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只看楼主倒序阅读楼主发表于: 2006-06-21

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摘要：通过分析真空铸造在造型、充型、凝固过程中产生的现象，讨论了真空密封造型、实型真空铸造、真空吸铸、真空低压铸造、真空差压铸造等技术的现状．针对国内外发展现状提出今后真空熔模吸铸的研究与发展的方向。
关键词：真空密封造型；实型真空铸造；真空吸铸；真空低压铸造；真空差压铸造；真空熔模吸铸
中图分类号：TG24 文献标识码：A 文章编号：1002-0322(2005)01-0006-05
真空密封造型技术是从20世纪70年代形成的，到20世纪80年代诞生了真空浇注技术，该技术可用于生产形状非常复杂、厚度非常薄的铸件，使铸件无缩孔及缩松现象，是目前较先进又非常具有发展前途的技术，在航空领域，配合使用计算机技术进行辅助模拟，预测铸造缺陷的产生，能大幅度节约时间，降低生产费用，提高铸件的生产效率。
1 真空造型
真空造型是一种物理造型法，它将真空技术与砂型铸造结合，靠塑料薄膜将砂型的型腔面和背面密封起来，借助真空泵抽气产生负压，造成砂型内、外压差使型砂紧固成型，经下芯、合箱、浇注，待铸件凝固，解除负压或停止抽气，型砂便随之溃散而获得铸件。根据目前所应用的领域主要可分为真空密封造型(V法)和实型真空铸造(FV法)。目前国内外对真空造型方面的研究主要集中在以下几方面。
1．1 真空度对型腔紧实的影响
在造型方面研究发现[2]：真空度高，型腔紧实度高，铸件质量也高。但真空度过高时，造型材料的紧实度也大，铸件就易出现裂纹；而且金属液常被抽过涂料层形成铸件表面的针刺和粘砂缺陷。当真空度过低时，会降低铸型的紧实度。同时还降低了排气效率，铸件易产生增碳和气孔等缺陷。吴志超[1]等对坍塌成因的研究表明：当铁水充型时，因流动前沿气隙，内外真空度急剧下降，同时受力失去平衡，造成干砂向气隙流动，引起坍塌。并建立了力学公式。真空度的大小与铸件的重量、壁厚以及铸造合金和造型材料的类别有关。另外，与真空度一样，抽气量同样也是研究的重点。在同一铸型的不同的阶段，所需的抽气量不一样，而以浇注时所需的抽气量最大。当选用水环式真空泵时，其真空度适宜在0.080～0.025MPa。在一般情况下，100kg以下的小型或薄壁铸件的真空度可控制在0.050～0．025 MPa，厚壁或中型铸件控制在0.060～0.045 MPa[3]。
1．2 真空度对金属液流动的影响
很多人对真空下金属液前沿流动形态和流动速度进行了大量研究。结果发现[5,8]：抽真空，可以改变金属液前沿流动形态。而金属液前沿的流动形态直接影响铸件的充型情况。在真空条件下，金属液前沿为不规则的凹形，且随真空度的增加而增大。此状态可以提高金属液充型质量。而且在不同的真空度下浇注时，随着真空度的提高，液体金属的前沿弧度加大，充型时间减少，充型速度提高[4,5,6]。真空度在73～46 KPa之间比没有真空度的铸型，充型速度可提高一倍(铸钢、铸铝都有类似趋势)。研究发现[12]，对于任何给定的铸件都存在着一个特定的l临界充型速度区间。当充型速度小于临界充型速度的下限时铸件易产生塌砂、浇不足[1]；当充型速度大于临界充型速度区间的上限时，不仅模样材料的热解产物没有足够的时间从金属一模样一涂料界面排除，而且液态金属的流动液不稳定，这时铸件易产生气孔、皱皮、粘砂的缺陷。临界充型速度区间的上限大小随模样模数(或壁厚)的增大而增加。保证铸件良好成型的气压条件应该是：P大气>P铸型<P气隙<P金属液。如果P铸型>P气隙可能发生型壁移动或铸件夹砂，甚至铸件不能成型。如果P大气<P铸型，可能发生铸型溃散，致使铸件不能成型。如果P气隙过大，可能浇不足。此外，研究还发现浇注温度对液态金属充型流动性的影响同样与真空度的大小有关。当铸型不抽真空时，浇注温度对充型时间影响较大；当铸型有真空度时，对充型时间基本无影响[4,7]。
清华大学的李峰军[11,12]对消失模铸造液态金属充型速度进行了研究，试验表明：随真空度和直浇道高度的增加，平均充型速度增大。通过多元线性回归建立了充型速度随真空度、模样密度、浇注温度、金属静压头变化的计算公式，并研究了该公式在充型过程数值模拟中的应用。Wang[13,14]采用有限差分法(FDM)对三维任意几何形状的消失模铝铸件进行了流动及传热计算，并将计算结果与实际测试进行了比较。在计算过程中，假定了金属流动速度受模样分解速度制约，并假定模样分解速度仅受金属液温度、真空度(压力)，消失模模样的模数影响。Y.F.Chen[15]在原有普通模拟软件的基础上，假定液态金属自由表面的速度与内浇道液态金属的流量有关，建立了消失模模拟程序，试块及实际铸件的计算结果与实际测试结果一致。
1．3 真空度对金属液凝固的影响
真空造型主要是通过干砂之间的热传导来冷却，砂粒之间是以点或类似点的状态接触，砂粒间空气稀薄，热量只能靠砂粒间极小接触面的热传导和热辐射传递出去，所以热的扩散能力较差，冷却速度最慢。浇入铸型内的金属液，在真空吸力作用下，具有密贴于型腔壁面的倾向，这似乎有利于热的传导，但与铸型型腔表面水的汽化及有机物燃烧时大量吸热、形成快冷的条件相比，其冷却效果还是较差的。所以真空度的大小将影响V法铸型的冷却速度。铸型中的真空度愈高，则铸件冷却速度就愈慢[2]。另外,研究发现铸件凝固时间与铸件模数有关。试验测定不同真空度对模数低于2.O的试块，其凝固时间基本无影响；模数大于2.O，真空度越高，铸件凝固越慢。这是因真空度越高，砂粒间存留的空气越稀薄，空气以传导和对流方式作为热传递的媒质作用也微弱的缘故[9,10]。
2 真空浇注
2．1 真空吸铸
将型壳置于密闭的容器内，抽出型壳内空气，使型壳内造成一定的负压，导致金属液吸入型腔。当铸件的内浇道凝固后，去除负压，令直浇道内未凝固的金属液流回溶池中。其优点是提高了合金液的充型能力，吸铸铸件的最小壁厚可达O．2mm的面积可达300mm2，同时减少气孔、夹渣等缺陷。适用于生产薄而精细的小型精铸件，铸钢(含不锈钢)件尤宜。
目前对真空吸铸的研究主要集中在真空度对金属液充型和凝固特性的影响上。北京航空材料研究院熊艳才研究表明[19]真空吸铸有利于铸型中气体的排除，抑制紊流及卷气的产生，克服了低压铸造和差压铸造的弊端，使金属液的充型能力明显提高。正因为如此，真空吸铸时，金属液的浇注温度可以比重力浇注时低20～30℃，可浇铸壁厚相差大、薄壁、品质要求高的铸件。真空吸铸时，金属液的充型可以近似为射流过程[20]，此时金属液的充填状态取决于射流的宽度、金属液的粘度、金属液进入型腔的速度、内浇道的尺寸和分布、型腔的尺寸等因素，在内浇道的尺寸和分布及型腔的尺寸确定后主要取决于金属液进入型腔的速度v。
v = KdP/dt 式中 K——与升液管及坩埚截面积有关的常数 dP／dt——真空度的变化率
所以通过选择合适的真空度变化率，来控制金属液进入型腔的速度，就可以获得平稳的充填效果。沈阳铸造研究所孙逊等人[16]根据相似原理设计制作了真空吸铸叶轮铸件的水力模拟模型，研究了水充填模型型腔过程中型内压力和充型速度变化规律，通过实验确定了合理的充型工艺参数，并将其应用于实际叶轮吸铸试验中，消除了铸件内的大面积气孔缺陷。北京航空航天大学王贵等人[21]通过测温试验和数值模拟相结合的方法，研究了真空吸铸条件下具有特定结构特征的铝合金试验铸件的充型和凝固过程基本规律，该铸件充型及补缩的基本规律，表明在当前试验条件下，铸件中的局部厚大部位存在缩松缺陷，而通过局部放置铬铁矿砂的方法可以明显减轻铸件产生缩松缺陷的倾向。
在真空熔模吸铸时型壳必须有足够的强度和高温透气性。Ferreira等人[27]通过模拟和实验对照，指明了型壳发生破裂的温度。型壳透气性直接影响型壳内部空气被抽出的快慢，从而影响金属液充型即吸铸工艺的稳定。研究表明在900℃时，型壳透气性约为0.022cm3/g•min时就能满足吸铸工艺的要求；其次是要合理控制凝固时间。当铸件已完全凝固，而直浇道的金属液尚未开始凝固时就应立即将真空解除，使得直浇道中的金属液流回溶池[17]。在吸铸过程中，临界凝固时间与合金液的温度，模壳温度，模壳材质的导热系数、整个系统的散热条件及内浇口截面积大小等因素有关[29]。
2．2 真空低压铸造
真空低压铸造法是在加压充型的过程中对铸型抽真空，充型完后保压使铸件在恒定压力下结晶凝固，铸件得到充分补缩，因而铸件组织致密，力学性能提高。目前国内外多将其应用于Al，Mg合金铸件的精密成形。
华中科技大学的胡敏[4]对铝合金消失模真空低压铸造的充型特征进行了试验研究。通过使用电极触点法测试了铝合金消失模真空低压铸造的充型特性，并对充型时浇注温度、真空度、内浇道尺寸等工艺因素对铝合金充型形态及充型速度的影响进行了研究，得出结论：消失模真空低压铸造中的金属液的充型形态与传统铸造法不同。充型时，液体金属前沿进入内浇道开始以辐射弧线状向前推进，消失模与金属液间有一完整连续界面，真空负压、浇注温度、内浇道尺寸等参数变化直接影响液体金属前沿弧线形态及相对位置。负压是影响充型形态及充型速度的一个很重要的因素。负压的存在，一方面可以使干型砂得到紧实，增大铸型的强度；另一方面，可以提高金属液体的流动性，有利于充型。真空度的提高，使充型时间变短，充型速度加快，有利于充型。但真空度不能过高，否则充型不平稳，铸件质量不能保证。浇注温度是影响充型的另一个主要因素，浇注温度越高，铝合金液体流动性越好，充型越快，但过高的浇注温度会使液态Al合金吸气严重，铸件的针孔缺陷增大。而且研究也指明浇注系统的尺寸对充型也有较大影响，在其他条件相同时，随内浇道面积加大，充型速度增大。此外，气体流量、模样的壁厚、涂料的性能等对铝合金消失模真空低压铸造的充型形态及充型速度都有较大的影响。
2．3 真空差压铸造
真空差压铸造工艺主要是通过控制铸型和坩埚内的真空度及铸型与金属液面的差压度来控制充型速度，从而使金属湖顷利充型。尤适于生产复杂薄壁铸件。
在压铸过程中，模具型腔中气体的排除是填充理论的主要课题，也是浇口技术的重要组成部分。所方案。经过研究发现真空度对充型的影响主要有两个方面[23]：一是减小了铸型型腔中的背压，从而减小了充型时的阻力。真空度越高，背压越小，充型越容易。二是真空度为充型压差建立了一个较低的压力起点，真空度越高，越容易建立较大的充型压差，有利于金属液的充型，董选普等人[26]的测试给出了真空度与充型高度的关系。并比较了真空差压铸造和重力铸造、真空吸铸的充型能力。与传统的重力铸造和真空吸铸相比，真空差压铸造在1mm厚的薄片试样上体现了很好的充型能力。在铸件的强度性能上，比真空吸铸和重力铸造分别提高约20％～25％，延伸率提高近一倍。陈国策[24]等人通过分析抽真空截止点的位置对压铸件气孔的影响，发现真空压铸能有效减少压铸件的气孔，提高铸件的密度1％以上。抽真空截止点设定在冲头快压射点前15～20mm处较好。所以如何改进还有待研究。
华中科技大学董选普等人[22]首次对真空差压铸造工艺参数与铸件充型性能和内在质量的关系作了系统的研究，基本掌握了真空度、气体流量、气源压力、浇注温度等因素对充型能力影响的规律，找到优化的充型工艺参数。通过对真空差压充填理论的研究，提出了变密度浮射流和冲击射流充填理论的模型。用压力传感器对真空差压铸造工艺曲线进行了测试，对充型过程的实际压力的变化作了准确的描述。曲线充型段斜率直接说明了充型速度的大小，保压段的高度表示了凝固过程中的补缩能力。对于薄壁复杂铸件，要求充型段的斜率较大，保压段的压力可稍低；对于壁厚较大的铸件，充型段的斜率可小些，但保压压力必须增大。对于一般壁厚的复杂铸件采用顺序充填，对于大面积、壁厚小于1．5mm的薄壁铸件采用逆向附壁充填的模式；提出了预防曲线的措施，得出了金属液渗透深度的理论表达式。为进一步制定真空压差铸造的工艺规范提供了理论依据。
3 真空熔模精密铸造的发展趋势
真空熔模精密铸造能生产精密、复杂、接近于零件最后形状的产品，可不加工或很少加工就直接使用，适合于大批量工业生产，是今后国内外应用前景非常广泛的铸造方法，其热质传递理论研究和模拟计算软件开发都有重要意义。
3．1 传热、传质特性的研究
高温液态金属在浇注、凝固、和冷却过程中都要与周围物体产生传热和传质现象，其中包括金属液与型壳，型壳与环境和金属液与环境之间的传热和传质。传热和传质情况的不同，直接影响金属液内部晶时结晶顺序和晶体形状，并最终决定铸件的质量。
真空熔模精密铸造的铸型是具有一定厚度和强度的多孔透气性型壳，并以高温热型浇注为主。产品则以精密、复杂、壁薄见长。型壳的厚度和透气性将直接影响传热和传质情况。熔模铸造时由于型壳厚度很薄，蓄热能力小，所以高温型壳与周围环境的换热方式除了有传导外，还有对流和辐射。虽然真空的存在使得环境与型壳的对流作用减弱，传热过程主要以传导和辐射方式进行。但是热壳孔隙对导热性能和传质性能的影响的作用很大，增加了壳与金属液间传热传质现象的复杂性，而目前不仅对真空熔模铸造中高温多孔型壳的热物性能的研究很少，而且多孔介质的传热和传质特性也是其他领域的研究执门问颢．所以在计算高温型壳传热和传质的基础上，指导改变面层浆的粘度，选用不同成分、粒度的粉料，及面层砂(锆砂)的粒度和深加工方法，配合不同粘度的背层浆和不同粒度的背层砂，制成强度、透气性、散热能力更强的型壳。同时根据传热传质定律，计算金属液充型和凝固过程的热流和物质流变化情况，以确定合适的浇注温度和型壳温度，进而严格控制金属液凝固过程的热流方向，细化晶粒，以达到预期的定向凝固效果，最终提高铸件的综合力学性能。尤其是在生产涡轮叶片等高精密度铸件上，传热传质特性和规律是目前进行真空熔模铸造研究工作者应解决的重点问题。
3．2 模拟预测方法的研究
随着充型过程的数值模拟技术的飞速发展，目前已能对较复杂的铸件以及重力铸造、压铸、消失模铸造等各种条件下的充型过程进行三维数值模拟。包括用共轭梯度法(CG)求解动量方程及连续性方程或用SOLA法迭代压力场和速度场，用体积函数法(VOF)或标志网格法(MAC)处理自由表面，在流场计算的基础上模拟金属液的充型形态和充型速度。通过模拟可以获得铸件各部位的温度梯度、凝固速度、局部热节和一些缺陷形成判据的映射结果[28]。但由于真空熔模精密铸造通常用于生产复杂薄壁铸件，在浇注充型过程中合金液和型壳的热量损失和温度场的改变非常明显，是一个流动与传热强耦合的过程。而目前对复杂薄壁铸件网络划分、流场、温度场和传热、传质计算和验证都存在困难，所以，对复杂薄壁铸件的凝固过程的流动与传热耦合计算较少。可是，只有将流场与温度场进行耦合计算，才能保证两场计算结果的准确性，也才能对冷隔的缺陷进行预测，并得到准确的初始温度分布。在真空浇注下，对薄壁复杂铸件的凝固过程进行模拟计算时，要考虑真空度对流场和温度场的计算以及铸件凝固过程中的传热传质影响，对计算方程加以修正，优化网络划分及浇注系统设计，简化充型模拟程序，提高大型薄壁复杂铸件的模拟计算效率。同时，随着神经网络计算方法的广泛应用，因其在信息处理速度、模式识别、自动控制和自学习方面等方面的独特优点，使得其对铸造的模拟预测提出了新的计算思路。根据实际采集数据，选择网络模型，进行静态建模，将人工神经网络技术和有限元技术结合起来，使其互相补充。“学习”后的神经网络可以即时、准确预测输出值，不再需要繁杂的计算，即提高了响应速度，又大大节省了CPU时间。所以在流场与温度场的模拟计算时引入神经网络计算方法，预测铸件缺陷产生情况，并通过修改内浇口位置和尺寸及直浇遭、横浇道、冒口的尺寸，使铸件避免产生缩孔、缩松、冷隔、浇不足等缺陷。找到叶片等特殊产品定向凝固的工艺，从而缩短样品试制周期，可以为今后的工业应用，提高铸件质量和生产效率奠定技术基础。