铝、镁合金真空低压消失模壳型铸造的缺陷分析.pdf

实用研究一特种铸造及有色合金2012年第32卷第4期铝、镁合金真空低压消失模壳型铸造的缺陷分析蒋文明1 樊自田2 刘德均2(1 武汉工程大学机电工程学院；2 华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室)摘要分析了采用泡沫模用精密铸造制壳，井用真空低压浇注成形铝、镬台金铸件的典型缺陷(主要是浇不足和冷隔、孔洞及粘砂缺陷)的行貌特征和形成机理，并提出相应的防治措施。结果表明，浇不足和冷隔缺陷主要由金属液充型速度慢、充型动力不足、浇注温度低等原因造成 孔洞缺陷主要由金属液浇注速度过快、保压压力小或保压时间短，浇注温度高，浇注系统设计不合理及型壳透气性差等原因造成。粘砂缺陷主要由型壳强度低、充型压力和真空度过大、造型型砂粒径大和激冷效果差等原因所致。关键词铝、镁合金I 真空低压消失模壳型铸造l 典型缺陷I 形成机理中图分类号T G l 4 6 2 I T G 2 4 9 6文献标志码A 文章编号1 0 0 l 一2 2 4 9(2 0 1 2)0 4 0 3 1 1 0 4A n a l y s i so fF o r m a t i o nM e c h a n i s mo fT y p i c a lD e f e c t si nA l u m i n u m(M a g n e s i u m)A l l o y sC a s t i n g sb yt h eE x p e n d a b l eP a t t e r nS h e l lC a s t i n gw i t hV a c u u ma n dL o wP r e s s u r eJ i a n gW e n m i n 9 1，F a nZ i t i a n 2。L i uD e j u n 2(1。S c h o o lo fM e c h a n i c a l&E l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g，W u h a nI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y；2 S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fM a t e r i a lP r o c e s s i n ga n dD i e&M o u l dT e c h n o l o g y，Hu a z h o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y)A b s t r a c t：T h ea p p e a r a n c ec h a r a c t e r i s t i c so ft y p i c a ld e f e c t si n c l u d i n gm i s r u na n dc o l ds h u t，p o r o s i t ya sw e l la ss a n db u r n i n gi na l u m i n u m(m a g n e s i u m)a l l o y sw e r ei n v e s t i g a t e dd u r i n gt h ee x p e n d a b l ep a t t e r ns h e l lc a s t i n gw i t hv a c u u ma n dl o wp r e s s u r e，a n dt h ef o r m i n gm e c h a n i s mo ft h e s et y p i c a ld e f e c t sw e r ea n a l y z e d F i n a l l y，t h ec o n t r o lm e a s u r e sf o rt h ec o r r e s p o n d i n gd e f e c t sw e r ep r e s e n t e d T h er e s u l t ss h o wt h a tm i s r u na n dc o l ds h u td e f e c t sa r eg e n e r a t e da sar e s u l to fl o w e rf i l l i n gv e l o c i t yo ft h em o l t e nm e t a l，i n s u f f i c i e n tf i l l i n gc a p a c i t ya n dl o w e rc a s t i n gt e m p e r a t u r e，e t c T h ep o r o s i t yd e f e c t sO c c u rd u et of a s t e rp o u r i n gs p e e d，l o w e rh o l d i n gp r e s s u r eo rh o l d i n gt i m e。h i g h e rc a s t i n gt e m p e r a t u r eru n r e a s o n a b l ed e s i g no ft h eg a t i n gs y s t e ma n dp o o r e rp e r m e a b i l i t yo ft h ec e r a m i cs h e l l，e t c T h es a n db u r n i n gd e f e c ti sf o r m e db e c a u s eo fl o w e rs t r e n g t ho fc e r a m i cs h e l l，h i g h e rf i l l i n gp r e s s u r ea n dv a c u u ml e v e l，l a r g e rp a r t i c l es i z ea n dp o o r e rc o o l i n ga b i l i t yo fs a n d K e yW o r d s：A l u m i n u m(M a g n e s i u m)A l l o y s，E x p e n d a b l eP a t t e r nS h e l lC a s t i n gW i t hV a c u u ma n dL o wP r e s s u r e，T y p i c a lD e f e c t s，F o r m a t i o nM e c h a n i s m铝、镁合金真空低压消失模壳型铸造是将消失模泡沫模样精密成形、采用熔模铸造制备精密薄壳后，再用真空低压浇注成形相结合，进行较大尺寸复杂薄壁铝、镁合金精密铸件生产的一种新方法n“。该方法综合了泡沫模的低成本、收缩小、较大尺寸和结构设计灵活陶瓷型壳的高精度及真空低压铸造的较高性能以及良好成形性等特点。在铝、镁合金真空低压消失模壳型铸造过程中，若工艺控制不当。易出现浇不足、冷隔、孔洞及粘砂等缺陷，对铸件质量造成不利影响，甚者致使铸件报废。因此探讨铝、镁合金真空低压消失模壳型铸造典型缺陷形成机理开展缺陷防治工作，对于该项新技术的工业化应用具有较好的现实意义。鉴于此，本课题针对真空低压消失模壳型铸造过程中浇不足、冷隔、孔洞及牯砂等典型缺陷形成机理进行分析，并提出相应的防治措施。以期为铝、镁合金真空低压消失模壳型铸造实际生产应用中缺陷的防治提供一定的理论依据和借鉴。收稿日期：2 0 1 l-1 0 1 2 i 修改稿收戮日期：2 0 1 I-1 0 2 8基金项目：图宗高技术研究发艘计划(8 6 3 计划)资助项日(2 0 0 T A A 0 3 2 1 13)t l-+l 简介：鞯文明男1 9 8 2 年出生，讲师武汉工程大学机电J 二崔学院武汉(4 3 0 0 7 3)电话1 1 3 8 7 1 2 6 4 6 5 5 E-m a i l j w e n m i n g 1 6 3 e o m3 l l万方数据一特种铸造及有色合金2012年第32卷第4期1浇不足和冷隔缺陷浇不足和冷隔缺陷是真空低压消失模壳型铸造中易于出现的缺陷之一，由此产生的铸件报废较多，其主要发生在远离浇口的位置，尤其铸件薄壁处最容易发生。在金属液充型过程中，如果金属液过早凝固而未能充满型腔，将会使铸件成形不完整，产生浇不足缺陷，这类缺陷的特点是铸件的一个或多个末端未充满金属液，铸件整个外形轮廓不完整。图1 是真空低压消失模壳型铸件出现的浇不足和冷隔缺陷。可以看出，筒形铸件底部边缘成形不完整，同样进气歧管零件有相当大一部分成形不完整(见图l a)，出现了严重的浇不足缺陷；还可看出，进气歧管零件上由于金属液未熔合完整，而形成明显的冷隔缺陷。(a)浇不足(b)冷隔图1铸件浇不足和冷隔缺陷浇不足和冷隔缺陷形成的主要原因都与金属液的充型过程有关卟。具体分析，与以下原因有关：浇注温度过低；充型速度过慢；铸型排气不好，透气性差，另外，由于真空度过小，导致铸型内的残留气体不能很好地排除，使得铸型内的气体背压过大，阻止了金属液的充型；铸型温度低；金属液量不足，或者在浇注过程中型壳开裂，出现跑火现象，致使金属液溢出，不能完全地充满型腔，造成浇不足。综上分析可知，浇不足和冷隔缺陷的具体防治措施有以下几个方面：适当提高金属液的充型速度，通过增大充型压力和真空度，尤其对于较大尺寸复杂薄壁铸件；采取合适的浇注温度，较大尺寸复杂薄壁铸件应采用相对较高的浇注温度；在型壳上开设一些排气孑L通道，利于型腔中气体的排出，同时增大真空度也有利于型腔中气体排出，大大减小金属液充型时的气体背压增大充型能力；适当对型壳进行预热，可以延缓金属液冷却速度，有利于金属液充型；保证充型过程中金属液量充足。同时，应保证型壳足够的强度，避免在浇注中出现开裂，使得金属液溢出而导致出现浇不足缺陷。2 孔洞缺陷孔洞缺陷也是铝、镁真空低压消失模壳型铸造中常3 1 2见的缺陷，其主要包括气孔和缩孑L、缩松缺陷。其中气孑L 主要是指真空低压消失模壳型铸造铝合金过程中出现的针孑L 缺陷，它属于析出性气孔。针孔缺陷是指溶解在铝合金中的氢在凝固中析出而形成的氢气孔 8。氢主要来源于大气及金属材料、熔剂和涂料的水分受热分解，在高温下发生H：0 2 H+0 2 反应这是一个可逆的反应，而分解出的氧又容易与铝液反应：2 A 1 3+3 0 2 一A 1 2 0。，从而生成熔点较高的A l z 0。，这样就进一步促进了水蒸气的高温分解，使铝液中溶解了大量的氢。随着金属液温度下降，铝液开始凝固，金属液粘度增大，氢在其中的溶解度大大降低 1，当氢的含量超过其溶解度时就以气泡的形式析出，若氢气泡来不及上浮出铝液，便滞留在铸件中从而形成针孔缺陷。铸件断面上的针孔缺陷见图2 a，一般孔洞较小，孔径约在1m m 以内，外观多呈圆形；扫描电镜下针孔缺陷形貌见图2 b，可以看出，孑L 洞侧壁光滑，形貌圆整。(a)试样断面宏观彤兢(b)扫描电镜形貌图2 针孔缺陷形貌要防止铸造中铝、镁合金铸件出现针孔缺陷，具体措施如下：熔炼前清理干净坩埚、升液管和熔炼工具上的锈迹、油污、水分及熔渣，坩埚应涂刷涂料，金属原材料、变质和精炼剂以及熔炼工具都应烘干；型壳在浇注前应预热至一定温度，保证其干燥；造型型砂浇注前也应烘干；增加型壳的透气性，可增设排气孔，便于气体排出铸型；金属液的熔炼时间应尽可能缩短，避免熔炼时间过长使得液态金属吸气量增加，同时，还应严格控制金属液的精炼过程；适当增大保压压力。使得金属液在较大压力下凝固。3 缩孔、缩松如果铸件在凝固过程中，由于金属液的液态收缩和凝固收缩，往往在铸件最后凝固的部位出现孔洞缺陷，容积大而集中的孔洞即为缩孔，细小而分散的孔洞即为缩松。由图3 a 可以明显看出，树枝晶间的缩孔缺陷。在扫描电镜下可以看到明显的枝晶形貌(见图3 b)。具体来说，缩孔和缩松缺陷产生的原因有以下一些方面：铸造工艺设计不合理，不能够使铸件按照顺序凝固方式冷却；浇注系统设计不合理，内浇道过小，冒万方数据铝、镁合金真空低压消失模壳型铸造的缺陷分析蒋文明等(a)拓合金组织(b)扫描电镜彤妩田3 缩孔螭松缺陷彤貌口过小或者设置不当、补缩的距离不够；浇注温度过高，浇注速度过快，导致铸件的冷却速度过慢；保压压力过小或保压时间过短，难以使得金属液进行充分补缩。防止缩孔、缩松产生的措施如下：合理地设计铸造工艺，使铸件的薄壁处远离浇道，铸件的厚壁处设置在浇道一端，便于厚壁部位的补缩；适当增大浇道与铸件衔接处的截面积，在铸件的厚大热节部位设置冒口或冷铁；适当降低浇注温度，控制铸件不同壁厚处的冷却速度，使铸件按照顺序凝固方式冷却；适当增大保压压力和延长保压时间，使金属液补缩更加充分。4粘砂缺陷在真空低压消失模壳型铸造中出现的主要是机械粘砂，这是由于型壳在浇注过程中开裂，金属液从型壳的裂缝处溢出，渗入到型砂缝隙中，从而形成粘砂缺陷，其形成示意图见图4。金藏孔尊砂粒叠垒圈4 粘砂缺陷形成过程示意围图5 是真空低压消失模壳型铸件粘砂缺陷照片。明显看出。金属液通过型壳的裂缝渗入到到砂中形成田5 俦件粘砂缺陷的贯穿整个简形铸件的粘砂缺陷。在铸造过程中。促进金属液渗透力有3 个：充型压力P。、金属液动压力P。、金属液表面张力P。而阻碍金属液渗透力有两个：型砂中气体阻力P。(即真空度)和金属液与型砂间的摩擦力P。金属液发生渗透的条件为：P f+P。+P，P。+P。(1)其中：P。一7-m 风Q(2)P t：4 0 L V-c o s O(3)aeP-2 告“)式(2)中，为金属液充型速度；为金属液密度；Q 为金属液流量。式(3)中，盯。为表面张力系数 d。为型砂毛细管当量孔径；口为金属液与型砂接触角。式(4)中，p 为金属液动力粘度；L 为金属液渗透深度；t 为渗透后金属液凝固时间；K 为多孔介质渗透系数，K=箐，其中，P s 为型砂相对密度，d 为型砂平均粒径。将式(2)、式(3)和式(4)代入式(1)中可得：L=盟 嚣等盟(P m Q+堑专警+P r P s)(5)由式(5)可知。随着金属液凝固时间延长、型砂粒径增大、金属液充型速度增大以及充型压力和真空度增大，金属液渗透到型砂中的深度增加。粘砂缺陷加重。因此，只有合理控制以上因素，才可以减小金属液渗透到型砂中的深度，起到减少粘砂缺陷的作用。在真空低压消失模壳型铸造过程中避免出现粘砂缺陷的最主要措施是必须保证型壳有足够强度，使其在浇注过程中不会开裂，且在满足铸件能够完全成形的条件下尽量选择小的充型压力和真空度，防止充型压力过大致使型壳开裂或加重粘砂缺陷；此外，选择粒度较细及激冷效果好的型砂制壳，也可以适当减少粘砂缺陷发生。5结论(1)浇不足和冷隔缺陷主要由金属液充型速度慢、充型动力不足及浇注温度低等原因造成，可通过适当增大充型压力和真空度，提高浇注温度，预热型壳等措施来消除。(2)孔洞缺陷主要由金属液浇注速度过快，保压压力小或保压时间短，浇注温度高，铸造工艺设计不合理及型壳透气性差等原因造成，可通过适当降低浇注温度，增大保压压力和延长保压时间，提高型壳透气性，改进铸造工艺和浇注系统等措施来消除。(3)粘砂缺陷主要由型壳强度低，充型压力和真空度过大等原因所致可通过提高型壳强度，减小充型压3 1 3万方数据实用研究特种铸造及有色合金2 0 1 2 年第3 2 卷第4 期电磁制动对宽板坯高拉速结晶器内流场的影响彭庆勇1 冀慧2(1 中国铝业股份有限公司青海分公司；2 安阳职业技术学院)摘要以F l u e n t 6 3 为计算平台r 采用数值模拟方法研究了电磁制动不同参数下宽板坯高拉速结晶器内的流场。结果表明，电磁制动可有效控制结晶器内钢液的流动，改变钢液的流动方向，改善钢液上下环流区的分配率。在静磁场作用下，上部环流区的流动增强，下部环流区流动减弱，自由液面的波动减轻。关键词板坯连铸；结晶器；电磁制动 流场中图分类号T P 3 1 1；T G 2 4 9 7文赫标志码A 文章编号1 0 0 1 2 2 4 9(2 0 1 2)0 4-0 3 1 4-0 4I n f l u e n c eo fE l e c t r o m a g n e t i cB r a k eo nF l o wF i e l di nW i d eS l a bC o n t i n u o u sC a s t i n gM o u l du n d e rH i g hC a s t i n gS p e e dP e n gQ i n y o n 9 1 J IH u i2(1 Q i n g h a iB r a n c h，C h i n aA l u m i n u mI n d u s t r yS t o c kC o，L t d；2 A n y a n gV o c a t i o n a la n dT e c h n o l o g yC o l l e g e)A b s t r a c t：T h el i q u i ds t e e lf l o wf i e l di naw i d es l a bc o n t i n u o u sc a s t i n gm o u l du n d e rd i f f e r e n te l e c t r o m a g n e t i cp a r a m e t e r sw a ss i m u l a t e db yt h eF l u e n t6 3s o f t w a r e T h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ee l e c t r o m a g n e t i cb r a k ec a nn o to n l yc o n t r o lt h ef l o wo fl i q u i ds t e e li nt h em o u l d，b u ta l s oc h a n g et h ef l o wd i r e c t i o n，a n dt h e nt oi m p r o v et h er e d i s t r i b u t i o no ft h el i q u i ds t e e lf l u xi nt h es l a bc o n t i n u o u sm o l d T h ef l o wi nt h eu p p e re d d yi ss t r e n g t h e n e d，a n dt h ef l o wi nt h el o w e re d d yi sw e a k e n e d，s ot h ef l u c t u a t i o no fm e n i s c u si si m p r o v e di nr o l eo fs t a t i cm a g n e t i cf i e l d K e yW o r d s：S l a bC o n t i n u o u sC a s t i n g，M o u l d，E l e e t r o m a g n e l i cB r a k e，F l o wF i e l d钢液的流动状况不仅决定着结晶器内夹杂物和汽泡的上浮和分离，而且弯月面附近钢液的流动还影响着保护渣的卷吸、熔融和铺展，是决定铸坯冶金质量的重要因素之一。铸坯断面尺寸和拉坯速度是决定产量的收疆日期：2 0 1 1-1 11 2；修改幡收到日期：2 0 1 I-1 2 2 0第一作者简介：彭庆勇男1 9 7 0 年出生，高级工程师，中国铝业股份有限公司青海分公司技术开发部，青海太通宁张公路2 8 公里处(8 1 0 1 0 8)，电话：0 9 7 1-2 7 5 2 1 3 3，1 3 9 9 7 1 8 13 3 7 E-m a i l：j h u i p e o g q y 1 6 3 c o m力和真空度以及选择粒度较细和激冷效果好的型砂造改善研究 J 铸造2 0 1 1 6 0(2)：1 4 0 1 4 3 型等措施来消除。E 6 T 瓢2 H O P P MA，W A N GQ G D E W Y S EMJ，e ta l _ M e c h a n i s m 3o fm i s r u nt o r m a t i o ni na l u m i n u ml o s tf o a mc a s t i n g J A F S参考文献T r a n s a c t i。n 2 0 0 2 1 1 0：13 7 1 13 9 8 1 J I A N GWM，F A NZT，L I A ODF e ta 1 R e s e n r c hO f fc r a c k i n g 7 Z H A OQ G U S T A F S O NTW，H O O V E RM，e ta I F o l d sf o r m a m e c h a n i s mo ft h et h i ns h e l lm o u l di ne x p e n d a b l ep a t t e r ns h e l lcasttiona n dp r e v e n t i o ni nt h el o s tf o a ma l u m i n u mp r o c e s s J A F Si n gd u r i n gp a t t e r nr e m o r a p r o c e s s J C h i n aF o u n d r y 2 0 1 0 7T r a n c r i o n，2 0 0 4 1 1 2：11 4 5 11 5 9(3)：2 3 0 2 3 5 8 3A U Y A L E B E C H IPN T e c h n i q u e sf o rd e t e r m i n a t i o no ft h eh y d r o 一 2 3J I A N GWM F A NzT L I A ODF e ta 1 An e ws h e l lc a s t i n gS e nc o n t e n ti na l u m i n u ma n di t sa l l o y s J L i g h tM e t a l s 1 9 9 1：p r o c e s sb a s e do ne x p e n d s h l ep a t t e r nw i t hv a c u o ma n dl o w-p r e s s u r e10 2 5 10 4 6 c a s t i n g o ra l u m i n u ma n dm a g n e s i u ma l l o y s J I n t e r n a t i o n a l 9 3F A N GQT，G R A N G E RDA P o r o s i t yf o r m a r i o ni nm o d i f i e da n dJ o u r n a lo fA d v a n c e dM a n u f a c t u r i n gT e c h n o l o g y，2 0 1 0 5 1(1-4)：u n m o d i f i e dA 3 5 6a l l o yc a s l i n g J A F ST r a n s a c t i o n s，1 9 9 1，9 9 l25348390 3 刘蓖均，羹自田蒋文明，等铝台金真李低压消失模壳型铸造工 1 0 H I L T O ND 九Q u a n t i t a t i r e M e a s u r e m e n to f H y d r o g e n i n M o I t e n艺参教研究 J 特种铸造及有色台金，2 0 1 1，3 1(6)；5 5 6 5 6 0 A I u m i n u mA l l o y sb yaR e d u c e dP r e s s u 陀T e c h n i q u e A 3 6 t h 4 蒋文明，樊自田，廖簿锋等基于泡沫镆原型的消失慎复合塑壳制A n n u a l M e e t i n go f t h e I n v 眄t m。tc。t i n g I n s t i t。I 吐c 1 9 8 8 备工艺 J 特种铸造及有色台金,2 0 1 0,3 0(2)：1 6 1-1 6 3 f 编辑：栗万仲)5 蒋文明樊自田廖莓锋，等真空低压稍失模壳塑铸件表面质量3 1 4万方数据铝、镁合金真空低压消失模壳型铸造的缺陷分析铝、镁合金真空低压消失模壳型铸造的缺陷分析作者：蒋文明，樊自田，刘德均，Jiang Wenming，Fan Zitian，Liu Deiun作者单位：蒋文明,Jiang Wenming(武汉工程大学机电工程学院)，樊自田,刘德均,Fan Zitian,LiuDeiun(华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室)刊名：特种铸造及有色合金英文刊名：Special Casting&Nonferrous Alloys年，卷(期)：2012,32(4)参考文献(10条)参考文献(10条)1.JIANG W M;FAN Z T;LIAO D F Research on cracking mechanism of the thin shell mould in expendablepattern shell casting during pattern removal process期刊论文-China Foundry 2010(03)2.JIANG W M;FANZT;LIAO DF Anew shell casting process based on expendable pattern with vacuum andlow-pressure casting for aluminum and magnesium alloys 2010(1-4)3.刘德均;樊自田;蒋文明 铝合金真空低压消失模壳型铸造工艺参教研究期刊论文-特种铸造及有色合金2011(06)4.蒋文明;樊自田;廖德锋 基于泡沫模原型的消失模复合型壳制备工艺期刊论文-特种铸造及有色合金 2010(02)5.蒋文明;樊自田;廖德锋 真空低压消失模壳型铸件表面质量改善研究期刊论文-铸造 2011(02)6.TSCHOPP M A;WANG Q G;DEWYSE M J Mechanisms of misrun formation in aluminum lost foam casting 20027.ZHAO Q;GUSTAFSON T W;HOOVER M Folds formation and prevention in the lost foam aluminum process20048.AUYALEBECHI P N Techniques for determination of the hydrogen content in aluminum and its alloys19919.FANG Q T;GRANGER D A Porosity formation in modified and unmodified A356 alloy casting 199110.HILTON D A Quantitative Measurement of Hydrogen 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