1.1.1 真空吸鑄分類與應用范圍
真空吸鑄是一種在型腔內造成真空，把金屬由下而上地吸入型腔，進行凝固成形的鑄造方法。
根據(jù)鑄件形狀特點，有兩種真空吸鑄法：
(1)柱狀鑄件真空吸鑄專用于生產(chǎn)圓柱、方柱狀中空和實心件的真空吸鑄法。生產(chǎn)的鑄件可用來加工成螺母、螺桿、軸套、軸瓦等，大多為銅合金鑄件，也可生產(chǎn)鋁合金件、鑄鐵件、鑄鋼件。鑄件最大外徑可達120mm。其工作原理見圖1。結晶器(即水冷金屬型)1的內壁周圍用水冷卻，結晶器下口埋入金屬液2中，其上口接真空系統(tǒng)，金屬液在大氣作用下升入結晶器內腔達一定高度，結晶器內金屬液由外向中心凝固，待凝固達到所要求的厚度時，將結晶器上口接通大氣，結晶器中心未凝固的金屬液下落回流至坩鍋中，得中空柱狀鑄件。
(2)成形鑄件真空吸鑄用于生產(chǎn)各種形狀鑄件的真空吸鑄法，其工作原理見圖216。將鑄型置于真空室1中，型腔頂部有通氣孔，型中澆注系統(tǒng)連接下面的升液管8，升液管下端浸入金屬液9中。打開電磁閥3，真空室與真空罐5接通，在型腔內建立一定的真空度，坩鍋中的金屬液在大氣作用下上升進入型內，凝固成形。節(jié)流閥4用來控制型腔內負壓的建立速度，以調節(jié)金屬液充填型腔的速度。由時間繼電器控制真空室內負壓的保持時間，當型內內澆道凝固后，即可將真空室接通大氣，升液管內金屬液回流至坩鍋中。也可在金屬液充型時采用真空吸鑄法，充完型后，增大金屬液面上的壓力，實現(xiàn)低壓作用下的鑄件凝固，進一步改善鑄件凝固時的補縮條件。用此法可高效地生產(chǎn)鋁合金、鎂合金薄壁鑄件。
1.1.2 真空吸鑄的優(yōu)缺點
1)鑄型自金屬液中吸取金屬，故浮在金屬液表面的渣子，不易進入型內。
2)金屬液自下而上地平穩(wěn)進入空氣稀薄真空條件下的型腔，不能產(chǎn)生卷氣現(xiàn)象，氧化可能性也較小，又在真空條件下實現(xiàn)金屬液的凝固。凝固過程中析出的氣體也易上浮外逸，故鑄件中不易形成氣孔。
3)型內金屬與型壁接觸較緊密，金屬凝固較快。柱狀鑄件真空吸鑄時，更采用水冷薄壁金屬型，鑄件的凝固速度更大，故鑄件晶粒細小，不易產(chǎn)生重度偏析。
4)可創(chuàng)較好的自下而上，自型壁向壁厚中心的定向凝固條件，鑄件不易形成縮松。
上述四點都可使鑄件獲得致密的組織，使鑄件力學性能提高。如柱狀銅合金鑄件，與砂型鑄造時比較，其強度極限可提高6%～25%，伸長率提高5%～20%;而鋁合金鑄件，與金屬型鑄造時比較，其強度級限可增大5%～10%，伸長率增大30%。
5)充型時，金屬液在型腔內遇到的氣體阻力很小，可提高金屬液的充填性，生產(chǎn)形狀復雜的薄壁鑄件，如鋁合金、鎂合金件的最小壁厚可為1.5mm。
6)澆注系統(tǒng)或結晶器中粘附的金屬液損失較少，故可提高工藝出品率。
7)生產(chǎn)過程易于機械化、自動化，生產(chǎn)效率高。
8)柱狀鑄件中空內壁不平度較大，內孔尺寸不易正確控制，故需留較大加工余量。
1.2 真空吸鑄工藝
1.2.1 鑄型型腔真空度1)柱狀鑄件真空吸鑄時的型腔真空度 按所需提升金屬液的高度(即鑄件長度)L(mm)計算
2)成形鑄件真空吸鑄時型腔內直空度 根據(jù)金屬液保溫爐(或坩鍋中)允許的最低金屬液面高度與鑄型頂部高度間的差值h(mm)計算
型腔內真空度的建立速度由真空管路中的節(jié)流閥開啟程度和鑄型頂部的通氣道形狀、尺寸決定。實際生產(chǎn)中主要根據(jù)試澆鑄件品質(質量)，用節(jié)流閥調節(jié)真空度建立速度。通氣道的形狀和尺寸應在合理的真空度建立速度情況下，保證型內氣體能順利逸出，但金屬液如進入通氣道后應很快凝固不能溢出型外。如采用金屬型時的通氣隙厚度應小于0.15mm。
1.2.2 柱狀鑄件真空吸鑄時結晶器口浸入金屬液的深度
結晶器下口浸入金屬液的深度應保證在吸鑄完后，結晶器下口邊緣還能處于金屬液表面的深度不小于10mm，防止真空吸鑄時金屬液表面的大氣隨金屬一起吸入型腔，同時還可減少在結晶器下口旁粘附的金屬數(shù)量。當真空吸鑄圓柱形鑄件時，結晶器下口浸入金屬液深度H(mm)的計算式為
r、R——型腔、坩堝熔池的內半徑(mm)，設金屬保溫坩堝的內腔為圓筒形。
1.2.3 真空保持時間
柱狀鑄件真空吸鑄時，應在鑄件的凝固層厚度達到所要求的數(shù)值前，保持型腔內的真空度值;成形鑄件真空吸鑄時，當鑄型底部內澆口斷面全部凝固后，即可撤去真空。真空保持時間可采用由傳熱學中的平方根原理推導而得的公式進行近似計算
式中 R——鑄件凝固層厚度或鑄型內澆道斷面換算厚度(mm);
K——凝固系數(shù)(mm/s1/2)，其值與鑄型材料、結構、吸鑄合金及其溫度、鑄型工作狀態(tài)等有關，一般柱狀銅合金件真空吸鑄時，K=2～3mm/s1/2，在鋁合金成形鑄件金屬型吸鑄時，K=3～5mm/s1/2。
最后由生產(chǎn)實踐對τ值修正。
1.2.4 吸鑄溫度
柱狀鑄件真空吸鑄時，金屬液的溫度可比一般重力鑄造時稍低。因型腔斷面大，金屬液充型時流動距離短。但溫度不能太低，避免結晶器頭部粘附金屬太厚。表306為一些銅合金柱狀鑄件的吸鑄溫度。
表306 一些銅合金柱狀鑄件的吸鑄溫度
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合金牌號 |
吸鑄溫度（℃） |
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ZCuZn13Si4Pb3 |
950～1000 |
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ZCuSn10Zn2 |
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ZcuSn6Zn6Pb3 | |
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ZcuZn48 | |
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ZcuSn5Pb5Zn5 |
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ZcuZn40Pb2 | |
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ZcuAl9Fe4 |
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ZcuAl10Fe3Mn2 | |
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ZcuSn10Pb1 |
1100～1150 |
成形鑄件的吸鑄溫度隨鑄型材質而異，其具體取值與重力鑄造相同。
1.2.5 鑄型涂料
柱狀鑄件真空吸鑄時，結晶器型腔工作表面上的涂料主要起潤滑工作，使鑄件易自結晶器中取出。一般采用在400～450℃烘烤約1h后的石墨或滑石粉，用涂刷法使涂料附著于結晶器型腔工作表面上。結晶器頭部處的涂料應有好的絕熱作用，以減薄該處在工作時可能粘附的金屬，可用ZnO93%+水玻璃7%和適量水配制的涂料涂于結晶器的頭部外表面上，涂料層的厚度約為0.5mm，并經(jīng)烘烤干透牢固后使用。結晶器內工作表面上出現(xiàn)的淺凹坑可用石墨加機油共混的膏狀物涂抹平，經(jīng)烘干后使用。
成形鑄件真空吸鑄時，鑄型型腔工作表面上的涂料隨鑄型材料及吸鑄的金屬而異，一般與重力鑄造時同。
1.2.6 柱狀鑄件真空吸鑄時結晶器的冷卻
進入結晶器內的冷卻水溫度應高于室溫，防止吸鑄前在結晶器型壁上凝有水滴，一般為35～60℃。進入結晶器的冷卻水應具有0.2～0.25MPa的壓頭。吸鑄空心鑄件時，冷卻水由結晶器下部進入，使在高度結晶的高度方向上鑄件凝固的厚度均衡化;而吸鑄實心鑄件時，冷卻水宜在結晶器上部引入，創(chuàng)造鑄件上部凝固較快，下部較慢的條件，使坩鍋中的金屬液能順利地由下向上補縮。
1.3 真空吸鑄機
1.3.1 柱狀鑄件真空吸鑄機
圖3為常用柱狀鑄件真空吸鑄機。機架1可繞機器主軸帶動全部機器附件旋轉，通過升降杠桿3的下壓或上抬可帶動鋼繩10沿滑輪11來回移動，達到上抬或下降結晶器4的目的。在此機上采用負壓噴嘴13在結晶器內腔建立真空。壓力為0.6MPa的壓縮空氣通過閥門2進入負壓噴嘴(見圖4)的肘管7，經(jīng)噴嘴3噴出，同時吸出抽氣管2內的空氣，抽氣管通過管接頭1與結晶器型腔接通，從而使結晶器型腔建立起真空。真空度的大小可通過機器上的真空調節(jié)閥(圖3中的17)調節(jié)，調節(jié)閥結構，見圖5。
結晶器的真空也可用真空泵建立，其抽氣率可為0.6m3/h，配置的真空罐尺寸可為φ800mm×1000mm。
自動化的柱狀鑄件真空吸鑄機，見圖220。整個機器裝在小車上，在水平支架的導軌上裝有可水平直線運動，并由氣缸7驅動的結晶器架。結晶器架上有帶動結晶器1升降的氣缸8。真空系統(tǒng)直接放在小車平板上，真空泵6由電動機驅動。吸鑄后凝固的鑄件在隨結晶器移至接受槽上時直接掉落在接受槽上。
目前市場上供應液壓電氣控制半自動式的柱狀鑄件真空吸鑄機，結晶器支架結構似圖217所示，但結晶器的升降和支架的轉動則由液壓缸完成。一臺機器2～3人操作，班產(chǎn)1～2t，φ25～100、長度為400mm的棒、套類銅合金鑄件。
1.3.2 柱狀鑄件結晶器
圖7為柱狀鑄件真空吸鑄用結晶器的結構。壁厚為4～6mm的工作套2直接與金屬液接觸，為取出鑄件方便，其內壁做成0.2°～1.0°的錐度。工作套與外套1間的通冷卻水縫隙為3～6mm。結晶器下端頭部直接與坩鍋熔池中金屬液接觸，其圓弧半徑為9～10mm，端頭部的圓錐面交角為60°。
1.3.3 成形鑄件真空吸鑄機
圖8為一種金屬型鑄件真空吸鑄機，金屬液1處于保溫爐內，爐膛與大氣相通，保溫爐用蓋2密封，蓋上置金屬型4，金屬型用罩7罩住，罩與真空罐接通，并用油缸6壓住。
圖9為真空吸鑄鋁合金件壓縮機輪的真空吸鑄機示意圖。該機的生產(chǎn)效率為每小時30個鑄件，真空度調節(jié)范圍為0.04～0.08MPa，真空室直徑為300mm，保溫爐功率18kW。
1—保溫爐;2—升液管;3—工作臺;4—氣缸;5—柱子;6—壓緊鑄型用氣缸;7—氣閥;8—壓緊真空室用氣缸;9—真空罐;10—電接觸真空計;11—真空泵;12—真空室;13—行程開關;14—操縱塊
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