镁合金真空压力铸造机技术领域：
本发明属于金属铸造设备，尤其属于生产各种大型、复杂、薄壁、尺寸精
度和致密度有严格要求的优质镁合金铸件的铸造设备。
背景技术
减轻各种机械、交通工具的结构重量是节能、环保的主要途径之一。镁是
最轻的结构金属材料，镁合金比铝合金轻37％，它的比强度、比刚度仅次于钛
合金及合金结构钢，但高于铝合金，其它如抗冲击，加工性能，可回收性能也
都比铝合金好。镁资源丰富，制取容易，冶炼耗能比铝合金省9％，熔铸耗能
比铝合金省8.5％，压铸模具寿命比铝合金长2～3倍，切削性能也优于铝合金。
镁合金易于回收，回收费用为冶炼制取费用的10％。另外，镁合金有良好的电
磁屏蔽效果，可以大大减少电磁辐射污染。在汽车、交通、电子、信息、声像
器材、计算机、手提工具、电机工业、林业、纺织、军工、核动力装置等领域，
镁合金的应用在急速扩大，尤其是在汽车零件、笔记本电脑等便携电子产品的
应用，发展趋势尤其显著。镁已成为仅次于钢铁、铝合金的第三大金属结构材
料。镁合金零件的制造目前仍然以铸造方法为主，镁合金的铸造技术和铝合金
有很大的差别。
镁合金易氧化和燃烧，充型时合金液的涡流运动容易造成氧化夹杂，氧化
膜汇流引起的浇不足等铸造缺陷；铸造镁合金的结晶温度间隔一般都比较大，
其组织中的共晶体量亦较少，体收缩和线收缩都较大，容易产生组织粗大、缩
孔、疏松缺陷，对铸件厚度十分敏感，使壁厚效应问题突出，铸件的热裂倾向
也较大；镁的密度小、热容量低(体积比热和凝固潜热分别为铝的75％和36％)，
从而压头小、易凝固、充型困难，容易产生浇不足缺陷；以上述特性造成镁合
金铸造困难，尤其是生产高质量的铸件更为困难，如果镁合金铸件是薄壁、大
型，对内部组织和内部质量、外部尺寸要求严，生产的困难很大。现在使用于
低熔点金属或合金的低压铸造和差压铸造都需要在装有合金液的封闭坩埚中通
入压缩的气体，气体的压力作用在保持一定的浇铸温度的合金液面，在较低的
充型压力下，合金液沿着与铸型相通的升液管经过流道、铸型浇口、平稳地充
满型腔后，增大压力，使型腔中的合金液在较高的压力下凝固结晶；然后坩埚
内的气体卸压，升液管中尚未凝固的液态金属在重力的作用下回落到坩埚中。
常规的低压铸造，坩埚密封施压的方法有如下缺点：金属液的添加、坩埚
的密封和开启及清理操作相当麻烦、耗时；坩埚经反复施压会发生“涨肚”现
象，该现象大大降低坩埚的使用寿命；对于象镁合金这样的易燃金属，“涨肚”
可能引发严重的漏镁安全事故，坩埚中镁合金液漏至炉子内腔，通常会引起剧
烈爆炸。为防止此类重大事故的发生，常在坩埚外侧同时施压，以使坩埚内外
压力相等，防止坩埚破裂，这样就会使压铸机变的更加复杂，压力的控制和调
节也变得十分困难；由于坩埚的容量一般较大，加压时耗气较多，使得供气设
备增大、供气成本增加；如果铸件要求更高的凝固压力，高温大容积的坩埚很
难实现，否则安全问题变得十分严重。由于镁合金容易产生夹杂，因此通常不
在同一个坩埚中同时进行精炼、保温，坩埚盖频繁地拆装使操作十分复杂。
生产优质镁合金铸件的铸造设备希望具备的条件是：(1)镁合金液在充填
型腔时铸型处于低真空，有助于克服浇不足和氧化引起的缺陷；(2)低压力差
条件使镁合金液充满铸型，有助于实现镁合金液的平稳流动，可以大大降低镁
合金液的氧化和夹杂的生成；(3)镁合金液在充满型腔后，保持正确的温度场，
从而实现由低温部分向高温部分依次顺序凝固，能有效地防止疏松和缩孔等铸
造缺陷产生，并提高铸件的致密性；(4)在较高的压力下完成铸造型腔中镁合
金液凝固，有助于提高铸件的致密度；(5)充分保证生产过程的安全。如果在
镁合金铸造过程中实现上述生产条件，就容易得到优质铸件。
随着科学技术的不断发展，对铸件的质量要求越来越高，为此在20世纪
60年代发展起来的一些铸造方法，例如西北工业大学的“真空调压铸造机”、
保加利亚的“差压铸造机”、沈阳111厂的“倾转倒置铸造机”、天水星火机床
厂的“低压铸造机”、美国和日本的“半固态铸造机”等。其中目前真空调压铸
造机和差压铸造机较能满足生产各种大型、复杂、薄壁、尺寸精度和致密度要
求高、夹杂少的优质镁合金铸件的技术要求。但上述技术也存在一些问题，例
如差压铸造由于上下压力罐容量大、压力高，在液面加压控制上存在的问题一
直没有解决，例如：压力罐压力的建立和控制困难。下压力罐随着生产过程的
进行，金属液的量越来越少，为了维持一定的压力增量，充入的气体要越来越
多。上压力罐在充型过程，反压力越来越大。由于补偿困难，压力的变化很难
实现线性变化；由于压力元件和控制元件存在惯性、滞后和铸造本身的特点，
各种参数不停地变化，有时根本无法预测和控制(例如漏气等)，后来尽管使用
了计算机参与，实际生产中仍然需要操作者各种器官参与。
鉴于镁合金的铸造性能较差、镁液易氧化、燃烧和爆炸，差压铸造机、调
压铸造机在用于镁合金铸造时遇到安全问题、操作问题和铸造零件的质量等诸
多问题有待于进一步完善，对于镁合金而言，生产复杂、薄壁、耐压、尺寸精
度要求高的铸件的生产问题更为突出，尤其是生产大型复杂、薄壁的镁合金箱
体零件。例如生产过程不安全、生产率低、合金液添加困难、凝固压力条件、
升液管堵塞等问题对于镁合金特别突出，目前还没有满意的解决方法。由此可
见，目前现有的铸造技术仍不能很好地适用于某些镁合金零件的铸造生产。
发明内容
本发明的目的是提供一种安全性好、使用方便、铸件质量高，特别适用于
镁合金铸造的真空压力铸造机。
镁合金真空压力铸造机主体设备分五部分：真空压力密封室(2)、保温炉
(7)、气压泵(5)、控制设备(10)和附属设备。合金液的充填和铸件的高压
凝固是由浸在常压镁液坩埚中的气压泵(5)配合真空实现的，真空压力密封室
(2)与保温炉(7)及镁合金液(6)是分离的，保温炉(7)和坩埚(14)在
生产过程始终处于常压且镁液处于气体保护状态下。
铸型(1)被安置在可开启的真空压力密封室(2)中，铸型底部用升液管
(3)穿过隔板(4)和下部的气压泵(5)相连。气压泵(5)浸于金属液(6)
的液面以下，气压泵(5)有常开单向阀(8)，当浸于金属液时，金属液自动进
入气压泵(5)，气压泵(5)上部有气体管道(9)与控制设备(10)相连。镁
合金液的温度由保温炉(7)保持。控制设备(10)可预先设定各种铸造参数(真
空度、压力、温度、时间等参数的程序)，另有控制安全预警装置。气源包括压
缩气体(11)和防氧化、防燃烧的气体(12)，真空泵提供必要的低真空，锁
紧及开启机构(20)是保证真空压力密封室(2)外壳可开启和通过密封环(21)
密封，真空压力密封室(2)的真空度和压力变化状态可从真空压力表(22)监
视。设备中的电力、电器和电子装置与现有技术相同。
气压泵(5)的单向阀(8)设计成常开状态，当气体没有进入时，金属液
的静压力使浮子从阀座浮起，并在限位的作用下不远离阀座，金属液便进入泵
体内腔。当开始充型时，气体以调整好的压力和流量从气体管道进入泵腔，在
流体的作用下单向阀浮子同阀座接触造成阀门闭合，此时受压的金属液沿液体
出口进入升液管，随后根据气压的变化完成金属液充型、增压和保压。保压结
束后，气压泵(5)壳体腔内气体被释放，在金属液静压力的作用下，阀浮子上
浮，阀门打开，升液管中未凝固的金属液回落到泵腔。待经一定的时间间隔后
进行下一个循环。气压泵容量设计以铸造零件决定；气压泵可以和升液管焊接
联成一体，升液管也可制成分段式，以便于不同情况分别采用。
在生产时将镁合金真空压力铸造机以龙门的方式架在镁合金液保温炉上，
由泵进行浇注铸造，在生产过程坩埚(14)中的镁合金液处于常压和气体保护状态
下，以保证生产的安全和便于观察及合金液的补充。
充型时对真空压力密封室抽真空使铸型处于预定的低真空状态，在抽真空
时，在压力差的作用下，金属液由气压泵的常开单向阀门缓慢进入并经过升液
管充填铸型，随真空度的升高，最后完全充满型腔，可以通过调节抽气速率和
型腔中的传感器的反馈信号控制金属液充填型腔的过程。待型腔接近充满或完
全充满时，浸于常压镁合金液中气压泵启动，对升液管中和铸造型腔中的液体
增压，同时启动压缩气体使真空压力密封室由负压逐渐变成正压，使型腔中的
金属液在双重高压下凝固。应保持液体气压泵的压力始终要高于铸型外部密封
室中的气体压力。当铸件凝固后，气压泵卸压，升液管中的未凝固液体下落稍
低于喉部一定的高度并为下一个循环准备。
使用该设备生产镁合金铸造零件，能达到如下效果：
第一，真空减压充型、提高金属液的流动性，容易铸造大型、复杂、薄壁
零件；流动平稳，镁液氧化程度轻；在高压下凝固，补缩效果好；金属液在充
满型腔时所建立起的温度梯度是上部低，向下依次升高，正是顺序凝固需要的
正温度梯度，凝固时的收缩在压力下得到充分补充，从而不会在铸件中形成空
洞，同时由于金属液的补缩是在较高的压力下进行的，铸件的组织致密。
第二，生产过程镁液坩埚始终处于常压，因此不会出现传统低压铸造和差
压铸造产生的各种问题，尤其是安全问题和合金液转注的麻烦。
第三，容易把坩埚炉同镁合金真空压力铸造机的整体分离，使操作大为简
化并且提高工作可靠性和生产率。
第四，生产过程工艺参数稳定，很好地克服了差压铸造由于上、下压力罐
容量大、压力高、在液面上存在压力的建立和控制困难。
本设计的镁合金真空压力铸造机，工作压力为0.08-0.7MPa，最高工作压力
大幅度提高，能实现镁合金铸件在金属型铸造时的高压下凝固，从而可获得致
密的高质量镁合金铸件。
金属液沿升液管向铸型充填、增压、保压，由于气压泵可以在高压下工作，
当金属型腔充满后继续加压，使金属型腔中的镁合金液在高压下凝固以提高补
缩效果，从而改善铸件的质量。由于高压能达到降低铸件同型腔界面的热阻，
提高凝固速度，使铸件的晶粒细化，铸件性能大幅度提高。
附图说明：
(1)铸型、(2)真空压力密封室、(3)升液管、(4)隔板、(5)气压泵、
(6)金属液、(7)保温炉、(8)单向阀、(9)气体管道、(10)控制设备和附
属设备、(11)压缩气体、(12)防燃烧气体、(13)到真空泵、(14)坩埚、(20)
锁紧和开启机构、(21)密封环、(22)真空压力表。合金液的充填和铸件的高
压凝固是由浸在常压镁液坩埚中的气压泵(5)配合真空实现的，真空压力密封
室(2)与保温炉(7)及镁合金液(6)是分离的，保温炉(7)和坩埚在生产
过程始终处于常压。
具体实施方式：
镁合金真空压力铸造机外壳采用低碳钢板焊接，按压力容器的技术规范对
其进行设计、制造、安装和调试检验，并保证低真空密封。
镁合金真空压力铸造机使用的压缩气体为干燥压缩二氧化碳气，保护气为
六氟化硫， 保温炉耐火材料采用氧化镁基耐火材料，以避免因意外镁合金液同
其它类型的耐火材料接触发生强烈的放热反应造成事故。
镁合金真空压力铸造机特别适宜制造圆筒状、大尺寸镁合金壳体铸件，一
般形状复杂，薄壁最薄为2毫米，尺寸精度和致密度要求高。镁合金真空压力铸
造机的几个主要参数：充型先按预定的速度对真空压力密封室抽真空至小于
105Pa，镁合金液平稳充填铸型，接近完全充满时，启动气压泵对浇注系统增压，
同时启动对真空压力密封室充气增压，保持气压泵和真空压力密封室的压力差
为一定的值即保压压力，保持到凝固结束。保温炉温度为740-750℃，气压泵
的最大充型压力为0.5Mpa，在10-60秒钟逐步增加，凝固压力差为0.05-0.1
Mpa。
未述部分与现行技术相同。
本发明进行多种镁合金的生产性实验，各项操作性能良好。实验结果表明，
本发明具有设计生产率较高、安全性能优良，可用于生产很复杂的镁合金零件，
很薄的壁板都能满意地充型，所生产的镁合金零件的机械性能大幅度提高，铸
件的致密性好、抗拉强度平均提高20％、延伸率提高120％。