大型薄壁复杂铝件铸造技术的现状与发展

【摘要】

随着航天、国防、汽车等工业的不断发展，对铸件的要求向小余量、薄壁、高精度、高性能方向发展。介绍了大型薄壁铸件的特征，叙述铝合金复杂薄壁铸件的发展特点，提出复杂薄壁铸件对先进的精密成形技术及铸造工艺的要求。

【关键词】

铝合金  大型薄壁铸件   精密成形   铸造工艺

引言

铝的相对密度仅为铁的１／３，轻金属的应用越来越得到制造业的重视。铝矿在地壳中的储量十分丰富，目前全世界铝的产量比其他有色金属总和还要多，是铁以外应用最广的第二金属。所以研究铝铸件成形技术有着重要的意义。随着航空航天、国防、汽车工业的不断发展，要求铸件向小余量、薄壁、高精度、高性能、大型复杂、整体化的方向发展。

１９９９年在德国杜塞尔多夫举行的铸造国际博览会（ＧＩＦＡ，９９）提出未来铸件要向“精密化、轻量化、近无余量铸件和零缺陷铸件”方面发展。而铝合金作为典型的轻质材料用于制造车辆、飞机、武器零部件的优势已越来越为人们所认识。因此，加速铝合金材料在工业生产中的应用具有十分重要的意义，对先进的铝合金铸造工艺的研究开发与推广应用也势在必行。

１复杂薄壁铸件的特征

铸件的薄壁化是现代铸造技术的发展方向。“复杂薄壁”铸件的含义是壁薄。一般小于４ｍｍ，局部薄至０．５ｍｍ，这类铸件往往由几个大的平面和曲面组成，难以加工成形。复杂薄壁铸件至少具备以下特征：

（１）在薄壁铸件的浇注过程中，由液态金属表面张力引起的拉普拉斯力起重要作用。设液态金属的表面张力为σ，铸件的壁厚为δ，拉普拉斯力的表达式为Ｐ＝４σ／δ，研究表明，对铝合金平板类铸件来说，当铸件的壁厚大约小于４ｍｍ时，拉普拉斯力将对充型的流动状态产生很大影响，对于大型薄壁铸件，粘滞力的作用也将变得不可忽视。

（２）薄壁铸件应具有精密铸件的含义，铸件尺寸精度和表面品质要求高，

具有近无余量铸件的特征，除个别重要部件外，一般不需机械加工。几毫米厚的薄壁铸件，不能设置过大的加工余量或工艺余量，其尺寸精度（用公差等级表示）应低于ＣＴ６。

（３）传热学因素在充型过程中起重要作用。充型时流动过程和传热过程相互影响，铸件的温度场以及缩孔、缩松、欠铸、冷隔、氧化夹杂等铸造缺陷的形成由流体动力学因素和传热学因素共同确定。

２大型薄壁复杂铝铸件的铸造难点

２．１尺寸精度问题。

一般大型精密铸件的尺寸超过５００ｍｍ，形状复杂，壁厚不均匀，对铸型材料及金属材料收缩和铸件变形规律掌握不准时，不能满足铸件尺寸精度的要求。若尺寸精度要求很高时，铸件尺寸精度的控制就成为首要问题。

２．２补缩问题。

铸件表面积大，平均壁厚小，局部厚度大时，对这些部位的补缩是很困难的，常会形成缩孔、缩松等缺陷。

２．３表面质量问题。

精密薄壁铸件对表面的质量的要求都很高，如雷达波导元件对铸件内表面粗糙度的要求严格，Ｒａ＜ｌ．６￣２．５μｍ。表面粗糙度达不到要求，波导元件的电性能就达不到要求。因此在铸造过程中保证铸件的表面粗糙度达到要求是很重要的问题。

３大型薄壁复杂铝铸件的铸造工艺针对大型复杂薄壁铸件的特点，其成形工艺应满足以下要求

（１）充型速度要快。复杂薄壁铸件具有型腔狭小，且弯弯曲曲的特点，合金液充填过程中要多次改变流动方向，流程长，温度降低显著，由此液态金属粘度增大，粘滞力和表面张力增加，因而其充填阻力增大，要求金属液在型腔中的平均充型速度比一般铸件要快。一般而言，充型速度过大将使充型过程不平稳，使紊流加剧，甚至会引起金属液的飞溅裹气、氧化夹杂等缺陷；但金属液的平均充型速度也不能小于最小临界速度，否则，就会产生浇不足、冷隔等缺陷而得不到完好的铸件。

（２）铸型中的背压要尽可能小。薄壁复杂铸件充型时，型腔中的气体受热体积膨胀，反压力增大，阻碍金属液流入型腔，同时，浇注过程中铝合金液表面生成氧化膜，也会使金属液表面张力提高，因而使充填阻力增大，因此，尽可能地消除型腔中的背压，避免充型过程中的卷气是减少缺陷的重要措施。

（３）增强补缩能力。复杂薄壁铸件平均壁厚小，表面积大，型腔狭小，且弯弯曲曲，合金液充填过程中要多次改变流动方向，

流程长，金属液的补缩是很困难的，特别是对局部厚大处，补缩更加困难，常会形成缩孔、缩松等缺陷。这就需要增加金属液凝固过程中的补缩能力，使复杂薄壁致密。

（４）选择合适的铸型材料。选择合适的铸型材料也是保证复杂薄壁铸件成形工艺的一个重要条件，目前复杂薄壁铸件采用的铸型主要有熔模精铸型、石膏型、金属型、树脂砂型等。

目前生产大型薄壁复杂件有许多工艺可选择，最广泛采用的是低压铸造和差压铸造工艺。介绍如下：

３．１低压铸造

低压铸造是使液体金属在压力作用下充填型腔，以形成铸件的一种方法。由于所用的压力较低，所以叫做低压铸造。

３．２差压铸造

差压铸造又称反压铸造。压差铸造是在低压铸造的基础上，铸型外罩个密封罩，同时向坩埚和罩内通入压缩空气，但坩埚内的压力略高，使坩埚内的金属液在压力差的作用下经升液管充填铸型，并在压力下结晶。它是低压铸造与压力下结晶两种铸造方法的结合。

３．３新的先进铸造方法

未来的市场对铝合金复杂薄壁铸件的需求将会越来越大，对铝合金复杂薄壁铸件的成形技术的要求必将越来越高，优良的成形性和内在品质的统一更加重要，铸造技术无疑要更广泛的引入高技术。须加大新的铸造技术的研究和开发力度。下面介绍几种新的铸造方法：

（１）消失模铸造。

即是把涂有耐火材料涂层的模型放入砂箱，模型四周用干砂充填紧实，浇注液态金属，取代泡沫塑料模型，这种铸造工艺被称为：消失模铸造（ＥＰＣ）、气化模铸造及实型铸造等。美国铸造协会消失模铸造委员会采用了“消失模铸造”作为该工艺的名称。消失模铸工艺在技术、经济、环境保护三个主要方面具有优势是一种很有前途的铸造技术。

（２）调压铸造。

为了克服已有技术的局限，实现薄壁充型能力及冶金品质的双方面提升，在周尧和院士指导下，曾建民教授针对薄壁件铸造问题于１９８７年在差压铸造基础上发明了一种新型薄壁铸件成形方法即调压铸造法。这种方法汲取了传统反重力铸造方法的优点并加以改进提高，使充型平稳性，充型能力和顺序凝固条件均优于普通差压铸造，因而可铸造壁厚更薄、力学性能更好的大型薄壁铸件，适用于大型复杂薄壁铸件的生产。该方法于１９９０年获得国家发明三等奖。其与差压铸造最大的区别在于不仅能够实现正压的控制，还能够实现负压的控制。

目前调压铸造技术已成功应用于航空类铝合金铸件的工程化生产，铸件不仅获得十分优异的冶金品质，而且实现传统铸造技术难以达到的铸件合格率，其产品可取代传统钣金铆接件。调压铸造技术已经成为大型复杂薄壁铸件高品质精密铸造的重要手段。

（３）电磁泵低压铸造。低压铸造是介于压力铸造与重力铸造之间的一种铸造方法，具有以下优点。液传输平稳，无剧烈的加压和减压过程，避免由湍流而引起的氧化和吸气；金属液经过强磁场作用，对改善铸件的组织、性能有积极的作用；流量及加压规范可精确、连续控制，反应迅速准确，严格执行铸造工艺，重复性极好；体内不加压缩空气，并可在保护气氛下工作，从而减少气体浸入，防止金属液被二次污染，减少气孔及二次氧化夹杂。

４结论

２１世纪铝合金铸件向精密、轻型、整体化的方向发展，复杂薄壁铸件的市场需求将越来越大，在强化企业的科学管理的同时加强技术投入，加大力度推广新技术、新工艺的研发，把我国铝合金铸造水平推上一个新的台阶。