■ 張笑山

在鑄造領(lǐng)域中，真空吸鑄是反重力澆注的一種方法，與重力澆注相比，它確有許多為重力澆注不具備的特點(diǎn)。如型腔內(nèi)真空有利于充型，金屬液是在密封狀態(tài)下充型而不易混入雜物及氧化，金屬液在密封的型腔中除自身重力外還受到負(fù)壓狀態(tài)下和大氣的壓力差所產(chǎn)生的壓力，有利于金屬組織致密和補(bǔ)縮，特別是薄壁充型。但正由于是真空狀態(tài)下充型，所有這些特點(diǎn)都和真空度有關(guān)，而真空度是和大氣壓相對(duì)而言，相當(dāng)于低于表壓為零時(shí)，我們稱之為真空狀態(tài)，小于表壓為零直到絕對(duì)大氣壓為零，也就是真空度最大，因而真空吸鑄其重要指標(biāo)真空度是從–0.1MPa到零表壓范圍的一個(gè)局限，如何充分利用好真空范圍內(nèi)的負(fù)壓狀態(tài)是真空吸鑄必須高度重視的內(nèi)容之一。

1. 真空度對(duì)金屬液可吸入高度的影響

金屬液能被吸入型腔，是與重力澆注正相反，重力澆注是從上往下，靠金屬液自重充型，而真空吸鑄是在吸鑄室內(nèi)建立真空度使室內(nèi)外產(chǎn)生壓力差，金屬液在升液管內(nèi)靠壓力差克服自重充型?，F(xiàn)以金屬液的密度（鑄鋼）7.8kg/dm3計(jì)算，也就是高為1cm，面積1cm2的金屬液重量為0.0078kg，換成壓強(qiáng)近似為0.00078MPa，當(dāng)金屬液高度為10cm，就要用0.0078MPa與之平衡。反之，如果用–0.01MPa產(chǎn)生壓力差，金屬液柱就能升高10cm以上，當(dāng)真空度達(dá)到–0.1MPa時(shí)，金屬液柱將會(huì)升高到1m以上高度 (見(jiàn)圖1) 。

上面所列金屬液高度，底面是金屬液在吸鑄室外部的高度，當(dāng)對(duì)吸鑄室抽吸真空時(shí)，吸鑄室的升液管插入金屬液將吸鑄室與外部大氣隔開，外部金屬液表面所受大氣壓力和吸鑄室內(nèi)金屬液表面產(chǎn)生壓力差，金屬液被大氣頂推從升液管進(jìn)入型腔，金屬液在從升液管往上升高開始，就由壓力差做功。隨著金屬液高度的增加，壓力差也要逐漸增大，所以金屬液的高度起始點(diǎn)是金屬液表面外在高度。再看吸鑄室內(nèi)鑄件型腔，型腔充型完全，金屬液就要升高到和型腔最高點(diǎn)相同，因此，金屬液升高高度不低于型腔的最高點(diǎn)所需的真空度，這是真空吸鑄充型的第一條件。

2. 真空度對(duì)金屬內(nèi)部致密性的影響

當(dāng)型腔內(nèi)剛好由壓力差將金屬液充型完全時(shí)，金屬液在型腔中受力狀態(tài)和重力澆注相同，是金屬液的自重由下往上遞增，并向型腔內(nèi)壁作用，靠型腔的強(qiáng)度產(chǎn)生反作用力，保持金屬液在凝固后能和型腔輪廓相同。此時(shí)型腔內(nèi)金屬液的凝固成形過(guò)程和重力澆注并沒(méi)有太大區(qū)別，只是型腔中是負(fù)壓，金屬液充型沒(méi)有空氣阻力，但重力澆注鑄型的澆口杯是在最高處，澆口杯與型腔最高點(diǎn)的高度差所產(chǎn)生的金屬液壓力差，是作用于金屬液向型腔內(nèi)壁產(chǎn)生外壓力的來(lái)源。

如果真空度負(fù)壓繼續(xù)調(diào)高，使金屬液高度超過(guò)型腔最高點(diǎn)，超出金屬液升高平衡點(diǎn)的壓力差，作用在升液管底部繼續(xù)頂推金屬液，這個(gè)壓力差產(chǎn)生的力就使金屬液在密封的型腔內(nèi)和該點(diǎn)自重疊加均勻作用在內(nèi)壁上，并隨著真空度的變化而變化，這是與重力澆注所不同的一點(diǎn)，同時(shí)也是使金屬液受外力（重力以外的力）而趨向致密的要點(diǎn)。我們可以將真空度所產(chǎn)生的升液管內(nèi)壓力差從金屬液面到最高點(diǎn)為總壓頭，由型腔最低點(diǎn)到最高平衡點(diǎn)為有效壓頭，由型腔最低點(diǎn)到金屬液面為無(wú)效壓頭，而由最高點(diǎn)到型腔最高點(diǎn)為致密壓頭（見(jiàn)圖2），可見(jiàn)型腔的高度是固定的，在總壓頭中應(yīng)該盡量減少無(wú)效壓頭，提高有效壓頭。在有效壓頭中，型腔高度保持固定，致密壓頭就會(huì)得到提高，正由于真空度所形成的負(fù)壓是有限的，所以充分利用好減少無(wú)效壓頭而提高致密壓頭的特性，是真空吸鑄對(duì)薄壁充型，降低金屬液溫度，以及改善內(nèi)在質(zhì)量及時(shí)填充縮孔等都有好處。由圖2可見(jiàn)，只要型殼的強(qiáng)度足夠，應(yīng)該盡量提高真空度的負(fù)壓程度。圖2中，H為設(shè)定的真空度，h1為有效壓頭，h2為無(wú)效壓頭，h3為致密壓頭。

3. 真空度對(duì)金屬液上升速度的影響

金屬液在巨大壓力差作用下，從坩堝經(jīng)升液管被吸入型腔，金屬液流經(jīng)升液管到型腔還有個(gè)速度問(wèn)題，從眾多文獻(xiàn)及實(shí)際操作看，較為統(tǒng)一的看法不是越快越好，而是要求平穩(wěn)上升。

吸鑄室在吸鑄時(shí)雖然是處于真空狀態(tài)，但不是絕對(duì)真空，而是根據(jù)鑄件型腔高度及型殼強(qiáng)度設(shè)定一個(gè)真空度，實(shí)際上是負(fù)壓狀態(tài)，只是低于大氣壓或者說(shuō)是剩余氣體稀少而已。目前所使用的吸鑄真空度一般都設(shè)定在–0.06MPa左右，當(dāng)金屬液以較快速度流經(jīng)升液管進(jìn)入型腔時(shí)，在內(nèi)澆口處會(huì)產(chǎn)生紊流狀態(tài)，易卷入氣體和雜物，造成鑄件缺陷。但也不是越慢越好，如何來(lái)確定金屬液進(jìn)入型腔的速度，是實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)充型的先決條件。

有關(guān)文獻(xiàn)提出了一個(gè)最小充型速度的H.M.卡爾金公式（這是針對(duì)鋁合金的）：

式中 v型——金屬液在鑄型中（最小允許）平均上升速度（cm/s）；

H ——鑄件高度（cm）；

δ——鑄件厚度（cm）；t澆—— 合金的澆注溫度（℃）。

根據(jù)這個(gè)公式，壁厚越小，要求充型速度增加，金屬液溫度低時(shí)，充型也要增快。相關(guān)文獻(xiàn)中介紹了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)：如δ為4mm，v型為201cm/s；如δ為10mm，v型為80.4cm/s。雖然是鋁合金的最小充型速度，但它的變化規(guī)律可以作為參考。以v型為例，當(dāng)金屬液在升液管從內(nèi)澆口充型時(shí)，鑄件在型腔各個(gè)高度的截面都不可能相同，如何能保持平穩(wěn)充型速度，相關(guān)文獻(xiàn)中將v型定義為平均上升速度，是以鑄型高度為依據(jù)，對(duì)截面的變化忽略不計(jì)的一個(gè)參考方式，只要能滿足充型，還是速度慢些好。

圖1 鋼液在不同真空度下可吸升高度

圖2

關(guān)于真空度和金屬液上升的關(guān)系，根據(jù)合金自身的密度，與真空度的平衡點(diǎn)是各不相同的，而同一合金在不同的真空度影響下，其吸入高度也不相同，金屬液的吸入高度是隨真空度的變化而變化的。對(duì)充型速度實(shí)際上是使升液管中金屬液不斷提升，使型腔中金屬液從低向高不斷增加，這就要真空度的負(fù)壓不斷變化，而且是平穩(wěn)的變化，金屬液增高速度也會(huì)平穩(wěn)增加，所以該真空度的負(fù)壓只要能勻速變化，就會(huì)影響金屬液上升速度也平穩(wěn)地上升。圖3中的三種負(fù)壓變化率，相應(yīng)地也影響金屬液有三種不同上升速度，如斜線1就比斜線2和斜線3上升得都快，它們的斜度依三種不同負(fù)壓變化而不同。

北京航空材料研究院在特種鑄造及有色合金上提出了一個(gè)與真空度有關(guān)的速度公式：

式中 v——金屬液進(jìn)入型腔速度；

k——與升液管及坩堝面積有關(guān)的常數(shù)；

dp/dt——真空度的變化率。

這個(gè)公式是鋁合金真空吸鑄中流體充型形態(tài)中的一種關(guān)系，但可以看出在真空吸鑄中，真空度的變化是和金屬液充型速度有一定聯(lián)系的。這就給真空控制系統(tǒng)提出了一個(gè)如何控制真空度的負(fù)壓均勻變化的內(nèi)容，變化率可以設(shè)定，再根據(jù)實(shí)際吸鑄的鑄件情況加以調(diào)整，以達(dá)到平穩(wěn)充型的目的。

在設(shè)定真空變化率時(shí)，變化率的終止點(diǎn)應(yīng)留有足夠的致密壓頭，當(dāng)然也可以通過(guò)實(shí)現(xiàn)逐步調(diào)整，使真空變化率、致密壓頭、殼型強(qiáng)度等在一個(gè)平臺(tái)上通盤考慮，以求一致。

4. 如何利用好真空度產(chǎn)生有益效果

從鑄造工藝設(shè)計(jì)層面看，如何減少無(wú)效壓頭是和幾方面結(jié)構(gòu)有關(guān)。首先，升液管插入坩堝的深度，這一點(diǎn)一般只認(rèn)為插入過(guò)淺而從管口漏氣，實(shí)際上插入過(guò)淺不僅是漏氣，而是增加了無(wú)效壓頭，而浪費(fèi)了有效壓頭，從而也就是減少了致密壓頭；第二方面在吸鑄室內(nèi)，型腔最低點(diǎn)離吸鑄室底層過(guò)高，也是無(wú)效壓頭范圍；第三，鑄件型腔在吸鑄室內(nèi)的排放位置，也要注意盡量不要增加高度；第四，在吸入金屬液時(shí)，坩堝內(nèi)金屬液液面會(huì)下降，也會(huì)逐步增加無(wú)效壓頭，如何使升液管跟蹤能保持一定深度不變就應(yīng)加以控制。

真空吸鑄正是由于受真空度范圍的限制，以及殼型強(qiáng)度的影響，金屬液在型腔中受力是小于壓力鑄造，但又大于重力澆注，因此如何利用好真空吸鑄的特點(diǎn)，充分發(fā)揮負(fù)壓的潛力，真空吸鑄在中小件和薄壁件方面相對(duì)重力澆注還是具有較大的優(yōu)勢(shì)。

真空度對(duì)金屬液壓力差的影響，對(duì)有效壓頭的影響以及對(duì)充型速度的影響，都是在金屬尚未凝固處于液體狀態(tài)時(shí)的實(shí)際狀態(tài)，當(dāng)金屬溫度由液態(tài)澆注溫度下降到凝固溫度的過(guò)程中，其流動(dòng)性逐漸變差，最后趨于停止，而真空度對(duì)金屬液在真空狀態(tài)下的影響也是逐漸變化，其過(guò)程非常短暫，因此除真空度本身的影響外，還有一個(gè)能產(chǎn)生影響的時(shí)間段，一旦超過(guò)這個(gè)時(shí)間，諸多影響就不復(fù)存在，這也是真空吸鑄的重要先決條件。

圖3 鋼液充型速度隨真空度的變化曲線