轻合金薄壁件铸造成形技术

罗艳归 邹采栋

摘 要：概述了轻合金薄壁件的性能特点；介绍了轻合金薄壁件精确铸造成形技术，主要介绍了石膏型、熔模铸造、压力铸造及反重力铸造技术，以及这些铸造在技术轻合金薄壁件精确成形方面的优缺点和发展情况。

关键词：轻合金薄壁件 铸造技术 精确成形

中图分类号：TG376 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）05（a）-0101-01

国内外航空航天、汽车船舶等行业为了追求轻量化目的，已经采用高性能轻合金材料，如铝、镁、钛等合金[l-3]，同时在结构设计上采用轻量化结构，例如薄壁结构、整体和带筋结构等。这类轻合金工件采用精密铸造技术制造是非常高效的。这类轻合金铸件一般具有如下特点：（1）结构复杂：轮廓结构复杂，内部多腔，用其他制造或机械加工方法难以完成；（2）薄壁：铸件最小壁厚较小，局部甚至薄至2mm以下；（3）尺寸精度高：铸件的内腔和外形一次成形，铸件接近零部件的最终形状，可以少加工或不加工。（4）铸件质量性能高：其质量性能达到I类铸件要求。

1 石膏模铸造

石膏模铸造的铸件具有尺寸精度高、表面光洁及残留应力低的优点，同时具有复制模样精确，热导率低，易完整成形薄壁部位的特点，可铸出壁厚为0.5mm的铸件。然而，石膏型铸造也有以下缺点：石膏型传热能力差，当铸造壁厚较大的铸件时，厚大处容易出现缩松、缩孔等缺陷；透气性极差，铸件易形成气孔、呛火等缺陷[4]。在20世纪80年代初，国内兵器工业第七零研究所采用石膏模成功地生产出了压气机叶轮铝合金铸件产品，且成品率达到85%以上[5]。美国泰克（TEC）公司采用熔模石膏型铸造生产出了薄壁复杂的优质铝合金整体铸件，其尺寸精度一般可达±0.254mm，最高可达±0.076mm，最小壁厚可以达到0.8mm[6]。

2 压力铸造

压力铸造（HPDC）是用于铸造镁合金和铝合金的最常规工艺，该工艺在设计和制造方面有许多灵活性的特点，加上镁合金和铝合金优异的充型性使其能够经济地用于生产大型、薄壁和复杂铸件。第一个工业化生产的雪佛兰Corvette Z06车整体压铸镁支架仅重l0.5kg，比被代替的铝支架减重35%[7]。尽管生产率高，但轻金属常规压力铸造的最大缺点是疏松，因为液体金属高速注入压铸型过程中，金属液卷入的气体留在铸件中导致疏松。

2.1 真空压铸

真空压铸是一种在压铸过程中抽除压铸模具型腔内的气体而消除或显著减少压铸件内的气孔和溶解气体，从而提高压铸件力学性能和表面质量的先进压铸工艺，这种工艺在压射之前，能降低压射室和铸型型腔的压力，没有空气裹夹在铸件中，能够制造出显著改进性能的相当大的薄壁铸件。当前用真空压铸工艺生产的目标铸件是需要气密性和通过热处理获得良好力学性能的铸件。真空压铸拓宽了常规压铸的能力，同时保持了其经济性的益处。北美的铝合金真空压铸已经非常流行，20%以上的铸造企业具有真空压铸生产能力[8]。

2.2 半固态压铸

半固态金属浆料由于其初生晶粒通常以近球状形式存在，故而具有较好的流变性和触变性，故而可用于压铸工艺中。半固态压铸便是在高压的作用下，使半固态浆料在半固态温度下以较高的速度充填压铸型型腔，并在保持压力的条件下成形和凝固。半固态压铸的特点主要是高压和高速充填压铸型。根据工艺的不同半固态压铸通常分为两种：第一种是将半固态浆料直接压射至型腔里形成制件，称为流变压铸；第二种是将半固态浆料预先制成一定大小的锭块，需要时再重新加热到半固态温度，然后送人压室进行压铸，称为触变压铸[9]。与传统全液态压铸技术相比，半固态压铸成型减少了凝固过程中的收缩量，提高了铸件尺寸精度，适于生产复杂件；铸件柱状晶和粗大的树枝晶得以消除，铸件组织细密均匀，缺陷和宏观偏析明显减少；此外减小了型腔热冲击，提高了压铸型及压射室的使用寿命[10-12]。

3 反重力铸造

反重力铸造技术是金属液在与重力方向相反的充填驱动力的作用下，金属液沿重力的相反方向充填型腔。外加的充填驱动力在金属液充填过程中是主导力，它使金属液克服其自身重力、型腔内阻力等作用力完成充填铸型。反重力铸造成型是一种可控的工艺，在金属液充填型腔的过程中，可以控制外加力的大小以实现不同速度的充填，满足不同工艺的要求；同时，铸件在较大压力的作用下凝固，可以提高金属液的补缩能力，降低了缩孔、气孔和针孔等铸造缺陷。根据金属液充填铸型施加压力形式的不同，反重力铸造又可以分为低压铸造、差压铸造、调压铸造等。

3.1 低压铸造

低压铸造是使液体金属在较低的压力作用下充填型腔，以形成铸件的一种方法。其具有以下优点：充填过程中液流平稳，压力变化平缓，可避免湍流而引起的氧化和吸气。例如电磁泵低压铸造，在铸造过程中金属液经过强磁场作用，对改善铸件的组织性能有积极的作用；可精确控制流量及加压范围、反应迅速准确[13]。该工艺重复性极好；不需要额外加压缩空气，并可在保护气氛下工作，从而减少气体浸入，防止金属液的二次污染，减少气孔等缺陷的产生。

3.2 差压铸造

差压铸造是由低压铸造衍生出来的一种铸造方法，其主要是在铸型外增加了一个密封罩，同时在密封罩内通入压缩空气，使金属液在一定压力下成形[14-15]。金属液充型过程中，保温炉中气体的压力大于铸型中气体的压力，使炉内的金属液在压力差的作用下充填铸型，如低压铸造时那样实现金属液的充型、保压和增压。差压铸造由于铸件是在更高的压力作用下结晶凝固的，所以其致密度更高。

3.3 调压铸造

调压铸造是使型腔和金属液处于真空状态并对金属液保温并保持负压；充型过程中，通过增加下压室的压力，将坩埚中的金属液压入处于真空状态的型腔内，充型过程结束后迅速对两压室加压，使金属液在一定压力条件下凝固成形。调压铸造吸收了传统反重力铸造方法的优点并加以改善，弥补了现有技术的不足，实现了薄壁充型能力及冶金品质的双方面提升。与普通差压铸造相比，其充型过程更加平稳，充型能力更加优秀，因而可用于铸造壁厚更薄、机械性能要求更高的大型薄壁铸件，适用于大型复杂薄壁铸件的生产。与其他类型的反重力铸造技术相比，调压铸造技术有三个重要特征和功能：一真空除气；二负压充型；三调压凝固[16-17]。

4 结语

随着制造科技的发展，铸造技术正在向轻量化、薄壁化、复杂化、功能化的方向发展。精确铸造成形技术发展迅速，日新月异。极端条件下的如大型、复杂、薄壁铸件的铸造是铸造技术发展的重要领域。为了获得性能更好的铸件，以适应社会的发展，还需要在铸造技术上进行创新，开发更好更精良的铸造新技术。

参考文献

[1] 中国科学技术协会，中国机械工程学会.机械工程学科发展报告[M].北京：中国科学技术出版社，2009.

[2] LI L，ZHOU J， DUSZCZYK J. Determination of a constitutive relationship for AZ31B magnesium alloy and validation through comparison between simulated and real extrusion[J].J. Mater.Process.Tech，2005，172（3）：372-380.

[3] 郑亚虹，王自东.复杂薄壁精密铝合金铸件铸造技术进展[J].铸造，2010（8）：796-799.