消失模铸造工艺在镁合金应用中的前景及影响因素分析

消失模铸造技术是将与铸件尺寸形状相似的发泡塑料模型黏结组合成模型簇，刷涂耐火涂层并烘干后，埋在干硅砂中振动造型，在一定条件下浇注液态金属，使模型汽化并占据模型位置，凝固冷却后形成所需铸件的方法。对于消失模铸造，有多种不同的叫法。国内主要的叫法有“干砂实型铸造”“负压实型铸造”。

消失模铸造是一种近无余量、精确成形的新型铸造技术，它具有许多的优点。例如：型砂不需要黏结剂，铸件落砂及砂处理系统十分简便，容易实现清洁生产；铸件没有分型面及起模斜度，可使铸件的结构好；加工装配时间缩短，铸件成本可以下降10%～30%等。故它被称为“21世纪的新型铸造技术”以及“铸造中的绿色工程”。

镁合金的特点非常适合消失模铸造工艺，因为镁合金的消失模铸造除了具有以上特点外，还具有以下的特性：

1）镁合金在浇注温度下，泡沫模样的分解产物主要为烃类、苯类和苯乙烯等气态物质，它们对充型成形时极易氧化的液态镁合金具有自然的保护作用。

2）采用干砂负压造型避免了镁合金液与型砂中水分的接触和由此而引起的铸件缺陷。

3）与目前普遍采用的镁合金压铸工艺相比，其投资成本大为降低，干砂良好的退让性减轻了镁合金凝固收缩时的热裂倾向；金属液较慢和平稳的充型速度避免了气体的卷入，使铸件可经热处理进一步提高其力学性能。

所以镁合金的消失模铸造具有较巨大的应用前景。

铝合金消失模铸造在国外已经相当普及，镁合金与铝合金的熔化浇注温度也相差不大，但镁合金与铝合金之间的凝固特性和化学性能方面的差别，使镁合金消失模铸造中产生了很多问题，特别是浇不足和氧化燃烧等。镁合金和铝合金液体之间的流动性差异是浇注中最大的潜在障碍。由于镁合金低的密度和比热容，汽化泡沫模所需要的热量来自高温液态镁合金的潜热从而阻碍了充型，而且镁合金的结晶温度范围宽，因此消失模铸造充型时金属液的压射冲头作用小，极易过早停止流动，产生浇不足缺陷。镁合金的化学反应可能通过镁合金砂型铸造工业中应用的阻燃剂和辅助使用高孔隙率的模样涂料进行控制，还可以采用可控气氛进行防止浇注时的氧化燃烧。例如，高密度的泡沫模会吸收更多的热量，产生更多的液态和气体产物，降低镁合金的充型性。但泡沫模在浇注过程中产生的还原性气氛降低甚至阻止镁合金的氧化燃烧，保证了镁合金在加工成形过程中的安全性，也有利于保证镁合金熔体的洁净优质。

1.消失模铸造工艺

消失模铸造作为新的铸造工艺方法，可用于生产有色及钢铁金属动力系统的零件，包括：气缸体、气缸盖、曲轴、变速箱、进气管、排气管及制动毂等铸件。其工艺流程图如图4-1所示。下面逐项对消失模铸造工艺流程进行简介：

图4-1 消失模铸造工艺流程图

（1）预发泡 模型生产是消失模铸造工艺的第一道工序，复杂铸件如气缸盖，需要数块泡沫模型分别制作，然后再胶合成一个整体模型。每个分块模型都需要一套模具进行生产，另外在胶合操作中还可能需要一套胎膜，用于保持各分块的准确定位，模型的成形工艺分为两步，第一步是将聚苯乙烯珠粒预发泡到适当密度，一般通过蒸汽快速加热来进行，此阶段称为预发泡。

（2）发泡成形 经过预发泡的珠粒要先进行稳定化处理，然后再送到成形机的料斗中，通过加料孔进行加料，模具型腔充满预发泡的珠粒后，开始通入蒸汽，使珠粒软化、膨胀、挤满所有空隙并且黏合成一体，这样就完成了泡沫模型的制造过程，此阶段称为蒸压成形。

成形后在模具的水冷腔内通过大流量水对模型进行冷却，然后打开模具取出模型，此时模型温度升高但强度较低，所以在起模和储存期间必须谨慎操作，防止变形及损坏。

（3）黏合装配成模组 模型在使用之前，必须存放适当时间使其熟化稳定，典型的模型存放周期多达30天，而对于用设计独特的模具所成形的模型仅需存放2h，模型熟化稳定后，可对分块模型进行胶黏结合。分块模型胶合使用热熔胶在自动胶合机上进行。胶合面接缝处应密封牢固，以减少产生铸造缺陷的可能性。

（4）浇注 模型簇在砂箱内通过干砂振动充填坚实后，铸型即可浇注，熔融金属浇入铸型后，模型汽化被金属所取代形成铸件。图4-2为消失模铸造工艺的砂箱和浇注示意图。

在消失模铸造工艺中，浇注速度比传统空型铸造更为关键。如果浇注过程中断，砂型就可能塌陷造成废品。因此为减少每次浇注的差别，最好使用自动浇注机。

（5）落砂清理 浇注之后，铸件在砂箱中凝固和冷却，然后落砂。铸件落砂相当简单，倾翻砂箱铸件就从松散的干砂中掉出。随后将铸件进行自动分离、清理、检查并放到铸件箱中运走。

干砂冷却后可重新使用，很少使用其他附加工序，金属废料可在生产中重熔使用。

2.镁合金消失模铸造的流动性

图4-2 消失模铸造工艺的 砂箱和浇注示意图

流动性是指金属液充填铸型型腔并获得形状完整、轮廓清晰铸件的能力。流动性是合金重要的铸造性能之一，是铸造工艺设计必须考虑的关键因素。尽管目前对消失模铸造铸铝、铸铁和铸钢的流动性已有较多研究，但对镁合金还未深入研究，本节以常用的AZ91镁合金为例，论述多种工艺因素对消失模铸造镁合金流动性的影响规律，为镁合金消失模铸造提供理论指导。

传统砂型铸造的流动性通常用浇注“螺旋形流动性试样”的方法来衡量，消失模铸造镁合金的流动性定义为合金置换泡沫模的长度。

消失模铸造镁合金的常见工艺因素包括：涂料特性、真空度、浇注温度、浇注系统结构、模样的几何形状、模样材料的性质。各因素的变化水平见表4-14。(www.xing528.com)

表4-14 镁合金消失模铸造的常见工艺因素变化水平

（1）涂料对流动性的影响 传统的空型铸造的充型过程受流动力学规律控制，但是消失模铸造，因为型腔中泡沫模的存在，其充型过程主要受泡沫模在金属液的热作用下的熔化分解速度和泡沫模热解产物的排除速度控制。支撑铸型以阻隔干砂进入型腔的涂料在充型过程中起非常重要的作用，因为金属液的热量和泡沫模的热分解产物都必须通过涂料层排出铸型的型腔，同时因为干砂的透气性远高于涂料的透气性，故整个系统的透气性主要取决于涂料透气性的大小。涂料的透气性、液态分解产物的吸收能力和保温性能是影响消失模铸造充型过程的三个非常重要的性质。

（2）真空度对流动性的影响 目前铝合金消失模铸造生产几乎不采用抽真空措施，而对于镁合金消失模铸造来说，在不抽真空的情况下，镁合金的充型能力很低，无法采用消失模铸造生产铸件。但是，采用抽真空后可大幅地提高镁合金的流动性，因此抽真空是镁合金消失模铸造的一个必不可少的工艺因素。

（3）浇注温度对流动性的影响 在不抽真空时，提高浇注温度对提高流动性效果不明显。而在0.03MPa的真空度下（尤其是在涂料较薄时），镁合金流动性随浇注温度的增大明显提高，以至于12mm厚的泡沫模在温度高于710℃时模样均全部充满，这表明真空度、涂料和浇注温度之间有较强的交互作用。

在抽真空或涂料透气性较高时，提高浇注温度，提高了泡沫模的熔化速度，其热解产物能够迅速通过涂料层排除型腔，这样的热解产物大大减轻了对金属流动前沿所施加的反作用力。同时，金属液过热度的提高延迟了金属的凝固，因此合金的流动性随浇注温度的增大而迅速提高。

（4）浇注系统结构对流动性的影响 传统空型铸造的浇注系统的设计是以流动力学规律为指导进行的，首先选择控制充型速度、阻流面积和适用于浇注金属的浇口比，然后在保证充型完整、最小冲蚀和合适温度场的情况下确定出内浇道的位置、横浇道和直浇道的尺寸。而消失模铸造浇注系统的设计主要是依靠经验来进行的，产品研制周期长。关于铸铁和铝合金的浇注系统对消失模铸造充型过程影响的研究不能简单地移植到镁合金消失模铸造上来，这是因为镁合金液的密度和焓较小，其充型过程与其他合金必然不一样。因此浇注系统结构对镁合金流动性的影响以及对生产中浇注系统的设计具有重要的理论意义。

（5）模样的几何形状对流动性的影响 对于厚度相同而宽度不同的模样，其模数可以认为是相同的。在单位表面积的焓保持不变的情况下，充型过程主要取决于模样的周长。随着模样宽度的增大，模样周长的增大为模样热解产物的排除提供了更大的排除通道，因此流动性随之增大。

在模样宽度保持一定时，随模样厚度的增大，一方面增大了模样的模数，从而增大了模样单位表面积的焓；另一方面，模样周长的提高也增大了模样热解产物的排除通道，因此提高了AZ91镁合金的流动性。

3.镁合金消失模铸造的充型机制

与受流动力学控制的传统空型铸造工艺的充型不同，消失模铸造的充型过程因型腔中泡沫模的存在主要受模样在流动前沿的金属液的热作用下的分解产物从金属-模样界面传输至金属-模样-涂料界面并通过涂料层的排除过程控制。

因此，抽真空措施改变了金属前沿的流动形态，不抽真空时，金属前沿呈微凸形平缓地向前推进；抽真空时，因在模样分解产物的排除方向上存在一个正压力梯度，金属液优先沿模样壁充填型腔使流动金属前沿呈不规则的凹形形态。提高真空度，金属液流前端沿壁部分将领先于中心增长速度，增大了流动形态的不规则程度。

浇注方式对流动形态的影响不大。与顶注式和侧注式相比，底注式充型最为平稳。与不抽真空相比，充型时间在抽真空时明显缩短，且充型时间随真空度的提高而减小。浇注方式对充型时间的影响较小，表现在底注式浇注充型时间最长，其次为侧注式，最短为顶注式。

不抽真空时金属的充型速度较小，且充型速度随充型过程的进行持续减小。抽真空时在充型过程中金属充型速度的变化很大，并且呈现不出任何的规律。充型速度的起伏幅度随真空度、浇注温度和模样厚度的增大而增大。

提高真空度、浇注温度及模样厚度都有利于增大镁合金消失模铸造的平均充型速度。真空度是决定平均充型速度的一个最为关键的工艺因素，而模样厚度的影响最小。在真空度较低时，真空度与浇注温度之间对平均充型速度的影响具有很强的交互作用。但在真空度较高时，该交互作用以及真空度的影响大大减弱。除此之外，其他的被测试工艺因素间对平均充型速度的影响无明显的交互作用。

抽真空对金属-模样界面间的模样热解和热解产物的排除过程有着重要的影响，在试验基础上建立了镁合金负压消失模铸造充型过程的模型。

4.镁合金消失模铸造的传热特性

在消失模铸造充型过程中，型腔中泡沫模样的存在使液态金属流动前沿的传热行为明显比空型铸造复杂。一方面，泡沫模样从移动的金属-模样界面吸热熔解可以看成是一个复杂的Stefan（辐射）传热过程，其传热介质是金属-模样界面间连续生成并通过涂料层排除的模样液态和气态热解产物。模样热解产物不仅影响Stefan传热介质的大小，从而决定其效果，即使金属-模样界面间隙小于0.05cm也能大幅度阻止热量从液态金属传向泡沫模样，而且本身也通过对流作用带走部分热量；另一方面，由于消失模铸造充型过程中金属-涂料界面存在液态热解产物和消失模铸造采用干砂造型，充型的液态金属通过这一涂料层向周围干砂散热的过程也与传统的铸造工艺不同。镁合金具有较小的密度和结晶潜热，其单位容积的液态金属的焓非常低，因此镁合金消失模铸造充型时温度下降较快。工艺因素对镁合金消失模铸造充型过程中的传热影响主要表现在两个方面：第一，传热的方式；第二，传热的时间。充型过程中模样热解及热解产物的排除速度（或金属的充型速度）影响了充型时液态金属前沿与模样浇注的接触时间，因而决定了不同传热方式的传热效果。充型后铸件内的温度场分布直接反映了铸件在消失模充型过程中的金属传热行为以及不同工艺因素对金属散热的影响。

（1）不抽真空时镁合金消失模铸造充型过程中的传热 在不抽真空充型时，液态金属的散热主要通过以Stefan方式熔解模样并以热传导方式向铸型进行散热，而热对流的影响非常小。在充型过程中液态金属平稳、缓慢的向前充型，并且金属流动前沿的充型速度不断下降。一方面，金属流动前沿与冷涂料及周围干砂接触时间的持续增长，传向铸型的热量增多，同时，金属-模样间液态产物与高温金属液接触时间的延长又导致较多的液态产物汽化分解，从而进一步增加了模样热解所消耗金属液的热量，因而，金属前沿的温度将不断降低；另一方面，随后进入型腔的金属液温度很高（接近浇注温度），它与涂料层的接触时间越来越短，并且所接触涂料层的温度因流过金属液的加热越来越高，从而向铸型的热量散失越来越小，因此，金属充型完毕时从浇口至铸件末端形成了正的温度梯度。若提高浇注温度，金属-涂料界面间较多的液态模样热解产物汽化分解消耗了更多的热量，同时金属流动前沿与冷铸型间较大的温差也增大了热量的散失，因此，金属前沿的温度下降较快；此外，由于金属液的温度较高，金属液-涂料层间的散热温差增大提高了金属液的沿程温度损失，因此，铸件内的平均温度增大，同时也提高了铸件内的温度梯度。若提高模样的厚度，不但单位散热表面积内金属液的焓增大，而且金属的充型速度也有所提高，因此，金属液向铸型的散热对金属液的温度降低作用较小，铸件的平均温度提高，同时随后进入型腔的金属液温度因热量散失造成的温度降低较小，充型完成后铸件内的温度梯度增大。在金属充型过程中，金属液与冷涂料层间的传热温差很大，涂料层的温度升高较快。增大浇注温度提高了涂料层的升温速度。金属-涂料界面间的泡沫液态热解产物具有较大的热阻，铸件与周围干砂间的传热只是通过砂粒之间极小的导热接触面传出，其传热能力很低，因此，铸件周围干砂的温度只是略有增大，远离铸件干砂处的温度没有什么变化。

（2）抽真空时镁合金消失模铸造充型过程中的传热 抽真空浇注时，液态金属充型速度显著增大，减少了金属前沿与液态产物的接触时间以及型腔内金属液向铸型散热的时间。因而，在单位流程内因模样熔解和向铸型散热而造成的金属流动前沿的温度降低要比不抽真空时小得多。然而，在充型过程中因浇口杯附近的塑料薄膜被烧掉，铸型内为保持恒定的真空度，大量空气从该处吸入铸型内。由于抽真空减少了涂料外壁与周围干砂以及干砂砂粒间的间隙，这些冷空气在涂料外壁及周围干砂砂粒微隙间以很大的速度流动，强烈的热对流效果将极大地提高充型金属液冷却速度，从而热对流超过辐射、热传导成为金属液散热的主要方式。随着模样离烧损的塑料薄膜的距离增加，吸入铸型的冷空气对充型金属液的热对流冷却作用迅速降低，因为其周围冷空气的数量、流动速度都很低。其次，抽真空使液态金属与涂料表面紧密接触，提高了液态金属-涂料界面间的传热系数；同时抽真空紧实了铸型，提高了涂料外壁与周围干砂及干砂砂粒间的热传导接触面积，金属向涂料层及周围干砂的热传导速度增大。此外，抽真空不仅提高了液态金属-涂料界面传热，导致涂料层微隙内较多液态产物汽化；而且增大了金属-模样-涂料界面及金属-涂料界面间泡沫热解产物的排除速度，这些热解产物将迅速带走大量的热量。因此，充型金属液的冷却速度迅速增大，其平均温度急剧降低，同时涂料的温度提高，而涂料外壁周围干砂的温度则变化不大。

从浇口杯附近烧掉的塑料薄膜处吸入的冷空气对充型金属液的对流冷却作用取决于该处金属液的停留时间。由于在抽真空时金属液的充型速度的变化很大并且无规律可循，当金属前沿的充型速度较低时，浇口杯附近的金属液的停留时间较长，冷空气的对流冷却作用使其温度降低较大，在充型完毕时这些金属液所处位置的温度将较低；反之，当金属前沿的充型速度较高时，浇口杯附近的金属液在充型完毕时所达到位置的温度就较高。因此，在充型过程中及充型完毕时，铸件内不断变化的金属液的温度与其位置也没有明显的关系。此外，金属流动前沿以不规则的紊流状态充型（可能使温度较低的金属前沿向后流动而被其后的金属液流取代）也是造成型腔内金属液温度不均匀的另一个原因。

若提高真空度，尽管金属液充型平均速度的提高减少了冷空气与充型金属液的对流冷却作用时间，然而，一方面，较高的真空度增强了液态金属与涂料表面紧密接触，提高了金属-涂料界面的传热系数；另一方面，铸型内为保持较高的真空度，不仅吸入的新鲜冷空气流量增大，而且涂料外壁与周围干砂以及干砂砂粒间间隙的减小增大了该处冷空气的流动速度，因而吸入冷空气的对流散热效果提高，金属液的平均温度降低。若提高浇注温度，一方面，增大了充型金属液的温度，另一方面，提高了平均充型速度，从而缩短了冷空气的对流换热时间，因此，充型完毕时，铸件的平均温度及涂料层温度的升高速度增大。然而，对流换热温差的增大又极大地提高了冷空气的对流换热效果，导致铸件的平均温度增大的幅度减小。模样厚度的提高不仅增大了铸件单位散热面积的焓，而且金属液平均充型速度的提高减少了金属液的散热时间，因此，充型后铸件的平均温度增大。吸入铸型冷空气的对流作用同样导致铸件平均温度增大的幅度减小。由于金属液充型速度的起伏幅度随真空度、浇注温度和模样厚度的增大而增大，容易理解在充型过程中铸件内温度变化的幅度随真空度、浇注温度、模样厚度的增大而提高。

因此，在镁合金消失模铸造充型和凝固期间真空度对铸件的传热起着不同的作用。充型过程中，从浇口杯附近吸入铸型的冷空气所引起的对流冷却作用，超过辐射和热传导作用，成为金属液散热的主要方式，充型金属液的冷却速度显著增大；然而，抽真空降低了凝固期间金属-涂料界面的传热系数，导致铸件的冷却速度下降。

不抽真空时，泡沫模样的吸热分解和不断向冷铸型散热造成充型完毕时，从浇口至铸件末端形成了正的温度梯度。铸件的温度梯度随浇注温度、模样厚度的增大而增大。抽真空时，充型完毕时型腔内金属液的温度骤然下降，铸件内温度的分布具有较大的起伏并且没有明显的规律。铸件内温度变化的幅度随真空度、浇注温度、模样厚度的增大而提高。铸件的平均温度随着真空度的增大而降低，随着浇注温度、模样厚度的增大而提高，但其提高的幅度比不抽真空时小。

无论是否采用抽真空措施，铸件内不同部位的凝固时间随着离浇道距离的增大而增大；提高浇注温度和模样厚度明显增大了铸件的凝固时间和铸件定向凝固倾向。抽真空对铸件凝固时间的影响取决于浇注温度，在浇注温度较高时抽真空明显增大了铸件的凝固时间，但在浇注温度较低时，抽真空反而使铸件的凝固时间略有减小。