鋁/鎂合金特種精密鑄造技術(shù)的研究進展及發(fā)展趨勢

蔣文明，樊自田

華中科技大學材料成形與模具技術(shù)國家重點實驗室 湖北武漢 430074

1 序言

鋁合金、鎂合金是工程應(yīng)用中密度較小的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有比強度和比剛度高、導熱性好、尺寸穩(wěn)定、減振降噪能力突出、電磁屏蔽性好，以及優(yōu)異的鑄造、切削加工性能，且易于回收，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、通信電子和軍工等領(lǐng)域[1，2]。隨著上述行業(yè)的迅速發(fā)展，新一代飛機、高推重比航空發(fā)動機、機載設(shè)備、汽車零部件以及新一代武器裝備對其結(jié)構(gòu)重量要求十分苛刻，要求零部件大量采用輕質(zhì)鋁合金、鎂合金材料，零部件的結(jié)構(gòu)也向整體化、復雜化和精密化的方向發(fā)展，因此對大型復雜薄壁鋁合金、鎂合金精密鑄件的需求越來越大、性能要求越來越高[3，4]。

鋁/鎂合金精密鑄件通常采用砂型鑄造、金屬型鑄造、壓力鑄造、擠壓鑄造、消失模鑄造等鑄造技術(shù)進行生產(chǎn)[5-7]。鋁/鎂合金材料在鑄造過程中具有吸氣嚴重、氧化燃燒加劇、補縮困難等問題，導致鋁/鎂合金充型困難、致密性差、力學性能偏低等問題，尤其對于大型復雜薄壁鋁/鎂合金精密鑄件，上述問題更為突出，壓力鑄造、擠壓鑄造、消失模鑄造等特種精密鑄造技術(shù)對解決上述問題具有一定優(yōu)勢。本文將闡述鋁/鎂合金壓力鑄造、擠壓鑄造和消失模鑄造等特種精密鑄造技術(shù)的最新研究進展，以期為鋁/鎂合金精密鑄件成形提供一定參考。

2 鋁/鎂合金壓力鑄造技術(shù)

壓力鑄造具有成形精度高、生產(chǎn)效率高、鑄件力學性能良好等優(yōu)點，越來越廣泛地應(yīng)用于汽車零部件制造領(lǐng)域[8，9]。然而，由于普通壓力鑄造是熔體在高壓、高速下快速填充模具型腔，型腔中的氣體來不及排出，從而在鑄件內(nèi)部易形成氣孔等缺陷，因此壓鑄件通常無法進行固溶熱處理及焊接加工，這嚴重阻礙了壓鑄件的更廣泛應(yīng)用。為了解決此問題，目前國內(nèi)外有兩個途徑：一是改進現(xiàn)有設(shè)備，特別是對三級壓射機構(gòu)的壓射機，控制壓射速度、壓力，控制模型內(nèi)的氣體卷入數(shù)量；二是發(fā)展特殊壓鑄工藝，如真空壓鑄、充氧壓鑄、半固態(tài)壓鑄等[10]。下面介紹幾種壓力鑄造的新技術(shù)和方法。

2.1 高真空壓鑄技術(shù)

高真空壓鑄是在普通壓鑄的基礎(chǔ)上，采用輔助的高真空控制系統(tǒng)、真空泵、真空截止閥等裝置，在金屬液填充模具型腔之前，將型腔中的氣體抽出，使模具型腔中形成較高的真空度，并保持至填充結(jié)束[8，10]。

在高真空壓鑄過程中，型腔處于真空狀態(tài)，紊流的金屬液不再會卷入氣體形成氣孔，從根本上消除了壓鑄零件氣孔的成因。因此，鑄件含氣量得到降低，氣孔率下降，致密度提高；鑄件的整體力學性能得到改進，抗拉強度、伸長率、硬度和密度均有所提高；同時可以滿足熱處理、焊接及耐壓試驗等要求。高真空壓鑄工藝一般要求壓射過程中型腔有效真空壓力＜5kPa，以大幅度減少鑄件中氣孔的存在，滿足后續(xù)熱處理及焊接工藝的要求[9，10]。

高真空壓鑄的關(guān)鍵是能在很短的時間內(nèi)獲得高真空。為此，必須在鑄型結(jié)合處建立良好的密封系統(tǒng)，在真空建立時有阻止金屬液流入真空管道的真空閉鎖閥。其中，最為關(guān)鍵的核心裝備是真空截止閥和真空壓鑄控制系統(tǒng)。真空壓鑄用真空截止閥具有的功能是能夠迅速排除模具型腔內(nèi)的氣體，并在排除型腔氣體后能及時關(guān)閉分離抽真空系統(tǒng)與模具，以防止金屬液進入真空抽氣管道造成堵塞。

華中科技大學研發(fā)了NHVDC 型壓鑄用多向抽真空裝置，是一種可以同時在型腔、壓室和模架三個方向上抽真空的真空壓鑄輔助裝置。相比傳統(tǒng)的單一從型腔抽真空，該系統(tǒng)裝置提高了抽氣效率。上海交通大學王雪楊等[11]研究了真空壓鑄鎂合金減振塔的組織和性能，表明壓鑄AE44鎂合金減振塔沿厚度方向微觀組織分為3個區(qū)域，細晶層由細小α-Mg和共晶組織組成；缺陷帶分布在試樣兩側(cè)，相對于其他區(qū)域，缺陷帶內(nèi)共晶組織體積分數(shù)較高；中心區(qū)域α-Mg主要有細小等軸晶和大塊枝晶兩種形貌，大塊枝晶形成在壓室內(nèi)，且主要分布在中心區(qū)域。此外，減振塔的平均抗拉強度最小值為215MPa、最大值為232MPa，波動較?。簧扉L率在8.4%左右。

圖1所示為高真空壓鑄件和普通真空壓鑄件對比照片。圖2所示為通用汽車公司生產(chǎn)的鋁減振塔鑄件和鎂門內(nèi)鑄件。圖3所示為特斯拉公司采用先進壓鑄技術(shù)生產(chǎn)的大型鋁鑄件。

圖1 高真空壓鑄件和普通真空壓鑄件對比

圖2 通用汽車公司生產(chǎn)的鋁/鎂合金鑄件

圖3 特斯拉大型鋁鑄件

未來，壓力鑄造技術(shù)的研究將集中在鋁/鎂合金鑄件的發(fā)展，以實現(xiàn)更薄壁（接近1mm）、更大鑄件生產(chǎn)，通過合金開發(fā)、先進的工藝仿真和優(yōu)化以及優(yōu)化使用真空通道真空壓鑄過程的水模擬試驗等技術(shù)手段[1]。

2.2 充氧壓鑄技術(shù)

充氧壓鑄是將干燥的氧氣充入壓室和壓鑄模型腔，以取代其中的空氣和其他氣體，其原理如圖4所示。當鋁合金壓入壓室和壓鑄模腔時與氧氣發(fā)生化合生成Al2O3，形成均勻分布的Al2O3小顆粒（直徑在1μm以下），從而減少或消除了氣孔，提高了壓鑄件的致密性。這些小顆粒分散在壓鑄件中，占總質(zhì)量的0.1%～0.2%，不影響機械加工。充氧壓鑄僅適用于鋁合金[10]。

圖4 充氧壓鑄工藝原理

由于充氧壓鑄消除或減少了壓鑄件內(nèi)部的氣孔，因此鋁合金強度可提高10%、伸長率增加1.5～2倍，壓鑄件可進行熱處理；且Al2O3有防腐蝕作用，充氧壓鑄件可在200～300℃的環(huán)境下工作；與真空壓鑄相比，充氧壓鑄的結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、投資少。但充氧壓鑄也有以下局限性。

1）必須使用膠體石墨系列的水溶性脫模/潤滑劑或固體粉末。

2）氧氣置換和除去水分的時間稍長。

3）對壓射室及沖頭要防止粘模及吃入飛邊。

4）鑄造合金中Fe、Mn含量要適當。

5）在熔液與氧氣完全反應(yīng)下，鑄造條件優(yōu)化較難[10]。

KANG等[12]對充氧壓鑄技術(shù)與傳統(tǒng)壓鑄技術(shù)制備的Mg-Al系合金進行對比，發(fā)現(xiàn)充氧壓鑄技術(shù)可使氧原子和鎂原子結(jié)合為氧化鎂，在壓力和流動條件下呈彌散分布，為α-Mg提供形核質(zhì)點，從而細化Mg-Al系合金晶粒尺寸；此外，Mg-Al系合金鑄件中氣孔缺陷也明顯減少。

2.3 半固態(tài)壓鑄技術(shù)

半固態(tài)鑄造成形是在液態(tài)金屬凝固過程中進行攪拌，使普通鑄造凝固易于形成的樹枝晶網(wǎng)絡(luò)骨架被打碎而形成分散的顆粒狀組織形態(tài)，從而制得半固態(tài)金屬漿料，然后將其鑄成坯料或壓成鑄件[13]。半固態(tài)鑄造成形技術(shù)可分為半固態(tài)流變壓鑄和半固態(tài)觸變壓鑄，如圖5所示，其原理如圖6所示。

圖5 半固態(tài)鑄造成形過程

圖6 半固態(tài)流變壓鑄成形原理

李東南等[14]研究了半固態(tài)流變壓鑄AZ91D合金的組織與性能。研究表明，半固態(tài)壓鑄使α-Mg從枝晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒狀，使得半固態(tài)流變壓鑄AZ91D合金的抗拉強度和伸長率分別從138MPa和3.2%提升到185MPa和4.6%。圖7所示為采用半固態(tài)鑄造成形的零件。

圖7 半固態(tài)鑄造成形零件

2.4 鑄鍛雙控成形技術(shù)

鑄鍛雙控成形技術(shù)是針對壓鑄、重力鑄造存在的鑄造缺陷而提出的一種成形方法。它是將鑄造和鍛造兩種成形方式先后在同一模具、同一生產(chǎn)過程一次完成零件的生產(chǎn)，其成形過程如圖8所示[15，16]。

圖8 鑄鍛雙控成形示意

鑄鍛雙控成形的效率高，既能成形鑄造合金又能成形變形合金，成形過程中短時保壓靜置時間的長短能夠決定制件被鍛造時的狀態(tài)，靜置時間較短時，制件處于液態(tài)，經(jīng)鍛造制件的合金組織更加致密；靜置時間較長時，制件合金處于固態(tài)，經(jīng)鍛造合金內(nèi)部組織發(fā)生了明顯的塑性變形，制件的力學性能相對于鑄件有明顯的提高，其性能接近于鍛件。該成形方法不僅能解決壓鑄不能生產(chǎn)厚壁件、力學性能低且不能熱處理強化的缺點，又能解決重力鑄造效率和力學性能低等缺點[17，18]。

李偉東等[15]研究了鍛造壓力對鑄鍛復合成形A356鋁合金鑄鍛件組織及性能的影響。當鍛造壓力為120MPa時，未經(jīng)熱處理的鑄鍛件的抗拉強度和伸長率分別為216MPa、16.7%；當鍛造壓力為60MPa時，經(jīng)T6熱處理的鑄鍛件的抗拉強度最大值能達到320MPa，伸長率為11.6%。李廣德等[19]研究了澆注溫度和鍛造壓力對鑄鍛復合成形AZ80Ce 鎂合金汽車轉(zhuǎn)向控制臂顯微組織和力學性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨澆注溫度升高或鍛造壓力增大，試樣的沖擊吸收能量逐漸增大，晶粒逐漸變小、均勻，顯微組織逐漸改善。圖9所示為鑄鍛雙控成形鎂合金輪轂零件。

圖9 鑄鍛雙控成形鎂合金輪轂零件

3 鋁/鎂合金擠壓鑄造技術(shù)

擠壓鑄造技術(shù)（Squeeze Casting），也稱液態(tài)模鍛（Liquid Die Forging），是一種將一定量金屬熔液直接注入開式的金屬模膛內(nèi)，隨之封閉模膛，對其施以靜壓力，以實現(xiàn)流變充填、高壓凝固和少量塑性變形，最終獲得優(yōu)質(zhì)制件的金屬加工過程[20]。它兼具鑄造和鍛造優(yōu)點的短流程、高效、近凈成形技術(shù)[21]。擠壓鑄造壓力可提高金屬熔體充型、補縮能力，對合金的鑄造性能要求較低、選材范圍廣，適用于大部分鑄造和變形合金，近年來尤其在鋁合金和鎂合金材料上得到了廣泛應(yīng)用。

依據(jù)擠壓鑄造過程中所施加壓力的作用方式，擠壓鑄造工藝主要分為直接擠壓鑄造和間接擠壓鑄造兩大類[22，23]，如圖10所示。

圖10 擠壓鑄造工藝的分類

直接擠壓鑄造類似于鍛造工藝，擠壓力直接作用在金屬液上，壓力傳遞路程短，液態(tài)金屬承受的等靜壓大，高壓凝固效應(yīng)顯著，一般適于形狀不太復雜的厚壁鑄件。間接擠壓鑄造是在擠壓沖頭的作用下使金屬液通過澆道充型[24]。

間接擠壓鑄造工藝大致與壓鑄工藝接近，但其擠壓力較大、充型速度相對較小，制件形狀由合模后形成的型腔來保證。沖頭的作用將液態(tài)金屬擠入型腔。金屬液充填結(jié)束后，維持一段保壓時間，此時壓力通過余料端和內(nèi)澆口金屬，將壓力傳遞至制件上。由于傳遞壓力有限，其適用于批量大、形狀較復雜或小尺寸零件的生產(chǎn)[25]。

陳露等[26]研究了重力鑄造和擠壓鑄造成形工藝和熱處理工藝對Mg-5Zn-2.5Cu-0.4Zr熱物理性能的影響。擠壓鑄造相比重力鑄造對于合金的熱導率有小幅提升，從128.22W/（m?K）提升至130.35W/（m?K），但熱膨脹系數(shù)從22.03×10-6K-1升高至23.39×10-6K-1。擠壓鑄造和T1熱處理共同作用能夠?qū)崿F(xiàn)熱導率和熱膨脹性能的同步優(yōu)化。SHASTRI等[27]研究了重力鑄造、擠壓鑄造和高壓壓鑄3種鑄造工藝對AZ91合金組織和性能的影響規(guī)律。擠壓鑄造工藝可明顯細化枝晶臂間距，改善析出相形貌，減少縮松、縮孔等缺陷，顯著提高鎂合金的致密性。

隨著擠壓鑄造技術(shù)的快速發(fā)展，一些擠壓鑄造新技術(shù)不斷出現(xiàn)，如雙重擠壓鑄造、半固態(tài)擠壓鑄造等。其中，雙重擠壓鑄造結(jié)合了間接擠壓鑄造和直接擠壓鑄造工藝的特點，依靠間接擠壓工藝成形毛坯，采用直接擠壓工藝壓實鑄件，可生產(chǎn)內(nèi)部組織致密、形狀及尺寸精確的較復雜鑄件。半固態(tài)擠壓鑄造是將含有球晶或近球晶固相的固液混合物在凝固溫度范圍內(nèi)進行擠壓鑄造，可分為流變擠壓鑄造和觸變擠壓鑄造。圖11所示為擠壓鑄造成形的鋁合金和鎂合金零件。

圖11 擠壓鑄造零件

4 鋁/鎂合金特種消失模鑄造技術(shù)

鋁/鎂合金特種消失模鑄造技術(shù)，是為了解決鋁/鎂合金普通消失模鑄造過程中充型澆注、氧化燃燒、針孔等問題，提高消失模鑄造零件的性能，目前正在研究開發(fā)以下幾種特種消失模鑄造技術(shù)。

4.1 真空低壓消失模鑄造技術(shù)

真空低壓消失模鑄造技術(shù)是將真空消失模鑄造與低壓鑄造有機地結(jié)合起來，綜合了低壓鑄造與真空消失模鑄造的技術(shù)優(yōu)勢，在可控的氣壓下完成充型過程，大幅提高了合金的充型能力；與壓鑄相比，設(shè)備投資小、成本低、鑄件可熱處理強化；而與砂型鑄造相比，鑄件的精度高、表面粗糙度值低、生產(chǎn)率高、性能好；在反重力作用下，直澆口成為補縮短通道，澆注溫度的損失小，液態(tài)合金在可控的壓力下進行補縮凝固，合金鑄件的澆注系統(tǒng)簡單有效、成品率高、組織致密；需要的澆注溫度低，適合于多種有色合金澆注成形[28，29]。其原理如圖12所示。

圖12 真空低壓消失模鑄造工作原理

圖13所示為采用兩種不同消失模鑄造工藝獲得的電動機殼體（最小壁厚2.5mm）鑄件。從圖13可看出，采用真空低壓消失模鑄造可成形出形狀完好、輪廓清晰的鎂合金電動機鑄件，而采用重力消失模鑄造時，鑄件不能完全充型，出現(xiàn)了嚴重的澆不足缺陷[30]。

圖13 不同鑄造工藝獲得電動機殼體鎂合金鑄件對比

4.2 壓力消失模鑄造技術(shù)

壓力消失模鑄造技術(shù)是消失模鑄造技術(shù)與壓力凝固結(jié)晶技術(shù)相結(jié)合。其原理是在帶砂箱的壓力罐中，澆注金屬液使泡沫模氣化消失后，迅速密封壓力罐，并通入一定壓力的氣體，使金屬液在壓力下凝固結(jié)晶成形的鑄造方法。這種鑄造技術(shù)的特點是能夠顯著減少鑄件中的縮孔、縮松及氣孔等鑄造缺陷，提高鑄件致密度，改善鑄件力學性能。壓力下凝固時，外力對枝晶間液相金屬的擠濾作用以及使初凝枝晶發(fā)生顯微變形，可大幅提高冒口補縮能力，使鑄件內(nèi)部縮松得到改善；加壓凝固還會使氫析出需更高的內(nèi)壓力才能形核形成氣泡，抑制針孔的形成，同時壓力增加了氣體在固相合金中的溶解度，使可能析出的氣泡減少[31，32]。其原理如圖14所示。

圖14 壓力消失模鑄造原理

圖15所示為外加壓力對試樣孔隙率和密度的影響規(guī)律。從圖15可看出，當外加壓力達到0.5MPa時，ZL101鋁合金消失模鑄件的針孔基本消失。壓力繼續(xù)提高，鑄件密度提高趨緩。

圖15 外加壓力對ZL101試樣孔隙率和密度的影響規(guī)律

圖16所示為不同外加壓力對ZL101鋁合金抗拉強度與伸長率的影響。隨著外加壓力的增大，試樣的抗拉強度、伸長率逐漸提高。當0.5MPa壓力下凝固的ZL101鋁合金試樣與常壓下消失模鑄造試樣比較，抗拉強度從137MPa提高到了177MPa，提高33.9%。

圖16 外加壓力對ZL101試樣抗拉強度與伸長率的影響

4.3 振動消失模鑄造技術(shù)

在消失模鑄造過程中施加一定頻率和振幅的振動，使鑄件在振動場的作用下凝固。由于消失模鑄造凝固過程中對金屬液施加了振動，振動力使液相與固相間產(chǎn)生相對運動，從而使枝晶破碎，增加液相內(nèi)結(jié)晶核心，使鑄件最終凝固組織細化、補縮提高，力學性能改善。該技術(shù)可利用消失模鑄造中現(xiàn)成的緊實振動臺，通過振動電動機產(chǎn)生的機械振動，使金屬液在動力激勵下生核，達到細化組織的目的，是一種操作簡便、成本低廉、無環(huán)境污染的特種消失模鑄造新方法[33，34]。消失模鑄造振動凝固試驗臺如圖17所示。

圖17 消失模鑄造振動凝固試驗臺

圖18所示為750℃澆注時不同振動頻率ZL101鋁合金消失模鑄造振動凝固與無振動的金相組織比較。在ZL101鋁合金消失模凝固過程中進行不同頻率的垂直振動，組織明顯細化。

圖18 750℃澆注時不同頻率ZL101消失模鑄造振動凝固與無振動金相組織比較

圖19所示為不同頻率振動凝固試樣的抗拉強度和伸長率變化。隨著振動頻率增加，試樣抗拉強度、伸長率和硬度逐漸增大，頻率在0～20Hz時，性能提高顯著。

圖19 不同振動頻率下試樣抗拉強度、伸長率和硬度的變化

4.4 消失模殼型鑄造技術(shù)

以消失模鑄造的泡沫模為原型，結(jié)合熔模鑄造的制殼技術(shù)結(jié)殼，經(jīng)失模、焙燒后裝箱填砂，進行精密鑄造成形。該技術(shù)結(jié)合了泡沫模的低成本、收縮小、尺寸設(shè)計靈活及熔模鑄造高精度型殼等優(yōu)點，由于澆注前脫去了泡沫模，避免了消失模鑄造因泡沫模分解帶來的氣孔、夾雜等缺陷，以及泡沫模氣化吸熱而引起的過高澆注溫度問題，同時使金屬液的充型能力進一步提高。該技術(shù)不僅解決了普通消失模鑄造易出現(xiàn)的氣孔、夾雜等缺陷，還能保證鑄件具有較高的尺寸精度和表面粗糙度，以及良好的內(nèi)在質(zhì)量和成品率[35，36]。

JIANG等[37，38]研發(fā)了一種新的真空低壓消失模殼型鑄造新技術(shù)，它將“消失模鑄造精密泡沫模樣成形”“熔模精密鑄造制殼技術(shù)”“真空低壓鑄造成形”等多項精密鑄造技術(shù)有機結(jié)合起來，可實現(xiàn)復雜薄壁鋁/鎂合金精密鑄件的高質(zhì)量成形，其工藝流程如圖20所示。

圖20 真空低壓消失模殼型鑄造工藝流程

真空低壓消失模殼型鑄造采用高密度、高精度及表面光整的泡沫模樣做母模，在其表面結(jié)殼2～3次形成復合涂層，經(jīng)失模、烘烤等工序形成陶瓷型殼，再結(jié)合真空消失模鑄造或真空低壓消失模鑄造成形，即可獲得復雜薄壁鋁合金、鎂合金精密鑄件。消失模殼型鑄件澆注過程如圖21所示。

圖21 消失模殼型鑄件澆注過程

5 結(jié)束語

1）高真空壓鑄可顯著提高鋁/鎂合金壓鑄件的致密性，實現(xiàn)鋁/鎂合金壓鑄件熱處理強化，進一步提高鋁/鎂合金壓鑄件的性能。充氧壓鑄技術(shù)適用于制備高致密、高強鋁合金壓鑄件。半固態(tài)壓鑄和鑄鍛雙控成形技術(shù)也是制備高致密、高強度鋁/鎂合金壓鑄件的新方法，未來有較大應(yīng)用潛力。開發(fā)出適合鋁/鎂合金壓力鑄造的合金材料體系及其熱處理工藝和壓力鑄造新技術(shù)是鋁/鎂合金壓力鑄造今后研究的主要內(nèi)容和發(fā)展方向。

2）鋁/鎂合金擠壓鑄造技術(shù)可顯著提高金屬熔體充型、補縮能力，實現(xiàn)高壓凝固和少量塑性變形，提高鑄件的致密性和力學性能。開發(fā)適于擠壓鑄造工藝的鋁合金、鎂合金材料體系，探索鋁合金、鎂合金壓力下凝固行為和組織演變規(guī)律，掌握擠壓鑄造合金成分-工藝-組織-性能關(guān)系是鋁合金、鎂合金擠壓鑄造未來發(fā)展趨勢和研究重點。

3）真空低壓消失模殼型鑄造新工藝在澆注前脫去了泡沫模樣，避免了泡沫模在澆注過程中分解帶來的孔洞、增碳和夾雜等缺陷；另外，金屬液在真空、壓力和振動的作用下充型和凝固，金屬液的充型和補縮能力大幅度增強，是一種適合生產(chǎn)復雜薄壁高質(zhì)量鋁/鎂合金精密鑄件的新方法。開發(fā)出適合鋁/鎂合金消失模鑄造的合金、涂料、熱處理和成形新工藝等技術(shù)，是鋁/鎂合金消失模鑄造今后研究的主要內(nèi)容和發(fā)展方向。