压铸及模具设计 第1.2.章new 学习课件

压铸工艺及模具设计广东工业大学材料与能源学院刘可如

教材：压铸工艺与模具设计杨裕国参考书：压铸工艺及模具赖华清

铸造工艺

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砂型铸造

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金属型铸造

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特种铸造

压力铸造重力铸造

低压铸造

熔模铸造陶瓷型铸造

连续铸造

离心铸造

真空铸造

第一章绪论一、压铸的实质及工艺过程压力铸造概念:將溶融的合金在高压、高速条件下充型并在高压下冷却凝固成型的一种精密铸造方法,简称压铸。它的最终产品是压铸件。第一章绪论压铸过程第一章绪论第一章绪论二、压铸的特点高速充填:通常浇口速度达30～60m/s之间；充填时间很短:通常为0.01～0.03s之间；高压充填:5～

1500MPa

；金属液在压铸模内的冷卻速度快。第一章绪论

一、优点：①可以制造形状复杂、轮廓清晰、薄壁深腔的金属零件；第一章绪论

一、优点：②压铸件的尺寸精度高，表面粗糙度值低，互换性好；尺寸精度可达IT11~IT13级，最高可达IT9级；表面粗糙度达Ra0.8~3.2μm。③材料利用率高；压铸件一般不再进行机械加工（或加工量很小，只需经过少量的机械加工）即可装配使用。其材料利用率约为60%-80%，毛坯利用率达90%。第一章绪论

一、优点：④可以直接嵌铸其他材料的嵌件；⑤压铸件组织致密，有较高的强度和硬度；由于金属液是在高压下凝固的，且因充填时间很短，冷却速度极快，故在压铸件上靠近表面的一层金属的晶粒较细、组织致密，因此压铸件表面硬度高而且具有良好的耐磨性和耐蚀性。压铸件抗拉强度比一般砂型铸造提高25%~30%。第一章绪论

一、优点：⑥易实现自动化生产、生产率高。在所有铸造方法中，压铸是一种生产率最高的方法。一般冷室压铸机平均每班可压铸600~700次。另外压铸模具寿命长，一副压铸模具，压铸铝合金其寿命可达几十万次，甚至上百万次。第一章绪论

二、缺点：①压铸件常有气孔及氧化夹杂物存在；压铸时由于金属液的充填速度极快，型腔中的气体很难完全排出，从而产生气孔，降低了压铸件的质量。另外，高温时气孔内的气体膨胀会使压铸件表面鼓泡。故压铸件一般不能进行热处理，也不宜在高温下工作。第一章绪论

二、缺点：②不适合小批量生产；主要原因是压铸机和压铸模费用昂贵，小批量生产不经济。③压铸件尺寸受到一定限制；受到压铸机锁模力及其装模尺寸的限制，不能压铸大型的压铸件。对内凹复杂的铸件，压铸生产也较为困难。第一章绪论

二、缺点：④压铸合金种类受到限制，目前主要用来压铸锌合金、铝合金、镁合金及铜合金。由于压铸模具受到使用温度的限制，高熔点合金（如黑色金属）会大大降低压铸模具的使用寿命，难于用于实际生产。第一章绪论三、压铸工艺的应用范围压铸是一种高效率、少无切削的金属成形方法。其压铸工艺主要用于汽车、电气仪表、电信器材、航空航天、医疗器械及轻工日用五金等行业。其中汽车和摩托车制造业是最主要的应用领域，汽车约占70%，摩托车约占10%。第一章绪论三、压铸工艺的应用范围可压铸的零件大体上可分为六类：1、圆盖类----表盖、机盖、底盘等。2、圆盘类----号盘座等。3、圆环类----接插件、轴承保持器、方向盘等。4、筒体类----导管、壳体形状的罩壳、仪表盖、化油器等。5、多孔缸体、壳体类、气缸盖、油泵等。6、特殊形状类----叶轮、喇叭等。四、压铸的发展概况1838年：压铸法生产铅字1905年：用于工业生产的压铸机1907年：鹅颈式气压压铸机（生产铝合金铸件）1902年：冷室压铸机1927年：立式冷室压铸机1958年：真空压铸1966年：提出精、速、密压铸法，出现双冲头压铸1969年：提出充氧压铸70年代到现在，则是电子技术和计算机技术加速用于压铸工艺与设备的大发展阶段。数控压铸机、计算机控制压铸柔性单元及系统(压铸FMC及FMS)和压铸工艺与设备计算机辅助设计(CAD)的出现，标志着压铸生产开始从经验操作转变到科学控制新阶段，从而使压铸件的质量、自动化程度及劳动生产率都得到极大的提高。我国的压铸起步于20世纪40年代，目前，国产压铸机从一般小型到大型的压铸机均有生产。第二章压铸过程原理及常用压铸合金§1.压铸压力和压铸速度高压、高速充填是压铸的特点，因此需要对压力和速度在压铸过程中的变化和作用加以分析。第二章压铸过程原理及常用压铸合金§1.压铸压力和压铸速度（P30~P33）一、压铸压力压铸压力在压铸工艺中是主要参数之一。压铸压力可以用压射力和压射比压两种形式表示。压射力来自于高压泵。☞压射力的计算公式：Fy=pg×AD

Fy---压射力（N）Pg---液压系统的管路工作压力（Pa）AD---压铸机压射缸活塞的截面积（m2）一、压铸压力☞压射比压的计算公式：pb

=Fy

/Ad

Pb

---压射比压（Pa）

Fy---压射力（N）Ab

---压射冲头的截面积（m2）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，作用在液态金属上的压射比压并不是一个常数，而是随压射阶段的变化面改变。☞液态金属在压室与压铸模中的运动可分为四个阶段：第一阶段Ⅰ

慢速封孔阶段。第二阶段Ⅱ

充填阶段。第三阶段Ⅲ

增压阶段。第四阶段Ⅳ

持压阶段。故：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：（1）熔融合金在流动过程中的流体动压力，其作用主要是完成充填和成形过程；（2）在充填结束后，以流体静压力的形式出现最终压力，其作用是对凝固过程中的合金进行“压实”。二、压铸速度（P33）压铸速度有：压射速度和充填速度。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。分为低速和高速两个阶段，通过压铸机压射速度调节阀可实现无级调速。高速压射速度由表4-6确定填充时间后，按公式（4-5）计算。二、压铸速度充填速度（内浇口速度）-------是指液态金属在压力作用下，通过内浇道进入型腔的线速度。速度和压力是密切相关的工艺参数，除要有适当的比压外，还须正确选择速度。充填速度是根据合金的特性和铸件的结构特点来确定。影响充填速度有三个因素：压射速度、比压和内浇道的截面面积。二、压铸速度充填速度的计算公式：由上式可见：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。故：压射比压大，充填速度就高；金属重度大，充填速度就低。§2液态金属充填铸型的特点压铸的过程是十分复杂，它涉及流体动力学问题和热力学问题，并且与许多因素有关，如金属液的成分、粘度、表面张力、重度及结晶温度，铸件的结构形状，浇口的位置、形状及大小，压射比压、压射速度，浇注系统，模具温度等。这些因素又是动态的，相互影响的；高温金属液压入温度较低的压铸模浇注系统内时，金属液与模具之间就产生各种形式的热交换。金属液失去热量，温度降低；模具得到了热量，温度提高。金属液温度降低表面张力增大，粘度增大，流动性降低。当它们超过某一限度时，铸件就会产生轮廓不清晰、冷隔、流纹、夹渣等铸造缺陷；§2液态金属充填铸型的特点此外，金属液充填型腔时还受到各种阻力的影响，而且充填速度越大受到的阻力也越大。金属液进入型腔时，首先受到型腔内气体的阻力，排气不良的铸型与排气良好的铸型相比，在充填金属液时，前者的充填速度只有后者的一半。其次，金属液充填型腔过程中碰到型壁和型芯时也将受到较大的阻力，能量损失较大。一、典型的压铸填充理论一、典型的压铸填充理论（一）、喷射填充理论它是在研究锌合金的压铸而得出的。条件：S/A＞（1/3～1/4），

v内=0.5～15m/s.S--内浇口截面积,A—型腔截面积喷射填充理论费罗梅尔认为该填充理论分为两个阶段：喷射阶段和涡流阶段。缺点：涡流中容易卷入空气及涂料燃烧产生的气体。一、典型的压铸填充理论（二）、全壁厚填充理论是在研究铝合金压铸时得出的。条件：v内＜0.3m/s.

δ/t＞(2/3～1/2)

δ----内浇口厚度，

t-----压铸件厚度。全壁厚填充理论勃兰特认为：金属液经内浇口进入型腔后，即扩展至型壁，后沿整个型壁截面向前填充，直到充满为止。优点：填充速度低，不产生涡流，利于气体排出，减少了气孔与疏松一、典型的压铸填充理论（三）、三阶段填充理论认为填充过程包含力学、热力学和液体力学因素。可分为三个阶段：（1）受内浇口截面限制的金属射入型腔后，首先冲击对面型壁，沿型腔表面向各方向扩展，并形成压铸件表面的薄壳层，在型腔转角处会产生涡流。第一阶段是影响铸件表面质量。

（2）后续金属液沉积在薄壳层的空间里，直到填满，凝固层逐渐向内延伸，液相逐渐减少。第二阶段是影响铸件的硬度。（3）金属液完全充满型腔后，与浇注系统和压室构成一个封闭的水力学系统，在压力作用下，补充熔融的金属，压实压铸件。第三阶段是影响铸件的强度。一、典型的压铸填充理论三阶段充填理论与喷射充填理论的实验结果基本一致，全壁厚充填理论只在特定的条件下才出现。由于压铸过程中充填铸型是在极短的时间内完成的，并且金属液有些是不连续的，另外，充填过程还受压铸工艺参数、铸件的结构与形状、浇口的位置与大小、压铸合金性能等因素的影响，因此对充填理论一直存在着不同的看法。§2液态金属充填铸型的特点二、压铸过程中理想流态的获得

理想流态应是：开始时以低速从一端顺序填充，排出气体，然后增加填充速度，充满型腔，压实压铸件。三级压铸机：一级压射压射冲头慢速前进，排出压室的气体，直至金属液充满压室。二级压射按压铸件的结构、壁厚选择适当的压射速度，在金属液不凝固的情况下，型腔基本充满。三级压射是在充满型腔的瞬间，压射冲头以高速、高压施加在金属液上，使压铸件在静压力作用下凝固，以获得表面光洁、轮廓清晰、内部组织致密的压铸件。§2液态金属充填铸型的特点三、影响压铸件气孔率的因素

填充过程中涡流包卷气体是压铸件产生气孔的主要原因，而且是难于避免。型腔中的空气、模具的涂料和冲头润滑剂的燃烧或挥发所产生的气体是其主要来源。§3常用压铸合金压铸生产的三要素：压铸合金、压铸模、压铸机。压铸合金的熔炼设备金属固体是由许多晶粒组成的。而金属液体是由许多原子团所组成。§3常用压铸合金压铸合金应有如下基本要求：①过热温度不高时具有较好的流动性；②线收缩率和裂纹倾向性小；③结晶温度范围小，防止压铸件产生过多的缩孔和缩松；④具有一定的高温强度；⑤在常温下有较高的强度；⑥与模具型壁间产生物理-化学作用的倾向性小，以减少粘模和相互合金化；⑦具有良好的加工性和一定的抗蚀性能。压铸合金主要有：铝合金、锌合金、镁合金、铜合金。压铸合金的性能一．

物理性能

压铸合金的性能二、机械性能合金的机械性能是指它抵抗外力作用而表现出来的特性，也称为力学性能。一般以抗拉强度、屈服强度、塑性、延伸率、断面收缩率、硬度来衡量和反映金属和合金的机械性能。压铸合金的性能三、工艺性能1．流动性合金的流动性，即指合金液充填型腔的能力，通常流动性好的合金有利于压铸结构复杂的薄壁铸件，获得尺寸精确，轮廓清晰的优质压铸件。

合金的物理性质及结晶特点是决定流动性好坏的内因，合金的结晶潜热及热容量小而导热率大，且保持液态时间短，合金的凝固温度范围大，则使合金液的流动阻力大；这都会降低其流动性。1．流动性从压铸工艺特点来讲，铸型的导热能力越差，合金液在型腔中的流动阻力越小，则合金液充填铸型的能力就俞强。反之，型腔导热系数俞大合金液冷却俞快，充型性能就下降，采用模具（铸型）温控装置及导热系数小的涂料，相对来说，均能提高合金的流动性。从浇注条件来讲，提高浇注温度可使合金液的热容量增大，延长了保持液态合金的时间，粘度减小，充型能力增强。但浇注温度过高，合金液吸气增多，氧化严重，铸件的一次结晶组织粗大，容易产生缩孔、缩松、粘模等缺陷。第二，采用较高的压射速度，可以改善合金液的充型能力。但是，应该防止因速度过高而造成涡流包气，影响铸件质量。第三，提高压射压力，也可使合金液的充型能力得到增强。1．流动性提高充型能力，改善流动性的措施如下：⑴

适当调整合金的成分，严格控制合金液熔炼工艺，净化合金液，减少合金液中的非金属杂物和气体，加入微量元素，细化晶粒。⑵

增加铸型的溢流排气系统，提高除渣排气能力，采用导热率低的涂料。

⑶

合理设置浇注系统,适当提高浇注温度及压射速度。⑷

慎重改进铸件结构，改善铸件的压铸工艺性。三、工艺性能2．收缩铸造合金从液态到凝固完毕，以及此后继续冷却至常温的过程中，都将产生体积和尺寸的变化，这种体积和尺寸的变化总称为收缩。⑴

体收缩

式中：V0--

被测试合金的试样在高温to时的体积（cm3）。

V--

被测试合金的试样至温度t时的体积（cm3）。“收缩”分为：体收缩和线收缩。2．收缩缩孔与缩松：由于合金在液态及凝固期间产生体收缩的结果，使铸件在最后凝固的区域产生宏观或显微孔洞，统称缩孔。集中性缩孔，容积大而集中，多分布在铸件断面较厚（热节）且最后凝固的地方，分散性缩孔又称缩松，孔洞细小而分散，常与模具温度、压力传递有关。缩孔与缩松产生的基本条件是合金的液态收缩及凝固收缩远大于固态收缩。一般的规律是，合金的凝固温度范围愈小，则易形成集中缩孔；反之易形成缩松。同一种合金，过热度大时缩孔就大，过热度小时缩孔就小。2．收缩⑵

线收缩压铸件在铸型内收缩时，往往由于受到摩擦阻碍（铸件表面与铸型表面之间的摩擦力），热阻碍（铸件各部分冷却速度不一致而产生）,机械阻碍(铸型的突出部分或型芯的阻碍)等作用而不能自由收缩，故通常将铸件在这些阻力作用下实际产生的收缩，称为受阻收缩。也称阻碍收缩，阻碍收缩总小于自由收缩。式中：L0--被测试合金的试样在高温t0时的长度（毫米）

L

—被测试金属的试样降低至温度t时的长度（毫米）⑵

线收缩设计模具时，将铸造收缩率，计入名义尺寸，用下式表示：式中：L型——铸型尺寸（毫米）

L件——压铸件尺寸（毫米）常用压铸合金的综合计算收缩率为：锌合金：0.3～0.5%，铝合金：0.3～0.6%，镁合金：0.4～0.8%，铜合金：0.6～1.0%。三、工艺性能3．热裂铸件的热裂，是指合金在高温状态形成的裂纹。铸件在凝固期间，因受铸型阻而不能自由的收缩时，在铸件内产生的收缩应力超过合金在该温度下的强度时，即产生热裂。热裂的外形曲折而不规则，裂口表面被强烈氧化。热裂按其在铸件的位置分为内裂和外裂，外裂常从铸件表面不规则处、尖角处、截面厚度有突变处开始，逐渐延伸至铸件内部，表面较宽内部较窄，有时会贯穿整个铸件断面。内裂产生于铸件内部最后凝固的地方，一般不会延伸至铸件表面。其裂口表面很不平滑。常有很多分叉，氧化较外裂纹轻。3．热裂一般地说，合金凝固过程中开始形成完整的结晶构架的温度与凝固完毕的温度之差俞大，以及在此期间合金收缩率俞大，则合金的热裂倾向就俞大。例如：铝——铜合金，铝——镁合金的铸件，一般比铝——硅合金的铸件热裂倾向要大。可通过改进压铸件的结构，改进浇注系统等有效途径来避免铸件热裂缺陷的产生。三、工艺性能4．铸造应力根据应力产生的原因，可将铸造应力分为热应力，相变应力和收缩应力三种。热应力是由于铸件上相连接的各部分断面厚度不同，冷却时收缩的时间先后不一致所引起的，一般铸件薄壁中有压应力，厚壁中有拉应力。相变应力是由于有些合金在凝固以后的冷却过程中发生相变，伴随有体积的变化，并引起铸件尺寸发生变化的结果，对在相变时发生膨胀的合金来说，厚壁部分产生的相变应力为压应力，而薄壁部分产生的相变应力为拉应力。4．铸造应力收缩应力是由于铸件收缩时受到铸型和型芯的阻碍所引起的，这种应力总是拉应力。防止铸件产生裂纹或变形，除铸件结构设计合理（即具有良好的压铸工艺性）外，在压铸工艺上应采取妥善措施，使合金同时结晶凝固。并尽可能使铸件壁厚均匀。避免合金局部积聚。转折处避免尖角，选择合理的浇注系统，以减少铸件各部分的温度差。总的目的是避免铸造应力的产生。对于有残留应力的铸件，可采取自然时效或人工时效等热处理工艺来消除，使之获得优质铸件。三、工艺性能５．吸气各种铸造有色金属都有吸收气体的特性，处在熔炼或保温过程中的合金液，随合金温度的升高，所吸收气体的溶解度迅速增加。因此，除正确控制整个熔炼浇注工艺外，应尽量减少合金液在高温下保温，避免合金液过热，对极易吸合的合金，采取在覆盖剂保护下熔炼。这样才能避免气孔、针孔的产生。三、工艺性能６．合密性合金的气密性，是指其铸件承接高压气体或液体的作用而不渗漏的能力，它通常反映着铸件内部的致密程度。一般规律是，合金的凝固温度范围越窄，铸件产生疏松的倾向越小；凝固过程中析出气体越少，产生析出性气孔（如铝合金的针孔）越少，则合金的气密性越高。合理选择合金牌号，尽可能降低合金的浇注温度，避免合金过热,恰当设计铸造工艺，以及采取快速冷在高压力下结晶等措施，都将有利于改善铸件的合密性。一、锌合金优点：压铸性能好，填充成形容易，铸件表面光滑，尺寸精度高；结晶温度范围小，不易产生疏松；浇注温度较低，不易粘模，不腐蚀模具。缺点：易老化（表现为体积涨大，强度降低），锌合金压铸件会发生尺寸收缩。常用的锌合金的化学成分和力学性能见下表2-1和表2-2。压铸锌合金熔点：400~420℃。一、锌合金压铸锌合金中其它主要元素的作用：1.Al在压铸锌合金中的含量一般在3.5%~4.3%.①铝含量在3.5%~4.3%,能起到细化晶粒、引起固深强化、提高力学性能；含量过高,合金变脆、冲击韧性降低，含量大小，则降低锌合金的填充性能、力学性能也有所降低。②改善锌合金的铸造性能，增加金属液的流动性。③可减少熔融的锌元素对钢铁的侵蚀作用。2.铜①提高压铸锌合金的强度和硬度，当Cu含量超过4%时，会降低其冲击强度。②可改善锌合金的抗磨损性能。③适量的Cu能减少晶间腐蚀，提高锌合金的耐腐蚀性。压铸锌合金中其它主要元素的作用3.镁在压铸锌合金中，Mg的含量较低，一般在0.02%~0.08%,其作用:①细化合金组织,从而增加合金的强度.②提高合金的抗磨损性能.③提高合金的耐蚀性能.当镁量超过0.08%时,会使合金的韧性降低,流动性能降低.4.铁铁是作为杂质存在于锌合金中的.①铁与铝反应形成Fe2Al5金属间化合物,并形成浮渣,从而增加合金的脆性.②在压铸件中形成硬质点,影响机加工.锌合金压铸件产品二、压铸铝合金压铸铝合金具有良好的使用性能和工艺性能，在目前的压铸生产中占有极其重要的地位，用量远远高于其他合金。常用的压铸铝合金有：铝硅合金、铝镁合金、铝锌合金。下面主要介绍压铸铝合金中各元素的影响作用熔化温度:750℃左右二、压铸铝合金压铸铝合金中成分与杂质的影响：Si

可著改善合金的流动性，抑止高温脆性。但其含量不能太高，否则会析出游离硅的硬质点，使合金的切削加工性变差。Cu铜量的增加可提高流动性、抗拉强度和硬度，改善切削加工性能，但会降低合金的伸长率和耐蚀性，热裂倾向增大。Mg镁的增加可提高Al-Mg合金的流动性，减少粘模，但收缩会变大。对Al-Si-Mg合金，增加镁量虽有硬化效果，但会产生低温脆性，故镁量应限止。Zn可提高流动性。对含铜和硅的铝合金，添加适量的锌，有助于改善力学性能。对Al-Zn合金中含锌量高，使其具有较好的铸造性能和力学性能，同时切削性能也效好。压铸铝合金中成分与杂质的影响：Fe可减少粘模。但铁的含量不能太多，否则会使合金的铸造性能变差，降低力学性能，切削性能和耐蚀性变坏。Mn

可增加耐蚀性和提高强度。但锰量过多时会便合金产生硬化和脆性。锰量较少时，可使有害的针状及片状Fe-Al转变为细密的Fe-Mn-Al，并减少粘模。几乎所有的压铸铝合金中，都含有一定的锰。Ni适量的镍可增加合金的强度和硬度。Sn

可改善切削性能，但会降低强度和耐蚀性，助长高温脆性。其他无素,如锡、铅元素能改善铝合金的加工性，但会降低铝合金的强度各耐蚀性能；当它们的含量过高时，还会增加高温时的热脆性。二、压铸铝合金（一）、Al-Si系合金与其他铝合金相比，其铸造性能是最好的，热裂、缩松倾向较小。但其强度较低、切削性能差。现在一般采用Al-Si-Cu。（二）、Al-Mg系合金

其室温力学性能好，抗蚀性强。但其铸造性能较差等。（三）、Al-Zn系合金

压铸件经自然时效处理后，可获得较高的力学性能（即不需要热处理就能使合金强化）。但耐蚀性差，有应力腐蚀倾向，压铸时易发生热裂。常用的铝合金的化学成分和力学性能见表2-3和表2-4。铝合金压铸件产品钉枪铝合金压铸件产品三、压铸镁合金熔化温度：650℃左右。牌号有：AZ91(Mg-Al-Zn系),AM60(Mg-Al-Mn系),AS21(Mg-Al-Mn系)等。我国铸造镁合金主要有三个系列：Mg-Zn–Zr；Mg-Zn–Zr-RE和Mg–Al–Zn优点：在各种压铸用合金中，镁合金的密度最小，其力学性能好，熔点低、凝固快、凝固收缩小、不腐蚀钢质模具、脱模性能好。缺点：压铸时，易产生缩松和热裂，极易氧化（严重时导致燃烧）。三、压铸镁合金镁合金在熔炼时可采取两种防护措施：①在镁合金锭中加入微量铍，以保证在700℃以下能有效地抑制镁的燃烧。铍以Al-5%Be中间合金方式加入。②采取气体保护熔炼，常用的保护气体有：SF6、CO2、SO2、N2等。YM5的化学成分和力学性能见表2-5、2-6。三、压铸镁合金压铸镁合金中其它主要元素的作用:1.铝铝在压铸镁合金中的化学成分较大,约