摘要：通過分析真空鑄造在造型、充型、凝固過程中產(chǎn)生的現(xiàn)象，討論了真空密封造型、實(shí)型真空鑄造、真空吸鑄、真空低壓鑄造、真空差壓鑄造等技術(shù)的現(xiàn)狀．針對(duì)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀提出今后真空熔模吸鑄的研究與發(fā)展的方向。
ML12&E> 關(guān)鍵詞：真空密封造型；實(shí)型真空鑄造；真空吸鑄；真空低壓鑄造；真空差壓鑄造；真空熔模吸鑄
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中圖分類號(hào)：TG24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1002-0322(2005)01-0006-05
F6q= W#~ 真空密封造型技術(shù)是從20世紀(jì)70年代形成的，到20世紀(jì)80年代誕生了真空澆注技術(shù)，該技術(shù)可用于生產(chǎn)形狀非常復(fù)雜、厚度非常薄的鑄件，使鑄件無縮孔及縮松現(xiàn)象，是目前較先進(jìn)又非常具有發(fā)展前途的技術(shù)，在航空領(lǐng)域，配合使用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行輔助模擬，預(yù)測(cè)鑄造缺陷的產(chǎn)生，能大幅度節(jié)約時(shí)間，降低生產(chǎn)費(fèi)用，提高鑄件的生產(chǎn)效率。
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.]& 1 真空造型
>`x|E-X" 真空造型是一種物理造型法，它將真空技術(shù)與砂型鑄造結(jié)合，靠塑料薄膜將砂型的型腔面和背面密封起來，借助真空泵抽氣產(chǎn)生負(fù)壓，造成砂型內(nèi)、外壓差使型砂緊固成型，經(jīng)下芯、合箱、澆注，待鑄件凝固，解除負(fù)壓或停止抽氣，型砂便隨之潰散而獲得鑄件。根據(jù)目前所應(yīng)用的領(lǐng)域主要可分為真空密封造型(V法)和實(shí)型真空鑄造(FV法)。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)真空造型方面的研究主要集中在以下幾方面。
Z?o0Q\ }1 1．1 真空度對(duì)型腔緊實(shí)的影響
yQrgOdo,w 在造型方面研究發(fā)現(xiàn)[2]：真空度高，型腔緊實(shí)度高，鑄件質(zhì)量也高。但真空度過高時(shí)，造型材料的緊實(shí)度也大，鑄件就易出現(xiàn)裂紋；而且金屬液常被抽過涂料層形成鑄件表面的針刺和粘砂缺陷。當(dāng)真空度過低時(shí)，會(huì)降低鑄型的緊實(shí)度。同時(shí)還降低了排氣效率，鑄件易產(chǎn)生增碳和氣孔等缺陷。吳志超[1]等對(duì)坍塌成因的研究表明：當(dāng)鐵水充型時(shí)，因流動(dòng)前沿氣隙，內(nèi)外真空度急劇下降，同時(shí)受力失去平衡，造成干砂向氣隙流動(dòng)，引起坍塌。并建立了力學(xué)公式。真空度的大小與鑄件的重量、壁厚以及鑄造合金和造型材料的類別有關(guān)。另外，與真空度一樣，抽氣量同樣也是研究的重點(diǎn)。在同一鑄型的不同的階段，所需的抽氣量不一樣，而以澆注時(shí)所需的抽氣量最大。當(dāng)選用水環(huán)式真空泵時(shí)，其真空度適宜在0.080～0.025MPa。在一般情況下，100kg以下的小型或薄壁鑄件的真空度可控制在0.050～0．025 MPa，厚壁或中型鑄件控制在0.060～0.045 MPa[3]。
6)^*DJy 1．2 真空度對(duì)金屬液流動(dòng)的影響
"^$Ht`p[ 很多人對(duì)真空下金屬液前沿流動(dòng)形態(tài)和流動(dòng)速度進(jìn)行了大量研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)[5,8]：抽真空，可以改變金屬液前沿流動(dòng)形態(tài)。而金屬液前沿的流動(dòng)形態(tài)直接影響鑄件的充型情況。在真空條件下，金屬液前沿為不規(guī)則的凹形，且隨真空度的增加而增大。此狀態(tài)可以提高金屬液充型質(zhì)量。而且在不同的真空度下澆注時(shí)，隨著真空度的提高，液體金屬的前沿弧度加大，充型時(shí)間減少，充型速度提高[4,5,6]。真空度在73～46 KPa之間比沒有真空度的鑄型，充型速度可提高一倍(鑄鋼、鑄鋁都有類似趨勢(shì))。研究發(fā)現(xiàn)[12]，對(duì)于任何給定的鑄件都存在著一個(gè)特定的l臨界充型速度區(qū)間。當(dāng)充型速度小于臨界充型速度的下限時(shí)鑄件易產(chǎn)生塌砂、澆不足[1]；當(dāng)充型速度大于臨界充型速度區(qū)間的上限時(shí)，不僅模樣材料的熱解產(chǎn)物沒有足夠的時(shí)間從金屬一模樣一涂料界面排除，而且液態(tài)金屬的流動(dòng)液不穩(wěn)定，這時(shí)鑄件易產(chǎn)生氣孔、皺皮、粘砂的缺陷。臨界充型速度區(qū)間的上限大小隨模樣模數(shù)(或壁厚)的增大而增加。保證鑄件良好成型的氣壓條件應(yīng)該是：P大氣>P鑄型<P氣隙<P金屬液。如果P鑄型>P氣隙可能發(fā)生型壁移動(dòng)或鑄件夾砂，甚至鑄件不能成型。如果P大氣<P鑄型，可能發(fā)生鑄型潰散，致使鑄件不能成型。如果P氣隙過大，可能澆不足。此外，研究還發(fā)現(xiàn)澆注溫度對(duì)液態(tài)金屬充型流動(dòng)性的影響同樣與真空度的大小有關(guān)。當(dāng)鑄型不抽真空時(shí)，澆注溫度對(duì)充型時(shí)間影響較大；當(dāng)鑄型有真空度時(shí)，對(duì)充型時(shí)間基本無影響[4,7]。
uBww 清華大學(xué)的李峰軍[11,12]對(duì)消失模鑄造液態(tài)金屬充型速度進(jìn)行了研究，試驗(yàn)表明：隨真空度和直澆道高度的增加，平均充型速度增大。通過多元線性回歸建立了充型速度隨真空度、模樣密度、澆注溫度、金屬靜壓頭變化的計(jì)算公式，并研究了該公式在充型過程數(shù)值模擬中的應(yīng)用。Wang[13,14]采用有限差分法(FDM)對(duì)三維任意幾何形狀的消失模鋁鑄件進(jìn)行了流動(dòng)及傳熱計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)試進(jìn)行了比較。在計(jì)算過程中，假定了金屬流動(dòng)速度受模樣分解速度制約，并假定模樣分解速度僅受金屬液溫度、真空度(壓力)，消失模模樣的模數(shù)影響。Y.F.Chen[15]在原有普通模擬軟件的基礎(chǔ)上，假定液態(tài)金屬自由表面的速度與內(nèi)澆道液態(tài)金屬的流量有關(guān)，建立了消失模模擬程序，試塊及實(shí)際鑄件的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)試結(jié)果一致。
0BC @w V 1．3 真空度對(duì)金屬液凝固的影響
,h^6y 真空造型主要是通過干砂之間的熱傳導(dǎo)來冷卻，砂粒之間是以點(diǎn)或類似點(diǎn)的狀態(tài)接觸，砂粒間空氣稀薄，熱量只能靠砂粒間極小接觸面的熱傳導(dǎo)和熱輻射傳遞出去，所以熱的擴(kuò)散能力較差，冷卻速度最慢。澆入鑄型內(nèi)的金屬液，在真空吸力作用下，具有密貼于型腔壁面的傾向，這似乎有利于熱的傳導(dǎo)，但與鑄型型腔表面水的汽化及有機(jī)物燃燒時(shí)大量吸熱、形成快冷的條件相比，其冷卻效果還是較差的。所以真空度的大小將影響V法鑄型的冷卻速度。鑄型中的真空度愈高，則鑄件冷卻速度就愈慢[2]。另外,研究發(fā)現(xiàn)鑄件凝固時(shí)間與鑄件模數(shù)有關(guān)。試驗(yàn)測(cè)定不同真空度對(duì)模數(shù)低于2.O的試塊，其凝固時(shí)間基本無影響；模數(shù)大于2.O，真空度越高，鑄件凝固越慢。這是因真空度越高，砂粒間存留的空氣越稀薄，空氣以傳導(dǎo)和對(duì)流方式作為熱傳遞的媒質(zhì)作用也微弱的緣故[9,10]。
jo"nK,r 2 真空澆注
LOkgeJuWv 2．1 真空吸鑄
Wmd@%K 將型殼置于密閉的容器內(nèi)，抽出型殼內(nèi)空氣，使型殼內(nèi)造成一定的負(fù)壓，導(dǎo)致金屬液吸入型腔。當(dāng)鑄件的內(nèi)澆道凝固后，去除負(fù)壓，令直澆道內(nèi)未凝固的金屬液流回溶池中。其優(yōu)點(diǎn)是提高了合金液的充型能力，吸鑄鑄件的最小壁厚可達(dá)O．2mm的面積可達(dá)300mm2，同時(shí)減少氣孔、夾渣等缺陷。適用于生產(chǎn)薄而精細(xì)的小型精鑄件，鑄鋼(含不銹鋼)件尤宜。
2@a 'n@- 目前對(duì)真空吸鑄的研究主要集中在真空度對(duì)金屬液充型和凝固特性的影響上。北京航空材料研究院熊艷才研究表明[19]真空吸鑄有利于鑄型中氣體的排除，抑制紊流及卷氣的產(chǎn)生，克服了低壓鑄造和差壓鑄造的弊端，使金屬液的充型能力明顯提高。正因?yàn)槿绱耍婵瘴T時(shí)，金屬液的澆注溫度可以比重力澆注時(shí)低20～30℃，可澆鑄壁厚相差大、薄壁、品質(zhì)要求高的鑄件。真空吸鑄時(shí)，金屬液的充型可以近似為射流過程[20]，此時(shí)金屬液的充填狀態(tài)取決于射流的寬度、金屬液的粘度、金屬液進(jìn)入型腔的速度、內(nèi)澆道的尺寸和分布、型腔的尺寸等因素，在內(nèi)澆道的尺寸和分布及型腔的尺寸確定后主要取決于金屬液進(jìn)入型腔的速度v。
uN<=v&]q v = KdP/dt 式中 K——與升液管及坩堝截面積有關(guān)的常數(shù) dP／dt——真空度的變化率
wetu. aMp 所以通過選擇合適的真空度變化率，來控制金屬液進(jìn)入型腔的速度，就可以獲得平穩(wěn)的充填效果。沈陽(yáng)鑄造研究所孫遜等人[16]根據(jù)相似原理設(shè)計(jì)制作了真空吸鑄葉輪鑄件的水力模擬模型，研究了水充填模型型腔過程中型內(nèi)壓力和充型速度變化規(guī)律，通過實(shí)驗(yàn)確定了合理的充型工藝參數(shù)，并將其應(yīng)用于實(shí)際葉輪吸鑄試驗(yàn)中，消除了鑄件內(nèi)的大面積氣孔缺陷。北京航空航天大學(xué)王貴等人[21]通過測(cè)溫試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了真空吸鑄條件下具有特定結(jié)構(gòu)特征的鋁合金試驗(yàn)鑄件的充型和凝固過程基本規(guī)律，該鑄件充型及補(bǔ)縮的基本規(guī)律，表明在當(dāng)前試驗(yàn)條件下，鑄件中的局部厚大部位存在縮松缺陷，而通過局部放置鉻鐵礦砂的方法可以明顯減輕鑄件產(chǎn)生縮松缺陷的傾向。
|2^m CL.r 在真空熔模吸鑄時(shí)型殼必須有足夠的強(qiáng)度和高溫透氣性。Ferreira等人[27]通過模擬和實(shí)驗(yàn)對(duì)照，指明了型殼發(fā)生破裂的溫度。型殼透氣性直接影響型殼內(nèi)部空氣被抽出的快慢，從而影響金屬液充型即吸鑄工藝的穩(wěn)定。研究表明在900℃時(shí)，型殼透氣性約為0.022cm3/g•min時(shí)就能滿足吸鑄工藝的要求；其次是要合理控制凝固時(shí)間。當(dāng)鑄件已完全凝固，而直澆道的金屬液尚未開始凝固時(shí)就應(yīng)立即將真空解除，使得直澆道中的金屬液流回溶池[17]。在吸鑄過程中，臨界凝固時(shí)間與合金液的溫度，模殼溫度，模殼材質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)、整個(gè)系統(tǒng)的散熱條件及內(nèi)澆口截面積大小等因素有關(guān)[29]。
a^&"gGg 2．2 真空低壓鑄造
DL,R~ 真空低壓鑄造法是在加壓充型的過程中對(duì)鑄型抽真空，充型完后保壓使鑄件在恒定壓力下結(jié)晶凝固，鑄件得到充分補(bǔ)縮，因而鑄件組織致密，力學(xué)性能提高。目前國(guó)內(nèi)外多將其應(yīng)用于Al，Mg合金鑄件的精密成形。
@-)S*+8 華中科技大學(xué)的胡敏[4]對(duì)鋁合金消失模真空低壓鑄造的充型特征進(jìn)行了試驗(yàn)研究。通過使用電極觸點(diǎn)法測(cè)試了鋁合金消失模真空低壓鑄造的充型特性，并對(duì)充型時(shí)澆注溫度、真空度、內(nèi)澆道尺寸等工藝因素對(duì)鋁合金充型形態(tài)及充型速度的影響進(jìn)行了研究，得出結(jié)論：消失模真空低壓鑄造中的金屬液的充型形態(tài)與傳統(tǒng)鑄造法不同。充型時(shí)，液體金屬前沿進(jìn)入內(nèi)澆道開始以輻射弧線狀向前推進(jìn)，消失模與金屬液間有一完整連續(xù)界面，真空負(fù)壓、澆注溫度、內(nèi)澆道尺寸等參數(shù)變化直接影響液體金屬前沿弧線形態(tài)及相對(duì)位置。負(fù)壓是影響充型形態(tài)及充型速度的一個(gè)很重要的因素。負(fù)壓的存在，一方面可以使干型砂得到緊實(shí)，增大鑄型的強(qiáng)度；另一方面，可以提高金屬液體的流動(dòng)性，有利于充型。真空度的提高，使充型時(shí)間變短，充型速度加快，有利于充型。但真空度不能過高，否則充型不平穩(wěn)，鑄件質(zhì)量不能保證。澆注溫度是影響充型的另一個(gè)主要因素，澆注溫度越高，鋁合金液體流動(dòng)性越好，充型越快，但過高的澆注溫度會(huì)使液態(tài)Al合金吸氣嚴(yán)重，鑄件的針孔缺陷增大。而且研究也指明澆注系統(tǒng)的尺寸對(duì)充型也有較大影響，在其他條件相同時(shí)，隨內(nèi)澆道面積加大，充型速度增大。此外，氣體流量、模樣的壁厚、涂料的性能等對(duì)鋁合金消失模真空低壓鑄造的充型形態(tài)及充型速度都有較大的影響。
Mt4]\pMUb 2．3 真空差壓鑄造
l^R:W#*+U 真空差壓鑄造工藝主要是通過控制鑄型和坩堝內(nèi)的真空度及鑄型與金屬液面的差壓度來控制充型速度，從而使金屬湖頃利充型。尤適于生產(chǎn)復(fù)雜薄壁鑄件。
bq7+l4CGTv 在壓鑄過程中，模具型腔中氣體的排除是填充理論的主要課題，也是澆口技術(shù)的重要組成部分。所方案。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)真空度對(duì)充型的影響主要有兩個(gè)方面[23]：一是減小了鑄型型腔中的背壓，從而減小了充型時(shí)的阻力。真空度越高，背壓越小，充型越容易。二是真空度為充型壓差建立了一個(gè)較低的壓力起點(diǎn)，真空度越高，越容易建立較大的充型壓差，有利于金屬液的充型，董選普等人[26]的測(cè)試給出了真空度與充型高度的關(guān)系。并比較了真空差壓鑄造和重力鑄造、真空吸鑄的充型能力。與傳統(tǒng)的重力鑄造和真空吸鑄相比，真空差壓鑄造在1mm厚的薄片試樣上體現(xiàn)了很好的充型能力。在鑄件的強(qiáng)度性能上，比真空吸鑄和重力鑄造分別提高約20％～25％，延伸率提高近一倍。陳國(guó)策[24]等人通過分析抽真空截止點(diǎn)的位置對(duì)壓鑄件氣孔的影響，發(fā)現(xiàn)真空壓鑄能有效減少壓鑄件的氣孔，提高鑄件的密度1％以上。抽真空截止點(diǎn)設(shè)定在沖頭快壓射點(diǎn)前15～20mm處較好。所以如何改進(jìn)還有待研究。
6g-jhsW6 華中科技大學(xué)董選普等人[22]首次對(duì)真空差壓鑄造工藝參數(shù)與鑄件充型性能和內(nèi)在質(zhì)量的關(guān)系作了系統(tǒng)的研究，基本掌握了真空度、氣體流量、氣源壓力、澆注溫度等因素對(duì)充型能力影響的規(guī)律，找到優(yōu)化的充型工藝參數(shù)。通過對(duì)真空差壓充填理論的研究，提出了變密度浮射流和沖擊射流充填理論的模型。用壓力傳感器對(duì)真空差壓鑄造工藝曲線進(jìn)行了測(cè)試，對(duì)充型過程的實(shí)際壓力的變化作了準(zhǔn)確的描述。曲線充型段斜率直接說明了充型速度的大小，保壓段的高度表示了凝固過程中的補(bǔ)縮能力。對(duì)于薄壁復(fù)雜鑄件，要求充型段的斜率較大，保壓段的壓力可稍低；對(duì)于壁厚較大的鑄件，充型段的斜率可小些，但保壓壓力必須增大。對(duì)于一般壁厚的復(fù)雜鑄件采用順序充填，對(duì)于大面積、壁厚小于1．5mm的薄壁鑄件采用逆向附壁充填的模式；提出了預(yù)防曲線的措施，得出了金屬液滲透深度的理論表達(dá)式。為進(jìn)一步制定真空壓差鑄造的工藝規(guī)范提供了理論依據(jù)。
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