簡(jiǎn)述壓力鑄造技術(shù)

1、簡(jiǎn)述壓力鑄造技術(shù)1.引言1.1 壓鑄技術(shù)的起源壓鑄技術(shù)最早用于泥制備青銅生活器具、錢幣等，后來發(fā)展了金屬型制備簡(jiǎn)單的武器，如青銅箭頭。金屬型的大量使用在印刷機(jī)械中出現(xiàn)制備鉛字以后，國外在1872年發(fā)明了世界上第一臺(tái)最簡(jiǎn)單的手動(dòng)小型壓鑄機(jī)，并于1920年制造出了冷室壓鑄機(jī)，1927年發(fā)明了立式冷室壓鑄機(jī)。1.2 我國壓鑄技術(shù)的發(fā)展我國的壓鑄件工業(yè)化生產(chǎn)開始于20世紀(jì)50年代，那時(shí)靠仿制原捷克斯洛伐克和前蘇聯(lián)生產(chǎn)的500KN和1000KN臥式冷室壓鑄機(jī)和進(jìn)口他們的立式壓鑄機(jī)和臥式冷室壓鑄機(jī)；發(fā)展到今天國內(nèi)現(xiàn)在的壓鑄機(jī)廠家可生產(chǎn)最大的280000KN臥式冷室壓鑄機(jī)和4000KN以下熱室壓鑄機(jī)及315

2、0KN以下立式冷室壓鑄機(jī)。1.3 近幾年國際壓鑄技術(shù)的發(fā)展 壓鑄計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)分析壓鑄過程有了大的理論突破。 壓鑄機(jī)和輔助設(shè)備方面有了很大的發(fā)展。 壓鑄產(chǎn)品檢測(cè)方面，特別是內(nèi)部缺陷的無損檢測(cè)：如X射線、熒光、超聲波探測(cè)等得到了發(fā)展。 壓鑄模具材料和壽命的發(fā)展。 快速成型設(shè)計(jì)及制造技術(shù)在壓鑄生產(chǎn)中得到應(yīng)用。 壓鑄材料的發(fā)展，如鎂合金及金屬基復(fù)合材料。 壓鑄新技術(shù)的開發(fā)，如真空壓鑄、充氧壓鑄、局部加壓壓鑄等2.壓鑄特點(diǎn)和應(yīng)用范圍2.1 壓鑄工藝過程壓力鑄造（簡(jiǎn)稱壓鑄）是在高壓作用下將液態(tài)或半液態(tài)金屬快速壓入鑄型中，并在壓力下凝固而獲得鑄件的方法。壓鑄所用的壓力一般為3070MPa，充型速度可達(dá)51

3、00m/s，充型時(shí)間為0.050.2s。金屬的壓力鑄造廣泛用于汽車、冶金、機(jī)電、建材等行業(yè)。目前90%的鎂鑄件和60%的鋁鑄件都采用壓力鑄造成型。金屬液在高壓下以高速填充鑄型，并在壓力下冷卻，是壓鑄區(qū)別于其他鑄造工藝的重要特征。壓力鑄造的主要工序可分為：合型、壓射、頂出三個(gè)階段。壓鑄機(jī)的主要結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2-1所示。圖2-1 壓鑄機(jī)主要結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖1 拉桿；2合模座；3動(dòng)模座；4定模座；5壓鑄模2.2 壓鑄的特點(diǎn)（1）優(yōu)點(diǎn) 生產(chǎn)率高，壓鑄機(jī)沒小時(shí)可壓鑄50150次，甚至有的可達(dá)500次；便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化或半自動(dòng)化； 鑄件的尺寸精度高，標(biāo)準(zhǔn)公差可達(dá)IT811；表面粗糙度低，Ra=0.83.2,可直接鑄造

4、出螺紋； 由于在壓力下凝固，且速度快，因此，鑄件晶粒細(xì)小、表面緊實(shí)、強(qiáng)度和硬度高； 便于采用鑲鑄法（嵌鑄法）。（2）缺點(diǎn) 壓鑄時(shí)由于液態(tài)金屬填充速度高，液態(tài)不穩(wěn)定，故采用一般壓鑄法時(shí)，鑄件易產(chǎn)生氣孔，不能進(jìn)行熱處理； 對(duì)內(nèi)凹復(fù)雜的鑄件，壓鑄較為困難； 高熔點(diǎn)合金（如銅，黑色金屬），壓鑄型壽命較低； 不宜小批量生產(chǎn)，其主要原因是壓鑄型制造成本高，壓鑄機(jī)生產(chǎn)效率高，小批量生產(chǎn)不經(jīng)濟(jì)。2.3 壓鑄應(yīng)用范圍和注意點(diǎn) 壓鑄是實(shí)現(xiàn)少無切削加工的精密鑄造技術(shù)，在汽車、航空、儀表、 國防等工業(yè)部門廣泛用于非鐵金屬的小型、薄壁、形狀復(fù)雜件的大批量生產(chǎn)。 鑄件壁厚均勻，以3-4mm的壁厚為宜，最大壁厚應(yīng)小于8mm

5、，以防止縮孔、縮松等缺陷。 鑄件不宜進(jìn)行熱處理或在高溫下工作，以免鑄件內(nèi)氣孔中的氣體膨脹而導(dǎo)致鑄件變形或斷裂。 由于內(nèi)部疏松，鑄件塑性和韌性差，故它不適合于制造受沖擊的零件。 鑄件應(yīng)盡量避免機(jī)械加工，以防內(nèi)部孔洞外漏。3.壓力鑄造的種類根據(jù)壓力機(jī)的不同，壓力鑄造可分為冷室壓鑄和熱室壓鑄兩大類型。而按壓鑄機(jī)壓力傳遞方式可分為立式和臥式兩種。冷室壓鑄機(jī)的壓室與保溫坩堝爐是分開的，壓鑄時(shí)從保溫坩堝中舀取金屬液倒入壓鑄機(jī)上的壓室后進(jìn)行壓射。而熱室壓鑄機(jī)的壓室和保溫坩堝連成一體。3.1臥式冷室壓鑄臥式壓鑄機(jī)的壓室和壓射機(jī)構(gòu)處于水平位置。其工作原理及過程如圖3-1所示。(c)壓射室充滿 （d）壓射完畢圖3

6、-1 臥式冷室壓鑄機(jī)工作過程整個(gè)過程經(jīng)澆注，沖頭前進(jìn)、壓射開始，壓射室充滿，壓射完畢等工序。這些過程又可分為慢速壓射（封孔）、一級(jí)快速壓射（填充）、二級(jí)快速壓射、增壓等幾個(gè)階段。在壓鑄過程中，沖頭所受的壓力與速度變化如圖3-2所示。多級(jí)壓射的主要目的是減少壓鑄過程中氣體的卷入，提高壓鑄件的致密性和質(zhì)量。由3-2圖可以看出在第階段速度較慢，這個(gè)階段主要是封孔階段，除了封住澆注孔外還可以將壓室里的氣體排出；該階段的壓力主要是抵抗壓射沖頭和壓實(shí)還有壓射沖頭和活塞之間的摩擦力。第階段是一級(jí)快速壓射階段，該階段主要是填充階段，速度較快，由于金屬液還沒有進(jìn)入到型腔中，因此，該階段壓射沖頭壓力仍較小，在這個(gè)

7、階段后期速度突然下降，而壓力驟升，主要是由于金屬液在澆注口突然改變流動(dòng)方向，沖頭受金屬液回流導(dǎo)致壓力升高。第階段為二級(jí)快速壓射階段，該階段主要是將金屬液壓入到型腔中，由于水錘作用，該階段壓射沖頭所受壓力較大。第階段為增壓階段，該階段主要是壓射正在凝固的金屬液，是形成的鑄件晶粒細(xì)小，組織致密；這時(shí)壓射沖頭只做小位移移動(dòng)。圖3-2 壓鑄不同階段壓射沖頭的壓力與運(yùn)動(dòng)速度的變化臥式冷室壓鑄廣泛用于鋁合金的壓鑄。其壓鑄過程示意圖如圖3-3。圖3-3 臥室壓鑄機(jī)壓鑄過程示意圖1 澆道；2型腔；3金屬液澆入口；4金屬液；5壓射沖頭；6動(dòng)模；7定模；8頂桿；9鑄件及涂料3.1.1 臥式壓鑄優(yōu)點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操

8、作程序少，生產(chǎn)效率高，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化； 金屬消耗少； 能量損失少，使用更為廣泛。3.2 立式冷室壓鑄 立式冷室壓鑄機(jī)的壓室和壓射機(jī)構(gòu)是處于垂直位置的。其壓鑄過程示意圖如圖3-4所示。由3-4圖可以看出，和臥式冷室壓鑄最大的優(yōu)點(diǎn)是立式冷室壓鑄多了一個(gè)返料沖頭。其工作原理為：開始階段時(shí)，返料沖頭8上升將噴嘴口6擋住，然后往壓射2中加入適量金屬液，其后壓射沖頭1慢慢向下壓入，同時(shí)返料沖頭8下降，這時(shí)金屬液從噴嘴壓入型腔7，整個(gè)壓射過程結(jié)束。待金屬液凝固后壓射沖頭1上升，同時(shí)在液壓驅(qū)動(dòng)下返了沖頭上升，并切斷余料9，送出壓室。圖3-4立式壓鑄機(jī)壓鑄過程示意圖1壓射沖頭；2壓室；3金屬液；4定模；5動(dòng)模；6

9、噴嘴；7型腔；8返料沖頭；9余料3.2.1 立式壓鑄優(yōu)點(diǎn)： 有余料切斷、頂出功能； 空氣不易隨金屬進(jìn)入壓室； 金屬液進(jìn)入型腔經(jīng)過轉(zhuǎn)折，壓力消耗大。3.3熱室壓鑄熱室壓鑄的工作過程如圖3-5所示。當(dāng)壓射沖頭3上升時(shí)，金屬液1通過進(jìn)口5進(jìn)入壓室4，隨著壓射沖頭下壓，液體金屬沿著通道6經(jīng)噴嘴7填充鑄型8；冷卻后壓射沖頭回升，多余的液體金屬回流至壓室中，然后打開鑄型取出鑄件。熱室壓鑄機(jī)的特點(diǎn)是生產(chǎn)工序簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，金屬消耗少、工藝穩(wěn)定、無氧化雜物、鑄件質(zhì)量好；但由于壓室和沖頭長(zhǎng)時(shí)間浸泡在高溫金屬液中，影響使用壽命，常用于鋅合金壓鑄。 圖3-5 熱室壓鑄機(jī)壓鑄過程示意圖 1金屬液；2坩

10、堝；3壓射沖頭；4壓室 5進(jìn)口；6通道；7噴嘴；8鑄模圖3-6 熱室壓鑄機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖1金屬液；2坩堝；3壓射沖頭；4壓射室；5進(jìn)口；6通道；7型腔；8返料沖頭3.4 壓鑄機(jī)的選擇實(shí)際生產(chǎn)中并不是每臺(tái)壓鑄機(jī)都能滿足壓鑄各種產(chǎn)品的需要，而必須根據(jù)具體情況進(jìn)行選用，一般應(yīng)從下述兩方面進(jìn)行考慮： （1）按不同品種及批量選擇 在組織多品種，小批量生產(chǎn)時(shí)，一般要選用液壓系統(tǒng)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)，能夠快速進(jìn)行調(diào)整的壓鑄機(jī)，在組織少品種大量生產(chǎn)時(shí)，要選用配各種機(jī)械化和自動(dòng)化控制機(jī)構(gòu)的高效率壓鑄機(jī)；對(duì)單一品種大量生產(chǎn)的鑄件可選用專用壓鑄機(jī)。 （2）按鑄件結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)選擇 鑄件外形尺寸，重量，、壁厚等參數(shù)對(duì)選用壓鑄機(jī)

11、有重要影響。鑄件重量（包括澆注系統(tǒng)和溢流槽）不應(yīng)超過壓鑄機(jī)壓定的額定容量，但也不能過小，以免造成壓鑄機(jī)功串的浪費(fèi)。一般壓鑄機(jī)的額定容量可查說明書。壓鑄機(jī)都有一定的最大和最小型距離，所以壓型厚度和鑄件高度要有一定限度，如果壓鑄型厚度或鑄件高度太大就可能取不出鑄件。4 壓力鑄造技術(shù)新發(fā)展壓鑄件的主要缺陷是氣孔和疏松，通常不能進(jìn)行熱處理。為了解決此問題，目前主要有兩個(gè)途徑：一是改進(jìn)現(xiàn)有設(shè)備；二是發(fā)展特殊壓鑄工藝，如真空壓鑄，充氧壓鑄等，下面逐一介紹。4.1 真空壓鑄為了減少或避免壓鑄過程中氣體隨金屬液高速卷入而使得鑄件產(chǎn)生氣孔和疏松，壓鑄前采用對(duì)鑄型抽真空壓鑄最為普遍。根據(jù)壓室和型腔內(nèi)的真空度大小又

12、可將真空壓鑄分為普通真空壓鑄和高真空壓鑄。（1） 普通真空壓鑄即采用機(jī)械泵抽空壓鑄模腔內(nèi)的空氣，建立真空后注入金屬液的壓鑄方法該方法。該方法是在動(dòng)模座和動(dòng)模座之間用一個(gè)密封的真空罩連接，然后通過機(jī)械泵將整個(gè)真空罩中的氣體抽出。真空罩如圖4-1所示。圖4-1 真空罩安裝示意圖1真空罩；2動(dòng)模座；3動(dòng)模安裝板；4定模安裝板；5壓鑄模；6抽氣孔；7彈簧墊襯 （2）高真空壓鑄高真空壓鑄的關(guān)鍵是能在很短的時(shí)間內(nèi)獲得高真空。圖4-2為吸入式高真空壓鑄機(jī)的工作原理圖，它采用真空吸入金屬液至壓室內(nèi)，然后進(jìn)行快速壓射，可獲得較高的壓鑄真空度。圖4-2 吸入式高真空壓鑄機(jī)的工作原理圖高真空壓鑄的原理：壓鑄工作前，

13、先從抽真空管將整個(gè)壓室和型腔中的空氣抽出，這個(gè)抽真空過程速度一定要盡可能快，使得坩堝中的金屬液和壓室產(chǎn)生較大的壓力差，從而使得坩堝中的金屬液體沿著升液管進(jìn)入壓室，接著壓射沖頭開始向右進(jìn)行壓射。4.1.1 真空壓鑄法的優(yōu)點(diǎn) 真空壓鑄法可以消除或減少壓鑄件內(nèi)部的氣孔，提高壓鑄件的機(jī)械性能和表面質(zhì)量，改善鍍覆性能； 真空壓鑄法大大減少型腔的反壓力，可使用較低的比壓及鑄造性能較差的合金，有可能用小機(jī)器壓鑄較大的鑄件； 可以改善填充條件，可壓鑄較薄鑄件；4.1.2 真空壓鑄法的缺點(diǎn) 密封結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造及安裝困難； 真空壓鑄法若控制不當(dāng)，壓鑄效果不明顯。4.2 充氧壓鑄充氧壓鑄是將干燥的氧氣充入壓室和壓鑄

14、模型腔內(nèi)，以取代其中的空氣和其他氣體。充氧壓鑄工藝原理圖如圖4-3所示。充氧壓鑄僅適用于鋁合金。當(dāng)鋁合金液體壓入壓室和壓鑄模型腔時(shí)與氧氣發(fā)生化合反應(yīng)，生成AL2O3，形成均勻分布的AL2O3小顆粒（直徑在1um以下），從而減少或消除了氣孔，提高了鑄件的致密性。這些小顆粒分散在鑄件中，約占總質(zhì)量的0.1%-0.2%，不影響機(jī)械加工。圖4-3 充氧壓鑄工藝原理4.2.1 充氧壓鑄的特點(diǎn)消除或減少了鑄件內(nèi)部的氣孔，強(qiáng)度提高了10%、伸長(zhǎng)率增加了1.5-2倍，鑄件可進(jìn)行熱處理；AL2O3有防腐蝕作用，充氧壓鑄件可在200-300的環(huán)境中工作；與真空壓鑄相比，充氧壓鑄的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、投資少。局限性

15、： 1.必須使用潤(rùn)滑劑或固體粉末脫模； 2.氧氣置換和除去水分的時(shí)間稍長(zhǎng)； 3.鑄造合金中Fe和Mn的含量要適當(dāng)； 4.熔液和氧氣完全反應(yīng)下的鑄造條件優(yōu)化比較難。4.3 精、速、密壓鑄精、速、密壓鑄（雙壓射沖頭）時(shí)采用一種由兩個(gè)套在一起的內(nèi)外壓射沖頭。在開始?jí)荷鋾r(shí)，兩個(gè)壓射沖頭同時(shí)前進(jìn)；當(dāng)充填完畢，型腔達(dá)到一定壓力后，限時(shí)開關(guān)啟動(dòng)，內(nèi)壓射沖頭繼續(xù)前進(jìn)，補(bǔ)充壓實(shí)鑄件。這種方法的基本特征是：1）內(nèi)澆口較厚，一般為35mm；2）充填速度較低，一般為46m/s；3）壓鑄后用內(nèi)壓射沖頭補(bǔ)充加壓。此時(shí)比壓是3500KN10000KN，內(nèi)壓射沖頭的行程為50150mm。4）控制鑄件的凝固。4.4 定向、抽氣

16、、加氧壓鑄定向、抽氣、加氧壓鑄實(shí)質(zhì)上是一種真空壓鑄和加氧壓鑄相結(jié)合的工藝。工藝過程是，在液體金屬充填型腔之前，先將氣體沿液態(tài)金屬填充的方向以超過充填的速度抽空，使金屬液順利地充填；對(duì)有深凹或死角的復(fù)雜鑄件，在抽氣的同時(shí)進(jìn)行加氧，以達(dá)到更好的效果。4.5 半固態(tài)壓鑄半固態(tài)壓鑄是當(dāng)液態(tài)金屬在凝固時(shí)，進(jìn)行強(qiáng)烈的攪拌，并在一定的冷卻速率下獲得約50%甚至更高的固體組分的漿料，用這種漿料進(jìn)行壓鑄。半固態(tài)壓鑄與全液態(tài)金屬壓鑄相比有如下優(yōu)點(diǎn)：1）由于降低了澆注溫度，而且半固態(tài)金屬在攪拌時(shí)已有50%的融化潛熱散失掉，所以大大減少了對(duì)壓室、壓鑄型腔和壓鑄機(jī)組成部件的熱沖擊，因而可以提高壓鑄模面得使用壽命。2）由于半固態(tài)金屬粘度比全液態(tài)金屬大，內(nèi)澆口處流速較低，因而充填時(shí)少噴濺，無湍流，卷入的空氣少；由于半固