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1、第二章压铸过程原理及常用压铸合金,第一节 压铸压力和压铸速度 第二节 液态金属充填铸型的特点 第三节 常用压铸合金,第一节 压铸压力和压铸速度,压铸的特点是高压和高速充填，现在就对压力和速度在压铸过程中的变化和作用加以分析。 一、压铸压力 二、压铸速度,一、压铸压力,压铸压力在压铸工艺中是主要的参数之一，压铸压力可以用压射力和压射比压两种形式来表示。,压射力来源于高压泵，它是压铸机压射机构中推动压射活塞的力，其大小随压铸机的规格不同而异。压射力可用下式来计算： 式中，FY是压射力（N）；pg是液压系统的管路工作压力（Pa） ; AD是压铸机压射缸活塞的截面积（m2），D是压射缸活塞的直径（m）
2、。,当有增压机构工作时，压射力为： 式中，pgZ是压射缸内增压后的液压压力（Pa）。,压射比压是压室内金属液在单位面积上所受的压力，其值可用下式计算： 式中，Pb是压射比压（Pa）； FY是压射力（N）；Ad是压射冲头（近似压室）截面积（m2），d为压射冲头直径（m）。 从式中可看出压射比压与压铸机的压射力成正比，而与压射冲头的截面积成反比，所以压射比压可以通过调整压射力和压室内径来实现。,在压铸过程中，作用在液体金属上的压射比压并非是一个常数，而是随着压射阶段的变化而改变。液体金属在压室与压铸模中的运动可分解为四个阶段，图2-1表示在不同阶段，压铸过程中压射比压的变化曲线。 第一阶段I：慢速
3、封孔阶段 第二阶段：充填阶段 第三阶段：增压阶段 第四阶段：持压阶段,第一阶段I：慢速封孔阶段,压射冲头以慢速前进，封住浇口。低的压射速度是为了防止液体金属在越过压室浇注孔时溅出和有利于压室中气体的排出，减少液体金属卷入气体。液态金属被推动，其所受压力pd也较低，此时pd仅用于克服压室与液压缸对运动活塞的摩擦阻力。,第二阶段：充填阶段,本阶段在压射冲头作用下，液体金属将完全充满压室至浇道处的空间，并由于内浇道处的阻力而出现小的峰压，液体金属在压力Pc的作用下，以极高的速度在很短的时间内充填型腔。,第三阶段：增压阶段,充填结束时，液体金属停止流动，由动能转变为冲击压力。压力急剧上升，并由于增压器
4、开始工作，使压力上升至最高值。这段时间极短，一般为0.020.04s，称为增压建压时间。,第四阶段：持压阶段,本阶段的主要任务是使铸件在最终静压力Pj下凝固，而达到使铸件致密的目的。所需最终静压力Pj的大小与合金的种类、状态（粘度、密度）和对铸件的质量要求有关，一般为50500MPa。如果在最终压力达到Pj时浇往系统中的金属仍处于液态或半固态，则压力Pj将传给凝固中的铸件，缩小铸件中的缩孔、气泡，改善铸件表面质量（特别是在半固态压铸时）。,由上述可知，在压铸过程中作用在熔融合金上的压力以两种不同的形式和作用出现。其一是熔融合金在流动过程中的流体动压力，作用主要是完成充填和成形过程；其二是在充填
5、结束后，以流体静压力形式出现的最终压力（其值明显大于动压力），它的作用是对凝固过程中的合金进行“压实”。最终压力的有效性，除与合金的性质及铸件结构的特点有关外，还取决于内浇道的形状、大小及位置。 实际上，由于压铸机压射机构的工作特性各不相同，以及随着铸件结构形状不同，熔融合金充填状态和工艺操作条件不同，压铸过程压力的变化曲线也会出现不同的形式。,二、压铸速度,在压铸中，压铸速度有压射速度和充填速度两个不同概念。压射速度是指压铸机压射缸内的液压推动压射冲头前进的速度；充填速度是指液体金属在压力作用下，通过内浇道进入型腔的线速度。 速度和压力是密切相关的两个工艺参数，因此除有适当的比压外，还必须正
6、确地选择速度。充填速度是根据合金的特性和铸件的结构特点来确定的。充填速度不能偏高或偏低，过低会使铸件轮廓不清，甚至不能成形；过高则会引起铸件粘型和铸件内孔洞增多等问题。,影响充填速度有三个因素，即压射速度、比压和内浇道截面积。首先分析压射速度和内浇道截面积对充填速度的影响。根据等流量连续流动方程式，可得 式中，v冲是压射冲头速度，即压射速度(m/s); A冲是压射冲头截面积（m2）；d是压室内径（m）；v充是充填速度（m/s）；A内是内浇道截面积（ m2 ）。,由式（2-5）可知，液体金属充填铸型的线速度与压室直径的平方、冲头的压射速度成正比，而与内浇道的截面积成反比关系，因此可以通过改变上述
7、三因素的数值，调整充填速度。其中压室直径的变化，可以较显著地改变充填速度；与此同时，压射比压的数值也会随同变化。 因压铸模上的内浇道断面积在修改时只能扩大，不能缩小，所以通过变化内浇道的截面积来调整充填速度是不太方便的。而压射速度的调节，可通过调整压铸机上的压力阀来实现。在生产中，应根据具体条件去确定调整因素。,根据水力学原理，压射比压与充填速度间的关系可用下式来表示： 式中，v充是充填速度（m/s); g是重力加速度（m/s2）；Pb是压射比压（Pa）；是液体金属的重度（N/m3）。,因为液体金属是粘性液体，在流经浇注系统时会因摩擦而引起动能损失，故式(2-6)可改写为： 式中，是阻力系数，
8、 0.358。 由此可见，充填速度与压射比压的平方根成正比，而与金属重度的平方根成反比，因而压射比压大，充填速度高；金属重度大，充填速度就低。,总之，我们可以看到压力和速度是相辅相成而又相互制约的两个基本参数。为适应各种铸件对压铸工艺不同的要求，压铸压力和压铸速度都应做到无级调整。一般情况是压铸压力高时，铸件质量较好。为使压力更好地完成“充填”、“成形”和“压实”任务，在制定压铸工艺时必须充分考虑各个因素之间的影响。,第二节 液态金属充填铸型的特点,如前所述，在压力铸造过程中，液体金属在高压力的作用下以高的速度在极短的时间内充满型腔，因而能够获得尺寸精确、表面光洁的铸件。 液体金属充填铸型的过
9、程是一个非常复杂的过程，弃涉及到流体动力学和热力学的一些理论问题，并且与许多因素有关，如液体金属的粘度、表面张力、重度及结晶温度范围；铸件的形状、内浇道形状及位置、铸件与内浇道两者截面积之比；压射比压及充填速度以及压铸过程的热参数等。,为了探明压铸时液体金属充填铸型的真实情况，长期以来人们进行了一系列的试验研究工作；提出了各种充填理论，但这些论点都是在特定的试验条件下得到的，有一定局限性，要求人们在应用中具体情况具体分析，使充填理论进一步完善和深化。典型的金属充填理论归纳起来主要有如下几种： 一、喷射充填理论 二、全壁厚充填理论 三、三阶段充填理论,一、喷射充填理论,1932年弗洛梅尔(Fro
10、mmer)提出了在压力作用下，液体金属充填铸型的第一个理论。他从锌合金压铸的实践经验中推导出结论：认为液体金属的充填过程是遵循流体力学定律，并且有摩擦和涡流现象。液体金属充填矩形型腔时的运动特性和内浇道截面与型腔截面积之比值（A内/A）有关。,当液体金属在压力作用下进入型腔，射流在撞击对面型壁之前，保持其初始时的方向及截面形状。在撞击型壁后，该处液体金属将形成扰动的聚集区，继续充填，则扰动更加明显，其中部分被称为“前流”的液体金属的流束，在增长着的聚集区前面沿型壁向内浇道方后折回。“前流”部分的液体金属量与射流截面的大小、速度及金属液的粘度有关。由于“前流” 对型壁的摩擦及热量损耗而使流速减慢
11、，以致聚集区追上“前流”。在返回充填型腔的过程中，产生剧烈的涡流现象。这一充填过程如图2-2所示。,当以低的充填速度及（A内/A）1/3时，除液体金属聚集区的前沿部分稍有扰动外，其余部分则相当稳定，而且随着聚集区增长，充填过程越来越平稳。反之，当（A内/A）1/3时，在高的充填速度下，整个充填过程中，聚集区发生激烈扰动。在聚集区追上“前流”以前，型腔被液体金属填充部分的长度与液体金属填充速度和温度、型腔的形状以及铸型的温度等因素有关。充分的排气是减小涡流和减少铸件内卷入气体的重要条件。,二、全壁厚充填理论,勃兰特（Brandt）1937年提出了另一种充填理论，他用铝合金压入一个矩形截面的铸型中
12、，为了验明液体金属在型腔内的充填情况，在型腔内布置了一些触点并将它们与仪器和记录装置联起来。根据试验结果认为：液体金属压入型腔后，随即扩展至型壁（见图2-3），然后沿着整个型腔截面向前流动，直至型腔全部被液体金属充满为止。这种充填理论还认为，无论内浇道截面积与型腔截面积之比值大小如何，流动形态不受影响。由于液体金属是以“全壁厚”形态向前推进，犹如“液态活塞”，充填时不仅不产生涡流现象，而且型腔中的气体很容易得到充分的排除。,三、三阶段充填理论,巴顿(Barton)在考察了勃兰特、柯斯特（Koester )和戈林(Goehring )等人的研究工作后，他同意弗洛梅尔的理论，并且认为只有这样才能解
13、释从大量废品、未压完整的及最好的铸件中所观察到的现象。假定弗洛梅尔的理论是正确的，巴顿认为在整个铸造过程中有温度梯度的影响及熔融金属内部和靠近金属模具界面的金属层的速度的差异。认为金属流过型腔表面的方式很大程度决定了型腔表面粗糙度、流痕的出现、搭接和其他缺陷。在此基础上，1944年巴顿提出了新的理论，认为液体金属充填铸型的过程是一个包含着流体动力学和热力学的复杂过程，充填过程可以分为三个阶段，如图2-4所示。,第一阶段：液体金属以接近内浇道的形状进入型腔，首先冲击对面的型壁，并在该处沿型壁向型腔四周扩展流向内浇道。在金属流过的型壁上形成铸件的外壳，又称薄壳层。 第二阶段：随后进入的液体金属沉积
14、在薄壳层内的空间进行充填，直至充满。 第三阶段：在型腔完全充满的同时，压力通过处于尚未凝固的中心部分作用在铸件上，型腔内的金属得到压实。 巴顿还认为，充填过程的三个阶段对铸件质量所起的作用是不同的。第一阶段是铸件的表面质量；第二阶段是铸件的硬度；第三阶段是铸件的强度。,以上是早期的三种典型的充填理论。由于在压铸过程中，充填铸型是在极短时间内完成的，并且因为过程是不连续的、变化迅速以及铸型是不透明的，因而不可能直接观察到铸型内的充填过程。此外，充填过程还与压射工艺参数、铸件及内浇道的形状以及两者截面积之比、压铸合金的性能等因素有关。因此，对充填理论一直存在着不同的看法。,弗洛梅尔的充填理论为许多
15、试验所证实，故能为大多数人所接受。例如，柯斯特和戈林曾设计了一副形状和尺寸与勃兰特试验时相似的压型，其两侧镶以抗热玻璃，通过高速摄影拍下充填过程的情景，结果却与弗洛梅尔充填理论基本相符，从而否定了勃兰特理论。他们认为勃兰特的错误结论是因试验时失误所致，即在充填时，由于液体金属飞溅使型腔内电触点过早地闭合，因而反映了偶然的不确实的情况。实际上，勃兰特的充填情况只有在低压力和低的合金温度下才有可能出现。,科普夫（Kopf）曾在压铸机上安装测试仪器，通过示波器将压铸过程中压力和速度的变化显示出来，再将其拍摄下来。最后对示波器图像进行分析所得结论：进入型腔内液体金属的动能决定着充填形态。如果内浇道处的
16、液体金属的动能大于型腔内的流动阻力，则按弗洛梅尔理论充填；反之，则按勃兰特理论充填。现在人们已经清楚地意识到，对于液体金属充填铸型过程的认识，对确定排气道的位置及基本压铸参数是重要的。,第三节 常用压铸合金,一、对压铸合金的要求 二、压铸合金分类及主要性质 三、压铸合金的选用,一、对压铸合金的要求,要生产质量优良的压铸件，除了有设计合理的零件结构和形状、具备完善的压铸模和工艺性能优越的压铸机外，还需要有性能良好的合金材料。 合金材料的性能包括使用性能和工艺性能两个方面。使用性能是铸件的使用条件对合金提出的一般要求，包括物理、化学、力学性能等。至于工艺性能，对压铸来说，根据压铸的工艺特点，用于压铸的合金应具有以下性质：,1）高温下有足够的强度和可塑性，无热脆性（或热脆性小）。 2）尽可能小的线收缩率和裂纹倾向，以免压铸件产生裂纹，使压铸件有较高的尺寸精度。 3）结晶温度范围小，防止压铸件产生过多的缩孔和疏松。 4）在过热温度不高时有足够的流动性，便于填充复杂型腔，以获得表面质量良好的压铸件。 5）与型壁产生的物理一化学作用的倾向小，以减
