高压铸造快速抽真空方法研究(编辑修改稿)

高压铸造快速抽真空方法研究(编辑修改稿)内容摘要：

2 轮廓清晰，形状 结构 准确 铸件的能力。 若液态金属的充型能力不 足， 即型腔 角落 无法完全填充， 铸件将产生浇不到，冷隔等缺陷。 合金 液 的 体积或尺寸 在浇注 、充型、凝固直至冷却到室温的过程中 产生 缩减的现象，称为收缩。 液态金属在 型腔内 的凝固过程中， 如果外部 金属液 不能及时补充 由液态收缩和凝固收缩所引起的体积缩减， 就会 在最后凝固部位 将 形成孔洞，由此 产生 的集中孔洞称为缩孔， 而 细小分散的孔洞 则 称为缩松。 在金属液熔炼浇注 和 充型 的过程 中， 若在冷凝过程中不能 把 液态金属吸入的气体 从液体内 逸出，滞留在金属中，将在铸件内形成气孔。 金属 材料 的连续性 遭到 气孔 破 坏，其 内部 可以 承载 负荷 的有效截面积 减少 ，并 将 在气孔 的周围 引 起应力集中，从而 使得 铸件的 质量和 力学性能 降低。 一些 弥散性气孔还 会 促使 形成 大量的 显微缩松，降低铸件的气密性 和致密度。 铸造成形工艺 依据 不同 的 铸型材料 、 造型工艺和浇注方式，可分为砂型铸造与特种铸造两大类。 压力铸造 是 特种铸造的 主要 方法之一， 也 可以称 其 为 有色金属铸造 行业里面 的一种革命， 该方法的诞生 在很大程度上 提高了铸件 产品 的生产 效 率 ，降低了 产品 的 生产成本，为压铸件在各行各业的 更广泛 应用奠定了 技术 基础 [56]。 压力铸造简称 为 压铸，是指将金属材料 从固态 加热熔炼成熔融状态或半熔融状态，然后 将金属液 浇入压 铸机的压室内，关键是在 获得 高压的 压头 作用下，使液态或半液态金属 快速 流动 充填压铸模 型腔，并在压力下成型和凝固 冷却 而获得铸件 产品 的方法。 压铸与其他铸造方法最 本质 的两大区别 在于 高压和高速充填压铸 模具 型 腔。 压 力 铸 造 时， 所用的压 铸 力一般为 3070Mpa，充填速度 达到 5100m/s，金属液在高压 作用 下以高速 度 充填压铸 模 型 腔 ， 是压铸 工艺 区别于其他铸造工艺的 主要 不同点 [7]。 压铸 由于工艺的改进，的确 克服了砂型铸造的许多缺点，但 同时其独特的工艺 也带来了一些新问题，如透气性差，铸件产品 较容 易出现气孔 缺陷 ；导热快且退让性低， 易出现浇不到，冷隔 和 裂纹等缺陷 ； 其 耐热性不如砂型好，在金属液的高温 高压 作用下，型腔比较容易损坏 ，使用寿命受到影响。 金属液充填模具型腔的时间 长短 与铸件的大小 和 壁厚有关，一般在几十个毫秒范围内。 与其他铸造方法相比压铸 新工艺 有许多 明显的 优点 [8]：压铸工艺 产品 生产率高， 铸件 成形率高，易于实现机械化与自动化 生产，为自动化生产一条线的实现提供了可能 ； 能 压铸 薄壁，形状 结构 复杂但轮 阔 清晰的 产品 ；铸件 产品 的 尺寸 精度和表面质量高，尺寸稳定；可压铸出形状复杂 的 镶嵌件， 还 可以压铸出 图案、 线条、文字、 螺纹、 符号等；压铸件 的 加工余量 少， 只需要去水口， 一般无需再 对铸件 进行机械加工，材料的利用率得到 提高。 压铸技术 虽然 拥有上述的诸多优点，但 从它的 发明之日 起 就带有严重的先天不重庆大学硕士学位论文 1 绪论 3 足 —— 压铸件 存在较严重的 气孔缺陷。 与 传统的 金属固定模重力铸造 和 砂型 铸造 相比， 压铸 的高速 高压喷射 比 依靠 金属液的重力而 自然流入 有着更好的充型效果，但也正是 因为 高温高压高速的金属喷射 和金属液流态的不稳定， 使金属 液 与型腔内的空气 ，以及 热金属 和 型腔内残留润滑剂所产生的烟气 与高速流动的金属液 有更大 结合 的 可能 性。 因为充型 速度 很快， 型腔中的大部分气体来不及排出而不可避免的 被卷入 进 金属液 中， 在铸件凝固冷却后 以气孔形式残留于铸件内， 导致 铸件致密度下降，本体材料的力学性能降低。 压铸 产品 经常 存在一些缺陷，如冷隔，流痕，气孔或充型不良等缺陷， 但 其中最重要的缺陷 就 是 气孔缺陷。 压力铸造靠其高速的 工艺 特点能够 有效 提高 金属液的充型流动性能，利于合金液充型， 而高压的工艺条件将 改善铸件的缩孔缩松状况。 但同时也导致金属液内气体不能在短时间内排出而残留于铸件内部形成气孔缺陷。 图 压铸产品主要缺陷的产生原因 图 压铸件加热后出现的气泡 Main cause of die casting defects The air hole of heated casting 气孔 缺陷 的存在不仅减少了铸件 产品 的有效截面积，而且 还 可 能 在 局部造成应力集中，成为零件断裂的裂纹源，尤其是形状不规则的气孔，不仅增加 了 铸件的缺口敏感性，而且 还 可降低零件的疲劳强度 [910]。 传统压铸件还要避免机械加工，以防止 机加后 内部空洞外露。 图 显示的是普通压铸件 常存在的 缺陷及 其 产生原因。 同时， 在后续 改善铸件性能 的热处理过程中，由于铸件的含气量高，铸件加热后 表面会出现气泡（如图 所示）。 所以 普通压铸件 难以通过热 处理 实现 组织、性能调整，使压铸工艺 长时间来 局限于非承载性零件的生产， 由于内部疏松，压铸件塑性，韧性差， 大大地限制了压铸件 产品 在重要或大型复杂 受力部件上 的 应用 [11]。 主要缺陷 产生原因 缩 松 缩孔 凝固不均 补缩不足 冷隔 填充不足 残留气体 卷气孔 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 4 真空压铸技术 真空压铸技术是在传统压力铸造技术的基础上辅以 对型腔 抽真空技术，即先将型腔内的气体抽出， 金属液 在相对真空的条件下充填型腔 [12]。 如图 所示 ：当压头封闭浇口 后 ，压室与型腔形成一密闭容积，外部真空系统的真空阀打开后，压室与型腔内的气体通过真空通道被 排 到 外部真空源。 此时，模具 型腔 内的 气体 含 量降低， 型腔 真空度迅速升高，压头遇 到如 快速感应开关 等一类 的 控制元件 时，真空阀关闭 ，将 抽真空系统 与型腔断开并密封。 同时， 金属液在压头作用下 继续 对型腔进行充型，如图 ，直到熔体完全充满整个型腔。 因此， 真空压铸工艺 是 在 极短 的时间内将型腔内的气体抽出， 避免了 熔体 在充型时将气体卷入造成气孔缺陷， 熔体 在高真空度条件下 冷却 凝固得到的铸件致密度 能显著 增高 ，气孔缺陷 大大降低 [1314]。 以 传统 压铸 工艺 为基础，真空压铸技术保持了普通压铸法高速高压的优点，且 通过对型腔抽真空降低型腔气体含量，使得 真 空压铸件内气孔 缺陷 少，可以进行后续热处理甚至焊接 [15]。 经过热处理的压铸件综合性能得到显著改善，应用范围更加广泛可用于结构件与承载件。 图 抽真空示意图 图 真空压铸示意图 Fig Exhausting of vacuum die casting Fig The process of vacuum die casting 在传统压铸 技术 中， 如图 所示， 由于 金属液 在 内浇道 口处的喷射效 应， 大量 的金属熔液将与型腔内的空气和烟气充分接触， 型腔内的 气压在充型 的 最后 末 点将达到 3000 毫巴以上 甚 至 4000 毫巴； 而 在真空压铸中， 型腔内气体先被抽出，重庆大学硕士学位论文 1 绪论 5 型腔 充型 后 期 的气压只有 大约为 几百至 100 毫巴以下，只有极少 残存 的空气和烟气与 充型的 金属 液 接触， 所以可以有效 避免气孔缺陷的产生 [16]。 图 普通压铸与真空压铸型腔气体压力曲线 Fig Cavity pressure curve of ordinary diecasting and vacuum die casting 真空 压铸 工艺 对 金属 熔体 的 充型 效果 有着重要的影响 [17]： 一 是 充型 前的型腔抽真空 为充型压差建立了一较低的压力起点，易建立较大 的 充型压差， 因此 充型时 流动 阻力 得到降低 ， 利 于金属 熔体的 充型； 充型速度 也 得到 提高，利于充填 结构 复杂异难填 充 的 零件 部 位； 金属液表面张力较小， 也 利于复杂薄壁铸件成形 ；二 是真空浇注 前型腔内气体被抽出， 金属液不易 被 氧化，且 合金熔体 在较小 的阻力下充型，填充效果良 好可得较好的铸件表面亮度与光泽度。 真空压铸 技术 的主要优点 [1819]： 降低铸件 产品 的气孔率， 提高铸件 尺寸精度 ，改善铸件表面的光洁度 和 内部 组织 均匀性， 因型腔压力减小。 压射时比压可 降约40%， 能 提高 模具 的 寿命，还可以 提高 铸件的热处理性和可焊性 ， 调整真空压铸件性能， 增大压铸件的 应 用范围。 实验研究 结果 表明，真空压铸 件 与普通 压铸件 相比，具有更低的气孔率 、更均匀的内部组织及 更加光洁的 铸件 表面。 高真空压铸成形技术是近年来工业化国家以实现 压铸件产品高质量，广应用 为目标而竞相研发的一种新技术。 辅以 真空压铸系统是解决复杂压铸件 充型困难， 提高 产品 质量 与 合格率的重要手段， 真空压铸技术 是进一步扩 大 压铸件 的 应用领域，重庆大学硕士学位论文 1 绪论 6 促进压铸件质量普遍达到高档次的关键性技术措施。 真空 压铸 辅助系统研究现状 国内外真空 压铸 技术 的发展 [2023] 真空压铸技术的具体 实施 方案就是将型腔内（包括压室）的气体抽 出 或 大 部分抽 出 ， 实现高真空条件下的充型， 然后 金属 熔体 在压头 压力 作用下充填模具型腔 ，冷却凝固成形。 但其抽真空 过程 的控制 以及 抽真空截止 后续的真空系统维护 仍 存在着各种各样的问题， 还 不能很好的 符合 真空 压铸过程期望的要求。 真空压铸 技术 的诞生与 发展经历 了 一个 较曲折 的 历程 ，进展 较为 缓慢。 在压力铸造的历史过程中，在 1872 年 真空压铸 技术进行了最早的 首次尝试， 但 由于早期工作条件不成熟 和其他原因 ，没能获得实际成功。 1932 年， 真空压铸 方法被研究学者 Former 归纳为 两种方案 ， 第一种 是 在模具内设计排气道， 从模具型腔内直接抽气 ； 第 二 种 是 置模具在真空箱内 ，对真空箱进行抽真空，即将压铸置于 真空环境中进行。 但因当时 抽 真空系统存在 许多技术 问题且 都 未付诸 实际 实践而 使得 真空压铸系统的 研究工作遭 到 截止。 在 五十年代末，真空压铸 技术的研究 呈现 出 “ 苏醒 ”的 势头 ，而且很快在 世界范围 内形成了 竞相 研究实验的高潮。 真空压铸系统 上 的研究 在这个阶段 得到 了 前所未有的 突破性进展，但因为需要 研究 克服的技术 性问题和高昂的成本代价而再 次转入低谷。 60 年代 一度 兴起用罩式真空装置来实现真空压铸，经过国内外 真空 压铸生产实践证明 通过该方案将 模具型腔及压室内 气体排出，形 成稀薄气体状态，在粗真空 状态下 充填成型对减少 及 消除压铸件内部 的 气孔 缺陷 ，改善组织致密 度 与 铸件 产品 表面 光洁度，提高 铸件 产品 质量 和 压铸件的成品合格率等 确实具有 一定 的效果。 但是因罩式真空装置 过于庞大 带来 操作 上的 不便、动作程序与一般 的传统 压铸机 也 不完全相同、投资 成本过高 、 耗能 大 而有效性低， 所以 真正实际 应用 的 较少，到 后来几乎被完全淘汰。 近几十年来，真空压铸 系统 的研究与应用 的 主流是 抽除型腔内 气体的形式。 仅仅 就这种 抽真空 形式而言 就有许多方式， 有 将 真空阀 安 装在模具上 且 与 型腔 排气道连接的；也有在压室浇道料口上 装真空阀 的； 有 通过压室抽出型腔气体的；还有在型腔抽气的同时吸入氧。