輕合金薄壁件鑄造成形技術(shù)

羅艷歸 鄒采棟

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

關(guān)鍵詞：輕合金薄壁件 鑄造技術(shù) 精確成形

中圖分類號(hào)：TG376 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）05（a）-0101-01

國(guó)內(nèi)外航空航天、汽車船舶等行業(yè)為了追求輕量化目的，已經(jīng)采用高性能輕合金材料，如鋁、鎂、鈦等合金[l-3]，同時(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用輕量化結(jié)構(gòu)，例如薄壁結(jié)構(gòu)、整體和帶筋結(jié)構(gòu)等。這類輕合金工件采用精密鑄造技術(shù)制造是非常高效的。這類輕合金鑄件一般具有如下特點(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)復(fù)雜：輪廓結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)部多腔，用其他制造或機(jī)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(nèi)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(zhì)量性能高：其質(zhì)量性能達(dá)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(yīng)力低的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有復(fù)制模樣精確，熱導(dǎo)率低，易完整成形薄壁部位的特點(diǎn)，可鑄出壁厚為0.5mm的鑄件。然而，石膏型鑄造也有以下缺點(diǎn)：石膏型傳熱能力差，當(dāng)鑄造壁厚較大的鑄件時(shí)，厚大處容易出現(xiàn)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(jì)80年代初，國(guó)內(nèi)兵器工業(yè)第七零研究所采用石膏模成功地生產(chǎn)出了壓氣機(jī)葉輪鋁合金鑄件產(chǎn)品，且成品率達(dá)到85%以上[5]。美國(guó)泰克（TEC）公司采用熔模石膏型鑄造生產(chǎn)出了薄壁復(fù)雜的優(yōu)質(zhì)鋁合金整體鑄件，其尺寸精度一般可達(dá)±0.254mm，最高可達(dá)±0.076mm，最小壁厚可以達(dá)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(guī)工藝，該工藝在設(shè)計(jì)和制造方面有許多靈活性的特點(diǎn)，加上鎂合金和鋁合金優(yōu)異的充型性使其能夠經(jīng)濟(jì)地用于生產(chǎn)大型、薄壁和復(fù)雜鑄件。第一個(gè)工業(yè)化生產(chǎn)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(chǎn)率高，但輕金屬常規(guī)壓力鑄造的最大缺點(diǎn)是疏松，因?yàn)橐后w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(dǎo)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(nèi)的氣體而消除或顯著減少壓鑄件內(nèi)的氣孔和溶解氣體，從而提高壓鑄件力學(xué)性能和表面質(zhì)量的先進(jìn)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(jìn)性能的相當(dāng)大的薄壁鑄件。當(dāng)前用真空壓鑄工藝生產(chǎn)的目標(biāo)鑄件是需要?dú)饷苄院屯ㄟ^熱處理獲得良好力學(xué)性能的鑄件。真空壓鑄拓寬了常規(guī)壓鑄的能力，同時(shí)保持了其經(jīng)濟(jì)性的益處。北美的鋁合金真空壓鑄已經(jīng)非常流行，20%以上的鑄造企業(yè)具有真空壓鑄生產(chǎn)能力[8]。

2.2 半固態(tài)壓鑄

半固態(tài)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(tài)壓鑄便是在高壓的作用下，使半固態(tài)漿料在半固態(tài)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(tài)壓鑄的特點(diǎn)主要是高壓和高速充填壓鑄型。根據(jù)工藝的不同半固態(tài)壓鑄通常分為兩種：第一種是將半固態(tài)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(tài)漿料預(yù)先制成一定大小的錠塊，需要時(shí)再重新加熱到半固態(tài)溫度，然后送人壓室進(jìn)行壓鑄，稱為觸變壓鑄[9]。與傳統(tǒng)全液態(tài)壓鑄技術(shù)相比，半固態(tài)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(chǎn)復(fù)雜件；鑄件柱狀晶和粗大的樹枝晶得以消除，鑄件組織細(xì)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(shù)是金屬液在與重力方向相反的充填驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)力在金屬液充填過程中是主導(dǎo)力，它使金屬液克服其自身重力、型腔內(nèi)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(shí)現(xiàn)不同速度的充填，滿足不同工藝的要求；同時(shí)，鑄件在較大壓力的作用下凝固，可以提高金屬液的補(bǔ)縮能力，降低了縮孔、氣孔和針孔等鑄造缺陷。根據(jù)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(diào)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(yōu)點(diǎn)：充填過程中液流平穩(wěn)，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(jīng)過強(qiáng)磁場(chǎng)作用，對(duì)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(yīng)迅速準(zhǔn)確[13]。該工藝重復(fù)性極好；不需要額外加壓縮空氣，并可在保護(hù)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(chǎn)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(gè)密封罩，同時(shí)在密封罩內(nèi)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?fàn)t內(nèi)的金屬液在壓力差的作用下充填鑄型，如低壓鑄造時(shí)那樣實(shí)現(xiàn)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(jié)晶凝固的，所以其致密度更高。

3.3 調(diào)壓鑄造

調(diào)壓鑄造是使型腔和金屬液處于真空狀態(tài)并對(duì)金屬液保溫并保持負(fù)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(tài)的型腔內(nèi)，充型過程結(jié)束后迅速對(duì)兩壓室加壓，使金屬液在一定壓力條件下凝固成形。調(diào)壓鑄造吸收了傳統(tǒng)反重力鑄造方法的優(yōu)點(diǎn)并加以改善，彌補(bǔ)了現(xiàn)有技術(shù)的不足，實(shí)現(xiàn)了薄壁充型能力及冶金品質(zhì)的雙方面提升。與普通差壓鑄造相比，其充型過程更加平穩(wěn)，充型能力更加優(yōu)秀，因而可用于鑄造壁厚更薄、機(jī)械性能要求更高的大型薄壁鑄件，適用于大型復(fù)雜薄壁鑄件的生產(chǎn)。與其他類型的反重力鑄造技術(shù)相比，調(diào)壓鑄造技術(shù)有三個(gè)重要特征和功能：一真空除氣；二負(fù)壓充型；三調(diào)壓凝固[16-17]。

4 結(jié)語

隨著制造科技的發(fā)展，鑄造技術(shù)正在向輕量化、薄壁化、復(fù)雜化、功能化的方向發(fā)展。精確鑄造成形技術(shù)發(fā)展迅速，日新月異。極端條件下的如大型、復(fù)雜、薄壁鑄件的鑄造是鑄造技術(shù)發(fā)展的重要領(lǐng)域。為了獲得性能更好的鑄件，以適應(yīng)社會(huì)的發(fā)展，還需要在鑄造技術(shù)上進(jìn)行創(chuàng)新，開發(fā)更好更精良的鑄造新技術(shù)。

參考文獻(xiàn)

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