鋁合金消失模鑄造技術(shù)的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

馮清梅，譚建波，李增民，李立新

（河北科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050018）

消失模鑄造技術(shù)因其鑄件的尺寸精度高、表面光潔度高，以及其高生產(chǎn)率、低成本等特點被認為是“21世紀的新型鑄造技術(shù)”及“鑄造中的綠色工程”[1，2]。消失模鑄造技術(shù)發(fā)展到今天趨于完善，在黑色金屬領(lǐng)域已廣泛投入生產(chǎn)，并取得了良好的經(jīng)濟收益。而隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，鋁合金消失模鑄造技術(shù)受到世界各國企業(yè)及科研人員的關(guān)注。在歐美，日本等一些發(fā)達國家廣泛投入工業(yè)生產(chǎn)，并取得不小的收益，而我國一些企業(yè)雖然也建立了消失模鑄造生產(chǎn)線，雖然取得的一定的經(jīng)濟效益與社會收益，但我國消失模技術(shù)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(shù)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(shù)的研究現(xiàn)狀

與砂型鑄造及金屬型鑄造技術(shù)相比，鋁合金消失模鑄造技術(shù)因其熔煉及澆注溫度的提高，鋁合金密度小等特點，容易產(chǎn)生氣孔、渣孔、澆不足、冷隔等缺陷。各國學(xué)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(shù)迅速發(fā)展，逐漸邁入成熟期，無論在黑色金屬還是有色金屬領(lǐng)域都取得了很大的成就，中國對實型鑄造的開發(fā)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(chǎn)條件，發(fā)展至80年代已初具規(guī)模，與此同時消失模鑄造也在登上了中國舞臺。經(jīng)過幾十年數(shù)多科研工作者的研發(fā)，逐漸形成了具有中國特色的消失模鑄造技術(shù)。在黑色金屬領(lǐng)域消失模技術(shù)已穩(wěn)步發(fā)展，但是鋁合金消失模技術(shù)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(dāng)前面臨的一大難題[3]。

國內(nèi)清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、一汽等單位率先對鋁合金消失模技術(shù)做了大量工作進行研究，汽車工業(yè)推動鋁合金消失模鑄造技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用前景非常大，但國內(nèi)鋁合金消失模鑄造技術(shù)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(jié)果表明澆注系統(tǒng)的設(shè)計顯著影響著合金液的充填形態(tài)；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(cè)注、底注三種方式均可，但其中底注方式充型平穩(wěn)，有利于氣體排出，應(yīng)優(yōu)先考慮選用。魏尊杰[6]研究結(jié)果表明：降低聚苯乙烯發(fā)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(guān)于鋁合金消失模涂料的研究方面，Tseng[7]曾對有關(guān)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(nèi)部各點達到最高溫度所需的時間等。C.A.Goria[8]研究結(jié)果表明：當(dāng)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(fā)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(xiàn)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(zhì)量也有很大影響。

關(guān)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(chǎn)物比液相產(chǎn)物少一個數(shù)量級。在660℃～900℃范圍內(nèi)，模樣發(fā)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(fā)現(xiàn)隨著金屬替代聚苯乙烯數(shù)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(shù)學(xué)模型，得出結(jié)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(jié)論：采用適當(dāng)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(shù)投入生產(chǎn)并申請了專利。美國Vulcan公司買斷該專利，并在美國Mercury Castings應(yīng)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(chǎn)缸體、缸蓋，鑄件質(zhì)量得到顯著改善[15]。

近五年來，模擬仿真技術(shù)已逐漸用于鑄造領(lǐng)域，并能成功預(yù)測消失模鑄鋼件的孔隙率，但因鋁合金凝固區(qū)間寬，以及消失模鑄造溫度梯度變化較復(fù)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(yù)測。然而在發(fā)達國家利用凝固理論及改進的凝固程序成功的預(yù)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(jīng)發(fā)布的要精確的多[16]。張志蓮[17]采用數(shù)值模擬的方法對某鋁合金直列式六缸發(fā)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(yù)測缺陷的產(chǎn)生，找到造成缺陷的根本原因，從而優(yōu)化了鑄造工藝，達到降低成本的目的。

圖1 實驗?zāi)M鑄件產(chǎn)生氣孔的對比圖

2 鋁合金消失模鑄造技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

國外鋁合金消失模鑄造技術(shù)較中國鋁合金消失模鑄造技術(shù)要成熟，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。在歐洲，1993年德國寶馬汽車公司開始建設(shè)一條年產(chǎn)20萬只各種規(guī)格鋁合金氣缸蓋的消失模生產(chǎn)線，于1995年5月正式投產(chǎn)，成品率高達90%以上，每天生產(chǎn)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(chǎn)線，為Chevrolet生產(chǎn)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(chǎn)鋁合金缸體缸蓋，球鐵曲軸和殼體件，確定了其在消失模領(lǐng)域龍頭老大的地位[18，19]。

隨著汽車行業(yè)的迅猛的發(fā)展，美國鋁合金消失模鑄造也逐漸占有不可或缺的地位，據(jù)2007年最新數(shù)據(jù)顯示，美國有消失模鑄造企業(yè)近百家；其中，鑄鋁20余家，但鋁合金消失模鑄件產(chǎn)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(chǎn)量中，應(yīng)用于汽車行業(yè)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(chǎn)的船艇發(fā)動機鋁合金6缸缸體和缸蓋，該產(chǎn)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(fā)復(fù)雜鋁合金鑄件，其鑄件外觀質(zhì)量可與金屬型鑄造件媲美。圖4、圖5為Irish公司生產(chǎn)的鑄件，其中2001年生產(chǎn)的醫(yī)療X射線發(fā)生器上的363鋁合金散熱片（質(zhì)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(chǎn)家庭取暖和熱水器燃氣噴嘴，尺寸為203mm×38 mm，質(zhì)量為1.35 kg，材質(zhì)為A356鋁合金的。鑄件內(nèi)腔為環(huán)形空殼結(jié)構(gòu)，211個噴焰通孔（r3.2mm×8.6 mm）全部鑄造而成，大大提高了生產(chǎn)效率（圖4）。該產(chǎn)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(fā)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(yè)在鋁合金消失模的技術(shù)的發(fā)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(chǎn)萬噸的全自動消失模鑄造生產(chǎn)線，該生產(chǎn)線除浸涂模樣，放置模樣造型與澆注等少數(shù)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(chǎn)消失模鑄造生產(chǎn)線中機械自動化水平最高的生產(chǎn)線，基于兩條生產(chǎn)線的成功投入生產(chǎn)并取得較好效益，該公司于2009年又建立了三條全自動生產(chǎn)線，其中一條為引進國外主要設(shè)備建成的全自動鋁合金消失模鑄造生產(chǎn)線，大大加快了中國鋁合金消失模鑄造的發(fā)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(chǎn)了多件重達75 t的機床鑄件，連續(xù)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(yè)同樣獲得令人欣喜的成績。雖然中國消失模鋁合金鑄件產(chǎn)量較少，不過從鑄件的重量及復(fù)雜程度看都具有較高的生產(chǎn)技術(shù)，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(fā)展前景

圖6 鋁合金水冷隔套排氣管

航空工業(yè)、電子工業(yè)，以及交通運輸業(yè)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(lǐng)域。同時消失模鑄造技術(shù)是一種近無加工余量，精確成形而著稱的鑄造技術(shù)，兩者憑借其各自的特點，成為航空工業(yè)，電子工業(yè)等領(lǐng)域的生力軍，受到國內(nèi)外各大企業(yè)及研究學(xué)者的普遍關(guān)注。

自從20世紀70年代，在歐美等發(fā)達國家消失模鑄造技術(shù)相繼投入了生產(chǎn)，生產(chǎn)很多復(fù)雜的航空，汽車等零件，取得了一定的經(jīng)濟效益與社會收益。中國的研究幾乎與國外同時起步，發(fā)展至今已經(jīng)從最初的襯板等簡單鑄件到缸體，閥門等結(jié)構(gòu)復(fù)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(shù)仍有很大的進步發(fā)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(chuàng)造了機遇，為我國鑄造企業(yè)帶來了效益。鋁合金消失模鑄造技術(shù)會成為鑄造行業(yè)不可忽視的一股力量。

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