樊自田，蔣文明，趙 忠

(華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院材料成形與模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430074)

鋁(鎂)合金消失模鑄造近凈成形技術(shù)研究進(jìn)展

樊自田，蔣文明，趙 忠

(華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院材料成形與模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430074)

闡述了鋁(鎂)合金消失模鑄造技術(shù)的研究現(xiàn)狀，著重介紹了鋁(鎂)合金消失模鑄造在金屬液充型、振動(dòng)凝固、壓力凝固以及消失模殼型鑄造等技術(shù)方面的最新研究進(jìn)展。研究表明，鋁(鎂)合金在消失模鑄造過(guò)程中，需重點(diǎn)解決針孔、縮松等缺陷，提高液態(tài)合金的充型能力和鑄件的力學(xué)性能;通過(guò)采用振動(dòng)凝固和壓力凝固的手段，可以提高金屬液充型能力、細(xì)化組織、提高組織致密性，明顯提高鑄件力學(xué)性能。真空低壓消失模殼型鑄造技術(shù)，可以解決普通消失模鑄造易于出現(xiàn)的孔洞和夾雜等缺陷以及澆不足和澆注溫度高等問(wèn)題，是一種生產(chǎn)復(fù)雜薄壁高質(zhì)量鋁、鎂合金精密鑄件的新方法。

鋁鎂合金;消失模鑄造;振動(dòng)凝固;壓力凝固;消失模殼型鑄造

1 前言

消失模鑄造技術(shù)(LFC)是一種近無(wú)余量、精確成形的新技術(shù)，適合生產(chǎn)復(fù)雜零件，被稱為是“代表21世紀(jì)的鑄造新技術(shù)”和“鑄造中的綠色工程”［1－6］。它是采用泡沫塑料制作成與零件結(jié)構(gòu)和尺寸完全一樣的實(shí)型模樣，經(jīng)浸涂耐火涂料，烘干后進(jìn)行干砂造型，振動(dòng)緊實(shí)，然后澆入金屬液使模樣受熱氣化消失，從而得到與模樣形狀一致的金屬零件的精密鑄造方法［7］。圖1是消失模鑄造的泡沫模及鑄件的照片。與其他鑄造工藝相比，它具有諸多優(yōu)點(diǎn):①鑄件的尺寸精度高、表面粗糙度低;②增大了鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的自由度;③散砂緊實(shí)、無(wú)粘結(jié)劑，簡(jiǎn)化了鑄件生產(chǎn)工序，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率;④容易實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)等。自20世紀(jì)50年代消失模鑄造技術(shù)發(fā)明以來(lái)，它已取得了相當(dāng)大的發(fā)展，在汽車行業(yè)中，如發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體、缸蓋、電機(jī)殼體等復(fù)雜零件的鑄造中已獲得了廣泛應(yīng)用。消失模鑄造應(yīng)用最廣泛的金屬材料主要集中在鑄鐵、鑄鋼等黑色合金上，其相關(guān)技術(shù)的理論研究和實(shí)際應(yīng)用已經(jīng)非常成熟，而Al、Mg合金的消失模鑄造技術(shù)發(fā)展相對(duì)較慢，Al合金消失模鑄件受到一些缺陷的困擾，廢品率居高不下，應(yīng)用推廣受阻，而Mg合金消失模鑄造技術(shù)還未能在工業(yè)中獲得實(shí)際應(yīng)用，仍有許多問(wèn)題亟待解決。因此，開(kāi)展Al、Mg合金消失模鑄造技術(shù)方面的研究對(duì)于擴(kuò)大消失模鑄造技術(shù)的應(yīng)用和推廣具有重大的理論價(jià)值和實(shí)際意義。介紹了Al，Mg合金消失模鑄造技術(shù)研究和應(yīng)用方面的最新成果。

圖1 消失模鑄造的泡沫模(a)及其鑄件(b)Fig.1 Foam patterns(a)and castings(b)of LFC

2 Al，Mg合金消失模鑄造技術(shù)研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 Al合金消失模鑄造研究現(xiàn)狀

進(jìn)入20紀(jì)80年代以來(lái)，采用干砂消失模鑄造法生產(chǎn)Al合金汽車鑄件在歐美得以迅速發(fā)展，國(guó)外Al合金消失模鑄造技術(shù)開(kāi)始大規(guī)模應(yīng)用是在20世紀(jì)90年代初。其中第1條消失模鑄造的生產(chǎn)線是通用汽車在Massena于1985年建成的，為Chevrolet生產(chǎn)Al合金缸體、缸蓋［8－9］。在歐洲，1993年德國(guó)寶馬汽車公司開(kāi)始建設(shè)一條年產(chǎn)20萬(wàn)只各種規(guī)格Al合金氣缸蓋的消失模生產(chǎn)線，到1995年5月正式投產(chǎn)，成品率在90%以上，每天生產(chǎn)1 500個(gè)Al合金氣缸蓋。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道［10］，到2009年美國(guó)的Al合金消失模鑄件產(chǎn)量達(dá)到22萬(wàn)t。國(guó)外不論在Al合金消失模鑄造的基礎(chǔ)理論研究和實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用方面都遙遙領(lǐng)先，從泡沫模樣、金屬液充型和凝固過(guò)程以及鑄件缺陷控制方面都取得了大量成果。

至20世紀(jì)90年代中期，我國(guó)的消失模鑄件產(chǎn)量還很少，最近五六年，消失模鑄造發(fā)展才進(jìn)入快速發(fā)展期。鑄鐵件的消失模鑄造生產(chǎn)技術(shù)在我國(guó)已基本成熟，鑄鋼件(除低碳鋼件外)的消失模鑄造技術(shù)我國(guó)也基本掌握。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2007年中國(guó)消失模鑄件產(chǎn)量達(dá)到64.8萬(wàn)t，其產(chǎn)量和企業(yè)數(shù)量均列世界第1，而Al合金消失模鑄件的產(chǎn)量達(dá)不到總產(chǎn)量的0.5%［11］。綜上，Al合金的消失模鑄造，在美國(guó)等鑄造發(fā)達(dá)國(guó)家的汽車行業(yè)已廣泛應(yīng)用;但在我國(guó)，Al合金消失模鑄件受到一些缺陷(主要是針孔、縮松)的困擾，廢品率居高不下，Al合金消失模鑄件的生產(chǎn)還比較少;引進(jìn)和自行制造的Al合金消失模鑄造生產(chǎn)線還未發(fā)揮應(yīng)有的效益。

2.2 Mg合金消失模鑄造研究現(xiàn)狀

相比Al合金的消失模鑄造，Mg合金的消失模鑄造發(fā)展要緩慢得多，在實(shí)際生產(chǎn)中遇到很多問(wèn)題，其實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)難以推廣。在國(guó)外，美國(guó)鑄造協(xié)會(huì)于2002年6月在位于威斯康星州的Eck公司率先澆注成功消失模AZ91鎂合金鑄件［12］。而國(guó)內(nèi)Mg合金的消失模鑄造的工業(yè)應(yīng)用還未見(jiàn)報(bào)道，一些研究者在這方面所做的努力雖然取得許多進(jìn)展，但尚處于實(shí)驗(yàn)階段。

3 Al，Mg合金消失模鑄造技術(shù)存在的問(wèn)題及發(fā)展方向

最新的研究表明［13］，Mg合金非常適合消失模鑄造工藝，其具有如下獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn):①在Mg合金澆注過(guò)程中，泡沫模樣的分解產(chǎn)物主要是烴類(烷烴、烯烴等)、苯類和苯乙烯等氣霧物質(zhì)，它們對(duì)充型成形時(shí)極易氧化的液態(tài)Mg合金具有自然的保護(hù)作用;②采用干砂負(fù)壓造型，避免了Mg合金液與型砂中水分的接觸和由此而引起的鑄件缺陷;③與目前普遍采用的Mg合金壓鑄工藝相比較，其投資成本大為降低，干砂良好的退讓性大大減輕了Mg合金鑄件凝固收縮時(shí)的熱裂傾向;金屬液較慢和平穩(wěn)的充型速度避免了氣體的卷入，使鑄件可經(jīng)熱處理進(jìn)一步提高其力學(xué)性能。

然而，Al，Mg合金消失模鑄造技術(shù)發(fā)展也存在一定的難點(diǎn):①金屬液在充型澆注中，泡沫模樣的熱解氣化將吸收大量的熱量，造成合金流動(dòng)前沿溫度下降，過(guò)度冷卻易形成冷隔、皮下氣孔等鑄件缺陷。因此，Al，Mg合金消失模澆注過(guò)程中，提高充型能力對(duì)獲得優(yōu)質(zhì)Al，Mg消失模鑄件至關(guān)重要，尤其是復(fù)雜薄壁Al，Mg合金鑄件;②Al，Mg合金消失模鑄造的澆注溫度高達(dá)750～780℃，較普通空腔澆注高30～50℃，在此高溫下，Al合金的吸氫嚴(yán)重，易使鑄件產(chǎn)生針孔等缺陷;而Mg合金的氧化燃燒加劇，鑄件縮松較多。這也是我國(guó)Al，Mg合金消失模鑄造技術(shù)目前尚未解決的主要技術(shù)難題;③Al，Mg合金消失模鑄造，需要低溫氣化的泡沫模樣材料，然而有關(guān)泡沫模樣材料的基礎(chǔ)研究在我國(guó)進(jìn)行的工作相對(duì)較少。另外，研制適合Al，Mg合金消失模鑄造用強(qiáng)度高、透氣性好的涂料，也是亟待解決的課題。

為了解決Al，Mg合金消失模鑄造中充型澆注、氧化燃燒、針孔等問(wèn)題，提高消失模鑄造零件的性能，目前正在研究開(kāi)發(fā)以下幾種特種消失模鑄造技術(shù):

真空低壓消失模鑄造技術(shù)［14］它將真空消失模鑄造與低壓鑄造有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，綜合了低壓鑄造與真空消失模鑄造的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在可控的氣壓下完成充型過(guò)程，大大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(qiáng)化;而與砂型鑄造相比，鑄件的精度高、表面粗糙度低、生產(chǎn)率高、性能好;在反重力作用下，直澆口成為補(bǔ)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(jìn)行補(bǔ)縮凝固，合金鑄件的澆注系統(tǒng)簡(jiǎn)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。

壓力消失模鑄造技術(shù)［15］它是消失模鑄造技術(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(diǎn)是能夠顯著減少鑄件中的縮孔、縮松、氣孔等鑄造缺陷，提高鑄件致密度，改善鑄件力學(xué)性能。在外加壓力下凝固，外力對(duì)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(bǔ)縮能力，使鑄件內(nèi)部縮松得到改善;加壓凝固還會(huì)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(shí)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。

振動(dòng)消失模鑄造技術(shù)［16］在消失模鑄造過(guò)程中施加一定頻率和振幅的振動(dòng)，使鑄件在振動(dòng)場(chǎng)的作用下凝固。由于消失模鑄造凝固過(guò)程中對(duì)金屬液施加了振動(dòng)，振動(dòng)力使液相與固相間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，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(xì)化、補(bǔ)縮提高，力學(xué)性能改善。該技術(shù)可利用消失模鑄造中現(xiàn)成的緊實(shí)振動(dòng)臺(tái)，通過(guò)振動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)，使金屬液在動(dòng)力激勵(lì)下生核，達(dá)到細(xì)化組織的目的，是一種操作簡(jiǎn)便、成本低廉、無(wú)環(huán)境污染的特種消失模鑄造新方法。

消失模殼型鑄造技術(shù)［17］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(jìn)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(jì)靈活及熔模鑄造高精度型殼等優(yōu)點(diǎn)，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(lái)的氣孔、夾雜等缺陷以及泡沫模氣化吸熱而引起的過(guò)高澆注溫度問(wèn)題，同時(shí)使金屬液的充型能力進(jìn)一步提高。另外，還可結(jié)合反重力低壓鑄造進(jìn)行成形，使金屬液的充型和補(bǔ)縮能力進(jìn)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，是一種適合大型復(fù)雜薄壁精密鑄件生產(chǎn)的新方法。

4 Al,Mg合金消失模鑄造技術(shù)研究新進(jìn)展

目前，制約Al，Mg合金消失模鑄造技術(shù)發(fā)展的主要問(wèn)題是:充型能力差，組織粗大、不致密，孔洞缺陷嚴(yán)重，導(dǎo)致鑄件力學(xué)性能偏低。因此，對(duì)于Al，Mg合金消失模鑄造技術(shù)方面的研究也主要圍繞在以上幾個(gè)方面，目的在于提高充型能力，細(xì)化組織，消除組織不致密和孔洞缺陷，最終提高鑄件力學(xué)性能。下面，將圍繞這個(gè)方面的研究分別進(jìn)行闡述。

4.1 Al,Mg合金消失模鑄造充型過(guò)程研究

M.R.Barone 和 D.A.Caulk［18］提出了在 Al合金消失模鑄造中金屬液和泡沫模間的熱量傳遞，聚合物的分解和氣體擴(kuò)散的模型，利用這個(gè)模型計(jì)算的泡沫模的分解值和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)很好地吻合，模型還可以用來(lái)分析金屬液的充填，并指出泡沫模的分解對(duì)于缺陷的產(chǎn)生起到至關(guān)重要的作用。

M.SANDS 和 S.SHIVKUMAR［19］研究了 EPS 分子質(zhì)量和泡沫模密度對(duì)A356合金消失模鑄造過(guò)程的影響，得出隨著分子質(zhì)量和泡沫模密度的增大，泡沫模的拉伸性能得到改善。隨著泡沫模密度的增大，金屬液的充型時(shí)間增加。另外，EPS分子質(zhì)量和泡沫模密度可能對(duì)鑄件的質(zhì)量有較大的影響。

Sun WL［20］等用XRD測(cè)試了 Al合金消失模的充型認(rèn)為，密度均勻，表面光滑的模樣適合消失模鑄造。Hess DR［21］等研究認(rèn)為，模樣的融合程度和珠粒類型對(duì)Al合金液流動(dòng)速度影響較大，而Al合金中的Si含量對(duì)流動(dòng)速度影響不大。

國(guó)內(nèi)對(duì)Mg合金消失模鑄造研究較早，劉子利［22］等研究認(rèn)為，Mg合金消失模鑄造中的澆注溫度、負(fù)壓真空度和模樣厚度對(duì)充型速度的影響較明顯。實(shí)驗(yàn)顯示了抽真空澆注時(shí)，液態(tài)Mg合金優(yōu)先沿壁面先行，呈凹形快速充型。

趙忠［23］等研究了機(jī)械振動(dòng)對(duì)Al，Mg合金消失模鑄造的充型流動(dòng)的影響。結(jié)果表明，A356合金和AZ91D合金消失模澆注過(guò)程中進(jìn)行機(jī)械振動(dòng)，可以提高液態(tài)金屬的充型能力，充型能力隨著振動(dòng)頻率和振幅的增大而增大，見(jiàn)圖2所示。

圖2 不同振動(dòng)頻率與振幅對(duì)A356合金(a)和AZ91D合金(b)消失模鑄造充型能力影響Fig.2 Influence of frequency and amplitude of vibration on filling ability of A356 alloy(a)and AZ91D alloy(b)LFC

此外，不同振動(dòng)峰值加速度對(duì)A356和AZ91D消失模鑄造充型能力的影響如圖3示。當(dāng)振動(dòng)峰值加速度小于1g時(shí)，振動(dòng)對(duì)A356和AZ91D的充型能力影響很小。而當(dāng)振動(dòng)峰值加速度大于4g時(shí)，振動(dòng)力過(guò)大，消失模鑄造過(guò)程中易出現(xiàn)工藝不穩(wěn)定，產(chǎn)生嚴(yán)重粘砂、試樣變形等缺陷，反而使金屬液充型能力下降。因此，振動(dòng)峰值加速度選擇在1～4g之間，可以明顯提高A356合金和AZ91D合金消失模鑄造充型能力。

4.2 消失模鑄造振動(dòng)凝固技術(shù)研究

金屬凝固過(guò)程中施加振動(dòng)可以有效細(xì)化晶粒，文獻(xiàn)［24］顯示，振動(dòng)對(duì)組織的影響包括增加形核、減小晶粒尺寸、提供同質(zhì)結(jié)構(gòu)等，并能提高合金的性能。日本的山本康雄［25］等將機(jī)械振動(dòng)應(yīng)用到球墨鑄鐵的消失模鑄造中，促使石墨球化和晶粒的細(xì)化，提高鑄件性能。

田學(xué)鋒、李繼強(qiáng)［26］等研究了機(jī)械振動(dòng)對(duì)AZ91D合金消失模鑄造組織和性能的影響。圖4所示為不同振幅下AZ91D合金消失模鑄造振動(dòng)凝固試件的顯微組織。從圖4中明顯看出，隨著振幅的增加，AZ91D合金消失模鑄造試件的晶粒逐漸變得細(xì)小。

圖3 不同振動(dòng)峰值加速度對(duì)A356合金和AZ91D合金消失模鑄造充型的影響Fig.3 Influence of acceleration of vibration on filling ability of A356 alloy and AZ91D alloy LFC

實(shí)驗(yàn)表明，AZ91D合金消失模鑄造試件的屈服強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度和延伸率分別為99.40 MPa，134.48 MPa和1.85%，振動(dòng)后分別提高到110.34 MPa，165.72 MPa和2.24%，可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)振動(dòng)后，消失模鑄件的綜合力學(xué)性能較振動(dòng)前有較大提高。

趙忠、潘迪［27］等研究了不同振動(dòng)頻率對(duì)ZL101 Al合金消失模鑄件組織和性能的影響。在ZL101 Al合金消失模凝固過(guò)程中進(jìn)行不同頻率的垂直振動(dòng)，組織明顯細(xì)化(如圖5所示)。在不同頻率振動(dòng)凝固試樣的抗拉強(qiáng)度和延伸率變化如圖6所示。從圖6中可以看出，隨著振動(dòng)頻率的增加，試樣抗拉強(qiáng)度、延伸率逐漸增大，頻率在0～20 Hz之間，性能提高顯著，但20～60 Hz振動(dòng)頻率，試樣抗拉強(qiáng)度和延伸率增加趨緩。試樣硬度隨振動(dòng)頻率的變化具有相似的規(guī)律，如圖7所示。

不同振動(dòng)加速度下，對(duì)Al合金消失模鑄件實(shí)施振動(dòng)凝固所得的鑄件組織如圖8所示。從圖8可以明顯看出，隨著振動(dòng)加速度的增大，晶粒尺寸明顯減小。

不同振動(dòng)的峰值加速度對(duì)Al合金消失模鑄件力學(xué)性能的影響，見(jiàn)圖9所示?？梢钥闯?，雖然振動(dòng)峰值加速度增大，合金的晶粒變的細(xì)小，但力學(xué)性能卻沒(méi)有隨著振動(dòng)加速度的增加而顯著增加，甚至有一定的下降。綜合分析，振動(dòng)加速度在1～2g之間，振動(dòng)對(duì)Al合金消失模鑄造組織性能有積極的作用。

4.3 消失模鑄造壓力凝固技術(shù)研究

凝固期間加壓的主要作用是去除縮孔、縮松、氣孔等鑄造缺陷，提高鑄件致密度，改善鑄件機(jī)械性能。早在1935年波契瓦爾與斯帕斯基［28］就采用了各向氣體壓力下結(jié)晶的方法制造了Al合金鑄件，可以有效減少鑄件中彌散氣孔的出現(xiàn)。

20世紀(jì)90年代早期，消失模鑄造就應(yīng)用了壓力凝固。Bokhyun KANG 等［29］對(duì) Al合 金 A356(Al-7%Si-0.35Mg-低Fe)消失模鑄造采用壓力凝固進(jìn)行了研究。認(rèn)為壓力凝固使鑄件的密度增加，有效地降低了消失模鑄造的孔隙度，提高了力學(xué)性能。趙忠、唐波等［30］采用自制的消失模真空壓力設(shè)備，研究了壓力對(duì)ZL101 Al合金鑄件組織和性能的影響。圖10是不同壓力下凝固Al合金消失模試樣的橫截面照片。由圖10可以看出，隨著施加壓力的增加，ZL101 Al合金鑄件斷面孔隙率顯著降低，鑄件不斷變得致密。圖11是外加壓力對(duì)試樣孔隙率和密度的影響規(guī)律。由兩圖可以看出，當(dāng)外加壓力達(dá)到0.5 MPa時(shí)，ZL101 Al合金消失模鑄件的針孔基本消失(圖11a)。壓力繼續(xù)提高，鑄件密度提高趨緩(圖11b)。

圖12為不同外加壓力對(duì)ZL101 Al合金消失?？估?強(qiáng)度與延伸率的影響。由圖12可看出，隨著外加壓力的增大，試樣的抗拉強(qiáng)度、延伸率逐漸提高。當(dāng)外加壓力達(dá)到0.5 MPa以上時(shí)，抗拉強(qiáng)度提高幅度逐漸減緩。其中，0.5 MPa壓力下凝固的ZL101 Al合金試樣與常壓下消失模鑄造試樣比較，抗拉強(qiáng)度從137 MPa提高到了177 MPa，提高33.9%。

圖12 外加壓力對(duì)ZL101消失?？估瓘?qiáng)度與伸長(zhǎng)率的影響Fig.12 Influence of applicd pressure on tensile strength and elongation of ZL101 alloy LFC

4.4 真空低壓消失模殼型鑄造技術(shù)研究

最近，蔣文明等［31－33］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)”及“真空低壓鑄造成形”等多項(xiàng)精密鑄造技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜薄壁Mg，Al合金精密鑄件的高質(zhì)量成形，其工藝流程見(jiàn)圖13所示。

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(圖14a)，在其表面結(jié)殼2～3次形成復(fù)合涂層(圖14b)，經(jīng)失模、烘烤等工序形成陶瓷型殼(圖14c)，再結(jié)合真空消失模鑄造或真空低壓消失模鑄造成形，即可獲得薄壁復(fù)雜Mg，Al合金精密鑄件(圖14d)。

圖13 真空低壓消失模殼型鑄造工藝流程Fig.13 Flow chart of the shell casting process based on expendable pattern with vacuum and low pressure casting

圖14 鑄件澆注過(guò)程照片:(a)泡沫模，(b)型殼，(c)脫殼，(d)鑄件Fig.14 Photos of castings:(a)foam mold，(b)pattern-shell，(c)shell drawing，and(d)casting

真空低壓消失模殼型鑄造工藝，使金屬液在真空與充型氣體的雙重壓力進(jìn)行充型，充型能力大大提高，在生產(chǎn)大型復(fù)雜薄壁鑄件時(shí)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，且金屬液在壓力下凝固，鑄件得到了充分的補(bǔ)縮，減少了氣孔、縮松、針孔等缺陷，提高了組織致密性。圖15是為真空低壓消失模殼型鑄造和普通重力下消失模鑄造工藝獲得的A356合金微觀組織對(duì)比。由圖15可以看出，真空低壓消失模殼型鑄件組織較普通消失模鑄件組織大大細(xì)化，組織致密，氣孔、縮孔等缺陷較少，普通消失模鑄件內(nèi)部明顯有很大的孔洞缺陷。

表1是真空低壓消失模殼型鑄造和普通消失模鑄造的A356合金鑄件力學(xué)性能的對(duì)比?？梢?jiàn)，真空低壓消失模殼型鑄造較重力消失模鑄造具有較高的力學(xué)性能，其抗拉強(qiáng)度、延伸率和布氏硬度分別達(dá)到278.27 MPa，8.10%和931 MPa，較重力消失模鑄造分別高了20.2%，166.4%，17.6%。另外，由表1還可看出，真空低壓消失模殼型鑄件表面質(zhì)量?jī)?yōu)于普通消失模鑄件，主要是由于高密度泡沫模和高精度陶瓷殼型的采用。

圖15 不同工藝A356合金組織對(duì)比:(a)重力消失模鑄件，(b)真空低壓消失模殼型鑄件Fig.15 Comparison of microstructure of A356 alloy obtained using different processes:(a)gravity lost foam casting and(b)expendable pattern shell casting with vacuum and low pressure

表1 兩種工藝獲得的A356合金鑄件力學(xué)性能對(duì)比Table 1 Comparison of mechanical properties of A356 alloy castings obtained by two processes

5 結(jié)語(yǔ)

(1)Al，Mg合金消失模鑄造過(guò)程中，金屬液充型能力較差，常采用提高澆注溫度、抽真空和增加涂料透氣性等方法來(lái)提高合金的充型能力。此外，消失模鑄造中施加一定振動(dòng)可以適當(dāng)提高Al，Mg合金消失模鑄造的充型能力。

(2)Al，Mg合金消失模鑄造中，減少Al合金針孔和Mg合金縮松的方法，主要是采用壓力凝固、低壓鑄造等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，壓力凝固很大程度地提高了合金的補(bǔ)縮能力，使得Al，Mg合金消失模鑄件組織致密，孔洞缺陷大大減少，力學(xué)性能相應(yīng)得到很大提高。

(3)消失模鑄造振動(dòng)凝固技術(shù)是一種細(xì)化Al，Mg合金消失模鑄造組織的簡(jiǎn)便有效的方法，如果同時(shí)結(jié)合化學(xué)元素變質(zhì)處理，可以實(shí)現(xiàn)組織的進(jìn)一步細(xì)化，顯著提高Al，Mg合金消失模鑄件的力學(xué)性能。

(4)開(kāi)發(fā)出適合Al，Mg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Al，Mg合金消失模鑄造今后研究的主要內(nèi)容和發(fā)展方向。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(guò)程中分解帶來(lái)的孔洞、增碳和夾雜等缺陷;另外，金屬液在真空和低壓的雙重壓力下充型和凝固，金屬液的充型和補(bǔ)縮能力大大增強(qiáng)，是一種適合生產(chǎn)復(fù)雜薄壁高質(zhì)量Al，Mg合金精密鑄件的新方法。

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New Technological Advance in Lost Foam Casting Process for Al Alloy and Mg Alloy

FAN Zitian，JIANG Wenming，ZHAO Zhong
(School of Materials Science and Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China)

Research situation of Al alloy and Mg alloy lost foam casting(LFC)process is described，and new advancements of Al alloy and Mg alloy LFC in filling，vibration solidification，pressure solidification and expendable pattern-shell compound casting，etc.，are mainly introduced.The results show that the pinhole and shrinkage porosity defects must be emphatically solved for Al alloy and Mg alloy LFC，and the filling ability of liquid alloy and mechanical properties of castings must also be improved.The improvement of the filling ability of liquid alloy，microstructure refinement，increase of microstructure compactness，improvement of the mechanical properties of castings could be obtained by means of vibration solidification and pressure solidification.The shell casting process based on expendable pattern with vacuum and low pressure casting can solve some of pinhole and slag inclusion defects as well as the misruns and high pouring temperature of LFC，and it is a new process for manufacturing complicated and thin-walled aluminum and magnesium alloys precision castings.

aluminium alloy and magnesium alloy;lost foam casting(LFC);vibration solidification;pressure solidification;expendable pattern-shell compound casting

TG146.21

A

1674－3962(2011)07－0038－10

2011－03－03

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2007AA03Z113);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51075163)

樊自田，男，1962年生，教授，博士生導(dǎo)師