反重力铸造真空吸铸

反重力铸造概述

真空吸铸是利用真空系统装置，在结晶器内造成负压，将熔融金属从坩埚吸入圆筒形石墨铸型或金属型中，并保持一定时间而获得铸件的方法。

反重力铸造原理

真空吸铸的基本原理是，将与真空系统连接的结晶器（即铸型），浸入金属液，抽真空使结晶器内成负压而将金属液吸入，由于结晶器壁内通有循环冷却水，所以其中的金属液实现由外向中心的顺序凝固，当凝固层达到所需尺寸时，关闭真空泵使结晶器内未凝固的金属液返回坩埚。这样就获得了筒形铸件，铸件的长度取决于结晶器的长度，厚度则取决于凝固时间。

反重力铸造特点

1）由于结晶器内的空气压力小，减小了金属液在充型时的吸气倾向。

2）获得铸件的组织致密、晶粒细小、无气孔和砂眼等缺陷，使铸件的机械性能提高。

3）铸件不用浇口、冒口，减少了金属的消耗。

4）生产率高，易于实现机械化和自动化。

5）通过控制凝固时间，可以生产不同壁厚的管子。

6）不能生产形状复杂的铸件，且铸件的内表面不光滑，尺寸不易控制。

由于以上特点，真空吸铸主要用来生产内燃机的铜合金轴套和铝合金锭坯。

反重力铸造概述

差压铸造又称反压铸造、压差铸造。是在低压铸造的基础上，铸型外罩个密封罩，同时向坩埚和罩内通入压缩空气，但坩埚内的压力略高，使坩埚内的金属液在压力差的作用下经升液管充填铸型，并在压力下结晶。

反重力铸造原理

差压铸造按工作时压力筒内充气压力的大小可分为，低压、中压、高压差压铸造，按压差产生的方式可分为增压法、减压法差压铸造技术。

差压铸造分为6个阶段：充气阶段、压力平衡阶段、升液阶段、冲型阶段、保压阶段、互通排气阶段。

反重力铸造特点

1)充型速度可以准确控制，以获得最佳充型速度。

2)铸件成形性好，表面粗糙度值低。

3)铸件晶粒细小，组织致密，力学性能高，与低压铸造相比，铸件抗拉强度可提高10-50%，伸长率可提高25-50%。

4)提高了金属的利用率，可减小冒口的尺寸或不设冒口。

5)能用气体作为合金元素，故可往一些合金（如钢）中溶入N2，提高合金强度和耐磨性能。

6)设备较庞大，操作麻烦。

反重力铸造概述

低压铸造是液体金属在压力（一般为气体压力） 作用下，完成充型及凝固过程而获得铸件的一种铸造 方法。由于作用的压力较低（一般为2070kPa）， 故称为低压铸造。

低压铸造可生产的铸型可使用砂型、金属型、 熔模壳型、石膏型、及石墨型等，可生产铝合金、铜 合金、铁合金等材质的铸件。

反重力铸造原理

低压铸造分为5个阶段，合型、升液阶段、冲型阶段、凝固阶段、顶出。

低压铸造的工艺规范包括压力、增压速度、铸型预热温度、浇注温度，以及铸型的涂料等。

低压铸造的铸型有金属型和非金属型两类。金属型多用于大批、大量生产的有色金属铸件，非金属铸型（如砂型、石墨型、陶瓷型和熔模型壳等）多用于单件小批量生产，生产中采用较多的是砂型，要求造型材料的透气性和强度应比重力浇注时高。

反重力铸造特点

1)浇注压力和速度便于调节，适于不同材料的铸型；

2)充型平稳，对铸型冲击小，可有效控制卷气和夹渣，防止合金氧化，有效克服铝合金针孔缺陷；

3)便于实现顺序凝固，以防止缩孔和缩松；

4)铸件的表面质量受铸型材料影响较大；

5)一般情况下不需要冒口，使金属液的收得率大大提高，一般可达90%；

6)劳动条件好，设备简单，设备费用比压铸低，易实现机械化和自动化。

反重力铸造技术是指液态金属充填铸型的驱动力与重力方向相反,金属液沿重力的相反方向流动。反重力铸造中金属液实际上是在重力和外加驱动力共同的作用下充型。外加驱动力在金属液充填过程中是主导力,它使金属液克服其自身重力、型腔内阻力以及其它外力的作用完成充填铸型。由于外加驱动力的存在,使得反重力铸造成为一种可控工艺,在金属液充填的过程中,通过控制外加力的大小可以实现不同充型速度的充填,满足不同工艺的要求;同时,使铸件在一较大力的作用下凝固,提高金属液的补缩能力,降低缩孔、气孔和针孔等铸造缺陷。

反重力铸造工艺流程

反重力铸造工艺包括浇注位置的选择、浇注系统的设计、冒口和冷铁的合理使用以及最佳工艺参数的确定等内容。

1、铸件的浇注位置及浇注系统

反重力铸造中，铸件凝固时主要通过浇口补缩。因此，确立浇注位置时，应使铸件的凝固顺序朝着浇口方向进行。通常，将铸件的薄壁位置置于远离浇口位置，让金属液从厚壁处引入。为使铸件厚壁位置的热分布合理，可采用分散浇口，直接利用内浇口进行补缩。

2、冒口和冷铁

冷铁常与冒口或浇注系统配合使用，以加强冒口或浇口的补缩，但也可单独使用，用来加快铸件局部热节处的冷却速度，保证铸件整体的顺序凝固。

3、反重力铸造工艺参数的确定

1) 升液管直径的确定 确定时，首先要考虑铸件重量预计充型时间和充型速度，然后确定对升液管的流量要求，再根据充型速度和流量要求计算升液管的直径;其次，从保证铸件的顺序凝固所要求的热平衡角度来考虑。升液管要便于压力传递，有利于补缩，金属液充型时，不产生紊流，清理和喷刷涂料方便。升液管的材料根据合金的种类及对铸件质量的要求确定，对于普通铝合金铸件，采用钢管或铸铁管即可;合金对含铁量要求比较高时，可采用钛合金或或陶瓷升液管。

2) 充型压力的确定 充型压力指金属液充满型腔所需要的压力，其大小与铸件的形状高度、坩埚形状、金属熔化量等有关。如果坩埚的形状、大小不变，熔化量已知，铸件浇注量核定准确，则可比较精确地计算出充型压力。然而，在砂型反重力铸造中，连续浇注几个不同的铸件时，充型压力的精确计算比较困难。为此，每次浇注之前，可测量坩埚内液面距离升液管口的实际高度近似计算充型压力。

3) 结晶压力的选择 结晶压力是为铸件结晶创建一个高压条件。金属在压力下结晶，使晶粒细化，组织致密。结晶压力越大，机械性能越高。但过高的结晶压力会给反重力设备带来困难，且铸件强度增加很少。压力过小，会降低反重力铸造的挤滤及塑性变形作用，不利于补缩和抑制金属液中气体的析出，铸件易产生疏和微观缩孔。选择结晶压力时，要考虑铸件结构、合金的结晶特性。铸件结构复杂时，选择较大的压力;合金结晶范围较宽时，选择较高的压力。

4) 升液、充型速度的确定 在升液管出口面积固定的情况下，充型速度取决于坩埚液面上的加压速度。加压速度分升液和充型两个阶段，金属液由坩埚液面上升到横浇道为升液，要求液流平稳、缓慢，以利于型腔中气体的排出，防止升液管出口处出现喷溅和翻滚，避免产生二次氧化夹渣。充型阶段的流速需根据铸件的壁厚大小、复杂程度和合金种类等因素确定。一般情况下，充型速度应当比升液速度略快，这样有利于补缩，减少二次夹渣的产生。

5) 保压时间 铸型内金属液在压力作用下保持到铸件完全凝固结束的时间为保压时间。保压时间大体上接近铸件凝固所需要的时间。若保压时间过短，金属没有完全凝固，未凝固的金属液通过升液管返回坩埚，铸件得不到充分补缩，甚至不能成形，造成铸件报废;保压时间过长，使浇口残留过长，清理困难，有时甚至会使升液管出口冻结，影响生产。保压时间的长短与铸件的壁厚、合金种类、铸型性质以及结晶凝固压力有关。铸件壁越厚、合金的结晶温度范围越宽，保压时间越长。砂型反重力铸造的保压时间比金属型的长。结晶凝固压力越大，保压时间越短。

6) 浇注温度 一般情况下，在保证金属液的充填和补缩能力的前提下，应尽可能使浇注温度低一些。反重力铸造其成型能力远高于重力铸造，所以，其浇注温度应比重力铸造低5-10°C。

反重力铸造特点

1）充型速度可控：反重力铸造一般用于生产有色合金铸件，铸件的成形能力和内部质量尤其是尺寸和壁厚对充型速度有比较严格的要求，充型速度可以通过计算机实现准确的控制。

2）成形性好、表面光洁：反重力铸造时，金属液是在压力下充填成形，在工艺参数选择合理的情况下，所获得的铸件轮廓清晰，对于薄壁件的生产，更是如此；反重力铸造时有压气体充塞于砂型空隙，且在金属液与砂型之间形成一层气相保护层，将两者隔开，可以减少金属液对铸型的热力及化学作用，可降低铸件的表面粗糙度。

3）铸件晶粒细、组织致密、机械性能高：金属液在压力下结晶凝固，初凝枝晶在压力的作用下会发生变形、破碎，而且冷却速度快，因而晶粒细小；同时，压力能提高补缩能力和抑制金属液中气体的析出，使疏松和微观气孔大为减少。所以，铸件的机械性能得到明显的改善。

4）可实现可控气氛下浇注：反重力铸造时，可对上室、下室或者上下室的气氛进行控制。利用反重力铸造浇注铝合合铸件时，使用除油干燥的压缩空气即可，但对于镁合金，必须注意金属液和铸型的环境气氛，因为镁合金在空气中会发生燃烧。可控气氛的使用应根据铸件质量的要求及铸件的轮廓尺寸等因素决定。

5）提高了金属的利用率：反重力铸造时，铸件凝固收缩可以不断地得到来自内浇口金属液的补缩；加之压力的挤滤和塑性变形的作用，强化了冒口的补缩效果，冒口尺寸可相应减小甚至不需要。

6）铸件可进行热处理：与压力铸造相比，利用反重力铸造方法生产铸件时，充型速度较慢，液面平稳，型内气体可以顺利排出，所以，铸件内部的气孔很少、甚至没有，故可像重力铸造成形的铸件一样进行热处理。2100433B

反重力铸造(Counter—Gravity Casting，CGC)是20世纪50年代发展起来的一种铸件成形工艺．是帕斯卡原理在铸造生产中的应用。就其工艺而言，它是介于压力铸造和重力铸造之间的一种液态成形方法。合金液充填铸型的驱动力与重力方向相反，合金液沿与重力相反方向流动。与重力铸造相比，反重力铸造液态成形过程中熔体的流态可控，可以通过外力的作用来增强凝固补缩能力，因此，这种工艺方法可以做到液态充型平稳，铸件组织致密，铸造缺陷能够得到有效控制，是生产优质铸件的优选方法。

由于外加驱动力的存在，使得CGC成为一种可控工艺，在金属液充填过程中，通过控制外加力的大小可以实现不同充型速度的充填，满足不同工艺的要求。同时，充填结束后可以继续增加外力，使铸件在一较大力的作用下凝固，提高金属液的补缩能力，降低缩孔、气孔和针孔等铸造缺陷。近几十年来，相继出现了多种CGC方法，根据金属液充填铸型驱动力的施加形式不同，CGC技术可以分为低压铸造、差压铸造、调压铸造等。