.jpg) 原標(biāo)題：鎂合金壓鑄真空抽氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究 摘要：設(shè)計(jì)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(qiáng)度、屈服強(qiáng)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(chǔ)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(dāng)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(jìn)，快速壓射前，靠行程開關(guān)或時(shí)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(jìn)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(dá)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(dá)閥門時(shí)，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(dá)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(shí)間極短，以毫秒計(jì)算，閥門一次性成本高，要定期進(jìn)行維護(hù)，維護(hù)費(fèi)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(yīng)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(shí)對型腔進(jìn)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(diǎn)，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(dāng)壓射沖頭越過澆料口5并觸動感應(yīng)開關(guān)時(shí)總閥12打開，這時(shí)副排氣通道11和主排氣通道10同時(shí)對與壓室、真空罐連成一起的型腔進(jìn)行抽氣，當(dāng)壓射沖頭推動金屬液體向前運(yùn)動，觸動快壓射感應(yīng)開關(guān)，電磁閥9靠電磁力快速向下運(yùn)動關(guān)閉主排氣通道，而副排氣通道11繼續(xù)對型腔進(jìn)行抽氣直到液態(tài)金屬充滿型腔并進(jìn)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(diǎn)，克服了兩者的不足。與國外瑞士方達(dá)瑞公司雙芯真空閥的真空壓鑄系統(tǒng)相比，避免了復(fù)雜的技術(shù)問題，同時(shí)能降低生產(chǎn)成本。 2.散熱器模型及模具結(jié)構(gòu) 試驗(yàn)采用AZ91D鎂合金，其物理參數(shù)如表1，目標(biāo)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(yàn)驗(yàn)證 3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 根據(jù)AZ91D鎂合金的特點(diǎn)，通過前期的試驗(yàn)驗(yàn)證，選擇的壓鑄工藝參數(shù)如表2所示。本試驗(yàn)在400 t的壓鑄機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)中通過對真空電磁閥的控制從而實(shí)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(jì)算及前期試驗(yàn)分析得出抽氣時(shí)間應(yīng)控制在0.6 s以內(nèi)，副排氣通道則無嚴(yán)格時(shí)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(jìn)行對比試驗(yàn)。
表2 壓鑄工藝參數(shù) 根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康姆謩e設(shè)計(jì)了兩組試驗(yàn)：試驗(yàn)L1采用主、副排氣通道同時(shí)抽氣的新型真空抽氣系統(tǒng)進(jìn)行壓鑄試驗(yàn)；試驗(yàn)L2只采用主排氣通道（齒狀排氣通道）進(jìn)行壓鑄試驗(yàn)。 3.2 真空壓鑄件組織性能分析 在相同工藝條件下，由試驗(yàn)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(yàn)L1、L2獲得的壓鑄件外形都較為完整，試驗(yàn)L2的壓鑄件約填充了2個齒形槽，而試驗(yàn)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(yàn)L1、L2獲得的散熱器壓鑄件采用電火花線切割機(jī)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(xué)試驗(yàn)機(jī)對試驗(yàn)L1、L2的兩組壓鑄件進(jìn)行力學(xué)性能測試。每組試驗(yàn)取6個有效拉伸數(shù)據(jù)，所獲得的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差在2.5以內(nèi)，試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)L1采用新型真空抽氣系統(tǒng)制得的壓鑄件其各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)比試驗(yàn)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(qiáng)度達(dá)到223 MPa，較齒狀排氣壓鑄件提高了9.3%，屈服強(qiáng)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(xué)性能 由試驗(yàn)L1、L2制取的散熱片金相試樣經(jīng)粗磨、細(xì)磨、拋光，用3％的硝酸酒精水溶液腐蝕后，在光學(xué)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(yàn)L2壓鑄件相比，試驗(yàn)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(yàn)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(dá)到6 mm，其余直徑為0.4~3 mm。而試驗(yàn)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(yàn)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(xué)性能。
圖6 壓鑄件T6熱處理后形貌
4.結(jié)論
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