泰安市農(nóng)業(yè)機械科學研究所 （山東 271000） 高 飛

山東科技大學材料工程研究所 （泰安 271000） 王一成

金屬型鑄造工藝，在機械制造領域的應用不斷擴大，其中以鋁合金鑄件應用最為廣泛。因此本文重點探討和簡述鋁硅系合金鑄件的金屬型結(jié)構(gòu)及澆注系統(tǒng)的相關問題。

鋁合金重力鑄造有其固有的特點。金屬型冷卻速度快，對鑄件有較強的激冷效果，鑄件晶粒細化，組織致密，有較高的綜合力學性能，尺寸精確，表面光潔，質(zhì)量得到提高，影響鑄件質(zhì)量的不確定因素有所降低，特別適合大批量的生產(chǎn)。結(jié)構(gòu)良好的金屬型，可做到最大限度地減少加工余量和冒口尺寸，而工藝出品率和毛坯利用率，較普通的砂型重力鑄造有所提高，使鑄件的成本相對下降，可改善普通砂型鑄造對環(huán)境的污染狀況和工人的勞動條件。

綜上所述，盡管目前鋁合金有很多的鑄造工藝，但金屬型重力鑄造工藝，因其靈活性、通用性及較低的成本仍具有特定的優(yōu)勢，占有一定的位置。

1. 金屬型的澆注系統(tǒng)

在金屬型型腔結(jié)構(gòu)良好的基礎上，澆注系統(tǒng)設計得正確與否，對鑄件的質(zhì)量及工藝出品率將產(chǎn)生重要的影響。

澆注系統(tǒng)的設計原則如下：

（1）鑄型內(nèi)熱分布合理，便于定向凝固，使鑄件得到充分補縮。

（2）澆注系統(tǒng)應盡量縮短，簡單而又不失其功能完整性。

（3）金屬液經(jīng)澆注系統(tǒng)應平穩(wěn)地注入型腔，不應有沖擊、渦流、飛濺，能有效阻止金屬液的二次氧化。

（4）在澆注過程中應利于型腔排氣和撇渣。

（5）在確保質(zhì)量的前提下，最大限度地提高工藝出品率并為鑄件的清理工序創(chuàng)造有利條件。

（6）應是開放式澆注系統(tǒng)。

任何形式的鑄造工藝，只要是重力鑄造，其順序凝固的表現(xiàn)是自下而上的結(jié)晶凝固，充分利用上面設置的冒口對鑄件進行補縮。因各種鑄件的形狀結(jié)構(gòu)不同，導致金屬液在型腔內(nèi)的結(jié)晶凝固是一個復雜的過程，壁厚差較大的鑄件，在這個過程中，既有順序凝固又有同時凝固的表現(xiàn)，盡管如此，澆注系統(tǒng)的設計，仍要嚴格遵守重力鑄造順序凝固的原則，使型腔的熱分布符合鑄件自下而上的冷凝順序原則。

鋁合金熱導率大，容積熱容量小，金屬液在流動過程中，溫度會迅速下降，鋁液性質(zhì)活潑，極易吸氣和氧化，如果澆注時表面形成的氧化膜始終完整，對下面的鋁液有很好的保護作用，防止二次氧化，如果澆注時不平穩(wěn)或不夠平穩(wěn)，氧化膜破裂，將表面的氧化渣卷入下面的鋁液中，就很難再上浮至表面，各種氣體也不易析出，因鋁和氧化鋁的密度相近，造成鑄件內(nèi)部夾渣，補縮率大，易出現(xiàn)縮孔、縮松、針孔及夾渣等鑄造缺陷。因此，鋁合金鑄件的平穩(wěn)澆注就顯得格外重要。

在實際生產(chǎn)中，要把傳統(tǒng)的金屬型重力鑄造澆注系統(tǒng)的優(yōu)點有機地結(jié)合在一起是困難的，偏重于充型平穩(wěn)性（底注），就得不到合理的型腔熱分布；偏重于型腔熱分布合理（頂注），就失去了澆注平穩(wěn)性，顧此失彼。因此，傳統(tǒng)的金屬型重力鑄造工藝，長期以來造成了工藝出品率和毛坯利用率低的不利局面。

2. 鋁合金重力鑄造澆注系統(tǒng)傳統(tǒng)的幾種形式

大致有：頂注式、中注式、底注式及縫隙式。

（1）頂注式澆注系統(tǒng) 系統(tǒng)短簡，金屬液熱損失小，系統(tǒng)占用的金屬量少，并有合理的型腔熱分布，有利于鑄件的定向凝固和補縮。但是充型不平穩(wěn)，易飛濺，隨著鑄件高度的增加而沖擊現(xiàn)象嚴重，不利于排氣，鑄件易產(chǎn)成夾渣、氣孔，因此在鋁合金的重力鑄造中，基本不采用頂注式澆注系統(tǒng)。

（2）中注式澆注系統(tǒng) 充型的沖擊現(xiàn)象較頂注式有所改善，但系統(tǒng)對型腔的熱分布不如頂注式合理，一般應用在高度100mm以下的小型鑄件的生產(chǎn)中。

（3）底注式澆注系統(tǒng) 金屬液在重力的作用下，經(jīng)系統(tǒng)進入型腔，自下而上地平穩(wěn)充型，利于排氣和撇渣，但型腔的熱分布極不合理，無法實現(xiàn)重力鑄造所需要的順序凝固，鑄件不能得到充分補縮。在加大冒口的情況下，這種方法目前在中小型鋁合金鑄件中應用較為普遍。底注式澆注系統(tǒng)除上述缺點外，還有為減小沖擊，其直澆道往往設計成蛇形和傾斜彎曲形，在多數(shù)情況下，增加了集渣包取代橫澆道，致使金屬液流經(jīng)的路線太長，熱損失大，結(jié)構(gòu)復雜，制造成本高，型腔的熱分布只能使鑄件自上而下凝固，與重力鑄造的冷凝順序恰恰相反。鑄件易造成冷隔，補縮受阻，中底部易產(chǎn)生縮孔，上部易產(chǎn)生針孔，一旦出現(xiàn)問題，調(diào)整模具十分困難。常用的方法是，提高澆注溫度，增加補貼，加大冒口，但除質(zhì)量難以保證外，還造成金屬的大量消耗。工藝出品率一般小于50%，毛坯利用率平均也只在65%～70%。

（4）縫隙式澆注系統(tǒng) 從理論上講，這種系統(tǒng)的充型始終處于頂注狀態(tài)，但它充型平穩(wěn)，排氣良好，可有效防止鋁液的二次氧化，縫隙式內(nèi)澆道還有一定的撇渣功能，型腔的熱分布較底注式澆注系統(tǒng)合理，有利于鑄件的補縮。但實際上，其補縮性能并不十分突出，冒口的尺寸比底注式澆注系統(tǒng)并沒有減小多少。

在傳統(tǒng)的縫隙式澆注系統(tǒng)中，往往在直澆道和型腔之間，增加集渣包（柱）以代替橫澆道，縫隙澆道作為內(nèi)澆道與型腔相通，與底注式澆注系統(tǒng)一樣，高度不大的鑄件，直澆道可以是垂直的或傾斜的，較高大的鑄件則設計成蛇形和傾斜彎曲形。集渣包（柱）的高度，自型腔底部直至冒口上平面，其直徑一般在50～70mm，金屬液經(jīng)直澆道從集渣包（柱）的底部進入，由縫隙澆口注入型腔，澆注時，集渣包（柱）的液面與型腔的液面幾乎同時升高，直澆道對集渣包（柱）的充液具有明顯的底注式特征，而金屬液經(jīng)集渣包（柱）的縫隙澆道注入型腔，則具有頂注式的特征，集渣包（柱）占用了大量的金屬。在整個澆注過程中，澆注系統(tǒng)復雜，加長了金屬液的流經(jīng)路線，散熱面積大。隨著液面的升高，集渣包（柱）上面金屬液的溫度也逐漸下降，這就是說經(jīng)內(nèi)澆道注入型腔的溫度也相應下降，因此型腔的熱分布仍處于不合理的狀態(tài)。雖然這種澆注系統(tǒng)在補縮能力方面較底注式澆注系統(tǒng)和中注式澆注系統(tǒng)有所改善，鑄件上部及冒口部分因溫度下降，同樣也影響其補縮能力。集渣包（柱）作為鑄件的側(cè)冒口使用，其補縮能力也是有限的，金屬液在重力作用下，呈垂直向下補縮傾向，鋁液的密度低，大大影響了冒口的補縮深度，鑄件產(chǎn)生補縮不足情況，也只能采用加大冒口來解決縮松的問題。

澆注時由于集渣包（柱）需要大量的金屬液，從而延長了充型時間，加劇了上部金屬液溫度的下降。傳統(tǒng)的縫隙式澆注系統(tǒng)，工藝出品率是最低的，只有40%左右，空心薄壁的中小鑄件則更低，同時還增加了清理難度。

3. 階梯形縫隙澆注系統(tǒng)的設計

與我所協(xié)作的某單位是一個鋁合金鑄造大廠，主要生產(chǎn)高壓電器部件，多年來，關于鋁合金金屬型重力鑄造部分，長期沿用傳統(tǒng)的澆注系統(tǒng)，工藝出品率平均在50%左右，毛坯利用率也長期在70%左右徘徊，且效率低，清理占用了大量的人工，造成了資源大量浪費，提高了生產(chǎn)成本，長期虧損，更嚴重的是，因廢品率高，經(jīng)常打亂正常的生產(chǎn)調(diào)度計劃，給企業(yè)造成了極大的困擾。

我們對幾種傳統(tǒng)的澆注系統(tǒng)做了全面的深入分析，對各種澆注系統(tǒng)做了反復比較，總結(jié)出平穩(wěn)充型，充分補縮，以及合理的冷凝順序，是澆注系統(tǒng)設計需要解決的關鍵問題。

經(jīng)不斷實踐，我們最終設計出一種階梯形縫隙澆注系統(tǒng)（見圖1）。通過長期生產(chǎn)的綜合考察，該系統(tǒng)性能十分穩(wěn)定。

階梯形縫隙澆注系統(tǒng)的特點：①澆注系統(tǒng)簡短，減少了金屬液溫度損失。②頂注和底注分層交替充型，充型平穩(wěn)，補縮充分。③型腔的熱分布極為合理。④無集渣包（柱），型腔直接撇渣。

由于若干橫澆道直接與直澆道相連，其間隔在50～60mm，澆注時金屬液經(jīng)直澆道、橫澆道、內(nèi)澆道直接平穩(wěn)地注入型腔，當金屬液經(jīng)過第一個橫澆道對型腔充型時，澆注形式為頂注，當型腔液面上升到第一個橫澆道的上方時，第一個橫澆道以底注的形式使液面繼續(xù)上升，液面升至第二個橫澆道的下方時，第二個橫澆道以頂注的形式將金屬液注入型腔，液面升至第二個橫澆道的上方時，第二個橫澆道再以底注的形式，使型腔液面繼續(xù)升高，同時仍對下面有較強的補縮傾向，因重力和金屬液溫度下降的因素，第一個橫澆道逐漸失去了充型作用，第二個橫澆道以頂注、底注交替充型，不間斷地對下面補充，完成下面金屬液液態(tài)收縮的補充作用。以此類推，直至充型完畢。冒口與直澆道相通，加大其補縮深度。這種分層的以底注、頂注兩種形式交替充型，并不斷對下部補充的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)充型平穩(wěn)，補縮充分，各種氣體有充裕的時間排出。隨著液面的不斷升高，澆注系統(tǒng)也相應縮短，從澆口杯進入直澆道的金屬液，溫度下降的也越來越小，這就造成了型腔溫度有極為合理的分布，使鑄件無阻礙地完成自下而上的順序凝固。

階梯形縫隙澆注系統(tǒng)是開放式的，各橫澆道/內(nèi)澆道/直澆道的幾何形狀、尺寸，與傳統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)大體相同，直澆道與內(nèi)澆道截面積之比為1∶1.5～2，直澆道應為圓形，直徑視鑄件的大小而定，但不應超過25mm，過大易產(chǎn)生渦流，卷入氣體，液柱形成中空，易造成氧化渣。澆注過程中，型腔下部的金屬液有充分的補縮條件，我們可以根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)，將其大端或厚實部位置于型腔的下方，小端或薄壁部分置于上部，這樣可減小冒口尺寸，節(jié)約金屬。

我們多次分析了傳統(tǒng)縫隙澆注系統(tǒng)中集渣包（柱）的作用，經(jīng)過精煉后的優(yōu)良鋁合金液注入直澆道，再經(jīng)過設置在直澆道與橫澆道之間的過濾網(wǎng)注入集渣包（柱），經(jīng)縫隙內(nèi)澆道對型腔平穩(wěn)充型，這時集渣包（柱）的集渣作用甚微。經(jīng)多次化驗檢測，發(fā)現(xiàn)冒口上面的氧化渣，要比集渣包（柱）上部的氧化渣多出數(shù)倍，這是因為充型時，型腔中的液面是與上面冒口相通的，與空氣直接接觸，我們稱此面為自由表面，它極易吸氣氧化，形成一種氧化物膜，隨著液面升高，直至澆注完畢，停留于冒口上面。因此我們在設計澆注系統(tǒng)時，省去了集渣包（柱），使橫澆道直接與直澆道相連，而從型腔結(jié)構(gòu)上提高了型腔的撇渣功能，強化了冒口排氣、撇渣、補縮的作用。

充型時，因受腔壁的摩擦和激冷作用，液面連同上面的氧化膜，是呈凸型上升的，沿腔壁及型芯表面處的液面上升滯后，型腔上方的臺階平面有明顯的擋渣裹氣現(xiàn)象，造成少量氧化渣和氣體擠在該平面上，造成該平面存在夾渣、氣孔缺陷（見圖2）。故型腔上方的臺階平面應做成≥15°的斜面，以提高型腔的撇渣排氣能力，最終使氧化層完全浮至冒口上面，如圖3所示。

圖2

4. 階梯形縫隙澆注系統(tǒng)的應用

改進后的階梯形縫隙澆注系統(tǒng)，適合各種形狀有一定高度的鋁合金鑄件（盤形除外），鑄件重量從0.5kg到近百公斤，高度大的實心及空心薄壁鑄件尤為合適。對高度200mm以下的鑄件，采用常用的垂直澆注方式，對高度大的鑄件，過去一直采用臥式橫澆方法，使?jié)沧⒏叨冉档停@有很多缺點，如澆注路線長，鑄件上部的質(zhì)量差，并在上部設置了多個冒口，除浪費大量金屬外，還增加了清理工作的難度。

我們利用階梯形縫隙澆注系統(tǒng)，對高度大的鑄件，采用了反向傾斜澆注方法，來降低澆注高度，一般澆注前，傾斜澆注機使鑄型傾斜45°左右，金屬液經(jīng)澆注系統(tǒng)注入型腔，各內(nèi)澆道置于型腔的下方，形成傾斜分層底注的環(huán)境，一般目測充型一半時，傾斜澆注機將鑄型緩慢放平，恢復垂直澆注狀態(tài)。這個過程中，隨著鑄型緩慢抬起，要不停地澆注，不得斷流，液面到冒口一半時，再降低澆注速度，以增加對下部的補縮時間。對于大尺寸的鑄件，為加快澆注速度，在分型面上可設計左右對稱的兩個澆注系統(tǒng)，傾斜澆注時，兩個系統(tǒng)同時澆注，內(nèi)澆道分別置于型腔的兩側(cè)面，形成傾斜分層中注的環(huán)境，金屬液從左右對應的內(nèi)澆道同時均勻地注入型腔，具體操作與上述一致。當然，因鑄件的結(jié)構(gòu)形狀差異，鑄型抬起的時間及速度也有不同，但必須考慮到充型的平穩(wěn)性。

5. 結(jié)語

該協(xié)作單位每年生產(chǎn)近6000t各種大中小型的鋁合金鑄件，其中用金屬型重力鑄造工藝生產(chǎn)的約2000t，澆注系統(tǒng)改進后，工藝出品率由原來的50%上升到了73%，毛坯的利用率也由原來的68%上升到97%（這個數(shù)據(jù)推演出的效益是相當驚人的），且質(zhì)量穩(wěn)定，鑄件致密度高，尺寸精確，無針孔產(chǎn)生，便于調(diào)整，降低了清理工作的難度，徹底扭轉(zhuǎn)了長期虧損的局面。總結(jié)過去對寶貴資源、能源及人力的浪費，感到觸目驚心。

鑄造是機械制造行業(yè)的耗能污染大戶，廣大工程技術人員在工作實踐中，要善于深入研究，善于總結(jié)和積累，有理有據(jù)地改進傳統(tǒng)的設計理念，充分認識努力提高工藝出品率和毛坯的利用率，是鑄造領域節(jié)能減排的有效方法，具有重大意義。