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消失模振動(dòng)澆注致密鑄造法及其應(yīng)用

　　一、科學(xué)利用“振動(dòng)場(chǎng)”對(duì)結(jié)晶的影響

　　場(chǎng)的影響主要包括真空澆注、壓力澆注、聲波振動(dòng)澆注、機(jī)械振動(dòng)澆注等。對(duì)于消失模鑄造來(lái)說(shuō)，最簡(jiǎn)單易行且最具“得天獨(dú)厚”優(yōu)勢(shì)的就是振動(dòng)澆注。。

　　所謂振動(dòng)澆注是在振動(dòng)的條件下澆注，即邊振邊澆，而決不是澆注完畢再作振動(dòng)，那叫“馬后炮”。

　　以振動(dòng)場(chǎng)改善金屬的結(jié)晶條件在消失模鑄造工業(yè)化生產(chǎn)中的應(yīng)用，直至2009年國(guó)內(nèi)外尚屬空白。

　　振動(dòng)澆注對(duì)于消失模鑄造來(lái)說(shuō)具有別的工藝手段無(wú)法相比的良好效果和效益。

　　振動(dòng)有別于震動(dòng)。這是一個(gè)必須分清的基本概念。

　　在鑄造生產(chǎn)領(lǐng)域中，一般認(rèn)為，震動(dòng)是指振幅大(≤100mm)，頻率小(1.0～1.5赫茲)的運(yùn)動(dòng)。比如震擊式造型機(jī)的震動(dòng)便屬于這類運(yùn)動(dòng)，其振幅通常為10～40mm。

　　振動(dòng)是指振幅較小(0.01～5.00mm)，頻率大(1.5～10000赫茲甚至更高)的運(yùn)動(dòng)。比如機(jī)械振動(dòng)的頻率常在10000赫茲以下，而超聲波振動(dòng)金屬液的頻率則在10000赫茲以上。

　　由此可見(jiàn)，震動(dòng)的方式不適用于影響金屬結(jié)晶的鑄造生產(chǎn)。下面我們有必要先了解一下鑄件結(jié)晶的特點(diǎn)。

　　二、鑄造金屬結(jié)晶的特點(diǎn)

　　1、 主要特點(diǎn)

　　在生產(chǎn)實(shí)際中，鑄造金屬結(jié)晶的組織是多種多樣的。但在常規(guī)的生產(chǎn)中，可以說(shuō)凡是鑄造金屬的組織都具有以下三個(gè)特點(diǎn)：

　　① 晶粒比較粗大

　　② 晶粒不均勻

　　③ 存在各種各樣的鑄造缺陷(縮孔、氣孔、裂紋、夾雜、偏析等)

　　2、 晶粒層的形態(tài)

　　為了說(shuō)明以上的特點(diǎn)，以方柱形碳鋼錠類鑄件為例作分析。其剖面構(gòu)造有明顯不同的三層形態(tài)的結(jié)晶。

　　① 細(xì)晶粒層(表層)

　　鑄件表層具有較大的冷卻速度，生核顯著增加，晶粒細(xì)化。

　　② 柱狀晶粒層

　　其軸向垂直于鑄型壁面，因其結(jié)晶時(shí)熱量的流向垂直于型壁而向外傳導(dǎo)，晶粒定向成長(zhǎng)，因而形成柱狀晶粒層。

　　③ 中心等軸晶粒層

　　所謂等軸晶粒即近于球形的多邊形晶粒。在鑄件最后結(jié)晶的中心處形成，因其在結(jié)晶時(shí)的過(guò)冷度較小，故其晶粒尺寸比表層晶粒大得多。

　　3、 主要缺陷

　　① 縮孔及疏松

　　縮孔是因液體向固體轉(zhuǎn)變時(shí)發(fā)生體積收縮所致，常發(fā)生在鑄件最后凝固部位的頂部，其周圍還有許多分散的小孔洞，稱為疏松。

　　② 區(qū)域偏析

　　在縮孔的周圍，除了疏松外，還聚集著較多的各種雜質(zhì)，如炭、硫、磷等，其熔點(diǎn)較低，最后發(fā)生凝固，雜質(zhì)也易集中于這一最后凝固的地區(qū)，這叫區(qū)域偏析。

　　③ 氣孔及裂紋

　　氣孔的出現(xiàn)主要是液體向固體轉(zhuǎn)變時(shí)，其中所溶解的某些氣體的溶解度降低或液體中某些化學(xué)反應(yīng)生成氣體而在結(jié)晶前未及完全溢出所致。裂紋的產(chǎn)生則是由于鑄件冷卻時(shí)收縮及與模面的摩擦而形成。

　　三、消失模振動(dòng)澆注的適用范圍

　　1. 振動(dòng)澆注對(duì)薄壁鑄件有利嗎?

　　也許有人認(rèn)為，薄壁件采用振動(dòng)澆注技術(shù)沒(méi)有多大價(jià)值。這是錯(cuò)誤的觀點(diǎn)。振動(dòng)能明顯降低金屬液的粘度，提高流動(dòng)性和充填性。采用振動(dòng)澆注技術(shù)不但能使薄壁鑄件獲得理想的內(nèi)在質(zhì)量，而且外觀質(zhì)量更加精美。

　　2. 先澆后振和邊振邊澆有何不同的效果?

　　或許有人認(rèn)為，待澆注完畢再振動(dòng)不也一樣嗎?回答是：不一樣。金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度與平衡結(jié)晶溫度之差(過(guò)冷度)一般只有幾度。金屬液的表層溫度在鑄型中降低“幾度”到底要多長(zhǎng)時(shí)間呢?短短的三幾秒而已，而一個(gè)單重幾百公斤的中等鑄件澆注的時(shí)間快則幾十秒，慢則近百秒。鋼鐵鑄件的平衡結(jié)晶溫度從C-Fe相圖中可以找到。比如α-Fe(鐵素體)，在1400～1535℃之間是呈體心立方晶格形態(tài)結(jié)晶，也就是說(shuō)，要有效地改善結(jié)晶的條件和結(jié)晶狀態(tài)，振動(dòng)場(chǎng)的作用必須發(fā)生在“平衡結(jié)晶溫度”之上。待澆注完畢再振動(dòng)，對(duì)薄壁件或中厚件已毫無(wú)意義，對(duì)厚大件也錯(cuò)過(guò)了時(shí)機(jī)，其內(nèi)層雖尚處液相態(tài)，但表層已凝固，此時(shí)實(shí)施振動(dòng)的結(jié)果只能是內(nèi)表不一，甚至造成力學(xué)性能的差異。

　　3. 高錳鋼生產(chǎn)采用振動(dòng)澆注有何優(yōu)勢(shì)?

　　有一種觀點(diǎn)認(rèn)為，高錳鋼類的耐磨鑄件，采用激冷型的填充干砂就可以解決鑄件致密度和耐磨性問(wèn)題了。錯(cuò)了!這是對(duì)高錳鋼鑄件內(nèi)層和外層結(jié)晶過(guò)程的片面認(rèn)識(shí)和誤解。

　　以激冷型干砂作高錳鋼消失模鑄造的填充砂，確實(shí)能提高鑄件表層一定深度內(nèi)的致密度，對(duì)提高鑄件的使用壽命有較好效果。但“激冷”是有限度的，比如Φ100mm的磨球，壁厚100mm的襯板，激冷砂能激冷到鑄件心部嗎?顯然不可能。其結(jié)果是外層密內(nèi)層松。如果實(shí)施振動(dòng)澆注，高錳鋼鑄件的致密度與耐磨性就必然提升到完全超越金屬鑄造的更高的檔次，真正成為一流水平的耐磨鑄件。

　　激冷砂在使用上存在許多局限性，難度較大，況且過(guò)大的過(guò)冷度導(dǎo)致鑄件的鑄造應(yīng)力過(guò)大。相對(duì)而言，振動(dòng)澆注具有激冷砂無(wú)可相比的優(yōu)越性，更實(shí)在，更簡(jiǎn)單易行，生產(chǎn)成本更低，更具發(fā)展前景。

　　4. 哪些材質(zhì)的鑄件可以實(shí)施振動(dòng)澆注?

　　各種合金有不同的平衡結(jié)晶溫度，但它們?cè)谝欢ǖ倪^(guò)冷度下晶核的生成、成長(zhǎng)及受“場(chǎng)”影響而發(fā)生變化的原理相同。從金屬結(jié)晶理論上講，振動(dòng)對(duì)任何一種金屬的結(jié)晶過(guò)程影響都是有利的。只要其工藝合理、結(jié)構(gòu)合適、條件具備均可實(shí)施振動(dòng)澆注。至今，我們?cè)笇?dǎo)振動(dòng)澆注的單位所生產(chǎn)的鑄件主要有：合金鋼、高錳鋼、碳鋼、合金鑄鐵、灰鐵和球鐵、鋁銅合金等，不論大小厚薄，均能達(dá)到晶粒細(xì)化和機(jī)械性能全面提高的良好效果，這是其它任何一種鑄造方法所無(wú)法具備的優(yōu)勢(shì)。

　　四、消失模振動(dòng)澆注操作的規(guī)程與技術(shù)要點(diǎn)

　　1. 振幅與振動(dòng)頻率

　　前已述：振動(dòng)有別于震動(dòng)。震動(dòng)是較小的頻率和較大的振幅。而振動(dòng)則是較大的頻率和較小的振幅。生產(chǎn)和試驗(yàn)表明，用于消失模振動(dòng)澆注的振動(dòng)臺(tái)，振動(dòng)頻率150～200赫茲，振幅0.3～0.8mm內(nèi)為佳。而振動(dòng)的頻率如過(guò)低則振動(dòng)對(duì)改善結(jié)晶的效果稍差。但過(guò)高的振動(dòng)頻率對(duì)機(jī)械裝備的要求較高。

　　2. 操作程序

　　消失模鑄造在實(shí)施振動(dòng)澆注時(shí)，其操作程序是：①對(duì)已密封好的砂箱(鑄型)實(shí)施抽真空并調(diào)節(jié)至合適的負(fù)壓度→②啟動(dòng)振動(dòng)臺(tái)→③在合適的負(fù)壓下對(duì)鑄型邊振動(dòng)邊澆注→澆注完畢后維持負(fù)壓和振動(dòng)至鑄件基本凝固為止→停止振動(dòng)，同時(shí)停止抽真空。整個(gè)空殼(或?qū)嵭?振動(dòng)澆注過(guò)程完畢。