低压铸造法

低压铸造法
1. 低压铸造法的历史
低压铸造法的雏形可以追溯到本世纪初。

适用于铝合金是1917年在法国，1924年在德国提出的申请，但并没有形成大规模的工业生产。

为商业的目的而开始生产是在二战以后的1945年，由英国的路易斯先生创立了阿鲁马斯库公司，开始生产雨水管道、啤酒容器等。

在那以后的五十年代里，奥地利和德国开始生产气缸头。

1958年美国的泽讷拉路默它斯在小型汽车的发动机零件上（气缸头、箱体、齿轮箱）大量运用了铝合金铸件，并采用了低压铸造法。

这件事对至今仍广泛采用的低压铸造法而言是不可或缺的推动，特别是在全世界的汽车工业界引起了极大的反响。

低压铸造法被介绍进我国是1957年左右，但真正引起业界的注意，开始进行各种研究、引进设备是从1960年左右开始的。

但是这种打破了以往常识的划时代的工艺方法，几乎没有冒口，与已经作为一种“技术”确立起来的重力金型铸造的技术相比具有完全不同的难度，因此业界的反应比较冷淡。

在这种状况下，1961年的轻型汽车用空冷气缸头的生产成为低压铸造法在我国实用化的开端。

以后的发展非常迅速，在克服了多个技术难题后，利用低压铸造法所具有的材料利用率高、容易实现注汤自动化等优点，以汽车部件为中心，逐步确立了轻合金铸件的主要铸造法的牢固地位。

目前在铝合金铸件的生产量中，低压铸造品已占了大约50%，并以其巨大的生产量和优良的品质而著称于世。

产品扩大到汽车相关部件，如气缸头、气缸体、刹车鼓、离合器罩、轮毂、进气岐管等。

特别是1970年以后大量应用在轮毂上，并且随着近年来的汽车轻量化和提高性能等要求，在以往从未有过的复杂内部品质和机械性质的严格要求下，气缸头、气缸体上的使用也逐渐增加。

下面解释低压铸造法的基本原理以及说明各构成要素、铸造条件的设定、铸造缺陷的对策等。

2.基本原理
如图5.1所示，在密闭的保持炉的熔汤表面上施加0.01~0.05Mpa的空气压力或惰性气体压力，熔汤通过浸放在熔汤里的给汤管上升，被顶入充填进连接着的炉子上方的模具内。

因此熔汤是从型腔的下部慢慢开始充填，保持一段时间的
压力后凝固。

凝固是从产品上部开始Array向浇口方向转移，浇口部分凝固的时刻就
是加压结束的时间。

然后冷却至可以取出
产品的强度后从模具中脱离。

于是就凭借
浇口的方向性凝固和从浇口开始的冒口压
力效果得到了完美的铸件。

2.1 优点和缺点（相对重力金型铸造而言）
优点：
1）铸造利用率非常高。

（85~95%）
由于没有冒口和浇道，浇口较小，因此可以大幅度降低材料费和加工工
时。

2）获得完美的铸件。

容易形成方向性凝固，内部缺陷少。

3）气体、杂物的卷入少。

可以改变加压速度，熔汤靠层流进行充填。

4）可以使用砂制型芯。

5）容易实现自动化，可以多台作业、多工序作业。

6）不受操作者熟练程度的影响。

7）材料的使用范围广。

表5.1 各铸造方法材料利用率
缺点：
1）浇口方案的自由度小，因而限制了产品。

（浇口位置、数量的限制，产品内部壁厚变化等）
2）铸造周期长，生产性差。

为了维持方向性凝固和熔汤流动性，模温较高，凝固速度慢。

3）靠近浇口的组织较粗，下型面的机械性能不高。

4）需要全面的严密的管理（温度、压力等）
3.低压铸造机各构成要素
低压铸造机由以下四种要素构成：
1）模具
2）保持炉（内藏给汤管）
3）模具开关机构液压接头及控制装置
4）炉内压力控制装置
3.1 模具
（1）铸造方案
低压铸造品的设计基本要求是将壁厚整体平均化，或是将壁厚的分布考虑容易实现方向性凝固的地方。

也就是说对于浇口而言，断面从小到大逐渐变化是产品设计的必要条件，因此如果产品的性能上无法进行这种设计时最好避开使用低压铸造法。

在气缸头、气缸体、轮毂等产品中普及使用这种铸造法的第一理由就是形状上容易达到方向性凝固。

铸造方案还算比较单纯，充分考虑铸件整体的方向性凝固和浇口周围的冒口效果的浇口位置、大小、数量的设定也是非常必要的。

浇口的位置应该是铸件整体的最大壁厚部位，并且要设在从
部位。

因产品形状、大小等原因浇口数
量有所差异，但通常是1-4个。

在远离
浇口的位置如果壁较厚冒口无法到达时，
有时也加上无顶冒口或过渡桥（图5-2）。

但是目前的水冷气缸头的形状变得复杂，
要想达到理想的壁厚分配是非常困难的，
方案上对这些问题进行为维持方向性凝
固的严格的温度控制和条件管理等，根
据情况还可以在成为热点的部位进行空
气、水等的冷却或埋入冷铁。

浇口的截面积对于防止熔汤乱流以便更好地充填模具空间而言是非常重要
的因素。

最小截面积a的公式如下：
a=W ⨯10-2/[T ⨯μ⨯Υ⨯（2⨯g ⨯H ）1/2] (1)
a=浇口的最小截面积
W=铸件的重量（kg ）
T=从浇口处开始的浇铸时间（S ）[充填时间]
μ=熔汤的比重（2.4~2.5）
Υ=电阻系数（0.3-0.4）
g=重力加速度（9.8m/s 2）
H=压力头(m)（熔汤面到产品上端的高度）
在图5-3中a 部截面做成圆形是
较理想的，但事实上由于产品形状的
限制经常是不得不做成不规则的形状。

在这种情况下为了防止该部分的过冷，
最小截面积最好应是浇口附近产品壁
厚的2倍以上。

浇口的高度h 比较低
时可以得到较大的因浇口处热量提供
和加压而引起的补缩效果，而且也容
易实现方向性凝固，但这是防止氧化
物的滤渣网的固定部位，由于因铸造
条件的变动引起浇口长度的变化，因
而一般情况下考虑30-40mm 较多。

（2）模具结构上特征
低压铸造模具的浇口在下面，如图5.4所示，下型部分通过给汤管与保持炉连结，所以不能使用挤压结构，而采用把铸件放在上型或横型里的方法，下型的温度很高，因此拔模斜度需要比其它模具做得大一些。

模具内部的空气、砂芯产生的气体需要充分考虑分型方法和排气道等，应该在尽量减少随着熔汤充填而产生的背压的情况下排出去。

如果背压高到影响加压速度时，会产生熔汤流动不良、表面缩孔等，因此希望控制在0.002Mpa 以下。

关于凸台、加强筋、叶片等形状的
部位，可以考虑嵌入式排气孔插入模具。

在分型面和平面部设计排气槽，再加上
排气孔、拉深加工等手段尽量做到排气
良好的设计。

排气例见图5-5。

另外砂芯
产生的气体量较大、时间也较长，可以在
模具结构上设计确定的排气路线，追加吸
引机构。

3.2 保持炉
图5-6显示了目前实用使用的3种类型。

（1）铁坩锅炉
这是实用化早期的炉型，操作简单，
因此目前仍大量使用，但由于铁慢慢熔
解会增加熔汤铁的含量，所以必须定期
（1个星期）进行涂层处理。

另外，它
不适合用于高纯度合金的铸造。

（2）石墨坩锅炉
由于不能对石墨坩锅直接施加压力，
因此这是一种对炉子整体加压的构造。

由
于腐蚀少，所以可以连续用90-120天左
右。

但缺点是用钠进行改良处理时，坩锅
的寿命会变短。

（3）耐火材料炉
这种炉的使用随着铸件的大型化、
1模多个的推进而逐步增大了。

因为气密
室整体构成了炉体，所以容积大（700-1000kg ），熔汤的补充次数少。

连续使用
时间长，铸造条件稳定，热源有加热熔汤面的辐射式加热器和保护管浸入熔汤直接加热的浸泡式加热器两种。

浸泡式加热器耐火材料炉由于是用浸泡式加热器直接加热熔汤，与辐射式耐火材料炉相比，热效率高出40%以上，电力消耗少，熔汤温度变化非常小，控制适应性高。

因为空气温度较低，所有氧化物的产生也较少。

目前因为加热器管的寿命、维护保养的不方便及成本高等问题影响了使用的普及程度，但从节省能源的观点来看今后会很快地普及使用的。

但是由于采用耐火材料炉与采用铁坩锅相比，从熔汤表面和坩锅传来的热量变得非常少，模具温度分布会发生变化，上下模具之间的温差坡度也变小，因此有必要开发适合这种设备的铸造方案。

3.3给汤管
这是将熔汤从保持炉引向模具的管子，截面积是∅80-∅120mm左右的圆或椭园形。

以前是以铸铁表面加上涂料的为主，但因烧损会增加熔汤铁的含量，给汤管自身的寿命变短，所以最近陶瓷制的给汤管逐渐成为主流。

但是成本高、抗热冲击性能差、异形截面形状成形难等是需要探讨的课题。

4、气缸头中的铸造技术
4.1 铸造工序
（1）上涂料，准备模具、安装
（2）熔解、除渣、除气、保持炉给汤
（3）铸造作业
（a）装浇口滤渣网
（b）装砂芯
（c）吹空气
（d）合模
（e）加压
（f）凝固
（g）开模
（h）取出产品
图5.7 气缸头的铸造工序
批量生产中的气缸头的工序概要如图5.7所示，分为上涂料、准备模具等前期准备工序、熔解、熔汤处理、给铸造机供汤的给汤工序以及铸造作业工序等，
这种工序都非常重要，不能马虎，要维持品质关键是如何做到在稳定的条件下坚持管理铸造作业。

（1）模具的保养、上涂料
模具的保养、上涂料是指每500-700模次进行包括模具保养、保持炉和给汤管内的清扫作业，将模具的模框、嵌块、拔模销、排气块等分解后，用空气
除去铝渣和砂芯的燃烧剩余物等。

排气块的堵塞对熔汤流动性、气孔等品质有很大影响，所以应该仔细地清除掉，而且还有必要检查排气孔，排气型芯等的通气程度。

下一个工序上涂料是以确保排气性，减低脱模阻力，保护模具表面，确保保温隔热性，确保熔汤流动性等为目的。

在保养结束后，将模具加热至473K（2000C）左右，用钢丝轮刷除去表面的氧化皮后再上涂料，操作是用喷枪来进行的，但根据喷吹压力，距离、速度、浓度、模具温度等，其强度和粗糙度有很大区别。

在涂复杂的模具时，需要熟练地进行操作，但为了保持稳定的上涂料的效果应尽快使操作标准化，涂层厚度粗糙度等因部位不同而存差异。

一般而言，产品面是0.1-0.2mm，光洁度要求高的加工基准面，燃烧室面等应用粒子细小的涂料涂0.05mm的厚度，涂料一般利用市场上的，基本构成是骨材（碳酸钙、陶土、氧化铝、云母、石墨等）、粘接剂（硅酸钠）和水等。

关于模具涂料的选择并没有定量的评价尺度，一般在实际产品中使用后再来决定。

（2）熔解、熔汤处理
作为合金最普通的是AC4B、AC2B。

在提出延伸率、耐腐蚀性的要求时，可以使用AC4C等，另外作为高品质化的对策同时也使用加钠、锶的改良处理和加钛的微细化处理，熔汤处理除了以往的加精炼剂的脱氧处理以外，为了得到稳定的品质，使用旋转式除气装置进行除气处理的做法也日益增多。

（3）铸造作业
∙装浇口滤渣网
此工序的目的为了防止从给汤管进来的氧化物、砂子等杂物以及加强熔汤层流化。

把做成浇口形状的镀锌网（∅0.4-0.6mm，12-14个网孔）用专用夹具固定起来。

这样做人工作业比较多，但也可以试一试进行自动化设计或给汤管内吹惰性气体等方法。

∙装砂芯、吹气
水道中子、气道中子、凸轮轴室中子等，材质大多是中子砂。

最近因形状的复杂化、与其它部件的共用化等引起中子的增加。

一般是人工作业，但由于是模具内的高温作业，所以近年来越来越多地采用由机器人自动安装。

包括活砂铸型在内自动安装进模具的方法也开始使用。

脱模时因要除去装中子时落下的砂子，所以要吹空气。

∙合模、加压、凝固、开模、取出产品
这些工序都是在自动化、标准化的循环周期下进行运转的。

加压力、加压速度、加压时间、凝固时间等各种条件要根据温度进行调整。

4．2铸造条件
（1）温度
熔汤温度因合金种类、产品形状而稍有不同，但一般在680~730°C的范围内。

熔汤温度对内部缺陷和外观品质等有很大影响，所以实际操作时管理范围是14°C左右。

模具温度在低压铸造时更显得重要。

从方向性凝固的观点来看模温分布是从浇口往上型方向变低，一般而言浇口480~520°C，下型400~450°C，横型350~400°C，上型250~350°C，但是为了改善内部品质（强化方向性凝固）、缩短铸造周期，可以进行上型和横型的冷却（水冷、空冷，一般冷却模具整体的线式冷却比较多）。

在多个浇口的情况下，浇口间距离变近、浇口间温度变高，使浇口和成形部位的凝固容易发生反转。

如果是由于产品形状的限制无法修改模具方案的话，采用在浇口间加上点式冷却，加大浇口的温差坡度等方法也是比较有效的。

模具温度是由铸造周期、熔汤温度、气氛温度等决定的，所以在试制作阶段要抓住这些条件和内部外观品质的关系。

改善负面因素，在可能的范围内大幅度地改变铸造条件进行品质变动的试验，然后订出管理范围。

这些能做到的话就可以确保稳定的品质。

另外条件和品质的关系在短时间内还很难完全掌握，所以同时进行凝固解析也是有效的手段。

（2）加压时间
这是指充填开始到浇口部凝固为止的加压时间。

因产品数量、产品形状、模具温度、熔汤温度、浇口直径、浇口数量等原因加压时间会有所不同，但一般气缸头是2~8分钟，根据重量相应延长。

温度条件是影响最大的，在稳定条件下是固定的时间，浇口长度（相当于冒口高度）也较稳定。

但是在铸造开始时，短时间停顿后模具温度降低，波动变大，并随着铸造数
量的增加和温度条件的波动，浇口部分和给料管内的氧化物堆积起来，浇口截面积减小。

在这些情况下，从熔汤、模具传来的热量发生变动，凝固时间变得不稳定。

于是成形部的凝固时间发生改变，从产品到浇口的方向性凝固被破坏，产品内部容易出现缩孔等内部缺陷。

因此稳定温度条件、保持浇口和给料管等给汤系统的正常状态是非常重要的。

以前操作者是观察浇口的状态后再调整时间的，最近引进了测量铸造时的温度后实时自动调整到最佳条件的控制器。

在所有的工序中这是最花时间的部分，因此为了提高生产性要积极地考虑模具冷却、1模2件、2段加压等缩短时间的方法。

（3）凝固时间
这是从加压完毕到产品脱模的时间，是脱模时冷却到铸件不出现变形、拉伤等的时间。

一般而言是加压时间的1/3左右，但和加压时间一样也随温度发生变化。

从生产性考虑凝固时间短点好。

可以加快冷却速度，让脱模阻力小的横型先行，积极地对开模后的产品和模具进行冷却。

（4）加压条件
低压铸造法是用气体对熔汤面加压使熔汤上升进行充填的铸造法，因此加压条件影响到熔汤流动性和冒口效果，是品质管理的重要项目。

充填时必要的压力如下面公式计算：
P(Mpa) = Υ×(1+S/A)×△H×10-2 (2)
Υ= 熔汤比重（2.4~2.5）
S = 给汤管截面积（m2）
A = 加压实际（有效）面积（m2）
△H = 熔汤面变动量（m）（给汤管内上升量+加压面下降量）
根据铸造机的结构和产品会有所不同，公式（2）中下划线的部分在批量生产的产品中一般是0.025左右，可以根据公式（2）来决定加压力。

加压力是由到产品上端的熔汤顶升力和冒口压力组成，其中前者是由铸造机和模具的构造决定的，冒口压力一般在0.005~0.01Mpa左右。

为了冒口效果冒口压力高一点好，但如果超过0.01Mpa，模具排气道会闭塞，涂料脱落，熔汤容易压进砂制型芯，所以冒口压力不会太高。

在气缸头中使用了很多砂芯，因此将中子产生的燃气高效率地排出模具是很
有必要的。

但最近气缸头的中子形状变得很复杂，数量也多，所以在模具上无法充分设计排气道。

在这种情况下采用将冒口压力提高至上限来防止气体卷入产品内部的手段是比较有效的。

如果加压速度太慢，熔汤的充填效果会变差，引起熔汤流动性不良；如果太快，又会引起乱流，出现卷入气体、异物等缺陷。

由于根据流路形状不同流速会有差异，所以模具内各部分的速度有所变化。

给汤管内要控制熔汤温度的下降，速度便快；模具内部要控制乱流，速度便慢，冒口压力高。

一般而言，薄壁铸件需要快速充填，厚壁铸件则相反。

气缸头中的加压力和加压速度的设定。

熔
汤补充后，随着铸造的进行熔汤面下降，
因此必须增加与液面下降量相对应的加压
力。

稳定初期液面位置，然后从液面变化
量来决定压力补充值。

特别是对熔汤面积
变化大的坩埚型保持炉而言更需要进行详
细的条件设定。

目前已普及了能全部设定这些加压条件的控制器，所以因加压条
件而引起的故障已得到很大改善。

表5.2 加压条件例（气缸头1模2件）
给汤管和炉床间的距离如果太短的话，在加压时熔汤的流动会出现乱流，因
此一般而言要确保不影响熔汤使用量的200mm左右。

最后为了防止从熔汤表面
吸收氢气，对作为加压气体使用的空气要进行除湿处理。

4.3铸件的缺陷及其对策
与重力金型铸造法、砂型铸造法比较类似，表5.3中显示了低压铸造中具有
代表性的缺陷和原因及其对策。

却显得原因并不仅限于一个，而常常是多个因素
综合影响的。

因此在考虑对策时需要从模具方案、铸造条件开始进行充分的调查，
用定量的数据明确找出原因。

特别是在批量生产中铸造条件的微妙变化都会产生影响，因此也需要注意除了可以定量化的温度条件外，还必须仔细调查模具排气、上涂料、熔汤品质的变
化等。

下面列举两个气缸头中具有代表性的改善不良事例。

例1：进气道壁压力泄漏对策Array如图5.9所示，压力泄漏是从浇口上的
进气道壁厚处上端的缩孔引起的。

如果达到
了方向性凝固，那么凝固是从产品上端外围
向浇口处开始的，不会产生缩孔。

但是由于
某些铸造条件的变化，四周的热传导变差，
在围着砂芯的该部位处凝固的方向出现反转，
出现了缩孔。

关于铸造条件和出现缺陷的关系，经过调查，明确了如果浇口部温度和熔汤
温度低过一定范围的话就容易出现缺陷的事实。

作为对策和解决办法，要保持良
品温度范围，稳定铸造条件。

为了扩大良品范围要在铸造方案和材料两方面来考
虑对策（表5.4）。

例2：下台面疏松的改善
柴油机气缸头与汽油机的相比，下台面的机械性热负荷高，因此必然要求是
疏松气孔少的致密组织和高机械性能。

小型轿车的气缸头从铸铁向铝合金发展，
所以对高排气量的发动机也开始了能否适用的试验。

在我国铝合金气缸头主要采用低压铸造法，把浇口开在下型面，为了保持模具温度凝固速度当然变慢，因此即使对组织进行热处理，机械性质也不会有太大的提高。

到目前为止为了解决这些问题，采用了诸如TIG焊接的局部强化、重力铸造中的下台面冷却等方法。

在低压铸造中虽是比较难的问题，但可以根据铸造方案的改变（阶梯式浇口）和铸造条件的控制来改善组织和强度，实现批量生产。

方案，以前的方案是基本的气缸头的铸
造方案，但为了促进方向性凝固，对上
型和进气横型进行了冷却。

对此为了减
少气孔量，在改善方案中加了对下型面
的急冷，同时也保持了前方案的方向性
凝固。

特别是对下型进行充分的冷却是非
常必要的，所以在改善方案中确保了冷
却水的流量、压力和进行了严格的温度
控制。

浇口周围做成砂型，确保了充分
的浇口截面和热量，另外用浇口部横型
的加热器进行保温控制，冷却上型和反
浇口侧的横型从而达到对浇口的方向性
凝固。

但是由于大量使用冷却，也因模具
温度低、模具间温差大出现了一些问题
（如型芯烧成气体难以排出、熔汤流动
性差、模具涂料寿命短、型芯位置精度
偏差大等）。

所以目前是采用1模1件在
生产。

表5.5中显示了两种方案铸造条件的不同之处，表5.6是组织、机械性质的
对比。

其中1是指气孔量宏观腐蚀了特定部位，根据对扩大后的气孔量占有率进
行画像解析而得出的定量化数据。

所谓DAS是2次枝晶冒口间隔的省略，表示显微组织的大小。

DAS越小凝固速度越快。

阶梯式浇口方案中所有的项目都得到了提高。

从表中可以看出，低压铸造法的薄弱处即下型面的组织和强度都得到了很大地改善，但是品质和管理的方便程度还不如重力模具铸造法。

4.4技术动向及今后的课题
低压铸造法从被大量使用以来已经30多年了，现在已确立了铝合金铸件的重要工作法之一的地位。

特别是在气缸头中的作用巨大，今后低压铸造仍会是主流方法。

从空冷小型发动机的气缸头开始，到水冷化、多气筒化、功能的扩大、DOHC 化和材料重量的增加，并且形状越来越复杂，壁厚变化也加大，铸造的难度也逐年增加，同时为了降低成本进行生产性改善，考虑了1模2件、交换模具时工序改进、动模速度提高和与后处理工序的结合等，冷却控制和加压控制等技术也逐年提高，目前已出现了包括砂芯的搬运和组装在内的完全自动化线，这同时也从高温作业解放出来，改善了作业环境。

根据以上内容，可以考虑以下气缸头铸造技术的课题：
1）提高材料强度（直喷式汽油机、柴油机气缸头的铝合金化推进）
2）生产性的提高（提高控制技术、后处理线的同步化、全自动化生产线的推进）
3）其他品种少量生产对策（包括模具准备工序的缩减、中子造型和后处理的紧凑的生产线设计）
4）缩短开发时间
5）技能的延续（上涂料、铸造条件的调整等）
关于1）项，如何对下型进行冷却是重点，但以往的技术在低压铸造中很难应用，所以认为更适合采用重力铸造。

因此例2是最大限度地发挥了低压铸造的优点克服了问题点的实际例子。

目前在欧美国家气缸头的主要铸造法仍是重力铸造法，所以为了扩大今后的市场必须解决这个问题。

关于2）和3）项，这是随着FA技术的进步必然要发展的问题。

考虑到铸件的高强度化和高生产性化的要求，条件控制会变得比现在复杂，因此紧凑的自由度高的生产线结构可以保持综合的高水准。

关于4）项，重点在于需要在设计初期阶段和用户共同开发以及积极运用。