李继强1，樊自田2，吴和保2，张大付2，董选普2，黄乃瑜2
1 浙大宁波理工学院    2 华中科技大学

摘  要：本文介绍了一种新的真空低压消失模铸造工艺，分析了该工艺的工作原理和影响因素，并采用窗体及电机壳体模样测试了AZ91D镁合金在该工艺条件下的充型能力。研究表明：充型气体的气压与流量、泡沫模样的密度与裂解特性、涂层厚度及透气性、浇注温度、真空度等是镁合金真空低压消失模铸造过程中的主要影响因素。窗体和电机壳体成功浇注试验证明了真空低压消失模铸造新工艺大大提高了镁合金的充型能力,消除了重力下消失模铸造镁合金充型能力差、易形成浇不足和冷隔缺陷的缺点。
关键词：镁合金；消失模铸造；影响因素；充型能力

1  引言
镁合金材料因具有质量轻、强度高的特点（镁比铝轻30％），广泛用于汽车、军工、航空航天、自行车等领域 [1-2] 。但镁合金在熔化和液态成型过程中易氧化燃烧，安全保护措施要求严格，液态成形加工较为困难。因此与铸钢、铸铁和铸铝等合金材料相比，镁合金的铸造成形技术发展相对缓慢。
目前，用于镁合金零件的铸造成形方法较为单一，主要是压力铸造（约90%）、少数为重力下的砂型铸造[3-5]。但压铸过程中模具和设备的投资大，压铸时液态金属以高速紊流和弥散状态充填压铸铸型，容易卷气氧化形成微气孔，使得压铸件通常不能进行热处理强化；普通的砂型铸造的铸件精度低、粗糙度高、生产率也较低，不能满足现代工业的需要。
消失模铸造（简称EPC）是一种近无余量、精确成形的新型铸造技术，被称为是“21世纪的新型铸造技术”及“铸造中的绿色工程”。初步试验研究表明，镁合金的特点非常适合消失模铸造工艺。但是，由于液态镁合金的热容量小（同体积熔融镁的热容量仅为铝的70％）、流动性和充型能力较差，在重力下实施镁合金的消失模铸造，很容易产生浇不足、冷隔等缺陷[6-8]。因此，镁合金消失模铸造时通常需要很高的浇注温度(大于800℃)；而浇注温度过高，不仅会增加能源消耗，还会提高液态镁合金的氧化、吸气的程度，故过高的浇注温度对铸造高质量的铸件是不利的。
华中科技大学将反重力的低压铸造与真空消失模铸造有机地结合起来，应用于镁(铝)合金的液态精密成形[9-10]，开发出了一种新的“镁(铝)合金真空低压消失模铸造方法及其设备”。该新型铸造方法的显著特点是金属液在真空和气压的双重作用下浇注充型，液态镁合金的充型能力较重力消失模铸造大为提高，可以容易地克服镁合金消失模铸造中常见的浇不足、冷隔等缺陷，且不需太高的浇注温度，它是铸造高精度、薄壁复杂镁合金铸件的一种好的方法。

2 真空低压消失模铸造的工作原理与影响因素
2.1 工作原理
镁合金真空低压消失模铸造工艺原理，如图1所示[11]。经振动紧实后的消失模铸型砂箱，被放入（或推入）可控气氛和压力下的“低压铸造”工位。双层砂箱在抽真空的同时，液态镁合金在可控气压下完成浇注充型、冷却凝固工作。
一定浇注温度下的液态镁合金，在真空低压消失模铸造下的充型速度，取决于泡沫模样的受热气化速度、充型气压与流量、真空负压度等因素[12-14]。根据贝努力方程，该充型速度 可表示为下式：

 

图1  镁合金真空低压下消失模铸造的工艺原理

2.2 影响因素
实现液态镁合金的高质量的平稳充型是获得完好的铸造零件的前提。影响镁合金真空低压消失模铸造充型的主要因素有：泡沫模样的密度与裂解特性，涂层厚度及透气性，浇注温度，真空度，充型气体的气压与流量以及各工艺因素的耦合顺序等[15]。
在消失模铸造过程中，液态镁合金充型时，气化裂解泡沫模样需要吸收较多的热量。泡沫模样受热裂解气化的温度及速度直接影响铸件浇注的充型速度及充型的完整性，因此，泡沫模样受热裂解气化的温度越低、速度越快、所需的热量越少，越有利于充型；反之，模样密度越大、气化所需要的热量越多，液态镁合金的温度下降越大，铸型的充型速度下降越快，不利于充型。
涂层厚度及透气性主要是影响气化产物的传输与逸出。涂层越厚、透气性越差，气化产物的传输速度越慢，镁合金液流动前沿阻力越大，充型时间越长，不利于镁合金的充型；而涂层较薄、透气性较好，有利于气体的排出和液态金属的充型。但是涂层厚度也不能太薄，否则，镁合金件容易产生粘砂或夹砂缺陷。
    通常，浇注温度越高，泡沫模样的气化速度越快，充型速度越快；但浇注温度过高，不仅会增加能源消耗，还会增加液态镁合金的氧化、吸气的程度。而且温度过高，模样的分解产物亦会随之增多，实质上充型速度提高的幅度不是很大。因此，不提倡过高的浇注温度，只需有足够的浇注温度。镁合金的浇注温度必须保证泡沫模样的彻底气化和完整充型所需的热量。
真空度的作用主要是给干砂消失模铸造过程中的铸型提供足够的紧实度，以免浇注过程中产生胀箱、塌箱等缺陷，而且真空负压作用有利于提高充型压差和泡沫模样的热解产物排出，可提高液态镁合金的充型速度。但在消失模铸造过程中，真空度过高，一方面容易使铸件产生粘砂、夹砂缺陷；另一方面由于附壁效应阻碍模样热解产物的排出，可能使未排出的热解产物留在铸件中形成较大的气孔缺陷。因此，真空度与充型速度的合理匹配，对获得高质量铸件非常重要，真空度的选择存在一个合适“度”的问题。
充型气体的压力是低压消失模铸造的主要充型动力。通常，在泡沫模样受热气化的速度足够大的条件下，充型气体的压力越大、流量越高，液态金属的充型速度越大。但当泡沫模样受热气化的速度较小(如：浇注温度较低)时，液态金属的充型速度取决于泡沫模样受热气化的速度，此时，充型气体的压力和流量不是关键因素。
图2为在不同充气流量下液态镁合金前沿的等时曲线，时间间隔分别为0.5秒、0.3秒、0.2秒，本次试验中所用到的式样主要是L形和平板形，厚度为5mm。
图2(a)表示了镁合金在低压消失模铸造条件下充气流量为1m3/h时的流动模型，可以看出当充气流量小于3m3/h时，金属前沿的形貌呈现以内浇口为中心的拱形流动，但是很低的充型速度会导致冷隔或浇不足缺陷的产生。
随着充气流量的增加，给金属液提供更大的推动力。当充气流量达到3m3/h时，充型速度加快，金属液流动前沿拱形形貌更加突出（图2(b)所示），充型时间缩短，气孔类缺陷基本在平板试样中消失。
当充气流量继续增到5m3/h时，金属液流动前沿失去平衡，出现非稳定流动现象（图2(c)所示），气孔缺陷开始在试样内部和端部出现。这主要是因为充型速度太快，处于流动前沿的泡沫模样的热解产物来不及排出铸型，这些高温分解产物将被推挤到液态金属前沿，其中一些高温分解产物又被卷入液态金属中形成气孔缺陷。
此外，充型时的正压与抽真空形成的负压合理匹配以及真空度与浇注温度之间的交互作用对反重力真空消失模铸造充型质量具有重大影响。试验研究表明：当采用先抽真空再充型的耦合方式时，镁合金铸件虽然外形完整，但是内部却呈蜂窝状结构；如果采用先充型建立正压再抽真空的耦合方式，则可以浇注出外形外美、内部致密的镁合金铸件。

 
图2  液态镁合金前沿的等时曲线图

3 充型能力
可控气压下镁合金消失模铸造是一个复杂的物理化学过程,为了解真空低压下镁合金消失模铸造的充型能力,试验采用了两种不同的模样（如图3所示）,分别进行了浇注。测试装置为48通道JDAS数据采集仪，响应时间1毫秒，其他工艺参数如表1所示。

 
图3  薄板窗体、电机壳消失模铸造充型流动测试标记点

表1  真空低压消失模铸造工艺参数


根据真空低压消失模铸造窗体薄板试样上测试点的时间记录，绘制了充型过程中液态金属的流动路线（如图4a所示），对于薄板部分,金属液从内浇道进入至充型完毕所用时间为2.58 s；对于窗体部分,金属液从内浇道进入至充满所用时间是4.23 s。在相同的工艺条件下,模样的复杂结构降低了金属液的流动速度和延长了充型时间,多股金属液汇聚时其金属前沿经常不能完全的融合，特别是在重力下浇注时,薄壁处极易过早冷却凝固,产生浇不足和冷隔缺陷。
对真空低压消失模铸造镁合金电机壳时充型时间见图4b 所示。金属液从3 个内浇道进入电机壳模样开始,接着向前推移,约4.22 s就达到了模样上部,而长方形支脚的上部最后被镁金属液充填,金属液从内浇道开始进入至电机壳模样完全充满共用了11.81 s。这主要是因为长方形支脚是一种多拐弯结构,使金属液的流动方向发生改变,从而增大了金属液的流动阻力,减弱前进时的动能,即降低了流动速度,如果此处是更薄的壁,更加快了流速的降低,阻碍了金属液的前进。浇注试验显示,如果工艺参数选择不当,长方形支脚上部的点5 及散热片处会出现很多浇不足、冷隔缺陷。

（a）窗体试样中镁合金的流动路线                       （b）电机壳体各测试点的时间
　                            图4  镁合金试样真空低压消失模浇注充型情况
对于普通重力下镁合金消失模铸造,由于EPC 模样气化吸热并产生背压,AZ91D 镁合金本身低的密度、低的熔化潜热、低的比热容和差的流动性,从而其充型性能较差,浇注的窗体薄板件、电机外壳都产生了浇不足、冷隔缺陷。将反重力的低压铸造与真空消失模铸造结合起来,形成的“镁(铝) 合金真空低压消失模铸造”新技术综合了低压铸造与真空消失模铸造的技术优势,使镁合金高温液在真空吸铸和充型气压的双重作用下浇注充型,整个铸造过程都在密封的可控气氛及压力下完成,液态金属的充型能力较重力消失模铸造大为提高,可以容易地克服镁合金消失模铸造中常见的浇不足、冷隔等缺陷,且不需过高的浇注温度,它是一种非常适合镁(铝) 合金液态成形特点的新的精密铸造方法。
4  结论
(1) 可控气压下镁合金消失模铸造过程中, 充型气体的气压与流量、泡沫模样的密度与裂解特性、涂层厚度及透气性、浇注温度、真空度等是镁合金真空低压消失模铸造过程中的主要影响因素，即: 随着充气流量或充气压力的增大、泡沫塑料模样密度的降低、涂层厚度的减小、浇注温度和真空度提高, 充型时间缩短, 充型速度提高, 有利于镁合金的铸造成形。
(2) 真空低压消失模铸造工艺使得液态金属的充型能力较重力消失模铸造大为提高,可以容易地克服镁合金消失模铸造中常见的缺陷。

参考文献
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