艺术类精铸件通常为表达其丰富的艺术内涵，常具有中空薄壁、造型复杂及棱角繁多的结构特征，并对铸件的表面品质、尺寸精度及形状完整性具有较高要求。国内艺术类铸件目前多采用硅溶胶模壳或水玻璃模壳结合传统重力铸造方法来生产，由于重力铸造充型过程合金液流动不平稳、充型动力有限及容易氧化吸气等因素，往往成形的艺术件表面铸造缺陷较多，导致艺术铸件成品率和内在品质普遍不高。真空吸铸工艺主要是通过对放置在密封吸铸室内的铸型抽真空，使熔融合金液在压差作用下逆重力方向自下而上地充填铸型，并使铸件在负压状态下凝固成形的一种铸造方法，目前已经在中小型复杂薄壁类构件的生产领域中得到应用，其熔模真空吸铸（CLA法）原理见图1。为探索真空吸铸工艺在艺术类铸件成形中的实践应用，本课题选取关公典型中空薄壁艺术铸件，开展了熔模真空吸铸成形工艺方案、浇注系统设计及真空吸铸工艺参数对充型及凝固过程的影响等相关方面研究，为真空吸铸成形技术在艺术铸造领域中的应用推广奠定理论基础，对促进我国艺术铸造行业的发展具有重要意义。
图1 熔模真空吸铸原理示意图
- 机械泵 2-节流阀 3-负压罐 4-电磁阀 5-压力表 6-熔模型壳 7-吸铸室 8-升降结构
01
关公像结构特点分析及工艺设计
选用山西宇达公司开发的关公像，采用三维扫描技术对关公像进行数据扫描获得点云模型，并结合逆向工程软件和三维建模软件对其完成实体建模，关公像几何模型见图2。关公像是复杂薄壁中空艺术类铸件，铸件轮廓总250 mm，底座为80 mm×100 mm的矩形，高度为40 mm，铸件部分薄壁中空，其中关公手臂、衣袖及刀头细微部位为实心结构，整个铸件上半身壁较厚，下半身壁较薄，平均壁厚为3 mm左右。分析可知，关公像的整体结构特征是表面纹饰繁多，薄壁结构复杂，壁厚分布不均匀。
图2 关公像
在艺术类铸件的浇注系统设计原则中，最为首要的是浇注系统的设计不能影响或改变艺术品原来的外观完整性。一般来说，艺术铸件的内浇道应设置于形状平整且纹饰较少、壁厚较大的非加工面上，以便后续清理、加工和打磨等。另外，充型和排气是艺术铸件浇注系统的关键，所以应根据铸件结构复杂性适当增设补缩和排气通道。此外，由于艺术铸件本身结构的复杂性，使得合金液在充型过程中容易出现分流及汇流现象，从而造成铸造缺陷。因此，艺术类铸件其特殊的结构特点加大了浇注系统的设计难度。
根据关公像的本身结构特征，并结合真空吸铸成形技术浇注系统设计的工艺特点，将两个关公铸件相背对称布局，设计以下两种浇注工艺方案。方案Ⅰ：采用双通道阶梯式浇注系统，其中圆形直浇道的直径为50 mm，高为320 mm，浇口杯直径为140 mm，高为70 mm。上方内浇道与铸件背部较为平坦的位置相接，以便于后续残留浇道的清理，由于连接处周围铸件形状与纹饰的限制，该处内浇道选择矩形，截面积为15 mm×12 mm。而下方内浇道搭接于关公像底座上表面厚壁处，其浇道截面积尺寸为20 mm×8 mm；方案Ⅱ：采用带有辅助浇道的阶梯式浇注系统，是在方案Ⅰ所设计的双通道阶梯式浇注系统基础上在关公铸件底座增设两个倾斜的圆形辅助浇道，直径为20 mm，同时在关公像头部区域外加一个补缩和排气通道。浇注系统几何模型见图3。
（a）方案Ⅰ （b）方案Ⅱ
图3 关公像浇注系统几何模型
02
铸造工艺数值模拟
2.1参数选择
在真空吸铸工艺成形过程中，充型速度、浇注温度及铸型温度是影响铸件充型过程平稳性及凝固后缺陷种类和分布的重要工艺参数，因此，选择适宜的工艺参数是获得优质艺术类铸品的关键。基于ProCAST模拟技术精确分析工艺参数对铸件充型过程和凝固补缩的影响，并根据缺陷种类及分布规律预判工艺参数选择的合理性，从而确定适合中小型艺术铸件生产的较优工艺参数。受实验室熔炼条件限制及结合后续的实际浇注实验验证，选用ZL101A铝合金代替艺术铸造常用的锡青铜进行模拟浇注。根据在真空吸铸成形薄壁精铸件方面的理论知识，并结合之前的相关实验经验，充型速度为60 mm/s。依据铝合金铸件实际生产经验，选取吸铸温度为710 ℃，铸型温度为350 ℃的工艺参数进行模拟浇注。
2.2 模拟结果与讨论
充型过程模拟结果
（a）0.93 s（b）1.63 s （c）2.09 s（d）2.30 s
图4 方案Ⅰ的真空吸铸充型过程数值模拟结果
（a）1.17 s （b）2.01 s （c）2.59 s （d）2.64 s
图5 方案Ⅱ的真空吸铸充型过程数值模拟结果
从图4与图5中可看到，两种浇注工艺下合金液的真空吸铸充型过程平稳，在选取充型速度为60 mm/s时，直浇道内的合金熔体自由液面近似维持水平状态向上充填。从图4b可看出，在吸铸压力的作用下合金液沿直浇道垂直方向快速上升几乎充满直浇道，高温熔体同时流经两个直横内浇道注入型腔，这将不利于型腔内气体从上内浇道顺利排出。此外，金属液进入铸型内腔后，型腔内的金属液面上升高度远低于直浇道内液面上升高度，其主要原因可能是由于下内浇道口截面较小使得流入型腔的金属流量有限造成的，再加之金属液流入铸型时产生背压，随之充型阻力大幅增加，型腔内金属液的流动速度也必然会下降。合金液流在充填过程中出现分流和交汇现象见图4c，这对其充型次序和不同位置的充型时间都有较大的影响，这样很难避免铸造缺陷的产生。当上下两股不同温度的金属液发生冲击交汇，通常交汇处的金属液温度差较大，避免不了产生卷气或紊流现象，进而可能会因裹气在此区域造成冷隔、夹渣等缺陷。再者艺术铸件结构复杂且多为薄壁中空，加之熔模型壳本身透气性较差，使得合金液充型背压较大，也容易出现冷隔或浇不足等缺陷。这些因素均不利于成形完整铸件，因此在生产中必须避免。
从图5看出，与工艺方案Ⅰ相比，方案Ⅱ浇注工艺熔体在薄壁型腔处的流动速率和直浇道处的流动速率相差不是很大，合金溶液依次从辅助浇道和下内浇道口流入充填型腔，金属液缓慢的自下而上的充填铸型，型腔中的气体可以顺利的从顶部的排气通道排出，这有助于艺术铸件的完整充型和顺序凝固的进行。充型时间在2.59 s时，上内浇道口也开始流入金属液，此时型腔中的金属液面也基本上到达相同高度，这样会有效的避免汇流所造成的缺陷，而且从上内浇道流入的高温金属液同时保持着较大的流动压力，并可继续充填顶部细微区域见图5C。在100%完全充满后见图5d，对比右侧的温度梯度示意图发现，整体温度均在液相线温度以上，此时可确保凝固过程补缩通道通畅，使其浇注系统中的高温金属液在真空压力下可持续补缩，这很大程度上降低了出现冷隔的风险。同时，也保证凝固过程实现顺序凝固，从而进一步减小了产生缩孔的风险。
关公像缩松、缩孔缺陷预测
（a）方案Ⅰ （b）方案Ⅱ
图6 不同浇注工艺下铸造缺陷分布预测结果
从图6a看出，方案Ⅰ的成形的铸件表面缺陷非常多，气孔率达到了2.67%，这主要是合金液汇流冲击造成的裹气所引起的气孔及夹渣缺陷。尤其在关公像铸件头部、袖口和臂膊等部位缩孔较为多，这主要是因为该区域壁薄且细微，散热快，熔体温度下降迅速，且真空吸铸成形后期的凝固补缩压力有限，导致补缩通道不通畅，从而在这些位置产生冷隔或缩孔等缺陷的可能性较大。此外，在关公像较为厚大的局部区域也出现了缩孔缺陷。缺陷预测结果表明，双通道的浇注系统无法获得优质铸件。在浇注方案Ⅱ的工艺下，成形的铸件的气孔率只有0.4%左右，比方案Ⅰ的气孔率大为减少，这说明浇注系统的整体凝固补缩效果良好。另外，关公像头部缺陷明显减少，只在铸件的袖口部位存在轻微缩松，是因为该区域无法得到较好的补缩。从图6看出，方案Ⅱ成形的关公像除了袖口部位，表面基本无明显缺陷存在，说明带有辅助浇道和排气通道的浇注系统可以实现自下而上的顺序充型，很好的降低了冷隔和缩孔缩松等缺陷发生的概率，最终获得表面品质优异的艺术铸件。
03
实际生产
试验采用水玻璃熔模型壳，选用 ZL101A铝合金，选择吸铸充型速度为60 mm/s，浇注温度为710 ℃，模壳预热温度为350 ℃，吸铸真空度为-60 kPa，保压100 s后解除真空，取出铸型。整个浇注过程在自主研发的离心真空吸铸装置上完成。
图7为浇注所得关公像。从铸件的外观形貌可看出，采用方案Ⅱ成形的关公像外表面品质好，没有明显的铸造缺陷，尤其是在其头部、袖口及手臂的细微薄壁区域均没有发现肉眼可见的缺陷，说明熔模真空吸铸复合工艺应用于中空薄壁艺术类铸件可取得良好的效果。
图7 关公像铸件
文章来源：《特种铸造及有色合金》2020年第40卷第05期
