熔模铸件旋转浇注设备改制与试验

陈玉莲,杨进

（1.贵州医科大学,贵州贵阳 550004；2.湖北汽车工业学院，湖北十堰 442002）

熔模铸件旋转浇注设备改制与试验

陈玉莲1,2,杨进2

（1.贵州医科大学,贵州贵阳 550004；2.湖北汽车工业学院，湖北十堰 442002）

本实验将旋转浇注设备推广到熔模铸造生产应用中，将离心铸造机改制为适合熔模铸造旋转浇注的设备。以ZL101合金为原材料，利用此设备制备试样，并对试样进行断面观察和组织分析。结果表明，进行旋转浇注可使熔模铸造ZL101合金晶粒细化，共晶硅的分布更加均匀、细小，同时进一步促进缩松向缩孔转化的趋势。

熔模铸造；旋转浇注；组织

铝合金铸件由于力学性能好、耐腐蚀性好及生产成本低等特点被广泛应用于航空、航天及汽车领域[1,2]。但是铝合金铸件的枝晶组织都比较粗大，特别是早期凝固形成的二次枝晶壁间距在凝固后期会变粗大，而二次枝晶壁间距的大小对成份偏析、缩松及微裂纹等铸造缺陷有着直接的影响[3,4]。旋转浇注技术是指通过金属液浇注和凝固过程中旋转铸型产生搅动，使已凝固枝晶破碎，形成更多的有效晶核，细化晶粒。熔模铸造采用热型浇注，导致晶粒粗大，通过浇注过程中旋转熔模型壳，达到细化晶粒，除气除渣，改善金属液质量，提高性能的目的。本课题结合熔模铸造的特点，改进现有的离心铸造机，实现在熔模铸造过程中的旋转浇注，初步研究旋转浇注的工艺对质量和组织的影响。

1 旋转浇注设备的改进

1.1 旋转浇注设备改进的意义

本实验主要是将旋转浇注设备推广到熔模铸造生产应用中。旋转浇注是指通过金属液浇注和凝固过程中旋转铸型产生搅动，使已凝固枝晶破碎，形成更多的有效晶核，细化晶粒。而离心铸造正是金属铸型在旋转下进行浇注，基于此我们将对离心铸造机进行改进，将金属铸型化为熔模型壳，即熔模铸造和离心铸造两种工艺相结合。这样可以降低金属铸型加工的成本，使得生产更加灵活，同时解决熔模铸造自身容易产生粗大的树枝晶体问题，探讨能否达到细化晶粒从而提高铸件的性能，达到节能减排，实现轻量化的目的。

1.2 旋转浇注设备的预期功能

（1） 通过对立式离心铸造设备的改进，满足金属在旋转过程中浇注，所以设备的首要条件是转速可调；

（2）其次是设备能够便于定位，同时满足不同类型的型壳；

（3）最后，能够保证浇注的安全性。

1.3 现有设备分析

现有的离心铸造机（型号为HW01），该离心铸造机配备有三相异步电机、变频器。其工作过程为：存放铸型部分的工作台与主轴相连，电动机通过带轮驱动主轴，带动工作台一起转动。而整个工作台的转速的调整可以通过变频器来实现。由于该设备主要是用于硅橡胶模具或石膏型模具，而熔模铸造通常是利用型壳来成型的，所以基于此特点必须对工作台部分重新设计。原设备的外形尺寸为：780 mm×540 mm×1 080 mm，转速调节范围为：0～1 400 r/min，电源电压要求为：380 V、频率为50 Hz，采用三相四线方式供电。该设备的结构简图如图1所示。

图1 离心铸造机的结构简图

1.4 设备改进方案

原始设备的最大工作空间为：450 mm× 450 mm×180 mm；与转轴的连接为6个M8的内六角螺纹连接。工作空间的高度方向是不受机盖自身的约束限制，所以拆去机盖后，则优先考虑的是工作空间底面的面积。

1.4.1 方案一

Rushil Décor成立于1993年，用桉木和高龄芒果木生产MDF。除了生产MDF外，它还生产装饰用高压层压板，并出口到36个国家。

矩形底面的工作空间，其底面尺寸为350 mm ×150 mm，在宽度方向可以依靠间隙进行粗略定位，长度方向可以通过设置螺旋螺杆推动挡板运动，进行调整其在长度方向的位置，然后利用6个M8的内六角螺纹与转轴相连。所以设置后其零件图如图2、图3，以及装配后如图4所示。

图2 底箱的二维图

分析比较得出，从外形上看该底箱为矩形，其旋转过程中会带来旋转面积变化不均，同时各个部分的旋转速度不均，造成工作过程中容易产生偏心，不利于浇注金属液；同时从定位上来说，它具备了一定的定位要求，定位较方便，但是定位精度不便于控制，在转速过高的状态下容易产生侧滑，使型壳所受的振动较大，容易破坏型壳。所以放弃了此方案。

图3 挡板的二维图

图4 装配后的三维示意图

1.4.2 方案二

为了充分利用原始设备的工作空间，将设备的工作空间改为直径为400 mm的底箱，通过M8的螺纹孔与转动主轴相连，以及通过底部的凹槽实现定位。同时为了减少对型壳的振动，所以通过埋砂的方式对其内的型壳进行固定。修改后其零件图如图5所示。

图5 底箱二维图

由于实际加工此底箱方法有两种形式：

其一，采用铸造方式，但是无法保证底箱侧壁与底盘的垂直度，同时尺寸精度不高，且不经济；

其二，直接购买一些扎制的空心管材，以及板材，通过机械加工的方式将板材加工为一定规格的箱底板，将管材加工为一定规格的侧壁。通过焊接或者螺纹的方式实现底板与侧壁连接。

1.5 设备的安装及调试状况

（1） 首先将桶与底板通过8个M6的内六角螺钉连接；然后将底盘放在主轴上，通过直径为118 mm，深度为8 mm的槽与主轴定位，通过均布的6个M8的内六角螺钉与主轴连接。

（2） 由于底箱较重，所以在工作过程中转速不宜过高，否则会在工作过程中造成转速不稳，同时噪音过大。

实际试验过程中设备工作的场景如图9所示。

图6 桶的二维图

图7 底盘的二维图

图8 装配以后的三维图

2 旋转浇注ZL101熔模铸件试验

2.1 试验方法

首先制备熔模铸造壳型，将壳型焙烧后放置在旋转浇注设备底盘上。熔炼ZL101铝合金（化学成份见表1）浇注至壳型中，金属液凝固后，落砂清理铸件。采用两种浇注方法，一种为重力浇注，一种为转速80 r/min的旋转浇注，对比两种铸件的缩孔缩松和组织。

图9 设备工作场景

表1 试验用ZL101化学成份 （%）[5]

试验材料采用 ZL101 铝合金，其凝固温度区间 为 555～615 ℃[5]。 其 化 学 成 分 如 表 1 所示。

2.2 ZL101铸件表面形貌观察

从铸件中心将零件剖开以后，其断面如图10示。

从图10可以看出,在旋转条件下，铸件中心有集中的缩孔，而不旋转的条件下没有出现集中的缩孔现象。这表明在合金收缩一定的条件下，不旋转更倾向于缩松分布；而旋转条件，更倾向于缩孔分布。

2.3 ZL101铸件组织分析

图11可以看出旋转与不旋转相比，旋转可以细化基体，同时也可以改善共晶硅的形态分布。不旋转条件下，可以看到α-Al呈粗大的树枝晶，同时共晶硅分布不均，呈块状。80 r/min的条件下可以看到α-Al枝晶明显细化，同时共晶硅呈短杆状。旋转浇注会不同程度地细化α-Al枝晶，使得α-Al枝晶间距减小；与此同时旋转浇注还会细化了共晶硅，使得共晶硅更倾向于向短杆状、点状发展，其共晶硅的分布趋于均匀化。

图10 铸件剖切后表面形貌

图11 ZL101铸件金相组织

3 结论

将离心浇注设备改制为熔模铸造旋转浇注设备，基本上成功实现了熔模铸造壳型的放置与固定。

旋转浇注与未旋转浇注对比，可以明显地细化共晶硅以及α-Al，组织分布更均匀。

对于ZL101而言，旋转浇注能够促进缩松向缩孔转化。

[1] 范金辉，翟启杰.物理场对金属凝固组织的影响[J].中国有色金属学报，2002,12（1）:11-17.

[2] O.V.Abramov.Ultrasound in liquid and solid metals[M].New York:CRC Press,1994:24-97.

[3] G.Marcel.Electromagnetic processing of liquid materials in Europe[J].ISIJ International,1990,30(3):1-7.

[4] 张伟强，金属电磁凝固原理与技术[M].北京：冶金工业出版社，2004:240-312.

[5] 孙玉福. 新编有色金属材料手册[M]. 北京: 机械工业出版社, 2010.

Equipment restructuring and experiment of rotary pouring for investment casting

CHEN YuLian, YANG Jin
(1.Guizhou Medical University, Guiyang 550004,Guizhou,China; 2.Hubei University of Automotive Technology, Shiyan 442002,Hubei,China)

In this experiment, the rotary casting equipment was extended to the application of investment casting production, and the centrifugal casting machine was reformed into rotating casting equipment for investment casting.ZL101 alloy was used as raw material, the samples were made by this equipment, and the section of samples were observed and micro-structure of samples were analyzed. The results show that the ZL101 alloy grain refinement can be refined by rotating casting;The distribution of eutectic silicon is more uniform and smaller; The trend of shrinkage to shrinkage transformation was further promote.

investment casting；rotary pouring；microstructure

TG249.5；

A；

1 006-9 658（201 6）04-0091-04

10.3969/j.issn.1 006-9 658.2016.04.026

湖北省教育厅科学技术研究计划指导性项目（B类）（B20122302）；湖北省教育厅青年教师深入企业千人计划（XD2010355）

2016-01-22

稿件编号: 1601-1225

陈玉莲（1982—），女 ，硕士，讲师，主要研究方向是铝合金组织和性能的改善与提高.