离心铸造的优势

离心铸造技术在铝硅合金结构构件生产中

的优势

G. Chirita, D. Soares, F.S. Silva*

Mechanical Engineering Department, School of Engineering, Minho University, Campus de

Azurem, 4800-058 Guimaraes, Portugal

Received 12 June 2006; accepted 12 December 2006

Available -online- 28 December 2006

文摘

本文探讨了利用立式离心铸造工艺生产结构零件相比传统重力铸造法的力学性能优势。我们对由离心力引发的材料机械性能中最重要的性质进行了分析。也对离心铸造技术和重力铸造技术所获得的式样的机械性能进行了比较。

研究表明，离心铸造技术较重力铸造技术可以多提高材料强度35%，刚度160%。弹性模量也多增了18%。抗疲劳寿命延长了约1.5%，抗疲劳极限提高了45%。因此，就获得机械性能及抗疲劳性能而言，离心铸造技术比重力铸造技术更有效。

前期效果随浇铸情况而变化，这是依据样品从浇铸地被拿开的相对位置而言的。与旋转中心（更大的离心力或重力）相距越远，机械性能提高得越好。于是，机械性能随旋转轴的转动而改变了，材料也就具备了梯度功能。这种功效在不同部位所需不同组件的生产中可能是有用的。

引擎活塞就是一个潜在的应用示例。在本文献中，我们也将展示离心铸造技术在这些结构零件生产中是如何有优势的。

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关键词：离心浇注、铝硅合金、机械的、抗疲劳性质

1.简介

铝硅铸造合金作为结构材料的使用是基于它们的物理性质（主要受其化学组织影响）和机械性质的（受化学成分及微观结构影响）。铝合金较高的比抗拉强度受其多元组织微观结构强烈影响。特殊合金的机械性能有助于零件主要相位的物理性质，提高容积比和改善组织形态。根据[1]铸造铝合金的抗拉性能和抗断裂性能，半固态A356合金和A357合金相当依赖二次枝臂间距（二次晶壁间距）、镁合金以及尤其是共晶硅和富铁金属间化合物的大小和形状。所以，铝硅铸造合金的机械性质不仅依赖化学组织成分，而且更重要的是微观结构特征，如枝晶形态、α铝、共晶体硅粒以及其它出现在微观结构中的金属间化合物。

现有不同的方法来控制这些微观结构特征，例如通过引进特殊元素[2,3]来细化晶粒。然而，提高铝硅铸造合金机械性质最常见的措施是改善浇铸技术[4]。每种技术都有干扰微观结构和影响机械性能的地方。

传统的离心浇铸工艺主要用于得到圆柱部分。实际上有两个基本类型的离心浇铸机：卧式，绕水平轴旋转的；立式，绕垂直轴旋转的。卧式离心浇铸机一般用来做管材，管件，套管，汽缸套（衬层），以及形状简单的圆柱或管状铸件。立式离心浇铸机的应用范围相对较

广：齿轮毛坯、滑轮组、叶轮、电机转子、阀体、插头、轭、支架。非圆柱形铸件，甚至对称的，可以立式离心铸造法。离心铸造部分有很大程度上的冶金清理和均匀微观结构，而且它们在轧制的/焊接的或者锻造的部分没有明显的各向异性力学性能[5,6]。

离心浇铸也是一种常见的获取梯度功能材料的方法，主要合成像碳化硅增强的绿基功能梯度材料或纳米材料，这种纳米材料在不同阶段具备高差异性的密度和低溶解度或者有同一合金[2]的不同材料。可是，还没有研究肯定这个事实，即离心工艺可以成功地用来获得梯度功能材料和具有高溶解度及密度在不同阶段的差异性小的金属材料（合金），如硅铝合金。本文的的目的是为了强调离心技术可以有效地获取梯度功能材料，而且这些材料和技术，尤其是铝硅合金，可能是一种非常有用的结构零件设计工具。

此外，当前还没有可靠及廉价的能够满足零件的批量生产的梯度功能材料制作方法。现在的制作方法包括凝固工艺，化学气象沉积法，喷雾雾化沉积法以及粉末冶。这些也许就是通过离心铸造[7]获得梯度功能材料的最经济最具吸引力的加工路线。

2.试验方法及原材料

2.1原材料

用于铸造的是一种由如下元素组成的AS12UN铝合金：含铁0.750%，含硅-(11.50-13.00)%，含锌0.20%,含镁-(0.75-1.30)%，含镍(0.80-1.30)%,含铅0.10%，含锡0.05%,含钛0.20%。

2.2方法

把原材料在670度高温下熔化然后倒进已预热至130度的永久模具中。一个高频感应离心浇铸炉（Titancast 700 mP Vac, from Linn High Term, 德国）配备了真空室，用于熔化及浇铸样品。这个系统把金属液（炉缸）和模具定位在离心臂（见图1b）

里绕一个中心轴旋转。重达约140克的原材料用于每次试验，试验都是在真空条件下进行的。

对于离心铸造，当模具绕浇铸机的中心轴旋转时，熔化的铝液被倒入型腔。浇铸工艺示意图见图1。尽管重力浇铸是用了与离心浇铸中相同的感应真空熔化设备，但是在这种情况下，金属溶液是人工倒入模具中（见图1）。

切割三个拉伸试样的铸件来比较铸锭（见图2）在不同地方的铝合金的机械性质。

把经两种加工方法得来的圆形试样进行抗疲劳测试（见图3）。

拉伸试验在一个Dartec拉力试验机里室温下进行的，而抗疲劳试验是在室温下的一个回转弯曲疲劳试验机里进行的，并且是在不同的最大应力水平来获得S-N曲线。

从离心浇铸和重力浇铸的位置2处各取一个微元。拉伸试验的位置2与抗疲劳试验的位置选取点相符。二次枝晶间距是通过光学显微镜来测出来的。

3.结果

结果显示在图5a-b及图6中。拉伸试验的结果可以总结如下：

●在离心铸造里的断裂强度显示出一个从位置3增加到位置1的趋势。而在重力铸造

中的不同位置的试验并没有本质上的差异（见图5）。

●离心铸造的断裂应变中显示出一个很大的从位置3增加到位置1 的趋势。而在重力

铸造中仍然没有大的变化（见图5b）。

●在离心铸造中的杨氏模量也显示出一个从位置3增加到位置1的趋势。而在重力铸

造依然没有大的变化。

●与重力铸造相比，离心铸造工艺在任何位置的所有机械性质都要好些（见图5a-b

及图6）。

●在位置1的初步差异达到断裂强度提高约35%，断裂应变提高约160%,杨氏模量提

高约18%。

●在所有负荷水平下，离心铸造试样比重力试样有一个叫较长的疲劳寿命（见图7）。