簡(jiǎn)述壓力鑄造技術(shù)

-.z.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(lái)開(kāi)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(guó)外在1872年創(chuàng)造了世界上第一臺(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年創(chuàng)造了立式冷室壓鑄機(jī)。1.2我國(guó)壓鑄技術(shù)的開(kāi)展我國(guó)的壓鑄件工業(yè)化生產(chǎn)開(kāi)場(chǎng)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)；開(kāi)展到今天國(guó)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3150KN以下立式冷室壓鑄機(jī)。1.3近幾年國(guó)際壓鑄技術(shù)的開(kāi)展⑴壓鑄計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)分析壓鑄過(guò)程有了大的理論突破。⑵壓鑄機(jī)和輔助設(shè)備方面有了很大的開(kāi)展。⑶壓鑄產(chǎn)品檢測(cè)方面，特別是內(nèi)部缺陷的無(wú)損檢測(cè)：如*射線、熒光、超聲波探測(cè)等得到了開(kāi)展。⑷壓鑄模具材料和壽命的開(kāi)展。⑸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。⑹壓鑄材料的開(kāi)展，如鎂合金及金屬基復(fù)合材料。⑺壓鑄新技術(shù)的開(kāi)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*圍2.1壓鑄工藝過(guò)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30~70MPa，充型速度可達(dá)5~100m/s，充型時(shí)間為0.05~0.2s。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)的主要構(gòu)造簡(jiǎn)圖如圖2-1所示。圖2-1壓鑄機(jī)主要構(gòu)造簡(jiǎn)圖拉桿；2—合模座；3—?jiǎng)幽Ｗ?—定模座；5—壓鑄模2.2壓鑄的特點(diǎn)〔1〕優(yōu)點(diǎn)①生產(chǎn)率高，壓鑄機(jī)沒(méi)小時(shí)可壓鑄50～150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；②鑄件的尺寸精度高，標(biāo)準(zhǔn)公差可達(dá)IT8～11；外表粗糙度低，Ra=0.8～3.2,可直接鑄造出螺紋；③由于在壓力下凝固，且速度快，因此，鑄件晶粒細(xì)小、外表緊實(shí)、強(qiáng)度和硬度高；④便于采用鑲鑄法〔嵌鑄法〕。〔2〕缺點(diǎn)①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)展熱處理；②對(duì)內(nèi)凹復(fù)雜的鑄件，壓鑄較為困難；③高熔點(diǎn)合金〔如銅，黑色金屬〕，壓鑄型壽命較低；④不宜小批量生產(chǎn)，其主要原因是壓鑄型制造本錢高，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*圍和注意點(diǎn)①壓鑄是實(shí)現(xiàn)少無(wú)切削加工的精細(xì)鑄造技術(shù)，在汽車、航空、儀表、國(guó)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)。②鑄件壁厚均勻，以3-4mm的壁厚為宜，最大壁厚應(yīng)小于8mm，以防止縮孔、縮松等缺陷。③鑄件不宜進(jìn)展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。④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。⑤鑄件應(yīng)盡量防止機(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(kāi)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)展壓射。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(guò)程如圖3-1所示。(c)壓射室充滿〔d〕壓射完畢圖3-1臥式冷室壓鑄機(jī)工作過(guò)程整個(gè)過(guò)程經(jīng)澆注，沖頭前進(jìn)、壓射開(kāi)場(chǎng)，壓射室充滿，壓射完畢等工序。這些過(guò)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(guò)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(guò)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Ⅰ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Ⅱ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(méi)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)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Ⅲ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Ⅳ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(guò)程示意圖如圖3-3。圖3-3臥室壓鑄機(jī)壓鑄過(guò)程示意圖澆道；2—型腔；3—金屬液澆入口；4—金屬液；5—壓射沖頭；6—?jiǎng)幽＃?—定模；8—頂桿；9—鑄件及涂料臥式壓鑄優(yōu)點(diǎn)：①構(gòu)造簡(jiǎn)單，操作程序少，生產(chǎn)效率高，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；②金屬消耗少；③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(guò)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(kāi)場(chǎng)階段時(shí)，返料沖頭8上升將噴嘴口6擋住，然后往壓射2中參加適量金屬液，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(guò)程完畢。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(guò)程示意圖1—壓射沖頭；2—壓室；3—金屬液；4—定模；5—?jiǎng)幽＃?—噴嘴；7—型腔；8—返料沖頭；9—余料3.2.1立式壓鑄優(yōu)點(diǎn)：①有余料切斷、頂出功能；②空氣不易隨金屬進(jìn)入壓室；③金屬液進(jìn)入型腔經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)折，壓力消耗大。3.3熱室壓鑄熱室壓鑄的工作過(guò)程如圖3-5所示。當(dāng)壓射沖頭3上升時(shí)，金屬液1通過(guò)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；冷卻后壓射沖頭上升，多余的液體金屬回流至壓室中，然后翻開(kāi)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(wú)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(guò)程示意圖1—金屬液；2—坩堝；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)構(gòu)造示意圖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)展選用，一般應(yīng)從下述兩方面進(jìn)展考慮：〔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)展調(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)?！?〕按鑄件構(gòu)造及工藝參數(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)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(guò)壓鑄機(jī)壓定的額定容量，但也不能過(guò)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(shuō)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)新開(kāi)展壓鑄件的主要缺陷是氣孔和疏松，通常不能進(jìn)展熱處理。為了解決此問(wèn)題，目前主要有兩個(gè)途徑：一是改良現(xiàn)有設(shè)備；二是開(kāi)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防止壓鑄過(guò)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)的真空度大小又可將真空壓鑄分為普通真空壓鑄和高真空壓鑄。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(guò)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—?jiǎng)幽Ｗ?—?jiǎng)幽０惭b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)展快速壓射，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，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(guò)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(kāi)場(chǎng)向右進(jìn)展壓射。真空壓鑄法的優(yōu)點(diǎn)①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)械性能和外表質(zhì)量，改善鍍覆性能；②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；③可以改善填充條件，可壓鑄較薄鑄件；真空壓鑄法的缺點(diǎn)①密封構(gòu)造復(fù)雜，制造及安裝困難；②真空壓鑄法假設(shè)控制不當(dāng)，壓鑄效果不明顯。4.2充氧壓鑄充氧壓鑄是將枯燥的氧氣充入壓室和壓鑄模型腔內(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)生化合反響，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)展熱處理；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，充氧壓鑄的構(gòu)造簡(jiǎn)單、操作方便、投資少。局限性：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.熔液和氧氣完全反響下的鑄造條件優(yōu)化比擬難。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(kāi)場(chǎng)壓射時(shí)，兩個(gè)壓射沖頭同時(shí)前進(jìn)；當(dāng)充填完畢，型腔到達(dá)一定壓力后，限時(shí)開(kāi)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。這種方法的根本特征是：1〕內(nèi)澆口較厚，一般為3～5mm；2〕充填速度較低，一般為4～6m/s；3〕壓鑄后用內(nèi)壓射沖頭補(bǔ)充加壓。此時(shí)比壓是3500KN～10000KN，內(nèi)壓射沖頭的行程為50～150mm。4〕控制鑄件的凝固。4.4定向、抽氣、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(guò)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(guò)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)展加氧，以到達(dá)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)展強(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)展壓鑄。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(wú)湍流，卷入的空氣少；由于半固態(tài)收縮小，所以鑄件不易出現(xiàn)疏松、縮孔，故提高了鑄件質(zhì)量。5.典型壓鑄