统也有所不同，对于大型铸件大多采用底注式浇注系统，这样可以使气化模的分解气体处于抑制状态，保证真空系统的有效抽气量大于模样气化生成的气体。

若采用顶注式，浇注开始瞬间产生大量分解气体，超过了真空泵的有效抽气量，这样容易导致塌箱、垮型。

对于薄壁、矮小的铸件可以采用顶注式浇注系统。

薄壁矮小的铸件模样，气化后生成的气体量也就相应的较少，同时气化的气体由真空泵强行抽离砂箱。

采用这种浇注系统对薄壁矮小铸件进行浇注，其充型速度快，金属温度高，不仅成型好，而且可以得到表面光洁、内部质量也好的铸件。

这类铸件采用顶注式浇注系统不存在上面提到的塌箱问题，因为尽管气化也是在整个铸型内进行，但是浇注可以在短短的几秒内就结束，砂箱内的真空度下降到临界值之前就充满型腔，而且表面已经凝固结壳。

4.浇道设计

4.1浇道的结构和形状

内浇道应设计成由横（或直）浇道到铸型方向上呈逐渐减小的喇叭形，使得内浇口始终充满状态，防止模样气化的气体反喷。

其截面呈长方形或圆形。

对于必须采用阶梯浇注的较高大铸件，其上部的浇口宜采用向上倾斜的形式。

这样可以使金属液自上而下的注入型腔。

确定内浇道的位置时，一般要求是：

⑴尽可能使金属液充型平稳，防止金属液产生的喷溅造成铸件产生夹渣等缺陷；⑵尽量避免死角区，使气化模能同时均匀气化避免泡沫塑料不能完全分解气化的地方产生气孔夹渣等缺陷；⑶有利于提高铸型高度方向和截面方向上的金属液温度。

从内浇道的截面形状来看，在消失模铸造中切忌采用砂型铸造中传统的三角浇口形式，因为它们的冷却速度太快，会急剧降低金属液的温度，因而采用变截面内浇道。

使用变截面内浇道时，内浇道与模体结合处的横截面厚度一般大于铸件壁厚的1/2，而小于铸件壁厚的2/3。

内浇道太厚，易产生倒补缩现象，使铸件在内浇道的根部区域产生缩松、缩孔。

4.2直浇道与模样体之间距离的计算

直浇道与模样体要有合适的距离，如果靠得太近，浇注出来的铸件上对着直浇道的外表面会产生条纹状突起的特殊缺陷，严重时，在浇注时模样会过早被烤化，造成废品。

模样与直浇道的距离S，与铸件的材质、大小有关，可按下面的经验公式计算：

式中，S-直浇道与模体之间的距离，mm；K-常数，浇注铝合金时60mm；浇注铜合金时80mm；浇注铸铁件时120mm；浇注铸钢时140mm；H-铸件高度，mm；G-铸件重量，kg；α-修正系数，为0.08mm/kg；β-修正系数，为0.06。

4.3内浇道截面计算

计算浇注系统时，可以借鉴砂型铸造的计算方法，采用水力学公式计算

式中，G-流经内浇道的液态金属重量，包括铸件重和浇注系统重量，kg；μ-流量系数，可参考传统工艺查表，一般取0.3-0.4之间；HP-压头高度，根据模样在砂箱中位置确定；t-浇注时间，消失模采用快速浇注的方法，可按下式计算：

对于中小型铸铁件

；对大型铸铁件，

；Kt是修正值，一般取0.85左右；对于铸钢件，

；c由Kv铸件的相对密度）决定，c与Kv的相对应关系见表1。

以上算出的结果只是一个参考值，应根据实际生产中的经验进行适当的调整。

5.生产实例

图1所示为一种升液管铸铁件。

过去由法兰盘处底注,因铸件壁薄，一直浇注不成功。

而由法兰处顶浇注,因法兰盘处壁厚,掉砂严重。

最后改由薄壁管口处雨淋顶注浇注系统,则全部浇注成功。

图2所示为吉林省农行广场风帆雕塑底座铸件浇注系统。

材料为

，壁厚16mm,采用筒内双“S”形阶梯浇道,直浇道采用空芯,上层浇道上倾15～20度角。

一般直径大于600mm的筒类铸件均采用此类浇注系统,一次浇注获得合格铸件。

图3为某厂一异形管铸件,材质为

，壁厚20mm,采用下底侧注,内浇道与直浇道连接（取消横浇道）,主管内插抽气管,侧管由于是盲孔,故内置冷铁,该件一次浇注成功。

图4是一个结构复杂的齿轮箱体铸件,采用的是底注工艺。

6.消失模铸造主要缺陷形成机理分析

消失模铸造的主要碳缺陷（包括铸钢件的增碳缺陷、铸铁件的碳黑缺陷及皱皮缺陷）、白砂缺陷、涂料皮缺陷、气孔缺陷、缩孔及缩松缺陷、塌箱缺陷等。

下面就碳缺陷的形成机理分析如下：

碳缺陷包括铸钢件的增碳（分为表面增碳、内部增碳、整体增碳三类）、铸铁件的内部的碳黑缺陷与表面的皱皮缺陷。

缺陷不同其形成机理也不同，但都是泡沫型气化缺陷，综合分析，碳缺陷的形成机理有以下三种情况。

第一种情况由于高温金属液与含碳气氛接触，含碳气氛高温分解形成活性碳渗入金属液中形成增碳，这种情况下根据浇注位置的不同反映出的缺陷状态也不同，底注出现上表面增碳，顶注及中注出现整体增碳；

第二种情况是由于浇注过程中空气随浇注金属液进入型腔，泡沫型产生部分不完全燃烧，形成碳黑附着在型腔壁上及型腔内，形成增碳及铸铁件的皱皮缺陷；

第三种情况是在金属液进入浇注系统及型腔的过程中，金属液的流动速度超过泡沫型的气化速度，或者泡沫型中的黏胶、水分等气化速度慢或影响气化速度的组分液化聚集，在未分解时被金属液覆盖及卷入，在此状态下产生碳、氢、氧的彻底裂解，分解出单质碳，在铸钢中则形成局部增碳，在铸铁中则形成碳黑缺陷或皱皮缺陷。

7.防止碳缺陷的主要措施

针对碳缺陷形成的三种情况，在消失模铸造中防止碳缺陷首先应从浇注系统入手，在浇注系统设计时遵循以下原则：

⑴保证浇注过程中金属液流动平稳，不产生金属液在充型过程中飞溅与翻卷现象，以防止液态泡沫卷入金属液中产生铸件的增碳。

⑵通过浇注系统的引入方式与尺寸的控制，调整型腔中金属液的温度分布，保证泡沫型的气化速度与金属液的表面温度、金属液的上升速度、涂料的排气速度相匹配，防止尖角及上面挤压式碳缺陷的形成。

⑶在浇注系统金属液进入型腔的流动方向设计上尽可能避开泡沫性的粘结面，使粘结材料有充足的气化时间，减少不均匀增碳。

⑷保证涂料合适的透气性，降低碳气氛的浓度，减少金属液与碳气氛的接触时间，尽最大可能减少碳缺陷。

⑸对于结构合适的零件按先烧后浇工艺设计浇注系统，在浇注前先将泡沫烧尽，可避免谈缺陷。

8.总结

通过分析传统铸造浇注系统的设计原则及消失模铸造过程中工艺因素的影响，总结出合理有效的浇注系统设计的基本方法和步骤，从而获得优质铸件。

⑴对于内在质量要求严格的中小件宜采用顶注浇注系统。

⑵对结构复杂的大而薄的件宜采用底注浇注系统。

⑶在铸件下部1/3处采用侧注及阶梯浇注的浇注系统是适用性最广，应用最多的方式。

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华中科技大学出

版社,2006