金屬精密液態(tài)成形技術(shù)-第9章擠壓鑄造

第9章擠壓鑄造SqueezeCasting知識(shí)要點(diǎn)掌握程度相關(guān)知識(shí)擠壓鑄造的實(shí)質(zhì)與分類掌握擠壓鑄造的原理、分類、特點(diǎn)及應(yīng)用，熟悉擠壓鑄造設(shè)備的結(jié)構(gòu)，了解擠壓鑄造工藝的新發(fā)展金屬在壓力下結(jié)晶的特點(diǎn)，半固態(tài)金屬，金屬基復(fù)合材料擠壓鑄造工藝設(shè)計(jì)掌握合理選擇和確定擠壓鑄造基本工藝參數(shù)的方法，根據(jù)具體鑄件能夠初步制定擠壓鑄造工藝方案工程流體力學(xué)，鑄造工藝設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第1章擠壓鑄造本章教學(xué)要點(diǎn)9.1概述9.1概述定義：擠壓鑄造（SqueezeCasting）是指用鑄型的一部分直接擠壓金屬液，使金屬在壓力作用下充型、成形、凝固并產(chǎn)生一定塑性形變，從而獲得鑄件的鑄造方法，又稱“液態(tài)模鍛”。擠壓鑄造是鑄鍛結(jié)合的產(chǎn)物擠壓鑄造充型無卷氣、液體金屬紊流小、鑄件組織致密、可熱處理強(qiáng)化。

擠壓鑄造與壓力鑄造的區(qū)別：施壓部位同時(shí)作為型腔。是介于鑄、鍛之間的一種少無切削工藝技術(shù)。

擠壓鑄造作為一種實(shí)現(xiàn)鍛鑄相結(jié)合，凈成形的先進(jìn)工藝技術(shù)，一直受到產(chǎn)業(yè)界的重視。9.1.1工藝原理及特點(diǎn)將一定量的液體金屬（或半固態(tài)金屬）澆入金屬型腔內(nèi)，通過沖頭以高壓（50～100MPa）作用于液體金屬上，使之充型、成形和結(jié)晶凝固，并產(chǎn)生一定塑性形變，從而獲得優(yōu)質(zhì)鑄件。

（1）工藝原理工藝流程噴涂料→澆合金→合?！訅骸骸箟骸帜！髅撃！鷱?fù)位噴涂料→合模→給料→充型→加壓→保壓→泄壓→分?！髅撃！鷱?fù)位間接擠壓鑄造工藝流程直接擠壓鑄造工藝流程(a)鑄型準(zhǔn)備(b)澆注（c）擠壓（d）頂出鑄件擠壓鑄造工藝流程示意圖（2）擠壓鑄造技術(shù)特點(diǎn)具有優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、適應(yīng)性廣的特點(diǎn)由于高壓凝固和塑性變形同時(shí)存在，制件無縮孔縮松等缺陷，組織致密，晶粒細(xì)小，力學(xué)性能優(yōu)于一般鑄件，略低于鍛件性能表面粗糙度可達(dá)Ra6.3～1.6μm，精度達(dá)IT10～

IT8無需冒口補(bǔ)縮，因而液態(tài)金屬或合金利用率高，工序簡(jiǎn)化壓力補(bǔ)縮及塑性變形作用壓力補(bǔ)縮是擠壓鑄造的最主要特征。為了使凝固中的液態(tài)金屬受壓，外加的機(jī)械壓力必須使已形成的結(jié)晶硬殼不斷壓縮變形才能實(shí)現(xiàn)。壓力增大液態(tài)合金的流動(dòng)性，減少鑄件收縮及裂紋傾向擠壓鑄造時(shí)，液態(tài)金屬是靠壓力充型的。因此，擠壓鑄造對(duì)合金本身的流動(dòng)性的要求不高。壓力下凝固可減少合金凝固的收縮率，一般情況下，擠壓鑄造的收縮率為常規(guī)金屬型鑄造的1/2～1/3，因而擠壓鑄造可減少合金的裂紋傾向。擠壓鑄造性能優(yōu)勢(shì)合金類別合金牌號(hào)成形方法熱處理狀態(tài)力學(xué)性能備注Σb/MPaδ/%Al-Si鑄造合金ZL115擠壓鑄造鑄態(tài)（F）280～2907～8淬火及時(shí)效(T6)≥330≥7金屬型鑄造淬火(T6)2706ZL111擠壓鑄造淬火及時(shí)效(T6)3502.4本體金屬型鑄造淬火及時(shí)效(T6)3102.試棒ZL106擠壓鑄造淬火及時(shí)效(T6)35111.3—金屬型鑄造淬火及時(shí)效(T6)≥235≥0.5GB/T11731995A356.2(美)擠壓鑄造鑄態(tài)270～2806～8—淬火及時(shí)效(T6)296～31010～14金屬型鑄造淬火及時(shí)效(T6)283～3033～5—ADC12（日）壓力鑄造鑄態(tài)1941.5—擠壓鑄造鑄態(tài)270～2803.5—擠壓鑄造淬火及時(shí)效(T6)314～4234.4～5.7—擠壓鑄造與其他鑄造方法的比較指標(biāo)擠壓鑄造金屬型鑄造金屬型低壓鑄造壓力鑄造組織致密性優(yōu)中中高鑄件氣密性高中中差熱處理性能再提高可可可不可生產(chǎn)效率高低低-中高鑄件表面質(zhì)量?jī)?yōu)中中優(yōu)最小壁厚2～54～63～50.8工藝出品率50～8040～7070～9550～85設(shè)備及工裝費(fèi)用高中中高9.1.2應(yīng)用概況

擠壓鑄造主要用于生產(chǎn)強(qiáng)度較高、氣密性好的鑄件，如閥體、活塞、機(jī)架、鑄鐵鍋等。已廣泛地應(yīng)用于航空、航天、軍事及高科技范圍金屬鑄件的制造。適用性較強(qiáng)，它不僅適用于鑄造性能好的鑄造合金，而且也適用于鑄造性能較差的變形合金。既可用于鋁、銅、鎂、鋅等有色合金，又可用于鐵、鋼等黑色金屬，以及復(fù)合材料等。對(duì)于一些形狀復(fù)雜且性能上有一定要求的零件，采用擠壓鑄造合適。因?yàn)閿D壓鑄造既容易成形，又能保證產(chǎn)品性能的要求。擠壓鑄件的壁厚一般來講不能太?。ㄒ话阍?mm以上），太薄則難以實(shí)現(xiàn)擠壓過程中外部壓力的有效傳遞。適用范圍擠壓鑄造與壓鑄對(duì)比

（1）產(chǎn)品性能好。液態(tài)金屬自下而上緩慢、平穩(wěn)的充型，并保持在高壓力下凝固。由于澆注速度低及沒有澆注系統(tǒng)，當(dāng)上下模閉合后，金屬在壓力下結(jié)晶成形，不會(huì)在工件內(nèi)形成氣孔、縮孔及渦流等缺陷，因而組織致密、晶粒較細(xì)，對(duì)于厚壁件的制造更顯其優(yōu)越性；

（2）模具結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、緊湊，不需要澆口套及澆注系統(tǒng)等輔助結(jié)構(gòu)。模具的加工費(fèi)低于壓鑄模，使用壽命也較長(zhǎng)；（3）不像壓鑄工藝需要專用液壓機(jī)，可采用通用的液壓機(jī)，設(shè)備投資較便宜。擠壓鑄件普通壓鑄件擠壓鑄件與普通壓力鑄件的內(nèi)部組織比較擠壓鑄造產(chǎn)品擠壓鑄造產(chǎn)品

擠壓鑄造件在高鐵領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用擠壓鑄造產(chǎn)品9.1.3擠壓鑄造分類按成形時(shí)金屬液的充填特性和擠壓受力情況可將擠壓鑄造分為：直接沖頭擠壓鑄造間接沖頭擠壓鑄造柱塞擠壓鑄造型板旋轉(zhuǎn)擠壓鑄造用柱塞作為加壓沖頭，封閉凹型的開口處，并施壓于正在凝固的金屬液表面，保壓直至鑄件完全凝固。（1）柱塞擠壓鑄造柱塞擠壓法1-金屬型2-柱塞3-液態(tài)金屬4-底板合型加壓時(shí)，液體金屬基本上不產(chǎn)生充型運(yùn)動(dòng)適合于形狀簡(jiǎn)單的厚壁（＞5mm）鑄件和鑄錠鑄件高度方向的尺寸公差決定于定量澆注的精度力學(xué)性能較高各種鑄造或變形合金均可使用柱塞擠壓鑄造特點(diǎn)

（2）直接沖頭擠壓鑄造

直接擠壓原理示意圖

在合型時(shí)將成形沖頭插入液態(tài)金屬中，使部分金屬液向上流動(dòng)，充填由凹型和沖頭形成的封閉型腔，繼續(xù)升壓和保壓直至鑄件完全凝固。

1-金屬型2-沖頭3-液態(tài)金屬無澆注系統(tǒng)，澆注的金屬全部成形為鑄件鑄件高度方向的尺寸精度取決于定量澆注的精確程度充型壓力直接施加到型腔內(nèi)的金屬熔體上，合金液凝固速度快，所獲得的鑄件組織致密、晶粒細(xì)小液體金屬進(jìn)行充型運(yùn)動(dòng)制件有微量的塑性變形組織適于生產(chǎn)壁厚較大，形狀不太復(fù)雜、性能要求較高的鑄件，如活塞、主汽缸、變速箱體直接沖頭擠壓鑄造特點(diǎn)擠壓鑄造法生產(chǎn)鐵鍋的工藝過程用擠壓鑄造法生產(chǎn)鐵鍋的工藝過程示意圖a）合型前b）擠壓充型成形1-金屬液2-凸型3-凹型（3）間接沖頭擠壓鑄造

間接擠壓工藝原理圖

成形沖頭將澆入凹型中的部分金屬液擠入合型閉鎖型腔中，繼續(xù)加壓直至凝固。此時(shí)，沖頭的作用除將金屬液擠入型腔外，還通過由沖頭和凹型組成的內(nèi)澆道，將壓力傳遞到鑄件上。（壓注成形）

1-上型2-下型3-沖頭4-液態(tài)金屬5-型腔采用了澆注系統(tǒng)，液態(tài)金屬在壓力作用下經(jīng)內(nèi)澆道充滿型腔不必精確定量金屬液，鑄件精度高沖頭不直接而是部分地加壓于鑄件上，加壓效果較差金屬液利用率較低制件沒有塑性變形組織適合生產(chǎn)形狀更加復(fù)雜，壁厚較均勻的鑄件間接沖頭擠壓鑄造特點(diǎn)用于生產(chǎn)大型薄壁件（平均壁厚為2mm～3mm）：機(jī)翼、飛機(jī)的座艙底板、導(dǎo)彈彈翼、各種面板，蓋板等。（a）向鑄型底部繳入金屬液（c）形成鑄件并排除多余的金屬液（b）進(jìn)行擠壓鑄造（4）型板旋轉(zhuǎn)擠壓鑄造液體金屬進(jìn)行充型運(yùn)動(dòng)，充型過程平穩(wěn)，不易卷氣適用于生產(chǎn)大型薄壁件，斷面由大變小—阻力較小；散熱慢利于排氣，排渣，避免夾渣、氣孔的缺陷利于補(bǔ)縮，獲得致密鑄件適于生產(chǎn)大型整體薄壁鑄件型板旋轉(zhuǎn)擠壓鑄造的成形特點(diǎn)鑄型旋轉(zhuǎn)合型擠壓鑄造機(jī)的鑄型部分結(jié)構(gòu)1-連桿2-動(dòng)型座擋板3-側(cè)板4-金屬型5-電阻加熱絲6-砂芯7-定型座擋板8-定型座9-支架10-機(jī)座11-轉(zhuǎn)軸12-金屬液13-動(dòng)型座干砂芯預(yù)熱：110℃金屬型鑄型預(yù)熱：金屬型、轉(zhuǎn)軸預(yù)熱至220～

300℃，側(cè)板預(yù)熱溫度為

150～200℃熱節(jié)處設(shè)置冷鐵，加強(qiáng)補(bǔ)縮合理的液面上升速度

過慢：薄壁處澆不足

過快：出現(xiàn)波紋、裹氣、沖刷砂芯工藝特點(diǎn)擠壓鑄造工藝始于1937年的前蘇聯(lián)，上世紀(jì)60年代末期有色金屬擠壓鑄造在日本得到了應(yīng)用和發(fā)展。

80年代，日本宇部公司開發(fā)成功HVSC和VSC系列擠壓鑄造機(jī)，使此工藝在日本及歐美各國(guó)得到了迅速的發(fā)展。目前，宇部擠壓鑄造機(jī)已銷售307臺(tái)，最大設(shè)備合模力達(dá)3500噸。9.1.4擠壓鑄造的發(fā)展日本豐田公司的輪轂生產(chǎn)廠擁有14臺(tái)VSC1500～VSC1800擠壓鑄造設(shè)備，已形成年產(chǎn)400萬只高檔汽車鋁輪的生產(chǎn)能力。另外，豐田公司還擁有年產(chǎn)120萬只復(fù)合材料活塞的生產(chǎn)能力，并已在23種車輛得到使用。日本的日產(chǎn)汽車、馬自達(dá)、Art、Umold和Tosei等公司及美國(guó)SPX、Amcast等國(guó)外大公司也擁有擠壓鑄造生產(chǎn)廠或車間。

在我國(guó)，擠壓鑄造是從上世紀(jì)60、70年代開始發(fā)展的。90年代，曾隨摩托車行業(yè)大發(fā)展，有了一個(gè)大飛躍。僅鋁輪轂就形成了年產(chǎn)300萬只的能力。但隨著市場(chǎng)、利潤(rùn)和當(dāng)時(shí)技術(shù)、質(zhì)量等原因，使此生產(chǎn)規(guī)模很快就下來了。近10年來，我國(guó)擠壓鑄造業(yè)還是得到了穩(wěn)步發(fā)展。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)有100多臺(tái)設(shè)備在工作。①擠壓鑄造設(shè)備只相當(dāng)于國(guó)外20世紀(jì)70年代水平。②生產(chǎn)規(guī)模小，技術(shù)含量低。③產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，廢品率高。9.1.5國(guó)內(nèi)擠壓鑄造存在的主要問題9.2擠壓鑄造合金的組織與性能9.2.1金屬在壓力下的結(jié)晶特點(diǎn)擠壓鑄造是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)-—力學(xué)過程，由于在高壓下結(jié)晶凝固，會(huì)引起合金的熱物性參數(shù)（如熔點(diǎn)、熱導(dǎo)率、密度、比熱容和結(jié)晶潛熱）的變化，以及由此變化所引起的熱力學(xué)、相圖、動(dòng)力學(xué)及成分過冷、偏析和氣體析出等一系列變化。下面主要從四個(gè)方面討論金屬在壓力下的結(jié)晶特點(diǎn)。壓力對(duì)熱物理參數(shù)的影響壓力對(duì)合金狀態(tài)圖的影響壓力對(duì)結(jié)晶特性的影響壓力對(duì)氣體析出過程的影響1234

壓力與熔點(diǎn)呈線性關(guān)系。對(duì)于某些金屬和共晶合金（Al、Fe、Mg、Cu、Al-Si）加壓時(shí)熔點(diǎn)升高，另外一些金屬和共晶合金（Sb銻，F(xiàn)e-C石墨）加壓時(shí)熔點(diǎn)下降。（1）壓力對(duì)材料熱物性參數(shù)的影響①壓力對(duì)純金屬與共晶合金熔點(diǎn)的影響

在一定壓力范圍內(nèi)，隨著壓力的增加，已結(jié)晶的金屬密度有明顯提高，但不是一直遞增的。如圖所示，在壓力為50MPa左右時(shí)，由于補(bǔ)縮不良而形成微觀縮松使密度下降，電阻率上升到峰值，當(dāng)壓力升至100MPa時(shí)，由于宏觀缺陷消除，使密度達(dá)到最高值，但繼續(xù)增加壓力又使密度有少量下降，這種下降是由于位錯(cuò)密度增加所引起的。②壓力對(duì)密度的影響壓力下結(jié)晶對(duì)金屬密度（γ）、比電阻（ρ）的影響a—純鋅b—20鑄鋼③壓力對(duì)其他熱物理參數(shù)的影響導(dǎo)熱率——加壓時(shí)，由于結(jié)晶金屬致密度提高，縮短了原子間的平均距離，導(dǎo)熱率有所增加，但提高的程度是有限的，并不能明顯地加快金屬的凝固速度。結(jié)晶潛熱和比熱容——隨著壓力的增加，其結(jié)晶潛熱有某些程度的提高，而比熱容與壓力無關(guān)。（2）壓力對(duì)合金狀態(tài)圖的影響①鐵-碳（Fe-C）狀態(tài)圖

從圖中可以看出，共晶點(diǎn)位置隨著壓力的增加發(fā)生移動(dòng)。Fe-C共晶點(diǎn)位置隨著壓力增加而向右下方移動(dòng)，即共晶點(diǎn)向富碳方向移動(dòng)。另外，隨著壓力的增加，F(xiàn)e-C共晶溫度下降。而Fe-Fe3C共晶點(diǎn)位置隨著壓力增加向著提高溫度方向移動(dòng)。壓力對(duì)Fe-C狀態(tài)圖的影響（共晶點(diǎn)附近）[曲線1～6相對(duì)壓力（MPa）為0.1,1000,2000,3000,4000,5000]壓力對(duì)合金平衡相圖的影響可以通過Clauius-Clapeyron方程描述：對(duì)于凝固收縮的合金，凝固點(diǎn)一般是隨著合金壓力的增加而增加。

隨著壓力的升高，純鋁的熔點(diǎn)升高，純硅的熔點(diǎn)下降；隨著壓力的升高，Al-Si共晶點(diǎn)向高溫和富硅的方向（右上方）移動(dòng)；隨著壓力的升高，硅在鋁中的固溶體即α相區(qū)擴(kuò)大，也向高溫和富硅的方向（右上方）移動(dòng)。這將對(duì)初晶硅的形成，α相的強(qiáng)化產(chǎn)生一定的影響。②鋁-硅（Al-Si）狀態(tài)圖壓力對(duì)Al-Si合金平衡相圖的影響（3）壓力對(duì)結(jié)晶特性的影響

液態(tài)金屬的結(jié)晶過程可以用兩個(gè)參數(shù)評(píng)定：一是形核率n，即在單位時(shí)間和單位體積中形核的晶核數(shù)。二是長(zhǎng)大線速度R，即單位時(shí)間內(nèi)晶體長(zhǎng)大的線性速度。它們和單位體積內(nèi)的晶核數(shù)Zv之間有如下關(guān)系：可見，當(dāng)液態(tài)金屬中的形核率越高，長(zhǎng)大線速度越小，則單位體積內(nèi)晶核數(shù)越多，也就是晶粒越細(xì)。下面主要討論附加壓力對(duì)其形核率和長(zhǎng)大線速度的影響在均質(zhì)形核條件下：對(duì)于由液態(tài)結(jié)晶成固態(tài)時(shí)比體積收縮（V液-V固＞0）的晶體物質(zhì)，隨著壓力的升高，形核率先增加，達(dá)到峰值后，形核率開始下降對(duì)于由液態(tài)結(jié)晶成固態(tài)時(shí)比體積膨脹（V液-V固＜0）的晶體物質(zhì)，由于增加壓力使形核功和擴(kuò)散激活能均增加，因而其形核率是隨壓力的增加而降低的。①壓力對(duì)形核率的影響②壓力對(duì)長(zhǎng)大線速度的影響

當(dāng)過冷度很小時(shí)，長(zhǎng)大速度最快的是垂直長(zhǎng)大方式，其次是沿晶體缺陷處長(zhǎng)大方式。在過冷度不大的條件下，長(zhǎng)大速度也隨過冷度的加大而增加。在一定范圍內(nèi)，增加壓力會(huì)導(dǎo)致晶體長(zhǎng)大線速度的提高，同時(shí)形核率也增加。因此，壓力下結(jié)晶對(duì)金屬與合金宏觀晶粒度的影響是復(fù)雜的，它與合金成分和各種工藝因素有關(guān)。晶體生長(zhǎng)方式的生長(zhǎng)線速度R與過冷度的關(guān)系擠壓鑄造時(shí)，對(duì)于結(jié)晶時(shí)體積收縮的合金，在結(jié)晶溫度不變的條件下，擠壓力使合金的熔點(diǎn)升高，相應(yīng)地增加了過冷度，從而會(huì)導(dǎo)致晶體長(zhǎng)大速度的提高。對(duì)結(jié)晶時(shí)體積膨脹的合金，擠壓力會(huì)降低其熔點(diǎn)，即相應(yīng)降低液態(tài)金屬的過冷度，雖可降低晶體長(zhǎng)大速度，但它也抑制液態(tài)金屬的形核?？傊?，對(duì)多數(shù)合金，擠壓力將大大提高制件的凝固速度，有助于晶粒的細(xì)化。壓力對(duì)氣體的析出過程主要有如下影響：加壓可以阻止氣泡的形成。增加外部壓力，可以抑制氣泡核的形成。在壓力作用下，可以增加氣體在金屬中的溶解度。在壓力作用下，增加合金的冷卻速度，使氣體來不及擴(kuò)散析出。在壓力作用下可以阻止氣孔的形成，但卻惡化了制件的力學(xué)性能。③壓力對(duì)氣體析出過程的影響合金中氣體的溶解度與溫度和壓力的關(guān)系對(duì)于二次枝晶間距與凝固速度的關(guān)系式為：式中，ds-二次枝晶間距B0-與樹枝晶形狀有關(guān)的常數(shù)M-決定于材料的常數(shù)

研究表明，影響樹枝晶細(xì)化程度的主要因素是合金成分和凝固速度。枝晶間距取決于結(jié)晶界面上的散熱條件。界面上的散熱條件越強(qiáng)，則每一枝晶軸所析出的結(jié)晶潛熱的影響區(qū)越小，使相鄰枝晶軸有可能在較近的距離生成，即使枝晶間距縮短，使顯微組織細(xì)化。④壓力對(duì)枝晶間距的影響一次枝晶間距表達(dá)式為：式中，de-一次枝晶間距K-常數(shù)G-溫度梯度V-凝固速度

隨著凝固速度的提高，一次枝晶間距和二次枝晶間距都隨之減小，從而細(xì)化了樹枝晶。在擠壓鑄造過程中，液態(tài)金屬在擠壓力的作用下，其凝固速度大大加快，在結(jié)晶前沿的液態(tài)金屬中產(chǎn)生較大的過冷度，這對(duì)于在較小過冷度下具有較強(qiáng)形核能力的合金，有明顯的細(xì)化晶粒作用。

圖為擠壓力對(duì)ZL201鋁合金枝晶間距的影響。可見，隨著壓力的增加，開始細(xì)化程度明顯增加，達(dá)一定壓力后，細(xì)化程度的增加就不明顯了。擠壓力與枝晶間距的關(guān)系9.2.2擠壓鑄造合金的組織Al-Si系合金

對(duì)亞共晶和共晶型合金，增加α樹枝晶的比例，相應(yīng)減少α+Si共晶體數(shù)量；對(duì)過共晶型合金，增加α+Si共晶體數(shù)量，而相應(yīng)減少初晶硅的比例。使α樹枝晶或共晶組織細(xì)化增加硅在共晶體中的數(shù)量，使其中硅質(zhì)點(diǎn)細(xì)化并局部球化，對(duì)過共晶合金還能使初晶硅細(xì)化并提高其分布的均勻性A356的微觀組織比較（a）金屬型鑄造（b）擠壓鑄造不同壓力下擠壓鑄造鋁銅合金金相組織（a）無壓力，鑄態(tài)(b)25MPa壓力，鑄態(tài)(c)50MPa壓力，鑄態(tài)（d）75MPa壓力，鑄態(tài)（e）無壓力，T5熱處理（f）50MPa壓力，T5熱處理

Al-Si合金擠壓鑄造能改善合金的力學(xué)性能，尤其是明顯地提高其塑性。因?yàn)樵黾应凉倘荏w的數(shù)量和細(xì)化硅質(zhì)點(diǎn)，均能使合金的塑性提高。9.2.3擠壓鑄造合金的力學(xué)性能

高速鋼擠壓鑄造高速鋼的性能明顯優(yōu)于重力鑄造高速鋼，特別是沖擊韌性大幅度提高，提高幅度可達(dá)52.9%。9.3擠壓鑄造工藝9.3擠壓鑄造工藝比壓：是指對(duì)鑄型中液態(tài)金屬單位面積上所施加的平均擠壓力。

9.4.1比壓壓力是擠壓鑄造中最為關(guān)鍵的參數(shù)，其對(duì)鑄件的力學(xué)性能、鑄造缺陷、組織、偏析、熔點(diǎn)及相平衡等都有直接影響。

比壓低時(shí)，鑄件內(nèi)部缺陷不能完全消除，只有達(dá)到某一臨界壓力，才能獲得完好鑄件。壓力過高會(huì)帶來設(shè)備和模具損耗大、能源消耗高以及分型面披縫嚴(yán)重、容易飛料等問題。比壓的大小，取決于合金種類、擠壓方式、鑄件大小、形狀、高度等因素有色合金鑄件的比壓＜黑色合金鑄件直接沖頭擠壓的比壓＜間接沖頭擠壓鑄件形狀簡(jiǎn)單的比壓＜形狀復(fù)雜和薄壁件液態(tài)合金壓力＜半固態(tài)合金比壓大小9.3.2加壓開始時(shí)間開始加壓時(shí)間：是指金屬液澆入鑄型（直接擠壓）或壓室（間接擠壓）至沖頭開始加壓的時(shí)間間隔。（一般澆注后開始加壓時(shí)間的間隔不應(yīng)超過15s）對(duì)于小件、薄件或復(fù)雜件，此值應(yīng)盡量小些為好。對(duì)于直接擠壓法生產(chǎn)的簡(jiǎn)單實(shí)心件或厚大件，金屬液冷卻到液相線以下加壓，有利于獲得最佳力學(xué)性能。9.3.3加壓速度與充型速度

加壓速度是指金屬液充型時(shí)擠壓沖頭的運(yùn)動(dòng)速度。

加壓速度采用在空行程時(shí)以140mm/s快速下行，沖頭剛接觸到液面時(shí)改變?yōu)槁贁D壓，速度為40mm/s，直至壓力升到保壓壓力，結(jié)晶凝固。加壓速度快，沖頭能很快地將壓力施加于金屬液上，便于成形、結(jié)晶和塑性變形。但不宜過快，過快易卷入氣體或噴液；過慢會(huì)使金屬自由結(jié)殼過厚，影響加壓效果。充型速度是指金屬液在低鑄造壓力（或壓鑄壓頭）的作用下，進(jìn)入并充滿型腔時(shí)的流動(dòng)速度。生產(chǎn)中金屬液充型速度應(yīng)控制在0.8m·s-1以下。過快：金屬液產(chǎn)生渦流，卷氣。

過慢：金屬液過早凝固，擠壓不能繼續(xù)進(jìn)行，不能成形。9.3.4保壓時(shí)間保壓時(shí)間是指從開始加壓到鑄件完全凝固的時(shí)間。

保壓時(shí)間主要取決于合金種類、鑄件的尺寸大小、斷面厚度以及鑄型傳熱條件，一般保壓到完全凝固。保壓時(shí)間過短，會(huì)使鑄件心部得不到壓力補(bǔ)縮，形成縮松、縮孔等缺陷；保壓時(shí)間過長(zhǎng)，會(huì)延長(zhǎng)生產(chǎn)周期，使起模困難，降低模具使用壽命；收縮應(yīng)力大，表面質(zhì)量差。一般按鑄件的最大壁厚推算保壓鑄件壁厚小于50mm時(shí)，鋁合金、鑄鐵、鑄鋼件的保壓時(shí)間可按每mm鑄件壁厚需時(shí)0.5s推算；銅合金件按每1.5s/mm推算；鑄件最大壁厚50～100mm時(shí)，鑄鐵、鑄鋼件的保壓時(shí)間仍按每mm鑄件壁厚需時(shí)0.5s推算；銅合金件仍按每1.5s/mm推算；鋁合金件按1～1.5s/mm推算鑄件最大壁厚/mm單位厚度所需保壓時(shí)間/s·mm-1鋁合金銅合金鋼和鑄鐵≤500.51.50.5≤1001.0～1.51.50.5按鑄件壁厚確定的保壓時(shí)間

壁厚越厚，時(shí)間越長(zhǎng)9.3.5澆注溫度為利于提高鑄件內(nèi)部質(zhì)量和模具壽命，金屬液澆注溫度比同種合金的砂型鑄造、金屬型鑄造時(shí)略低一些，高于普通壓鑄。一般控制在合金液相線以上50～100℃左右。

澆注溫度過高或過低都對(duì)合金成形有明顯影響。過低，合金極易凝固，所需單位壓力大；過高，易產(chǎn)生縮孔。必須指出，擠壓鑄造合金的澆注溫度要比砂型澆注溫度高。一般希望把澆注溫度控制在比較低的數(shù)值，因?yàn)閿D壓鑄造時(shí)希望消除氣孔、縮孔和疏松。在澆注溫度低時(shí)，氣體易于從合金熔液內(nèi)部逸出，極少留在金屬中，易于消除氣孔。此外，也可減少縮孔形成機(jī)會(huì)，同時(shí)由于澆注溫度較低，金屬較少，可減少毛刺。9.3.6模具預(yù)熱溫度模具溫度過低，合金熔液注入型腔后會(huì)很快凝固，導(dǎo)致來不及加壓；鑄件質(zhì)量難以得到保證，易產(chǎn)生冷隔、晶粒粗大和表面裂紋等缺陷。模具溫度過高，會(huì)延長(zhǎng)保壓時(shí)間，降低生產(chǎn)率，容易發(fā)生黏模，降低模具壽命，還會(huì)使鑄件脫模困難。適宜的模具溫度主要取決于合金的種類、鑄件形狀和大小。澆注前，鑄型應(yīng)先預(yù)熱，以避免金屬進(jìn)入鑄型后，在擠壓充型之前，鑄型中的金屬會(huì)由于散熱太快，已在型壁上形成較厚的硬殼，而后在擠壓過程中被皺折、破碎和卷入鑄件之中，降低鑄件的質(zhì)量鑄造鋁合金件鑄型預(yù)熱溫度：200℃左右鑄造銅合金件鑄型預(yù)熱溫度：250℃左右鑄造鑄鋼件鑄型預(yù)熱溫度：400℃過少：澆不足過多：尺寸偏差造成浪費(fèi)9.3.7金屬液的定量常采用體積定量法對(duì)澆入凹型中的金屬數(shù)量進(jìn)行定量，也可用稱重法進(jìn)行澆注金屬的定量。另外，可在設(shè)計(jì)鑄型時(shí)，設(shè)置溢流器，以使多余金屬在擠壓鑄造成型時(shí)進(jìn)入該處，保證鑄件尺寸不會(huì)因澆注金屬太多而出現(xiàn)偏差。澆注金屬太多所引起的鑄件尺寸偏差1-凹形2-沖頭帶有溢流器的凹形1-沖頭2-溢流器3-鑄件4-鑄型5-多余金屬9.3.7金屬液的定量為鑄件凝固后沖頭能很順利地自鑄件中抽出，鑄件與凹型的脫離也應(yīng)同樣順利，降低鑄件與鑄型間的摩擦力，在澆注時(shí)和進(jìn)行擠壓成形之前，需對(duì)鑄型和沖頭工作表面刷涂潤(rùn)滑劑鋁合金、鎂合金和鋅合金擠壓鑄造：水劑膠體石墨、硅涂料（白涂料）、石墨和機(jī)油或豬油的混合物6）鑄型的潤(rùn)滑銅合金：油劑膠體石墨、石墨加機(jī)油或錠子油、植物油加肥皂水、植物油加石墨等鑄鐵、鑄鋼：地蠟加石蠟加凡士林加石墨的混合物、石蠟加二硫化鉬加水玻璃加酒精等9.3.8鑄型涂料防止鑄件黏焊鑄型，便于鑄件脫模以降低鑄件表面粗糙度提高鑄型的壽命減緩金屬液在加壓前的結(jié)殼速度，以利于金屬液在壓力下充型

（1）涂料的作用（2）涂料的種類及成分目前使用的擠壓鑄造涂料主要分兩大類：非石墨類石墨類

涂料的種類及成分主要根據(jù)鑄件的形狀、尺寸大小、合金種類、鑄型材料和對(duì)鑄件的工藝要求來決定。對(duì)非鐵合金鑄件，大多數(shù)采用膠狀石墨涂料，包括水基和油基膠狀石墨涂料兩種。水基涂料的組成主要有氧化鋅、膠狀石墨、水玻璃和水。油基涂料的組成主要有膠狀石墨、機(jī)油（也有錠子油、植物油）、黃蠟或松香等。（2）涂料的種類及成分應(yīng)用合金涂料組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）鋁合金膠體石墨100機(jī)油60.二硫化鉬15，黃蠟25膠體石墨13，氧化鋅67，水玻璃20，外加適量水銅合金膠體石墨45～50，機(jī)油30～35，松香5～10，松節(jié)油5～10石墨30，機(jī)油70氧化鋅9，石棉粉74，水玻璃17，外加適量水鑄鐵與鑄鋼地蠟30，石蠟30，凡士林26，石墨14玻璃粉29，水玻璃35，剛玉粉18，碳酸鈣12，氧化鋅6，外加適量水鋯粉80～84，糖漿12～18，糊精3.5～5，外加適量水部分?jǐn)D壓鑄造用鑄型涂料9.4鑄型設(shè)計(jì)9.4擠壓鑄造模具設(shè)計(jì)與制作（1）擠壓鑄造模具的主要作用保證液態(tài)金屬在充分壓力下結(jié)晶成形；對(duì)正在結(jié)晶的金屬熔體直接施加機(jī)械壓力，

用施加的壓力補(bǔ)償凝固和冷卻收縮，消除鑄件的縮孔縮松缺陷；

進(jìn)行鑄件的熱交換，并通過與鑄件的熱交換使金屬熔體凝固成形。（2）設(shè)計(jì)擠壓模具時(shí)應(yīng)注意的問題充分發(fā)揮擠壓鑄造的壓力傳遞，獲得高致密度的鑄件加壓位置的選擇澆口及澆道設(shè)計(jì)排氣設(shè)計(jì)

由于擠壓鑄造件的壁厚一般遠(yuǎn)大于普通壓鑄件，為防止內(nèi)部縮孔，在工藝設(shè)計(jì)、方案制定時(shí)，應(yīng)盡量加大內(nèi)澆口的截面積，縮短流道長(zhǎng)度，盡量保證由鑄件內(nèi)部向外部、由組織性能要求高的局部向要求較低局部的凝固順序，實(shí)現(xiàn)對(duì)重要部位的有效補(bǔ)縮。模具溫度場(chǎng)的控制應(yīng)盡可能保證沖頭的壓力在整個(gè)凝固過程中能夠有效傳遞到型腔內(nèi)部各個(gè)位置。相對(duì)于普通壓鑄而言，擠壓鑄造的內(nèi)澆口截面通常都比較厚大，流道的長(zhǎng)度近量縮短。實(shí)踐表明，較合理的內(nèi)澆口速度范圍為0.25～0.8m/s。一般情況下，在金屬液開始通過內(nèi)澆口進(jìn)入型腔到填至整個(gè)型腔（包括集渣包和排氣槽）的80～100%（該比例的確定與產(chǎn)品有關(guān)）的階段，可以采用相同的內(nèi)澆口速度，最后階段可以適當(dāng)加快沖頭速度。

對(duì)同一合金，擠壓鑄造的澆注溫度一般需要高于普通壓鑄。此外，澆注溫度的設(shè)定還需要綜合考慮鑄件的形狀和復(fù)雜程度、給料方式和給料循環(huán)時(shí)間、料筒和模具的溫度控制等因素。當(dāng)鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壁厚較小、金屬液流程長(zhǎng)，給料過程保溫性差、給料循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)、料筒和模具控制差時(shí)，宜采用較高的澆注溫度，反之則可以適當(dāng)較低澆注溫度。為有效排出型腔內(nèi)的氣體、夾雜和前端較冷的金屬液，一般需要采用通道較大的排氣和集渣設(shè)計(jì)。在遠(yuǎn)離內(nèi)澆口的位置，通常需要開設(shè)較大的集渣包和較厚的溢流槽。當(dāng)需要某些集渣包具有補(bǔ)縮功能時(shí)，則需要采取一些工藝手段或通過實(shí)踐確定一些特殊的生產(chǎn)過程控制方法，如控制模溫、控制脫模劑噴涂等。擠壓鑄造主要采用金屬型（個(gè)別使用泥型，如鑄造鐵鍋）。常用耐熱模具鋼制造，如3Cr2W8V，4W2CrSiV等凹型的形式可有多種整體凹型垂直分型凹型水平分型凹型復(fù)合分型凹型帶芯棒凹型設(shè)計(jì)擠壓模具時(shí)應(yīng)注意的問題鑄件收縮率：由于鑄件凝固在封閉的金屬型中受高壓作用進(jìn)行，故鑄件收縮較小，比常規(guī)數(shù)值小一半。加工余量：垂直合型擠壓鑄造時(shí)鑄件加工面上的加工余量可取較小，有色合金鑄造時(shí)可選取0.5～2mm，鑄鋼取3～5mm。型腔表面粗糙度常取Ra6.3～0.8μm，鑄造圓角半徑2～10mm，鑄造斜度為1～3度。高溫下具有較高的強(qiáng)度、硬度、耐磨性和適當(dāng)?shù)乃苄?，并在長(zhǎng)期的冷卻加熱工作過程中，組織與性能保持穩(wěn)定；具有良好的抗熱疲勞性能，有良好的抗裂紋擴(kuò)展能力；高溫下不易氧化，能抵抗液態(tài)金屬的粘焊和熔蝕；導(dǎo)熱性好，熱膨脹系數(shù)小。①對(duì)模具材料的具體要求（3）擠壓鑄造模具材料

鋁、鎂、鋅等合金的澆注溫度較低，模具工作過程中的主要損壞形式是機(jī)械磨損。以前我國(guó)長(zhǎng)期使用3Cr2W8V鋼，但因其塑性、韌性較差，現(xiàn)在已推廣使用綜合性能更優(yōu)的4Cr5MoSiV1(美國(guó)H13)鋼，二者的使用壽命均可達(dá)數(shù)萬件以上。鎂合金可考慮使用HDM1、HDM2、HM1、8407等。②擠壓鑄造模具材料的選用擠壓鑄造鋁、鎂和鋅等低熔點(diǎn)合金用模具材料銅合金的澆注溫度約為900℃～1180℃,模具在工作過程中出現(xiàn)的粘焊、熱疲勞裂紋、表面氧化等損壞比鋁合金嚴(yán)重的多。目前模具材料主要采用3Cr2W8V

等鉻鎢釩鋼，并經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，也可采用4Cr5MoSiV1鋼。模具壽命一般在千件以上。擠壓鑄造銅合金用模具材料鋼和鑄鐵的澆注溫度約在1300℃～1600℃之間,模具在工作過程中的主要損壞形式是熱疲勞裂紋和熔蝕。因此，模具零件多采用鉻鎢釩或鉻鉬釩等模具鋼，并經(jīng)調(diào)質(zhì)處理。黑色金屬用模具的使用壽命一般只有幾百件到幾千件，沖頭和型芯的壽命則更短。目前，國(guó)內(nèi)外正在大力研究使用鉬、鎢或鈮基難熔合金，鐵、鈷、鎳基耐熱合金以及其它材料。擠壓鑄造黑色金屬用模具材料9.5擠壓鑄造設(shè)備

擠壓鑄造機(jī)大致發(fā)展成三類：

垂直合模垂直擠壓式水平合模水平擠壓式水平合模垂直擠壓式

目前，世界各國(guó)進(jìn)行擠壓鑄造生產(chǎn)的各種液壓機(jī)大致有1000臺(tái)，先進(jìn)的專用擠壓鑄造設(shè)備主要分布在日、美等發(fā)達(dá)國(guó)家，其中日本最多。擠壓鑄造的顯著特點(diǎn)是充型平穩(wěn)，不卷氣，因而要求設(shè)備具有以低流速大流量充填鑄型的能力。當(dāng)鑄型充滿后能急速增壓，達(dá)到預(yù)定的高壓力值并能穩(wěn)定地保持壓力，直到鑄件結(jié)晶完成?；瑝K及活塞應(yīng)有高的空載下運(yùn)行速度。擠壓系統(tǒng)速度可調(diào)，以滿足不同鑄件要求。

9.5.1擠壓鑄造對(duì)設(shè)備性能的要求9.5.2擠壓鑄造機(jī)

我國(guó)現(xiàn)使用的擠壓鑄造機(jī)多為國(guó)產(chǎn)普通擠壓鑄造機(jī)。這類擠壓鑄造機(jī)是在通用液壓機(jī)的基礎(chǔ)上改造的，提高了滑塊空載下行速度及頂出液壓缸的頂出力和頂出速度，以適應(yīng)擠壓鑄造的要求。（1）普通擠壓鑄造機(jī)普通擠壓鑄造機(jī)結(jié)構(gòu)

該機(jī)采用四立柱結(jié)構(gòu)，為適應(yīng)復(fù)雜鑄件側(cè)向抽芯和開合模的需要，增加了側(cè)液壓缸和輔助液壓缸。

（2）先進(jìn)的間接擠壓鑄造機(jī)

間接擠壓鑄造適應(yīng)的鑄件范圍廣，可以生產(chǎn)比較復(fù)雜的鑄件，生產(chǎn)過程易于控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，生產(chǎn)效率高。間接擠壓鑄造機(jī)分