1.1.1 真空吸鑄分類與應(yīng)用范圍
真空吸鑄是一種在型腔內(nèi)造成真空，把金屬由下而上地吸入型腔，進(jìn)行凝固成形的鑄造方法。
根據(jù)鑄件形狀特點(diǎn)，有兩種真空吸鑄法：
(1)柱狀鑄件真空吸鑄專用于生產(chǎn)圓柱、方柱狀中空和實(shí)心件的真空吸鑄法。生產(chǎn)的鑄件可用來加工成螺母、螺桿、軸套、軸瓦等，大多為銅合金鑄件，也可生產(chǎn)鋁合金件、鑄鐵件、鑄鋼件。鑄件最大外徑可達(dá)120mm。其工作原理見圖1。結(jié)晶器(即水冷金屬型)1的內(nèi)壁周圍用水冷卻，結(jié)晶器下口埋入金屬液2中，其上口接真空系統(tǒng)，金屬液在大氣作用下升入結(jié)晶器內(nèi)腔達(dá)一定高度，結(jié)晶器內(nèi)金屬液由外向中心凝固，待凝固達(dá)到所要求的厚度時(shí)，將結(jié)晶器上口接通大氣，結(jié)晶器中心未凝固的金屬液下落回流至坩鍋中，得中空柱狀鑄件。
(2)成形鑄件真空吸鑄用于生產(chǎn)各種形狀鑄件的真空吸鑄法，其工作原理見圖216。將鑄型置于真空室1中，型腔頂部有通氣孔，型中澆注系統(tǒng)連接下面的升液管8，升液管下端浸入金屬液9中。打開電磁閥3，真空室與真空罐5接通，在型腔內(nèi)建立一定的真空度，坩鍋中的金屬液在大氣作用下上升進(jìn)入型內(nèi)，凝固成形。節(jié)流閥4用來控制型腔內(nèi)負(fù)壓的建立速度，以調(diào)節(jié)金屬液充填型腔的速度。由時(shí)間繼電器控制真空室內(nèi)負(fù)壓的保持時(shí)間，當(dāng)型內(nèi)內(nèi)澆道凝固后，即可將真空室接通大氣，升液管內(nèi)金屬液回流至坩鍋中。也可在金屬液充型時(shí)采用真空吸鑄法，充完型后，增大金屬液面上的壓力，實(shí)現(xiàn)低壓作用下的鑄件凝固，進(jìn)一步改善鑄件凝固時(shí)的補(bǔ)縮條件。用此法可高效地生產(chǎn)鋁合金、鎂合金薄壁鑄件。
1.1.2 真空吸鑄的優(yōu)缺點(diǎn)
1)鑄型自金屬液中吸取金屬，故浮在金屬液表面的渣子，不易進(jìn)入型內(nèi)。
2)金屬液自下而上地平穩(wěn)進(jìn)入空氣稀薄真空條件下的型腔，不能產(chǎn)生卷氣現(xiàn)象，氧化可能性也較小，又在真空條件下實(shí)現(xiàn)金屬液的凝固。凝固過程中析出的氣體也易上浮外逸，故鑄件中不易形成氣孔。
3)型內(nèi)金屬與型壁接觸較緊密，金屬凝固較快。柱狀鑄件真空吸鑄時(shí)，更采用水冷薄壁金屬型，鑄件的凝固速度更大，故鑄件晶粒細(xì)小，不易產(chǎn)生重度偏析。
4)可創(chuàng)較好的自下而上，自型壁向壁厚中心的定向凝固條件，鑄件不易形成縮松。
上述四點(diǎn)都可使鑄件獲得致密的組織，使鑄件力學(xué)性能提高。如柱狀銅合金鑄件，與砂型鑄造時(shí)比較，其強(qiáng)度極限可提高6%～25%，伸長率提高5%～20%;而鋁合金鑄件，與金屬型鑄造時(shí)比較，其強(qiáng)度級(jí)限可增大5%～10%，伸長率增大30%。
5)充型時(shí)，金屬液在型腔內(nèi)遇到的氣體阻力很小，可提高金屬液的充填性，生產(chǎn)形狀復(fù)雜的薄壁鑄件，如鋁合金、鎂合金件的最小壁厚可為1.5mm。
6)澆注系統(tǒng)或結(jié)晶器中粘附的金屬液損失較少，故可提高工藝出品率。
7)生產(chǎn)過程易于機(jī)械化、自動(dòng)化，生產(chǎn)效率高。
8)柱狀鑄件中空內(nèi)壁不平度較大，內(nèi)孔尺寸不易正確控制，故需留較大加工余量。
1.2 真空吸鑄工藝
1.2.1 鑄型型腔真空度1)柱狀鑄件真空吸鑄時(shí)的型腔真空度 按所需提升金屬液的高度(即鑄件長度)L(mm)計(jì)算
2)成形鑄件真空吸鑄時(shí)型腔內(nèi)直空度 根據(jù)金屬液保溫爐(或坩鍋中)允許的最低金屬液面高度與鑄型頂部高度間的差值h(mm)計(jì)算
型腔內(nèi)真空度的建立速度由真空管路中的節(jié)流閥開啟程度和鑄型頂部的通氣道形狀、尺寸決定。實(shí)際生產(chǎn)中主要根據(jù)試澆鑄件品質(zhì)(質(zhì)量)，用節(jié)流閥調(diào)節(jié)真空度建立速度。通氣道的形狀和尺寸應(yīng)在合理的真空度建立速度情況下，保證型內(nèi)氣體能順利逸出，但金屬液如進(jìn)入通氣道后應(yīng)很快凝固不能溢出型外。如采用金屬型時(shí)的通氣隙厚度應(yīng)小于0.15mm。
1.2.2 柱狀鑄件真空吸鑄時(shí)結(jié)晶器口浸入金屬液的深度
結(jié)晶器下口浸入金屬液的深度應(yīng)保證在吸鑄完后，結(jié)晶器下口邊緣還能處于金屬液表面的深度不小于10mm，防止真空吸鑄時(shí)金屬液表面的大氣隨金屬一起吸入型腔，同時(shí)還可減少在結(jié)晶器下口旁粘附的金屬數(shù)量。當(dāng)真空吸鑄圓柱形鑄件時(shí)，結(jié)晶器下口浸入金屬液深度H(mm)的計(jì)算式為
r、R——型腔、坩堝熔池的內(nèi)半徑(mm)，設(shè)金屬保溫坩堝的內(nèi)腔為圓筒形。
1.2.3 真空保持時(shí)間
柱狀鑄件真空吸鑄時(shí)，應(yīng)在鑄件的凝固層厚度達(dá)到所要求的數(shù)值前，保持型腔內(nèi)的真空度值;成形鑄件真空吸鑄時(shí)，當(dāng)鑄型底部內(nèi)澆口斷面全部凝固后，即可撤去真空。真空保持時(shí)間可采用由傳熱學(xué)中的平方根原理推導(dǎo)而得的公式進(jìn)行近似計(jì)算
式中 R——鑄件凝固層厚度或鑄型內(nèi)澆道斷面換算厚度(mm);
K——凝固系數(shù)(mm/s1/2)，其值與鑄型材料、結(jié)構(gòu)、吸鑄合金及其溫度、鑄型工作狀態(tài)等有關(guān)，一般柱狀銅合金件真空吸鑄時(shí)，K=2～3mm/s1/2，在鋁合金成形鑄件金屬型吸鑄時(shí)，K=3～5mm/s1/2。
最后由生產(chǎn)實(shí)踐對(duì)τ值修正。
1.2.4 吸鑄溫度
柱狀鑄件真空吸鑄時(shí)，金屬液的溫度可比一般重力鑄造時(shí)稍低。因型腔斷面大，金屬液充型時(shí)流動(dòng)距離短。但溫度不能太低，避免結(jié)晶器頭部粘附金屬太厚。表306為一些銅合金柱狀鑄件的吸鑄溫度。
表306 一些銅合金柱狀鑄件的吸鑄溫度
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合金牌號(hào) |
吸鑄溫度（℃） |
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ZCuZn13Si4Pb3 |
950～1000 |
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ZCuSn10Zn2 |
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ZcuSn6Zn6Pb3 | |
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ZcuZn48 | |
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ZcuSn5Pb5Zn5 |
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ZcuZn40Pb2 | |
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ZcuAl9Fe4 |
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ZcuAl10Fe3Mn2 | |
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ZcuSn10Pb1 |
1100～1150 |
成形鑄件的吸鑄溫度隨鑄型材質(zhì)而異，其具體取值與重力鑄造相同。
1.2.5 鑄型涂料
柱狀鑄件真空吸鑄時(shí)，結(jié)晶器型腔工作表面上的涂料主要起潤滑工作，使鑄件易自結(jié)晶器中取出。一般采用在400～450℃烘烤約1h后的石墨或滑石粉，用涂刷法使涂料附著于結(jié)晶器型腔工作表面上。結(jié)晶器頭部處的涂料應(yīng)有好的絕熱作用，以減薄該處在工作時(shí)可能粘附的金屬，可用ZnO93%+水玻璃7%和適量水配制的涂料涂于結(jié)晶器的頭部外表面上，涂料層的厚度約為0.5mm，并經(jīng)烘烤干透牢固后使用。結(jié)晶器內(nèi)工作表面上出現(xiàn)的淺凹坑可用石墨加機(jī)油共混的膏狀物涂抹平，經(jīng)烘干后使用。
成形鑄件真空吸鑄時(shí)，鑄型型腔工作表面上的涂料隨鑄型材料及吸鑄的金屬而異，一般與重力鑄造時(shí)同。
1.2.6 柱狀鑄件真空吸鑄時(shí)結(jié)晶器的冷卻
進(jìn)入結(jié)晶器內(nèi)的冷卻水溫度應(yīng)高于室溫，防止吸鑄前在結(jié)晶器型壁上凝有水滴，一般為35～60℃。進(jìn)入結(jié)晶器的冷卻水應(yīng)具有0.2～0.25MPa的壓頭。吸鑄空心鑄件時(shí)，冷卻水由結(jié)晶器下部進(jìn)入，使在高度結(jié)晶的高度方向上鑄件凝固的厚度均衡化;而吸鑄實(shí)心鑄件時(shí)，冷卻水宜在結(jié)晶器上部引入，創(chuàng)造鑄件上部凝固較快，下部較慢的條件，使坩鍋中的金屬液能順利地由下向上補(bǔ)縮。
1.3 真空吸鑄機(jī)
1.3.1 柱狀鑄件真空吸鑄機(jī)
圖3為常用柱狀鑄件真空吸鑄機(jī)。機(jī)架1可繞機(jī)器主軸帶動(dòng)全部機(jī)器附件旋轉(zhuǎn)，通過升降杠桿3的下壓或上抬可帶動(dòng)鋼繩10沿滑輪11來回移動(dòng)，達(dá)到上抬或下降結(jié)晶器4的目的。在此機(jī)上采用負(fù)壓噴嘴13在結(jié)晶器內(nèi)腔建立真空。壓力為0.6MPa的壓縮空氣通過閥門2進(jìn)入負(fù)壓噴嘴(見圖4)的肘管7，經(jīng)噴嘴3噴出，同時(shí)吸出抽氣管2內(nèi)的空氣，抽氣管通過管接頭1與結(jié)晶器型腔接通，從而使結(jié)晶器型腔建立起真空。真空度的大小可通過機(jī)器上的真空調(diào)節(jié)閥(圖3中的17)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)，見圖5。
結(jié)晶器的真空也可用真空泵建立，其抽氣率可為0.6m3/h，配置的真空罐尺寸可為φ800mm×1000mm。
自動(dòng)化的柱狀鑄件真空吸鑄機(jī)，見圖220。整個(gè)機(jī)器裝在小車上，在水平支架的導(dǎo)軌上裝有可水平直線運(yùn)動(dòng)，并由氣缸7驅(qū)動(dòng)的結(jié)晶器架。結(jié)晶器架上有帶動(dòng)結(jié)晶器1升降的氣缸8。真空系統(tǒng)直接放在小車平板上，真空泵6由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。吸鑄后凝固的鑄件在隨結(jié)晶器移至接受槽上時(shí)直接掉落在接受槽上。
目前市場上供應(yīng)液壓電氣控制半自動(dòng)式的柱狀鑄件真空吸鑄機(jī)，結(jié)晶器支架結(jié)構(gòu)似圖217所示，但結(jié)晶器的升降和支架的轉(zhuǎn)動(dòng)則由液壓缸完成。一臺(tái)機(jī)器2～3人操作，班產(chǎn)1～2t，φ25～100、長度為400mm的棒、套類銅合金鑄件。
1.3.2 柱狀鑄件結(jié)晶器
圖7為柱狀鑄件真空吸鑄用結(jié)晶器的結(jié)構(gòu)。壁厚為4～6mm的工作套2直接與金屬液接觸，為取出鑄件方便，其內(nèi)壁做成0.2°～1.0°的錐度。工作套與外套1間的通冷卻水縫隙為3～6mm。結(jié)晶器下端頭部直接與坩鍋熔池中金屬液接觸，其圓弧半徑為9～10mm，端頭部的圓錐面交角為60°。
1.3.3 成形鑄件真空吸鑄機(jī)
圖8為一種金屬型鑄件真空吸鑄機(jī)，金屬液1處于保溫爐內(nèi)，爐膛與大氣相通，保溫爐用蓋2密封，蓋上置金屬型4，金屬型用罩7罩住，罩與真空罐接通，并用油缸6壓住。
圖9為真空吸鑄鋁合金件壓縮機(jī)輪的真空吸鑄機(jī)示意圖。該機(jī)的生產(chǎn)效率為每小時(shí)30個(gè)鑄件，真空度調(diào)節(jié)范圍為0.04～0.08MPa，真空室直徑為300mm，保溫爐功率18kW。
1—保溫爐;2—升液管;3—工作臺(tái);4—?dú)飧?5—柱子;6—壓緊鑄型用氣缸;7—?dú)忾y;8—壓緊真空室用氣缸;9—真空罐;10—電接觸真空計(jì);11—真空泵;12—真空室;13—行程開關(guān);14—操縱塊
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