鋁合金消失模鑄造技術(shù)的研究現(xiàn)狀

劉雪萍，譚建波

（1.河北科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊050018；2.河北省材料近凈成形技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北石家莊050018）

·綜述·

鋁合金消失模鑄造技術(shù)的研究現(xiàn)狀

劉雪萍1，2，譚建波1，2

（1.河北科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊050018；2.河北省材料近凈成形技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北石家莊050018）

鋁合金因其良好的物理性能已然成為汽車制造、航空航天以及電子產(chǎn)業(yè)所需零件的首選材料，消失模鑄造技術(shù)憑借良好的經(jīng)濟(jì)效益以及鑄件良好的性能成為“21世紀(jì)的新型鑄造技術(shù)”。工業(yè)的發(fā)展促進(jìn)了鋁合金消失模鑄造技術(shù)發(fā)展，使其成為鑄造技術(shù)發(fā)展不可忽視的一部分。文中主要介紹了鋁合金消失模鑄造技術(shù)的模樣材料、涂料工藝、成型工藝和數(shù)值模擬等方面的研究現(xiàn)狀以及應(yīng)用現(xiàn)狀，并對(duì)其進(jìn)行展望。

鋁合金；消失模鑄造；模樣材料

消失模鑄造（又稱實(shí)型鑄造）是將尺寸形狀與鑄件相似的泡沫塑料模型組成模型簇，然后涂刷涂料并烘干，接著埋在無粘結(jié)劑的干石英砂中振動(dòng)緊實(shí)，最后在負(fù)壓下澆注，模型氣化，液體金屬占據(jù)模型位置，待其凝固冷卻后形成鑄件的新型鑄造方法。消失模鑄造技術(shù)也是21世紀(jì)的新型鑄造技術(shù)，更是被稱為“鑄造中的綠色工程”[1]。鋁合金是一種密度低，強(qiáng)度較高，塑性好的材料，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和抗蝕性。其性能與優(yōu)質(zhì)鋼相近或者更好，可加工成多種型材。因此，隨著現(xiàn)代工業(yè)對(duì)于鑄件輕量化、精準(zhǔn)化的要求，鋁合金消失模鑄造技術(shù)受到各國的企業(yè)以及科研人員的關(guān)注。美國、德國和意大利等發(fā)達(dá)的國家經(jīng)過較長時(shí)間的技術(shù)積累，在鋁合金消失模鑄造技術(shù)方面的使用已經(jīng)比較成熟[2]。而我國消失模鑄造鋁合金的技術(shù)處于發(fā)展期，生產(chǎn)消失模鋁合金鑄件的企業(yè)也比較少[3]。

1 鋁合金消失模鑄造研究現(xiàn)狀

在消失模鑄造工藝過程中模樣氣化不必分模、沒有分型面和砂芯，使得鑄件沒有飛邊、毛刺缺陷，也不需要進(jìn)行拔模斜度的設(shè)計(jì)，故鑄件尺寸上的誤差減少。然而，相比于砂型鑄造和金屬型鑄造，鋁合金消失模鑄造時(shí)所需要的熔煉和澆注溫度都是比較高的，而且鋁合金本身密度小，因此鑄件中易產(chǎn)生針氣孔、渣孔、澆不足等鑄造缺陷。各國學(xué)者從模樣材料、涂料工藝、成型工藝和數(shù)值模擬以及其他方面進(jìn)行研究，并取得了一定的成就。

自從1958年，美國的H.F.s h r o y e r發(fā)明的可發(fā)性泡沫塑料模樣用來制造金屬鑄件的技術(shù)以來，國外消失模鑄造技術(shù)迅速發(fā)展，無論是在黑色金屬還是在有色金屬領(lǐng)域都取得了很大的成就[4]。中國也在20世紀(jì)60年代開始對(duì)實(shí)型鑄造進(jìn)行開發(fā)與研究，幾乎與國外同時(shí)起步[4]。隨著實(shí)型鑄造的發(fā)展，到80年代已初具規(guī)模，而此時(shí)消失模鑄造也在登上了中國舞臺(tái)。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)[4]。

近年來消失模鑄造技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展勢(shì)態(tài)良好，發(fā)展成果也是可喜的。清華大學(xué)、華中科技大學(xué)等高等院校為消失模鑄造行業(yè)的發(fā)展做出了突出貢獻(xiàn)。其應(yīng)用的前景是非常大的，然而，我國的鋁合金消失模鑄造技術(shù)還是與國外的發(fā)展水平存在著一定的差距。

1.1 模樣材料的研究現(xiàn)狀

消失模鑄造澆注前，由于白模生產(chǎn)工藝的不同，導(dǎo)致白模的收縮程度不同，從而使得鑄件在尺寸上出現(xiàn)偏差，甚至?xí)?dǎo)致鑄件報(bào)廢。在澆注時(shí)，高溫的金屬液會(huì)使得模樣分解產(chǎn)生大量的有害物質(zhì)，會(huì)嚴(yán)重惡化生產(chǎn)環(huán)境危害工人健康，分解產(chǎn)物也會(huì)殘留在鑄件的表面產(chǎn)生皺紋、粗糙以及內(nèi)部夾渣等鑄造缺陷。因此，模樣材料的性能是影響鑄件質(zhì)量好壞的關(guān)鍵因素之一。也就有越來越多的科研人員開始研究模樣材料。

Griffith W D[5]采用A319鋁合金對(duì)普通EPS和溴化EPS成形的白模進(jìn)行模樣分解實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，EPS分子的降解量逐漸減少，當(dāng)達(dá)到105℃時(shí)，降解的聚苯乙烯潤濕滲透性較低處的涂層；當(dāng)EPS分子量較低至13 000時(shí)，液態(tài)產(chǎn)物可以通過涂層中氣孔排出。而經(jīng)過溴化處理使得EPS的原始的分子量降低，進(jìn)而可以在更低的溫度下形成低分子量的液態(tài)產(chǎn)物，要比沒有溴化的EPS更加容易排出。王建玲[6]研究了鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)四缸體消失模鑄造技術(shù)白區(qū)的生產(chǎn)工藝過程中發(fā)泡模具白區(qū)的珠粒選擇、預(yù)發(fā)泡、熟化、成型、模樣粘結(jié)組裝等的因素，制定了合理的鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)四缸體消失模鑄造白區(qū)工藝流程，獲得了質(zhì)量較高的泡沫模樣。Sun Y[7]認(rèn)為鋁合金的澆注溫度較低，在充型時(shí)只有液相的聚苯乙烯產(chǎn)生。而J Brenne[8]則推測(cè)聚苯乙烯分解速度較慢，最終分解為二聚物、三聚物以及部分的單體。模樣分解的氣相產(chǎn)物量比液相產(chǎn)物量少一個(gè)數(shù)量級(jí)。合金溫度在660℃～900℃時(shí)，模樣發(fā)氣量約為（205±25）c m3·g-1[4].

胡仙林等人[9]，以苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯為原料，過氧化二苯甲酰為引發(fā)劑，堿式碳酸鎂和聚乙烯醇作為符合分散劑，甲基丙烯酸為助發(fā)泡功能單體，通過懸浮聚合的方法制備了預(yù)發(fā)性共聚物珠粒，采用氣發(fā)泡方法制備了苯乙烯/甲基丙烯酸甲酯共聚物氣化模材料，并探索其合成的最佳條件。采用掃描電子顯微鏡和熱重分析法對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)與熱降解行為進(jìn)行表征與分析，并研究其熱氧化降解動(dòng)力學(xué)。此外，還對(duì)聚合物珠粒的發(fā)泡倍率及微觀結(jié)構(gòu)、單體殘留量、料灼燒殘留量進(jìn)行測(cè)定。

Saghi S等人[10]，采用玻璃覆蓋模具和視頻記錄系統(tǒng)研究了澆注系統(tǒng)和金屬液流動(dòng)形式對(duì)消失模鑄造過程的影響。不同于傳統(tǒng)的鑄造工藝，澆注系統(tǒng)的類型對(duì)消失模鑄造充型能力影響不大，對(duì)模樣厚度的影響是較大的。填充能力受傳熱和傳質(zhì)的影響，同時(shí)隨著模樣厚度的增加流量增加。

1.2 涂料工藝的研究現(xiàn)狀

消失模鑄造的涂料需要涂掛在泡沫塑料模樣的表面而非鑄型或砂芯表面。這就要求消失模鑄造涂料具有防止鑄件粘砂、提高泡沫塑料模型的剛度、防止變形以及有助于模樣熱分解氣體排除的作用。因此，消失模鑄造時(shí)金屬液的充型以及之后鑄件的質(zhì)量在很大程度上受到涂料的影響。同時(shí)，由于鋁合金容易產(chǎn)生針氣孔、夾渣等鑄造缺陷，這就使得對(duì)涂料的要求更加嚴(yán)格。關(guān)于消失模鑄造鋁合金的涂料，國內(nèi)外的科研人員做了一些研究，并提出了一些觀點(diǎn)。

吳國華認(rèn)為[11～12]，在鋁合金消失模鑄造過程中采用保溫涂料可以提高鋁合金液的充型速度，但是會(huì)降低最終鋁合金鑄件的密度，激冷涂料的作用與之相反。若要求提高消失模鑄造鋁合金液的充型速度，同時(shí)需要減少針孔缺陷時(shí)，可使用低透氣性的保溫涂料，但要保證涂層的厚度不能太大。在研究各工藝參數(shù)對(duì)消失模鑄造鋁合金鑄件密度的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)無論是涂層厚度的增加還是模樣厚度增加，最終都會(huì)使得鑄件密度下降、針孔缺陷增加。太原科技大學(xué)的李澤文[13]在研究工藝因素對(duì)消失模鋁合金鑄造氣孔的影響時(shí)，也發(fā)現(xiàn)在允許范圍內(nèi)盡量減小涂層厚度，有利于氣孔數(shù)目的減少。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的魏尊杰認(rèn)為[14]，涂料透氣性的下降會(huì)減小合金液充型的速度，導(dǎo)熱率增加會(huì)降低合金充型時(shí)前沿的溫度，這些都會(huì)使得充型能力顯著下降。但是，涂料較高的透氣性不能補(bǔ)償較高導(dǎo)熱率對(duì)合金充型帶來的不良影響；同樣，涂料的較低導(dǎo)熱率也不能補(bǔ)償較差透氣性對(duì)合金充型帶來的不良影響。在小范圍內(nèi)提高澆注溫度不能有效補(bǔ)償涂料性能不良對(duì)合金充型的影響。因此，涂料具有良好的透氣性和較低的導(dǎo)熱率是合金液充型良好的保證。

Karimian M等人[15]，采用消失模鑄造獲得鋁硅銅合金階梯式鑄件（如圖1階梯式鑄件所示）。主要研究的是涂層厚度對(duì)合金鑄造缺陷和氣孔率以及共晶硅間距的影響。結(jié)果表明：增加漿料粘度或浸漬時(shí)間增加了涂層的厚度，對(duì)鑄件整體性和微觀結(jié)構(gòu)特征有明顯的影響。采用較薄的涂層可以產(chǎn)生更多的毛孔有利于氣體的逸出進(jìn)而提高充型，獲得精細(xì)的微觀組織，提高鑄件質(zhì)量，減小縮孔率，使得共晶硅間距更加精細(xì)。

王廣太等人[16]，以滑石粉和硅藻土為耐火骨料，選鈉基膨潤土和CMC為復(fù)合懸浮劑，硅溶膠和PAM為復(fù)合粘結(jié)劑。通過對(duì)不同配比下涂料性能的研究以及實(shí)際生產(chǎn)的驗(yàn)證，最終確定：當(dāng)耐火骨料中的滑石粉和硅藻土的比為7：3，而鈉基膨潤土、PAM、CMC、硅溶膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)占耐火骨料的6%、0.5%、3%和9%時(shí)，涂料具有良好的綜合性能。用其生產(chǎn)出的鑄件表面質(zhì)量好、無粘砂和澆不足現(xiàn)象，并且在取件時(shí)涂料呈片狀脫落，易于清理。

圖1 階梯式鑄件

1.3 成型工藝的研究現(xiàn)狀

消失模鑄造鑄件成型過程實(shí)際上就是在負(fù)壓條件下金屬液將砂型中的模樣置換并振動(dòng)凝固的過程。而在這一過程中負(fù)壓度大小、澆注溫度、振動(dòng)參數(shù)以及型砂性能等因素都會(huì)對(duì)最終鑄件的質(zhì)量產(chǎn)生影響。吸引了許多科研人員對(duì)成型工藝進(jìn)行研究。

李增民等人[17]，在研究鋁合金消失模鑄造金屬液充型時(shí)機(jī)械振動(dòng)操作對(duì)鑄件力學(xué)性能的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)：在機(jī)械振動(dòng)的作用下，在一定程度上不僅可以細(xì)化晶粒、還可以提高抗拉強(qiáng)度和提升充型能力。當(dāng)振幅一定時(shí)，隨振動(dòng)頻率的增大鑄件的力學(xué)性能增加，晶粒得到細(xì)化，最終到達(dá)最優(yōu)值。馮清梅等人[18]，研究了振動(dòng)方向、振幅大小以及振動(dòng)頻率對(duì)Al Si9M g組織及性能的影響。結(jié)果表明：在合金凝固時(shí)施加振動(dòng)可以細(xì)化金相組織及改善力學(xué)性能。當(dāng)施加一維垂直振動(dòng)，其振幅為0.11 mm、振動(dòng)頻率為36 H z時(shí)，比普通鑄造的抗拉強(qiáng)度、布氏硬度、伸長率都有所提高。段利君[19]在研究振動(dòng)方式對(duì)Z L101消失模鑄件組織和力學(xué)性能的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)：機(jī)械振動(dòng)后合金組織細(xì)化；垂直振動(dòng)時(shí)，晶粒尺寸最小，氣孔率低，抗拉強(qiáng)度大；Z L101垂直振動(dòng)后，不同厚度處的組織也存在較大差別，厚度越大，振動(dòng)細(xì)化越顯著。

Jafari H等人[20]，通過控制消失模鑄造工藝過程中的參數(shù)的變化生產(chǎn)無缺陷形狀復(fù)雜的鑄件。主要研究了消失模鑄造過程中的澆注溫度、漿料粘度、振動(dòng)時(shí)間和砂子的大小工藝參數(shù)對(duì)Al-Si-C u合金薄壁鑄件表面光潔度、縮孔和共晶硅間距的影響。采用完整的二級(jí)因子設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)技術(shù)來判別鑄造性能的影響因素。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，影響Al-Si-C u合金鑄件質(zhì)量的主要因素是澆注溫度，較低的澆注溫度可以提高Al-Si-C u合金鑄件質(zhì)量。雖然澆注溫度和砂子的大小的交互作用對(duì)鑄件表面粗糙度的影響顯著，但使用較低的澆注溫度可以獲得較高的表面質(zhì)量，不論砂子的大小。振動(dòng)時(shí)間和澆注溫度的交互作用對(duì)共晶硅間距和孔隙率的影響顯著。結(jié)果表明，在較高的澆注溫度下鑄件的表面質(zhì)量幾乎沒有變化，然而在粗砂模鑄造時(shí)具有較低的表面質(zhì)量。此外，與其他參數(shù)相比漿料粘度的變化沒有顯著的影響。

Karimian M等人[21]，研究了消失模鑄造鋁硅合金的形狀完整性和表面粗糙度。按頂注和底注的形式分為五種方案進(jìn)行澆注，如圖2澆注系統(tǒng)所示。結(jié)晶器振動(dòng)時(shí)間分為1m in、2m in、3m in 3種，澆注溫度分為660℃、680℃、700℃、720℃和740℃五種。采用粗糙度測(cè)試儀分析了鑄造樣品的形狀完整性和表面粗糙度。結(jié)果表明，澆注杯設(shè)計(jì)對(duì)鑄件的形狀完整性和表面粗糙度有著重要的影響。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，d型寬頂注式采用較短的結(jié)晶器振動(dòng)時(shí)間并在較高溫度下進(jìn)行澆注時(shí)得到的鑄件的形狀完整性以及表面粗糙度是較好的。

日本的龝安钁利和池永明[22]研究了金屬流速對(duì)消失模鋁合金密度的影響，采用消失模鑄造工藝澆注了鋁合金板件，通過測(cè)量鑄件的密度來評(píng)價(jià)鑄件缺陷程度。研究發(fā)現(xiàn)：隨著金屬流速的增加，鑄件密度趨向于降低。分析了造成這種情況的原因可能是：模樣熔化進(jìn)入熔融金屬后增加了殘留液態(tài)泡沫夾雜的含量。在底注情況下，降低負(fù)壓度鑄件密度高于不降低負(fù)壓度的情況。在頂注情況下，鑄件密度高于底注情況，減小負(fù)壓的影響并不明顯。根據(jù)對(duì)鑄件進(jìn)行X射線計(jì)算機(jī)輔助攝影（T C）圖片的觀察結(jié)果，鑄件密度降低的原因可能是殘留泡沫留下的孔洞缺陷引起的。

蔣文明等人[23]，利用光學(xué)顯微鏡、體視顯微鏡及掃描電鏡等手段，在研究Z L101A鋁合金消失模鑄造的孔洞缺陷及形成機(jī)理時(shí)，發(fā)現(xiàn)：Z L101A鋁合金消失模鑄件的微觀組織中存在較多針孔和縮孔、縮松等缺陷，缺陷的形狀和大小不同，在整個(gè)斷面上都有分布。在高倍掃描電鏡下觀察到拉伸試樣的斷口表面較多針孔缺陷，同時(shí)觀察到這些孔洞的側(cè)壁光滑、形貌圓整。主要是空氣、金屬原料、熔劑和涂料的水受熱分解出來的氫溶于鋁液中容易產(chǎn)生針孔缺陷。在掃描電鏡中縮孔縮松為枝晶形貌，主要是金屬液的補(bǔ)縮壓力不夠引起的。此外，白模氣化分解產(chǎn)物不能很好地通過涂料層逸出，將會(huì)產(chǎn)生孔洞和夾雜缺陷。

圖2 澆注系統(tǒng)

1.4 數(shù)值模擬方面

數(shù)值模擬技術(shù)的衍生改變了“睜眼造、閉眼澆”的傳統(tǒng)模式。在傳統(tǒng)模式下，多數(shù)采用糾錯(cuò)法進(jìn)行消失模鑄造工藝的優(yōu)化，這種方法既要花費(fèi)大量的人力、物力，又很難保證鑄件的質(zhì)量。而采用數(shù)值模擬技術(shù)，在相關(guān)的模擬軟件中進(jìn)行消失模鑄造的充型及凝固過程模擬，以及研究工藝參數(shù)對(duì)鑄件質(zhì)量的影響的模擬，這樣可以確定更加合理的工藝條件以減少甚至消除鑄造缺陷、提高成品率、降低成本實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的最大化。

Wang C M等[24]，采用FDM對(duì)鋁合金消失模鑄造工藝充型過程中的液態(tài)合金流動(dòng)和傳熱進(jìn)行了數(shù)值模擬，并用實(shí)際實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。發(fā)現(xiàn)模樣的分解速度受液態(tài)合金的溫度、壓頭以及EPS的影響。同時(shí)，預(yù)測(cè)了鑄件表面可能產(chǎn)生的缺陷及位置。

張志蓮[25]在對(duì)直列式六缸發(fā)動(dòng)機(jī)（如圖3直列式六缸發(fā)動(dòng)機(jī)所示）進(jìn)行消失模鑄造的充型、凝固過程模擬時(shí)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致充型結(jié)束后，鑄件內(nèi)產(chǎn)生較大的溫度梯度；各個(gè)內(nèi)澆道的流量差別大至20%，因此無法實(shí)現(xiàn)自補(bǔ)縮導(dǎo)致鑄件形成氣孔缺陷。同時(shí)由于澆注系統(tǒng)的不合理導(dǎo)致金屬液流動(dòng)不順暢，使得需要更大的壓力以保證充型，降低工藝出品率。陳亞娟[26]采用數(shù)值模擬技術(shù)，結(jié)合消失模鑄造實(shí)際生產(chǎn)的需要，開發(fā)出一款消失模充型過程的數(shù)值模擬的軟件。通過典型鑄件的在消失模鑄造和普通鑄造條件下的模擬結(jié)果，來驗(yàn)證該軟件在數(shù)據(jù)分析計(jì)算方面的可靠性和所建立的數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性。最終，模擬了較復(fù)雜的輪轂鑄件在消失模鑄造時(shí)的充型過程，更進(jìn)一步驗(yàn)證了該軟件可以成功模擬出消失模鑄造過程中金屬液在充型過程中界面的推移以及溫度分布。因此，該軟件可以在一定程度上對(duì)鑄件質(zhì)量進(jìn)行有效的預(yù)測(cè)。

圖3 直列式六缸發(fā)動(dòng)機(jī)

馮博[27]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，復(fù)雜的鋁合金缸蓋與簡(jiǎn)單鑄件有一定的區(qū)別，復(fù)雜鋁合金缸蓋在充型過程中會(huì)隨著澆注溫度的改變以及負(fù)壓度的變化而產(chǎn)生一定的差異，其澆注溫度應(yīng)略高于相對(duì)簡(jiǎn)單的鑄件和空腔澆注條件下的鑄件。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的溫度變化和模擬溫度變化是基本一致的，具有參考價(jià)值。

2 鋁合金消失模鑄造應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著國內(nèi)外科研人員對(duì)消失模鑄造技術(shù)的不斷研究，消失模鑄造技術(shù)也越來越成熟。加之消失模鑄造技術(shù)本身的綠色環(huán)保、化繁為簡(jiǎn)的特點(diǎn)。同時(shí)，鋁合金因其良好的物理性能已然成為汽車、航空航天以及電子產(chǎn)業(yè)所需零件的首選材料。因此，越來越多的國內(nèi)外鑄造企業(yè)采用消失模鑄造技術(shù)生產(chǎn)鋁合金鑄件。

圖4 游艇鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)缸體

1984年，美國福特公司建成了可大批量生產(chǎn)的鋁合金進(jìn)氣歧管消失模鑄造試驗(yàn)裝置，并耗資千萬美元建立了年產(chǎn)100萬只鋁合金進(jìn)氣歧管的高度自動(dòng)化生產(chǎn)線，生產(chǎn)效率大幅提高，揭開了消失模鑄造在先進(jìn)工業(yè)國家飛速發(fā)展的序幕。1986年美國通用汽車也建成了一條可大批量進(jìn)行消失模制模和澆注的生產(chǎn)線，用來為Chevrolet生產(chǎn)鋁合金缸體、缸蓋，此后通用公司投資了四個(gè)關(guān)于鋁合金消失模鑄造的工程，用于生產(chǎn)汽車缸蓋、缸體，其年產(chǎn)量高達(dá)四萬噸。在福特汽車公司和通用汽車公司的帶領(lǐng)下，在美國建立了數(shù)十家鋁合金消失模鑄造的中小企業(yè)。

1985年，北美最大的船用發(fā)動(dòng)機(jī)制造商Mercury Marine集團(tuán)著手于鋁合金的消失模鑄造技術(shù)，并生產(chǎn)游艇發(fā)動(dòng)機(jī)缸體缸蓋、組合器、雙層水冷排氣管等鋁合金鑄件。B R P公司采用消失模鑄造技術(shù)來生產(chǎn)游艇的鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)缸體（如圖4所示），從而結(jié)束了將幾個(gè)鑄件組合成為一個(gè)整體進(jìn)行鑄造的生產(chǎn)方式，簡(jiǎn)化了工藝并且保證了鑄件外形美觀結(jié)構(gòu)緊湊。1999年美國Itish Foundry公司關(guān)閉砂型鑄造線，購買了二手的消失模鑄造線并試制鋁合金鑄件。經(jīng)過時(shí)間的推移，積累的經(jīng)驗(yàn)增長，于2005年再投產(chǎn)，建成了30個(gè)砂箱的消失模鑄造線批量生產(chǎn)鑄鋁件。2001年，Itish Foundry生產(chǎn)出用于醫(yī)用X射線發(fā)生器上的363鋁合金散熱片，獲得當(dāng)年全美鑄件精品獎(jiǎng)。2003年，Itish Foundry公司生產(chǎn)家庭取暖和供熱水器用鑄鋁燃?xì)鈬娮欤ㄈ鐖D5鑄鋁燃?xì)鈬娮焖荆?，其?nèi)腔的211個(gè)噴焰通孔（φ3.2mm× 8.6mm）全數(shù)是消失模鑄造而成，這大大節(jié)省后續(xù)的加工過程，同時(shí)該產(chǎn)品獲得2004年AF S鑄件精品獎(jiǎng)[28]。

圖5 鑄鋁燃?xì)鈬娮?/p>

據(jù)2007年的一項(xiàng)數(shù)據(jù)顯示，美國鋁合金消失模鑄造的鑄件產(chǎn)量占一半以上，而中國僅占不到0.1%；無論是鑄件的復(fù)雜程度還是鑄造過程中對(duì)于技術(shù)工藝的掌握程度上美國一直處于世界領(lǐng)先地位[29]。雖然存在差距，中國仍需努力，但是近幾十年中國的一些企業(yè)在鋁合金消失模鑄造技術(shù)的發(fā)展研究也取得了顯著的成果。

2000年，福建省福州市的福清龍?zhí)C(jī)械有限公司致力于鋁合金鑄件的開發(fā)，研制了鋁合金的單缸缸蓋和船用三缸缸體以及四缸轎車搖臂蓋（如圖6所示），為批量生產(chǎn)打下了基礎(chǔ)[3]。2005年，浙江溫州的溫州甌海實(shí)型鑄造有限公司建成年產(chǎn)1 500 t的鋁合金消失模鑄造生產(chǎn)線，用于制造鋁合金的水冷隔套排氣管（如圖7所示）和柔性光亮燈具以及發(fā)動(dòng)機(jī)殼罩，次年其年產(chǎn)量達(dá)到200 t.并且該公司生產(chǎn)的鋁合金水冷隔套排氣管獲得2007年上海特種鑄造及有色合金展覽的鑄造金獎(jiǎng)[3]。

臺(tái)灣的仲誼科技于2004年開始由銷售家電與汽機(jī)車配件，向工業(yè)科技轉(zhuǎn)型，2006年開始大膽地投入鋁合金的消失模鑄造，為了做到最好就必須要掌握技術(shù)的關(guān)鍵，無論是模具設(shè)計(jì)與制造、設(shè)備設(shè)計(jì)與制造、原材料還是生產(chǎn)制造技術(shù)都應(yīng)不斷的創(chuàng)新。在2008年投入的鋁合金消失模鑄造廠，成為全球極少數(shù)的鋁合金消失模鑄造廠之一，成功開發(fā)出電動(dòng)汽車的水冷電機(jī)殼、重型卡車懸吊系統(tǒng)、鋁合金渦卷壓縮機(jī)、高復(fù)雜度大型葉輪等復(fù)雜形狀的鋁合金消失模鑄件（如圖8所示）。

圖6 四缸轎車搖臂蓋

圖7 鋁合金水冷隔套排氣管

3 發(fā)展前景

隨著汽車制造、航空航天及電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，以及對(duì)于零件的“輕量化”的要求，鋁合金已然成為首選材料，為了得到更高質(zhì)量的鋁合金鑄件，消失模鑄造技術(shù)成為首選。因此鋁合金消失模鑄造技術(shù)仍是我國乃至全世界鑄造技術(shù)發(fā)展的重要方向。

雖然，近幾年我國企業(yè)高校等科研人員在鋁合金消失模鑄造技術(shù)方面的取得了一定的進(jìn)展，但與國外發(fā)達(dá)國家相比仍然存在著一定的差距。因此，我國在鋁合金消失模鑄造技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用方面還有很大的提升空間。隨著當(dāng)今國內(nèi)、國際市場(chǎng)對(duì)于鋁鑄件的需求日益增長，為我國鋁合金消失模鑄造技術(shù)的發(fā)展提供了良好的機(jī)遇，也將為我國消失模鑄造企業(yè)帶來更大經(jīng)濟(jì)效益。鋁合金的消失模鑄造技術(shù)將為工業(yè)發(fā)展提供不可忽視的力量。

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Research Status of Aluminum Lost Foam Castings Technology

LIU Xue-ping1，2，TAN Jian-bo1，2
（1.School of Material Science and Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang Hebei 050018，China；2.Hebei Key Laboratory of Material Near-net Forming Technology，Shijiazhuang Hebei 050018，China）

Aluminum alloy has become the first material for automobile，aerospace and electronics industry because of its good physical properties.Because of its good economic efficiency and the excellent properties of castings，lost foam casting technology become“new foundry technology of the 21st century”.The development of industry has promoted the development of aluminum alloy in lost foam casting technology and made it a part of the development of casting technology not to be ignored.The paper introduces the research and application status pattern materials，coating，molding process and numerical simulation of aluminum lost foam casting technology.

aluminum alloy，lost foam casting，pattern materials

TG249

A

1674-6694（2016）06-0057-06

foam是北美最大的獨(dú)立生產(chǎn)商之一，采用消失模鑄造技術(shù)生產(chǎn)了直徑710 mm×120 mm、重26 kg，內(nèi)外兩面都有加強(qiáng)散熱肋片和凸刺的鑄鋁電機(jī)殼端蓋。也生產(chǎn)了永磁同步伺服電機(jī)殼后蓋鋁鑄件，該鑄件中的螺栓孔以及用于冷卻通風(fēng)的流道都是采用鑄造形成的。

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2016.06.018

2016-09-11

劉雪萍（1991-），女，碩士研究生，研究方向：精確成型及凝固過程控制。

譚建波（1964-），男，教授，博士；研究方向：消失模鑄造技術(shù)與理論。

河北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（E2014208087），河北省高等學(xué)校科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（ZD2015003），河北省引進(jìn)留學(xué)人員資助項(xiàng)目（C201400515）。