鋁合金消失模鑄造技術的研究及應用現狀

馮清梅，譚建波，李增民，李立新

（河北科技大學材料科學與工程學院，河北 石家莊 050018）

消失模鑄造技術因其鑄件的尺寸精度高、表面光潔度高，以及其高生產率、低成本等特點被認為是“21世紀的新型鑄造技術”及“鑄造中的綠色工程”[1，2]。消失模鑄造技術發展到今天趨于完善，在黑色金屬領域已廣泛投入生產，并取得了良好的經濟收益。而隨著汽車工業的發展，鋁合金消失模鑄造技術受到世界各國企業及科研人員的關注。在歐美，日本等一些發達國家廣泛投入工業生產，并取得不小的收益，而我國一些企業雖然也建立了消失模鑄造生產線，雖然取得的一定的經濟效益與社會收益，但我國消失模技術仍存在許多需要探索研究的課題，尤其我國有色合金的消失模鑄造技術與歐美等國家相比存在不小的差距。

1 鋁合金消失模鑄造技術的研究現狀

與砂型鑄造及金屬型鑄造技術相比，鋁合金消失模鑄造技術因其熔煉及澆注溫度的提高，鋁合金密度小等特點，容易產生氣孔、渣孔、澆不足、冷隔等缺陷。各國學者從熔煉，充型，模樣分解，涂料等方面進行研究，并取得了一定的成就。

進入將90年代來，國外消失模鑄造技術迅速發展，逐漸邁入成熟期，無論在黑色金屬還是有色金屬領域都取得了很大的成就，中國對實型鑄造的開發與研究始于20世紀60年代，幾乎與國外同時起步。于70年代末具備試生產條件，發展至80年代已初具規模，與此同時消失模鑄造也在登上了中國舞臺。經過幾十年數多科研工作者的研發，逐漸形成了具有中國特色的消失模鑄造技術。在黑色金屬領域消失模技術已穩步發展，但是鋁合金消失模技術仍處于探索階段，其中消失模吸氣易造成針孔等缺陷成為當前面臨的一大難題[3]。

國內清華大學、哈爾濱工業大學、一汽等單位率先對鋁合金消失模技術做了大量工作進行研究，汽車工業推動鋁合金消失模鑄造技術的發展，其應用前景非常大，但國內鋁合金消失模鑄造技術仍與國外有一定差距。

在鋁合金消失模鑄造充型研究方面；S.Shivkumar[4]研究結果表明澆注系統的設計顯著影響著合金液的充填形態；并指出，水平充型時充填速度先快后慢，而垂直充型則先慢后快再慢。H.S.Lee[5]認為，鋁合金消失模鑄造采用頂注、側注、底注三種方式均可，但其中底注方式充型平穩，有利于氣體排出，應優先考慮選用。魏尊杰[6]研究結果表明：降低聚苯乙烯發氣性，提高涂料層透氣性以及減少涂料層厚度，可以降低金屬液前端的氣隙壓力以及金屬液充型時的流動阻力，提高其充型能力。

關于鋁合金消失模涂料的研究方面，Tseng[7]曾對有關涂料及干砂溫度的變化進行了初步研究，考察了涂料/干砂界面以及干砂內部各點達到最高溫度所需的時間等。C.A.Goria[8]研究結果表明：當涂料層的厚度達到0.3mm時，便具有足夠的強度來保證模樣不發生變形；如果涂料層太厚，涂料層透氣性降低，則易在鑄件表面皺皮、澆不足等缺陷。福特公司David[9]認為為保證金屬液具有較高的充型速度，實現充型完整，消失模鑄造涂料必須要有高的透氣性，并且涂料透氣性對鑄件尺寸精度及冶金質量也有很大影響。

關于鋁合金消失模模樣熱分解研究方面，J Brenne[10]認為聚苯乙烯是以緩慢裂解的方式形成二聚物、三聚物以及少量的單體。模樣分解的氣相產物比液相產物少一個數量級。在660℃～900℃范圍內，模樣發氣量約為（205±25）cm3·g-1。而 suny[11]則認為鋁合金的澆注溫度較低，在實際充型過程中基本只有液相聚苯乙烯。

針對鋁合金消失模鑄件的缺陷，shins R和Leez H等[12]研究消失模鑄造過程中氫氣增加的問題，通過降低壓力進行測試，發現隨著金屬替代聚苯乙烯數量的增加，金屬熔體中氫氣增加；流動長度的增加，氫氣也增加，距鑄件最遠處氫氣量最大。趙忠[13]通過對鋁（鎂）合金消失模鑄造壓力凝固的理論分析，建立數學模型，得出結論在壓力凝固下針孔基本消失。吳國華[14]通過對干砂消失模鑄造鋁合金針孔形成機制的研究，得出結論：采用適當提高澆注溫度和低透氣性涂料，提高真空度來達到減少干砂消失模鑄造鋁合金鑄件的針孔的目的。1991年法國提出加壓凝固Castyral先將此技術投入生產并申請了專利。美國Vulcan公司買斷該專利，并在美國Mercury Castings應用。Castyral工藝是在常壓下澆注鋁合金，然后迅速將壓力容器蓋扣緊，快速建立150psi（1034 kPa），保壓15min。用Castyral工藝生產缸體、缸蓋，鑄件質量得到顯著改善[15]。

近五年來，模擬仿真技術已逐漸用于鑄造領域，并能成功預測消失模鑄鋼件的孔隙率，但因鋁合金凝固區間寬，以及消失模鑄造溫度梯度變化較復雜，致使鋁合金消失模鑄件的孔隙率甚至較大的氣孔都不能有效地進行預測。然而在發達國家利用凝固理論及改進的凝固程序成功的預測了小至幾毫米的氣孔，如圖1所示，并模擬得到冷卻曲線比已經發布的要精確的多[16]。張志蓮[17]采用數值模擬的方法對某鋁合金直列式六缸發動機的消失模充型凝固過程進行模擬，分析充型過程中金屬液流動過程、泡沫氣化過程以及凝固的過程，預測缺陷的產生，找到造成缺陷的根本原因，從而優化了鑄造工藝，達到降低成本的目的。

圖1 實驗模擬鑄件產生氣孔的對比圖

2 鋁合金消失模鑄造技術的應用現狀

國外鋁合金消失模鑄造技術較中國鋁合金消失模鑄造技術要成熟，已廣泛應用于工業生產。在歐洲，1993年德國寶馬汽車公司開始建設一條年產20萬只各種規格鋁合金氣缸蓋的消失模生產線，于1995年5月正式投產，成品率高達90%以上，每天生產約1500個鋁合金氣缸蓋。1986年通用汽車在Massena建成另一條大批量的消失模制模和澆注生產線，為Chevrolet生產鋁合金缸體、缸蓋。隨后通用汽車在肯塔基州的Greenfield建成為Saturn配套的消失模鑄造線，生產鋁合金缸體缸蓋，球鐵曲軸和殼體件，確定了其在消失模領域龍頭老大的地位[18，19]。

隨著汽車行業的迅猛的發展，美國鋁合金消失模鑄造也逐漸占有不可或缺的地位，據2007年最新數據顯示，美國有消失模鑄造企業近百家；其中，鑄鋁20余家，但鋁合金消失模鑄件產量將達到15萬t，超過美國消失模鑄鋼、鑄鐵的總量（13萬t），在消失模鋁合金產量中，應用于汽車行業的約占總量的96%。以下圖片為近期美國在鋁合金消失模鑄造方面取得的成就[20]。圖2為MercuryCastings公司生產的船艇發動機鋁合金6缸缸體和缸蓋，該產品榮獲AFS鑄件金獎。

圖2 鋁合金六缸缸蓋和缸體泡沫模樣

圖3為Willard Industries公司開發復雜鋁合金鑄件，其鑄件外觀質量可與金屬型鑄造件媲美。圖4、圖5為Irish公司生產的鑄件，其中2001年生產的醫療X射線發生器上的363鋁合金散熱片（質量為1.4 kg，尺寸為381mm×50mm×50mm），該鑄件榮獲2001年全美鑄件精品獎（圖3），2003年該公司生產家庭取暖和熱水器燃氣噴嘴，尺寸為203mm×38 mm，質量為1.35 kg，材質為A356鋁合金的。鑄件內腔為環形空殼結構，211個噴焰通孔（r3.2mm×8.6 mm）全部鑄造而成，大大提高了生產效率（圖4）。該產品于2004年獲得AFS鑄件精品獎[21]。

圖3 Willard公司鋁合金鑄件

圖4 鋁合金散熱片

圖5 鑄鋁燃氣噴嘴

與美國鋁合金消失模的發展相比中國在這方面要遜色些，中國消失模鑄造的鑄件多集中在鑄鐵件與鑄鋼件，鑄鋁件不到0.5%，僅僅與百噸左右徘徊。但近幾十年中國一些國營及民營企業在鋁合金消失模的技術的發展上取得了顯著成績，其中2007年陜西法士特集團鑄造公司自制兩條年產萬噸的全自動消失模鑄造生產線，該生產線除浸涂模樣，放置模樣造型與澆注等少數工序有人工操作完成外，其余工序均采用PLC自動控制，是目前國產消失模鑄造生產線中機械自動化水平最高的生產線，基于兩條生產線的成功投入生產并取得較好效益，該公司于2009年又建立了三條全自動生產線，其中一條為引進國外主要設備建成的全自動鋁合金消失模鑄造生產線，大大加快了中國鋁合金消失模鑄造的發展步伐，盡快與國際接軌。與此同時，泊頭天利達機械有限公司于2005年成功鑄造了重達42 t的龍門磨床床身，泊頭市東建鑄造有限公司于2009年順利生產了多件重達75 t的機床鑄件，連續獲得世界新實型鑄件大件之最[22]，溫州甌海實型鑄造有限公司2007年在上海特種鑄造及有色合金展覽會上展出的鋁合金水冷隔套排氣管獲得專家好評，榮獲鑄件金獎（圖6）等等，一些企業同樣獲得令人欣喜的成績。雖然中國消失模鋁合金鑄件產量較少，不過從鑄件的重量及復雜程度看都具有較高的生產技術，相信不久的將來中國消失模鋁合金鑄造同樣會取得驕人的成績。

3 發展前景

圖6 鋁合金水冷隔套排氣管

航空工業、電子工業，以及交通運輸業不斷追求“輕量化”與“精密化”，鋁合金因其良好的物理性能以及鑄造性能，廣泛用于這些領域。同時消失模鑄造技術是一種近無加工余量，精確成形而著稱的鑄造技術，兩者憑借其各自的特點，成為航空工業，電子工業等領域的生力軍，受到國內外各大企業及研究學者的普遍關注。

自從20世紀70年代，在歐美等發達國家消失模鑄造技術相繼投入了生產，生產很多復雜的航空，汽車等零件，取得了一定的經濟效益與社會收益。中國的研究幾乎與國外同時起步，發展至今已經從最初的襯板等簡單鑄件到缸體，閥門等結構復雜精密的鑄件，但與國外相比仍有一定差距，中國消失模鑄造技術仍有很大的進步發展空間。目前國際市場對我國鑄件的需求量不斷增加，給我國鋁合金鑄造創造了機遇，為我國鑄造企業帶來了效益。鋁合金消失模鑄造技術會成為鑄造行業不可忽視的一股力量。

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