真空铸造与应用.doc

南港高工高瞻計畫二：新興科技融入高職精密鑄造專題製作課程研發計畫 真空鑄造與應用真空鑄造與應用西元前六世紀中國在冶金時採用了“風箱鼓風法”，這是利用真空的最早記載，20世紀初期由於電子零件、原子能、航太技術對真空環境的迫切需求，真空技術才被大量使用；利用真空這個物理條件來完成大氣壓力之下無法實現的各種技術不斷的創新，鑄造業也相繼發展出各種以真空技術提高鑄件的品質與生產效率的工作方法。真空鑄造法狹義而言，是指在大氣下熔化金屬，並於真空下將金屬液鑄入模穴的鑄造方法；廣義而言，泛指熔化、澆鑄過程中應用真空技術作業者，其中包括真空熔化、真空造模及真空澆鑄。一、真空 真空科學裏所定義的真空，不是指什麽物質都不存在的“絕對真空”狀態，而是“低於一個標準大氣壓力的氣體狀態”，有關於真空的單位與不同真空狀態下的應用如下：1-1 真空的測量單位 工程領域中，“真空”最常用的單位是“毫米水銀柱”，但是爲了方便起見，改用“托”當作單位名稱，以紀念托里切利(Torricelli)這位著名的科學家。1托的壓力等於1毫米水銀柱的高度所産生的壓力。因爲純水銀在0時的比重爲13.5951克/釐米3，所以在一平方釐米的表面上，1毫米水銀柱所施加的力，就等於1.35951公克。 幾種常用的壓力單位與單位間的換算，如表一所示：表一 幾種常用壓力單位的換算關係帕 （Pa）托 （Torr）微巴 （ba）物理大氣壓（ATM）工程氣壓（Kg/cm2）1帕=1牛頓/米217.500610-3109.86910-61.019710-51托=1/760國際標準大氣壓1.333210211.33321031.315810-31.359510-31微巴=1達因/釐米210-17.500610-419.869210-71.019710-61物理大氣壓=1013250達因/釐米21.01331057601.013310611.03321工程大氣壓=1公斤/釐米29.8067104735.569.80671059.678410-111-2 不同真空狀態下的真空工程技術 不同的工程所要求的真空狀態不一樣，鑄造領域較常使用的真空範圍多在中低真空與高真空狀態，表二為不同真空狀態下各種真空工程的應用概況：表二 不同真空狀態下各種真空工程的應用概況真空狀態應用原理應用概況低真空105102（Pa）利用真空與大氣的壓力差産生的力學應用真空吸引和輸送、真空吸盤起重、真空醫療器材、真空成型，複製浮雕。中低真空10210-1（Pa）利用氣體分子密度降低可達成無氧化加熱，以及液體沸點降低現象。黑色金屬的真空熔煉、脫氣、澆鑄和熱處理、真空絕緣和真空隔熱、真空蒸餾、真空冷凍、真空乾燥、真空包裝。高真空10-110-5（Pa）利用氣體分子密度小，任何物質與殘餘氣體分子的化學作用微弱的特點。稀有金屬、超純金屬和合金、半導體材料的真空熔煉和精製、區域熔煉、純金屬、半導體材料的真空精煉、放射性同位素蒸發、難熔金屬的真空燒結、真空鍍膜、電子束除氣、焊接與加工。超高真空10-5（Pa）利用氣體分子密度極低與表現碰撞極少，表面形成單一分子層時間很長的原理，達成表現物理與表現化學的研究。可控熱核聚變的研究、時間基準氫分子鏡的製作、宇宙空間環境的模擬、大型同步質子加速器的運轉。二、真空冶金真空冶金是在20世紀30年代末至40年代初隨著真空設備製造業的發展而發展起來的。第二次世界大戰期間及戰後，爲了適應軍事工業及尖端技術對高性能金屬材料及新型金屬材料的需要，真空冶金在工業先進的國家得到迅速發展。近年來冶金方法不斷進步，真空冶金成為必須的基本方法，其主要領域應包含真空熔煉、真空脫氣及爐外精煉、真空熱處理、真空焊接、真空燒結、真空蒸餾濃縮和結晶。真空冶金具有以下優點：1、 真空環境中，可防止爐氣與有害氣體的污染。2、 真空環境中，物質與殘餘氣體分子間的化學作用十分微弱，因此非常適宜對黑色金屬、稀有金屬、活潑金屬、超純金屬及其合金、半導體材料的熔煉和精製。3、 真空環境中，可降低單一氣體分子的分壓，達到鋼液脫氣精煉、真空碳脫氧的目的。4、 真空環境中，在較低的溫度下，具有進行某些反應的能力，例如在同樣溫度下，有些反應在大氣中難以進行，但是在低壓下就十分容易。5、 真空環境中，可以熔化高熔點金屬合金。三、真空鑄造3-1真空造模真空造模是一種物理造模法，它將真空技術與砂模鑄造結合，靠塑膠薄膜將砂模的模穴面和背面密封起來，借助真空泵抽氣產生負壓，造成砂模內、外壓差使模砂緊固成型，經安放砂心、合模、澆鑄，等待鑄件凝固後，解除負壓或停止抽氣，模砂便隨之潰散而獲得鑄件。根據目前所應用的領域主要可分為真空密封造模(V法)和實型真空鑄造(FV法)。其優點為：(1)適度的真空度，模穴緊實度高，鑄件品質也高。(2)真空鑄造配合電腦的模流分析模擬，可以預測鑄造缺陷的產生，對於造模方案的設計，能大幅節省時間，提高生產效率。3-2真空澆鑄真空澆鑄大致可區分為真空吸鑄、真空低壓鑄造、真空差壓鑄造三種：1、真空吸鑄圖一 真空吸鑄示意圖 如圖一，將鑄模置於密閉的容器內，抽出鑄模內空氣，使鑄模內造成一定的負壓，導致金屬液吸入模穴。當鑄件的內澆道凝固後，去除負壓，令豎澆道內未凝固的金屬液流回熔池中。其優點是提高了合金液的充型能力，吸鑄鑄件的最小壁厚可達O2mm，同時鑄件面積300mm2，同時減少氣孔、夾渣等缺陷。適用於生產薄而精細的小型精密鑄件，鑄鋼(含不銹鋼)件尤宜。其優點為：(1)真空吸鑄有利於鑄模中氣體的排除，抑制亂流及捲氣的產生，克服了低壓鑄造和差壓鑄造的弊端，使金屬液的充型能力明顯提高。(2)由於真空吸鑄時，充型能力的提高，金屬液的澆鑄溫度可以比重力澆鑄時低2030。(3)可澆鑄壁厚相差大、薄壁、品質要求高的鑄件。(4)透過選擇合適的真空度變化率，控制金屬液進入模穴的速度，就可以獲得平穩的充填效果。2、真空低壓鑄造 如圖二，真空低壓鑄造法是在加壓充型的過程中對鑄模抽真空，充型完後保壓使鑄件在恒定壓力下結晶凝固，鑄件得到充分補縮，因而鑄件組織緻密，力學性能提高。此法多用於Al，Mg合金鑄件的精密鑄造。其優點如下：(1)真空負壓的存在，可以使模砂得到緊實，增大鑄模的強度。(2)適度提高真空度，使充型時間變短，不但充型速度加快而且平穩。圖二 真空低壓鑄造示意圖(3)真空低壓鑄造可以在低溫時加快鋁合金的流動性，避免高溫澆鑄造成的鋁合金吸氣現象，而增大了鑄件的針孔缺陷。(4)鑄件成形性好，有利於形成輪廓清晰、表面光潔的鑄件及大型的薄壁鑄件。(5)鑄件組織緻密，機械性能高。(6)一般情況下不需要冒口，使金屬液的成品率大大提高，通常可達90。(7)工作環境好、設備簡單，有助於機械化和自動化。3、真空差壓鑄造 真空差壓鑄造，主要是是將電阻保溫爐和鑄模全部進行密封，在密封罩內通入壓力較大如500kPa的壓縮空氣，這時由於鑄模與坩鍋內部的壓力相等，金屬液不會上升，然後在金屬液面上補充50kPa壓力，金屬液就會上升充填模穴。尤適於生產複雜薄壁鑄件，但設備較龐大，操作麻煩，只有特殊要求時才應用。其優點如下：(1)與傳統的重力鑄造和真空吸鑄相比，真空差壓鑄造在1mm厚的薄片試樣上體現了很好的充型能力。(2)鑄件有較緻密的結晶組織與機械性能，在鑄件強度性能上，比真空吸鑄和重力鑄造約提高2025，延伸率則提高約50。(3)真空壓鑄能有效減少壓鑄件的氣孔，提高鑄件的密度1以上。四. 主要的真空熔煉法及其應用 金屬材料的熔煉包括熔解與精煉，要得到高性能的材料，例如高純度、高強度、高硬度、高耐蝕、低比重等物理性質的材料，都有賴於熔煉技術的突破。簡單說，熔煉技術愈進步便可以製作出性能愈優異的產品；近年對資訊、生物醫學、航太工程、生活用品、運動器材等產品要求愈來愈高，因此各種真空熔煉技術不斷創新，以下介紹幾種常用的熔煉方法，這些方法可能單獨一種使用，或者一種方法在個工作程序重複使用數次，也可能結合兩種方法一起使用，以達到熔煉金屬的材質要求。 4-1真空自耗電極電弧熔煉(VAR) 如圖三，真空自耗電極電弧爐，是將所需的金屬材料用其他冶煉方法做成棒狀的自耗電極，通常是當作負極，正極則是水冷的銅結晶器。自耗電極會被兩極之間形成2040伏特的低電壓大電流電弧熔化，並在結晶器內凝固成錠。自耗金屬電極桿通過密封裝置伸入爐內，隨著電極的消耗不斷餵入，直到消耗完畢為止。 鈦金屬使用範圍廣泛，如航太與軍事用途、人工關節、化工、靶材、自行車、高爾夫球頭、汽車零組件、眼鏡架、手錶與3C產品外殼、鍍膜等高科技產品等，因此被譽為21世紀金屬，熔點高達16700C，其熔煉方法便以VAR法為主，其次是電子束冷床爐(EB)熔煉。4-2真空懸浮熔煉(vacuum floating melting)真空懸浮熔煉是80年代出現的新技術，主要用來熔煉高熔點、高純度和極活潑材料，在冶金和高尖端材料製造等許多重要領域被廣泛應用。如圖四，真空懸浮熔煉的工作原理是在坩鍋外側通過高頻與中頻交叉磁場，高頻用來形成與重力相抵消的電磁力，將爐料懸浮於空中不與坩鍋內壁接觸，中頻則用來加熱爐料。 由於熔體和坩鍋內壁沒有接觸，因此靠輻射散熱速度較慢，所以能熔煉高熔點金屬或其合金。爐料的懸浮有效的防止坩鍋壁所帶來的污染，可以熔煉高純度或極活潑的金屬。同時感應加熱本身就是一種非接觸的加熱方式，避免了用等離子束、電子束等加熱方法給坩鍋和金屬溶液的衝擊和揮發。(右圖引用自 MADYLAM laboratories, Grenoble, France) 圖四 真空懸浮熔煉爐4-3. 真空區域熔煉(vacuum zone melting)此法是由W.G.范在1952年提出的最初應用於高純度鍺的生產。區域熔融過程是將樣品做成長度0.63米或更長的細棒。一個能夠加熱的窄環套在它的周圍。使一小段固體熔融成液態熔融區液相溫度僅比固體材料的熔點高幾度稍加冷卻就會析出固相。熔融區沿軸向緩慢移動(13米/時)。區域的前邊形成液體而固體則在後面沉澱出來。雜質的存在一般會降低純物質的熔點所以熔融區內含有雜質的部分較難凝固而純度較高的部分較易凝固因而析出固相的純度高於液相。隨著熔融區向前移動雜質也隨著移動最後集中於棒的一端予以切除。經過多次重複操作可以達到高度純化也可以同時使用幾個環這個過程又稱做區域精製。應用區域熔融法精製金屬半導體化合物以及感光藥品如鹵化銀等可以得到高度純化的產品。 4-4真空電子束熔煉(EBR) 圖五 真空電子束爐示意圖 如圖五，真空電子束爐工作原理是在高真空下，用一個或數個電子槍發射出電子束，轟擊被熔物料（作爲陽極），使之熔化，並滴入一個水冷銅結晶器，凝固成錠。爲了保持結晶器內熔體液面位置穩定並增大錠重和提高爐子作業率,通常將結晶器作成無底的,用適當的機械裝置在重熔過程中將錠子以合適的速率連續地向下抽出。電子束的方向和形狀可以按需要調節，因此可以對結晶器內熔池表面作必要地、均勻地加熱，也可以爲此設專門的電子槍，以便給金屬的精煉和非金屬夾雜物的浮出提供良好條件，能達到比其他真空熔煉方法更高的純淨度。電子束熔煉適於熔化鎢、鉬、鈮、鉭、鉿、鈹、鈦等金屬及其合金，高級合金鋼，高溫合金和超純金屬。它可以處理各種形態的原料：錠狀、棒狀、粉狀、粒狀、片狀或海綿狀（海綿鈦）。目前工業上應用的電子束爐功率已達1200千瓦。 4-5真空感應凝殼熔煉(vacuum skull melting) 如圖六，凝殼熔煉爐使用的坩鍋，是由沿著垂直方向分割成數條的水冷銅條製成，而非耐火材料坩鍋，銅條之間的細縫由陶瓷絕緣。銅條因為強烈水冷卻作用，因此金屬熔液與坩鍋接觸面會形成凝固殼層(凝殼)，此時相當於用所熔金屬製成的坩鍋內部，即坩鍋內部與所熔金屬熔體成分相同，可避免坩鍋對金屬熔液的污染。其特點為電磁攪拌、熔煉速度快、金屬鑄錠所含氣體量極低。圖六 凝殼熔煉爐六、專題製作的規劃與製作 經過以上的基礎專業知識的學習後，在綜合專題製作的題目規劃與製作有新方針。本高瞻計畫的專題製作的設計為精密鑄造融入專題製作，並且將本課程的真空鑄造與應用如何融入此課程題目，請你想一想後再深入設計與規劃，有任何問題均可提出與本科教師討論。例如：如何利用本科真空鑄造機器，將另一課程之3D掃描、數位模型製作課程，並將此課程融入精密鑄造融入專題製作。 本課程相關實習與製作課程，將於鑄造科二年級之特殊鑄造實習專業實習課程中教授相關真空鑄造機器等相關操作與實做，來完成此同學自己所規劃與設計的3D數位造型融入精密鑄造融入專題製作。參考資料：1. 真空鑄造技術的研究現狀，王新 等， /ShowArticle.aspx?page=1&id=12562. http:/srifzh