特种铸造之压力铸造

4.压力铸造定义:

压力铸造(Pressure

Casting/Die

Casting/High

PressureDieCasting)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。

半固态——semisolid;semisolidstate

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。

高压——作用在金属上的压力可为几个到几十个MPa，有时甚至达200MPa。充填速度——充型线速度约为0.5~75m/s，有时可高达120m/s。相应的充型时间则很短，一般为0.01~0.2s。Die——模具；冲模；压模——引申为：一种硬模铸造

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。

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。

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Ra5～0.32微米，尺寸精度可达4～7级，锌合金压铸件的最小壁厚为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，逐步扩大到其它各个工业部门，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、加氧压铸、精速密压铸以及可溶型芯的应用等新工艺。

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3.5~45MPa，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（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：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；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；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，由顶杆把铸件顶离动型。

30~300MPa工作压力压射活塞浇勺压室反活塞动型定型顶杆但压射机构复杂；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；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：

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；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；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：在铸型合拢锁紧后，浇入一次压铸所需合金至压室，压室左端部分设在定型中；压射活塞左移，金属在活塞压力下进入压铸型；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。

30~300MPa工作压力压射活塞浇勺压室动型定型顶杆ColdChamberDiecastingM/C–HorizontalIPCold-chamberdiecastingmachine卧式冷压室压铸机的应用较广泛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）；浇道短，拐弯少，金属充型时的压力和热量损失都少，可较好提高铸件的致密度；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在此机器上，金属液在型内流程短，活塞压力的损失小；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。还可在此种机器上利用压铸件装配组合其他零件。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。②活塞快速压射、型腔充填阶段金属液在活塞压力作用下经浇道快速充填型腔一般活塞的移动速度约为1000~1200mm/s；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：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；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；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③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0.01~0.02s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50~500MPa。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：如果浇口横截面积较小（浇口截面积f/型腔截面积F>(1/3~1/4)）反向流动平稳，金属液以小的旋转涡流形式移动；如果浇口截面积较大（f/F<1/3），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，直冲浇口对面的型壁，但是随后进入型腔的金属液不会在该处积聚回填，而是沿型壁向四周分流，在型壁上组成一完整的“薄壳”层。第二阶段决定硬度通过首先在型腔的角落、凹陷处积聚的紊流金属液区域的扩大、连接，使型腔被充满第三阶段决定强度浇注系统、型腔和压室中的金属组成一封闭的流体系统，其中压力分布一致。压力创建液体流速压力降低铸造应力B勃兰特（Brandt）理论1937——不同于Frommer压铸时，金属经浇口流入型腔后即扩大其断面在后续进入型腔金属的补充下，沿型腔整个断面向正对浇口的另一端型腔填充，直至充满型腔。层流充填金属流中不会卷入型腔中的气体，也不会有涡流现象，浇道和型腔中的金属几乎同时开始凝固。几种理论假设的适用范围I在大多数压铸的场合Frommer和Barton提出的形态是存在的。同时当金属流流入速度过大时，会出现飞溅现象II如果压射金属液由浇口进入型腔之初，金属流上所受的压力突然增大有可能出现金属流喷射式进入型腔的现象。这种喷射会堵塞型腔的排气道，喷射的金属液滴也易氧化。这种情况应尽可能避免。II厚壁铸件常使用厚度较大的内浇口和非常小的金属流速度（“慢速压铸工艺”），特别是在半固态金属压铸时，容易出现Brandt提出的形态。4.2压力铸造工艺

在压铸生产中，压铸机、压铸合金和压铸型是三大要素。压铸工艺则是将三大要素作有权的组合并加以运用的过程。使各种工艺参数满足压铸生产的需要。1、

压力和速度的选择

压射比压的选择，应根据不同合金和铸件结构特性确定。对充填速度的选择，一般对于厚壁或内部质量要求较高的铸件，应选择较低的充填速度和高的增压压力；对于薄壁或表面质量要求高的铸件以及复杂的铸件，应选择较高的比历和高的充填速度。合金铸件壁厚<3mm铸件壁厚>3mm结构简单结构复杂结构简单结构复杂锌合金30000400005000060000铝合金30000350004500060000铝镁合金30000400005000065000镁合金30000400005000060000铜合金30000700008000090000表

常用压铸合金的比压(kPa)2、浇注温度

浇注温度是指从压定进入型腔时液态金属的平均温度，由于对压室内的液态金属温度测量不方便，一般用保温炉内的温度表示。浇注温度过高，收缩大，使铸件容易产生裂纹、晶粒粒大、还能造成粘型；浇注源度过低，易产生冷隔、表面花纹和浇不足等缺陷。因此浇注温度应与压力、压铸型温度及充填速度同时考虑。3、压铸型的温度

铸型在使用前要预热到一定温度，一般多用煤气、喷灯、电器或感应加热。在连续生产中，压铸型温度往往升高，尤其是压铸高熔点合金，升高很快。温度过高除使液态金属产生粘型外，铸件冷却缓慢，使晶粒粗大。因此在压铸型温度过高时，应采期冷却措施。通常用压缩空气、水或化学介质进行冷却。

4、充填、持压和开型时间1）充填时间自液态金属开始进入型腔起到充满型腔止，所需的时间称为充填时间。充填时间长短取决于铸件的体积的大小和复杂程度。对大而简单的铸件，充填时间要相对长

些，对复杂和薄壁铸件充填时间要短些。充填时间与内浇口的截面积大小或内浇口的宽度和厚度有密切关系，必须正确确定。

2）持压和开型时间从液态金属充填型腔到内浇口完全凝固时，继续在压射冲头作用下的持续时间，称为持压时间。持压时间的长短取决于铸件的材质和壁厚。持压后应开型取出铸件。从压射终了到压铸打开的时间，称为开型时间，开型时间应控制准确。开型时间过短，由于合金强度尚低，可能在铸件顶出和自压铸型落下

时引起变形；但开型时间太长，则铸件温度过低，收缩大，对抽芯和顶出铸件的阻力亦大。一般开型时间按铸件壁厚1毫米需3秒钟计算，然后经试任调整。

5、压铸用涂料压铸过程中，为了避免铸件与压铸型焊合，减少铸件顶出的摩擦阻力和避免压铸型过分受热而采用涂料。对涂料的要求：

1）

在高温时，具有良好的润滑性；

2）

挥发点低，在100～150℃时，稀释剂能很快挥发；

3）

对压铸型及压铸件没有腐蚀作用；

4）

性能稳定在空气中稀释剂不应挥发过决而变稠；

5）

在高温时不会析出有害气体；

6）

不会在压铸型腔表面产生积垢。名称配比%配制方法使用范围胶体石墨(油剂)成油用于铝合金对防粘型效果压射冲头,压室和易咬合部分天然蜂蜡块状或保持在温度不高于85度的熔融状态用于锌合金的成形表面要求光洁的部份氧化钠水3-597-95将水加热至70-80度再加氧化钠搅拌均匀用于由于合金冲刷易产生粘型的部位石墨机油将石墨研磨过筛(200度)加入40度左右的机油电搅拌均匀1用于铝合金

2用于压射冲头,压室部分效果良好锭子油30-50度成品用于锌合金做润滑常用的压铸涂料及配置方法

6、铸件清理

铸件的清理是很繁重的工作，其工作量往往是压铸工作量的10～15倍。因此随压铸机生产率的提高，产量的增加，铸件清理工作实现机械化和自动化是非常重要的。

1）切除浇口及飞边切除浇口和飞边所用的设备主要是冲床，液压机和摩擦压力机，在大量生产件下，可根据铸件结构和形状设计专用模具，在冲床上一次完成清理任务。

2）表面清理及抛光表面清理多采用普通多角滚筒和震动埋入式清理装置。对批量不大的简单小件，可用多角清理滚筒，对表面要求高的装饰品，可用布制或皮革的抛光轮抛光。对大量生产的铸件可采用螺壳式震动清理机。清理后的铸件按照使用要求，还可进行表面处理和浸渍，以增加光泽，防止腐蚀，提高气密性。

压力铸造工艺特征与其它铸造方法相比，压铸有以下三方面优点：

1.产品质量好铸件尺寸精度高，一般相当于6~7级，甚至可达4级；表面光洁度好，一般相当于5~8级；强度和硬度较高，强度一般比砂型铸造提高25~30％，但延伸率

降低约70％；尺寸稳定，互换性好；可压铸薄壁复杂的铸件。例如，当前锌合金压铸件最小壁厚可达0.3mm；铝合金铸件可达0.5mm；最小铸出孔径为

0.7mm；最小螺距为0.75mm。

2.生产效率高机器生产率高，例如国产JⅢ3型卧式冷空压铸机平均八小时可压铸600～700次，小型热室压铸机平均每八小时可压铸3000~7000次；压铸型寿命长，一付压铸型，压铸钟合金，寿命可达几十万次，甚至上百万次；易实现机械化和自动化。

3.经济效果优良由于压铸件尺寸精确，表泛光洁等优点。一般不再进行机械加工而直接使用，或加工量很小，所以既提高了金属利用率，又减少了大量的加工设备和工时；铸件价格便易；可以采用组合压铸以其他金属或非金属材料。既节省装配工时又节省金属。压铸虽然有许多优点，但也有一些缺点，尚待解决。如：

1).压铸时由于液态金属充填型腔速度高，流态不稳定，故采用一般压铸法，铸件易产生气孔，不能进行热处理；

2).对内凹复杂的铸件，压铸较为困难；

3).高熔点合金（如铜，黑色金属），压铸型寿命较低；

4).不宜小批量生产，其主要原因是压铸型制造成本高，压铸机生产效率高，小批量生产不经济。4.3压铸件设计压铸机压射压力压射速度精确设计分型面、浇注系统排气系统第一步第二步4.3.1压铸件分型面的选择铸型多分为两半，即定型和动型。其选择原则大多与金属型铸件相同。区别之处有：

1、分型面最好通过铸件的最大截面；

2、应使铸件在开型后留在动型内，以便在动型移动过程中利用顶出机构取出铸件；

3、铸件相互尺寸精度要求高的部位应放在同一半型内；

4、铸件分型面应尽可能不通过铸件外表面，以免在铸件外表面上留下分型痕迹；

5、把分型面选择在铸件爱女需机加工的面上，有利于控制铸件精度，去除铸件飞边，并改善外观；

6、分型面应有利于浇注系统和排气系统的布置（可作为排气通道）；

7、尽可能避免形成过深的型腔。4.3.2压铸件浇注系统的设计（1）不同类型压铸机上的浇注系统结构类型不同的压铸机上有压射系统的不同布置方案，因此引起了浇注系统的不同。（2）直浇道的设计A典型的立式冷压室压铸机上的直浇道喷嘴+浇口套+定型上的相应孔洞B卧式冷压室压铸机上的压铸件上的浇注系统的直浇道与压射余料合二为一。在定型上作为压室的延长段用专门的浇口套形成。所以直浇道的直径与压室的直径相同。C热压室压铸机用的直浇道其中心孔由分流锥形成，较长。（3）内浇口的设计设计压铸件浇注系统时很重要的一点是选择内浇口的设置点，即选择铸件上金属液的流入处。一般在大多数压铸型中，内浇口都设置在分型面上。4.4压铸型设计压铸型是实现压铸的主要工艺装备，它的设计质量和制造质量与铸件的形状精度、表面质量和内部质量以及生产操作的顺利程度有直接的关系，更为重要的是，压铸型制造好以后，在修改的可能性已不大了，其价格很高，制造周期长，所以在压铸型设计时必须细致分析铸件的结构和工作性能的要求，充分考虑生产现场的操作过程和工艺参数可实施的程度，才能设计出结构合理、切合实际并能满足生产要求的压铸型。4.4.1压铸型的总体结构型架部分成形部分浇注系统抽芯机构——是阻碍铸件冲压铸型内取出的成型部分,都必须作成活