导读

通过设计含有主、副排气管道的真空抽气系统，结合Flow-3D仿真软件进行卷气分析，应用该抽气系统对镁合金散热器进行真空压铸。结果表明，采用主、副排气管道的真空抽气系统，能够获得外观完整、组织致密的镁合金真空压铸件，通过调节感应器的位置，能够获得不同的型腔真空度。提高型腔真空度能有效提高镁合金的充型能力，能够改善压铸件的气孔或缩松缺陷，在型腔真空度为10kPa时，镁合金散热器型的卷气量最少，其抗拉强度和伸长率也得到相应的改善。

镁合金具有密度低、比强度和比刚度高、电磁屏蔽能力强、减震能力强、切削性能优良、易回收等特点，在工程中得到了广泛应用。AZ91D镁合金由于具有良好的铸造性能和耐蚀性能，还具备一定的力学性能，因而在压铸镁合金中得到广泛运用。通过真空压铸能够减少镁合金压铸件中气孔及氧化夹杂物的产生，提高压铸件的致密性，同时减少金属液在模具型腔里的充型阻力，提高压铸件的常温力学性能。因此真空压铸可用于机械强度高甚至需要热处理的大型复杂薄壁件的生产，如LED灯用散热器。镁合金散热器肋片间空气的自然对流速度较大，有助于提高散热器的综合传热效率，因此，镁合金可替代铝合金，用于制备大功率LED散热器。

真空压铸成形工艺关键在于抽真空，即如何在充型过程的极短时间内快速把型腔里的气体抽出。目前的真空抽气系统，存在抽气效率低，型腔真空度低，或者真空阀复杂、维护成本高和可靠性差的问题。因此，针对现有技术的不足，本课题设计出了一种含有主、副排气管道，可靠性高、成本低的真空抽气系统。通过该真空抽气系统，结合数值模拟软件，研究了不同真空度下AZ91D镁合金压铸件的成形性能。

1真空抽气系统设计

由于真空压铸成形过程时间短，一般短于1s，因此对真空阀的响应速度要求较高。针对现有真空排气系统存在的不足，设计了含有主、副排气管道的真空抽气系统，其结构见图1a。主要工作原理是，当压射冲头通过浇料口5时，通过PLC控制总阀12打开，这时副排气管道11和主排气管道10同时对模具型腔进行抽气，当压铸机由慢压射转为快压射时，触发感应开关，常开电磁阀9快速关闭，而副排气管道11继续对型腔进行抽气，直到金属液流入副排气管道冷却凝固为止，最后获得真空压铸件。通过主、副排气管道同时对型腔进行抽气，能够迅速地把型腔内的空气抽出，达到理想的真空度。

副排气管道11设计成齿状结构，其管道是弯曲向前的，主要目的是延长进入该管道的金属液流动距离，确保金属液在通过狭窄的排气管道时冷却凝固，副排气管道在整个压铸过程一直处于抽气状态。主排气管道10里面设置有常开电磁阀9，见图1b。因此，通过对常开电磁阀9的控制就可以实现对主排气管道的抽气控制。试验中通过改变感应开关的位置就能改变常开电磁阀9关闭的时间，从而控制主排气通的道抽气时间。

（a）真空抽气系统结构图(b)主排气通道结构图

3.真空罐4.真空泵5.浇料口6.冲头7.压室8.型腔9.电磁阀10.主排气管道11.副排气管道12.总阀

图1真空抽气系统示意图

2模拟分析

2.1压铸件模型分析

采用solidworks三维软件对散热器进行三维建模，散热器模型（含浇口和溢流槽）和模具结构见图2。根据主、副排气管道真空抽气系统的设计原理，制作出了散热器压铸件的模具结构。铸件材质为AZ91D镁合金，热物性参数见表1。

图2散热器模型与模具结构图

2.2压铸件卷气模拟分析

针对AZ91D镁合金的特点，经过试验验证，在浇注温度为℃下，选择最佳压铸工艺参数，见表2，对散热器进行卷气模拟分析。

真空压铸的真空度介于0~kPa之间，数值越小真空度越高。把表2工艺参数输入到FLOW-3D仿真软件中，同时设置了3组不同的型腔真空度，卷气模拟结果见图3。可以看出，该压铸件在靠近浇口处的卷气量比远离浇口处的卷气量要低，而压铸件中心部位由于是最后填充成形的，故其卷气量最多。型腔真空度为kPa的普通压铸件卷气量较其他两组真空压铸件多，且主要集中在压铸件心部，当型腔真空度为50kPa时，压铸件的卷气量有所下降，但心部卷气区域仍然比较大，当型腔真空度为10kPa时，压铸件的整体卷气量明显下降，心部卷气情况也明显得到改善。这说明提高型腔真空度能有效提高金属液的充填能力，能够改善压铸件的气孔或缩松缺陷，有利于散热器压铸件获得外形完整组织致密的压铸件。

(a)kPa(b)50kPa(c)10kPa

图3不同真空度下的卷气结果

3试验验证

在上述最佳工艺参数下，采用主、副排气管道的真空抽气系统进行压铸试验。试验中通过改变感应开关的位置，从而改变主排气管道的抽气时间，使模具型腔形成不同的真空度，分别进行压铸试验。从试验中选取型腔真空度为kPa（1号）、50kPa（2号）、10kPa（3号）的压铸件进行分析，见图4。从外观上看，这3组压铸件外形都比较完整，结合卷气模拟分析结果，分别取散热器卷气量最大的心部位置相同散热片，制备金相试样进行对比研究，见图4b。

（a）散热器压铸件（b）散热片

图4不同真空度下压铸件宏观照片

图5为不同真空度下镁合金散热器的微观组织。可以看出，不管是真空压铸还是普通压铸都存在或多或少的气孔或缩松缺陷，普通压铸件的气孔相比于真空压铸件来说，其分布范围较广且气孔尺寸较大，同时存在较多的氧化夹杂缺陷；而型腔真空度为50kPa时，其气孔尺寸变小，气孔数量变少，其气孔或缩松面积较普通压铸降低超过50%，氧化夹杂缺陷得到明显改善；当腔真空度为10kPa时，压铸件的气孔尺寸和气孔数量大幅度降低，其气孔面积较普通压铸件降低70%以上，偏析程度明显减缓。这说明型腔真空度能够改善压铸件的气孔或缩松缺陷，并且真空度越高，压铸件的气孔数量就越少，尺寸就越小。同时真空压铸件的组织较为致密，结合试验的成品，分析认为真空压铸能够减少金属液的充型阻力，真空度越高，阻力越小，铸件成分偏析程度减少，组织更加致密。

（a）普通压铸件(b)真空度50KPa压铸件(c)真空度10kPa压铸件

图5压铸件微观组织

为了便于对比不同真空度下压铸件的力学性能，分别取相同位置的散热片进行测试，得到的力学性能见表3。可以看出，随着型腔真空度增大，压铸件的抗拉强度和伸长率也得到相应的提高。

4结论

（1）通过设计主、副排气管道的真空抽气系统，配合PLC进行控制，能够实现高真空压铸成形。通过试验验证，该真空抽气系统能够获得外观完整、组织致密、力学性能优于普通压铸的镁合金真空压铸件。

（2）通过仿真软件，模拟不同真空度下，镁合金散热器的卷气量大小，并通过试验得知，型腔真空度能够改变金属液的充型能力，真空度越高，金属液的充型能力也相应得到提高，同时铸件成分偏析程度减少，组织更为致密。从力学性能分析可知，真空度为10kPa的真空压铸件，其抗拉强度较真空度为50kPa的压铸件提高了9.2%，较普通压铸件提高了17.1%，伸长率较真空度为50kPa的压铸件提高了13.9%，较普通压铸件提高了40%。

引用格式：陈思涛.真空度对镁合金散热器压铸件性能的影响[J].特种铸造及有色合金,,42(1):-.

文源：特种铸造

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