壓鑄工藝及模具材料的發(fā)展

1、壓鑄工藝及模具材料的發(fā)展對(duì)國(guó)內(nèi)外的壓鑄生產(chǎn)，新工藝發(fā)展作了總結(jié)。對(duì)壓鑄用模具材料進(jìn)行了分析。關(guān)鍵詞：壓鑄;材料;1當(dāng)前壓鑄的基本情況隨著汽車、摩托車，家用電器，計(jì)算機(jī)等工業(yè)的發(fā)展，對(duì)高精度的有色金屬壓鑄件的需求量越來(lái)越大。全球壓鑄件的產(chǎn)量大于年4%的增長(zhǎng)率。據(jù)報(bào)道，1994年北美地區(qū)生產(chǎn)104萬(wàn)噸壓鑄件，價(jià)值86億美元，比上年增長(zhǎng)19%，其中美國(guó)生產(chǎn)的壓鑄件價(jià)值78億美元，比上年增長(zhǎng)318%。日本僅在1994年10月份就生產(chǎn)壓鑄件6106萬(wàn)噸，比上年同期增長(zhǎng)1114%,全年約生產(chǎn)壓鑄件72萬(wàn)噸。其中，鎂壓鑄件的產(chǎn)量上升最快，北美地區(qū)由1993年的215萬(wàn)噸上升到1994年的313萬(wàn)噸，上升32

2、%。預(yù)計(jì)到1997年北美地區(qū)的鎂壓鑄件產(chǎn)量可達(dá)512萬(wàn)噸。這是汽車工業(yè)為加快實(shí)現(xiàn)汽車的輕型化，以輕合金壓鑄件逐步取代鑄鐵零件的結(jié)果。目前臥車與輕型車用壓鑄件約為每輛105kg，十年內(nèi)將增加到182至273kg。福特、GM、克萊斯勒還將逐步在汽車上增加鎂壓鑄件的量，用于座椅零件、方向盤(pán)及方向器零件、車輪零件等，以達(dá)到提高汽車燃料效率,減少汽車噪聲的目的。隨著鎂的成本下降，鎂壓鑄件產(chǎn)量提高，將加速汽車輕型化的進(jìn)程。改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)壓鑄工業(yè)得到了高速發(fā)展。擁有壓鑄機(jī)的臺(tái)數(shù)以及生產(chǎn)能力每年均有大幅度的提高，且增長(zhǎng)率高于世界平均水平。據(jù)中國(guó)鑄協(xié)的統(tǒng)計(jì)，我國(guó)壓鑄件產(chǎn)量從1992年的1315萬(wàn)噸提高到19

3、95年的20萬(wàn)噸左右，年均增長(zhǎng)14%左右；同期壓鑄機(jī)從6500臺(tái)增長(zhǎng)到8000多臺(tái)，年增長(zhǎng)7%左右。同期壓鑄機(jī)未與壓鑄件同步增長(zhǎng)的原因是近幾年來(lái)，隨著汽車，摩托車生產(chǎn)的發(fā)展，對(duì)大中型壓鑄件的需求量增大，新購(gòu)置的壓鑄機(jī)大部分為大、中型壓鑄機(jī)。我省是西部大省，是我國(guó)摩托車，輕型汽車的生產(chǎn)基地之一，擁有嘉陵、建設(shè)、長(zhǎng)安等大公司。我省也是電器生產(chǎn)的重要基地，儀器儀表生產(chǎn)廠也較多，因此對(duì)壓鑄件的需求量很大，這就帶動(dòng)了我省壓鑄行業(yè)的發(fā)展。據(jù)全國(guó)鑄造協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，1992年，我省有壓鑄廠點(diǎn)57個(gè),壓鑄專業(yè)人員200人壓鑄工人1500人，分別占全國(guó)的7%、916%和613%，而壓鑄件產(chǎn)量卻只有5232噸僅占全國(guó)4

4、17%。但近年來(lái)，隨著汽車、摩托車生產(chǎn)的擴(kuò)大，廠點(diǎn)已超過(guò)100個(gè)，新購(gòu)置的壓鑄機(jī)以400噸以上為主，年產(chǎn)量112至113萬(wàn)噸。還有些規(guī)模較大的專業(yè)工廠。如成都興光壓鑄有限公司和崇州亨通壓鑄廠現(xiàn)各有壓鑄機(jī)近40臺(tái),年產(chǎn)量3000噸左右，分別向嘉陵和建設(shè)公司提供壓鑄件，前者正積極進(jìn)行技術(shù)改造，引進(jìn)外資，準(zhǔn)備投資1億多元，購(gòu)置大型進(jìn)口壓鑄生產(chǎn)線和模具加工設(shè)置完成改造后，生產(chǎn)能力可達(dá)年產(chǎn)8000噸壓鑄件。這將使我省的壓鑄工業(yè)邁上一個(gè)新臺(tái)階。但是，我們應(yīng)該清醒地看到，我省與經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的東部地區(qū)比較，還有很大的差距。雖然我省廠點(diǎn)和場(chǎng)地較多，但產(chǎn)量低。原因在于小機(jī)器多，開(kāi)工率不高，這就需要增大投入，提高機(jī)器的

5、性能和噸位，提高壓鑄件的質(zhì)量和精度，從而提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和市場(chǎng)占有率?？v觀國(guó)內(nèi)外壓鑄工業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r，它的發(fā)展是隨著相關(guān)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展而發(fā)展的。隨著各行業(yè)對(duì)高精度鑄件的需求量越來(lái)越大，采用其它工藝方法生產(chǎn)的相當(dāng)一部分鑄件會(huì)逐漸改為壓鑄生產(chǎn),從而將推動(dòng)壓鑄工業(yè)持續(xù)地高速發(fā)展。2正在發(fā)展的新技術(shù)211半固態(tài)壓鑄半固態(tài)成形法自60年代由MIT凝固研究室提出后，各國(guó)技術(shù)人員都在進(jìn)行研究，將這種工藝方法用于工業(yè)生產(chǎn)。近年來(lái)，半固態(tài)金屬壓鑄法發(fā)展得較快。1994年在日本東京召開(kāi)了第三屆國(guó)際半固態(tài)壓鑄會(huì)5。會(huì)議上布勒公司介紹了用臥式壓鑄機(jī)生產(chǎn)SSM(Semi-SolidMetal)的原理和方法。美國(guó)Alumax公司

6、用此法生產(chǎn)空調(diào)器零件，對(duì)每個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行浸漏檢查，僅有011%不合格，目前該公司正修建一個(gè)年產(chǎn)2400萬(wàn)件的新工廠。美CarnahamofThixomat公司在壓室中放入鎂合金粒子，當(dāng)加熱到固液相共存溫度區(qū)時(shí)，用螺旋推進(jìn)器送入型腔，用此方法公司已生產(chǎn)了50萬(wàn)件手動(dòng)工具。歐洲Weber公司用SSM法為Fiat汽車生產(chǎn)燃料箱5。212引進(jìn)擠壓鑄造原理，生產(chǎn)壓鑄件壓鑄過(guò)程中，氣體不易排出。而擠壓鑄造施壓直接，不易包氣，壓鑄工作者將兩者結(jié)合起來(lái)，充分發(fā)揮兩者優(yōu)點(diǎn)。具體方法有兩種：一種為直接擠壓，直接在沖頭作型腔形狀進(jìn)行壓射；另一種為慢速充填，型腔充滿后，再用一沖頭施擠壓力。后者為間接擠壓法。英國(guó)Frech

7、公司已采用此法生產(chǎn)壓鑄件。213大力開(kāi)展CAD，CAM和CAE計(jì)算機(jī)用于壓鑄行業(yè)是大勢(shì)所趨。目前計(jì)算機(jī)用于壓鑄件中主要進(jìn)行以下方面的工作：(1)分析鑄件結(jié)構(gòu)，進(jìn)行澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)；(2)設(shè)計(jì)壓鑄模，通過(guò)人機(jī)對(duì)話，設(shè)計(jì)出壓鑄模具全套圖紙;(3)模擬金屬在模具中的流動(dòng)，熱傳導(dǎo)，溫度場(chǎng)以及應(yīng)力場(chǎng)；(4)在設(shè)計(jì)模具時(shí)，輸出CNC數(shù)據(jù)，用于數(shù)控機(jī)床加工。(1) 目前，國(guó)外比較成熟的用于壓鑄的商業(yè)化軟件有以下幾種Magma軟件,模擬金屬流動(dòng)和優(yōu)化設(shè)計(jì)各種鑄件和模具，用于工作站。(2) Procast，用于各種鑄件金屬流動(dòng)分析和模具設(shè)計(jì)，主要服務(wù)于精鑄和金屬模。用于工作站。(3) Castherm，澳大利亞CS

8、IRO專門(mén)為壓鑄模設(shè)計(jì)的軟件，二維方式，邊界元法，工作快，可用于PC機(jī)，價(jià)格便宜。3模具材料的發(fā)展用于壓鑄模型腔的材料主要有三種鋼材。W系熱作模具鋼3Cr2W8V鋼是傳統(tǒng)的熱作模具鋼，使用溫度可達(dá)650C，但由于導(dǎo)熱性較差，冷熱疲勞性差,在國(guó)外已被銘系和鉗系熱作鋼代替8。在國(guó)內(nèi)，仍有不少?gòu)S繼續(xù)使用它，這除了長(zhǎng)期使用的習(xí)慣外，也與它自身的優(yōu)點(diǎn)分不開(kāi)：良好的鍛造性，來(lái)源廣。近年來(lái)廣泛使用的水基涂料促進(jìn)了裂紋發(fā)生，國(guó)內(nèi)外一些專家認(rèn)為除了W含量高對(duì)其裂紋有影響外，C量較高(013014%)也是一個(gè)因素。因此，美、英、日都傾向下降碳量在01250135之間。國(guó)外仍有很多工廠用此鋼材壓鑄銅合金件。Cr系熱

9、作模具鋼該鋼種典型牌號(hào)為H13,我國(guó)4Cr5MoSiVi為國(guó)標(biāo)。在使用溫度不超過(guò)600C時(shí)，可代替3Cr2W8V，使用溫度低于W系，不適用于壓鑄銅合金件。這種鋼材截面尺寸效應(yīng)大，當(dāng)截面超過(guò)120mm以后，心部韌性顯著下降。同時(shí)，這種鋼熱膨脹系數(shù)仍較大，導(dǎo)熱系數(shù)不高，容易產(chǎn)生熱疲勞裂紋。國(guó)外加強(qiáng)了對(duì)這種模具鋼的研究10，推薦采用優(yōu)質(zhì)H13，這種鋼材的成分與理論值更接近，在熔煉方式上不采用我國(guó)主要使用的ERS(電渣重熔)法,而使用VAR(真空電弧重熔)法。這樣可以達(dá)到最低的硫量(<01003%),最低的非金屬夾雜和氧化物。晶粒細(xì)小均勻,無(wú)大塊碳化物集聚。瑞典ASSAB公司8407熱作模具鋼即

10、為這種鋼材，一些工廠通過(guò)與國(guó)產(chǎn)H13鋼材的使用，證明這種鋼材可大幅度提高模具壽命。Ni、Co系熱作模具鋼這種鋼材的化學(xué)成分重要的特點(diǎn)是含碳小于0101%,Ni和Co的含量較高，加入適量的Mo和少量的Ti。美國(guó)的CrucibleMaterials公司生產(chǎn)的CrucibleMarlok就是這樣一種馬氏體時(shí)效鋼。典型成分為Ni18%Mo5%,Co11%,Ti013%,C<0101%,S<01003%,采用真空氧化脫碳法(VOD)生產(chǎn)。它的特點(diǎn)是：(1)硬化在AC溫度線下完成，屬?gòu)浬?qiáng)化過(guò)程。無(wú)論多厚，全截面均為馬氏體組織;(2)由于不是奧氏體冷卻相變，所以變形最小，可以省去精加工后的熱處

11、理。(3)其熱強(qiáng)度韌性和延展性，是H13的兩倍，可顯著減少熱裂。(4)模具表面很少發(fā)生熔接或沖蝕，易拋光。這種鋼材的缺點(diǎn)是價(jià)格高約為H13的412倍。但由于模具加工過(guò)程中熱處理簡(jiǎn)單和熱處理后模腔的修正被取消，節(jié)約了加工成本，在長(zhǎng)期工作中，模具無(wú)需維修保養(yǎng)，也使成本下降，加之模具的壽命為H13模具的3至4倍，故實(shí)際使用的成本下降。據(jù)介紹，某輪椅踏板模具原用H13僅為7萬(wàn)次，采用這種材料后為23萬(wàn)次，加上加工費(fèi)下降，實(shí)際每件鑄件成本由原來(lái)的5美分下降到2美分。由于Co元素較少且貴，近來(lái)在以上成分的基礎(chǔ)上發(fā)明了少Co和無(wú)Co的材料,Ni和Mo的量沒(méi)有變化,Ti的含量有所提高，但材料的性能和使用特點(diǎn)基

12、本保持不變。W基合金對(duì)特殊型芯，國(guó)外有采用W基合金的。W占90%以上，其余為Ni、Fe和Mo與H13相比，它具有三至四倍的導(dǎo)熱性和三分之一的膨脹率，非常適用于無(wú)法用水冷卻的小鑲塊和型芯。使用前無(wú)需熱處理，硬度僅為HRC30。典型牌號(hào)為Anvilloy1150,其使用壽命為H13的五倍。但該材料成本太高，約10倍于H13發(fā)展與研究方向北美壓鑄協(xié)會(huì)(NADCA)在1994年年會(huì)上提出壓鑄行業(yè)今后要解決以下四個(gè)方面的問(wèn)題。4.11改善壓鑄件的可靠性市場(chǎng)預(yù)測(cè)指出，鋁結(jié)構(gòu)壓鑄件的需求會(huì)在今后有大幅度提高。因此，提高壓鑄件質(zhì)量的可靠性是十分迫切的。在生產(chǎn)時(shí)必須控制壓鑄件的缺陷與氣體含量，而且要有很好的重復(fù)

13、性和穩(wěn)定性。這需要研究澆口與排氣道的設(shè)計(jì)與效果，研究模具抽氣的方法與效果。在生產(chǎn)工藝上，引進(jìn)擠壓鑄造技術(shù)原理生產(chǎn)壓鑄件。NADCA計(jì)劃開(kāi)展一個(gè)新的研究課題，使用臥式壓鑄機(jī)生產(chǎn)高質(zhì)量的擠壓鑄件，以滿足市場(chǎng)需求。4.12改善合金質(zhì)量金屬熔體中的雜質(zhì)，如氧化物夾雜，不僅惡化壓鑄件的性能，也影響其鑄造性。加強(qiáng)關(guān)于雜質(zhì)對(duì)壓鑄件性能和對(duì)合金鑄造工藝性影響的研究，在此基礎(chǔ)上提出一個(gè)合金清潔度標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)將根據(jù)壓鑄件的機(jī)械性能和合金所需的鑄造性能，確定熔體應(yīng)達(dá)到的清潔度水平。同時(shí)，由于壓鑄過(guò)程中金屬高速凝固，變質(zhì)處理能否象在其它鑄造中起到提高鑄件的機(jī)械性能的作用，這也需要進(jìn)行研究。4.13改善模具壽命提高模具壽命歷來(lái)是壓鑄工作者不斷追求的目標(biāo)。有三個(gè)途徑：一是改進(jìn)H13鋼的熱處理工藝，充分利用其優(yōu)良性能；二是發(fā)展優(yōu)質(zhì)鋼，研究性能更好的能代替H13的優(yōu)質(zhì)鋼材；三是發(fā)明各種永久或半永久涂層，提高型腔表面抗熱裂性和抗液態(tài)合金浸蝕的能力，尤其是在熱壓室壓鑄機(jī)的升液管上的涂層的研究，將有可能導(dǎo)致利用熱室壓鑄機(jī)生產(chǎn)鋁合金壓鑄件。4.14利用工藝模擬，提高首件成功率計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)大量用于模具CA