熔模精密铸造合金凝固补缩问题的研究

wangshuailing

摘　要　通过合金液在熔模精密铸造型壳中的流动状况分析,探讨了合金液流动状况与凝固补缩的关系,并提出了合金凝固方式对“补缩”的影响,在研究熔模铸造浇注补缩系统特点的基础上,提出了有关“补缩参数”的取值方法和影响因素。
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 %、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A B 、B C、CD 3 段。假定
A B 、B C、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。A B 浇完时,温度曲线为1 - 2 ; B C 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 、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50 kg ,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)
< 10 110～1. 5
10～30 1. 5～210
30～60 210～2. 5
60～100 2. 5～310
2. 4 　合金液温度对补缩的影响
(1) 合金液的浇注温度影响合金液在型壳中的流
动状况。温度高时流动性好,补缩渗入能力强;温度低
时流动性差,补缩渗入能力也差。但温度高,合金的液
态收缩增加,加大了凝固补缩的难度。由于熔模铸造型
壳光滑、阻力较小、型壳温度较高,合金的浇注温度应较
砂铸略低一点,如20 碳钢浇注温度取1 550～1 560 ℃。
(2) 合金熔化的最高温度与合金的品质有密切关
系。熔模铸造一般利用中频炉熔化合金,合金熔化、调
整成分后,中频炉升温很快,应严格控制最高的熔化温
度。温度太高,增大了合金液态收缩,更加容易产生缩
孔,同时气体(如O2 ,N2 ) 在合金液中的溶解度也会升
高。当合金温度下降,氧气又从合金中析出阻碍补缩,
而且可能产生孔洞缺陷,因此不但要严格控制最高熔化
温度,在浇注之前还要进行有效地脱氧除气。脱氧除气
好的合金液在浇注凝固后,浇口杯中有较深的收缩孔
穴。
2. 5 　型壳品质对补缩的影响
型壳品质的好坏直接影响合金液的流动状况。型
壳强度不够,在浇注过程易发生裂缝、跑火;型壳砂层结
合不好,会造成浇注时砂层翘起,使铸件产生“起皮”;型
壳焙烧不好,透气性差,产生气体以及型壳材料耐火度
低,造成浇注中易发生溃散等,都造成合金液流动阻力
增大,流动不顺,影响合金液的凝固补缩。
3 　熔模铸造补缩系统的特点及其计算
在砂型铸造中,为了设计有效的浇注补缩系统(浇
冒口系统) ,提出了凝固模数(简称模数) M 和有效补缩
距离这两个参数[1 ] 。模数M 就是铸件(或冒口、热节)
的体积(V ) 与散热面积( A) 之比,即M = V / A 。根据传
热学理论,铸件(冒口或热节) 的凝固时间与模数M2 成
正比。模数越大,散热越慢,凝固也越慢。于是按照组
成铸件各简单型体组元模数的大小,可推出各组元的凝
固顺序,凝固较晚的组元就可作为设置冒口的位置,在
砂型铸造中还可以把一些后凝固的组元通过设置冷铁
或补贴,形成向设置冒口的组元方向凝固,使之不再另
设冒口,由此解决了最后设置冒口的位置和冒口大小。
另一个参数就是冒口有效补缩距离,即一个冒口能使多
大的范围不产生缩孔。对于简单平板件,有效补缩距离
L 与冒口之间为4δ,冒口与铸件边缘(即末端) 为415δ,
其中δ为壁厚(mm) 。对于杆件,有效补缩距离L 和冒
口之间为20δ,冒口与铸件边缘为30δ(见图4) 。
3. 1 　熔模铸造的内浇道,直浇道模数及其截面尺寸
熔模铸造广泛采用直浇道2内浇道浇注补缩形式。从补缩功能讲,内浇道、直浇道模数应遵守最后冷却原
则,如果内浇道开在铸件热节处,该部位的模数M件,应
满足M件< 内浇道模数( M内) < 直浇道截面模数
(M直) 。但从浇注系统看,内浇道截面积太大,则可能
导致进渣及铸件与内浇道交接处产生疏松等问题。如
何确定内浇道截面尺寸是一个较困难的问题,笔者通过
生产试验,对质量小于50 kg ,热节圆直径小于60 mm
(热节模数小于115 cm) 的铸件,亦即目前国内广泛生
产的熔模精铸件,推荐按下式取值:即
M件∶M内∶M直= 110 ∶0. 9 ∶1. 3 (1)
取M件∶M内= 110 ∶019 ,是因为内浇道长度较短
(一般为20～30 mm) ,且内浇道一直处于高温状态,计
算出的模数值应考虑加大10 %。
内浇道,直浇道的截面模数确定了,则内浇道截面
积F内和直浇道截面积F直也就是确定了。
设内浇道截面积为矩形,边长为a、b(cm) 。
M内= ab/ [2 ( a + b) ] (2)
　　一般取a ∶b = 2 ∶1
解得　a = 6 M内(cm) 　　b = 3M内(cm)
内浇道截面积　　F内= a •b(cm2 ) (3)
设直浇道截面为正方形　M直= a/ 4 　得边长a =
4 M
若直浇道截面为圆形　M直= r/ 2 = d/ 4 　得直径
d = 4 M
直浇道截面积(正方形) 　F直= 16 (M直) 2 (cm2 )
直浇道截面积(圆形) 　F直= 4π(M直) 2 (cm2 )
按式(1) 、式(2) 计算的内浇道截面积较大,对熔模
铸造来说,它既保证了补缩的需要,又能达到组焊粘结
的要求。
3. 2 　冒口和冒口颈尺寸
熔模铸造的冒口尺寸由被补缩铸件部位的模数决
定,该部位可视为一简单的几何形体(如圆柱体,方块
等) 来计算模数,铸件该部位的模数M件与冒口颈模数
M颈及冒口模数M冒之比,通过试验并在生产中采用:
M件∶M颈∶M冒= 110 ∶1. 1 ∶1. 3 (4)
冒口颈尺寸稍大一点,这是因为配合内浇道截面较
大,设想浮渣易于进入冒口之故。应该指出的是,并不
是冒口越大,补缩效果就越好,特别是远离直浇道的冒
口,如果太大,充满冒口的时间就越长,冒口的温度降低
越明显。冒口中合金液温度比铸件温度低到一定程度
时,即使冒口的热容量大,但它已失去补缩的能力,反而
使冒口颈与铸件相连接的部位温度较高而致使该处产
生缩孔。熔模铸造一般不便于通过设冷铁、加补贴来疏
通补缩通道,分散的铸件热节,可以分别设置冒口,进行
补缩,但应防止此种冒口在冒口颈与铸件相接处产生缩
孔,这种冒口如有可能,也可另开通道与直浇道相连以
增加补缩能力。
冒口设计除应满足定向凝固外,还必须保证足够的
体积使冒口具有充分可靠的补缩能力。冒口的体积
V 冒,可由下式确定。
V冒=βVc / k + βV冒/ k =βVc / ( k - β) (5)
式中,V c 为铸件被补缩部位的体积;β为合金收缩率,常
见碳钢和低碳钢约为6 %; k 为冒口有效补缩率,熔模铸
造可取14 %～15 %。
将铸钢的β和k 代入下式得铸钢件的补缩冒口的
体积为:
V冒≈0. 7V c (6)
冷却模数M 有按热节体积计算的,有按热节截面
计算的,计算公式见表2 。
表2 　简单几何体冷却模数计算公式
形状厚/ cm 宽/ cm 长/ cm M 按热节体积计算M 按热节截面计算
板a - - a/ 2 a/ 2
条杆截面
长方体a b L abL/ [2 ( ab+ bL + aL) ] ab/ [2 ( a + b) ]
正方体a a L aL/ [2 ( a + 2L) ] a/ 4
圆形d - L dL/ [2 ( d + 2L) ] d/ 4
球d - - d/ 6 -
立方体a a a a/ 6 -
管筒a - L aL/ [2 ( a + L) ] a/ 2
3. 3 　冒口的补缩距离
熔模铸造的合理补缩距离,因型壳比普通砂型保温
性能较好,同时型壳温度又较高,所以其补缩距离可比
砂型铸造推荐的计算值加大20 %[1 ] ,见图4 ,其中δ为
壁厚。
图4 　熔模铸造冒口与补缩系数的关系
3. 4 　底注层浇道的上升高度
熔模精铸一般要组焊多件,多数通过直浇道、内浇
道形式进行补缩,按模数匹配的直浇道、内浇道的截面
积一般都较大。对组焊的小件有一定的压力,但对较大
铸件,直到浇注最后才有较大的静压力。因此熔模铸造
采用多层内浇道浇注时,其每层内浇道分担的上升高度
应予以控制。笔者通过试验发现取h = 50～200cm为宜。环形较大铸件可取h = 150～350 cm。
4 　结语
从研究熔模铸造基本理论出发,探讨了熔模铸造浇
注补缩系统有关规律性的一些问题,通过生产试验,确
定了一些补缩参数,为降低收缩性废品,提高工艺出品
率,提供了理论依据和可行方法。