特种铸造之压力铸造

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1、4. 压力铸造 定义: 压力铸造(Pressure Casting/Die Casting/High Pressure Die Casting)是液态或半固态金属在活塞的高压作用下以较 高的速度充填铸型型腔,并在压力作用下凝固而获得铸件 的方法。 p 半固态态semisolid; semi solid state 半固态是指合金内既存 在球团状固相又存在流体液相的两相状态.半固态铸 造是合金在凝固过 程中,进行剧烈搅拌或控制固-液温度区间,得到半固态组织 ,然后浇注 成形的方法。 20世纪70年代初美国麻省理工学院的学者开始半固态研 究。 p 高压压作用在金属上的压力可为几个到几十个MPa，有

2、时甚至 达200MPa。 p 充填速度充型线速度约为 0.575m/s，有时可高达120m/s。相 应的充型时间则 很短，一般为0.010.2s。 p Die模具；冲模；压模引申为：一种硬模铸铸造 p 1838年美国人G.布鲁斯首次用压力铸造法生产印报的铅字，次年 出现压 力铸造专利。 p 19世纪60年代以后，压力铸造法得到很大的发展，不仅能生产锡 铅合金压铸 件、锌合金压铸 件，也能生产铝合金、铜合金和镁合 金压铸 件。 p 20世纪30年代后又进行了钢铁压 力铸造法的试验 。 用压力铸造可制造形状复杂 的铸件，压铸件的表面粗糙度为 Ra50.32微米，尺寸精度可达 4 7级，锌合金压铸件

3、的最小壁 厚为0.4毫米。压铸 件的尺寸和 重量，取决于压铸 机的功率。 由于压铸 机的功率不断增大， 铸件形尺寸可以从几毫米到1 2m；重量可以从几克到数十公 斤。国外可压铸 直径为 2m，重 量为50kg的铝铸 件。 徐州科比特开发生产的管道型轴流通风机， 叶轮采用铝合金压力铸造 压铸 是最先进的金属成型方法之一，是实现 少切屑，无切屑的有效 途径，应用很广，发展很快。目前压铸 合金不再局限于有色金属的锌、 铝、镁和铜，而且也逐渐扩 大用来压铸铸铁 和铸钢 件。压力铸造法适 用于大批量生产的铸件，生产效率高，生产过程容易实现机械化和自动 化。 压铸 件也不再局限于汽车工业和仪表工业，逐步扩

4、扩大到其它各个工 业业部门门，如农业 机械、机床工业、电子工业、国防工业、计算 机、医 疗器械、钟表、照相机和日用五金等几十个行业。在压铸 技术方面又出 现了真空压铸压铸 、加氧压铸压铸 、精速密压铸压铸 以及可溶型芯的应应用等新工艺。 真空压铸铝件 真空压铸镁合金 4.1 铸造在压力下成形特征 压铸的成形原理是将熔凝型较好的金属，如铝、镁、 铜等熔融合金，以快速高压机械性质注入金属模具（耐高 热钢）内，利用钢模较低的温度急速凝固成形的铸造方式 。 4.1.1 压铸机的工作原理 压铸机有热压室和冷压室之分，热压室是指压铸机上 给铸件金属施加压力的空间浸泡在熔融的金属液中，而 冷压室的周围则没有

5、特殊的加热措施。冷压室压铸机根 据压室在空间位置的不同又可分为立式、卧式和全立式 三种。 不同类型压铸机上的铸件压铸过程是不一样的。 （1）热压室压铸机工作过程 热压室压铸机（简称热空压铸机）压室浸在保温溶化坩埚的液态 金属中，压射部件不直接与机座连接，而是装在坩埚上面。这种压铸 机的优点是生产工序简单，效率 高；金属消耗少，工艺稳定。但压 室，压射冲头长期浸在液体金属中，影响使用寿命。并易增加合金的 含铁量。热压室压铸机目前大多用于压铸锌合金等低熔点合金 铸件 ，但也有用于压铸小型铝、镁合金压铸件。 A 活塞式热压室压铸机 喷嘴左端和压铸型上的直浇道口相接 ，坩埚和压室（压力容器）一般都用铸

6、铁 铸成一体，在坩埚外面用燃气或电阻丝加 热。压铸时，活塞式热压室压铸机上的活 塞上提，金属液从坩埚流入压室，活塞下 压，把压室内金属液经鹅颈、喷嘴压入铸 型。 铸件 铸件 B 气压式热压室压铸机 压铸开始时，用金属流入阀把鹅颈上 的孔洞堵死，向压力容器通入一定压力 的压缩空气，把压力容器中金属经鹅颈 、喷嘴压入铸型。活塞上升或撤去压缩 空气，喷嘴和鹅颈肿未凝固的金属液又 返回压室或压力容器中，在活塞上升的 同时，打开压室上的进液门（金属流入 阀），坩埚中的金属液自动流入压室， 补充已经进入铸型形成铸件的金属液。 活塞式热压 室压铸 机 可根据金属液充型的要求分级加 压，则作用压力可达3.54

7、5MPa， 铸件质量得到保证。 气压式热压 室压铸 机 压力不能达到很高，只能生产 不重要的铸件。 生产效率较低 生产效率较高，当压力容器内的金 属液可供几次压铸 需要时，则不必 每压铸 一次就开启一次金属流入阀 。 比较比较 （2）立式冷压室压铸机工作过程 下图为 立式冷压室压铸 机的压射机构简图 ，表明了一个压铸过 程 的三个阶段： p 浇入一次压铸 所需合金至压室，而反活塞封住金属进入型腔的通道； p 压射活塞下压，反活塞下移，打开金属进入型腔的通道，金属在活塞 压力下进入压铸 型； p 铸件成形后反活塞上升，从直浇道上切断浇注余料，送出压室，动型 向左移动，带出铸件和浇道，由顶杆把铸件

8、顶离动型。 p 30300MPa工作压力 压射活塞 浇勺 压室 反活塞 动型 定型 顶 杆 p 但压射机构复杂； p 活塞加压方向与压室中金属流动方向 成直角，故压力损失大； p 直浇道长，消耗金属量达。 目前新制造的 立式冷压室压铸机越来越少。 特点： p 在立式冷室压铸机上即可浇注液态合金，又可浇注粥 状半固态合金； p 并且压射金属时不会把压室内空气卷入金属一起进入 型腔； p 便于把浇道设置在铸件的中心部位，缩短金属在型腔 中的流程。 （3）卧式冷压室压铸机工作过程 下图为卧式冷压室压铸机的压射机构简图，表明了一个压铸过程的三 个阶段： p 在铸型合拢锁紧后，浇入一次压铸所需合金至压室

9、，压室左端部分设 在定型中； p 压射活塞左移，金属在活塞压力下进入压铸型； p 动型左移，打开铸型，带出铸件和浇道、余料一起左移，由顶杆把铸 件顶离动型。 p 30300MPa工作压力 压射活塞 浇勺 压室 动型 定型 顶 杆 Cold Chamber Diecasting M/C Horizontal IP Cold-chamber die casting machine 卧式冷压室压铸机的应用较广泛 p 在此种压铸机上既可浇注液态合金，也可浇注呈半固 体状态的半固态合金（触变铸造），但较难浇注粥状的 半固态合金（无法在压室中流动）； p 浇道短，拐弯少，金属充型时的压力和热量损失都少 ，

10、可较好提高铸件的致密度； p 开型时直接把浇注余料带出定型，可省却顶走余料的 操作时间 p 压射机构简单，使用中故障少，易维护。 压室内合金与空气接触面积达，压铸时压室中合金会卷 进气体进入型腔，而且压室中金属表面易氧化，氧化渣 也可能被送进型腔； 在卧式冷压室压铸机上必须使用专门切断浇注余料的机 构或复杂的压铸型，才能把浇口设置在铸件的中心部位 。 （3）全立式冷压室压铸机工作过程 下图表示了全立式冷压室压铸机上的铸件压铸过程： 水平分型的压铸型，下半型为定型，压室设在定型中央；上半型 为动型，由压铸机顶部的液压缸带动上下移动。 铸型打开 向压室中 浇注金属液 上半型下降， 合上铸型 压射活

11、塞上移把 金属液压入型腔 铸件凝固后，上半型上移，铸件随上半型脱离下 半型，上移到一定高度后，由顶杆机构顶下铸件 压射活塞 顶杆 p 在此机器上，金属液在型内流程短，活塞压力的损失小 ； p 开型时直接带出余料，工序简单，压射机构店但，机器 占地面积小，易于放置镶铸件，特别适用于胃电动机毡子 的铁心导线槽压铸铝液，并可同时铸出短路环和风扇叶片 。 p 还可在此种机器上利用压铸件装配组合其他零件。 p 但是在此机器上装斜和维护铸型比较麻烦，生产效率较 前两种冷压室压铸机低。 4.1.2 压铸时金属流的特征 压力铸造过程的主要特征就是金属在高压作用下的高速填充型腔。 因此欲掌握压铸件成型实质，主要

12、就应了解压力铸造时金属充型过程中 的所受压力变化，充型时金属的流动形态，以便采取合适的技术措施， 充分运用压铸时金属充型特殊现象的有利方面，避免和克服此现象可能 带来的负面影响，高效地制造出质量符合要求的压铸件。 1、压铸时金属所受压力和活塞移动速度 以卧式冷压室压铸机为例 压室全断面充满阶段 一般金属液所占压室体积只占压室整体体积的75%以下 ，所以活塞开始移动后，首先推动金属液全断面充满压室靠 近铸型一端的部分压射活塞的速度从0开始上升，活塞前 段金属液面抬高和传布。 A 活塞移动的加速过慢 则可能会使液面上波峰的前 进传布速度大于活塞的移动速度 ，当波峰前进传布到达压室的左 端面时，在波

13、峰后面的金属液面 上还有一个充满空气的空间，最 后反流波峰和活塞面上升高的金 属液便会在压室中裹进被封死的 空气进入压铸型，使铸件中形成 气孔。 第一级增压 压铸件气体卷入的模拟结果及实验验证 B 活塞移动的加速过快 在活塞端面前可能会形成液流 的波峰，它也会把空气裹入金属液 ，在铸件中形成气孔。 C 活塞移动速度适当 随着活塞的移动，在活塞端面 前形成充满压室整个断面的液面 抬高短，随着活塞的继续前进， 一次增加抬高段的程度，把压室 内空气向左挤，进入型腔，通过 排气通道进入大气。 瑞士已有技术实现活塞移动的等加速压射系统，可获得理 想压室全断面的充满过程。 活塞快速压射、型腔充填阶段 金属

14、液在活塞压力作用下经浇道快速充填型腔 n一般活塞的移动速度约为10001200mm/s； n型腔填充时间仅为十分之几秒至百分之几秒； 活塞施加在金属液上的压力增大，在加上活塞 移动的高速度，使得金属液能够克服在浇道和型腔中 流动时所遇到的阻力，表现出很好的充型能力。由于 金属液本身一部分能量消耗于摩擦和它本身运动的动 能，所以金属上的压力比压室中金属液的压力小。 在型腔被金属充满的时刻，快速流动的金属液突然速度降低为 零，金属液的动能瞬间便为压力： p 这一压力促使金属液更紧密的贴近型腔表面，完成最后的充型； p 同时也更进一步的改善了金属液与型壁间的热传导，促使压铸件 晶粒变得很细小； p

15、还可使金属液中裹进的气泡体积变小，减小了铸件中气孔的危害 。 第二级增压 增压、保压阶 段 先进的压铸 机上，在压铸结 束的末了都有一个突然增高 活塞上压力的空置机构，使得在0.010.02s时间 内活塞上的压 力可以突然升到某一设定值，一方面抵消充型重点金属液所产 生的反压力，同时也争取在压铸 性内内浇道凝固前加大压室 中金属液上的压力，增大这部分金属的补缩 能力，进一步提 高铸件的致密度。此一增大的压力值一直保持到型内铸件完全 凝固。最终的压力值可为50500MPa。 第三级增压 2、压铸时金属填充型腔的形态理论假设 A 弗洛梅尔（Frommer）理论 Frommer 1932 1 当金属

16、流经浇 口进入型腔后，仍 保持浇口的断面直向型腔远端的对面 型壁射去； 2 待到达对面型壁厚，在此处的型 腔中聚积，消失了冲击力后，沿型壁在 整个型腔断面上反向移动。型腔中的空 气和随金属六进入型腔的空气依靠金属 液充型时的压力挤出型外： n 如果浇口横截面积较 小（浇口截面 积f/型腔截面积F(1/31/4)）反向流动 平稳，金属液以小的旋转涡 流形式移 动； n 如果浇口截面积较 大（f/F1/3）， 则液流速度高，返回流回呈现为 强烈 的涡状紊流。 B 巴顿（Barton）理论 1944 对Frommer的修正 第一阶段 决定铸件表面质量 金属液经浇口射出型腔 后，仍保持金属流断面 不变，直冲浇口对面