鋁合金低壓鑄造工藝技術(shù)
低壓鑄造法的雛形可以追溯到本世紀(jì)初。適用于鋁合金是1917年在法國，1924年在德國提出的申請，但并沒有形成大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)。為商業(yè)的目的而開始生產(chǎn)是在二戰(zhàn)以后的1945年，由英國的路易斯先生創(chuàng)立了阿魯馬斯庫公司，開始生產(chǎn)雨水管道、啤酒容器等。在那以后的五十年代里，奧地利和德國開始生產(chǎn)氣缸頭。 1958年美國的澤訥拉路默它斯在小型汽車的發(fā)動機零件上（氣缸頭、箱體、齒輪箱）大量運用了鋁合金鑄件，并采用了低壓鑄造法。這件事對至今仍廣泛采用的低壓鑄造法而言是不可或缺的推動，特別是在全世界的汽車工業(yè)界引起了極大的反響。低壓鑄造法被介紹進我國是1957年左右，但真正引起業(yè)界的注意，開始進行各種研究、引進設(shè)備是從1960年左右開始的。但是這種打破了以往常識的劃時代的工藝方法，幾乎沒有冒口，與已經(jīng)作為一種“技術(shù)”確立起來的重力金型鑄造的技術(shù)相比具有完全不同的難度，因此業(yè)界的反應(yīng)比較冷淡。 在這種狀況下，1961年的輕型汽車用空冷氣缸頭的生產(chǎn)成為低壓鑄造法在我國實用化的開端。以后的發(fā)展非常迅速，在克服了多個技術(shù)難題后，利用低壓鑄造法所具有的材料利用率高、容易實現(xiàn)注湯自動化等優(yōu)點，以汽車部件為中心，逐步確立了輕合金鑄件的主要鑄造法的牢固地位。目前在鋁合金鑄件的生產(chǎn)量中，低壓鑄造品已占了大約50%，并以其巨大的生產(chǎn)量和優(yōu)良的品質(zhì)而著稱于世。產(chǎn)品擴大到汽車相關(guān)部件，如氣缸頭、氣缸體、剎車鼓、離合器罩、輪轂、進氣岐管等。特別是1970年以后大量應(yīng)用在輪轂上，并且隨著近年來的汽車輕量化和提高性能等要求，在以往從未有過的復(fù)雜內(nèi)部品質(zhì)和機械性質(zhì)的嚴(yán)格要求下，氣缸頭、氣缸體上的使用也逐漸增加。
1 概述
低壓鑄造是便液體金屬在壓力作用下充填型腔，以形成鑄件的一種方法。由于所用的壓力較低，所以叫做低壓鑄造。其工藝過程（見圖1）是：在密封的坩堝（或密封罐）中，通入干燥的壓縮空氣，金屬液2在氣體壓力的作用下，沿升液管4上升，通過澆口5平穩(wěn)地進入型腔8，并保持坩堝內(nèi)液面上的氣體壓力，一直到鑄件完全凝固為止。然后解除液面上的氣體壓力，使開液管中未凝固的金屬液流坩堝，再由氣缸12開型并推出鑄件。
圖1 低壓鑄造的工藝示意圖
1一保溫爐2一液體金屬3一坩堝4一升液管5一澆口6一密封蓋7一下型8一型腔9一上型
10一頂桿11一項桿板12一氣缸13一石棉密封墊
低壓鑄造獨特的優(yōu)點表現(xiàn)在以下幾個方面：
1．液體金屬充型比較平穩(wěn)；
2．鑄件成形性好，有利于形成輪廓清晰、表面光潔的鑄件，對于大型薄壁鑄件的成形更為有利；
3．鑄件組織致密，機械性能高；
4．提高了金屬液的工藝收得率，一般情況下不需要冒口，使金屬液的收得率大大提高，收得率一般可達90％。
此外，勞動條件好；設(shè)備簡單，易實現(xiàn)機械化和自動化，也是低壓鑄造的突出優(yōu)點。
2 低壓鑄造工藝設(shè)計
低壓鑄造所用的鑄型，有金屬型和非金屬型兩類。金屬型多用于大批、大量生產(chǎn)的有色金屬鑄件，非金屬鑄型多用于單件小批量生產(chǎn)，如砂型，石墨型，陶瓷型和熔模型殼等都可用于低壓鑄造，而生產(chǎn)中采用較多的還是砂型。但低壓鑄造用砂型的造型材料的透氣性和強度應(yīng)比重力澆注時高，型腔中的氣體，全靠排氣道和砂?？紫杜懦?。
為充分利用低壓鑄造時液體金屬在壓力作用下自下而上地補縮鑄件，在進行工藝設(shè)計時，應(yīng)考慮使
鑄件遠離澆口的部位先凝固，讓澆口最后凝固，使鑄件在凝固過程中通過澆口得到補縮，實現(xiàn)順序凝固。常采用下述措施：
1．澆口設(shè)在鑄件的厚壁部位，而使薄壁部位遠離澆口；
2．用加工裕量調(diào)整鑄件壁厚，以調(diào)節(jié)鑄件的方向性凝固；
3．改變鑄件的冷卻條件。
對于壁厚差大的鑄件，用上述一般措施又難于得到顧序凝固的條件時，可采用一些特殊的辦法，如在鑄件厚壁處進行局部冷卻，以實現(xiàn)順序凝固。
3 低壓鑄造工藝
低壓鑄造的工藝規(guī)范包括充型、增壓、鑄型預(yù)熱溫度、澆注溫度，以及鑄型的涂料等。
（1）充型和增壓
升液壓力是指當(dāng)金屬液面上升到澆口，附所需要的壓力。金屬液在升液管內(nèi)的上升速度應(yīng)盡可能緩慢，以便有利于型腔內(nèi)氣體的排出，同時也可使金屬液在進入澆口時不致產(chǎn)生噴濺。
（2）充型壓力和充型速度
充型壓力pa是指使金屬液充型上升到鑄型頂部所需的壓力。在充型階段，金屬液面上的升壓速度就是充型速度。
（3）增壓和增壓速度
金屬液充滿型腔后，再繼續(xù)增壓，使鑄件的結(jié)晶凝固在一定大小的壓力作用下進行，這時的壓力叫結(jié)晶壓力。結(jié)晶壓力越大，補縮效果越好，最后獲得的鑄件組織也愈致密。但通過結(jié)晶增大壓力來提高鑄件質(zhì)量，不是任何情況下都能采用的。
（4）保壓時間
型腔壓力增至結(jié)晶壓力后，并在結(jié)晶壓力下保持一段時間，直到鑄件完全凝固所需要的時間叫保壓時間。如果保壓時間不夠，鑄件未完全凝固就卸壓，型腔中的金屬液將會全部或部分流回批捐，造成鑄件“放空”報廢：如果保壓時間過久，則澆口殘留過長，這不僅降低工藝收得率，而且還會造成澆口“凍結(jié)”，使鑄件出型困難，故生產(chǎn)中必須選擇一適宜的保壓時間。
（5）鑄型溫度及澆注溫度
低壓鑄造可采用各種鑄型，對非金屬型的工作溫度一般都為室溫，先特殊要求，而對金屬型的工作溫度就有一定的要求。如低壓鑄造鋁合金時，金屬型的工作溫度一般控制在200～2500c，澆注薄壁復(fù)雜件時，可高達300～3500c。
關(guān)于合金的澆注溫度，實踐證明，在保證鑄件成型的前提下，應(yīng)該是愈低愈好。
（6）涂料
如用金屬型低壓鑄造時，為了提高其壽命及鑄件質(zhì)量，必須刷涂料；涂料應(yīng)均勻，涂料厚度要根據(jù)鑄件表面光潔度及鑄件結(jié)構(gòu)來決定。
4 低壓鑄造設(shè)備
低壓鑄造設(shè)備一般由保溫爐及其附屬裝置，鑄型開合系統(tǒng)和供氣系統(tǒng)三部分組成。按鑄型和保溫爐的連接方式，可分為頂鑄式低壓鑄造機和側(cè)鑄式低壓鑄造機兩種類型。
（1）保溫爐及附屬裝置
它由爐體、熔池、密封蓋和升液管等所組成，是低壓鑄造機的基本部分。保溫爐的爐型很多，如焦炭爐，煤氣爐，電阻爐，感應(yīng)爐等。但目前廣泛使用的是電阻加熱爐，其次是電熱反射爐。
（2）供氣系統(tǒng)
在低壓鑄造中，正確控制對鑄型的充型和增壓是獲得良好鑄件的關(guān)鍵，這個控制完全由供氣系統(tǒng)來實現(xiàn)。根據(jù)不同鑄件，不同鑄件的要求，供氣系統(tǒng)應(yīng)可以任意調(diào)節(jié)，工作要穩(wěn)定可靠，結(jié)構(gòu)要使維修方便。
5 特殊低壓鑄造工藝
低壓鑄造對一些特殊結(jié)構(gòu)或特殊性能要求的鑄件，難以滿足時，就在低壓鑄造的基礎(chǔ)上，發(fā)展出一些特殊低壓鑄造工藝。
（1）壓差法低壓鑄造
有些鑄件的內(nèi)部質(zhì)量要求高，希望在較高的壓力下結(jié)晶，但一般低壓鑄造時的結(jié)晶壓力不能太大。因而發(fā)展出壓差法低壓鑄造。其工藝過程是將電阻保溫爐和鑄型全部進行密封，在密封罩內(nèi)通人壓力較大如500kpa的壓縮空氣，這時由于鑄型與增鍋內(nèi)部的壓力相等，金屬液不會上升，然后金屬液向上補充50kpa壓力，金屬液就會上升充填型腔。同時鑄型內(nèi)的金屬液也在高壓下結(jié)晶凝固。這種方法使鑄件得到較致密的結(jié)晶組織，提高了鑄件的機械性能。據(jù)資料介紹這種工藝與一般鑄造方法相比，使鑄件強度提高約25％，延伸率提高約50％。但設(shè)備較龐大，操作麻煩，只有特殊要求時才應(yīng)用。
（2）真空低壓鑄造
對薄壁或復(fù)雜的大型鑄件，采用前述的低壓鑄造工藝，也難以滿足時，采用真空低壓鑄造就容易解決。它的裝置與壓差法低壓鑄造基本相似。在澆注前先將型腔中的氣體抽出再進行澆注，這時澆注速度可以提高，不會產(chǎn)生氧化夾雜和氣孔等缺陷。