鑄鋁件造型制芯技術的現狀與發展

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鑄鋁件造型制芯技術的現狀與發展
由于石油危機、海灣戰爭等事件給人們敲響了能源危機的警鐘，加上全世界范圍內保護環境的呼聲日益高漲，節約能源成為汽車制造商對所制造產品的追求的首要目標。鑄鋁件在經歷了相當深入的研究工作之后，人們的注意力已集中在減輕汽車的自重方面，因為當其重量減少1%時，汽車的油耗將降低大約1%。
因而現在密度為8t/m3左右的鋼鐵材料占主導地位的汽車零部件將由密度低于3t/m3的鋁等有色合金材料所取代。例如日本的鑄鋁件產量在80年代末期到90年代初期一直保持著年遞增10%左右的高增長率，在鑄件生產總量停滯甚至下降的時候，該成就十分引人注目。日本1990年由壓鑄法以外的鑄造方法生產的鑄鋁件共計39.5萬t，其中用于汽車零部件生產的為34.4萬t，占總產量的87%(用壓鑄法生產的鑄鋁件約為69.0萬)。
日本已頒布CAFF(汽車制造商燃料消耗-效率基準)強化法案，對2001年汽車的燃料消耗規定了十分明確的目標，即以1989年日本各種型號的汽車平均燃料消耗為基準，1995年應下降20%，2001年降低率應為40%。
為達到該法案所規定目標，汽車制造商紛紛進行對策研究。壓鑄鋁件所得的結論是：采用鋁等有色合金鑄件取代鋼鐵鑄件，到2001年使汽車的自重降低35%。以發動機排量為1800ml轎車為例，1989年總重量為1300kg，其中鋼鐵零部件共重900kg，鋁合金零件重55kg，到2001年，汽車的總重降低為800kg，其中鋼鐵零部件200kg，鋁合金零部件275kg，
鎂合金由無增為40kg，可知鋁和鎂等有色金屬的總用量將大大超過鋼鐵材料。不難想象，在今后的一段時期內，鋁等有色合金鑄件的生產量將會有更快的增長，給全球范圍內的鑄造生產以極大刺激。我國已經制定了今后汽車工業的發展戰略，即以轎車整車生產和零部件生產為重點，第一汽車制造廠所上的轎車項目中，已將鑄鋁件生產基地擺在十分重要的位置上，已引進重力澆鑄工藝、設備以及生產消失模的關鍵設備，生產鑄鋁缸蓋和進氣管，為鑄鋁件的生產打下基礎。我國汽車工業即將起飛，將刺激國內有色合金鑄件生產技術水平的迅速提高。
由于鑄鋁件的澆鑄溫度比灰口鑄件、球墨鑄鐵低得多(一般情況下，鋁合金的澆鑄溫度約為720℃，而鑄鐵的澆鑄溫度在1450℃左右)，采用壓鑄或金屬型鑄造法生產鑄鋁件時鑄型所受到的熱沖擊要低得多，但其中所使用的砂芯，以及其他鑄造法中采用的鑄型、砂芯，在借用鑄鋼、鑄鐵用型(芯)砂粘結劑體系時，卻存在著極為尖銳的潰散性問題。在鑄鋁件生產工藝方法中，潰散性較高的濕型法也有一定的使用，熱硬化法及氣體硬化法等為金屬型、高壓壓鑄及濕型法生產使用的型芯所占比例較大，特別是殼芯方面有著很好的應用前景，用自硬樹脂砂或氣體硬化砂制造的鑄型、型芯也占有一席之地。
涂層厚度對鑄件密度的影響，隨著涂層厚度的增大，壓鑄鋁件的密度下降。這是因為涂層厚度越小，聚苯乙烯熱解產物越易排出型腔，從而減少了其對壓鑄鋁件針孔的影響。涂層太厚，則不利于熱解產物的排出，熱解產物可能滯留在鑄件中形成氣孔，從而降低壓鑄鋁件的密度。因此鋁合金消失模鑄造應采用較薄的涂層厚度，以0.2～0.3mm為佳。但涂層厚度也不能太薄，否則涂層的強度不夠，不利于抵抗泡沫塑料模樣的變形，影響鑄件的精度；并且由于涂層太薄，強度太低，在搬運及造型過程中，涂層可能開裂脫落，從而影響鑄件的表面質量。
隨著模樣厚度的增大，鑄件密度下降、針孔增加，這是因為模樣厚度增加，則所含有的鋁液多，鑄件凝固速度慢；另一方面，模樣厚度增加，則要熱解的泡沫塑料增多，這均會增加鑄件針孔傾向。因此，鋁合金干砂消失模鑄造尤其適合于生產薄壁零件。
直澆道高度對壓鑄鋁件密度的影響有一個峰值，當直澆道高度較小時，由于直澆道內的熱解產物少，充型過程中，鋁液中可能卷人的熱解產物少，所以熱解產物對加工定制鑄鋁件密度的影響小，有利于提高壓鑄鋁件內在質量。
負壓度對加工定制鑄鋁件密度的影響，負壓度對加工定制鑄鋁件密度的影響有一個峰值，當負壓度較小時，由于泡沫塑料熱解產物不易排出，其對針孔的影響大，會增多加工定制鑄鋁件的針孔。而當負壓度太大時，鋁液在充型過程中易產生紊流，有可能把熱解產物卷人其中而形成針孔。當負壓度適度時，一方面由于有利于熱解產物的排出而減少其對加工定制鑄鋁件針孔的影響；另一方面由于不致于使充型鋁液形成紊流，故不易將熱解產物卷入鋁液中形成針孔。因此適度的負壓度有利于減少加工定制鑄鋁件的針孔，提高其致密性。
負壓度對加工定制消防器材專用鑄鋁件密度的影響有一個峰值，當負壓度較小時，由于泡沫塑料熱解產物不易排出，其對針孔的影響大，會增多加工定制鑄鋁件的針孔。而當負壓度太大時，鋁液在充型過程中易產生紊流，有可能把熱解產物卷人其中而形成針孔。當負壓度適度時，一方面由于有利于熱解產物的排出而減少其對加工定制鑄鋁件針孔的影響；另一方面由于不致于使充型鋁液形成紊流，故不易將熱解產物卷入鋁液中形成針孔。因此適度的負壓度有利于減少加工定制鑄鋁件的針孔，提高其致密性。
為研究泡沫塑料對加工定制鑄鋁件密度的影響，用細鐵絲網制做了一些210mm×45mm×20mm鐵絲框。在一些鐵絲框內裝滿泡沫塑料，而另一些鐵絲框內則不裝泡沫塑料，即為空腔。在鐵絲網上涂掛1mm厚的自制鋁合金消失模涂料，干燥后，把它們埋入相同的干砂中造型，在相同的鑄造工藝條件下澆注鋁液(鋁液沒有進行變質處理)，以比較泡沫塑料對加工定制鑄鋁件密度的影響。
鑄鋁件廠家研究表明，在消防器材專用鑄鋁件澆注溫度(700～800℃)范圍內，模樣基本上只分解成蒸氣狀的液體餾分和一定量的氣體，燃燒只是有限地進行。聚苯乙烯是以緩慢的裂解方式形成二聚物、三聚物，單體很少。試驗結果表明，消防器材專用鑄鋁件液態分解產物的形成速率取決于兩個因素：流動速度和澆注溫度。當流動速度增大時，大量的液態分解產物在鑄型中形成，由于在充型過程中產生的紊流，消防器材專用鑄鋁件少量的液態熱解產物可能裹在鑄件中，這種液態聚苯乙烯會逐漸氣化并形成氣泡，使消失模鋁鑄件的針孔明顯增多。
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