镁（铝）合金真空低压消失模铸造工艺优化及组织质量控制研究

论文摘要

真空低压消失模铸造技术将低压铸造的原理应用于真空消失模铸造中,使得液态镁（铝）合金在真空和较低气压作用下反重力充填消失模铸型,它比压力铸造、砂型铸造和普通消失模铸造具有明显的优势。本研究从实际应用出发,针对镁合金真空低压消失模铸造工艺的特点,系统研究了主要充型工艺参数对铸件质量的影响规律;结合国内外镁合金改性现状,探讨了改善镁合金铸态组织和提高性能的方法。在分析普通消失模铸造充型工艺理论的基础上,探讨了真空低压消失模铸造的工艺规范,推导了加压速度（dP充）/（dτ）与气体流量Q、凝固过程中补缩机理的数学关系式。真空低压消失模铸造过程中,当气源初始充型气压一定时,液态金属的加压速度（dP充）/（dτ）与充气流量Q呈线性正比关系,充气流量Q越大,加压速度（dP充）/（dτ）就越快,液态金属的充型速度也就越大。合金成份、浇注温度确定以后,对于晶间同一部位,单位时间内补缩液流经过晶粒的数量N主要取决于凝固结晶时的保压压力P保,保压压力P保越大,补缩液流经过晶粒的数量N越多,补缩能力就越强,组织也就越致密。采用阶梯试样对镁合金真空低压消失模铸造中的工艺参数进行了系统研究,掌握了浇注温度、真空度、充气流量、充型与抽真空耦合方式等因素对铸件质量的影响规律,确立了镁合金真空低压消失模铸造技术的最佳充型工艺参数范围:浇注温度710～750℃、真空度0.02～0.03MPa、充气流量8～14m3/h、采用先充型再抽真空的模式以及开放式浇注系统。复杂薄壁铸件一般选择工艺参数值的上限（如:浇注温度750℃等）,简单厚壁铸件可以选择工艺参数值下限。分析了镁合金真空低压消失模铸件中典型缺陷的物理特征及形成原因。孔洞缺陷可通过适当降低浇注温度、充型速度、真空度以及改善涂料层的透气性和调控充型与抽真空的耦合模式等来消除;浇不足、冷隔缺陷可以适当调节浇注温度、充型速度等来抑制;粘砂缺陷可以通过合理增加涂料厚度、控制真空度和浇注温度、选用粒径较小的干砂造型来消除。系统研究了机械振动、Ce-Sb复合合金化以及半固态热处理对镁合金消失模铸件组织和性能的影响,表明三种方法均能细化AZ91D镁合金消失模铸造试样的显微组织、提高其室温力学性能。（1）振动凝固条件下镁合金消失模铸造试样的组织、性能随试样厚度增加效果越好;（2）0.4%Sb+1.0%Ce为最佳合金化配比,合金化后基体中生成了粒状CeSb相和杆状相Al11Ce3相,合金化试样的抗拉强度、延伸率比未合金化处理试样分别提高了35.5%和36.7%,合金化叠加振动可以进一步细化AZ91D镁合金铸态组织、提高力学性能,比单纯合金化试样的抗拉强度、延伸率分别提高了11.2%和11%,断口中少量的韧窝和大量的撕裂棱同时出现,表明试样在拉伸过程中已有明显的塑性变形特征;（3）半固态等温热处理工艺下可以得到形状圆整的球状晶组织,抗拉强度、延伸率比铸态试样分别提高了32.4%和83.4%,最佳的工艺方案是530℃保温60min后取出水冷。散热片、制动器缸盖等消失模铸件的试制实验结果表明,真空低压消失模铸造工艺具有较强的充型能力,可以消除重力下镁（铝）合金消失模铸件中常出现的浇不足、冷隔等缺陷,获得外观轮廓良好的铸件,该工艺对于生产复杂薄壁的镁（铝）合金铸件具有非常明显的技术优势。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 本课题研究的背景和意义
• 1.2 国内外镁合金消失模铸造研究现状
• 1.2.1 镁合金消失模铸造充型特性
• 1.2.2 镁合金消失模铸造凝固特性
• 1.2.3 镁合金组织和性能
• 1.3 研究的主要内容
• 1.3.1 研究目标
• 1.3.2 主要研究内容
• 2 真空低压消失模铸造工艺理论基础
• 2.1 消失模铸造充型过程理论基础
• 2.1.1 充型过程中金属－模型间气隙压力
• 2.1.2 浇注温度
• 2.1.3 真空度
• 2.1.4 泡沫模样液态热解产物渗入涂料层过程分析
• 2.2 真空低压消失模铸造充型原理
• 2.2.1 充型速度
• 2.2.2 加压速度（dP充）/（dτ）和气体流量Q 的关系
• 2.3 真空低压消失模铸造凝固补缩机理研究
• 2.4 本章小结
• 3 镁合金真空低压消失模铸造工艺优化研究
• 3.1 实验方案与方法
• 3.1.1 实验方案设计和实验装置
• 3.1.2 模样的设计制作
• 3.1.3 涂料
• 3.1.4 造型、熔化、浇注
• 3.1.5 镁合金铸件的检测
• 3.2 实验结果与讨论
• 3.2.1 浇注温度对铸件质量的影响
• 3.2.2 真空度对铸件质量的影响
• 3.2.3 抽真空与充型耦合方式对铸件质量的影响
• 3.2.4 充气流量对铸件质量的影响
• 3.2.5 浇注系统对铸件质量的影响
• 3.3 镁合金真空低压消失模铸造模拟计算和结果分析
• 3.3.1 充型过程模拟结果
• 3.3.2 凝固过程模拟结果
• 3.4 镁合金真空低压消失模铸造充型工艺设计原则
• 3.4.1 材料性能要求
• 3.4.2 充型工艺参数
• 3.4.3 造型和浇注系统设计
• 3.4.4 最佳工艺规范的确立
• 3.5 本章小结
• 4 镁合金真空低压消失模铸造典型铸造缺陷研究
• 4.1 孔洞类缺陷
• 4.1.1 内部气孔
• 4.1.2 渣孔
• 4.1.3 皮下气孔
• 4.1.4 缩松
• 4.1.6 孔洞缺陷预防措施
• 4.2 浇不足、冷隔缺陷
• 4.2.1 缺陷成因
• 4.2.2 浇不足冷隔缺陷的预防措施
• 4.3 粘砂缺陷
• 4.3.1 消失模铸件渗透粘砂动力学成因
• 4.3.2 粘砂缺陷预防措施
• 4.4 漏浇口缺陷
• 4.5 本章小结
• 5 镁合金消失模铸件组织性能改善研究
• 5.1 AZ91D 镁合金消失模铸态组织及性能
• 5.2 机械振动对消失模铸造AZ91D 组织和性能的影响
• 5.2.1 实验方法
• 5.2.2 实验结果与分析
• 5.3 铈-锑合金化对消失模铸造镁合金力学性能和组织的影响
• 5.3.1 实验方法
• 5.3.2 实验结果与分析
• 5.3.3 机械振动对Ce、Sb 合金化后镁合金消失模铸造试样性能和组织的影响
• 5.4 半固态热处理对消失模铸造AZ91D 力学性能和组织影响
• 5.4.1 实验方法
• 5.4.2 实验结果与分析
• 5.5 本章小结
• 6 真空低压消失模铸造工艺的实际应用
• 6.1 散热片零件真空低压消失模铸造工艺试制
• 6.1.1 散热片零件的结构特点
• 6.1.2 铝合金散热片试制
• 6.1.3 镁合金散热片试制
• 6.2 小型缸盖零件真空低压消失模铸造工艺试制
• 6.2.1 缸盖零件的结构特点
• 6.2.2 铝合金制动器缸盖真空低压消失模工艺试制
• 6.2.3 镁合金制动器缸盖真空低压消失模工艺试制
• 6.3 本章小结
• 7 主要结论及发展方向
• 7.1 主要结论
• 7.2 发展方向
• 致谢
• 参考文献
• 附录 攻读博士学位期间已发表的论文