铝合金熔模铸造技术介绍及展望

铝合金常用的精炼剂是六氯乙烷或氯盐，这种精炼
氧化夹杂等铸造缺陷。如果采用与重力相反的方向为 合金液提供充型压力，使合金液由下至上“反向充填”型 腔，即反重力铸造，则有可能实现对充型压力的准确控 制‘７１。
根据充型压力引入方式的不同，反重力铸造又可分 为低压铸造、真空吸铸和差压（正压或负压）铸造。
反重力铸造装置示意图见图１。反重力铸造装置 一般由上罐体、下罐体、中隔板、保温炉和升液管等组 成，铸型放在上罐内，金属保温炉放在下罐内，可以实现 低压铸造、真空吸铸、真空吸铸加压凝固、负压差压铸造 和正压差压铸造。
对于Ａｌ—Ｓｉ合金以外的其他铝合金，为提高铸件的 力学性能和组织致密度，往往在合金中加入Ａｌ—Ｔｉ或 Ａｌ—Ｔｉ－Ｂ、Ａ１－Ｚｒ中间合金细化晶粒。Ａｌ—Ｔｉ或Ａ１－Ｔｉ—Ｂ、 Ａ１－Ｚｒ进入铝合金液中会形成细小的高熔点化合物 Ａｌ。Ｔｉ、ＴｉＢ：和Ａｌ。Ｚｒ，作为非自发形核的结晶核心，可 以显著细化晶粒、改善合金的补缩能力、减小针孔的尺 寸和数量、提高合金的力学性能。
１２＝１８４ ０３２元。如果配此恒温恒湿机：２０ ｔ二套；每天 工作１６ ｈ计，每套每天电费：１６．５ ｋＷ×１６×０．７５— １９８元，２套３０天计算，每月电费：１９８×２×３０—１１ ８８０ 元，每月节约人民币约１５ ３３６—１１ ８００＝３ ４５６元，一年节 约成本约４１ ４７２元。热回收系统一般在每年的１０月到 次年４月间使用较多，每月节省电费约３０％，即１１ ８８０× ３０％＝３ ５６４元，按每年５个月计算，每年节省３ ５６４×５＝ １７ ８２０元。实际每年节省电费＝４１ ４７２＋１７８２０－－－－５９ ２９２ 元。比传统空调节省５９ ２９２／１８４ ０３２＝３２。３％。
２熔模和铸型制备技术
２．１熔模制备技术 模料的性质和蜡模的表面质量对铝合金熔模铸件
的表面粗糙度有很大影响。为生产大型、薄壁、复杂、整 体铸件，铸造工作者一直致力于研究收缩更小、强度更
收稿日期：２００９—１０—２１ 作者简介：刘国利，女，１９６３年出Байду номын сангаас，高级工程师，北京航空材料研究院，北京８１信箱２分箱（１０００９５），电话：０１０—６２４９６３９３，０１０—６２４９７８０７，Ｅ—ｍａｉｌ： ｇｌｌｉｕ０４儿＠ｓｉｎａ．ｃｏｒｎ
剂除气和除渣效果非常好，但不利于环保，正在逐步被
低压铸造时，不盖上罐体，使铸型暴露在大气下，通
７３
万方数据
——特种铸造及有色合金 ２０１０年第３０卷第１期
图１ 反重力装置示意图 １．压力罐２．正压控制系统３．上压室４．铸型５．负压控制系统
６．真空罐７．金属液８．保温炉９．下压室
过正压控制系统建立充型压力来实现；真空吸铸是通过 负压控制系统只对上罐体抽真空，而保持下罐体处于大 气压力使铸件成形；真空吸铸加压凝固是先进行真空吸 铸，使金属液充满铸型，然后再通过正压控制系统对下 罐体加压，通过升液管对铸件进行补缩；负压差压铸造 是通过负压控制系统先对上、下罐体同时抽真空，然后 关闭上、下罐体之间的互通阀，继续对上罐体抽真空或 对下罐体充气，利用上、下罐体之间的压力差使金属液 充满铸型；正压差压铸造是通过正压控制系统先对上、 下罐体同步充气，然后关闭上、下罐体之间的互通阀，对 上罐放气或对下罐充气，使上、下罐体形成一个压力差， 将金属液压入铸型中，并保持压力使金属在压力下结晶 凝固，直至金属完全凝固。
——精密铸造——特种铸造及有色合金 ２０１０年第３０卷第１期 铝合金熔模铸造技术现状及发展
刘国利 （北京航空材料研究院）
摘要简要介绍了铝合金熔模铸造发展趋势、熔模和铸型制备技术、铝合金熔炼技术、铸件成形技术，特别是反重力铸造
技术，提出了铝合金熔模铸造进一步的研究方向。
关键词铝合金；熔模铸造；反重力铸造
制造大型熔模件奠定了基础，出现了大型压蜡机，最大 效果；熔剂喷射法（ＦＩ法）是将粉状熔剂以惰性气体作
合型力达３ ０００ ｋＮ，如美国ＴＥＭＰＣＲＡＦＴ生产的Ｖ－ 载体均匀喷入合金液，增加熔剂与合金液接触面积，增
３００２型压蜡机。
强除渣作用，同时熔剂改变气泡与合金液界面的性质，
２．２铸型制备技术
铝合金熔模铸造可以采用石膏铸型和陶瓷壳型。 石膏铸型的复印性好，可以铸造形状复杂、尺寸精度要 求高的大型薄壁铸件。一般石膏浆料的搅拌和灌浆都 在真空下进行，凝固的石膏铸型放置２４ ｈ后进行脱蜡， 为了去除石膏铸型中的残余蜡料，石膏铸型应进行焙 烧，最高温度不超过７５０℃。
３铝合金熔炼技术
现对充型压力的良好控制，无论浇注系统设计的多么合 理，都很难避免飞溅和紊流，易使铸件产生欠铸、疏松、
３．１铝合金精炼技术
铝合金精炼主要是去除合金液中的气体和非金属 夹杂物。铝合金中的气体主要是氢（占８５％以上），夹 杂物主要是氧化铝。由于氢在液态和固态铝合金中的 饱和溶解度相差近２０倍，在铝合金凝固过程中极易析 出氢，使铸件产生针孔。夹杂物和气体是相互作用的， 在工业纯铝中每１００ ｇ铝合金液中氢含量高于０．１ ｍＬ 时，就会出现气孔，而在高纯铝中每１００ ｇ铝合金液中 含氢量高达０．４ ｍＬ时，才会出现气孔。可见除气必须 除渣，而除渣是除气的基础［６］。
１铝合金熔模铸件的发展趋势
随着现代工业及铸造新技术的发展，对铝合金铸件 的需求量越来越大，要求也越来越高，要求铸件尺寸精 确、表面质量和内部冶金质量好，表面粗糙度一般要求 Ｒａ在０．８～３．２肚ｍ之间，并且向大型、薄壁、复杂、整 体的方向发展。大型、薄壁一般指铝合金精密铸件的外 廓尺寸大于５００ ｍｍ、平均壁厚小于２ ｍｍ。目前，发达 国家可以生产的铝合金熔模精密铸件，最大外廓尺寸在 ８００ １ ０００ ｍｍ之间，壁厚一般为１．５～２ ｍｍ（局部仅
参考文 献
［１］涂思柏．关于我国铝合金铸造质量之管见［Ｊ］．铸造装备与技术， ２００８（２）：
［２３叶荣茂，王惠光，田竞，等．有色合金薄壁精密铸件铸造工艺的发展 和特点［Ｊ］．特种铸造及有色合金，１９９５（２）：３３—３５．
［３］姜不居．熔模铸造的现状和未来［Ｊ］．特种铸造及有色合金，１９９８
（４）：１８－２０．
［４］籍君豪．低温蜡一硅溶胶型壳的应用实践［Ｊ］．特种铸造及有色合 金，２００７，２７（４）：２８３—２８５．
［５］陈冰．聚合物和纤维增强硅溶胶口］．特种铸造及有色合金，２００５。
２５（４）：２３ｌ＿２３３．
图２反重力铸造设备 寸精度和表面质量要求高。叶轮铸件因使用时要高速 旋转，交付前要通过动平衡试验，故对铸件内部冶金质 量和力学性能以及铸件整体的均匀度要求高，壳体铸件 对表面质量要求严，转弯过渡圆角非常小，甚至不允许 有过渡圆角而要求直角过渡，铸造难度非常大。
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（ａ）叶轮
（ｂ）壳体
图３铝合金熔模精密铸件
反重力铸造方法生产的铸件与重力铸造生产的铸 件相比：铸件金属晶粒细小，组织致密性好，铸造缺陷 少，力学性能高（ｃｒｂ提高２０％左右，艿最大提高约 ７０％），加工切削工艺好，铸件合格率达到８５％以上［８］。
国内开发的５００ ｋｇ的铝合金反重力铸造设备见图 ２，通过采用不同的反重力铸造工艺，浇注出了许多高品 质的铝合金熔模铸件，比较有代表性的铸件有叶轮和壳 体（见图３）等。这些铸件的特点是尺寸大、壁厚薄、尺
有了较大的发展。如日本研制的适于在０．７～１．５ ＭＰａ 旋转叶轮法（ＲＩＤ法）是往合金液中通惰性气体，通过
范围内压注成形，甚至可自由浇注成形的水溶性模
叶轮旋转切割将大气泡打碎成直径约为０．５ ｍｍ的小
料口］。压蜡设备的研究和制造也取得了较大的进步，为
气泡，它们均匀分布于合金液中，缓缓上升，可提高除气
中图分类号ＴＧ２４９．５；ＴＧ２９２
文献标志码
Ａ文章编号
１００ｌ一２２４９（２０１０）０１—００７２—０３
ＤＯＩ：１０．３８７０／ｔｚｚｚ．２０１０．０１．０２１
铝合金具有较高的比强度、比刚度和抗疲劳性能， 是理想的结构材料，用它替代钢铁可大大减轻产品的质 量和增加结构的稳定性，在航空、航天、汽车、船舶、兵 器、电子等行业已大量使用，特别是近年来越来越多地 采用了铝合金熔模精密铸件，因此，我国铝合金铸件产 量迅速增加，从２０００年的８０万ｔ增加到２００６年的１８０ 万ｔ，增长了１２５％；铝合金铸造生产规模不断扩大，扩 建、新建了一大批外资、合资、民营企业。铝合金熔模铸 造技术得到了迅猛的发展［１］。
硅溶胶与水玻璃、硅酸乙酯相比，其主要优点是，型 壳高温强度及抗蠕变能力高、涂料配制及使用方便、无 环境污染、型壳及铸件品质高、铸件废品率及返修率 低Ｃ４］。一般认为，硅溶胶型壳生产成本高、生产周期长， 但近年来，由于环保方面的压力越来越大，不少原采用 硅酸乙酯制壳工艺的厂家也改用硅溶胶，并且研制和开 发层间干燥时间更短的聚合物增强快干硅溶胶，使制壳 周期大大缩短。快干硅溶胶中的增强剂较多地采用聚 ’乙烯醇（ＰＶＡ）、羧甲基纤维素等水溶性高聚物，这些聚 合物属高分子真溶液，性能稳定，其分子较小，尺寸与硅 溶胶胶粒相匹配，涂料层表面干燥后形成的胶膜更为强
韧，有利于提高型壳湿强度和加快干燥速度［５］。除改进 粘结剂和耐火材料外，制壳设备的研究也取得了长足的 进步‘，国外一般都采用机器人制壳，大大提高了制壳效 率和型壳质量，目前已出现提重超过１ ０００ ｋｇ的制壳 机器人等大型设备口ｊ。
４铸件成形技术
铝合金熔模铸件可以采用重力铸造和反重力铸造。 重力铸造可以在大气下进行，也可以在真空条件下进 行，石膏型铸造须在真空下进行浇注。重力铸造无法实
提高惰性气体的除氢效果［６］。目前，效果比较好的精炼 方法是将上述两种方法结合起来使用，即旋转喷吹法， 在旋转叶轮法的基础上，往合金液中喷粉状熔剂。 ３．２铝合金的变质处理和晶粒细化
对于Ｓｉ含量超过７％的Ａｌ—Ｓｉ合金，要进行变质处 理。常用的变质剂是Ｎａ盐，但Ｎａ盐变质效果保持的 时间短，对于铝合金熔模铸造来说，由于浇注一般持续 时间比较长，故中途可能还要重新变质，工艺控制较难。 现在，越来越多地使用了长效变质剂，如Ａｌ－Ｓｒ中间合 金进行变质，可以取得较好的效果。
（３）同时为了更加准确了解到制壳间内的温湿度的 适时变化，可以安装监控点，同公司网络连接，在办公室 即可随时了解制壳间内的温湿度变化等情况。
Ｉ编辑：张正贺）
一铝合金熔模铸造技术现状及发展 高、长期保存不易变形的性能优良的模料。目前，各种
液态压注模料、填充模料、水溶性模料以及塑料模料都
刘国利
无毒精炼剂取代。国内外研究者开发了两类有效的精 炼方法，即旋转叶轮法（ＲＩＤ法）和喷射熔剂法（ＦＩ法）。
５ 结语
铝合金熔模铸造技术是一种先进的近净形制造技 术，随着现代工业的发展和我国对外技术交流的不断扩 大，将得到迅速发展和广泛应用。在铝合金熔模铸造技 术方面，应注重铸型制备材料、合金液过滤技术、合金熔 炼质量在线检测技术、铸件内部质量和表面质量检测技 术等的研究，制订和完善相应的国家标准和规范，以指 导铝合金熔模铸造的生产，促进我国铝合金熔模铸造的 技术发展。
为０．７５ ｍｍ），尺寸公差为士０．１２５ ｍｍ／２５ ｍｍ，例如大 型的电子设备框架、壳体等。复杂铸件一般指铸件形状 复杂和结构复杂，如具有多层结构及铸件壁厚过渡不 均、或有多通道管路等。波音７６７飞机上的燃油增压泵 壳体铸件就是非常典型的复杂铝合金熔模精密铸件，其 蜡模由２２个分别压制的单个蜡模先组合成４个组合蜡 模，再将这４个组合蜡模组装在一起，形成一个整体蜡 模，然后采用石膏铸型在真空下浇注成铸件［２］。整体铸 件是将原来由多个零件组合成的部件改为一体铸出。 例如用熔模整铸的喷气机应急安全出口架代替原１００ 多组件和９００多固定件组成的组装件，质量从原８ ｋｇ 减到６ ｋｇ，生产周期大大缩短［３］。
３恒温恒湿机的其他特点
（１）本机除具有节能的功能以外，对于日常的维护
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也非常方便，冷凝器设置在机器最下面，铜片间隙采用 加宽型，不容易积聚灰尘，同时清洗方便，冷凝器下特设 ２英寸的排水管，冲洗时排水顺畅，不会堵塞。
（２）为了减少机器的维护，不耽误生产，可以考虑安 装初效过滤网，直接装到恒温除湿机房的外面，如果要 清洗的话，只要清洗初效过滤网就可以了。