刍议镁合金低压铸造过程中的防燃机理及技术

刍议镁合金低压铸造过程中的防燃机理及技术

乔昕

中国航发东安 黑龙江  哈尔滨  150066

摘要：镁合金低压砂型铸造工艺要发挥其铸造过程，如何在工艺过程中克服镁合金活泼性质至关重要。在浇注系统设计、型芯设计、型芯制备工艺、型芯准备及组型等方面如果设置不当，会产生不同程度的燃烧现象，本论文着重于研究镁合金低压铸造过程的幡然机理及技术。

关键词：低压铸造；强度；排气；

随着社会经济发展，环境问题日益严重，我国为了解决缓解这一现象，实施了节能减排政策，同时将节能减排落实到国家经济发展战略中去，以此保护环境，推动各个行业的发展。当前材料更加追求高强度以及轻质等特征，而铝合金材料虽然从一定程度上满足了成本低以及轻质等方面的要求，可是在强度上还存在着不足，有一定的缺陷。因此镁合金材料随之出现，这一材料自身具备低密度、高刚度以及轻质等一系列特点，它由于性能良好，逐渐替换了铝合金在工业领域中的应用。镁合金主要是以镁为基本的元素，在铸造期间，通过添加其它元素从而形成合金。镁合金材料自身具备密度小、强度高、散热性能好以及承受能力强等优点，在这些优点的基础上，其被应用到了航空、运输等各个工业部门中，并且产生的效果明显。

随着科技的发展，铸件结构日益复杂，不断朝着封闭型腔和复杂空间油路、薄壁的方向发展，这给传统的砂型铸造带来了新的研究方向。低压铸造是镁合金中不可缺少的铸造工艺，目前其已经成为了广大研究人员重点关注对象。低压铸造在这方面具有充型平稳、过程设备控制程度高等优点，非常适于复杂镁合金铸件的研制。但镁合金的活泼性质使其在低压铸造环节极易产生氧化燃烧现象，本文从工艺设计到浇注过程分析燃烧的机理及燃烧现象，从而阐述防燃的技术关键。

1. 镁合金低压技术的发展现状及优势概述

镁合金低压铸造工艺本身是一种反重力精密成形技术，由于性能良好，当前已经被应用到了各个机械生产行业中。

随着计算机技术的不断进步，人们在研究铸造工艺的时候，经常和数值模拟联合到一起，这样一来，不仅减少了试制周期，同时还大大提升了成品率，因此，对于镁合金低压铸造的研究在国内外受到了广泛关注。尤其是在镁合金低压充型模拟中，通过对流场的分析能够对低压浇注过程的参数设计、充型卷气的风险进行评估和指导。

低压工艺里，镁合金的熔化过程因镁和常见的镁合金自身较为灵活，并且熔点低，在氧气充足的情况下，比较容易产生化学反应。所以在进行熔炼的时候，应当展开有效的阻燃保护。从当前情况来看，在铸造镁合金中，经常使用到的保护技术是溶剂保护法、合金化法以及气体保护法等。

在低压浇注的实施过程中，可以通过有效改进镁合金铸型的排气能力，减少充型速度的充型压力，提升复杂薄壁镁合金铸件的内部质量。此外，还有采取陶瓷型低压铸造生产中型镁合金铸件的工艺。大多数学者对镁合金低压铸造工艺的研究和分析，从很大程度上推动了低压铸造工艺的快速发展。

由于低压浇注技术多用于复杂镁合金铸件的研制和生产，其与镁合金砂型的派普砂工艺、呋喃砂工艺、砂型激光快速成型技术、砂型3D打印技术的结合也极大地提高了低压技术的应用深度。

2. 镁合金低压浇注过程燃烧的机理和现象探究

镁合金在液态状态下发生的燃烧，就化学机理上是活泼的金属元素镁与能够与镁反应的液态、气态化合物接触而发生的剧烈反应，在反应中持续的放热会进一步加剧反应的烈度和强度。

但在低压浇注过程中发生燃烧，则要通过不同的浇注环节、金属液所处的位置来分析和判断产生燃烧的最初起火点，而后再根据现象做进一步分析。

针对低压过程的分析，主要阐述使用的低压设备为LDY1400的低压铸造产品。下压力罐中的坩埚合金液在压力影响下经升液管流向铸型型腔中，铸型顶部的冒口部位设置排气板，用来排出浇注环节形成的气体[1]

1）低压升液阶段：在低压充型阶段，合金液是在下压力罐体中的保护性环境下平稳充型，下压力罐中的坩埚合金液气温急剧提高作为铸件出现燃烧现象的征兆，由此当出现坩埚合金液温度急剧升高，则代表燃烧发生，在该阶段主要任务是管理坩埚液面起燃[2]

2）低压充型阶段：在低压充型阶段出现的燃烧，一般是由于型腔内有明显能够助燃的大量水汽或可与之反应的树脂等残留导致液态镁合金直接发生反应，此时会在与型腔相连的排气系统中排出大量烟气；或者是形成铸型型腔的组合过程中出现较大的缝隙，导致金属液流出后由于低压充型过程是持续增压过程，熔融的金属液由于连通器原理，不断在合箱面增大压力导致“抬箱”，此时容易出现金属液喷溅而后燃烧的现象。

3）结晶增压阶段：一般结晶增压阶段产生的燃烧，是源自在低压充型阶段。一般来说合金液是在型芯中的保护性环境下平稳充型，氧化燃烧问题很小，但砂芯被周边镁液包裹，在充型环节受镁液长期冲刷。虽然型芯已经过烘烤等工艺性处理，砂芯于高温镁合金的影响下，因水分蒸发和有机物的挥发、降解与燃烧，在浇注后极短时间里会出现大量气体[3]。型腔中的保护性环境不能控制聚集的可燃性气体和熔融态的镁合金液出现反应，导致顶部铸型中镁液燃烧。随着镁液燃烧面积的不断扩散，造成型内压力上升，升液管中镁液顶部压力超过坩埚液面压力，造成型腔中镁液与气体回流，燃烧形成的大量气体将经过升液管损坏坩埚液面，从而导致坩埚液面燃烧。在充型阶段发生燃烧，一般会在进入结晶增压阶段后的前1分钟到5分钟内发生。

此时，主要现象为压力罐中坩埚合金液温度会急剧提高，在低压控制结构内的压力跟踪曲线上将产生2-3MPa的压力值变化然后发生急剧增加，2-5秒后铸型周边产生显著燃点或在铸型周边突然产生明显烟气，之后整个铸型产生严重燃烧，严重时，整个铸件会由于燃烧出现较大的抬箱力，出现剧烈爆炸声音。

3. 防燃的技术方向研究

根据不同阶段的现象，判断相应产生问题的原因。

1）针对升液阶段发生的燃烧，主要要关注设备控制系统的程序及控制元件的完好性，气压管路的连通性以及气源本身的纯净度。

2）针对充型阶段发生的燃烧，主要要关注型芯本身的外观质量、组合过程的精度以及在准备阶段和组型阶段所使用的辅助材料质量、用量。

3）针对结晶增压阶段发生的燃烧，则要系统的从浇注系统设计、型芯设计、型芯制备工艺、型芯准备及组型等方面进行分析和研究。一般来说，是浇注期间型腔短时间内产生大量气体无法及时排出，形成喷射状排出；型腔内气体挤压，与金属液持续反应，超出砂型局部强度，引起强度薄弱部位附近出火爆燃情况。

a.浇注系统设计方面要注意避免在浇注系统下部的升液池形成较大的金属液聚集。大量的金属液会造成蓄热量大，导致附近砂型浇注时发气量大。

b.型芯设计方面要注意型芯尺寸与金属液包裹问题。在型芯被金属液包裹时，尽可能进行中空设计。在形成中空设计后，对于较大的型芯要注意，其多个型腔如采取单一排气出口，会导致排气量与排气压力不均匀，与此同时，型芯相连如采用排气孔的方式连接，尽可能避免采用过小的直径连接，小尺寸的连接孔会影响相连腔体气体的互通；在设计空腔排气时，要注意尽量避免型芯平面与金属液仅靠壁厚进行接触式密封，这种设计存在钻水风险；在型芯设计中要避免型芯排气通道与型腔排气通道共用，一旦共用在浇筑过程中就会有排气堵塞风险，导致排气不畅；最后在型芯设计时要注意如果砂层壁厚局部型腔壁厚尺寸较小，可能会出现因强度不足导致的金属液灌入排气型腔的风险。

3. 型芯制备工艺的选择要考虑型芯在浇注系统的位置。在过水量较大部位，被包裹腔体内型芯尽可能避免采用喷墨砂型，此种型芯无法采取高温回温方式，且其在浇注受热过程中，会集中发气，且发气量较大。因此在选择型芯制备工艺时要充分对比不同类型工艺条件下型芯的强度、发气量、发气特点。
4. 在型芯准备过程中，要注意型芯排砂后，其腔体结构强度。在清理砂型砂芯内腔时，可能存在局部壁薄，导致强度降低，浇注过程中会出现金属液在一定压力下灌入低强度型芯空腔区域的风险。
5. 在组型时针要关注排气出口相连的排气孔的物理连通及防护情况，避免腔体内气体排气过程有不能按照理想排气过程进行的风险。

4.结论：

1）镁合金低压铸造的燃烧一般出现在型腔中，要关注铸造全流程的设计及工艺选择。

2）镁合金低压燃烧主要是因砂型和砂芯的发气量多少、发气量快慢、排气是否通畅引起。

3）解决镁合金低压铸造的燃烧是一项综合措施落实的结果。

参考文献：

[1]陈胜娜,余欢,徐志锋,严青松,熊博文,杨伟.镁合金低压铸造的研究进展[J].铸造,2016.

[2]韩国民,韩志强,霍亮,段军鹏,朱训明,柳百成.考虑固溶及时效处理的镁合金铸件微观组织模拟及力学性能预测[J].金属学报,2012,48(03):363-370.