輕合金薄壁件鑄造成形技術

羅艷歸 鄒采棟

摘 要：概述了輕合金薄壁件的性能特點；介紹了輕合金薄壁件精確鑄造成形技術，主要介紹了石膏型、熔模鑄造、壓力鑄造及反重力鑄造技術，以及這些鑄造在技術輕合金薄壁件精確成形方面的優缺點和發展情況。

關鍵詞：輕合金薄壁件 鑄造技術 精確成形

中圖分類號：TG376 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）05（a）-0101-01

國內外航空航天、汽車船舶等行業為了追求輕量化目的，已經采用高性能輕合金材料，如鋁、鎂、鈦等合金[l-3]，同時在結構設計上采用輕量化結構，例如薄壁結構、整體和帶筋結構等。這類輕合金工件采用精密鑄造技術制造是非常高效的。這類輕合金鑄件一般具有如下特點：（1）結構復雜：輪廓結構復雜，內部多腔，用其他制造或機械加工方法難以完成；（2）薄壁：鑄件最小壁厚較小，局部甚至薄至2mm以下；（3）尺寸精度高：鑄件的內腔和外形一次成形，鑄件接近零部件的最終形狀，可以少加工或不加工。（4）鑄件質量性能高：其質量性能達到I類鑄件要求。

1 石膏模鑄造

石膏模鑄造的鑄件具有尺寸精度高、表面光潔及殘留應力低的優點，同時具有復制模樣精確，熱導率低，易完整成形薄壁部位的特點，可鑄出壁厚為0.5mm的鑄件。然而，石膏型鑄造也有以下缺點：石膏型傳熱能力差，當鑄造壁厚較大的鑄件時，厚大處容易出現縮松、縮孔等缺陷；透氣性極差，鑄件易形成氣孔、嗆火等缺陷[4]。在20世紀80年代初，國內兵器工業第七零研究所采用石膏模成功地生產出了壓氣機葉輪鋁合金鑄件產品，且成品率達到85%以上[5]。美國泰克（TEC）公司采用熔模石膏型鑄造生產出了薄壁復雜的優質鋁合金整體鑄件，其尺寸精度一般可達±0.254mm，最高可達±0.076mm，最小壁厚可以達到0.8mm[6]。

2 壓力鑄造

壓力鑄造（HPDC）是用于鑄造鎂合金和鋁合金的最常規工藝，該工藝在設計和制造方面有許多靈活性的特點，加上鎂合金和鋁合金優異的充型性使其能夠經濟地用于生產大型、薄壁和復雜鑄件。第一個工業化生產的雪佛蘭Corvette Z06車整體壓鑄鎂支架僅重l0.5kg，比被代替的鋁支架減重35%[7]。盡管生產率高，但輕金屬常規壓力鑄造的最大缺點是疏松，因為液體金屬高速注入壓鑄型過程中，金屬液卷入的氣體留在鑄件中導致疏松。

2.1 真空壓鑄

真空壓鑄是一種在壓鑄過程中抽除壓鑄模具型腔內的氣體而消除或顯著減少壓鑄件內的氣孔和溶解氣體，從而提高壓鑄件力學性能和表面質量的先進壓鑄工藝，這種工藝在壓射之前，能降低壓射室和鑄型型腔的壓力，沒有空氣裹夾在鑄件中，能夠制造出顯著改進性能的相當大的薄壁鑄件。當前用真空壓鑄工藝生產的目標鑄件是需要氣密性和通過熱處理獲得良好力學性能的鑄件。真空壓鑄拓寬了常規壓鑄的能力，同時保持了其經濟性的益處。北美的鋁合金真空壓鑄已經非常流行，20%以上的鑄造企業具有真空壓鑄生產能力[8]。

2.2 半固態壓鑄

半固態金屬漿料由于其初生晶粒通常以近球狀形式存在，故而具有較好的流變性和觸變性，故而可用于壓鑄工藝中。半固態壓鑄便是在高壓的作用下，使半固態漿料在半固態溫度下以較高的速度充填壓鑄型型腔，并在保持壓力的條件下成形和凝固。半固態壓鑄的特點主要是高壓和高速充填壓鑄型。根據工藝的不同半固態壓鑄通常分為兩種：第一種是將半固態漿料直接壓射至型腔里形成制件，稱為流變壓鑄；第二種是將半固態漿料預先制成一定大小的錠塊，需要時再重新加熱到半固態溫度，然后送人壓室進行壓鑄，稱為觸變壓鑄[9]。與傳統全液態壓鑄技術相比，半固態壓鑄成型減少了凝固過程中的收縮量，提高了鑄件尺寸精度，適于生產復雜件；鑄件柱狀晶和粗大的樹枝晶得以消除，鑄件組織細密均勻，缺陷和宏觀偏析明顯減少；此外減小了型腔熱沖擊，提高了壓鑄型及壓射室的使用壽命[10-12]。

3 反重力鑄造

反重力鑄造技術是金屬液在與重力方向相反的充填驅動力的作用下，金屬液沿重力的相反方向充填型腔。外加的充填驅動力在金屬液充填過程中是主導力，它使金屬液克服其自身重力、型腔內阻力等作用力完成充填鑄型。反重力鑄造成型是一種可控的工藝，在金屬液充填型腔的過程中，可以控制外加力的大小以實現不同速度的充填，滿足不同工藝的要求；同時，鑄件在較大壓力的作用下凝固，可以提高金屬液的補縮能力，降低了縮孔、氣孔和針孔等鑄造缺陷。根據金屬液充填鑄型施加壓力形式的不同，反重力鑄造又可以分為低壓鑄造、差壓鑄造、調壓鑄造等。

3.1 低壓鑄造

低壓鑄造是使液體金屬在較低的壓力作用下充填型腔，以形成鑄件的一種方法。其具有以下優點：充填過程中液流平穩，壓力變化平緩，可避免湍流而引起的氧化和吸氣。例如電磁泵低壓鑄造，在鑄造過程中金屬液經過強磁場作用，對改善鑄件的組織性能有積極的作用；可精確控制流量及加壓范圍、反應迅速準確[13]。該工藝重復性極好；不需要額外加壓縮空氣，并可在保護氣氛下工作，從而減少氣體浸入，防止金屬液的二次污染，減少氣孔等缺陷的產生。

3.2 差壓鑄造

差壓鑄造是由低壓鑄造衍生出來的一種鑄造方法，其主要是在鑄型外增加了一個密封罩，同時在密封罩內通入壓縮空氣，使金屬液在一定壓力下成形[14-15]。金屬液充型過程中，保溫爐中氣體的壓力大于鑄型中氣體的壓力，使爐內的金屬液在壓力差的作用下充填鑄型，如低壓鑄造時那樣實現金屬液的充型、保壓和增壓。差壓鑄造由于鑄件是在更高的壓力作用下結晶凝固的，所以其致密度更高。

3.3 調壓鑄造

調壓鑄造是使型腔和金屬液處于真空狀態并對金屬液保溫并保持負壓；充型過程中，通過增加下壓室的壓力，將坩堝中的金屬液壓入處于真空狀態的型腔內，充型過程結束后迅速對兩壓室加壓，使金屬液在一定壓力條件下凝固成形。調壓鑄造吸收了傳統反重力鑄造方法的優點并加以改善，彌補了現有技術的不足，實現了薄壁充型能力及冶金品質的雙方面提升。與普通差壓鑄造相比，其充型過程更加平穩，充型能力更加優秀，因而可用于鑄造壁厚更薄、機械性能要求更高的大型薄壁鑄件，適用于大型復雜薄壁鑄件的生產。與其他類型的反重力鑄造技術相比，調壓鑄造技術有三個重要特征和功能：一真空除氣；二負壓充型；三調壓凝固[16-17]。

4 結語

隨著制造科技的發展，鑄造技術正在向輕量化、薄壁化、復雜化、功能化的方向發展。精確鑄造成形技術發展迅速，日新月異。極端條件下的如大型、復雜、薄壁鑄件的鑄造是鑄造技術發展的重要領域。為了獲得性能更好的鑄件，以適應社會的發展，還需要在鑄造技術上進行創新，開發更好更精良的鑄造新技術。

參考文獻

[1] 中國科學技術協會，中國機械工程學會.機械工程學科發展報告[M].北京：中國科學技術出版社，2009.

[2] LI L，ZHOU J， DUSZCZYK J. Determination of a constitutive relationship for AZ31B magnesium alloy and validation through comparison between simulated and real extrusion[J].J. Mater.Process.Tech，2005，172（3）：372-380.

[3] 鄭亞虹，王自東.復雜薄壁精密鋁合金鑄件鑄造技術進展[J].鑄造，2010（8）：796-799.