镁合金调压铸造充型能力的研究

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铸造技术 FOUNDR Y TEC HNOLO GY

Vol. 26 No . 10 Oct . 2005

Abstract :A s an advanced casting technique , adjusted p ressure casting have t he advantages of

higher filling capacit y and bet ter feeding capacit y , which is expected to play an important role o n t he manufact uring of large2 capacit y of adjusted p ressure casting is t he best amo ng t he investigated casting met hods. Key words :Adjusted p ressure casting ; Magnesium alloys ; Filling capacit y scale co mplicated t hin2walled co mpo nent s of magnesium alloys. The filling capacit y of adjusted p ressure casting
与控制技术 .

　　 调压铸造作为一种先进的铸造技术 , 具有多方面 的优势[ 1 ,2 ] 。调压铸造技术的充型能力和凝固条件十 分优越 ,有利于获得轮廓清晰并具有复杂微细结构的 致密铸件 。目前调压铸造技术已成功应用于航空类铝 合金铸件的工程化生产[ 3 ] , 不仅获得十分优异的铸件 冶金品质 ,而且实现传统铸造技术难以企及的铸件合 格率 。因此 ,调压铸造技术有可能成为生产大型复杂 薄壁镁合金铸件的一种重要手段 。针对调压铸造技术 在镁合金薄壁铸件生产中的应用 , 研究调压铸造条件 下镁合金充型能力 , 为镁合金薄壁铸件生产提供科学 依据显得尤为必要 。 本文通过调压铸造与低压铸造 、 差压铸造和重力 铸造工艺下镁合金充型能力的比较 , 对薄壁镁合金铸 造的充型能力进行了研究 , 并分析了不同条件下影响 充型能力的主要原因 。 1　 实验方法 在自行 研 制 的 调 压 铸 造 机 上 分 别 采 用 调 压 铸 造、 低压铸 造 、 压 铸 造 3 种 不 同 的 反 重 力 铸 造 工 差
收稿日期 :2005206213 ; 　　 修订日期 :2005206225
Email :yanli4351 @sina. com

基金项目 : 西北工业大学英才计划及青年教师创新基金资助 .

) 作者简介 : 严 　 (19752 　 ,陕西眉县人 , 硕士生 . 研究方向 : 凝固成形 力

was co mpared wit h t he low2p ressure casting , co unter2p ressure casting and gravit y casting t hro ugh po uring t hin2 wall board sample of magnesium alloys. It is shown t hat , due to t he lowest cavit y p ressure p rovided , t he filling

?有色合金及特种铸造工艺 　 2ferrous Alloy and Its Melting & Technology and Equipment for Special Casting Process ? Non

镁合金调压铸造充型能力的研究
严 　 ,王 　 ,单志发 ,黄卫东 力 猛
( 西北工业大学凝固技术国家重点实验室 ,陕西 西安 710072 )

摘要 : 调压铸造作为一种先进的铸造技术 ,具有充型能力强 ,补缩能力高等优点 ,有望在镁合金大型复杂薄壁铸件的生产中发 挥重要作用 。通过浇注镁合金薄板试样 ,将调压铸造技术与低压铸造 、 差压铸造和重力铸造技术的充型能力进行了对比 , 发 现调压铸造能够提供最为优异的充型能力 ; 分析表明 ,较低的型内反压是提高调压铸造充型能力的主要原因 。 关键词 : 调压铸造 ; 镁合金 ; 充型能力

中图分类号 : T G146. 2 + 2 ; T G249. 2 　　 文献标识码 :A 　　 文章编号 :100028365 (2005) 1020914202

Research on Filling Capacity of Adjusted Pressure Casting of Magnesium Alloys
YAN Li , WAN G Meng , SHAN Zhi2fa , HUAN G Wei2dong

( State Key Labo ratory of Solidification Processing , No rt hwestern Polytechnical U niversity , Xi’ 710072 , China) an

艺 [ 4 ] 浇注一块薄板试样 , 同时进行一次重力铸造试 验 进 行 对 比 。试 样 尺 寸 为 200 mm ×400 mm × 1 . 5 mm , 铸型采用呋喃树脂砂型 , 浇注合金为 A Z91 镁合金 ,浇注温度为 720 ℃, 铸型温度为室温 , 在保 护气氛下完成浇注 ,具体的浇注工艺见表 1 。以充填 率 ( 充填面积占试样总面积的百分比 ) 作为衡量充型 能力的标准 。 2　 实验结果和分析 实验结果见表 1 ,实际浇注的试样照片见图 1 。 从实验结果可以看出 ,同样是反重力铸造 ,调压铸 造、 低压铸造和差压铸造的充型能力却有较大的差别 。 在浇注温度 、 充型压力和加压速度相同的条件下 ,调压 铸造试样的充填率最大 。 在薄壁铸件的充型过程中 , 由液态金属表面张力 σ 引起的拉普拉斯力占有重要作用 [ 5 ] 。由公式 P = 4 /δ 可知 ,表面张力所产生的附加压力 P 与金属的表面张 力σ成正比 ,与型腔厚度δ成反比 。因此 ,在浇注条件 一定的情况下 , 型腔的厚度越小 , 充型过程的阻力越 大 ,越不利于充型 , 充型能力越差 。在本实验中 , 型腔 厚度为 1. 5 mm ,700 ℃时镁液的表面张力为 560 × 10 - 3 N/ m [ 6 ] , 所产生的附加压力 P = 1493 Pa , 相当于 84 mm 高的压头 。而所采用的重力铸造以及反重力 铸造方法 ,均能保证充型压头高于此附加压力 ,因此能 够实现所采用薄壁铸件的充填 。

　 《铸造技术》 2005 10/

　 严　 力等 : 镁合金调压铸造充型能力的研究 表1　 不同铸造工艺条件下的铸件充填率
Tab. 1 　Filling rate of castings under t he different p rocess co nditions

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浇注温度/ ℃ 调压铸造 低压铸造 差压铸造 重力铸造
720

最大充型压差/ kPa
20

加压速度/ ( kPa/ s)
20

型内初始压力/ k Pa
20. 3 101. 3 243. 2 101. 3

充填率 ( %)
83 48 18 21

自由浇注

自由浇注

气体压力越小 ,越容易较快的达到充型压力 ,充型速度 越快 ,越有利于金属液的充型 , 充型能力越高 。第三 , 型内较少的气体残余使得金属液热量损失减缓 , 流动 时间延长 ,这也构成了充型能力提高的另一个重要原 因 。所以调压铸造技术可以从根本上改善薄壁铸件充 型困难的不利条件 ,大幅度提高铸件的充型能力 。 从实验结果也可以看出 ,在金属液的充型过程中 , 调压铸造液流前沿比其他铸造方法显著平滑 。这是由 于调压铸造充型开始之前型内气压很低 , 因此能够较 快的达到充型压力 ,充型速度快 ,金属液在流动过程中 始终维持较高的速度 ,充型面积大 ,金属液前沿温度降 低较多 ,粘度增大 ,从而使得液流前沿比较圆滑 。相比 之下 ,由于低压铸造和差压铸造型内气体反压力大 ,因 此充型压力建立较慢 ,充型速度相对较低 ,金属液在较 高的温度下就停止了流动 ,而此时金属液粘度小 ,因此 液流前沿形成很不规则的形状 。
图1　 不同铸造方法得到的充型试样照片
ig. 1 　Photographs of filling sample by different casting method

3　 结论 ( 1) 对于镁合金的反重力铸造 , 在浇注温度 、 充型

　　 调压铸造的充型压力大小容易控制 , 铸型型腔中 的气体压力也控制在较低水平 。在浇注前 , 通过对上 下压室抽真空而使得铸型型腔内的气体压力较小 , 金 属液在流动过程中由于型腔内气体反压力而形成的阻 力较小 ,这样充型动能就不容易较快降低 ,金属液的流 动速度得到较好的保持 。同时 ,由于型腔内气压低 ,金 属液的热量损失的速度也相对减缓 ,流动时间延长 ,从 而提高了充型能力 。 调压铸造作为一种先进的铸造技术 , 具有十分优 越的充型动力学条件 。对上下压室抽真空是调压铸造 工艺的基础 ,真空度的大小不仅影响着铸型型腔中的 气体压力 ,而且也影响着充型动力的建立 。真空度对 充型的影响可归纳为以下几个方面 : 第一 ,对上下压室 同时抽真空 ,减小了铸型型腔中的气体反压力 ,从而减 小了充型时的阻力 。这样液态金属在流动过程中的动 能损失较小 ,始终维持较高的动能直至充型结束 。真 空度越高 ,型腔中的气体反压力越小 , 充型阻力越小 , 充型越容易 ,充型能力越高 。第二 ,真空度为充型压力 建立了一个较低的压力起点 。真空度越高 , 型腔中的

压力和加压速度相同的条件下 , 调压铸造的充型能力 最好 ,其次是低压铸造 ,差压铸造的充型能力最小 。 ( 2) 与调压铸造相比较 , 重力铸造的充型能力也 较小 ,并且重力铸造的充型压力难以控制 ,充型形态特 别紊乱 。 ( 3) 与其它反重力铸造方式相比较 , 调压铸造充 型能力提高的主要原因在于较低的型内气压为充型提 供了有利条件 。
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