一种真空差压铸造分级加压凝固开始加压熔体温度方法与流程

本发明涉及特种铸造技术领域，特别是涉及一种真空差压铸造分级加压凝固开始加压熔体温度方法。

背景技术：

真空差压铸造的凝固过程是在一定凝固压力下进行的，具有优良的凝固补缩条件，使铸件组织致密，性能优良。早在上世纪70年代，前苏联巴迪舍夫、契尔诺夫等学者就对压力下合金的凝固过程进行了大量的研究，他们提出压力会使晶粒细化、组织致密，认为在压力作用下液体会沿着枝晶之间的毛细通道渗透，较好的充填缩孔缩松，这引起了国内外专家对压力下凝固研究的极大兴趣。上世纪80年代，保加利亚的akada.t等学者对不同压力下铝合金铸件差压铸造的凝固过程进行了研究，他们对不同压力下的铝合金铸件的组织和性能进行了研究，认为压力是使铝合金液通过凝固枝晶间的狭窄通道向补缩区流动的驱动力，会产生良好的凝固补缩效果，促使晶粒细化、组织致密，并提出了差压铸造铝合金熔体的补缩流量与凝固压力大小的关系：

大多数合金在凝固过程中将产生体积收缩，而由此产生的缩孔缩松将严重影响铸件的综合性能。为了填充因体积收缩所产生的缩孔缩松，必须在凝固过程对铸件进行有效的补缩，由此而产生的补缩流将对凝固过程及组织产生影响。国内外广大学者对补缩流的影响进行了大量研究，表明补缩流将改变微观组织形貌，在树枝晶间的流动将使树枝晶发生塑性变形，甚至碎断树枝晶，使微观组织得到细化，从而影响铸件性能。在传统的铸造过程中补缩主要依靠液态金属的自身重力进行自然补缩，而真空差压铸造主要依靠反重力方向上的压差进行补缩，而且在真空差压铸造过程中可以通过分级增加凝固压差来增强补缩能力。液态金属的补缩能力主要与补缩通道、金属液粘度和凝固补缩压力有关，而补缩通道和金属液的粘度主要受熔体温度的影响，因此，确定分级加压凝固时熔体温度对获得致密的微观组织和良好的力学性能具有重要意义。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种真空差压铸造分级加压凝固开始加压熔体温度方法，有效的制备出具有致密微观组织和良好力学性能的铸件。

本发明采用如下技术方案：一种真空差压铸造分级加压凝固开始加压熔体温度方法，所述方法包含如下步骤：

(1)凝固发展到后期，毛细管补缩通道变得特别微小，这时凝固补缩压力损耗增大，

补缩速度与凝固差压、固相体积分数之间关系的建立：凝固补缩压力的损耗按照液体流经多孔介质的毛细现象来处理，在长度为lm的圆柱体内有很多半径为r的毛细管补缩通道，则可得出补缩速度u，若单位面积内有n个微小的毛细管补缩通道，则可以得出补缩速度与凝固差压之间的关系式，若真空差压铸造分级加压凝固压差δp已知，补缩速度u可以用凝固压差δp和固相体积分数fs来表示：

式中：η—金属液动力粘度，温度变化较小时可以认为常数；

(2)根据darcy定律建立毛细管通道凝固补缩压力损耗与补缩速度的关系δp1＝ξu，再根据kozeny–carman方程，渗透系数ξ可用液态金属内的固相体积分数fs来表示，因此可以建立凝固补缩压力损耗、补缩速度和固相体积分数三者之间的关系：

式中：c—与枝晶间距相关的常数；

(3)真空差压铸造分级加压凝固工艺中凝固压差δp参数已知条件下，可以确定固相体积分数与凝固补缩压力损耗的非线性关系，据此关系可以得出分级加压凝固时的最合适的固相体积分数；

(4)根据合金相图和杠杆定律计算原理，固相体积分数可以转换成对应成分合金的熔体温度，据此，也可以获得熔体温度与凝固补缩压力损耗关系，从而可以确定真空差压铸造分级加压凝固开始加压时的最佳熔体温度。

优选地，用熔体温度参数来确定真空差压铸造分级加压凝固开始加压的时刻点。

优选地，建立用固相体积分数fs表达凝固补缩压力损耗δp1的数学关系及其非线性的曲线关系。

本发明具有的优点：1)科学的确定真空差压铸造分级加压凝固开始加压时的最佳熔体温度，可以更有效的制备出具有致密微观组织和良好力学性能的铸件；2)真空差压铸造分级加压凝固开始加压时的最佳熔体温度的确定可以科学的建立真空差压铸造分级加压凝固工艺；3)有利于科学指导真空差压铸造分级加压凝固工艺制备冷却速度差异较大的复杂薄壁铸件。

附图说明

图1是本发明一种真空差压铸造分级加压凝固开始加压熔体温度方法的固相体积分数fs与凝固补缩压力损耗δp1的关系曲线图。

图2是本发明一种真空差压铸造分级加压凝固开始加压熔体温度方法的熔体温度与铸件相对致密度的关系曲线图。

图3是本发明一种真空差压铸造分级加压凝固开始加压熔体温度方法的熔体温度与铸件抗拉强度的关系曲线图。

图4是本发明一种真空差压铸造分级加压凝固开始加压熔体温度方法的熔体温度与铸件延伸率的关系曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

一种真空差压铸造分级加压凝固开始加压熔体温度方法，所述方法包含如下步骤：

(1)凝固发展到后期，毛细管补缩通道变得特别微小，这时凝固补缩压力损耗增大，

补缩速度与凝固差压、固相体积分数之间关系的建立：凝固补缩压力的损耗按照液体流经多孔介质的毛细现象来处理，在长度为lm的圆柱体内有很多半径为r的毛细管补缩通道，则可得出补缩速度u，若单位面积内有n个微小的毛细管补缩通道，则可以得出补缩速度与凝固差压之间的关系式，若真空差压铸造分级加压凝固压差δp已知，补缩速度u可以用凝固压差δp和固相体积分数fs来表示：

式中：η—金属液动力粘度，温度变化较小时可以认为常数；

(2)根据darcy定律建立毛细管通道凝固补缩压力损耗与补缩速度的关系δp1＝ξu，再根据kozeny–carman方程，渗透系数ξ可用液态金属内的固相体积分数fs来表示，因此可以建立凝固补缩压力损耗、补缩速度和固相体积分数三者之间的关系：

式中：c—与枝晶间距相关的常数；

(3)真空差压铸造分级加压凝固工艺中凝固压差δp参数已知条件下，可以确定固相体积分数与凝固补缩压力损耗的非线性关系，据此关系可以得出分级加压凝固时的最合适的固相体积分数；

(4)根据合金相图和杠杆定律计算原理，固相体积分数可以转换成对应成分合金的熔体温度，据此，也可以获得熔体温度与凝固补缩压力损耗关系，从而可以确定真空差压铸造分级加压凝固开始加压时的最佳熔体温度。

优选地，用熔体温度参数来确定真空差压铸造分级加压凝固开始加压的时刻点。

优选地，优选地，建立用固相体积分数fs表达凝固补缩压力损耗δp1的数学关系及其非线性的曲线关系。

实施事例：

以真空差压铸造分级加压凝固工艺制备zl114a铝合金薄板铸件为例，铸件尺寸为150×100×5mm。

通过分析等式(2)可以转变为：

式中：可认为常数；

ρglm，可认为常数。

可绘制出fs与(δp1-ρglm)/k的非线性曲线关系，由于k和ρglm为常数，所述fs与(δp1-ρglm)/k的非线性曲线关系可以表明固相体积分数fs与凝固补缩压力损耗δp1的关系，当固相体积分数大于0.7时，随着固相体积分数的增加，凝固补缩压力损耗急剧增加；而当固相体积分数小于0.7时，随着固相体积分数的增加，凝固补缩压力损耗增加很缓慢，所以当固相体积分数小于0.7时，进行分级加压凝固补缩意义不大，由于固相体积分数大于0.7时，凝固补缩压力损耗急剧增加，但固相体积分数很高时，树枝晶强度也会变得很高，将很难对孤立的液相进行补缩，因此在固相体积分数约为0.7时，进行分级加压凝固可以有效提高补缩效果。根据al-si合金相图和杠杆定律计算原理，zl114a铝合金固相体积分数0.7转换成对应成分合金的熔体温度约为590℃，因此本发明所提供的确定方法认为zl114a铝合金在熔体温度为590℃时进行分级加压凝固制备的铸件致密度最高，综合力学性能好。

不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。