李繼強，樊自田，吳和保，張大付，董選普，黃乃瑜
(華中科技大學　塑性模擬及模具技術國家重點實驗室，武漢 430074)

摘  要：本文介紹了一種新的真空低壓消失模鑄造工藝，分析了該工藝的工作原理和影響因素。理論計算和實驗研究表明：充型氣體的氣壓與流量、泡沫模樣的密度與裂解特性、涂層厚度及透氣性、澆注溫度、真空度等是鎂合金低壓消失模鑄造過程中的主要影響因素，各個因素的互相配合與作用也非常重，選擇適當?shù)膮?shù)可有效避免各種鑄造缺陷。電機殼體和排氣管成功澆注試驗證明了真空低壓消失模鑄造在生產(chǎn)高精度、復雜鑄件方面的優(yōu)勢。
關鍵詞：鎂合金;真空吸鑄;低壓鑄造;消失模鑄造
中圖分類號： TG249.6                      文獻標識碼：

1  引言
鎂合金材料在結構材料中的使用，因具有質量輕、強度高的特點（鎂比鋁輕30％），被稱為是節(jié)能材料，廣泛用于汽車、軍工、航空航天、自行車等領域 [1-2] 。但鎂合金在熔化和液態(tài)成型過程中易氧化燃燒，安全保護措施要求嚴格，液態(tài)成形加工較為困難。因此與鑄鋼、鑄鐵和鑄鋁等合金材料相比，鎂合金的鑄造成形技術發(fā)展相對緩慢。
目前，用于鎂合金零件的鑄造成形方法較為單一，主要是壓力鑄造（約90%）、少數(shù)為重力下的砂型鑄造[3-5]。鎂合金的壓力鑄造，具有生產(chǎn)效率高、鑄件的精度高和表面粗糙度低等優(yōu)點，但其模具和設備的投資大，壓鑄件的結構受壓鑄模具結構及工藝因素等限制；同時由于壓鑄時液態(tài)金屬以高速紊流和彌散狀態(tài)充填壓鑄鑄型，容易卷氣氧化形成微氣孔，使得壓鑄件通常不能進行熱處理強化，因此壓鑄件一般也只用作受力不大的殼體或框架零件。普通的砂型鑄造，投資少、廣大中小廠容易采用，但其鑄件的精度低、粗糙度高、生產(chǎn)率也較低，不能滿足現(xiàn)代工業(yè)的需要。
消失模鑄造（簡稱EPC）是一種近無余量、精確成形的新型鑄造技術，它具有許多的優(yōu)點，如：型砂不需要粘結劑、鑄件落砂及砂處理系統(tǒng)簡便，容易實現(xiàn)清潔生產(chǎn)；鑄件沒有分型面及拔模斜度，可使鑄件的結構設計更為合理；鑄件的尺寸精度高，表面光潔度好，結構復雜；等等。故它被稱為是“21世紀的新型鑄造技術”及“鑄造中的綠色工程”。近年來，隨著消失模鑄造中的關鍵技術不斷取得突破，其應用的增長速度加快 [6-7]。
初步試驗研究表明，鎂合金的特點非常適合消失模鑄造工藝。因為鎂合金的消失模鑄造除具有消失模精密鑄造的特點外，它還具有如下獨特的優(yōu)點[8-10]：（1）鎂合金在澆注溫度下，泡沫模樣的分解產(chǎn)物主要是烴類(烷烴、烯烴等)、苯類和苯乙烯等氣霧物質，它們對充型成形時極易氧化的液態(tài)鎂合金具有自然的保護作用；（2）采用干砂負壓造型，避免了鎂合金液與型砂中水分的接觸和由此而引起的鑄件缺陷；（3）與目前普遍采用的鎂合金壓鑄工藝相比較，其投資成本大為降低，干砂良好的退讓性大大減輕了鎂合金鑄件凝固收縮時的熱裂傾向；(4)金屬液較慢和平穩(wěn)的充型速度避免了氣體的卷入，使鑄件可經(jīng)熱處理進一步提高其機械性能。這些優(yōu)點使得鎂合金消失模鑄造工藝具有很大的優(yōu)越性和廣闊的應用前景。
但是，由于液態(tài)鎂合金的熱容量?。ㄍw積熔融鎂的熱容量僅為鋁的70％）、流動性和充型能力較差，在重力下實施鎂合金的消失模鑄造，很容易產(chǎn)生澆不足、冷隔等缺陷[10-12]。因此，鎂合金消失模鑄造時通常需要很高的澆注溫度(大于800℃)；而澆注溫度過高，不僅會增加能源消耗，還會提高液態(tài)鎂合金的氧化、吸氣的程度，故過高的澆注溫度對鑄造高質量的鑄件是不利的。
華中科技大學將反重力的低壓鑄造與真空消失模鑄造有機地結合起來，應用于鎂(鋁)合金的液態(tài)精密成形[13-14]，開發(fā)出了一種新的“鎂(鋁)合金真空低壓消失模鑄造方法及其設備”[15]。該
新型鑄造方法的顯著特點是金屬液在真空和氣壓的雙重作用下澆注充型，液態(tài)鎂合金的充型能力較重力消失模鑄造大為提高，可以容易地克服鎂合金消失模鑄造中常見的澆不足、冷隔等缺陷，且不需太高的澆注溫度，它是鑄造高精度、薄壁復雜鎂合金鑄件的一種好的方法。

2  真空低壓消失模鑄造的工作原理
鎂合金真空低壓消失模鑄造工藝原理，如圖1所示[15]。經(jīng)振動緊實后的消失模鑄型砂箱，被放入（或推入）可控氣氛和壓力下的“低壓鑄造”工位。雙層砂箱在抽真空的同時，液態(tài)鎂合金在可控氣壓下完成澆注充型、冷卻凝固工作。
一定澆注溫度下的液態(tài)鎂合金，在真空低壓消失模鑄造下的充型速度，取決于泡沫模樣的受熱氣化速度、充型氣壓與流量、真空負壓度等因素[16-18]。根據(jù)分析，該充型速度v可表示為下式：
                        (1)
即鑄型的充型速度v主要取決于升壓率（決定于充型氣體的壓力及流量）、泡沫模樣的受熱氣化速度為泡沫模樣的氣化率)和氣化比例系數(shù)、坩堝及鑄件的截面積A1和A2、金屬液的重度y等因素。

3  影響因素
實現(xiàn)液態(tài)鎂合金的高質量的平穩(wěn)充型是獲得完好的鑄造零件的前提。理論計算和實驗表明，影響鎂合金真空低壓消失模鑄造充型的主要因素有：泡沫模樣的密度與裂解特性，涂層厚度及透氣性，澆注溫度，真空度，充型氣體的氣壓與流量以及各工藝因素的耦合順序等[19]。
在消失模鑄造過程中，液態(tài)鎂合金充型時，氣化裂解泡沫模樣需要吸收較多的熱量。泡沫模樣受熱裂解氣化的溫度及速度直接影響鑄件澆注的充型速度及充型的完整性，因此，泡沫模樣受熱裂解氣化的溫度越低、速度越快、所需的熱量越少，越有利于充型；反之，模樣密度越大、氣化所需要的熱量越多，液態(tài)鎂合金的溫度下降越大，鑄型的充型速度下降越快，不利于充型。
涂層厚度及透氣性主要是影響氣化產(chǎn)物的傳輸與逸出。涂層越厚、透氣性越差，氣化產(chǎn)物的傳輸速度越慢，鎂合金液流動前沿阻力越大，充型時間越長，不利于鎂合金的充型；而涂層較薄、透氣性較好，有利于氣體的排出和液態(tài)金屬的充型。但是涂層厚度也不能太薄，否則，鎂合金件容易產(chǎn)生粘砂或夾砂缺陷。
通常，澆注溫度越高，泡沫模樣的氣化速度越快，充型速度越快；但澆注溫度過高，不僅會增加能源消耗，還會增加液態(tài)鎂合金的氧化、吸氣的程度。而且溫度過高，模樣的分解產(chǎn)物亦會隨之增多，實質上充型速度提高的幅度不是很大。因此，不提倡過高的澆注溫度，只需有足夠的澆注溫度。鎂合金的澆注溫度必須保證泡沫模樣的徹底氣化和完整充型所需的熱量。
真空度的作用主要是給干砂消失模鑄造過程中的鑄型提供足夠的緊實度，以免澆注過程中產(chǎn)生脹箱、塌箱等缺陷，而且真空負壓作用有利于提高充型壓差和泡沫模樣的熱解產(chǎn)物排出，可提高液態(tài)鎂合金的充型速度。但在消失模鑄造過程中，真空度過高，一方面容易使鑄件產(chǎn)生粘砂、夾砂缺陷；另一方面由于附壁效應阻礙模樣熱解產(chǎn)物的排出，可能使未排出的熱解產(chǎn)物留在鑄件中形成較大的氣孔缺陷。因此，真空度與充型速度的合理匹配，對獲得高質量鑄件非常重要，真空度的選擇存在一個合適“度”的問題。
充型氣體的壓力是低壓消失模鑄造的主要充型動力。通常，在泡沫模樣受熱氣化的速度足夠大的條件下，充型氣體的壓力越大、流量越高，液態(tài)金屬的充型速度越大。但當泡沫模樣受熱氣化的速度較小(如：澆注溫度較低)時，液態(tài)金屬的充型速度取決于泡沫模樣受熱氣化的速度，此時，充型氣體的壓力和流量不是關鍵因素。
圖2為在不同充氣流量下液態(tài)鎂合金前沿的等時曲線，時間間隔分別為0.5秒、0.3秒、0.2秒，本次試驗中所用到的式樣主要是L形和平板形，厚度為5mm。
圖2(a)表示了鎂合金在低壓消失模鑄造條件下充氣流量為1m3/h時的流動模型，可以看出當充氣流量小于3m3/h時，金屬前沿的形貌呈現(xiàn)以內澆口為中心的拱形流動，但是很低的充型速度會導致冷隔或澆不足缺陷的產(chǎn)生。
隨著充氣流量的增加，給金屬液提供更大的推動力。當充氣流量達到3m3/h時，充型速度加快，金屬液流動前沿拱形形貌更加突出（圖2(b)所示），充型時間縮短，氣孔類缺陷基本在平板試樣中消失。
當充氣流量繼續(xù)增到5m3/h時，金屬液流動前沿失去平衡，出現(xiàn)非穩(wěn)定流動現(xiàn)象（圖2(c)所示），氣孔缺陷開始在試樣內部和端部出現(xiàn)。這主要是因為充型速度太快，處于流動前沿的泡沫模樣的熱解產(chǎn)物來不及排出鑄型，這些高溫分解產(chǎn)物將被推擠到液態(tài)金屬前沿，其中一些高溫分解產(chǎn)物又被卷入液態(tài)金屬中形成氣孔缺陷。
充型時的充型正氣壓與抽真空負壓的合理匹配對反重力真空消失模鑄造充型質量具有重大影響。試驗研究表明：當采用先抽真空再充型的耦合方式時，鎂合金鑄件雖然外形完整，但是內部卻呈蜂窩狀結構；如果采用先充型建立正壓再抽真空的耦合方式，則可以澆注出外形外美、內部致密的鎂合金鑄件。

4  澆注實踐
我們采用反重力的真空低壓消失模鑄造方法，澆注成形了多種復雜的鎂合金鑄件，如圖6所示，它們的尺寸精度高、表面粗糙度小。這些零件采用壓力鑄造、低壓鑄造等工藝很難實現(xiàn)，用砂型鑄造工藝其精度不高、表面粗糙度大，用普通的消失模鑄造也易產(chǎn)生鑄件澆不足等缺陷。

1. 致謝

本研究受到國家自然科學基金資助，編號：50275058

參考文獻
1. 曾小勤, 王渠東, 呂宜振. 鎂合金應用新進展 [J]. 鑄造，1998,47（11）: 39-43
2. 王祝堂. 世界鎂產(chǎn)量與鎂的用途 [J]. 輕金屬，1999,（6）: 43-45
3. 汪之清. 國外鎂合金壓鑄技術的發(fā)展 [J]. 鑄造，1997,46（8）: 48-51
4. Stephen P. Vdvardy. NADCA Research & Development year 2001 Strategic Plan and Roadmap [J]. Die Casting Engineer, 2000，58（1）: 52-65
5. Daniel L. Twarog. State of the Die Casting Industry------1999 [J]. Die Casting Engineer, 2000，58（1）: 18-26
6. 黃乃瑜, 羅吉榮. 面向21世紀的消失模鑄造技術 [J]. 特種鑄造及有色合金，1998,18（4）:37-40
7. 孫國雄. 從64屆世界鑄造會議看鑄造業(yè)近期發(fā)展趨向 [J]. 鑄造世界報，2001,（1）:15-16
8. 劉子利, 吳國華, 丁文江, 等. 鎂合金負壓消失模鑄造充型過程的研究 [J]. 鑄造，2002，51（4）:209-213
9. Liu Zi-li, Hu Jing-yu, Ding Wen-jiang, et al. evaluation of the effect of vacuum on mold filling in the magnesium EPC process[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2002, 120（1）: 94-100
10. 董選普, 樊自田, 黃乃瑜, 等. 鎂合金消失模鑄造的優(yōu)勢及關鍵 [J]. 特種鑄造及有色合金，2003,23 (4):30-3
11 AFS Magnesium Lost Foam Casting Committee(6-E). Genesis of a New Process: Magnesium Lost Foam Casting [J]. Modern Casting, 2003, 93（4）: 26-28
12. Michael Marlatt, David Weiss and John Hryn. Development in Lost Foam Casting of Magnesium [J]. AFS Transaction, 2003  111 (148) ：1053-1060
13. Osaka Giken, et al: Low pressure casting machine for metallic products, includes supply of non-oxidizing gas into furnace so that molten metal is transferred into mold through stoker along with non-oxidizing gas [P]. JP3160842, (2001.2.6)
14. 董選普, 黃乃瑜, 等. 新型真空差壓鑄造工藝的研究 [J]. 特種鑄造及有色合金, 2001,21（4）:21-23
15. 樊自田, 董選普, 黃乃瑜, 等. 鎂（鋁）合金反重力真空消失模鑄造方法及設備 [P]. 中國發(fā)明專利，ZL02 1 15638.7，2002.
16. 董秀琦. 低壓及差壓鑄造理論與實踐 M]. 北京:機械工業(yè)出版社，2003.
17. 何存興. 液壓傳動與氣壓傳動(第二版) [M].　武漢:華中科技大學出版社，2000.
18. 樊自田, 吳和保, 張大付, 等. 鎂合金真空低壓消失模鑄造新技術 [J].中國機械工程，2004，15（16）:1493-1496.
19. WU He-bao, FAN Zi-tian, HUANG Nai-yu, et al. Mold Filling Characteristics of AZ91 Mg-alloy in The Low-Pressure EPC Process [J]. Journal of Material Engineering and Performance. 2005，14(1) :132-135.