非晶态合金真空压铸机设计

左大利，李国臣，高 宽，郭彦峰

（1.东莞职业技术学院 智能制造/创新创业学院，广东 东莞 523808；2.东莞市逸昊金属材料科技有限公司 研发中心，广东 东莞 518120）

0 引言

非晶态合金又称液态金属，金属玻璃[1]，其形成机理是金属合金熔体的快速凝固[2]，因此，在工业化生产过程中，首先要考虑非晶态合金的合金化，即成分控制，然后将熔融的合金化后的材料熔液浇或铸到需要的形状的模具内，快速冷却，得到所需要的产品。然而，非晶态合金的熔体特性、流动行为和凝固行为等都不同于传统金属材料[3]，其压铸工艺技术参数、模具设计以及合金熔体在模具中的流动填充和凝固行为对于最终的产品质量都有很大的影响。而且，受材料本身的性质和现有工艺条件的限制，大多非晶态合金材料只停留在实验室阶段，其非晶形成能力在毫米级以下，其工艺应用大多受限。

目前工业化生产可用的块体非晶材料主要为锆基非晶，而锆在高温下非常易氧化，氧对非晶的形成能力又起负面作用。为了保证金属成分在合金化的过程中不被氧化，引入氧等杂质，合金化的过程需要全过程在真空环境外加保护气体保护的环境中进行[4]。因此，通过控制非晶态合金凝固条件（如真空度、浇注温度等）影响非晶态合金的凝固过程，讨论和分析凝固过程控制对非晶态合金的形成和力学性能的影响，形成一个比较统一的制备工艺、结构、性能之间的关系是目前研究的重点。

1 整体方案设计

1.1 真空压铸机工作流程分析

非晶态合金真空压铸成型的工艺过程如图1 所示。其工作流程是：首先将按重量分好的合金化材料装入等待在供料区域内的周转杯子内，自动给料机构抓取周转料杯将合金化的块状料加到熔炼系统的坩埚内，关闭加料口，抽真空系统对真空室及模具型腔抽真空，达到工作真空度后（根据工艺需要，可以充部分保护气体），启动高频电源，对坩埚内的合金材料进行感应加热，加热到设定温度后，自动浇注机构旋转带动坩埚完成高温熔体的浇倒，将高温熔体倒入压射熔杯内，压铸系统按照设定的压射工艺参数，将熔体充型到模具型腔内，保压冷却完成压铸成型，开合模具系统将模具动模分开，自动机构将铸件产品取出并清理模具型腔，检测产品无缺陷后，合上模具，开始下一循环。

图1 真空压铸机成型过程

1.2 真空压铸机整体方案设计

通过非晶态合金真空压铸工艺过程可知，压铸机的工作原理是：在全程真空环境条件下，将非晶合金材料通过感应加热等方式，加热到熔化状态，然后浇注到压射腔内，通过一定的压力和速度压射到专用模具型腔内，快速冷却，得到特定形状的非晶态合金产品。基于此，整个非晶态合金压铸机应包含真空系统、熔炼系统、压铸系统和真空模具系统等几大模块，设计总体方案如图2 所示。

图2 真空压铸机的整体方案

在设备工作过程中，通过在非晶态合金熔体凝固过程中一定的温度区间范围内，对非晶态合金进行高速度高压力精密成型，并且利用合理的工艺参数控制成型过程中的加热、充型、降温和凝固过程，从而实现非晶合金的连续成型。该技术充分利用了合金熔体凝固过程中的过冷液态区的高黏滞流变特性、光滑的自由表面和低凝固收缩率等特点，最终的非晶态合金构件尺寸精度高、表面质量好、构件内部致密、无缩孔、缩松等缺陷。

2 关键部分设计

2.1 真空系统设计

真空系统包含抽真空装置和真空腔体两部分。抽真空装置由真空泵、管道、过滤、真空阀及真空度测量装置组成，真空腔体即密封的容器，其内部可以产生真空氛围，以完成所需要的工艺操作，这里主要指非晶态材料的二次重熔需要在真空腔体内进行[5]。

抽真空过程就是将真空容器内气体抽出的过程。一个真空系统中单位时间内需要抽出的气体负荷量Q为：抽真空容积中的漏气量（Q1）、抽真空容积材料表面释放出来的气体流量（Qf）、抽真空容积外部大气通过容器壁渗入的气体量（Qs）、工艺过程中抽真空容积内产生的气体量（Qg）、抽真空容积本身存在的气体量（Qe）之和，可表述为式：

当真空系统对容积为V的被抽容器抽气时，若有效抽速为Se，容器内压用p表示，则单位时间内系统抽出的气体流量即为Se × p，容器内压变化率为dp/df，容器内的气体减少量即为V（dp/dt）。根据动态平衡方程，可列出方程：

即单位时间内，容器内气体的减少量等于容器内存量气体抽出量与气体泄漏进入和新产生量之和。

在抽气初期，真空系统的气体负荷主要是容器内原有的气体，随着容器内压的降低，原有的气体迅速减少。到了抽真空后期，容器中残存的气体主要是泄露（正常情况下）和容器壁释放的气体。因此在抽气初期阶段，真空系统的泄露（正常情况下）和自身内表面的产气量与系统总的气体负荷相比，可忽略不计，故在低真空条件下计算抽气时间可不考虑容器壁表面产生气体的影响。这时，真空系统的抽气方程可改写为：

积分可得型腔抽气时间与抽速、型腔容积及型腔真空度的关系为：

（4）式表明，提高抽速Se或减小容器体积V，都可缩短抽排气时间。在型腔容积一定时，增大真空系统的阀后管路截面积、缩短管路长度，不仅可以减小抽真空体积，还可显著降低沿程压力降，提高抽排速度，使型腔能在更短的时间内达到需要的真空度。因此，采用直通排气道，尽量增大管路截面积和减小管道长度利于型腔气体的快速排出。

在确定的真空腔体大小及结构的情况下，真空系统漏气检测的方式就比较重要了，因为真正的熔炼氛围是真空系统的保持能力，其表现的能力主要是真空腔体在大气环境下达到工作真空度时，抽真空所用的时间；但真空腔体内的真空保持能力是表征腔体的漏气量和腔体材料表面释放出来的气体流量等实际真空氛围，其大小直接影响材料熔炼时进入熔体材料杂质的多少，主要是氧含量的增加。

在真空腔体体积尽量小并确定的情况下，设备的压升率越低，说明真空腔体氛围的保持能越好，其漏气率和腔体及内部材料的放气率就越小。压升率是指在一定容积的真空腔体中真空度达到设定值时，断开抽气装置后，在常温常压的外部环境下，腔体内真空压力变化的速度。

压升率的测试方法一般如下：

（1）将检测用真空计（复合真空计）接入设备真空系统预留接口或是使用设备上经校检合格的真空计，用盲板密封料筒的出料口，形成密封腔体，启动真空系统的抽气装置，抽气到系统的极限压力p1。

（2）关闭抽气阀，使真空系统处于密封状态。

（3）记录在时间内，从真空计显示屏上读出的真空系统的压力值从p1上升到p2，压力值单位为帕（pa）。

（4）压升率计算公式为：

式中：p1：真空系统测量起始压力值，Pa；p2：真空系统测量终止压力值，Pa；t：测量所用时间，s。

由上述分析可知，液态金属真空压铸机的真空系统设计主要是需要高效的抽真空系统和密封良好的体积尽量小的真空腔体。设备对应的表现指标为小的抽真空时间、高的极限真空度和低的压升率。这样才能既满足工业化生产对效率和成本的需求，又可以满足非晶态材料的熔炼和成型对氛围的要求。

2.2 熔炼系统设计

工业化生产中最常见的机边熔炉为铝合金、镁合金、锌合金等压铸设备周边的保温炉（图3），其主要作用就是将待压铸的铝合金等合金锭或合金液加热到指定温度并保温。其保温坩埚的大小根据压铸机台的大小及每模消耗的合金液体量来确定，一般在几十公斤到几千公斤的范围。这样既可以满足工业化生产对效率的需求，又可以保证合金熔液的成分一致性和温度一致性。也正是因为铝、镁、锌等合金的性能特别是熔点低、对氧等敏感度低，所以才能得到工业化的广泛应用。

图3 铝合金压铸设备周边的熔炉

块体非晶合金材料的熔炼系统面临两大问题，一是材料熔点高，常用的锆基非晶合金材料的熔点在700 ～1100 ℃；二是对真空氛围的要求高。在熔炼时，真空型腔的真空度理论上是越高越好，通常实验室的理论要求在1×10-4～100×10-4Pa 左右。因此，块体非晶合金材料的熔炼系统既要处理高真空环境下的高温问题，同时还要考虑在高真空环境下的浇注和压铸等问题，而这些条件在正常的工业化生产中，都是比较难以处理的。

新设计的真空压铸机的熔炼系统采用在真空环境下的单模次用料量的感应加热方式。这种方式的优点在于单模次的用料一般情况下不会太多（大多在100 ～1000 g），熔炼系统所用坩埚可以做到比较小，则真空腔体及内部组件也可以做到比较小，这样就有利于真空环境的建立，提高了抽真空的效率。另外就是采用感应加热的方式，可以高效快速地对合金化后的材料铸锭或固定形状的块料进行加热熔化，从而使合金化后材料的二次熔炼的效率适应工业化生产的要求。此方案因为采用单模次用料量的重熔，材料在高温熔体状态下停留的时间非常短，熔体溶入氧等其他杂质的量就会非常低，有利于提高产品的品质和回收部分材料的重复利用率。

然而，单模次用料量的感应加热方案虽完美地解决了工业化生产的通用问题，但是此种方案还面临着模次之间一致性的问题。少量材料的快速感应加热会带来批量生产中材料成分一致性和加热温度一致性的问题。因此，新设计的熔炼系统除了要解决非晶合金材料本身的高熔点和易氧化问题，还需要解决工业化生产中的稳定性和一致性的问题。为此，新设计的真空成型设备的控温方案在工业化生产中就显得特别重要，其直接关系着合金材料熔体的浇注温度，从而影响熔体的流动性和充型能力。同时，为适应不同材料和生产工艺的需求，本项目开发三种控温方式：时间控温方式、上升沿控温方式和下降沿控温方式，且通过调整时间、温度和感应功率之间的关系，实现实际生产中非晶合金材料熔体的浇注温度的一致性。

2.3 压铸系统设计

块体非晶态材料（锆基）在高温情况下极易氧化且充型到模具型腔内时又要求快速冷却，因此压铸系统的实际真空度和充型压铸工艺参数对非晶态合金产品的质量起着决定性作用[6]。

压铸的高速高压特点使得金属熔体喷射形式充填型腔，与型腔内的空气和残留润滑剂挥发烟气充分混合。型腔内压在充型结束时可达300 kPa，甚至400 kPa。这些残留在熔体中的气体，不仅直接影响铸件本身力学性能，且在高温加热后会析出形成气泡，致使无法通过热处理来调整铸件的组织与性能。因此，传统压铸件限用于非承载结构件，无法制备对安全、疲劳性能有严格要求的性能结构件，极大限制了高效率压铸生产方法的应用范围。为了改善产品品质，提升产品的力学性能和疲劳性能，在常规铝、镁合金压铸生产中很早就有采用真空辅助工艺（真空压铸就是抽出型腔中的气体，将模具型腔中的真空度达到91 kPa 以上，让合金液在真空下成型的工艺），真空压铸技术成型的产品，铸件尺寸精度大大提升，具有极强的韧性和强度。

另外，在普通铸件时，如果铸件表面积较大，壁厚较薄，很难在完整顺序的凝固温度中完成，而且分散热节补缩困难，很容易造成铸件的缩孔、缩松等缺陷。利用高真空压铸技术可以使铸件凝固过程中均匀受压，避免出现受压不均出现缩孔、缩松等现象，有效实现对分散热节的补缩。用高真空压铸技术，可以有效改善合金液的充型能力。

但是在常规压铸设备中，特别是在小吨位压铸机（400T 以下）的生产过程中，压射整个行程一般在500 mm 以下，慢压射速度在0.2 ～0.7 m/s 之间，所以压射时间很短（一般不超过2 s）,当压射冲头推动熔体缓慢向前运行到封闭给汤口时，外真空系统对压射型腔和模具型腔进行抽真空，由于时间短、模具抽真空的管口直径有限，所以，模具型腔内的实际真空度不高，一般在91 kPa 以下，因此压铸从慢压射预充型转入高速压射充型时，熔体以20 ～100 m/s 的速度喷射入模具型腔时，还是会和型腔内的残留气体混合，形成一些小的卷气气泡，另一方面也会影响熔体的充型流动性。成型时的不同压射状态如图4 所示。

图4 成型时的不同压射状态

综上所述，在熔体充填型腔之前，抽真空系统的初始抽真空动态特性和充填前型腔可达到的真空度，才是真正衡量抽真空技术先进与否的主要判断依据。

新设计的真空压铸机的压射系统完全密封并且可以和熔炼室及模具型腔相连通，因此在抽真空过程中，压射系统（料筒及流道内）、熔炼系统和模具系统等已完成抽真空过程，达到了工作真空度（50Pa 以下），所以压射系统和模具型腔内的真空度的实现，不受压射时间的限制，可以达到理想的目标值。这样就可以最大限度地实现真正的真空压射成型。同时此设计方案也满足了高温合金熔体在浇注、压射和充型冷却全过程中不接触氧化。

2.4 模具系统设计

本项目所述真空压铸机的模具系统设计需要解决两个问题：一是实现模具型腔内的高真空，二是实现合金熔体的快速冷却。

压铸系统的模具是与产品直接相关的，模具及充型结构的设计决定了产品的性能和精度。压铸模具一般情况下分为动模和定模两部分，动模和定模的结合面常定义为分型面。动模固定在设备的开合模板上，且配有顶出机构；定模固定在设备的定板（头板）上，与设备的压射系统的料筒相连。

模具型腔内高真空的实现，首先需要有与型腔相通的抽真空口，其次所有与大气相通的接口或是接触面都需要密封，且有部分接口或接触面为动密封，在实际生产时，由于现场的工作环境（粉尘、高温及碎屑等）会影响生产，其密封结构的设计及密封体的材料选择都需要重点考虑。

非晶材料合金化后要形成非晶产品，其中模内快速冷却至关重要。非晶成型模具设计需要合理地控温系统设计和模具材料选择。控温系统设计主要体现在模内的冷却水道设计和模具温度的选择。模具材料的选择需要考虑模具材料的热胀系数、导热系数、耐温情况、表面硬度和可加工性等各个方面。

3 结论

新设计的非晶态合金真空压铸机可以实现块状的非晶合金化后的材料到非晶态的产品形状的连续性成型加工，区别于常规压铸成型工艺主要有：成型的全过程在高真空环境下完成，可成型高熔点的合金材料，提高了生产效率。

（1）全过程真空度高。本项目建立了一套高效的满足工业化生产的高真空系统。为了满足材料和生产工艺的需求，设备配套了全过程的真空系统，使合金材料在加热熔炼、浇注、压铸充型、模内冷却等全过程保持高真空状态，从而保证非晶产品的高质量成型和正常连续性生产。

（2）材料成型温度高。设备可成型1100 ℃以内的易氧化可成型合金材料，克服了材料快速加热及浇注温度一致性等问题，高温熔体对坩埚等耗材的高要求等困难，实现了高温高真空压铸成型的工艺。

（3）产品生产效率高。设备全程自动化，循环周期在60 ～80 s（机台大小不同会有不同的循环周期）内完成自动加料、合模、抽真空、加热熔炼、浇注、压射成型、模内冷却，取件检测、清理模面等工艺过程，适用于真正的工业化生产的真空成型制造工艺，大大提升了生产效率。