文：瑞士方达瑞 (Fondarex SA) 驻亚洲技术销售经理 秦耘 (Qin Yun)
瑞士方达瑞真空应用技术经理 阎爱米尼哥 (Jan Emmenegger)
一、前言
压铸作为有色金属铸造业的一种革命，大大的提高了铸件生产的生产率，成型率，降低了生产成本，也为铸件在各行各业的应用奠定广泛的基础。现在，即使那些对压铸一无所知的人们也无时无刻不在日常生活中得益于压铸技术的应用。
然而，压铸工艺从它的诞生起就带有严重的先天不足---型腔内的气体影响。与传统的砂型或金属固定模重力铸造相比，压铸在浇口的高速喷射比重力自然流入的高温液态金属有着更好的充型效果，但也正是由于高温高压高速的金属喷射，使金属与型腔内的空气和热金属与型腔内残留润滑剂所产生的烟气有更大可能的结合。因此，传统压铸件的金属结构远远不如砂型或固定金属模的铸造件是一个不争的事实。
为改善压铸的这种致命缺陷，业内人士早在大半个世纪前开始就对其工艺进行了不断的改进，诸如在模具上开排气槽，尽量采用小压室的压射，低速压射，以及现代压铸机采用的多段多速压射技术。但真正堪称革命性的改革是1956年瑞士方达瑞第一次将真空技术引用到压铸生产工艺中。成立于1942年的瑞士方达瑞起先也是一个压铸工厂，随着成功的将真空应用到压铸工艺中，方达瑞逐渐将研究和发展方向完全转移到压铸真空应用当中来，历经60余年的不断发展和完善，使方达瑞的真空技术和应用日臻完善。作为这个行业的先驱和领航者，方达瑞始终走在压铸真空技术和应用的最前端。
二、为什么要在压铸工艺中使用真空技术
在压铸时存在于行腔中的气体由空气和压射时产生的烟气组成。我们来看看无排气传统压铸和采用方达瑞真空系统的型腔内气体压力图。
在传统压铸中，由於在注流口处的喷射效应，50%到90%的金属熔液将与型腔内的空气和烟气充分接触，气压在最后充型点将达到3000毫巴以上至4000毫巴；在真空压铸中，最后的气压只有几百至100毫巴以下，只有极少的空气和烟气与金属接触。滞留在型腔内的空气和烟气越多，就越难形成无缺陷的金属结构铸件。所以排气就成为决定压铸件质量的重要因素。这就不难理解真空排气对压铸工艺的重要之处了。
有些人认为真空作为一种有效的排气手段是可以由其它方式替代的，诸如多段压射，模具上开排气槽或采用冷却块集中排气等等。果真如此吗？很多压铸机厂商的许诺---他们的压铸机本身就可以根本解决排气问题，比如多段多速可调节压射系统应用。不可否认的是，多段多速压射将解决一些在压室内由于金属流动所产生的裹气问题，剩下的即是寄希望于理想的金属流动将气体由内向外全部排除出型腔。但事实上，压射的喷射效应不可能在瞬间转化成理想的金属流动，无法保证金属流动于气体之后，推动气体排除型腔。气体与金属的充分结合也无可避免，型腔内的气压上升也是事实。用新压铸机解决不了排气问题，最后联手与方达瑞合作采用真空排气的情况，在欧洲和亚洲客户中屡见不鲜。印度市场的进入就是方达瑞与布勒（Buhler）合作，通过帮助Sundaram Clayton解决Volvo的汽车备件气孔率问题而实现的。
传统的积渣包和排气槽设计---被动排气的过程就是金属与气体紧密接触的过程，随着排气的进行，型腔内的气体压力会逐渐增高，更加大了气孔的形成的可能。部分气体能从气槽中排出，说明型腔内的气压大于大气压力，而最后充型点的压力将是最终型腔气压的极限点。另外众所周知的问题是，被动排气还极可能会造成金属飞料，降低压射效率，污染环境并带来安全隐患。
无真空被动排气冷却块---由于最顶端的间隙通常设计成0.2毫米，以增大金属冷凝的机会，尽管底部被设计为0.8毫米或更大，这个最窄处截面也就成为排气的“瓶颈口”，所以该形式排气能力远远小于预想中的情况。另外波浪板型的设计中，忽略金属和气体流动特性的组合优化，也会给排气和金属冷凝带来困难，金属充不满或飞料就难以避免。更有由此带来的投影面积增大的问题。
在这里要说明的是，被动排气的种种形式确实能多多少少排出部分型腔气体，但并未从根本上解决排气问题，因为此时的型腔气压会是大于大气压的“正压”，与真空压铸的小于大气压的“负压”相比，效果是差别很大的。
三、何时需要采用真空排气
采不采用真空排气，完全取决于对铸件质量要求的程度。对于那些低端产品而言，由于利润低薄，质量要求不高，真空排气带来的益处并不彰显；而对于其它高端产品而言，1%的成品率的提高就可能带来丰厚的回报，就能在极短时间内收回真空系统的投资，创造更大的效益。以德国宝马6缸发动机缸体为例，1%成品率的增加意味着每天多15万人民币的收益，所以其压铸生产100%采用真空工艺。
在下列情况下，厂商应考虑采取真空技术以提高压铸质量：
★型腔充注不完全
★在下道工序出现空气和气体气孔率
★气孔率造成抗拉强度减弱
★铸件内部组织松弛，气密性差
★焊接性差或无法焊接
★在喷塑或电镀或涂粉等工艺後铸件表面出现气泡
充型不好是因为残留在型腔内的气体占据了充型空间，产生表面缺陷；当在下道工序，如加工或打磨时暴露出表层下的气孔时，将造成二次废品率；气孔还会造成金属结构不密实，铸件强度达不到要求；由气孔率产生的气密性问题将会带来内部气体或液体的泄漏；焊接处如果有气孔将使焊接失效；铸件表层的气孔还将使喷塑或电镀或涂粉脱层。
四、真空系统的选择
众所周知的真空系统是由真空机和排气元件组成。压铸真空发展时至今日，所谓的真空系统林林总总，技术诀窍各具所长，投资成本也相差很大，但压铸商真正所关心的哪种技术更适合于自己的压铸工艺，哪种系统能产生更大的效益，一句话性价比高的才是最终的选择。
从真空机来讲，大致分为三类：
1、由继电器和手动开关控制真空机，多为国产真空泵。价格低廉，操作简单，可由计时器关闭真空，但不具备工艺参数控制要求，用于低端质量要求产品排气，与冷却块匹配，无兼容性。
2、由PLC控制，国产真空泵或进口真空泵。可与单芯阀或冷却块匹配，由于排气元件的限制，无法测量真实的型腔真空度，由计时器或行程开关信号关闭真空，无法控制纯机械真空阀。
3、由PLC加触摸屏控制，参数控制，故障显示，即时型腔真空度曲线和真空值显示，工艺菜单存储，多语言界面；可兼容机械阀，时间/路径控制的单芯阀以及冷却块。进口真空泵及所有控制元件。
从真空排气元件分，为对应的以下三类：
1、冷却块
2、由时间或路径控制关闭的单芯真空阀
3、由金属流动能机械关闭真空的双芯真空阀
从真空技术角度看以上分类的对应组合：
1、真空冷却块排气：所谓的“形式真空”排气，用于低质量排气要求
优点:
★启动真空排除空气和烟气直至金属充满型腔
★不同数目的冷却块可以被合并入一个模具(如一模多件)
★造价相对低廉
★维护简单容易
★可与最简单的真空机匹配
缺点:
★ 真空停止由冷却块中金属凝固来实现
★ 真空排气能力非常低
★所占用的投影面积相对过大
★有飞料的危险
★无法精确的控制排气量
★金属容易粘结在表面
★重复使用精确度无法保证
★通道污染度高(与采用的脱模剂有关联)
★真空应用需要诀窍
2、由液压或气动驱动的，依靠路径/时间提前关阀的真空排气：所谓的“半过程真空”排气，用于一般质量排气要求
优点:
★排气能力高
★节省重熔成本
★投影面积占用相对较小
★集渣包较小
缺点:
★只可达到很小的真空度，因为真空在充型过程前很早时就已结束，模外的空气由于压差将渗入型腔，同时高温金属流将与不洁表面接触而产生千倍以上的烟气，因此不是所有的空气和烟气被排除
★一旦压射外形改变，用于关闭真空阀的计时器或极限开关必须加以调整
★一次性投资成本较高
★需要维护
★需要备件
★需要与之匹配的真空机
3、由机械阀靠金属动能关阀的真空排气：所谓的“全过程真空”排气，用于高质量真空排气要求
优点:
★真空阀将一直开启至压铸过程结束，低真空度将得以获得
★排气能力高
★节省重熔成本
★投影面积占用相对较小
★可省却集渣包
★真空阀将由合金动能关闭，压射外形的改变对真空阀的功能无影响
★真空压铸工艺过程得以精确控制
★极高的重复使用率
★最可能达到理想的金属结构
缺点:
★一次性投资成本较高
★需要相配的真空机实现其诸多功能
★需要应用“诀窍”
★需要维护
★需要备件
真空技术从应用到压铸工艺的第一天起就面临一个排气元件的问题。从排气过程上看，“形式真空”排气虽然简单经济，但无法实现工艺控制，换句简单的话说，就是无法知道真空排气的真实情况；“半过程真空”虽然可以强调在慢速阶段或者说金属在压室时的真空排气，通过加大真空阀和真空管路以及真空罐来达到超能力排气，理论上在此时的真空度将达到一个非常低的数值，但随着真空在充型前的结束，姑且不论由模具间隙侵入的空气，单单热金属射入时产生的烟气就会因为真空结束而无法排除。不难了解到，一单位的残余液体将产生1000倍以上体积的烟气，“半过程真空”至此可以说是前功尽弃了，这可以从图7看出其结果；“全过程真空”是与压射同步，实现全过程排气，最大程度上满足低气孔率的唯一手段，也是方达瑞一直致力于研究和推广的排气方式。
五、影响真空排气的因素
一些应用了真空系统的压铸商经常被这样的问题困扰：为什么压铸采用了真空系统后效果不明显？不乏有人得出这样的结论：用不用真空系统差别不大！为了更好地说明和回答以上疑问，我们首先来看看压铸件的质量组成，可以说，任何一个影响质量的因素都可以一票否决最终的铸件质量，这里所说的组成是指综合条件下的情况，任何人都可以对其组成持不同意见，但并不影响用它来说明问题。从图8可以看出，模具和压铸机将是影响铸件质量的最关键因素。
模具：包括型腔，浇口和流道以及排气口的设计布置和加工精度；还有起模顶针和滑芯的设计布置和加工精度。对于重复使用率要求极高的模具来说，其质量的好坏直接影响了铸件的质量，即模具质量差就根本谈不上什么产品的高质量了。有人说模具不好，真空起的作用有限，这是值得赞成的观点；但对于另一些人说真空对模具要求很高，就不能这么看了。应该说明的是，要想生产高质量的产品，模具必须要高质量，至于采用真空只是在此基础上解决排气的问题。就是说提高模具的质量并不仅仅是因为排气，而是为了提高整体的铸件质量。这一点应该没有疑问！模具的平整密合是最基本要求，从现象上看，不飞料就可以满足真空排气的应用。还有人问：是否在模具间加密封？答案是不必，因为我们要做的是尽可能排除型腔内的气体，但不是要求一定得将型腔内的气压降至绝对真空零毫巴，这既不经济也很不现实，况且密封的采用效果并不理想。再有，存在于型腔中的烟气在大多数的时候会被低估，并在排气设计中没有被计算到。最后，模具的经常性的维护不仅对模具寿命有益，也对产品质量的连续性和真空排气有利。
压铸机：同样的，好产品不大可能出自于状况很差压铸机。即使最好的周边设备的使用也并不能解决压铸机自身不良的状况。所以压铸机的选择也是出于对铸件质量考虑，而不是真空应用的额外要求。模板平行，锁模力适宜，压室和冲头的间隙不飞料，对于真空的应用已足够。还有就是冲头的速度过快的工艺过程，对真空排气是个挑战，可能使得排气能力来不及充分发挥。
其次，真空系统的选择也会影响到其最终效果。选择“形式真空”（黑线）还是“半真空”（棕线），还是“全真空”（蓝线）将会直接影响到其压铸工艺结果。见图9，“形式真空”的最理想的排气情况约为“全真空”的50%，而“半真空”就很难说了，多数情况下比“形式真空”还不理想。这里还包括真空机和排气元件的合理选择。
为真空罐的容积远远大于型腔容积，排气时压力上升很小，测得的值与真实的型腔真空度相差甚远。另外一点影响排气效率但又不为人们所重视的是模具的清洁与干爽程度，因为残留的液体越多，产生的烟气也越多，排气量也相应增加，在给定的暂短时间内，一定会影响排气效率。
六、方达瑞真空产品特点
1、Vacupac真空机：
★分为移动式和中央式
★与所有排气元件兼容，包括机械阀，时间/路径控制阀和冷却块
★彩色多语言触摸屏操作面板
★可储存多达50套工艺菜单
★最新10次压射真空度和污染度结果保存
★即时型腔真空度曲线显示
★真空度调节(单通道除外)
★选用5台及以上真空装置，中央式真空系统更为经济
2、Supervac真空阀
★依靠金属动能在1毫秒内机械关阀
★可检测铸模的真空度
★可用于冷室和热室的高压压铸机
★易于安装和维护
★中型以上采用活动衬套结构
★适用于铝，镁和锌合金压铸
★可完全省去积渣包设计
★真空应用将得到方达瑞的免费帮助，实例如图10所示
3、SCS和SCC冷却块
★由于间隙大和特殊表面外形设计，比传统的冷却块排气能力强
★特殊入口设计减少磨损延长寿命
★极高的性价比
★可选择与机械真空阀通用安装尺寸
★无需冷却水
★更易于维护
七、结论
采用真空排气，主要原因是为了在高压压铸件中获得一个更好的或者尽可能最佳的金属结构。对于这种最有效的排气方式而言，除了决定采用不采用以外，还要考虑采用那种和怎样应用。通过选择正确的真空系统，引用科学的应用诀窍，满足高质量压铸生产的基本要求，才能使其得到有效的发挥，才会生产出更好质量的压铸件。方达瑞的冷却块系统在近几年得到了很大的改进，在压铸行业得到了广泛的应用。 对于高质量和最佳工艺可控制要求而言，采用适合的真空机和机械阀仍然是首选之举。
