铸造技术：金属型重力铸造浇注系统　合理与否差别惊人

金属型铸造工艺，在机械制造领域的应用不断扩大，其中以铝合金铸件应用最为广泛。因此本文重点探讨和简述铝硅系合金铸件的金属型结构及浇注系统的相关问题。

　　铝合金重力铸造有其固有的特点。金属型冷却速度快，对铸件有较强的激冷效果，铸件晶粒细化，组织致密，有较高的综合力学性能，尺寸精确，表面光洁，质量得到提高，影响铸件质量的不确定因素有所降低，特别适合大批量的生产。结构良好的金属型，可做到最大限度地减少加工余量和冒口尺寸，而工艺出品率和毛坯利用率，较普通的砂型重力铸造有所提高，使铸件的成本相对下降，可改善普通砂型铸造对环境的污染状况和工人的劳动条件。综上所述，尽管目前铝合金的铸造有很多的铸造工艺，但金属型重力铸造工艺，因其灵活性、通用性及较低的成本仍具有特定的优势，占有一定的位置。

　　1．金属型的浇注系统

　　在金属型型腔结构良好的基础上，浇注系统设计的正确与否，对铸件的质量及工艺出品率将产生重要的影响。

　　浇注系统的设计原则如下：

　　（1）铸型内热分布合理，便于定向凝固，使铸件得到充分补缩。

　　（2）浇注系统应尽量缩短，简单而又不失其功能完整性。

　　（3）金属液经浇注系统应平稳地注入型腔，不应有冲击、涡流、飞溅，有效阻止金属液的二次氧化。

　　（4）在浇注过程中应利于型腔排气和撇渣。

　　（5）在确保质量的前提下，最大限度地提高工艺出品率并为铸件的清理工序创造有利条件。

　　（6）应是开放式浇注系统。

　　任何形式的铸造工艺，只要是重力铸造，它定向凝固的表现是自下而上的结晶凝固，充分利用上面设置的冒口对铸件进行补缩。因各种铸件的形状结构不同，导致金属液在型腔内的结晶凝固是一个复杂的过程，壁厚差较大的铸件，在这个过程中，既有定向凝固又有同时凝固的表现，尽管如此，浇注系统的设计，仍要严格遵守重力铸造定向凝固的原则，使型腔的热分布符合铸件自下而上的冷凝顺序。

　　铝合金热导率大，容积热容量小，金属液在流动过程中，温度会迅速下降，铝液性质活泼，极易吸气和氧化，如果浇注时，表面形成的氧化膜始终完整，对下面的铝液有很好的保护作用，防止二次氧化，如果浇注时不平稳或不够平稳，氧化膜破裂，将表面的氧化渣卷入下面的铝液中，就很难再上浮至表面，各种气体也不易析出，因铝和氧化铝的密度相近，造成铸件内部夹渣，补缩率大，易出现缩孔、缩松、针孔及夹渣等铸造缺陷，因此，铝合金铸件的平稳浇注就显得格外重要。

　　在实际生产中，要把传统的金属型重力铸造浇注系统的优点，有机地结合在一起是困难的，偏重于充型平稳性（底注），就得不到合理的型腔热分布；偏重于型腔热分布合理（顶注），就失去了浇注平稳性，顾此失彼。因此，传统的金属型重力铸造工艺，长期以来造成了工艺出品率和毛坯使用率低的不利局面。

　　2．铝合金重力铸造浇注系统传统的几种形式

　　大致有：顶注式、中注式、底注式和缝隙式。

　　（1）顶注式浇注系统 系统短简，金属液热损失小，系统占用的金属量少，并有合理的型腔热分布，有利于铸件的定向凝固和补缩。但是充型不平稳，易飞溅，随着铸件高度的增加而冲击现象严重，不利排气，铸件易造成夹渣、气孔，因此在铝合金的重力铸造中，基本不采用顶注式浇注系统。

　　（2）中注式浇注系统 充型的冲击现象较顶注式有所改善，但系统对型腔的热分布不如顶注式合理，一般应用在高度100mm以下的小型铸件的生产中。

　　（3）底注式浇注系统 金属液在重力的作用下，经系统进入型腔，自下而上地平稳充型，利于排气和撇渣，但型腔的热分布极不合理，无法实现重力铸造所需要的定向冷凝顺序。铸件不能得到充分补缩。在加大冒口的情况下，这种方法目前在中小型铝合金铸件中应用较为普遍。底注式浇注系统除上述缺点外，还有为减小冲击，其直浇道往往设计成蛇形和倾斜弯曲形，在多数情况下，增加了集渣包取代横浇道，致使金属液流经的路线太长，热损失大，结构复杂，制造成本高，型腔的热分布只能使铸件自上而下凝固，与重力铸造的冷凝顺序恰恰相反。铸件易造成冷隔，补缩受阻，中底部易产生缩洞，上部易产生针孔，一旦出现问题，调整模具十分困难，常用的方法是，提高浇注温度，增加补贴，加大冒口，除质量难以保证外，还造成金属的大量消耗。工艺出品率一般小于50%，毛坯使用率平均也只在65%︿70%。

　　（4）缝隙式浇注系统 从理论上讲，这种系统的充型始终处于顶注状态，但它充型平稳，排气良好，可有效防止铝液的二次氧化，缝隙式内浇道还有一定的撇渣功能，型腔的热分布较底注式浇注系统合理，有利于铸件的补缩。但实际上，其补缩性能并不十分突出，冒口的尺寸比底注式浇注系统并没有减小多少。

　　在传统的缝隙式浇注系统中，往往在直浇道和型腔之间，增加集渣包（柱），代替横浇道，缝隙浇道作为内浇道与型腔相通，与底注式浇注系统一样，高度不大的铸件，直浇道可以是垂直的或是斜的，较高大的铸件则设计成蛇形和倾斜弯曲形。集渣包（柱）的高度，自型腔底部直至冒口上平面，其直径一般在φ50︿φ70mm，金属液经直浇道，从集渣包（柱）的底部进入，由缝隙浇口注入型腔，浇注时，集渣包（柱）的液面与型腔的液面几乎同时升高，直浇道对集渣包（柱）的充液具有明显的底注式特征，而金属液经集渣包（柱）的缝隙浇道注入型腔，则具有顶注式的特征，集渣包（柱）占用了大量的金属。在整个浇注过程中，浇注系统复杂，加长了金属液的流经路线，散热面积大，随着液面的升高，集渣包（柱）上面金属液的温度也逐渐下降，这就是说经内浇道注入型腔的温度也相应下降，因此型腔的热分布仍处于不合理的状态。虽然这种浇注系统在补缩能力方面较底注式浇注系统和中注式浇注系统有所改善，铸件上部及冒口部分因温度下降，同样也影响其补缩能力。集渣包（柱）作为铸件的侧冒口使用，其补缩能力也是有限的，金属液在重力作用下，呈垂直向下补缩倾向，铝液的密度低，大大影响了冒口的补缩深度，铸件发生补缩不足情况，也只能采用加大冒口来解决缩松的问题。

浇注时由于集渣包（柱）需要大量的金属液，从而延长了充型时间，加剧了上部金属液温度的下降。传统的缝隙式浇注系统，工艺出品率是最低的，约40%左右，空心薄壁的中小铸件则更低，同时还增加了清理难度。

　　3．阶梯形缝隙浇注系统的设计

　　与我所协作的某单位是一个铝合金铸造大厂，主要生产高压电器部件，多年来，关于铝合金金属型重力铸造部分，长期沿用传统的浇注系统，工艺出品率平均在50%左右，毛坯使用率也长期在70%左右徘徊，且效率低，清理占用了大量的人工，造成了资源大量浪费，提高了生产成本，长期亏损，更严重的是，因废品率高，经常打乱正常的生产调度计划，给企业造成了极大的困扰。

　　我们对几种传统的浇注系统做了全面的深度分析，对各种浇注系统做了反复比较，总结出平稳充型，充分补缩，以及合理的冷凝顺序，是浇注系统设计需要解决的关键问题。

　　经不断实践，我们最终设计出一种阶梯形缝隙浇注系统（见图1）。通过长期生产的综合考察，该系统性能十分稳定。

　　阶梯形缝隙浇注系统的特点：①浇注系统简短，减少了金属液温度损失。②顶注和底注分层交替充型，充型平稳，补缩充分。③型腔的热分布极为合理。④无集渣包（柱），型腔直接撇渣。

　　由于若干横浇道直接与直浇道相连，其间隔在50～60mm，浇注时金属液经直浇道、横浇道、内浇道直接平稳地注入型腔，当金属液经过第一个横浇道对型腔充型时，浇注形式为顶注，当型腔液面上升到第一个横浇道的上方时，第一个横浇道以底注的形式使液面继续上升，液面升至第二个横浇道的下方时，第二个横浇道以顶注的形式将金属液注入型腔，液面升至第二个横浇道的上方时，第二个横浇道再以底注的形式，使型腔液面继续升高，同时仍对下面有较强的补缩倾向，因重力和金属液温度下降的因素，第一个横浇道逐渐失去了充型作用，横浇道二以顶注底注交替充型，不间断地对下面补充，完成下面金属液液态收缩的补充作用。以此类推，直至充型完毕。冒口与直浇道相通，加大其补缩深度。这种分层的以底注、顶注两种形式交替充型，并不断对下部补充的系统结构，使系统充型平稳，补缩充分，各种气体有充裕的时间排出，随着液面的不断升高，浇注系统也相应缩短，从浇口进入直浇道的金属液，温度下降的也越来越小，这就造成了型腔温度有极为合理的分布，使铸件无阻碍的完成自下而上的结晶凝固顺序。

　　阶梯型缝隙浇注系统是开放式的，各横浇道/内浇道/直浇道的几何形状、尺寸，与传统使用的数据大体相同，直浇道与内浇道截面积之比为1：1.5～2，直浇道应为圆形，直径视铸件的大小而定，但不应超过25mm，过大易产生涡流，卷入气体，液柱形成中空，易造成氧化渣。浇注过程中，型腔下部的金属液有充分的补缩条件，我们可以根据铸件的结构，将其大端或厚实部位置于型腔的下方，小端或薄壁部分置于上部，这样可减小冒口尺寸，节约金属。

　　我们多次分析了传统缝隙浇注系统中集渣包（柱）的作用，经过精炼后的优良铝合金溶液，注入直浇道，再经过设置在直浇道与横浇道之间的过滤网，注入集渣包（柱），经缝隙内浇道对型腔平稳充型，这时集渣包（柱）的集渣作用甚微。经多次化验检测，发现冒口上面的氧化渣，要比集渣包（柱）上部的氧化渣多出数倍，这是因为充型时，型腔中的液面是与上面冒口相通的，与空气直接接触，我们称此面为自由表面，它极易吸气氧化，形成一种氧化物膜，随着液面升高，直至浇注完毕，停留于冒口上面。因此我们在设计浇注系统时，省去了集渣包（柱），使横浇道直接与直浇道相连，而从型腔结构上提高了型腔的撇渣功能，强化了冒口排气、撇渣、补缩的作用。

　　充型时，因受腔壁的摩擦和激冷作用，液面连同上面的氧化膜，是呈凸型上升的，沿腔壁及型芯表面处的液面上升滞后，型腔上方的台阶平面，有明显的挡渣裹气现象，造成少量氧化渣和气体挤在该平面上，造成该平面存在夹渣、气孔缺陷（见图2），故型腔上方的台阶平面应做成≥15°的斜面，以提高型腔的撇渣排气能力，最终使氧化层完全浮在冒口上面，如图3所示。

　　4．阶梯形缝隙浇注系统的应用

　　改进后的阶梯形缝隙浇注系统，适合各种形状有一定高度的铝合金铸件，（盘形除外），铸件重量从0.5kg到近百公斤，高度大的实心及空心薄壁铸件尤为合适。对200mm以下的铸件，采用常用的垂直浇注方式，对高度大的铸件，过去一直采用卧式横浇方法，使浇注高度降低，但这有很多缺点，如浇注路线长，铸件上部的质量差，并在上部设置了多个冒口，除浪费大量金属外，还增加了清理工作的难度。

　　我们利用阶梯形缝隙浇注系统，对高度大的铸件，采用了反向倾斜浇注方法，来降低浇注高度，一般浇注前，倾斜浇注机使铸型倾斜45°左右，金属液经浇注系统注入型腔，各内浇道置于型腔的下方，形成倾斜分层底注的环境，一般目测充型一半时，倾斜浇注机将铸型缓慢放平，恢复垂直浇注状态，这个过程中，随着铸型缓慢抬起，要不停地浇注，不得断流，液面到冒口一半时，再降低浇注速度，以增加下面的补缩时间。对于大尺寸的铸件，为加快浇注速度，在分型面上可设计左右对称的两条浇注系统，倾斜浇注时，两条系统同时浇注，内浇道分别置于型腔的两侧面，形成倾斜分层中注的环境，金属液从左右对应的内浇道同时均匀地注入型腔，具体操作与上述一致。当然，因铸件的结构形状差异，铸型抬起的时间及速度也有不同，但必须考虑到充型的平稳性。

　　结语

　　该协作单位每年生产近6000t各种大中小型的铝合金铸件，其中用金属型重力铸造工艺生产的约2000t，浇注系统改进后，工艺出品率由原来的50%上升到了73%，毛坯的使用率也由原来的68%上升到97%，这个概念推演出的数据是相当惊人的，且质量稳定，铸件致密度高，尺寸精确，无针孔产生，便于调整，降低了清理工作的难度，彻底扭转了长期亏损的局面。总结过去对宝贵资源、能源及人力的浪费，感到触目惊心。

　　铸造是机械制造行业的耗能污染大户，广大工程技术人员在工作实践中，要善于深入研究，善于总结和积累，有理有据地改进传统的设计理念，充分认识努力提高工艺出品率和毛坯的使用率，是铸造领域节能减排的有效方法，具有重大意义。