原標題：鎂合金壓鑄真空抽氣系統的設計與應用研究

摘要：設計了一種含有主、副排氣通道的真空抽氣系統，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，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%。

真空壓鑄技術是在傳統壓力鑄造技術的基礎上輔以對型腔抽真空的技術。現行的真空壓鑄技術中，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，型腔及壓室接通真空源，氣體被抽出，壓射沖頭繼續前進，快速壓射前，靠行程開關或時間繼電器關閉真空閥，停止抽氣，沖頭快速壓射，完成液態金屬成形，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，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閉。不難看出，第一種方式液態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，但真空閥從得到關閉閥門信號，到閥門完全關死，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，對使用人員素質要求也高，這些因素限制了該系統在真空鑄造中的廣泛應用。

針對現行真空壓鑄中真空系統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

含有主、副排氣通道的真空抽氣系統由主排氣通道、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。該真空抽氣系統的工作原理：總閥12關閉，真空泵4將真空罐3抽成具有一定真空度的待用狀態，電磁閥9處于開啟狀態，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，電磁閥9靠電磁力快速向下運動關閉主排氣通道，而副排氣通道11繼續對型腔進行抽氣直到液態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，其結構見圖1。

圖1 真空抽氣系統示意圖

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，該抽氣系統發揮了半過程排氣和齒狀排氣道排氣的優點，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相比，避免了復雜的技術問題，同時能降低生產成本。

2.散熱器模型及模具結構

試驗采用AZ91D鎂合金，其物理參數如表1，目標產品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構見圖2。

表1 AZ91D合金的熱物理參數

圖2 散熱器模型與模具結構圖

3.試驗驗證

3.1　試驗設計

根據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，副排氣通道則無嚴格時間要求。關閉真空電磁閥則副排氣通道隨之關閉，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

根據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個有效拉伸數據，所獲得的數據標準差在2.5以內，試驗結果表明，試驗L1采用新型真空抽氣系統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能夠有效地減少鑄件內部的氣體，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.結論

（1）介紹一種含有主、副排氣通道的真空抽氣系統。該抽氣系統采用主、副兩條排氣通道，主排氣通道在短時間內快速抽出型腔內的大部分氣體，副排氣通道在壓鑄過程保持全程抽氣，持續把型腔內的氣體抽出。該真空抽氣系統充分發揮了半過程排氣和齒狀排氣的優點，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的熱處理性能。

作者

陳思濤 周峰
佛山職業技術學院 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