薄壁鋁合金鑄件的真空差壓鑄造研究

周發杰

【摘 要】介紹了用于薄壁鋁合金鑄件的真空差壓鑄造工藝，具有裝置簡單，充型能力好的特點，對工藝進行了深入研究，工藝壓力時間曲線具有優良的線性關系，具有優異的充型性功能。適用于薄壁鋁合金鑄件的生產。

【關鍵詞】鋁合金；薄壁鑄件；真空差壓鑄造

高性能，復雜薄壁有色合金鑄件是鑄造業復雜的趨勢，在航空航天等基礎產業具有重要地位，現有的精密成型工藝不能滿足復雜薄壁有色合金鑄件的生產要求，本文研究在真空條件下低壓充型的新型高差壓鑄造精密成型工藝，探討了真空差壓鑄造工藝，解決國防與民用工業中小批量的復雜薄壁鋁合金鑄件精密成型問題。

一、復雜薄壁鋁合金鑄件成型技術研究

1.復雜薄壁鋁合金鑄件的基本概念

鑄件的薄壁化是現代鑄造技術的發展方向，復雜薄壁鑄件壁薄小于4mm，難以加工成型，輪廓結構復雜，用氣體鑄造加工方法難以完成。鑄件允許最小壁厚與合金種類密切相關，輕合金鑄件壁厚為2-4mm時，可稱為薄壁鑄件，鋁合金鑄件壁厚小于2mm，可稱為超薄壁鑄件【1】。

復雜薄壁鑄件在鑄件澆筑中，拉普拉斯力對充型的流動狀態有很大的影響。薄壁鑄件傳熱學因素在充型中起重要作用。復雜薄壁類鑄件成型特點是充型面積大，冷卻速度快，金屬液流動通道彎曲，采用重力澆筑難以滿足要求。復雜薄壁鑄件成型工藝應滿足充型速度快，增強補縮能力，選擇合適的鑄型材料等要求。

2.壓力鑄造

壓力鑄造是在壓鑄機壓室內，在高壓作用下快速充填型腔，采用壓鑄工藝生產的鑄件組織精密，鑄件表面光潔，一般壓鑄件可不經加工即可使用，可壓鑄形狀復雜的薄壁鑄件。目前幾乎所有的轎車變速器殼，化油氣殼等都采用鋁壓鑄件。

壓力鑄件是得到高精度鋁合金鑄件的常用工藝，薄壁鋁合金鑄件壓鑄成型工藝是壓鑄工藝的關鍵技術。采用較高的內澆口充填速度，嚴格其他壓鑄工藝，薄壁鋁鑄件壓鑄成品率也只能達到80%，主要因為壓鑄工藝壓鑄模結構復雜，周期長，成本高，傳統壓鑄工藝生產壓鑄缺點是氣孔，降低了壓鑄件的機械性能，金屬液在高速充填中型腔內氣體阻力增大，充填速度損耗增加，薄壁件充填成型凝固時間短。

真空壓鑄法將鑄型型腔內的空氣在金屬液充填錢用真空泵抽出，目前生產的真空壓鑄件經T6處理，充氧壓鑄法是使壓室內的空間充氧置換，液體金屬充填時，噴散鋁液與末排除的氧氣反應，用充氧壓鑄法生產鑄件含氣量為普通壓鑄法的1/10，目前廣泛應用于鋁車輪轂的生產，具有較高的機械性能，用于緊急救援車十分理想。

3.擠壓鑄造

擠壓鑄造工藝在80年代開始在歐洲進行商業化生產，工藝將一定的量的金屬液體澆入金屬型內使之成型與結晶凝固，金屬直接在壓力下結晶凝固，鑄件不會產生氣孔等鑄造缺陷，晶粒細化，得到的擠壓鑄件可進行熱處理。

擠壓鑄造的缺陷是鑄造形狀復雜件有一定限制，與壓鑄相比鑄型壽命短，鑄件有時出現反偏析【2】。

二、真空差壓充型原理

反重力鑄造法是50年代初發展的鑄造新方法，使坩堝內金屬液在氣體壓力作用下，充填鑄型獲得鑄件，反重力鑄造工藝得到了廣泛的應用，能鑄造復雜薄壁鑄件，相繼出現了多種反重力鑄造方法，差壓鑄造反重力精密成型技術具有較大的優勢，但在一些方面仍存在一定的局限性。對在較高溫度下工作的零件尺寸穩定性有不良影響，鋁液表面形成氧化膜帶入鑄型中，影響對鑄件薄壁部位的充填。

在真空條件下低壓充型的真空差壓鑄造工藝，充型與結晶可在不同壓力下進行，解決了一般反重力鑄造工藝存在的氣體反壓力等問題。

高溫金屬液的充型是在外力作用下的復雜流動過程，要求金屬液的充型速度等于常數，

h為金屬型充型時上升高度m，P為坩堝中金屬液面與升液管中金屬液面間所受的壓力差pa，f為充型阻力系數，與鑄件的壁厚，形狀等有關。T為金屬液的充型時間s，γ為金屬液的重力密度，N/mm3.

真空泵導管的流導很小時，抽氣呈粘滯流狀態，其時間與負壓關系可表示為t=t為抽空時間s，p為負壓Mpa，V為真空室容積L。A為與氣體的溫度，管徑及長度等有關的常數。Dp/dt非常數，在真空吸鑄情況下不能得到線性無擾動充型。

壓力容器增壓時，壓力與時間關系為p=p0（1-），p為充氣時間壓力pa，t為重啟時間s，T=RC為充氣時間常數，R為閥門氣阻，C為壓力腔氣容。

在一定條件下，充氣時間與壓力關系可以是很好的線性關系，實現金屬液的平穩充型。

三、真空差壓鑄造試驗

圖1為自制真空差壓裝置原理圖，分為上下真空罐，電阻爐與坩堝放在真空罐中，用升液管與真空罐相連，D，F閥門關閉，從A口抽真空，充型時，關閉C，E閥門，以一定的流量向下真空罐通入氮氣，使鋁合金液充型，關閉D，A閥門。上下罐同時排壓。

4.下真空罐 5.電阻爐

對圖2試樣進行充型試驗，用截面積為20×16mm的橫澆道與φ35mm的直澆道連接，高度為145mm，鋁合金材質為ZL101[w（Si）=6.8%m，w（Mg）=0.45%，w（Fe）=0.21%]鋁合金液達到合適的溫度后，用五毒精煉劑除氣。

四、結果討論

用壓力傳感器對真空壓裝置真空罐壓力-曲線進行測定，真空罐安裝壓力傳感器，用多通道數據采集儀采集數據得到壓力-時間曲線。上室處于抽真空狀態，下室有不同的壓力段。對上下罐同時抽真空，可使得鑄型中氣體排空，消除充型時背壓，對坩堝抽真空可使高溫鋁合金液氫析出，使鋁合金液處于負壓保護下。

將充型階段放在C段可得到線性度良好的壓力時間關系。一般的鋁合金件充型后需要壓保過程，工藝具有快速加壓的過程。

在薄壁鑄件情況下，金屬液凝固速度快，要使得薄壁鑄件完全成型，必須使金屬液凝固錢快速流動，壓差的變化率是影響薄壁鑄件充型的重要因素。

同一真空度下，φ16mm的圓柱試樣在很低的加壓速率情況下能快速充滿，試片越薄，所需差壓速率越大。反之充型高度越低。

真空差壓鑄造中，鑄型與坩堝抽空是工藝的基礎，真空度減小了鑄型腔中的背壓，真空度為充型壓差建立了較低的壓力起點，容易建立較大的充型差壓。

將真空差壓鑄造與重力鑄造等方法進行比較，驗證真空差壓鑄造的充型能力的優越性。真空差壓鑄造在1mm厚的試樣上體現了很好的充型能力，對1mm厚的試片，真空差壓鑄造充型你呢里比真空吸鑄高，重力鑄造充型能力最差。采用真空差壓鑄造是最佳的選擇。差壓鑄造的鋁合金鑄件最小壁厚為2mm，真空差壓鑄造充型能力較一般差壓鑄造好。

五、結語

鑄型真空狀態，金屬液充型中無卷氣的危險，減少了氣孔缺陷。坩堝內金屬液體表面有氮氣保護，能得到干凈的鋁合金液體。薄壁鑄件真空差壓鑄造法充型能力較好，金屬液靠上下真空罐線性度很好的壓差升液，充型工藝參數容易控制。

【參考文獻】

[1]袁文鋒，李克.發動機整體薄壁鋁合金精鑄件真空差壓鑄造[J].航空制造技術，2017（19）：96-100.

[2]潘飛. 超聲施振溫度對真空差壓鑄造鋁合金微觀組織和機械性能的影響[D].南昌航空大學，2016.