壓鑄工藝介紹——反重力壓鑄

一、反重力壓鑄方法及其分類

1、特點

反重力鑄造是使液態金屬在與重力相反的力的作用下完成充型、補縮和凝固的一種鑄造方法。

與壓力鑄造和擠壓鑄造相比，為完成充型和補縮所施加的力較小，因此，液態金屬在充型過程中的流動非常平穩，但與重力鑄造相比，鑄件又能在一定的壓力下實現補縮和凝固，因此是生產優質鑄件的理想方法。

2、分類

反重力鑄造中，根據產生壓力方式的不同，可進一步把它分為差壓鑄造、低壓鑄造、調壓鑄造、真空吸鑄以及復合反重力鑄造等類型。從設備結構上看，差壓鑄造、調壓鑄造、真空吸鑄和復合反重力鑄造均采用上下室形式，即保溫爐置于下室，鑄型置于上室，低壓鑄造只使用下室，鑄型置于大氣環境中。不同反重力鑄造形式產生壓力的方式及特點如下：

（1）低壓鑄造低

壓鑄造時，鑄型處在常壓環境之下，下室進氣，形成壓差，在壓差的作用下完成升液、充型和保壓環節。所需設備簡單，操作容易，充型過程控制簡單。一般情況下，只要保壓時的增壓滿足要求，同樣可使鑄件得到很好的補縮。與其它反重力鑄造方法相比，低壓鑄造的應用范圍更廣。由于低壓鑄造中，鑄型處在常壓環境之下，利用金屬型鑄造時，容易實現金屬型的開合模以及鑄件頂出。

（2）真空吸鑄

真空吸鑄時，下室處在常壓環境，上室抽真空形成壓差，在壓差的作用下完成升液、充型和保壓環節。由于鑄型處在真空環境之下，所以，液態金屬的充型能力較好，但所建立的充型壓差受限，凝固壓力小，補縮能力較弱，適合于成形小型薄壁鑄件。

（3）差壓鑄造

差壓鑄造中，建立壓差的形式有兩種：上排氣法、下進氣法

差壓鑄造中，不僅可在壓力下完成充型和補縮，而且由于鑄型處在壓力下，能夠更好地發揮冒口的補縮，提高了鑄件的致密度。這種鑄造方法適合于生產大型厚壁鑄件。

（4）調壓鑄造

鑄造時上下室同時抽真空，達到指定真空度后，下室進氣，形成壓差，在壓差的作用下完成升液和充型環節后，上下室按照充型完成時的壓差同時進氣，使鑄型處在正壓環境之下，來增強鑄件的補縮能力。

優點是：既發揮了液態金屬的充型能力，有利于成形薄壁鑄件，又能在壓力下實現補縮，提高鑄件的致密度。這種鑄造方法需要精確控制加壓時的壓差，對控制系統的要求很高。

3、特點

1）充型速度可控：反重力鑄造一般用于生產有色合金鑄件，鑄件的成形能力和內部質量尤其是尺寸和壁厚對充型速度有比較嚴格的要求，充型速度可以通過計算機實現準確的控制。

2）成形性好、表面光潔：反重力鑄造時，金屬液是在壓力下充填成形，在工藝參數選擇合理的情況下，所獲得的鑄件輪廓清晰，對于薄壁件的生產，更是如此；反重力鑄造時有壓氣體充塞于砂型空隙，且在金屬液與砂型之間形成一層氣相保護層，將兩者隔開，可以減少金屬液對鑄型的熱力及化學作用，可降低鑄件的表面粗糙度。

3）鑄件晶粒細、組織致密、機械性能高：金屬液在壓力下結晶凝固，初凝枝晶在壓力的作用下會發生變形、破碎，而且冷卻速度快，因而晶粒細小；同時，壓力能提高補縮能力和抑制金屬液中氣體的析出，使疏松和微觀氣孔大為減少。所以，鑄件的機械性能得到明顯的改善。

4）可實現可控氣氛下澆注：反重力鑄造時，可對上室、下室或者上下室的氣氛進行控制。利用反重力鑄造澆注鋁合合鑄件時，使用除油干燥的壓縮空氣即可，但對于鎂合金，必須注意金屬液和鑄型的環境氣氛，因為鎂合金在空氣中會發生燃燒。可控氣氛的使用應根據鑄件質量的要求及鑄件的輪廓尺寸等因素決定。

5）提高了金屬的利用率：反重力鑄造時，鑄件凝固收縮可以不斷地得到來自內澆口金屬液的補縮；加之壓力的擠濾和塑性變形的作用，強化了冒口的補縮效果，冒口尺寸可相應減小甚至不需要。

6）鑄件可進行熱處理：與壓力鑄造相比，利用反重力鑄造方法生產鑄件時，充型速度較慢，液面平穩，型內氣體可以順利排出，所以，鑄件內部的氣孔很少、甚至沒有，故可像重力鑄造成形的鑄件一樣進行熱處理。

二、反重力壓鑄工藝

反重力壓鑄工藝包括澆注位置的選擇、澆注系統的設計、冒口和冷鐵的合理使用以及最佳工藝參數的確定等內容。

（1）鑄件的澆注位置及澆注系統反重力鑄造中，鑄件凝固時主要通過澆口補縮。因此，確立澆注位置時，應使鑄件的凝固順序朝著澆口的方向進行。通常，將鑄件的薄壁位置置于遠離澆口位置，讓金屬液從厚壁處引入。為使鑄件厚壁位置的熱分布合理，可采用分散澆口，直接利用內澆口進行補縮。

設計反重力鑄造的澆注系統時，在保證金屬液平穩充型的前提下，充型要快，有利于擋渣、排氣和實現順序凝固。對于大型復雜薄壁鑄件，應盡可能采用下寬上窄的縫隙式澆注系統，保證金屬液可在縫隙內平穩上升，以充分發揮垂直方向上的補縮，同時也不會影響其水平方向的補縮能力。

（2）冒口和冷鐵此外，冷鐵常與冒口或澆注系統配合使用，以加強冒口或澆口的補縮，但也可單獨使用，用來加快鑄件局部熱節處的冷卻速度，保證鑄件整體的順序凝固。

（3）反重力壓鑄工藝參數的確定

1)升液管直徑的確定確定時，首先要考慮鑄件重量預計充型時間和充型速度，然后確定對升液管的流量要求，再根據充型速度和流量要求計算升液管的直徑；其次，從保證鑄件的順序凝固所要求的熱平衡角度來考慮。升液管要便于壓力傳遞，有利于補縮，金屬液充型時，不產生紊流，清理和噴刷涂料方便。升液管的材料根據合金的種類及對鑄件質量的要求確定，對于普通鋁合金鑄件，采用鋼管或鑄鐵管即可；合金對含鐵量要求比較高時，可采用鈦合金或或陶瓷升液管。

2)充型壓力的確定充型壓力指金屬液充滿型腔所需要的壓力，其大小與鑄件的形狀高度、坩堝形狀、金屬熔化量等有關。如果坩堝的形狀、大小不變，熔化量已知，鑄件澆注量核定準確，則可比較精確地計算出充型壓力。然而，在砂型反重力鑄造中，連續澆注幾個不同的鑄件時，充型壓力的精確計算比較困難。為此，每次澆注之前，可測量坩堝內液面距離升液管口的實際高度近似計算充型壓力。

3)結晶壓力的選擇結晶壓力是為鑄件結晶創建一個高壓條件。金屬在壓力下結晶，使晶粒細化，組織致密。結晶壓力越大，機械性能越高。但過高的結晶壓力會給反重力設備帶來困難，且鑄件強度增加很少。壓力過小，會降低反重力鑄造的擠濾及塑性變形作用，不利于補縮和抑制金屬液中氣體的析出，鑄件易產生疏和微觀縮孔。選擇結晶壓力時，要考慮鑄件結構、合金的結晶特性。鑄件結構復雜時，選擇較大的壓力；合金結晶范圍較寬時，選擇較高的壓力。

4)升液、充型速度的確定在升液管出口面積固定的情況下，充型速度取決于坩堝液面上的加壓速度。加壓速度分升液和充型兩個階段，金屬液由坩堝液面上升到橫澆道為升液，要求液流平穩、緩慢，以利于型腔中氣體的排出，防止升液管出口處出現噴濺和翻滾，避免產生二次氧化夾渣。充型階段的流速需根據鑄件的壁厚大小、復雜程度和合金種類等因素確定。一般情況下，充型速度應當比升液速度略快，這樣有利于補縮，減少二次夾渣的產生。

5)保壓時間鑄型內金屬液在壓力作用下保持到鑄件完全凝固結束的時間為保壓時間。保壓時間大體上接近鑄件凝固所需要的時間。若保壓時間過短，金屬沒有完全凝固，未凝固的金屬液通過升液管返回坩堝，鑄件得不到充分補縮，甚至不能成形，造成鑄件報廢；保壓時間過長，使澆口殘留過長，清理困難，有時甚至會使升液管出口凍結，影響生產。保壓時間的長短與鑄件的壁厚、合金種類、鑄型性質以及結晶凝固壓力有關。鑄件壁越厚、合金的結晶溫度范圍越寬，保壓時間越長。砂型反重力鑄造的保壓時間比金屬型的長。結晶凝固壓力越大，保壓時間越短。

6)澆注溫度一般情況下，在保證金屬液的充填和補縮能力的前提下，應盡可能使澆注溫度低一些。反重力鑄造其成型能力遠高于重力鑄造，所以，其澆注溫度應比重力鑄造低5-10°C。