摘要：消失模鑄造屬于頗有特點的精密綠色鑄造技術(shù)。但鎂合金消失模鑄造中存在充型能力差、孔洞缺陷嚴(yán)重、凝固組織粗大及力學(xué)性能偏低等問題。針對以上問題，國內(nèi)外開發(fā)了幾種鎂合金消失模鑄造新技術(shù)，本文主要介紹這些新技術(shù)的最新研究進(jìn)展。真空低壓消失模鑄造技術(shù)，可保證金屬液充型平穩(wěn)，提高鎂液充型和補縮能力，保護(hù)其充型過程，適于鎂合金鑄造成形。振動凝固消失模鑄造技術(shù)，可提高鎂合金充型能力、細(xì)化組織、明顯提高鑄件力學(xué)性能。消失模殼型鑄造技術(shù)，可消除或減少消失模鑄造易于出現(xiàn)的孔洞、夾雜等缺陷，能生產(chǎn)高質(zhì)量復(fù)雜鎂合金精密鑄件。鎂/鋁雙金屬消失模鑄造技術(shù)，可低成本直接成形復(fù)雜鎂/鋁雙金屬鑄件。以上新技術(shù)都有其自身特點和應(yīng)用前景。

消失模鑄造技術(shù)是一種近無余量、精確成形的新技術(shù)，適合生產(chǎn)大型復(fù)雜零件，被稱為21世紀(jì)最可能實現(xiàn)綠色鑄造的工藝技術(shù)。它是采用泡沫塑料制作成與零件結(jié)構(gòu)和尺寸完全一樣的實型模具，經(jīng)浸涂耐火粘結(jié)涂料，烘干后進(jìn)行干砂造型，振動緊實，然后澆入金屬液使模樣受熱氣化消失，從而得到與模樣形狀一致的金屬零件的精密鑄造方法。與其他鑄造工藝相比，它具有諸多優(yōu)點：①鑄件的尺寸精度高、表面粗糙度低；②增大了鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計的自由度；③散砂緊實、無粘結(jié)劑，簡化了鑄件生產(chǎn)工序，提高了勞動生產(chǎn)率；④容易實現(xiàn)清潔生產(chǎn)等。

經(jīng)過數(shù)十年技術(shù)發(fā)展，消失模鑄造技術(shù)的研究已從應(yīng)用廣泛、發(fā)展成熟的鑄鐵、鑄鋼轉(zhuǎn)向鋁、鎂合金等輕合金。研究也表明，鎂合金非常適合消失模鑄造工藝，其具有如下獨特的優(yōu)點。

（1）在鎂合金澆注過程中，泡沫模樣的分解產(chǎn)物主要是烴類（烷烴、烯烴等）、苯類和苯乙烯等氣霧物質(zhì)，它們對充型成形時極易氧化的液態(tài)鎂合金具有自然的保護(hù)作用；

（2）采用干砂負(fù)壓造型，避免了鎂合金液與型砂中水分的接觸和由此而引起的鑄件氧化夾雜缺陷；

（3）與目前普遍采用的鎂合金壓鑄工藝相比較，其投資成本大為降低，干砂良好的退讓性大大減輕了鎂合金鑄件凝固收縮時的熱裂傾向；金屬液較慢和平穩(wěn)的充型速度避免了氣體的卷入，使鑄件可經(jīng)熱處理進(jìn)一步提高其力學(xué)性能。然而，鎂合金消失模鑄造技術(shù)發(fā)展也存在一定的難點。

（1）金屬液在充型澆注中，泡沫模樣的熱解氣化將吸收大量的熱量，造成合金流動前沿溫度下降，過度冷卻易形成冷隔、皮下氣孔等鑄件缺陷。因此，鎂合金消失模澆注過程中，提高充型能力對獲得優(yōu)質(zhì)鎂合金消失模鑄件至關(guān)重要，尤其是復(fù)雜薄壁鎂合金鑄件。

（2）鎂合金消失模鑄造的澆注溫度高達(dá)750~780 ℃，較普通空腔澆注高30~50 ℃，在此高溫下，鎂合金的氧化燃燒加劇，鑄件縮松多。同時，由于采用散干砂造型，金屬液降溫速度慢，造成鎂合金鑄件凝固組織粗大，鑄件性能偏低。此外，鎂合金消失模鑄造需要低溫氣化的泡沫模樣材料，然而有關(guān)泡沫模樣材料的基礎(chǔ)研究在我國進(jìn)行的工作相對較少。同時，研制適合鎂合金消失模鑄造用強度高、透氣性好的涂料，也是亟待解決的問題。

為了解決鎂合金消失模鑄造中充型澆注、氧化燃燒、孔洞缺陷和凝固組織粗大等問題，提高鎂合金消失模鑄件性能，近年來國內(nèi)外也有一些關(guān)于鎂合金消失模鑄造方面的研究，但是取得的效果甚微，很多關(guān)鍵技術(shù)還沒有得到有效解決，有關(guān)報道較少。尤其是鎂合金消失模鑄造的大量應(yīng)用，國內(nèi)外還沒有相關(guān)報道。上海交通大學(xué)、華中科技大學(xué)等高校開展了鎂合金消失模鑄造技術(shù)研究。胡晶玉等研究了AZ91鎂合金負(fù)壓消失模鑄造流動性，指出AZ91鎂合金的流動性隨模樣厚度、澆注溫度及施加真空度的增加而增加，但隨涂料厚度和模樣密度的增加而降低。劉子利等研究了鎂合金負(fù)壓消失模鑄造金屬-鑄型間的傳熱行為，發(fā)現(xiàn)與不抽真空相比，抽真空明顯降低了鑄件開始凝固的溫度。2015年山東蒙沃變速箱有限公司采用消失模鑄造工藝試制了AZ91鎂合金箱體。2002年6月美國鑄造協(xié)會在位于威斯康星州的Eck公司澆注成功消失模AZ91鎂合金鑄件。Lombardi等研究了Si對消失模鑄造AE42鎂合金微觀組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律，指出Al-Si-Re相的形成促進(jìn)了初生Mg相的形成，削弱了AE42鎂合金的拉伸性能，卻增加了其伸長率。Sin等研究了Ca對消失模鑄造AE42鎂合金鑄造性能、微觀組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)Ca的添加細(xì)化了鎂合金凝固組織，但降低了鎂合金的室溫拉伸性能。Ho等通過向消失模鑄造鎂合金中添加Al和Si元素，提高了鎂合金的流動性能，制備出薄壁周期性細(xì)胞鎂合金鑄件。

由于鎂合金材料性能方面的原因，其消失模鑄造技術(shù)及控制難度更大，有關(guān)鎂合金消失模鑄造生產(chǎn)應(yīng)用還沒有報道，目前鎂合金消失模鑄造基本還停留在試制階段。未來鎂合金消失模鑄造關(guān)鍵技術(shù)一旦獲得突破，其將具有巨大發(fā)展和應(yīng)用前景。

近年來，隨著國內(nèi)外對鎂合金消失模鑄造技術(shù)的重視和研究，鎂合金消失模鑄造技術(shù)得到了快速發(fā)展，開發(fā)出一些鎂合金消失模鑄造新技術(shù)，取得了顯著的效果，本文圍繞幾種鎂合金消失模鑄造技術(shù)的最新研究成果和進(jìn)展進(jìn)行介紹。

1、鎂合金真空低壓消失模鑄造技術(shù)

鎂合金真空低壓消失模鑄造技術(shù)是將真空消失模鑄造與低壓鑄造有機地結(jié)合起來，其工藝特點：①將消失模鑄造模樣放入底注式砂箱，加入型砂振動緊實，隨后開啟抽真空裝置；②鎂合金液送入澆注爐，并通入保護(hù)性氣體；③澆注爐內(nèi)通入可控壓力的惰性氣體，在其作用下鎂合金液進(jìn)入砂箱，將消失模鑄造模樣氣化，實現(xiàn)澆注。圖1是鎂合金真空低壓消失模鑄造技術(shù)工作原理圖。

圖1 鎂合金真空低壓消失模鑄造技術(shù)原理圖

鎂合金真空低壓消失模鑄造綜合了低壓鑄造與真空消失模鑄造的技術(shù)優(yōu)勢，在可控的氣壓下完成充型過程，大大提高了合金的充型能力。與壓鑄相比，設(shè)備投資小、成本低、鑄件可熱處理強化；與砂型鑄造相比，鑄件的精度高、表面粗糙度低、生產(chǎn)率高、性能好。在反重力作用下，直澆道成為補縮短通道，澆注溫度的損失小，液態(tài)合金在可控的壓力下進(jìn)行補縮凝固，合金鑄件的澆注系統(tǒng)簡單有效、成品率高、組織致密。由于需要的澆注溫度低，適合多種有色合金澆注成形。

圖2為采用兩種不同消失模鑄造工藝獲得的電機殼體（最小壁厚2.5 mm，澆注溫度750 ℃）鑄件?？梢钥闯觯捎谜婵盏蛪合ｈT造可成形出形狀完好、輪廓清晰的鎂合金電機鑄件，而采用重力消失模鑄造時，鑄件不能完全充型，出現(xiàn)了嚴(yán)重的澆不足缺陷。因此，真空低壓消失模鑄造技術(shù)在生產(chǎn)薄壁復(fù)雜鑄件時相比重力消失模鑄造具有明顯優(yōu)勢。

圖2 不同鑄造工藝獲得電機殼體鎂合金鑄件

此外，鎂合金在壓力下凝固，外力對枝晶間液相金屬的擠濾作用以及使初凝枝晶發(fā)生顯微變形，可大幅提高冒口補縮能力，使鎂合金鑄件內(nèi)部縮松得到改善。圖3為壓力凝固下鎂合金消失模鑄件縮松的變化規(guī)律。明顯看出，壓力下凝固可以顯著減少鎂合金消失模鑄件的縮松缺陷，使得鑄件致密性大大提高。

圖3 壓力凝固對鎂合金消失模鑄件微觀組織的影響

2、鎂合金振動消失模鑄造技術(shù)

鎂合金振動消失模鑄造技術(shù)是在消失模鑄造過程中施加一定頻率和振幅的振動，使鑄件在振動場的作用下凝固。由于消失模鑄造凝固過程中對金屬液施加了一定時間的振動，振動力使液相與固相間產(chǎn)生相對運動，從而使枝晶破碎，增加了液相內(nèi)結(jié)晶核心，使鑄件最終凝固組織細(xì)化、補縮提高，力學(xué)性能改善，其原理圖見圖4所示。該技術(shù)利用消失模鑄造中現(xiàn)成的緊實振動臺，通過振動電機產(chǎn)生的機械振動，使金屬液在動力激勵下生核，達(dá)到細(xì)化組織的目的，是一種操作簡便、成本低廉、無環(huán)境污染的方法。相比之下，砂型鑄造過程中，如對鑄型施以機械振動，很容易把鑄型振垮；在金屬型鑄造過程中，由于其冷速過快，振動對結(jié)晶的影響作用不大。

圖4 振動消失模鑄造技術(shù)原理圖

圖5為在振動凝固過程中不同振幅下得到的消失模鑄造AZ91D合金的光學(xué)顯微組織。可以看出，在未振動條件下，消失模鑄造鎂合金的凝固組織較為粗大，α-Mg初生相呈現(xiàn)明顯的樹枝晶形態(tài)。作為對比，在振動條件下，消失模鑄造AZ91D合金的微觀組織得到顯著細(xì)化，α-Mg初生相轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶，晶粒尺寸隨著振幅的增大而不斷減小。

圖5 不同振動頻率及振幅下消失模鑄造AZ91D鎂合金的凝固組織

表1是不同條件下獲得消失模鑄造AZ91D鎂合金的力學(xué)性能。由表可知，經(jīng)過振動后，消失模鑄件的綜合力學(xué)性能較未振動前明顯提高。

表1 不同條件下獲得的消失模鑄造AZ91D鎂合金的力學(xué)性能（鑄態(tài)）

此外，研究表明，對AZ91D鎂合金消失模澆注過程中進(jìn)行機械振動，可以提高液態(tài)金屬的充型能力，充型能力隨著振動頻率和振幅的增大而增大（圖6a）。由圖6b可知，當(dāng)振動峰值加速度小于1 g時，振動對AZ91D的充型能力影響很小。而當(dāng)振動峰值加速度大于4 g時，振動力過大，消失模鑄造過程中易出現(xiàn)工藝不穩(wěn)定，產(chǎn)生嚴(yán)重粘砂、試樣變形等缺陷，反而使金屬液充型能力下降。因此，振動峰值加速度選擇在1 g~4 g之間，可以明顯提高AZ91D消失模鑄造充型能力。

圖6 振動對消失模鑄造AZ91D鎂合金充型能力的影響

3、鎂合金消失模殼型鑄造技術(shù)

消失模殼型鑄造技術(shù)是熔模鑄造技術(shù)與消失模鑄造結(jié)合起來的新型鑄造方法。該方法是將用發(fā)泡模具制作的與零件形狀一樣的泡沫塑料模樣表面涂上數(shù)層耐火材料，待其硬化干燥后，將其中的泡沫塑料模樣燃燒氣化消失而制成型殼，經(jīng)過焙燒，然后在重力下（反重力）澆注，從而獲得較高尺寸精度鑄件的一種新型精密鑄造方法，其工藝流程見圖7所示。

圖7 消失模殼型鑄造工藝流程圖

消失模殼型鑄造技術(shù)具有消失模鑄造中的模樣尺寸大、精密度高的特點，又有熔模精密鑄造中結(jié)殼精度、強度等優(yōu)點。與普通熔模鑄造相比，其特點是泡沫塑料模料成本低廉，模樣粘接組合方便，氣化消失容易，克服了熔模鑄造模料容易軟化而引起的熔模變形的問題，可以生產(chǎn)較大尺寸的各種合金復(fù)雜鑄件。同時，該技術(shù)不僅解決了普通消失模鑄造易出現(xiàn)的氣孔、夾雜等缺陷，還能保證鑄件具有較高的尺寸精度和表面粗糙度以及良好的內(nèi)在質(zhì)量和成品率。如果再結(jié)合反重力和真空鑄造，使得金屬液在真空與充型氣體的雙重壓力下進(jìn)行充型，充型能力大大提高，在生產(chǎn)大型復(fù)雜薄壁鑄件時具有明顯的優(yōu)勢，且金屬液在壓力下凝固，鑄件得到了充分的補縮，減少了氣孔、縮松、針孔等缺陷，提高了組織致密性，因此適合生產(chǎn)高質(zhì)量較大尺寸的復(fù)雜薄壁鎂合金精密鑄件。

彭喬元等研究了鎂合金消失模殼型鑄造中型殼的制備及工藝，表明當(dāng)粉液比為3.2，焙燒溫度為1 200 ℃時，硅溶膠- 剛玉型殼具有較高的強度，型殼抗彎強度達(dá)到4.3 MPa。但考慮鎂合金的特性和對型殼的性能要求，800 ℃焙燒型殼鎂合金性能最優(yōu)。

陳果等研究了消失模殼型鑄造AZ91D鎂合金的凝固組織與力學(xué)性能。指出澆注溫度、鑄件壁厚、澆注壓力等參數(shù)對鎂合金凝固組織和力學(xué)性能有較大影響，其中鑄件壁厚對鑄件組織及力學(xué)性能影響最大。隨著鑄件的壁厚增大，鑄件的力學(xué)性能呈下降趨勢；隨著澆注溫度的提高，鑄件力學(xué)性能有略微的下降趨勢；負(fù)壓方式澆注的鑄件力學(xué)性能明顯優(yōu)于重力澆注的鑄件。鑄件澆注負(fù)壓增大可以有效提高鎂合金充型效果，提高鑄件致密度，還可細(xì)化鑄件組織晶粒。

圖8為消失模殼型鑄造和消失模鑄造獲得的進(jìn)氣歧管零件對比。易見，消失模殼型鑄造獲得的進(jìn)氣歧管鑄件輪廓清晰，形狀完整，表面光潔，內(nèi)部致密，鑄件表面粗糙度為3.2~6.3 μm。相比較，消失模鑄造獲得的鑄件存在冷隔和孔洞缺陷，鑄件表面粗糙度達(dá)到6.3~12.5 μm?？梢?，消失模殼型鑄造成形高質(zhì)量復(fù)雜薄壁鑄件具有明顯優(yōu)勢。

圖8 不同鑄造工藝獲得的進(jìn)氣歧管鑄件

在消失模殼型鑄造技術(shù)的基礎(chǔ)上，將振動凝固應(yīng)用到消失模殼型鑄造技術(shù)也可以進(jìn)一步細(xì)化鎂合金凝固組織，提高鎂合金的力學(xué)性能。圖9是機械振動對消失模殼型鑄造鎂合金凝固組織的影響。明顯看出，未振動時，消失模殼型鑄造鎂合金的凝固組織較為粗大，初生相為枝晶形態(tài)，第二相為連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；經(jīng)過機械振動以后，鎂合金的凝固組織得到明顯細(xì)化，初生相轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的等軸晶，第二相變?yōu)榧?xì)小的顆粒狀分布于晶界處。

圖9 機械振動對消失模殼型鑄造鎂合金凝固組織的影響

4、鎂/鋁雙金屬消失模鑄造技術(shù)

鎂/鋁雙金屬是將鎂合金與鋁合金相復(fù)合，其結(jié)合了鎂合金與鋁合金的優(yōu)點，可做到揚長避短，在航空航天、汽車等領(lǐng)域具有較大應(yīng)用前景。鎂/鋁雙金屬消失模鑄造技術(shù)是將消失模鑄造技術(shù)應(yīng)用于鎂/鋁雙金屬鑄件的制備中，可結(jié)合消失模鑄造的技術(shù)特點，獲得的雙金屬鑄件尺寸精度高、表面粗糙度低、結(jié)構(gòu)設(shè)計自由度大、易實現(xiàn)清潔生產(chǎn)、成本低、泡沫模分解出小分子還原性氣體對雙金屬界面具有很好的保護(hù)作用，可直接成形復(fù)雜的鎂/鋁雙金屬鑄件，可解決其他工藝在制備鎂/鋁雙金屬鑄件遇到的成本高以及金屬易于氧化的問題，并可進(jìn)行熱處理強化。其工藝原理見圖10所示，首先將一種固定合金嵌體裝入泡沫模樣中，經(jīng)過涂刷涂料、烘干、造型后澆注，待凝固后即可獲得雙金屬鑄件。

圖10 消失模鑄造鎂/鋁雙金屬制備技術(shù)原理圖

圖11為消失模鑄造獲得的鎂/鋁雙金屬鑄件界面的顯微組織形貌。可以看出，鎂合金和鋁合金在界面處生成了明顯的冶金反應(yīng)層，界面層厚度較為均勻，界面結(jié)合緊密，未發(fā)現(xiàn)孔洞缺陷，經(jīng)測定界面層的平均厚度約為1 400 μm。另外，界面層不同位置呈現(xiàn)出不同的形貌，這說明界面層由不同的物相組成，鎂合金和鋁合金反應(yīng)生成了不同的金屬間化合物，大致可以分成三個不同的區(qū)域，分別為靠近鎂側(cè)的區(qū)域I，中間部位的區(qū)域II和靠近鋁側(cè)的區(qū)域III。

圖11 鎂/鋁雙金屬消失模鑄件界面層微觀組織形貌

圖12為鎂/鋁雙金屬鑄件界面處元素線掃描結(jié)果。鎂元素和鋁元素在界面層處的含量存在明顯
波動，從鎂側(cè)到鋁側(cè)Mg元素含量逐漸降低，而Al元素的變化規(guī)律正好相反，界面層處也含有Si元素。對I、II、III區(qū)域分別進(jìn)行高倍下觀察（圖13），并使用EDS和TEM對三個不同區(qū)域的組織進(jìn)行元素定量分析（圖14）。可以得出，鎂側(cè)的反應(yīng)層（I區(qū)域）主要由共晶反應(yīng)產(chǎn)生的Al12Mg17+δ（Mg）共晶組織組成；中間層（II區(qū)域）主要由Al12Mg17 金屬間化合物和少量Mg 2 Si組成；鋁側(cè)的反應(yīng)層（III區(qū)域）主要由Al3 Mg2 +Mg2 Si組成。

圖12 鎂/鋁雙金屬消失模鑄件界面處元素線掃描結(jié)果

圖13 鎂/鋁雙金屬鑄件界面層不同區(qū)域SEM高倍圖像

圖14 鎂/鋁雙金屬鑄件界面層TEM分析結(jié)果

5、結(jié)束語

隨著航空航天、汽車、軍工等行業(yè)的迅速發(fā)展，復(fù)雜鎂合金鑄件具有巨大的應(yīng)用需求。消失模鑄造作為一種適合生產(chǎn)復(fù)雜鎂合金鑄件的精密鑄造技術(shù)必將大有可為。鎂合金消失模鑄造新技術(shù)是消失模鑄造技術(shù)與其他技術(shù)復(fù)合而成的新技術(shù)，用來解決現(xiàn)有鎂合金消失模鑄造過程中主要存在的液態(tài)合金的充型能力差、孔洞缺陷嚴(yán)重、凝固組織粗大以及鑄件的力學(xué)性能偏低等問題，其各有技術(shù)特點和應(yīng)用前景?？傮w來說，鎂合金消失模鑄造新技術(shù)今后還存在如下挑戰(zhàn)。

（1）如何將現(xiàn)有消失模鑄造工藝與低壓鑄造工藝以及壓力凝固結(jié)晶技術(shù)相結(jié)合，綜合低壓鑄造、壓力凝固與真空消失模鑄造技術(shù)優(yōu)勢，使得金屬液在可控的氣壓下完成充型和凝固過程，明顯提高金屬液的充型能力和補縮能力，解決澆不足、針孔、夾渣、縮孔縮松等缺陷，獲得組織致密、細(xì)小、力學(xué)性能優(yōu)異的鎂合金消失模鑄件，研發(fā)出高效、成品率高、投資少的真空低壓消失模鑄造技術(shù)與裝備系統(tǒng)，裝備結(jié)構(gòu)簡單、升壓速度快、設(shè)備投資少、所需氣壓壓力低的鎂
合金消失模鑄造壓力凝固關(guān)鍵技術(shù)與裝備系統(tǒng)具有一定挑戰(zhàn)。

（2）如何將現(xiàn)有消失模鑄造工藝與振動凝固技術(shù)相結(jié)合，在消失模鑄造過程中施加一定頻率和振幅的振動，使鑄件在振動場的作用下凝固，利用振動力使液相與固相間產(chǎn)生相對運動，從而使枝晶破碎，增加液相內(nèi)結(jié)晶核心，使鑄件最終凝固組織細(xì)化，力學(xué)性能改善，研發(fā)出一種操作簡便、成本低廉、頗有應(yīng)用前景的鎂合金消失模鑄造振動凝固關(guān)鍵技術(shù)與裝備系統(tǒng)也具有一定挑戰(zhàn)。

（3）如何利用消失模鑄造工藝制備Mg-Al、Mg-Cu、Mg-Fe等雙金屬鑄件，獲得界面結(jié)合良好、界面致密均勻、脆性金屬間化合物少、結(jié)合強度高的復(fù)合雙金屬鑄件，研發(fā)出消失模鑄造復(fù)合雙金屬鑄件成形關(guān)鍵技術(shù)與裝備系統(tǒng)是今后消失模鑄造技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點和發(fā)展趨勢，具有較大挑戰(zhàn)。

此外，針對鎂合金的消失模鑄造技術(shù)，需要研究和發(fā)展的技術(shù)還有：適合消失模鑄造的鎂合金材料、特種涂料、新型泡沫模材料、熱處理工藝、廢氣凈化技術(shù)等。因此，隨著消失模鑄造技術(shù)的不斷革新和進(jìn)步，它對推動我國的國防、航空航天和汽車工業(yè)的發(fā)展具有非常重要的實際意義。

作者：蔣文明 樊自田
華中科技大學(xué) 材料成形與模具技術(shù)國家重點實驗室

本文來自:《鑄造》雜志2021年第1期第70卷