原標題：鎂合金壓鑄真空抽氣系統(tǒng)的設計與應用研究

摘要：設計了一種含有主、副排氣通道的真空抽氣系統(tǒng)，主排氣通道較副排氣通道橫截面大，由真空閥控制其開閉，副排氣通道采用橫截面較小的齒狀排氣通道，在真空壓鑄過程中保持全程抽氣。研究表明：采用主、副排氣通道的真空抽氣系統(tǒng)，能夠獲得外觀完整、組織致密的鎂合金真空壓鑄件，氣孔率比齒狀排氣通道壓鑄件減少48%，T6熱處理后氣泡減少60%，鑄件的抗拉強度、屈服強度和伸長率分別提高9.3%、10.2%和21.4%。

真空壓鑄技術(shù)是在傳統(tǒng)壓力鑄造技術(shù)的基礎上輔以對型腔抽真空的技術(shù)。現(xiàn)行的真空壓鑄技術(shù)中，抽真空的方式主要有三種：第一種是當壓射沖頭越過澆口，碰到行程開關(guān)，型腔及壓室接通真空源，氣體被抽出，壓射沖頭繼續(xù)前進，快速壓射前，靠行程開關(guān)或時間繼電器關(guān)閉真空閥，停止抽氣，沖頭快速壓射，完成液態(tài)金屬成形，這種方法也稱半過程排氣；第二種是用“搓衣板”形冷卻塊，也稱“齒狀排氣道”進行全過程排氣，即排氣通道像兩個合起來的搓衣板樣形狀，液態(tài)金屬在充滿型腔后被擠入齒狀排氣道縫中凝固，終止排氣；第三種是瑞士方達瑞公司推出的雙芯真空閥的真空壓鑄系統(tǒng)，它是全過程排氣，閥門在型腔尾部，在金屬液充滿型腔到達閥門時，依靠金屬液流動慣性力將真空閥關(guān)閉。不難看出，第一種方式液態(tài)金屬到達型腔入口停止排氣，殘留一部分氣體未排掉；第二種方式排氣道是彎曲的窄縫，排氣管道長，盡管是全過程排氣，也很難把氣體充分排掉；第三種方法能全過程充分排氣，也無第二種方法所凝固在齒狀排氣道中的廢料，是目前比較理想的方法，但真空閥從得到關(guān)閉閥門信號，到閥門完全關(guān)死，時間極短，以毫秒計算，閥門一次性成本高，要定期進行維護，維護費用也較高，對使用人員素質(zhì)要求也高，這些因素限制了該系統(tǒng)在真空鑄造中的廣泛應用。

針對現(xiàn)行真空壓鑄中真空系統(tǒng)所采用的半過程排氣方法存在殘留氣體多、齒狀排氣道排氣能力低以及全過程排氣真空閥成本高的現(xiàn)狀提出的一種新的抽真空方法。該方法是采用主、副排氣通道同時對型腔進行抽氣，即半過程排氣和齒狀全過程排氣兩者并用，此方法克服半過程排氣殘留氣體多和齒狀排氣道排氣速度慢的缺點，能夠有效地提高型腔真空度，獲得組織致密的壓鑄件。

1.真空抽氣系統(tǒng)

含有主、副排氣通道的真空抽氣系統(tǒng)由主排氣通道、齒狀副排氣通道、真空罐、真空泵和模具型腔等組成，如圖1所示。該真空抽氣系統(tǒng)的工作原理：總閥12關(guān)閉，真空泵4將真空罐3抽成具有一定真空度的待用狀態(tài)，電磁閥9處于開啟狀態(tài)，通過澆料口將定量金屬液倒入料筒，啟動壓射沖頭6，當壓射沖頭越過澆料口5并觸動感應開關(guān)時總閥12打開，這時副排氣通道11和主排氣通道10同時對與壓室、真空罐連成一起的型腔進行抽氣，當壓射沖頭推動金屬液體向前運動，觸動快壓射感應開關(guān)，電磁閥9靠電磁力快速向下運動關(guān)閉主排氣通道，而副排氣通道11繼續(xù)對型腔進行抽氣直到液態(tài)金屬充滿型腔并進入齒狀副排氣道的窄縫而冷卻凝固，最后獲得真空壓鑄件，其結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 真空抽氣系統(tǒng)示意圖

其中圖1c、d為模具的動、靜模，合模后形成的齒狀副排氣通道見圖1b，該抽氣系統(tǒng)發(fā)揮了半過程排氣和齒狀排氣道排氣的優(yōu)點，克服了兩者的不足。與國外瑞士方達瑞公司雙芯真空閥的真空壓鑄系統(tǒng)相比，避免了復雜的技術(shù)問題，同時能降低生產(chǎn)成本。

2.散熱器模型及模具結(jié)構(gòu)

試驗采用AZ91D鎂合金，其物理參數(shù)如表1，目標產(chǎn)品LED散熱器總長度為220 mm，總寬度為130 mm，散熱片長度為170 mm，鑄件厚度不均勻，最厚 8 mm，最薄1.8 mm，平均厚度為4.5 mm，其三維模型和模具結(jié)構(gòu)見圖2。

表1 AZ91D合金的熱物理參數(shù)

圖2 散熱器模型與模具結(jié)構(gòu)圖

3.試驗驗證

3.1　試驗設計

根據(jù)AZ91D鎂合金的特點，通過前期的試驗驗證，選擇的壓鑄工藝參數(shù)如表2所示。本試驗在400 t的壓鑄機上進行，試驗中通過對真空電磁閥的控制從而實現(xiàn)主排氣通道的開閉，為了保證主排氣通道不被金屬液堵住，根據(jù)理論計算及前期試驗分析得出抽氣時間應控制在0.6 s以內(nèi)，副排氣通道則無嚴格時間要求。關(guān)閉真空電磁閥則副排氣通道隨之關(guān)閉，只保留主排氣通道（齒狀排氣通道），便于進行對比試驗。

表2 壓鑄工藝參數(shù)

根據(jù)試驗目的分別設計了兩組試驗：試驗L1采用主、副排氣通道同時抽氣的新型真空抽氣系統(tǒng)進行壓鑄試驗；試驗L2只采用主排氣通道（齒狀排氣通道）進行壓鑄試驗。

3.2 真空壓鑄件組織性能分析

在相同工藝條件下，由試驗L1、L2獲得了真空壓鑄件，其宏觀照片如圖3所示。對比兩圖可知，試驗L1、L2獲得的壓鑄件外形都較為完整，試驗L2的壓鑄件約填充了2個齒形槽，而試驗L1的壓鑄件則填充了5.5個齒形槽，說明金屬液的充型能力得到明顯改善。對試驗L1、L2獲得的散熱器壓鑄件采用電火花線切割機制取金相試樣和拉伸試樣，金相試樣和拉伸試樣的取樣位置為散熱器的散熱片，見圖3，制得的拉伸試樣見圖4。

圖3 壓鑄件宏觀照片

圖4 拉伸試樣

采用GP-TS2000A力學試驗機對試驗L1、L2的兩組壓鑄件進行力學性能測試。每組試驗取6個有效拉伸數(shù)據(jù)，所獲得的數(shù)據(jù)標準差在2.5以內(nèi)，試驗結(jié)果表明，試驗L1采用新型真空抽氣系統(tǒng)制得的壓鑄件其各項力學性能指標比試驗L2只采用齒狀排氣系統(tǒng)制得的壓鑄件均得到了顯著提高，其中抗拉強度達到223 MPa，較齒狀排氣壓鑄件提高了9.3%，屈服強度和伸長率也分別提高了10.2%和21.4%，如表3。

表3 壓鑄件力學性能

由試驗L1、L2制取的散熱片金相試樣經(jīng)粗磨、細磨、拋光，用3％的硝酸酒精水溶液腐蝕后，在光學顯微鏡下觀察與分析其顯微組織，見圖5。由圖5分析可知，兩種壓鑄條件下制得的散熱器壓鑄件都存在不同程度的縮孔、疏松缺陷。與試驗L2壓鑄件相比，試驗L1壓鑄件的氣孔尺寸和氣孔數(shù)量都大幅度降低，氧化夾雜缺陷得到明顯改善，按面積算，其縮孔、疏松量降低48%以上，鑄件偏析程度減小，金屬液充型阻力明顯減少，易獲得組織較為致密的成品。

圖5 鑄件金相組織圖

3.3 真空壓鑄件熱處理性能分析

壓鑄件通過T6處理后的宏觀形貌，見圖6。試驗L2壓鑄件散熱片表面出現(xiàn)了7~8個大小不一的氣泡，其中較大的2個直徑達到6 mm，其余直徑為0.4~3 mm。而試驗L1壓鑄件散熱片表面只有1片出現(xiàn)了直徑為1.5 mm的氣泡。由圖分析可知，試驗L1采用主、副排氣管道的新型真空抽氣系統(tǒng)能夠有效地減少鑄件內(nèi)部的氣體，減少縮松、縮孔等缺陷，從而提高鑄件的致密度，提高鑄件整體的力學性能。

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圖6 壓鑄件T6熱處理后形貌

4.結(jié)論

（1）介紹一種含有主、副排氣通道的真空抽氣系統(tǒng)。該抽氣系統(tǒng)采用主、副兩條排氣通道，主排氣通道在短時間內(nèi)快速抽出型腔內(nèi)的大部分氣體，副排氣通道在壓鑄過程保持全程抽氣，持續(xù)把型腔內(nèi)的氣體抽出。該真空抽氣系統(tǒng)充分發(fā)揮了半過程排氣和齒狀排氣的優(yōu)點，又克服了兩者的不足，抽氣效果顯著。
（2）采用該真空抽氣系統(tǒng)進行了鎂合金壓鑄件試制，所得鑄件外形完整，充型能力得到顯著提高，從力學性能分析可知，其抗拉強度、屈服強度和伸長率較齒狀排氣壓鑄件分別提高9.3%、10.2%和21.4%。
（3）采用該新型真空抽氣系統(tǒng)制得的真空壓鑄件與齒狀排氣壓鑄件相比，其氣孔率減少約48%，T6熱處理后的氣泡減少約60%，這有利于提高壓鑄件后續(xù)的熱處理性能。

作者

陳思濤 周峰
佛山職業(yè)技術(shù)學院 智能制造學院
宋東福 戚文軍
廣東省科學院新材料研究所
本文來自:《鑄造》雜志