消失模鑄造技術(shù)是一種近無余量、精確成形的新技術(shù)，適合生產(chǎn)大型復(fù)雜零 件，被稱為21世紀最可能實現(xiàn)綠色鑄造的工藝技術(shù)[1-4] 。它是采用泡沫塑料制作成 與零件結(jié)構(gòu)和尺寸完全一樣的實型模具，經(jīng)浸涂耐火粘結(jié)涂料，烘干后進行干砂造 型，振動緊實，然后澆入金屬液使模樣受熱氣化消失，從而得到與模樣形狀一致的 金屬零件的精密鑄造方法[5-8] 。與其他鑄造工藝相比，它具有諸多優(yōu)點[9] ：①鑄件的尺 寸精度高、表面粗糙度低；②增大了鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計的自由度；③散砂緊實、無粘結(jié) 劑，簡化了鑄件生產(chǎn)工序，提高了勞動生產(chǎn)率；④容易實現(xiàn)清潔生產(chǎn)等。
經(jīng)過數(shù)十年技術(shù)發(fā)展，消失模鑄造技術(shù)的研究已從應(yīng)用廣泛、發(fā)展成熟的鑄 鐵、鑄鋼轉(zhuǎn)向鋁、鎂合金等輕合金。研究也表明[10- 12] ，鎂合金非常適合消失模鑄造工 藝，其具有如下獨特的優(yōu)點。
( 1 )在鎂合金澆注過程中，泡沫模樣的分解產(chǎn)物主要是烴類(烷烴、烯烴 等)、苯類和苯乙烯等氣霧物質(zhì)，它們對充型成形時極易氧化的液態(tài)鎂合金具有自 然的保護作用；
( 2 ) 采用干砂負壓造型，避免了鎂合金液與型砂中水分的接觸和由此而引起的 鑄件氧化夾雜缺陷；
( 3 ) 與目前普遍采用的鎂合金壓鑄工藝相比較，其投資成本大為降低，干砂良 好的退讓性大大減輕了鎂合金鑄件凝固收縮時的熱裂傾向；金屬液較慢和平穩(wěn)的充 型速度避免了氣體的卷入，使鑄件可經(jīng)熱處理進一步提高其力學(xué)性能。然而，鎂合 金消失模鑄造技術(shù)發(fā)展也存在一定的難點[13] 。
( 1 ) 金屬液在充型澆注中，泡沫模樣的熱解氣化將吸收大量的熱量，造成合金 流動前沿溫度下降，過度冷卻易形成冷隔、皮下氣孔等鑄件缺陷。因此，鎂合金消 失模澆注過程中，提高充型能力對獲得優(yōu)質(zhì)鎂合金消失模鑄件至關(guān)重要，尤其是復(fù) 雜薄壁鎂合金鑄件。( 2 ) 鎂合金消失模鑄造的澆注溫度高達750~780 ℃，較普通空腔澆注高30~ 50 ℃，在此高溫下，鎂合金的氧化燃燒加劇，鑄件縮松多。同時，由于采用散干砂 造型，金屬液降溫速度慢，造成鎂合金鑄件凝固組織粗大，鑄件性能偏低。此外， 鎂合金消失模鑄造需要低溫氣化的泡沫模樣材料，然而有關(guān)泡沫模樣材料的基礎(chǔ)研究在我國進行的工作相對較少。同時，研制適合鎂合 金消失模鑄造用強度高、透氣性好的涂料，也是亟待 解決的問題。
為了解決鎂合金消失模鑄造中充型澆注、氧化燃 燒、孔洞缺陷和凝固組織粗大等問題，提高鎂合金消 失模鑄件性能，近年來國內(nèi)外也有一些關(guān)于鎂合金消 失模鑄造方面的研究，但是取得的效果甚微，很多關(guān) 鍵技術(shù)還沒有得到有效解決，有關(guān)報道較少。尤其是 鎂合金消失模鑄造的大量應(yīng)用，國內(nèi)外還沒有相關(guān)報 道。上海交通大學(xué)、華中科技大學(xué)等高校開展了鎂合 金消失模鑄造技術(shù)研究。胡晶玉[14]等研究了AZ91鎂合 金負壓消失模鑄造流動性，指出AZ91鎂合金的流動性 隨模樣厚度、澆注溫度及施加真空度的增加而增加， 但隨涂料厚度和模樣密度的增加而降低。劉子利[15]等 研究了鎂合金負壓消失模鑄造金屬- 鑄型間的傳熱行 為，發(fā)現(xiàn)與不抽真空相比，抽真空明顯降低了鑄件開 始凝固的溫度。 2015年山東蒙沃變速箱有限公司采用 消失模鑄造工藝試制了AZ91鎂合金箱體[16] 。2002年6月 美國鑄造協(xié)會在位于威斯康星州的Eck公司澆注成功消 失模AZ91鎂合金鑄件。 Lombardi等[17]研究了Si對消失模 鑄造AE42鎂合金微觀組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律，指出 Al-Si-Re相的形成促進了初生Mg相的形成，削弱了AE42 鎂合金的拉伸性能，卻增加了其伸長率。 Sin等[18]研究了 Ca對消失模鑄造AE42鎂合金鑄造性能、微觀組織和力 學(xué)性能的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)Ca的添加細化了鎂合金凝固組 織，但降低了鎂合金的室溫拉伸性能。 Ho[19]等通過向消 失模鑄造鎂合金中添加Al和Si元素，提高了鎂合金的流 動性能，制備出薄壁周期性細胞鎂合金鑄件。
由于鎂合金材料性能方面的原因[20-22] ，其消失模鑄 造技術(shù)及控制難度更大，有關(guān)鎂合金消失模鑄造生產(chǎn) 應(yīng)用還沒有報道，目前鎂合金消失模鑄造基本還停留 在試制階段。未來鎂合金消失模鑄造關(guān)鍵技術(shù)一旦獲 得突破，其將具有巨大發(fā)展和應(yīng)用前景。
近年來，隨著國內(nèi)外對鎂合金消失模鑄造技術(shù) 的重視和研究，鎂合金消失模鑄造技術(shù)得到了快速發(fā) 展，開發(fā)出一些鎂合金消失模鑄造新技術(shù)，取得了顯 著的效果，本文圍繞幾種鎂合金消失模鑄造技術(shù)的最 新研究成果和進展進行介紹。
1 鎂合金真空低壓消失模鑄造技術(shù)
鎂合金真空低壓消失模鑄造技術(shù)是將真空消失 模鑄造與低壓鑄造有機地結(jié)合起來，其工藝特點：① 將消失模鑄造模樣放入底注式砂箱，加入型砂振動緊 實，隨后開啟抽真空裝置；②鎂合金液送入澆注爐， 并通入保護性氣體；③澆注爐內(nèi)通入可控壓力的惰性 氣體，在其作用下鎂合金液進入砂箱，將消失模鑄造 模樣氣化，實現(xiàn)澆注。圖 1是鎂合金真空低壓消失模鑄造技術(shù)工作原理圖[23] 。
鎂合金真空低壓消失模鑄造綜合了低壓鑄造與真 空消失模鑄造的技術(shù)優(yōu)勢，在可控的氣壓下完成充型 過程，大大提高了合金的充型能力。與壓鑄相比，設(shè) 備投資小、成本低、鑄件可熱處理強化；與砂型鑄造 相比，鑄件的精度高、表面粗糙度低、生產(chǎn)率高、性 能好。在反重力作用下，直澆道成為補縮短通道，澆 注溫度的損失小，液態(tài)合金在可控的壓力下進行補縮 凝固，合金鑄件的澆注系統(tǒng)簡單有效、成品率高、組 織致密。由于需要的澆注溫度低，適合多種有色合金 澆注成形[24-26] 。
圖2為采用兩種不同消失模鑄造工藝獲得的電機殼 體(最小壁厚2.5 mm ，澆注溫度750 ℃ )鑄件。可以 看出，采用真空低壓消失模鑄造可成形出形狀完好、 輪廓清晰的鎂合金電機鑄件，而采用重力消失模鑄造 時，鑄件不能完全充型，出現(xiàn)了嚴重的澆不足缺陷。 因此，真空低壓消失模鑄造技術(shù)在生產(chǎn)薄壁復(fù)雜鑄件 時相比重力消失模鑄造具有明顯優(yōu)勢。
此外，鎂合金在壓力下凝固，外力對枝晶間液相 金屬的擠濾作用以及使初凝枝晶發(fā)生顯微變形，可大 幅提高冒口補縮能力，使鎂合金鑄件內(nèi)部縮松得到改 善。圖3為壓力凝固下鎂合金消失模鑄件縮松的變化規(guī) 律。明顯看出，壓力下凝固可以顯著減少鎂合金消失 模鑄件的縮松缺陷，使得鑄件致密性大大提高。
2 鎂合金振動消失模鑄造技術(shù)
鎂合金振動消失模鑄造技術(shù)是在消失模鑄造過程 中施加一定頻率和振幅的振動[27] ，使鑄件在振動場的 作用下凝固。由于消失模鑄造凝固過程中對金屬液施 加了一定時間的振動，振動力使液相與固相間產(chǎn)生相 對運動，從而使枝晶破碎，增加了液相內(nèi)結(jié)晶核心， 使鑄件最終凝固組織細化、補縮提高，力學(xué)性能改 善，其原理圖見圖4所示。該技術(shù)利用消失模鑄造中現(xiàn)成的緊實振動臺，通過振動電機產(chǎn)生的機械振動，使 金屬液在動力激勵下生核，達到細化組織的目的，是 一種操作簡便、成本低廉、無環(huán)境污染的方法[28-32] 。相 比之下，砂型鑄造過程中，如對鑄型施以機械振動， 很容易把鑄型振垮；在金屬型鑄造過程中，由于其冷 速過快，振動對結(jié)晶的影響作用不大[33] 。
圖5為在振動凝固過程中不同振幅下得到的消失 模鑄造AZ91D合金的光學(xué)顯微組織[34] ?？梢钥闯?，在 未振動條件下，消失模鑄造鎂合金的凝固組織較為粗 大， α-Mg初生相呈現(xiàn)明顯的樹枝晶形態(tài)。作為對比， 在振動條件下，消失模鑄造AZ91D合金的微觀組織得 到顯著細化， α-Mg初生相轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶，晶粒尺寸隨 著振幅的增大而不斷減小。
表 1是不同條件下獲得消失模鑄造AZ91D鎂合金的 力學(xué)性能[34] 。由表可知，經(jīng)過振動后，消失模鑄件的 綜合力學(xué)性能較未振動前明顯提高。
此外， 研究表明，對AZ91D鎂合金消失模澆注過程 中進行機械振動，可以提高液態(tài)金屬的充型能力[34] ，充 型能力隨著振動頻率和振幅的增大而增大(圖6a )。由圖6b可知，當(dāng)振動峰值加速度小于1 g時，振動對AZ91D 的充型能力影響很小。而當(dāng)振動峰值加速度大于4 g時， 振動力過大，消失模鑄造過程中易出現(xiàn)工藝不穩(wěn)定，產(chǎn) 生嚴重粘砂、試樣變形等缺陷，反而使金屬液充型能力 下降。因此，振動峰值加速度選擇在1 g~4 g之間，可以 明顯提高AZ91D消失模鑄造充型能力。
3 鎂合金消失模殼型鑄造技術(shù)
消失模殼型鑄造技術(shù)是熔模鑄造技術(shù)與消失模鑄 造結(jié)合起來的新型鑄造方法。該方法是將用發(fā)泡模具 制作的與零件形狀一樣的泡沫塑料模樣表面涂上數(shù)層 耐火材料，待其硬化干燥后，將其中的泡沫塑料模樣 燃燒氣化消失而制成型殼，經(jīng)過焙燒，然后在重力下 (反重力)澆注，從而獲得較高尺寸精度鑄件的一種 新型精密鑄造方法[35-36] ，其工藝流程見圖 7所示。
消失模殼型鑄造技術(shù)具有消失模鑄造中的模樣尺 寸大、精密度高的特點，又有熔模精密鑄造中結(jié)殼精 度、強度等優(yōu)點[37-39] 。與普通熔模鑄造相比，其特點 是泡沫塑料模料成本低廉，模樣粘接組合方便，氣化 消失容易，克服了熔模鑄造模料容易軟化而引起的熔 模變形的問題，可以生產(chǎn)較大尺寸的各種合金復(fù)雜鑄 件。同時，該技術(shù)不僅解決了普通消失模鑄造易出現(xiàn) 的氣孔、夾雜等缺陷，還能保證鑄件具有較高的尺寸 精度和表面粗糙度以及良好的內(nèi)在質(zhì)量和成品率。如果 再結(jié)合反重力和真空鑄造，使得金屬液在真空與充型氣 體的雙重壓力下進行充型，充型能力大大提高，在生產(chǎn) 大型復(fù)雜薄壁鑄件時具有明顯的優(yōu)勢，且金屬液在壓力 下凝固，鑄件得到了充分的補縮，減少了氣孔、縮松、 針孔等缺陷，提高了組織致密性，因此適合生產(chǎn)高質(zhì)量 較大尺寸的復(fù)雜薄壁鎂合金精密鑄件[31] 。
彭喬元[40-41]等研究了鎂合金消失模殼型鑄造中型殼 的制備及工藝，表明當(dāng)粉液比為3.2 ，焙燒溫度為 1 200 ℃ 時，硅溶膠- 剛玉型殼具有較高的強度，型殼抗彎強度 達到4.3 MPa 。但考慮鎂合金的特性和對型殼的性能要 求， 800 ℃焙燒型殼鎂合金性能最優(yōu)。
陳果[42-43]等研究了消失模殼型鑄造AZ91D鎂合金 的凝固組織與力學(xué)性能。指出澆注溫度、鑄件壁厚、澆注壓力等參數(shù)對鎂合金凝固組織和力學(xué)性能有較大 影響，其中鑄件壁厚對鑄件組織及力學(xué)性能影響最 大。隨著鑄件的壁厚增大，鑄件的力學(xué)性能呈下降趨 勢；隨著澆注溫度的提高，鑄件力學(xué)性能有略微的下降 趨勢；負壓方式澆注的鑄件力學(xué)性能明顯優(yōu)于重力澆注 的鑄件。鑄件澆注負壓增大可以有效提高鎂合金充型效 果，提高鑄件致密度，還可細化鑄件組織晶粒。
圖8為消失模殼型鑄造和消失模鑄造獲得的進氣歧 管零件對比[44] 。易見，消失模殼型鑄造獲得的進氣歧 管鑄件輪廓清晰，形狀完整，表面光潔，內(nèi)部致密， 鑄件表面粗糙度為3 .2~6 .3 μm 。相比較，消失模鑄造 獲得的鑄件存在冷隔和孔洞缺陷，鑄件表面粗糙度達 到6.3~12.5 μm 。可見，消失模殼型鑄造成形高質(zhì)量復(fù) 雜薄壁鑄件具有明顯優(yōu)勢。
在消失模殼型鑄造技術(shù)的基礎(chǔ)上，將振動凝固應(yīng) 用到消失模殼型鑄造技術(shù)也可以進一步細化鎂合金凝 固組織，提高鎂合金的力學(xué)性能[45-46] 。圖9是機械振動 對消失模殼型鑄造鎂合金凝固組織的影響[47] 。明顯看 出，未振動時，消失模殼型鑄造鎂合金的凝固組織較 為粗大，初生相為枝晶形態(tài)，第二相為連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié) 構(gòu)；經(jīng)過機械振動以后，鎂合金的凝固組織得到明顯 細化，初生相轉(zhuǎn)變?yōu)榧毿〉牡容S晶，第二相變?yōu)榧毿?的顆粒狀分布于晶界處。
4 鎂/鋁雙金屬消失模鑄造技術(shù)
鎂/鋁雙金屬是將鎂合金與鋁合金相復(fù)合，其結(jié)合 了鎂合金與鋁合金的優(yōu)點，可做到揚長避短，在航空 航天、汽車等領(lǐng)域具有較大應(yīng)用前景[48-50] 。鎂/鋁雙金 屬消失模鑄造技術(shù)是將消失模鑄造技術(shù)應(yīng)用于鎂/鋁雙 金屬鑄件的制備中[51-53] ，可結(jié)合消失模鑄造的技術(shù)特 點，獲得的雙金屬鑄件尺寸精度高、表面粗糙度低、 結(jié)構(gòu)設(shè)計自由度大、易實現(xiàn)清潔生產(chǎn)、成本低、泡沫 模分解出小分子還原性氣體對雙金屬界面具有很好的 保護作用，可直接成形復(fù)雜的鎂/鋁雙金屬鑄件，可解 決其他工藝在制備鎂/鋁雙金屬鑄件遇到的成本高以及 金屬易于氧化的問題，并可進行熱處理強化[54] 。其工 藝原理見圖 10所示，首先將一種固定合金嵌體裝入泡 沫模樣中，經(jīng)過涂刷涂料、烘干、造型后澆注，待凝 固后即可獲得雙金屬鑄件。
圖11為消失模鑄造獲得的鎂/鋁雙金屬鑄件界面的 顯微組織形貌[55-57] 。可以看出，鎂合金和鋁合金在界面處生成了明顯的冶金反應(yīng)層，界面層厚度較為均勻， 界面結(jié)合緊密，未發(fā)現(xiàn)孔洞缺陷，經(jīng)測定界面層的平 均厚度約為 1 400 μm 。另外，界面層不同位置呈現(xiàn)出 不同的形貌，這說明界面層由不同的物相組成，鎂合 金和鋁合金反應(yīng)生成了不同的金屬間化合物，大致可 以分成三個不同的區(qū)域，分別為靠近鎂側(cè)的區(qū)域I ，中 間部位的區(qū)域II和靠近鋁側(cè)的區(qū)域III 。
圖 12為鎂 / 鋁雙金屬鑄件界面處元素線掃描結(jié) 果[55-56] 。鎂元素和鋁元素在界面層處的含量存在明顯 波動，從鎂側(cè)到鋁側(cè)Mg元素含量逐漸降低，而Al元素 的變化規(guī)律正好相反，界面層處也含有Si元素。對I 、 II 、III 區(qū)域分別進行高倍下觀察(圖 13 )，并使用 EDS 和TEM對三個不同區(qū)域的組織進行元素定量分析(圖 14 ) [57] 。可以得出，鎂側(cè)的反應(yīng)層( I 區(qū)域)主要由共 晶反應(yīng)產(chǎn)生的Al12Mg17+ δ (Mg) 共晶組織組成； 中間 層( II 區(qū)域)主要由Al12Mg17金屬間化合物和少量Mg2 Si 組成；鋁側(cè)的反應(yīng)層( III 區(qū)域)主要由Al3Mg2+Mg2 Si 組成。
5 結(jié)束語
隨著航空航天、汽車、軍工等行業(yè)的迅速發(fā)展， 復(fù)雜鎂合金鑄件具有巨大的應(yīng)用需求。消失模鑄造作 為一種適合生產(chǎn)復(fù)雜鎂合金鑄件的精密鑄造技術(shù)必將 大有可為。鎂合金消失模鑄造新技術(shù)是消失模鑄造技 術(shù)與其他技術(shù)復(fù)合而成的新技術(shù)，用來解決現(xiàn)有鎂合 金消失模鑄造過程中主要存在的液態(tài)合金的充型能力 差、孔洞缺陷嚴重、凝固組織粗大以及鑄件的力學(xué)性 能偏低等問題，其各有技術(shù)特點和應(yīng)用前景?？傮w來 說，鎂合金消失模鑄造新技術(shù)今后還存在如下挑戰(zhàn)。
( 1 )如何將現(xiàn)有消失模鑄造工藝與低壓鑄造工藝 以及壓力凝固結(jié)晶技術(shù)相結(jié)合，綜合低壓鑄造、壓力 凝固與真空消失模鑄造技術(shù)優(yōu)勢，使得金屬液在可控 的氣壓下完成充型和凝固過程，明顯提高金屬液的充 型能力和補縮能力，解決澆不足、針孔、夾渣、縮孔 縮松等缺陷，獲得組織致密、細小、力學(xué)性能優(yōu)異的 鎂合金消失模鑄件，研發(fā)出高效、成品率高、投資少 的真空低壓消失模鑄造技術(shù)與裝備系統(tǒng)，裝備結(jié)構(gòu)簡 單、升壓速度快、設(shè)備投資少、所需氣壓壓力低的鎂 合金消失模鑄造壓力凝固關(guān)鍵技術(shù)與裝備系統(tǒng)具有一 定挑戰(zhàn)。
( 2 )如何將現(xiàn)有消失模鑄造工藝與振動凝固技術(shù) 相結(jié)合，在消失模鑄造過程中施加一定頻率和振幅的 振動，使鑄件在振動場的作用下凝固，利用振動力使 液相與固相間產(chǎn)生相對運動，從而使枝晶破碎，增加 液相內(nèi)結(jié)晶核心，使鑄件最終凝固組織細化，力學(xué)性 能改善，研發(fā)出一種操作簡便、成本低廉、頗有應(yīng)用前景的鎂合金消失模鑄造振動凝固關(guān)鍵技術(shù)與裝備系統(tǒng)也具有一定挑戰(zhàn)。
( 3 )如何利用消失模鑄造工藝制備Mg-Al 、Mg-Cu 、Mg-Fe等雙金屬鑄件，獲得界面結(jié)合良好、界面致密均 勻、脆性金屬間化合物少、結(jié)合強度高的復(fù)合雙金屬鑄件，研發(fā)出消失模鑄造復(fù)合雙金屬鑄件成形關(guān)鍵技術(shù)與裝備 系統(tǒng)是今后消失模鑄造技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點和發(fā)展趨勢，具有較大挑戰(zhàn)。
此外，針對鎂合金的消失模鑄造技術(shù)，需要研究和發(fā)展的技術(shù)還有：適合消失模鑄造的鎂合金材料、特種涂 料、新型泡沫模材料、熱處理工藝、廢氣凈化技術(shù)等。因此，隨著消失模鑄造技術(shù)的不斷革新和進步，它對推動我 國的國防、航空航天和汽車工業(yè)的發(fā)展具有非常重要的實際意義。
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