左大利，李國(guó)臣，高 寬，郭彥峰

（1.東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造/創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院，廣東 東莞 523808；2.東莞市逸昊金屬材料科技有限公司 研發(fā)中心，廣東 東莞 518120）

0 引言

非晶態(tài)合金又稱液態(tài)金屬，金屬玻璃[1]，其形成機(jī)理是金屬合金熔體的快速凝固[2]，因此，在工業(yè)化生產(chǎn)過(guò)程中，首先要考慮非晶態(tài)合金的合金化，即成分控制，然后將熔融的合金化后的材料熔液澆或鑄到需要的形狀的模具內(nèi)，快速冷卻，得到所需要的產(chǎn)品。然而，非晶態(tài)合金的熔體特性、流動(dòng)行為和凝固行為等都不同于傳統(tǒng)金屬材料[3]，其壓鑄工藝技術(shù)參數(shù)、模具設(shè)計(jì)以及合金熔體在模具中的流動(dòng)填充和凝固行為對(duì)于最終的產(chǎn)品質(zhì)量都有很大的影響。而且，受材料本身的性質(zhì)和現(xiàn)有工藝條件的限制，大多非晶態(tài)合金材料只停留在實(shí)驗(yàn)室階段，其非晶形成能力在毫米級(jí)以下，其工藝應(yīng)用大多受限。

目前工業(yè)化生產(chǎn)可用的塊體非晶材料主要為鋯基非晶，而鋯在高溫下非常易氧化，氧對(duì)非晶的形成能力又起負(fù)面作用。為了保證金屬成分在合金化的過(guò)程中不被氧化，引入氧等雜質(zhì)，合金化的過(guò)程需要全過(guò)程在真空環(huán)境外加保護(hù)氣體保護(hù)的環(huán)境中進(jìn)行[4]。因此，通過(guò)控制非晶態(tài)合金凝固條件（如真空度、澆注溫度等）影響非晶態(tài)合金的凝固過(guò)程，討論和分析凝固過(guò)程控制對(duì)非晶態(tài)合金的形成和力學(xué)性能的影響，形成一個(gè)比較統(tǒng)一的制備工藝、結(jié)構(gòu)、性能之間的關(guān)系是目前研究的重點(diǎn)。

1 整體方案設(shè)計(jì)

1.1 真空壓鑄機(jī)工作流程分析

非晶態(tài)合金真空壓鑄成型的工藝過(guò)程如圖1 所示。其工作流程是：首先將按重量分好的合金化材料裝入等待在供料區(qū)域內(nèi)的周轉(zhuǎn)杯子內(nèi)，自動(dòng)給料機(jī)構(gòu)抓取周轉(zhuǎn)料杯將合金化的塊狀料加到熔煉系統(tǒng)的坩堝內(nèi)，關(guān)閉加料口，抽真空系統(tǒng)對(duì)真空室及模具型腔抽真空，達(dá)到工作真空度后（根據(jù)工藝需要，可以充部分保護(hù)氣體），啟動(dòng)高頻電源，對(duì)坩堝內(nèi)的合金材料進(jìn)行感應(yīng)加熱，加熱到設(shè)定溫度后，自動(dòng)澆注機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)坩堝完成高溫熔體的澆倒，將高溫熔體倒入壓射熔杯內(nèi)，壓鑄系統(tǒng)按照設(shè)定的壓射工藝參數(shù)，將熔體充型到模具型腔內(nèi)，保壓冷卻完成壓鑄成型，開(kāi)合模具系統(tǒng)將模具動(dòng)模分開(kāi)，自動(dòng)機(jī)構(gòu)將鑄件產(chǎn)品取出并清理模具型腔，檢測(cè)產(chǎn)品無(wú)缺陷后，合上模具，開(kāi)始下一循環(huán)。

圖1 真空壓鑄機(jī)成型過(guò)程

1.2 真空壓鑄機(jī)整體方案設(shè)計(jì)

通過(guò)非晶態(tài)合金真空壓鑄工藝過(guò)程可知，壓鑄機(jī)的工作原理是：在全程真空環(huán)境條件下，將非晶合金材料通過(guò)感應(yīng)加熱等方式，加熱到熔化狀態(tài)，然后澆注到壓射腔內(nèi)，通過(guò)一定的壓力和速度壓射到專用模具型腔內(nèi)，快速冷卻，得到特定形狀的非晶態(tài)合金產(chǎn)品。基于此，整個(gè)非晶態(tài)合金壓鑄機(jī)應(yīng)包含真空系統(tǒng)、熔煉系統(tǒng)、壓鑄系統(tǒng)和真空模具系統(tǒng)等幾大模塊，設(shè)計(jì)總體方案如圖2 所示。

圖2 真空壓鑄機(jī)的整體方案

在設(shè)備工作過(guò)程中，通過(guò)在非晶態(tài)合金熔體凝固過(guò)程中一定的溫度區(qū)間范圍內(nèi)，對(duì)非晶態(tài)合金進(jìn)行高速度高壓力精密成型，并且利用合理的工藝參數(shù)控制成型過(guò)程中的加熱、充型、降溫和凝固過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)非晶合金的連續(xù)成型。該技術(shù)充分利用了合金熔體凝固過(guò)程中的過(guò)冷液態(tài)區(qū)的高黏滯流變特性、光滑的自由表面和低凝固收縮率等特點(diǎn)，最終的非晶態(tài)合金構(gòu)件尺寸精度高、表面質(zhì)量好、構(gòu)件內(nèi)部致密、無(wú)縮孔、縮松等缺陷。

2 關(guān)鍵部分設(shè)計(jì)

2.1 真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)

真空系統(tǒng)包含抽真空裝置和真空腔體兩部分。抽真空裝置由真空泵、管道、過(guò)濾、真空閥及真空度測(cè)量裝置組成，真空腔體即密封的容器，其內(nèi)部可以產(chǎn)生真空氛圍，以完成所需要的工藝操作，這里主要指非晶態(tài)材料的二次重熔需要在真空腔體內(nèi)進(jìn)行[5]。

抽真空過(guò)程就是將真空容器內(nèi)氣體抽出的過(guò)程。一個(gè)真空系統(tǒng)中單位時(shí)間內(nèi)需要抽出的氣體負(fù)荷量Q為：抽真空容積中的漏氣量（Q1）、抽真空容積材料表面釋放出來(lái)的氣體流量（Qf）、抽真空容積外部大氣通過(guò)容器壁滲入的氣體量（Qs）、工藝過(guò)程中抽真空容積內(nèi)產(chǎn)生的氣體量（Qg）、抽真空容積本身存在的氣體量（Qe）之和，可表述為式：

當(dāng)真空系統(tǒng)對(duì)容積為V的被抽容器抽氣時(shí)，若有效抽速為Se，容器內(nèi)壓用p表示，則單位時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)抽出的氣體流量即為Se × p，容器內(nèi)壓變化率為dp/df，容器內(nèi)的氣體減少量即為V（dp/dt）。根據(jù)動(dòng)態(tài)平衡方程，可列出方程：

即單位時(shí)間內(nèi)，容器內(nèi)氣體的減少量等于容器內(nèi)存量氣體抽出量與氣體泄漏進(jìn)入和新產(chǎn)生量之和。

在抽氣初期，真空系統(tǒng)的氣體負(fù)荷主要是容器內(nèi)原有的氣體，隨著容器內(nèi)壓的降低，原有的氣體迅速減少。到了抽真空后期，容器中殘存的氣體主要是泄露（正常情況下）和容器壁釋放的氣體。因此在抽氣初期階段，真空系統(tǒng)的泄露（正常情況下）和自身內(nèi)表面的產(chǎn)氣量與系統(tǒng)總的氣體負(fù)荷相比，可忽略不計(jì)，故在低真空條件下計(jì)算抽氣時(shí)間可不考慮容器壁表面產(chǎn)生氣體的影響。這時(shí)，真空系統(tǒng)的抽氣方程可改寫為：

積分可得型腔抽氣時(shí)間與抽速、型腔容積及型腔真空度的關(guān)系為：

（4）式表明，提高抽速Se或減小容器體積V，都可縮短抽排氣時(shí)間。在型腔容積一定時(shí)，增大真空系統(tǒng)的閥后管路截面積、縮短管路長(zhǎng)度，不僅可以減小抽真空體積，還可顯著降低沿程壓力降，提高抽排速度，使型腔能在更短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到需要的真空度。因此，采用直通排氣道，盡量增大管路截面積和減小管道長(zhǎng)度利于型腔氣體的快速排出。

在確定的真空腔體大小及結(jié)構(gòu)的情況下，真空系統(tǒng)漏氣檢測(cè)的方式就比較重要了，因?yàn)檎嬲娜蹮挿諊钦婵障到y(tǒng)的保持能力，其表現(xiàn)的能力主要是真空腔體在大氣環(huán)境下達(dá)到工作真空度時(shí)，抽真空所用的時(shí)間；但真空腔體內(nèi)的真空保持能力是表征腔體的漏氣量和腔體材料表面釋放出來(lái)的氣體流量等實(shí)際真空氛圍，其大小直接影響材料熔煉時(shí)進(jìn)入熔體材料雜質(zhì)的多少，主要是氧含量的增加。

在真空腔體體積盡量小并確定的情況下，設(shè)備的壓升率越低，說(shuō)明真空腔體氛圍的保持能越好，其漏氣率和腔體及內(nèi)部材料的放氣率就越小。壓升率是指在一定容積的真空腔體中真空度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，斷開(kāi)抽氣裝置后，在常溫常壓的外部環(huán)境下，腔體內(nèi)真空壓力變化的速度。

壓升率的測(cè)試方法一般如下：

（1）將檢測(cè)用真空計(jì)（復(fù)合真空計(jì)）接入設(shè)備真空系統(tǒng)預(yù)留接口或是使用設(shè)備上經(jīng)校檢合格的真空計(jì)，用盲板密封料筒的出料口，形成密封腔體，啟動(dòng)真空系統(tǒng)的抽氣裝置，抽氣到系統(tǒng)的極限壓力p1。

（2）關(guān)閉抽氣閥，使真空系統(tǒng)處于密封狀態(tài)。

（3）記錄在時(shí)間內(nèi)，從真空計(jì)顯示屏上讀出的真空系統(tǒng)的壓力值從p1上升到p2，壓力值單位為帕（pa）。

（4）壓升率計(jì)算公式為：

式中：p1：真空系統(tǒng)測(cè)量起始?jí)毫χ?，Pa；p2：真空系統(tǒng)測(cè)量終止壓力值，Pa；t：測(cè)量所用時(shí)間，s。

由上述分析可知，液態(tài)金屬真空壓鑄機(jī)的真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是需要高效的抽真空系統(tǒng)和密封良好的體積盡量小的真空腔體。設(shè)備對(duì)應(yīng)的表現(xiàn)指標(biāo)為小的抽真空時(shí)間、高的極限真空度和低的壓升率。這樣才能既滿足工業(yè)化生產(chǎn)對(duì)效率和成本的需求，又可以滿足非晶態(tài)材料的熔煉和成型對(duì)氛圍的要求。

2.2 熔煉系統(tǒng)設(shè)計(jì)

工業(yè)化生產(chǎn)中最常見(jiàn)的機(jī)邊熔爐為鋁合金、鎂合金、鋅合金等壓鑄設(shè)備周邊的保溫爐（圖3），其主要作用就是將待壓鑄的鋁合金等合金錠或合金液加熱到指定溫度并保溫。其保溫坩堝的大小根據(jù)壓鑄機(jī)臺(tái)的大小及每模消耗的合金液體量來(lái)確定，一般在幾十公斤到幾千公斤的范圍。這樣既可以滿足工業(yè)化生產(chǎn)對(duì)效率的需求，又可以保證合金熔液的成分一致性和溫度一致性。也正是因?yàn)殇X、鎂、鋅等合金的性能特別是熔點(diǎn)低、對(duì)氧等敏感度低，所以才能得到工業(yè)化的廣泛應(yīng)用。

圖3 鋁合金壓鑄設(shè)備周邊的熔爐

塊體非晶合金材料的熔煉系統(tǒng)面臨兩大問(wèn)題，一是材料熔點(diǎn)高，常用的鋯基非晶合金材料的熔點(diǎn)在700 ～1100 ℃；二是對(duì)真空氛圍的要求高。在熔煉時(shí)，真空型腔的真空度理論上是越高越好，通常實(shí)驗(yàn)室的理論要求在1×10-4～100×10-4Pa 左右。因此，塊體非晶合金材料的熔煉系統(tǒng)既要處理高真空環(huán)境下的高溫問(wèn)題，同時(shí)還要考慮在高真空環(huán)境下的澆注和壓鑄等問(wèn)題，而這些條件在正常的工業(yè)化生產(chǎn)中，都是比較難以處理的。

新設(shè)計(jì)的真空壓鑄機(jī)的熔煉系統(tǒng)采用在真空環(huán)境下的單模次用料量的感應(yīng)加熱方式。這種方式的優(yōu)點(diǎn)在于單模次的用料一般情況下不會(huì)太多（大多在100 ～1000 g），熔煉系統(tǒng)所用坩堝可以做到比較小，則真空腔體及內(nèi)部組件也可以做到比較小，這樣就有利于真空環(huán)境的建立，提高了抽真空的效率。另外就是采用感應(yīng)加熱的方式，可以高效快速地對(duì)合金化后的材料鑄錠或固定形狀的塊料進(jìn)行加熱熔化，從而使合金化后材料的二次熔煉的效率適應(yīng)工業(yè)化生產(chǎn)的要求。此方案因?yàn)椴捎脝文４斡昧狭康闹厝?，材料在高溫熔體狀態(tài)下停留的時(shí)間非常短，熔體溶入氧等其他雜質(zhì)的量就會(huì)非常低，有利于提高產(chǎn)品的品質(zhì)和回收部分材料的重復(fù)利用率。

然而，單模次用料量的感應(yīng)加熱方案雖完美地解決了工業(yè)化生產(chǎn)的通用問(wèn)題，但是此種方案還面臨著模次之間一致性的問(wèn)題。少量材料的快速感應(yīng)加熱會(huì)帶來(lái)批量生產(chǎn)中材料成分一致性和加熱溫度一致性的問(wèn)題。因此，新設(shè)計(jì)的熔煉系統(tǒng)除了要解決非晶合金材料本身的高熔點(diǎn)和易氧化問(wèn)題，還需要解決工業(yè)化生產(chǎn)中的穩(wěn)定性和一致性的問(wèn)題。為此，新設(shè)計(jì)的真空成型設(shè)備的控溫方案在工業(yè)化生產(chǎn)中就顯得特別重要，其直接關(guān)系著合金材料熔體的澆注溫度，從而影響熔體的流動(dòng)性和充型能力。同時(shí)，為適應(yīng)不同材料和生產(chǎn)工藝的需求，本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)三種控溫方式：時(shí)間控溫方式、上升沿控溫方式和下降沿控溫方式，且通過(guò)調(diào)整時(shí)間、溫度和感應(yīng)功率之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)實(shí)際生產(chǎn)中非晶合金材料熔體的澆注溫度的一致性。

2.3 壓鑄系統(tǒng)設(shè)計(jì)

塊體非晶態(tài)材料（鋯基）在高溫情況下極易氧化且充型到模具型腔內(nèi)時(shí)又要求快速冷卻，因此壓鑄系統(tǒng)的實(shí)際真空度和充型壓鑄工藝參數(shù)對(duì)非晶態(tài)合金產(chǎn)品的質(zhì)量起著決定性作用[6]。

壓鑄的高速高壓特點(diǎn)使得金屬熔體噴射形式充填型腔，與型腔內(nèi)的空氣和殘留潤(rùn)滑劑揮發(fā)煙氣充分混合。型腔內(nèi)壓在充型結(jié)束時(shí)可達(dá)300 kPa，甚至400 kPa。這些殘留在熔體中的氣體，不僅直接影響鑄件本身力學(xué)性能，且在高溫加熱后會(huì)析出形成氣泡，致使無(wú)法通過(guò)熱處理來(lái)調(diào)整鑄件的組織與性能。因此，傳統(tǒng)壓鑄件限用于非承載結(jié)構(gòu)件，無(wú)法制備對(duì)安全、疲勞性能有嚴(yán)格要求的性能結(jié)構(gòu)件，極大限制了高效率壓鑄生產(chǎn)方法的應(yīng)用范圍。為了改善產(chǎn)品品質(zhì)，提升產(chǎn)品的力學(xué)性能和疲勞性能，在常規(guī)鋁、鎂合金壓鑄生產(chǎn)中很早就有采用真空輔助工藝（真空壓鑄就是抽出型腔中的氣體，將模具型腔中的真空度達(dá)到91 kPa 以上，讓合金液在真空下成型的工藝），真空壓鑄技術(shù)成型的產(chǎn)品，鑄件尺寸精度大大提升，具有極強(qiáng)的韌性和強(qiáng)度。

另外，在普通鑄件時(shí)，如果鑄件表面積較大，壁厚較薄，很難在完整順序的凝固溫度中完成，而且分散熱節(jié)補(bǔ)縮困難，很容易造成鑄件的縮孔、縮松等缺陷。利用高真空壓鑄技術(shù)可以使鑄件凝固過(guò)程中均勻受壓，避免出現(xiàn)受壓不均出現(xiàn)縮孔、縮松等現(xiàn)象，有效實(shí)現(xiàn)對(duì)分散熱節(jié)的補(bǔ)縮。用高真空壓鑄技術(shù)，可以有效改善合金液的充型能力。

但是在常規(guī)壓鑄設(shè)備中，特別是在小噸位壓鑄機(jī)（400T 以下）的生產(chǎn)過(guò)程中，壓射整個(gè)行程一般在500 mm 以下，慢壓射速度在0.2 ～0.7 m/s 之間，所以壓射時(shí)間很短（一般不超過(guò)2 s）,當(dāng)壓射沖頭推動(dòng)熔體緩慢向前運(yùn)行到封閉給湯口時(shí)，外真空系統(tǒng)對(duì)壓射型腔和模具型腔進(jìn)行抽真空，由于時(shí)間短、模具抽真空的管口直徑有限，所以，模具型腔內(nèi)的實(shí)際真空度不高，一般在91 kPa 以下，因此壓鑄從慢壓射預(yù)充型轉(zhuǎn)入高速壓射充型時(shí)，熔體以20 ～100 m/s 的速度噴射入模具型腔時(shí)，還是會(huì)和型腔內(nèi)的殘留氣體混合，形成一些小的卷氣氣泡，另一方面也會(huì)影響熔體的充型流動(dòng)性。成型時(shí)的不同壓射狀態(tài)如圖4 所示。

圖4 成型時(shí)的不同壓射狀態(tài)

綜上所述，在熔體充填型腔之前，抽真空系統(tǒng)的初始抽真空動(dòng)態(tài)特性和充填前型腔可達(dá)到的真空度，才是真正衡量抽真空技術(shù)先進(jìn)與否的主要判斷依據(jù)。

新設(shè)計(jì)的真空壓鑄機(jī)的壓射系統(tǒng)完全密封并且可以和熔煉室及模具型腔相連通，因此在抽真空過(guò)程中，壓射系統(tǒng)（料筒及流道內(nèi)）、熔煉系統(tǒng)和模具系統(tǒng)等已完成抽真空過(guò)程，達(dá)到了工作真空度（50Pa 以下），所以壓射系統(tǒng)和模具型腔內(nèi)的真空度的實(shí)現(xiàn)，不受壓射時(shí)間的限制，可以達(dá)到理想的目標(biāo)值。這樣就可以最大限度地實(shí)現(xiàn)真正的真空壓射成型。同時(shí)此設(shè)計(jì)方案也滿足了高溫合金熔體在澆注、壓射和充型冷卻全過(guò)程中不接觸氧化。

2.4 模具系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目所述真空壓鑄機(jī)的模具系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要解決兩個(gè)問(wèn)題：一是實(shí)現(xiàn)模具型腔內(nèi)的高真空，二是實(shí)現(xiàn)合金熔體的快速冷卻。

壓鑄系統(tǒng)的模具是與產(chǎn)品直接相關(guān)的，模具及充型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)決定了產(chǎn)品的性能和精度。壓鑄模具一般情況下分為動(dòng)模和定模兩部分，動(dòng)模和定模的結(jié)合面常定義為分型面。動(dòng)模固定在設(shè)備的開(kāi)合模板上，且配有頂出機(jī)構(gòu)；定模固定在設(shè)備的定板（頭板）上，與設(shè)備的壓射系統(tǒng)的料筒相連。

模具型腔內(nèi)高真空的實(shí)現(xiàn)，首先需要有與型腔相通的抽真空口，其次所有與大氣相通的接口或是接觸面都需要密封，且有部分接口或接觸面為動(dòng)密封，在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，由于現(xiàn)場(chǎng)的工作環(huán)境（粉塵、高溫及碎屑等）會(huì)影響生產(chǎn)，其密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及密封體的材料選擇都需要重點(diǎn)考慮。

非晶材料合金化后要形成非晶產(chǎn)品，其中模內(nèi)快速冷卻至關(guān)重要。非晶成型模具設(shè)計(jì)需要合理地控溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)和模具材料選擇?？販叵到y(tǒng)設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在模內(nèi)的冷卻水道設(shè)計(jì)和模具溫度的選擇。模具材料的選擇需要考慮模具材料的熱脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、耐溫情況、表面硬度和可加工性等各個(gè)方面。

3 結(jié)論

新設(shè)計(jì)的非晶態(tài)合金真空壓鑄機(jī)可以實(shí)現(xiàn)塊狀的非晶合金化后的材料到非晶態(tài)的產(chǎn)品形狀的連續(xù)性成型加工，區(qū)別于常規(guī)壓鑄成型工藝主要有：成型的全過(guò)程在高真空環(huán)境下完成，可成型高熔點(diǎn)的合金材料，提高了生產(chǎn)效率。

（1）全過(guò)程真空度高。本項(xiàng)目建立了一套高效的滿足工業(yè)化生產(chǎn)的高真空系統(tǒng)。為了滿足材料和生產(chǎn)工藝的需求，設(shè)備配套了全過(guò)程的真空系統(tǒng)，使合金材料在加熱熔煉、澆注、壓鑄充型、模內(nèi)冷卻等全過(guò)程保持高真空狀態(tài)，從而保證非晶產(chǎn)品的高質(zhì)量成型和正常連續(xù)性生產(chǎn)。

（2）材料成型溫度高。設(shè)備可成型1100 ℃以內(nèi)的易氧化可成型合金材料，克服了材料快速加熱及澆注溫度一致性等問(wèn)題，高溫熔體對(duì)坩堝等耗材的高要求等困難，實(shí)現(xiàn)了高溫高真空壓鑄成型的工藝。

（3）產(chǎn)品生產(chǎn)效率高。設(shè)備全程自動(dòng)化，循環(huán)周期在60 ～80 s（機(jī)臺(tái)大小不同會(huì)有不同的循環(huán)周期）內(nèi)完成自動(dòng)加料、合模、抽真空、加熱熔煉、澆注、壓射成型、模內(nèi)冷卻，取件檢測(cè)、清理模面等工藝過(guò)程，適用于真正的工業(yè)化生產(chǎn)的真空成型制造工藝，大大提升了生產(chǎn)效率。