真空度在吸铸工艺中对各方面影响的分析

■ 张笑山

在铸造领域中，真空吸铸是反重力浇注的一种方法，与重力浇注相比，它确有许多为重力浇注不具备的特点。如型腔内真空有利于充型，金属液是在密封状态下充型而不易混入杂物及氧化，金属液在密封的型腔中除自身重力外还受到负压状态下和大气的压力差所产生的压力，有利于金属组织致密和补缩，特别是薄壁充型。但正由于是真空状态下充型，所有这些特点都和真空度有关，而真空度是和大气压相对而言，相当于低于表压为零时，我们称之为真空状态，小于表压为零直到绝对大气压为零，也就是真空度最大，因而真空吸铸其重要指标真空度是从–0.1MPa到零表压范围的一个局限，如何充分利用好真空范围内的负压状态是真空吸铸必须高度重视的内容之一。

1. 真空度对金属液可吸入高度的影响

金属液能被吸入型腔，是与重力浇注正相反，重力浇注是从上往下，靠金属液自重充型，而真空吸铸是在吸铸室内建立真空度使室内外产生压力差，金属液在升液管内靠压力差克服自重充型。现以金属液的密度（铸钢）7.8kg/dm³计算，也就是高为1cm，面积1cm²的金属液重量为0.0078kg，换成压强近似为0.00078MPa，当金属液高度为10cm，就要用0.0078MPa与之平衡。反之，如果用–0.01MPa产生压力差，金属液柱就能升高10cm以上，当真空度达到–0.1MPa时，金属液柱将会升高到1m以上高度 (见图1) 。

上面所列金属液高度，底面是金属液在吸铸室外部的高度，当对吸铸室抽吸真空时，吸铸室的升液管插入金属液将吸铸室与外部大气隔开，外部金属液表面所受大气压力和吸铸室内金属液表面产生压力差，金属液被大气顶推从升液管进入型腔，金属液在从升液管往上升高开始，就由压力差做功。随着金属液高度的增加，压力差也要逐渐增大，所以金属液的高度起始点是金属液表面外在高度。再看吸铸室内铸件型腔，型腔充型完全，金属液就要升高到和型腔最高点相同，因此，金属液升高高度不低于型腔的最高点所需的真空度，这是真空吸铸充型的第一条件。

2. 真空度对金属内部致密性的影响

当型腔内刚好由压力差将金属液充型完全时，金属液在型腔中受力状态和重力浇注相同，是金属液的自重由下往上递增，并向型腔内壁作用，靠型腔的强度产生反作用力，保持金属液在凝固后能和型腔轮廓相同。此时型腔内金属液的凝固成形过程和重力浇注并没有太大区别，只是型腔中是负压，金属液充型没有空气阻力，但重力浇注铸型的浇口杯是在最高处，浇口杯与型腔最高点的高度差所产生的金属液压力差，是作用于金属液向型腔内壁产生外压力的来源。

如果真空度负压继续调高，使金属液高度超过型腔最高点，超出金属液升高平衡点的压力差，作用在升液管底部继续顶推金属液，这个压力差产生的力就使金属液在密封的型腔内和该点自重叠加均匀作用在内壁上，并随着真空度的变化而变化，这是与重力浇注所不同的一点，同时也是使金属液受外力（重力以外的力）而趋向致密的要点。我们可以将真空度所产生的升液管内压力差从金属液面到最高点为总压头，由型腔最低点到最高平衡点为有效压头，由型腔最低点到金属液面为无效压头，而由最高点到型腔最高点为致密压头（见图2），可见型腔的高度是固定的，在总压头中应该尽量减少无效压头，提高有效压头。在有效压头中，型腔高度保持固定，致密压头就会得到提高，正由于真空度所形成的负压是有限的，所以充分利用好减少无效压头而提高致密压头的特性，是真空吸铸对薄壁充型，降低金属液温度，以及改善内在质量及时填充缩孔等都有好处。由图2可见，只要型壳的强度足够，应该尽量提高真空度的负压程度。图2中，H为设定的真空度，h1为有效压头，h2为无效压头，h3为致密压头。

3. 真空度对金属液上升速度的影响

金属液在巨大压力差作用下，从坩埚经升液管被吸入型腔，金属液流经升液管到型腔还有个速度问题，从众多文献及实际操作看，较为统一的看法不是越快越好，而是要求平稳上升。

吸铸室在吸铸时虽然是处于真空状态，但不是绝对真空，而是根据铸件型腔高度及型壳强度设定一个真空度，实际上是负压状态，只是低于大气压或者说是剩余气体稀少而已。目前所使用的吸铸真空度一般都设定在–0.06MPa左右，当金属液以较快速度流经升液管进入型腔时，在内浇口处会产生紊流状态，易卷入气体和杂物，造成铸件缺陷。但也不是越慢越好，如何来确定金属液进入型腔的速度，是实现平稳充型的先决条件。

有关文献提出了一个最小充型速度的H.M.卡尔金公式（这是针对铝合金的）：

式中 v型——金属液在铸型中（最小允许）平均上升速度（cm/s）；

H ——铸件高度（cm）；

δ——铸件厚度（cm）；t浇—— 合金的浇注温度（℃）。

根据这个公式，壁厚越小，要求充型速度增加，金属液温度低时，充型也要增快。相关文献中介绍了一个经验数据：如δ为4mm，v型为201cm/s；如δ为10mm，v型为80.4cm/s。虽然是铝合金的最小充型速度，但它的变化规律可以作为参考。以v型为例，当金属液在升液管从内浇口充型时，铸件在型腔各个高度的截面都不可能相同，如何能保持平稳充型速度，相关文献中将v型定义为平均上升速度，是以铸型高度为依据，对截面的变化忽略不计的一个参考方式，只要能满足充型，还是速度慢些好。

图1 钢液在不同真空度下可吸升高度

图2

关于真空度和金属液上升的关系，根据合金自身的密度，与真空度的平衡点是各不相同的，而同一合金在不同的真空度影响下，其吸入高度也不相同，金属液的吸入高度是随真空度的变化而变化的。对充型速度实际上是使升液管中金属液不断提升，使型腔中金属液从低向高不断增加，这就要真空度的负压不断变化，而且是平稳的变化，金属液增高速度也会平稳增加，所以该真空度的负压只要能匀速变化，就会影响金属液上升速度也平稳地上升。图3中的三种负压变化率，相应地也影响金属液有三种不同上升速度，如斜线1就比斜线2和斜线3上升得都快，它们的斜度依三种不同负压变化而不同。

北京航空材料研究院在特种铸造及有色合金上提出了一个与真空度有关的速度公式：

式中 v——金属液进入型腔速度；

k——与升液管及坩埚面积有关的常数；

dp/dt——真空度的变化率。

这个公式是铝合金真空吸铸中流体充型形态中的一种关系，但可以看出在真空吸铸中，真空度的变化是和金属液充型速度有一定联系的。这就给真空控制系统提出了一个如何控制真空度的负压均匀变化的内容，变化率可以设定，再根据实际吸铸的铸件情况加以调整，以达到平稳充型的目的。

在设定真空变化率时，变化率的终止点应留有足够的致密压头，当然也可以通过实现逐步调整，使真空变化率、致密压头、壳型强度等在一个平台上通盘考虑，以求一致。

4. 如何利用好真空度产生有益效果

从铸造工艺设计层面看，如何减少无效压头是和几方面结构有关。首先，升液管插入坩埚的深度，这一点一般只认为插入过浅而从管口漏气，实际上插入过浅不仅是漏气，而是增加了无效压头，而浪费了有效压头，从而也就是减少了致密压头；第二方面在吸铸室内，型腔最低点离吸铸室底层过高，也是无效压头范围；第三，铸件型腔在吸铸室内的排放位置，也要注意尽量不要增加高度；第四，在吸入金属液时，坩埚内金属液液面会下降，也会逐步增加无效压头，如何使升液管跟踪能保持一定深度不变就应加以控制。

真空吸铸正是由于受真空度范围的限制，以及壳型强度的影响，金属液在型腔中受力是小于压力铸造，但又大于重力浇注，因此如何利用好真空吸铸的特点，充分发挥负压的潜力，真空吸铸在中小件和薄壁件方面相对重力浇注还是具有较大的优势。

真空度对金属液压力差的影响，对有效压头的影响以及对充型速度的影响，都是在金属尚未凝固处于液体状态时的实际状态，当金属温度由液态浇注温度下降到凝固温度的过程中，其流动性逐渐变差，最后趋于停止，而真空度对金属液在真空状态下的影响也是逐渐变化，其过程非常短暂，因此除真空度本身的影响外，还有一个能产生影响的时间段，一旦超过这个时间，诸多影响就不复存在，这也是真空吸铸的重要先决条件。

图3 钢液充型速度随真空度的变化曲线