压铸模具设计之常用压铸合金的性能与熔炼

压铸模具设计电子工业出版社第2章压铸合金早期的压铸件是用铅、锡、锑等低熔点合金制造的，但应用于机械制造领域，这些合金并不是很理想的结构材料。要获得优质压铸件，除了要有合理的零件结构，完善的压铸模具和性能良好的压铸机外，还需要充分考虑压铸合金的使用性能、工艺性能、生产条件和经济性等多种因素。目前常用的压铸合金是铝合金、锌合金、镁合金和铜合金，铅、锡合金现在仅用于个别场合。近年来，黑色金属压铸特别是不锈钢的压铸已有一定的进展，但仍处于初始阶段，目前仅有很少量的应用。第2章压铸合金2.1压铸用合金性能2.2常用压铸合金2.3压铸合金的熔炼第2章压铸合金2.1压铸用合金性能1．具有足够的高温强度和可塑性，热脆性要小2．结晶温度范围小，流动性好，产生气孔、缩松的倾向小3．尽可能小的收缩率，产生热裂、冷裂和变形的倾向小第2章压铸合金2.2常用压铸合金2.2.1压铸锌合金1．压铸锌合金的特点锌合金的压铸性能很好，具有结晶温度范围小、不易产生疏松，填充成形容易，浇注温度较低，模具的使用寿命较长，不易粘附模具型壁和铸件精度较高等特点。同时，机械性能优良，特别是抗压和耐磨性都很好。此外，锌合金铸件能够很好地进行各种表面处理，尤其是电镀，故在压铸发展史中，锌合金压铸占有相当重要的地位。第2章压铸合金但锌合金存在着严重的缺点，首先是老化现象，它是锌合金应用范围受到限制的主要原因。尺寸变化也是锌合金压铸件的重要问题。锌合金的工作温度范围较窄，温度低于零下10℃时，其冲击韧性急剧降低；温度升高时，机械性能下降，且易发生蠕变。第2章压铸合金2．压铸锌合金标准第2章压铸合金3.压铸锌合金中各种元素的作用（1）铝铝含量一般在3.5～4.5％范围内。铝可以减少熔融的锌对黑色金属的侵蚀，当在这个含量范围内时，铁在430℃仍不溶于锌溶液中。同时，铝又能细化晶粒、强化合金，随着铝含量的提高，合金的强度及冲击韧性均有显著提高。但当铝含量超过4.5％时，对机械性能的改善不再有显著的作用，冲击韧性却反而降低很多。铝含量大于5％时，合金变脆；而小于3.5％时，则填充性能和机械性能均有所降低，增加了热裂性和收缩量。（2）铜加入铜这一元素，能显著地遏止晶间腐蚀，并且合金的强度和硬度都有所提高。当铜的含量超过1.5％时，其抗蚀性就不再继续提高。铜含量达到4％以上时，冲击强度将降低。（3）镁镁的含量很少，但对晶间腐蚀现象有显著地降低。其含量至少为0.03％，一般以0.04％为宜。但当铅、锡、镉等杂质含量较多时，镁的作用不太显著。镁含量超过0.08％时，会使合金有热脆性，并降低冲击强度和填充性能。此外，镁还略有细化晶粒和提高硬度的作用。（4）铅、锡、镉等杂质这些杂质除了引起晶间腐蚀现象之外，微量的锡、镉的存在，还会显著增加合金的热裂性。（5）铁、硅等杂质铁杂质会产生硬质的铁铝化合物。铁含量过多时，对机械加工性能、电镀前的抛光和填充性能都有影响。硅杂质是随着铝的加入而带入的，硅不溶解于锌中，而以结晶硅出现。故硅含量即使很少，对机械加工性能也是不利的。第2章压铸合金2.2.2压铸铝合金1．压铸铝合金的特点铝合金具有良好的压铸性能，密度比锌合金小；比强度大；相对单位刚性值高；高温机械性能也很好，在低温下工作时，同样保持良好的机械性能（尤其是韧性）。铝的表面有一层与铝结合得很牢的致密的氧化膜，故大部分铝合金在淡水、浓硝酸、硝酸盐、汽油及各种有机物中均有良好的耐蚀性。氧化铝膜的化学稳定性及熔点都很高，故在高温工作时，仍有良好的抗蚀性和抗氧化性能。铝合金的导电性和导热性都很好，并且还具有良好切削性能。铝有较大的比热和凝固潜热，大部分的铸铝合金均有较小的结晶温度间隔，组织中亦常含有相当数量的共晶体，其线收缩较小，故具有良好的填充性能、较小的热裂倾向。但铸铝合金仍有相当大的体收缩值，易在最后凝固处生成大的集中缩孔。铝合金和铁有很强的亲和力，易粘模，宜在冷室压铸机上压铸。铝合金在许多方面特别是使用性能方面比锌合金优越。因此，铝合金的压铸发展极迅速，在各个工业部门中得到广泛的应用，用量远远高于其他有色合金，在压铸生产中占有极其重要的地位。第2章压铸合金2．压铸铝合金标准第2章压铸铸合金第2章压铸铸合金3．压铸铝铝合金中中各种元元素的作作用（1）硅硅硅是大多多数压铸铸铝合金金中的主主要组元元。硅与与铝能组组成固溶溶体，当当合金中中含硅量量超过共共晶成分分，而铜铜、铁等等杂质又又多时，，即出现现游离硅硅的硬质质点。硅硅含量愈愈高，游游离硅愈愈多，因因而增加加了切削削加工的的困难。。（2）铜铜铜和和铝组组成固固溶体体，当当温度度为548℃时，铜铜在铝铝中的的溶解解度为为5.65％，室室温时时降至至0.1％左右右。含含铜4～5％的铝铝合金金具有有良好好的铸铸造性性（仅仅次于于铝硅硅合金金）。。增加加含铜铜量时时，合合金内内呈现现出共共晶体体（α+CuAl2)，提高高了合合金的的流动动性、、抗拉拉强度度和硬硬度，，但降降低了了耐蚀蚀性和和塑性性，热热裂趋趋向增增大。。（3）镁含含镁镁高的的铝合合金是是一种种最坚坚固的的工业业铸铝铝合金金，具具有良良好的的加工工性，，其比比重在在铝合合金中中也是是最小小的。。（4）锌锌锌在在铝合合金中中能提提高流流动性性，但但在高高硅铝铝合金金中，，锌使使合金金的热热裂趋趋向增增加，，而耐耐蚀性性也有有所降降低，，故应应控制制锌的的含量量在规规定范范围内内。只只有当当合金金中铜铜的含含量达达到0.8％时，，锌的的含量量才允允许有有稍微微的增增加。。（5）铁含含有有少量量的铁铁（0.6～1.4％）对对压铸铸来说说是有有益的的，可可以减减少合合金对对模具具的粘粘附。。但也也不宜宜过高高，降降低机机械性性能，，特别别是冲冲击性性和塑塑性，，这种种组织织还会会使合合金的的流动动性减减低，，热裂裂性增增大。。（6）锰锰锰在在铝合合金中中能减减少铁铁的有有害影影响。。锰含含量在在0.4％以下下时，，尚能能增加加塑性性。合合金中中锰含含量高高时，，会引引起偏偏析。。（7）锡、、铅这这两两种元元素均均能改改善合合金加加工性性，但但会引引起严严重晶晶间腐腐蚀，，降低低合金金的耐耐蚀性性和高高温时时增加加热脆脆性（（当含含量为为0.5～1％）。。第2章压铸合合金2.2.3压铸镁合金金1．压铸镁合合金的特点点在各种压铸铸用的合金金中，镁合合金的最大大优势是密密度最小（（1.76～1.83g/cm3），只相当当于铸铁的的25％，铝合金金的64％左右，而而机械性能能又很好。。镁合金的的强度接近近铝合金，，其比强度度明显高于于铝合金和和钢，比刚刚度则与铝铝合金和钢钢相当。与与工程塑料料相比，虽虽然工程塑塑料尤其是是纤维增强强塑料的比比强度最高高，但其弹弹性模量很很小，比刚刚度远小于于镁合金。。因此，承承受弯曲载载荷的结构构件的轻量量化，以采采用镁合金金压铸件更更为合适。。镁合合金金的的熔熔点点低低，，低低温温变变形形小小，，在在低低温温下下（（达达-196℃℃）仍仍有有良良好好的的机机械械性性能能，，故故可可制制造造在在低低温温下下工工作作的的零零件件。。镁合合金金铸铸件件尺尺寸寸精精度度高高，，与与铁铁的的亲亲和和力力小小，，粘粘模模现现象象少少，，有有利利于于提提高高生生产产率率和和模模具具寿寿命命。。镁镁合合金金良良好好的的流流动动性性利利于于复复杂杂件件和和细细小小件件的的成成型型。。镁镁合合金金在在承承受受冲冲击击载载荷荷时时，，能能吸吸收收较较大大的的冲冲击击能能量量，，对对声声音音和和振振动动具具有有良良好好的的消消减减功功能能。。镁合合金金液液易易氧氧化化燃燃烧烧，，铸铸造造时时热热裂裂倾倾向向比比铝铝合合金金大大，，在在熔熔化化、、浇浇注注和和模模温温控控制制等等方方面面都都比比铝铝合合金金压压铸铸复复杂杂。。镁镁合合金金可可用用冷冷室室或或热热室室压压铸铸机机压压铸铸。。一一般般情情况况下下，，小小铸铸件件采采用用热热室室压压铸铸，，大大件件则则采采用用冷冷室室压压铸铸工工艺艺。。第2章压压铸铸合合金金2．压压铸铸镁镁合合金金标标准准第2章压压铸铸合合金金第2章压压铸铸合合金金3．压压铸铸镁镁合合金金中中各各种种元元素素的的作作用用（1）铝压压铸铸用的的镁合合金中中，铝铝为基基本组组元。。铝与与镁组组成固固溶体体，在在共晶晶温度度(436℃℃)时，其其溶解解度为为12.6％。铝铝还与与镁形形成Mg3A12、Mg4A13或β(MgAl)和镁的的共晶晶体。。铝在在合金金中能能提高高强度度、硬硬度，，但降降低其其耐蚀蚀性。。由于于铝的的比重重较小小，是是镁合合金的的最好好强固固剂。。（2）锰锰锰在在650℃时，在在镁中中的溶溶解度度为3.4％；温温度下下降时时，溶溶解度度急剧剧下降降，在在400℃左右仅仅0.2％，到到200℃时，溶溶解度度为零零。锰锰在合合金中中大大大提高高其耐耐蚀性性，而而以含含锰量量为1.35％时的的耐蚀蚀性最最佳。。同时时还能能中和和铁在在合金金中的的有害害作用用；含含锰量量不多多时(0.5％以下下)，能改改善合合金的的机械械性能能。（3）硅硅硅几几乎不不溶于于镁，，在600℃时，其其溶解解度不不超过过0.1％。硅硅和镁镁形成成熔点点为1102℃℃的化合合物Mg2Si，此化化合物物与镁镁形成成熔点点为638℃的共晶晶体。。少量量的硅硅(0.5％)能改善善合金金流动动性和和造型型性，，但降降低塑塑性和和耐蚀蚀性(特别是是合金金中含含有铁铁时)。（4）锌锌锌与与镁形形成熔熔点为为341℃的共晶晶体。。在共共晶温温度时时，锌锌在镁镁中的的溶解解度为为8.4％。含含锌量量在0.8％时，，能提提高合合金的的流动动性和和机械械性能能，同同时，，还有有抑制制铁和和镍降降低合合金耐耐蚀性性的作作用。。但当当其含含量大大于2％时，，会引引起合合金热热脆性性。（5）铁铁铁不不溶于于镁，，而存存在于于晶粒粒之间间。当当合金金中有有锰时时，则则铁与与锰组组成化化合物物沉淀淀。铁铁降低低合金金机械械性能能和耐耐蚀性性，是是极为为有害害的杂杂质，，应严严加控控制。。第2章压铸合合金2.2.4压铸铜合金金1．压铸铜合合金的特点点压铸件具有有节约材料料的特点，，而铜又是是一种价格格昂贵的金金属材料，，因此，铜铜合金压铸铸件的应用用范围正在在不断扩大大。目前虽虽然熔点高高，模具使使用寿命短短，但因为为铜合金所所具有的许许多优越性性能，所以以，铜合金金在压铸生生产中仍然然比较普遍遍。铜合金金的力力学性性能高高，其其绝对对值超超过锌锌、铝铝和镁镁等合合金。。铜合金金在大大气中中及海海水中中都有有良好好的抗抗蚀性性能，，并且且具有有小的的摩擦擦系数数，耐耐磨性性也很很好，，而且且疲劳劳极限限和导导热性性都很很高，，线膨膨胀系系数也也较小小，故故多用用于制制造耐耐磨、、导热热或受受热时时希望望尺寸寸增大大不多多的零零件。。铜合金金的导导电性性能也也很好好，并并且具具有抗抗磁性性能，，常用用来制制造不不允许许受磁磁场干干扰的的仪器器上的的零件件。压铸铜铜合金金时，，压铸铸温度度接近近或高高于1000℃℃，工作作条件件极为为恶劣劣，压压铸模模使用用寿命命短。。如何何提高高铜合合金压压铸模模使用用寿命命，是是铜合合金压压铸件件应用用的关关键问问题。。要提提高铜铜合金金压铸铸模使使用寿寿命，，就必必须大大力发发展和和选用用压铸铸模新新钢种种并采采用新新技术术。第2章压压铸合合金2．压铸铸铜合合金标标准第2章压压铸合合金第2章压压铸合合金2.3压铸合金金的熔炼炼2.3.1熔炼设备备熔炉压铸铸生产过过程用的的熔炉有有熔化炉炉和保温温炉。在在小量生生产和压压铸机少少的情况况下，常常常是在在保温炉炉内直接接进行熔熔化，然然后精炼炼使用。。压铸合金金的熔炉炉以坩埚埚炉为主主，根据据热源的的不同可可分为燃燃料炉和和电炉。。电炉既既可用于于熔炼，，也可用用于保温温。压铸生产产中常用用的坩埚埚材料有有石墨和和金属两两种。在在熔炼锌锌合金、、铝合金金和铜合合金时，，均可采采用石墨墨坩埚。。石墨坩坩埚不能能用来熔熔炼镁合合金，因因为硅元元素是所所有镁合合金都不不宜存在在的杂质质。同样样，对含含镁量高高的铝合合金，也也不能用用石墨坩坩埚熔化化。金属属坩埚一一般用于于锌、铝铝、镁合合金的熔熔炼。金金属坩埚埚的材料料多为铸铸铁、铸铸钢和钢钢板焊接接等几种种。材料料为铸铁铁的坩埚埚，耐热热性差，，容易损损坏，但但价格低低廉，制制造容易易，生产产中广泛泛使用，，熔化锌锌合金多多用铸铁铁坩埚；；熔化铝铝合金可可用普通通灰铸铁铁、耐热热铸铁、、铸钢或或钢板焊焊接的坩坩埚；熔熔化镁合合金可用用铸钢或或低碳钢钢板焊接接的坩埚埚，但不不能用含含镍的钢钢坩埚。。除坩埚炉炉外，在在压铸生生产中，，也采用用一些其其他形式式的电炉炉，如高高频或中中频感应应电炉、、电弧炉炉。这些些炉子多多用于铜铜合金的的熔炼。。第2章压铸铸合金2.3.2压铸合金金的熔炼炼1．锌合金金的熔炼炼（1）为了防防止锌合合金的““老化””，除了了选用高高纯度的的新材料料外，还还应严格格控制熔熔炼过程程，防止止有害杂杂物混入入；对回回炉料的的成分及及有害杂杂质应经经化验分分析，确确定其含含量后才才能投入入使用，，混杂在在回炉料料中的铁铁及其他他杂质要要清除掉掉。（2）锌的沸沸点低，，易蒸发发，易氧氧化。锌锌过热时时，对组组织和力力学性能能均有影影响，故故要严格格控制熔熔炼温度度，一般般为440~480℃℃范围围内内，，并并且且还还应应加加有有覆覆盖盖剂剂。。（3）先先加加入入熔熔点点较较高高的的铝铝锭锭、、铝铝铜铜中中间间合合金金，，然然后后加加人人回回炉炉料料和和锌锌，，并并撒撒上上一一层层20mm厚覆覆盖盖剂剂，，最最后后用用钟钟罩罩压压入入镁镁锭锭，，除除去去覆覆盖盖层层，，用用占占料料重重0.25％～～0.3％的的精精炼炼剂剂精精炼炼，，除除渣渣后后浇浇成成铸铸锭锭或或转转保保温温炉炉待待用用。。第2章压压铸铸合合金金2．铝铝合合金金的的熔熔炼炼（1）当当用用金金属属锭锭及及中中间间合合金金熔熔炼炼时时，，首首先先是是装装入入金金属属锭锭，，然然后后再再装装入入中中间间合合金金。。当当用用预预制制合合金金锭锭、、回回炉炉料料熔熔化化时时，，则则首首先先是是装装入入此此类类炉炉料料，，然然后后再再装装入入为为调调整整化化学学成成分分所所需需加加入入的的金金属属锭锭或或中中间间合合金金；；对对于于一一些些易易于于损损耗耗、、熔熔点点低低的的炉炉料料，，应应该该在在熔熔炼炼末末期期加加入入，，如如镁镁和和锌锌，，它它们们是是在在其其他他炉炉料料熔熔化化完完以以后后，，于于温温度度达达到到690～700℃℃时加加入入。。（2）炉炉料料装装入入后后，，即即开开始始了了各各种种炉炉料料的的熔熔化化过过程程，，在在这这个个过过程程中中应应尽尽量量缩缩短短熔熔炼炼时时间间，，并并严严格格控控制制炉炉温温，，以以防防止止合合金金液液过过热热，，因因为为熔熔炼炼时时间间越越长长，，合合金金液液过过热热度度越越高高，，合合金金液液吸吸气气和和氧氧化化将将加加剧剧。。特特别别是是采采用用坩坩埚埚炉炉熔熔炼炼或或保保温温更更应应注注意意。。压压铸铸用用铝铝合合金金要要在在熔熔剂剂的的保保护护下下进进行行熔熔炼炼和和保保温温，，以以防防合合金金液液吸吸气气和和产产生生氧氧化化夹夹杂杂物物。。（3）为了了除去去合金金液中中的气气体和和氧化化夹杂杂物，，铝合合金熔熔炼过过程中中要进进行精精炼。。目前前广泛泛使用用各种种无公公害的的精炼炼剂。。第2章压压铸合合金3．镁合合金的的熔炼炼（1）熔炼炼工具具与金金属液液接触触时，，其上上粘有有很多多熔渣渣和氧氧化物物，必必须经经常用用熔剂剂进行行清洗洗，为为此要要在熔熔炉旁旁边另另设置置一个个熔剂剂熔化化坩埚埚，将将熔剂剂熔化化并加加热至至760～800℃，以便便熔炼炼工具具在使使用之之前，，浸入入其内内洗涤涤干净净，经经过洗洗净的的工具具再预预热到到暗红红色后后才能能使用用。洗洗涤坩坩埚中中的熔熔剂，，在每每一工工作班班中，，应清清理1～2次，以以除去去其中中的脏脏物，，并根根据熔熔剂的的消耗耗量和和洗涤涤能力力的减减弱，，往洗洗涤坩坩埚中中添加加新的的熔剂剂。洗洗涤剂剂应定定期更