高压铸造快速抽真空方法研究Word文件下载.docx
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XuemeiGan
Supervisor:
Prof.SiyuanLong
Major:
MaterialEngineering
CollegeofMaterialsScienceandEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,China
April,2011
摘要
随着铸造技术的发展，市场对铸件产品质量要求越来越高，真空辅助铸造工艺得到越来越广泛的应用。
抽真空系统是真空铸造技术有效应用的关键设备，其可靠性和稳定性直接影响铸件质量。
高压铸造用真空系统的关键技术之一是如何使型腔气体在极短时间排出；
二是如何在充型过程中及时关闭真空通道，避免金属液进入真空系统。
目前市场上已有高速有效的国外产品如方达瑞真空压铸系统能快速对型腔抽真空，型腔真空度在充型后期可达100mBar，并且及时的关闭真空通道，有效阻止金属液进入真空系统造成堵塞。
但是其成本较高，价格昂贵，而国抽真空系统可靠性低，充型末期型腔真空度一般为500mBar，性能和铸件质量不稳定。
本课题是在研究现有真空铸造技术的基础上，针对现有国外高速有效抽真空辅助系统成本过高，而国真空系统减小铸件气孔缺陷效果不明显的瓶颈，以镁合金轮毂真空高压铸造生产为研究对象，进行了系统的理论研究和技术开发，取得了以下成果：
1.在深入分析现有商用真空技术的基础上，根据高压铸造工艺特征，提出高速实现模具型腔抽真空的新思路和新方法；
2.用型腔排气数学模型讨论了工艺参数对型腔真空度的影响，为模具抽真空通道的设计与优化真空泵和真空罐组合奠定了理论基础；
3.开发了真空实时检测硬件系统和检测程序，实现了型腔真空度与抽气时间曲线的实时检测显示；
4.提出了真空通道快速开关液压系统和实现方法，形成了拥有自主知识产权、性能稳定可靠的真空压铸系统，并通过了镁合金摩托车轮毂的实验性生产验证；
5.对常规和真空高压铸造镁合金轮毂进行的组织和性能对比分析结果表明：
采用真空辅助工艺后，铸件气孔缺陷基本消除，可以进行固溶热处理；
真空高压铸造镁合金轮毂的力学性能较普通轮毂有明显的提高。
本课题研制的抽真空系统具广泛的适应性，可满足除轮毂外的其他铸件的真空高压铸造生产的要求。
关键词：
镁合金，真空压铸，真空度，组织性
Abstract
Withthedevelopmentofcastingtechnology,thedemandofmarketforqualityofcastingproductsisincreasing,Thevacuum-assistedcastingprocesshavebeenappliedmoreextensive.Vacuumsystemisthekeyfactorofvacuumcastingtechnology,stabilityandreliabilityofvacuumsystemwillaffectthevacuumcastingtechnologydirectly.
Oneofthekeytechnologiesforvacuumcastingtechnologyishowtopumpairofcavityinaveryshorttime;
anotheristoclosevacuumchannelintimesoastoavoidleakingliquidmetalintovacuumsystemwhenfillingmoldfinished.Atpresent,thesystemsmadebyFondarexoccupythemarket,whichhasstableandhighpumpingabilitytomakethepressureofcavitytobe100mbar,alsoclosethevacuumchannelintime.Butthissystemrequireshighequipmentpurchaseandmaintenancecosts.Comparedtotheformer,thevacuumsystemsinhomehavelowreliability,itsperformanceandthequalityofvacuumdiecastingsarenotstable.
Combiningwiththebaseresearchofvacuumcastingtechnologywhichisexpensiveorunreliable,thispapermakesmagnesiumalloywheelwithhigh-pressurevacuumcastingproductionstobetheresearchobject,studiestheoreticalresearchandtechnologydevelopment,andgainssomeresultsasfollows:
1.Basedontheanalysisoftheexistingcommercialvacuumtechnology,accordingtothefeaturesofhigh-pressurecastingprocess,thenewideaandmethodsoffastvacuuminghavebeenproposed;
2.Theprocessparametersaffectingthecavityvacuumdegreehavebeenanalyzedthroughcavityexhaustmathematicalmodel,tomakethetheoreticalbasisforthedesignofexhaustchannelandthecombinationofvacuumpumpwithvacuumtank;
3.Theinnovatedandreal-timesystemofdetectingforcavityvacuumdegreehavebeendeveloped,combingthetransmitterandcollector,thecurveofcavityvacuumdegreeandpumpingtimewasdisplayed,toachievethereal-timedetectionandconformity;
4.Fastswitchingofhydraulicsysteminexhaustchannelanditsimplementationhavebeenproposed,vacuumcastingsystemwhichhasindependentintellectualpropertyrightandhighreliabilityhasbeendevelopedandvalidatedbyexperimentalproductionofmagnesiumalloymotorcyclewheel;
5.Theresultsofcomparativeanalysisbetweentheordinaryandvacuummagnesiumalloymotorcyclewheelcastingsonthemicrostructureandmechanicalpropertiesshows:
comparedwithordinarymagnesiumalloywheelcastings,thesizeandamountofgasdefectshavebeenimprovedapparently,andcanuseheattreatmenttoimprovecasting’squality;
themechanicalperformanceofvacuumcastingalsohavebeenenhancedobviously.
Thevacuumsystemofthispaperhaswiderangeofadaptability,canbeexpandedtoothercastingsbesidesmotorcyclewheeltomeettheproductionrequirementofvacuumhigh-pressurecasting.
keyword:
magnesiumalloy，vacuumdiecasting,vacuumdegree,organizationandperformance.
1绪论
1.1铸造成形技术及合金的铸造性能
在金属材料成形工艺的发展历史进程中，铸造成形技术是时间最为悠久的一种成形方法。
由文献记载与实践考察研究表明，铸造技术的发展主要可以分为两个阶段，第一个阶段是以青铜铸造为主，后阶段则是以铸铁为主。
据历史文献记载大概在五千年前，古人就开始学会用铸型模子来浇铸铜件，但铜件形状结构都较简单，我国的青铜铸造技术在商末周初时期达到了成熟，得到了广泛的应用。
殷商祭器司母戊鼎出土于，其重量超过了700公斤，长高也均超过了一米，四周均装饰有精美的蟠龙纹和饕餮纹。
位于的隋县出土了一大批青铜器，品种繁多，纹饰细致且精美；
其中的六十四件编钟铸造是特别的精致、音律精确、声色优美。
这些饰品充分证明了殷商时期铜合金的冶炼和铸造技术已到达了很高的技术水平。
我国还在公元前六世纪就发明了生铁的冶铸技术并得以应用，进入隋唐以后，随着社会经济的发展铸造技术有了很大的进步，表现于公元974年铸造的大铁狮高6.1m，长5.5m，重达50t。
明朝永乐年间铸造的永乐青铜大钟重达40t，钟体外遍铸经文十余万字[1]。
今天，铸造成型已成为工业生产中最主要的成形方法之一，正朝着高效率、高品质与低能耗的方向发展。
铸造成型是一种将液态金属（一般为合金夜）浇入铸型型腔，待金属液冷却凝固来获得与铸型型腔结构形状相同的毛坯或零件的成形工艺。
铸造成形工艺的特点如下[2]：
能适用于成形结构形状复杂，特别是腔形状复杂的零件，如箱体、阀体、泵体、叶轮及螺旋桨铸件等；
适用于铸造工艺成形的零件大小围很广，小到精致的钟表零件，大到重量达到数百吨的轧钢机机加；
铸造工艺使用的铸造材料也几乎不受到限制，凡是能高温熔化成液态的金属材料几乎都可以用于铸造。
而对于某些塑性很差的金属材料（如铸铁），采用塑性变形方法不易成形零件，铸造即成为其零件或毛坯唯一的成形工艺。
在工业生产中，铸铁件的应用最为广泛，其产量达铸件总产量的70%以上。
一般来说，与塑性成形的零件相比，液态金属直接凝固成形的零件，其部组织均匀性，致密度及力学性能都较低。
合金在熔炼、浇注、充型和冷却成形的铸造过程中获得尺寸精确、结构完整的铸件的能力称为合金的铸造性能。
性能指标主要包括以下方面：
合金液的充型能力、合金夜的冷却收缩性、吸气性以及液态金属中成分偏析倾向等性能[3]。
液态合金填充铸型的过程简称为充型。
液态合金的充型能力是指液态合金充满铸型容积，获得轮廓清晰，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逸出，滞留在金属中，将在铸件形成气孔。
金属材料的连续性遭到气孔破坏，其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[5-6]。
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，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30-70Mpa，充填速度达到5-100m/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，一般在几十个毫秒围。
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，使金属液与型腔的空气，以及热金属和型腔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，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气体不能在短时间排出而残留于铸件部形成气孔缺陷。
图1.1压铸产品主要缺陷的产生原因图1.2压铸件加热后出现的气泡
Fig1.1MaincauseofdiecastingdefectsFig1.2Theairholeofheatedcasting
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[9-10]。
传统压铸件还要避免机械加工，以防止机加后部空洞外露。
图1.1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1.2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，由于部疏松，压铸件塑性，韧性差，大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]。
1.2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，即先将型腔的气体抽出，金属液在相对真空的条件下充填型腔[12]。
如图1.3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，压室与型腔的气体通过真空通道被排到外部真空源。
此时，模具型腔的气体含量降低，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1.4，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将型腔的气体抽出，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[13-14]。
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，应用围更加广泛可用于结构件与承载件。
图1.3抽真空示意图图1.4真空压铸示意图
Fig1.3ExhaustingofvacuumdiecastingFig1.4Theprocessofvacuumdiecasting
在传统压铸技术中，如图1.5所示，由于金属液在浇道口处的喷射效应，大量的金属熔液将与型腔的空气和烟气充分接触，型腔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，型腔气体先被抽出，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1.5普通压铸与真空压铸型腔气体压力曲线
Fig1.5Cavitypressurecurveofordinarydie-castingandvacuumdiecasting
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；
金属液表面力较小，也利于复杂薄壁铸件成形；
二是真空浇注前型腔气体被抽出，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[18-19]：
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，促进压铸件质量普遍达到高档次的关键性技术措施。
1.3真空压铸辅助系统研究现状
1.3.1国外真空压铸技术的发展[20-23]
真空压铸技术的具体实施方案就是将型腔（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，第一种是在模具设计排气道，从模具型腔直接抽气；
第二种是置模具在真空箱，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“醒”的势头，而且很快在世界围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，经过国外真空压铸生产实践证明通过该方案将模具型腔及压室气体排出，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气（或其他惰性气体）的等。
其中，将真空阀装在模具上与排气道连接然后从型腔处抽气的方法最为简便实用，其最大的优势在于模具的设计和结构基本上与常规传统压铸模具结构类似或相同。
模具分型面、推杆配合面、型腔镶拼接合面和冲头压室配合面等各处需保证较好的密封性，只有排气道（也就是传统模具的溢流槽）的设计和计算会有所差别，排气道的设计需要考虑型腔气体的流速。
在压铸过程开始时，当冲头运动越过压室的浇料口时（即浇料口封闭，型腔压室形成密闭空间后）启动真空系统，型腔压室气体被抽出，在冲头运动停止前（即充型完成前）关闭真空系统。
此真空系统要求模具表面质量高，光滑度好，动模与静模之间密封性能良好，型腔能取得较好的真空效果，有效减低压铸件部的气孔缺陷，增加铸件致密度。
国外研究发展了几种以模具设置排气道与抽气截流阀为特征的真空压铸系统，动作程序与传统普通压铸机相同，压射冲头越过压室浇料口的同时，型腔及压室通过排气道由抽气截流阀接通大流量真空泵。
金属液的充型过程在40%-80%的粗真空状态下完成。
压铸件部组织致密度得到显著提高，成型外观质量得到有效改善，飞边减少，为高效益高成品率生产优质零件提供给压铸研究者及工作者一个现实的技术可能性。
在传统压铸系统的基础上辅以真空压铸系统来提高压铸件的质量，已成为
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