什么样的浇注系统适用于铝合金铸造？

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。