铝合金铸造浇注系统有多少种？

自熔炼炉中取出合金液、再将其浇注到铸型中，是铸件生产过程中的关键工序，这一工序经历的时间虽然很短，但合金液在传送过程中的运动非常激烈，液面的氧化膜不断遭受破坏，不断地产生新的氧化膜，又不断地将“氧化膜夹层”卷入合金液中，因而，大多数废品都是在在这一阶段造成的。从卷入“氧化膜夹层”的角度分析，浇注过程的控制比熔炼过程的控制重要得多。

铝合金液流动时，如果流速较低，合金液的表面张力可以约束液流，使其不至于分散、飞溅；如果流速高，液流就不可避免地会分散、飞溅。

许多研究工作表明，对于多种液态铸造合金，液流不产生分散、飞溅的临界流速是0.5m/s。

目前，应用最广的浇注方式，仍然是传统的重力浇注，也就是利用合金液本身的重力，将其自铸型的上方注入铸型。实际上，对铝合金而言，这是最不可取的浇注方式，因为，液流自直浇口下落到其底部时，流速都远高于0.5 m/s，液流散乱和飞溅是不可避免的。此外，一些大家视为常规的浇注系统设计原则，也有不少问题，液流在浇注系统中往往会发生紊流、飞溅，会使大量的‘氧化膜夹层’和气泡卷入合金液中，造成多种铸造缺陷。

采用差压铸造或低压铸造工艺，液流自铸型的下方进入铸型，如果控制得当，合金液可以平稳、缓慢地充型，铸件的缺陷很少，材质的力学性能当然大幅度提高。从文献得知，美国航空、航天用较大型的铝合金、镁合金铸件，不少都是用差压铸造工艺制造的。

还有一种平稳充型的浇注工艺值得注意，那就是使液流水平转移的“倾转浇注（tiltcasting或tilt filling）”，浇注的方式是：将铸型和浇包（或其他盛合金液的容器）安置在一可倾转的装置中，使铸型的浇口和浇包的流出口对齐，然后，使装置缓慢地倾转，使合金液平稳地从浇包转移到铸型中。目前，已有将此种工艺用于生产铝合金铸件和钛合金铸件的报道，主要是一些特别重要的铸件。

尽管后两种浇注工艺效果很好，更适应于生产铝合金铸件，但是，重力浇注毕竟是应用了几千年的传统工艺，而且还有生产条件方面的制约，在铝合金铸件用量不断增长的今天，绝大部分铸件仍然是用重力浇注的方式生产的。为了进一步提高铸件的质量，在铸造生产方面更充分地利用铝合金在力学性能方面的潜力，改进浇注系统是当前必须认真面对的课题。

近年来，采用视频射线摄影技术和计算机模拟，可以更好地了解合金液的充型过程，但是，由于受到目前可供引用的参数的制约，至今，对充型过程的认识仍有不少不甚确切之处。

适用于铝合金的工艺方法很多，以下仅就水平分型的砂型铸造工艺，提出的一些改进浇注系统的意见，是依据J.Compbell和其他人士的研究结果归纳得到的，还不能认为是非常成熟的，只能作为我们更新观念的起点，行之有效的具体工艺方案，仍有待我们在实际生产中不断地分析、研究和探求。

1、什么样的浇注系统适用于铝合金

按照浇注系统各组元截面积的比，可以有多种不同的模式，我们在这里只提到其中的三种。

1）封闭式浇注系统

特点是：直浇口末端的截面积＞横浇道的截面积＞内浇口的截面积，是制造铸铁件最常用的浇注系统，最小的阻流截面在内浇口处。

采用封闭式浇注系统时，由于系统内静压头和液流动能的作用，合金液是以喷射的方式进入型腔的，产生紊流和卷入液流表面的氧化膜是难以避免的，而且会冲击铸型，这些情况都对铸件的质量有负面影响。因此，这种浇注系统原则上不适用于易于氧化、而氧化物熔点又很高的铝合金和镁合金，但实际生产中也有人采用。

2）开放式浇注系统

对于铝合金铸件，为了避免紊流和氧化膜卷入，开放式浇注系统的应用较广，有的文献建议浇注系统各组元截面积之比为：

直浇口流出口截面积∶横浇道总截面积∶内浇口总截面积=1∶2∶4，也有人提出三者的比宜为1∶4∶4。

近年来，很多研究工作表明，横浇道截面积增大，并不能避免紊流和散流，而且充满浇注系统的时间长，合金液面易于氧化，并不能确保铸件的质量。再则，浇注系统的尺寸太大，还会导致工艺出品率降低，这也是不可取的。

3）自然流浇注系统

这是比较适用于铝合金铸造的模式，采用紧凑的浇注系统约束液流，保持液流稳定而不分散。直浇口与横浇道的连接部位应采用平滑过渡的方式，横浇道须转到另一方向时，转角处也应是平滑的圆弧。这样的浇注系统，J.Campbell等人称之为“自然流浇注系统”。

液流转90°弯时，由于摩擦力的作用，液流的流速约降低20%，因此，自然流浇注系统各组元之间的关系大致是：直浇口流出口截面积∶横浇道截面积∶内浇口总截面积＝1∶1.2∶1.4，至于浇注系统各组元的具体尺寸，要根据铸件的结构和浇注系统的总体安排具体考虑，目前还不可能有普遍适用的数据。重要的铸件、批量生产的铸件，设计浇注系统时应参考计算机模拟的结果，有条件的话，宜采用视频射线摄影技术校核。

2、不宜采用V-形漏斗式浇口杯

目前铸造行业广泛采用的V-形漏斗式浇口杯，对于铝合金铸件而言是不适宜的，因为它会带来很多问题，如：

1）浇注时，如果液流直接自浇包嘴冲入直浇口，浇注系统中就会产生紊流和飞溅；

2）浇口杯的容量小，浇注过程中难以保持充满状态，容易卷入空气、氧化膜和其他夹杂；

3）浇注时液流可能直接注入直浇口中，也可能冲向浇口杯的某一部位，因而，液流不平稳，流速也难以控制，导致浇注系统其他组元的设计功能难以体现；

4）浇注时，如液流偏离直浇口的中心线，就会产生涡流，极易卷入空气和氧化膜。

采用流出口偏置的浇口盆，液流注入浇口盆后有缓冲作用，效果当然较好，但是，如果浇口盆底是平的，液流流向流出口时，由于惯性的作用，下降的直流道中，靠液流起点一面相当一部分不能充满，如图1a中的斜线所示。

图1流出口偏置的浇口盆

a-不设堤堰；b-直角形堤堰；c-圆形堤堰

解决问题的方法是在浇口盆中设置堤堰，但要考虑堤堰形状的影响。如果设置直角形堤堰，液流流向流出口时，有一小段水平流动，惯性仍然会起作用，但影响较小，如图1b中的斜线所示。如果设置圆形堤堰，就更为理想。

3、关于直浇口的考虑

铸造行业通常使用的直浇口，往往都是上、下截面积相同的圆柱形。对于很容易氧化的铝合金，这种直浇口是不宜采用的，因为，在浇注过程中，这种直浇口内存在体积很大的气隙，在液流表面形成氧化膜。更为重要的是，如果直浇口内不存在气隙，液流与铸型中直浇口的壁密切接触，表面的氧化膜大部分会附着在壁上，不进入型腔；如果存在气隙，这些氧化膜都易于卷入型腔内。

由于重力加速度的作用，液体下落时，其流速随下落的距离而增大，液流的截面积也就相应地缩小，请参看图2。

图2液流自浇口盆下落过程中截面面积的改变

由图2可见，液流自浇口盆流出口端下落时，已自浇口盆液面下落的距离为H1，初始流速不是零，而是v1，上端流出口的面积为A1。液流下落到距浇口盆液面H2处，截面积为A2，流速是v2。这样，我们很容易得到以下的计算式：

v1=(2gH1)1/2；v2=(2gH2)1/2；

v1A1=v2A2；v2=(v1A1)/A2。

液流的外轮廓是双曲线形，理论上，要使直浇口内不存在气隙，直浇口应该做成这样的形状。实际生产中，将直浇口做成这种形状是很麻烦的。为简便起见，可以做成上大、下小的锥体。工艺设计时，根据铸件的具体情况，由计算、计算机模拟确定了浇口盆流出口端部面积A1、高度H1和H2后，就很容易求得直浇口下端的面积，从而确定其尺寸。

有些铸造厂，采用造型机造型，为了起模方便，往往将直浇口做成上小、下大的锥体，那就更不合适了。

直浇口截面的形状可以是圆形，也可以是方形（正方形或长方形），采用方形直浇口，还有一个好处，就是可以抑制涡流，避免卷入气泡。

液流自直浇口下落时，表面张力有约束液流的作用。对于铝合金而言，液流表面形成的氧化膜有一定的刚性，像一个套管，也可以防止液流散乱。如果下落的高度不大，氧化膜套管保持稳定，起保护液流的作用（图3a）。下落高度增大，液流对套管内表面的剪切作用增强，可以使套管的上部与浇注口分离、落下，在下端的液面上聚集成圈，液流表面又产生新的氧化膜（图3b）。下落高度进一步增大，液流就会将大量气泡和氧化膜卷入合金液中（图3c）。

图3液流下落高度的影响

a－氧化膜套管保持稳定；b－氧化膜套管脱落、聚集在液面成圈；

c－气泡和氧化膜卷入合金液中

试验研究工作表明，铝合金液的下落高度在100mm左右，可以保持氧化膜套管稳定；下落高度为200mm时，下端的流速约2 m/s，氧化膜脱落就是不可避免的。实际生产中，直浇口高度很少能保持在200mm以内，因而，浇注过程是使合金液中卷入‘氧化膜夹层’最多工艺环节。

如果采用上大、下小的直浇口，浇注过程中又能保持直浇口充满，由于液流与直浇口壁接触，相当一部分氧化膜可以附着在直浇口壁上，不进入型腔。如果采用上下一致的直浇口，这种可能性就很小。采用上大、下小的直浇口，情况就会更差。

10kg的铝合金液，以10s左右的时间注入铸型，浇注过程中可能卷入的氧化膜，面积大约是0.1～1㎡。

还应该注意到：在保证充型的条件下，应使直浇口的截面积尽可能地小些。这样，就可以在浇注过程中保持直浇口呈充满状态，其中不存在气隙。特别是在用树脂黏结砂造型时，如果直浇口的截面积过大，液流与浇口壁之间存在很多空气，空气受热后会使黏结型砂的树脂氧化，失去黏结作用，砂粒被液流带入型腔，在铸件中造成夹砂缺陷。用尿烷树脂自硬砂（Pep-set）生产同一铝合金铸件，用不同截面积直浇口的情况如图所示。直浇口截面积过大，浇注过程中，浇口壁上不少型砂脱落，图4a是铸件落砂后直浇口的状况；直浇口截面积正常，浇口壁无损毁（图4b）。

图4铝合金铸件落砂后直浇口的状况

a－直浇口截面积过大；b－直浇口截面积正常

4、关于浇口窝

在直浇口的下端设置浇口窝，是铸造行业常规的作法，一般都认为浇口窝能起缓冲的作用，可减少气泡的卷入，而且可以减轻浇注系统中的紊流。

但是，用X射线摄影进行的系统研究表明：对于小型或稍大的铸件，在通道紧凑的浇注系统中，直浇口和横浇道的相接处以采用流线型的圆弧过渡为好，在这种条件下，合金液的表面张力可以约束液流的前沿，不会产生散流和飞溅。在直浇口下端设置浇口窝，反而会引起紊流、卷入气泡，不利于铸件的质量。

当然，在铸造行业中完全摒弃浇口窝，目前也是不现实的。较大的铸件，横浇道截面积大，充满横浇道有一个过程，液流冲击浇口窝卷入的气泡可以排出，设置浇口窝也是可行的。铝合金铸件一般都不太大，最好不采用浇口窝。在这方面，仍有待进行进一步的研究工作。

如果不设置浇口窝，直浇口与横浇道的连接处，最好采用图5a那样的平滑过渡方式，但是，对于水平分型的造型工艺，是难以做到的。变通的方法是采用局部圆角过渡方式，如图5b所示。

图5直浇口与横浇道的连接、过渡方式

a－平滑过渡；b－局部圆角过渡

如果不采用图5中的过渡方式，在过渡处保持直角，由于液流下落时的惯性，横浇道的进口端会形成气隙和小气泡，如图6所示。

图6采取直角过渡方式时横浇道进口端的气隙

在横浇道比较长的情况下，进口端的气隙可能对铸件质量没有太大的影响。如横浇道很短，就不能不对此有所考虑。

5、横浇道和内浇口

横浇道、内浇口截面积的确定，前面已经谈到，这里还要说3个问题。

1）内浇口的位置

用封闭式浇注系统时，内浇口通常都位于横浇道的下部。作这样安排的指导思想，是认为卷入液流中氧化膜、气泡和其他夹杂物可以浮在横浇道的上方，不会通过内浇口进入型腔。

实际上，横浇道内的液流前沿，经过第一个内浇口时就会落入内浇口而流入型腔，并卷入氧化膜、气泡和夹杂物，这种考虑的谬误是显而易见的。即使是用封闭式浇注系统铸造铸铁件，由于液流的前沿也是氧化最严重、最脏、含杂质最多的，这种工艺也是不可取的。

内浇口应设置在横浇道的上方。

2）横浇道的截面积

很多生产单位所用的横浇道，无论其长度如何、有几个内浇口，都是等截面的，而没有认真地考核其作用和效果。

如果横浇道后面设有多个内浇口，为了使液流均匀地通过各内浇口进入型腔，采用等截面横浇道，不仅多耗用合金、降低工艺出品率，而且充型的效果不好，有损铸件的质量，如图7所示。

图7横浇道结构对液流充型状况的影响

a－等截面横浇道；b－截面积逐渐缩小的横浇道

采用图7a所示的等截面横浇道：在型腔尚未充满的情况下，由于液流动量的作用，大量液流由内浇口3进入型腔；同时，流经内浇口1处的流速高，按照Bernoulli定律，液流的侧压力低，不仅不进入型腔，而且可能将型腔内的气流、乃至合金液吸出；流经内浇口2处的流速有所减缓，液流的侧压力较高，有液流自内浇口2进入型腔，也可能有少量合金液自型腔流出。这种情况下，不仅充型不均匀，而且会卷入氧化膜和气泡。

采用图7b所示的横浇道，其截面积自内浇口1处开始逐渐缩小，由于液流的前端受到制约，可以使其自3个内浇口均匀地进入型腔。图7是示意图，进行工艺设计时，可根据铸件的条件由计算机模拟求得适用的数据。

当然，横浇道前端的壁厚也不能是0、呈刃口状，对于一般的铸件，可以是5mm左右。