合金压铸过程原理及工艺参数概述

合金压铸过程原理及工艺参数深圳市鑫申金属有限公司成立于2005年6月，从1992创立的原“湘联五金”金属材料事业部独立出来，创立品牌“鑫申金属”，并在惠州投资建厂，成立惠州市兴旺金属制品有限公司。2013年公司全资子公司深圳市冠联鑫金属材料有限公司成立，专营集团旗下锌铝合金系列及新材料，主要产品有锌合金、铝合金、铝钛合金、阳极氧化铝等。集团以锌合金和铝合金二大系列产品为主营业务，经过几年的发展壮大，鑫申金属集团公司发展成为深圳民营企业中第一家集各种合金材料的研发，生产，销售为一体的集团公司。惠州市兴旺金属制品有限公司为国内生产优质环保压铸合金材料企业之一。总投资人民币2000万，工厂面积超20000平方米，鑫申金属采用国际先进合金冶炼技术，通过德国MASTER：读光谱仪检测品质、永磁搅拌炉具和全自动铸锭系统生产，质量执行美国ASTMA240标准，符合欧盟环保ROHS旨令要求，以科学管理生产、货源充足、稳定品质来满足客户要求。鑫申金属相信品质就是企业的生命，研发是企业前进的动力，科技铸造辉煌。公司设立有海归博士为首的研发和售后服务团队，并依托南京大学固体微结构物理国家重点实验室，构建了产学研合作战略，不断研发新的压铸合金材料，根据各行业发展需求，推出满足市场新需求的压铸新合金材料，如铝钛合金、阳极氧化铝等新材料。鑫申金属主要产品：Zamak3辛合金、Zamak5i辛合金，Z2、Z4、Z7、Z8、ZA12版特殊牌号标准锌合金锭，ADC10ADC12A38RA356A360等各种牌号铝合金锭。新材料铝钛合金和阳极氧化铝更是受到手机电脑等数码产品行业客户的广泛认可。鑫申金属成为手机数码产品、通信产品、电子、电器、拉链、化油器及卫浴、锁具、汽车、航空等各行业高要求客户首选原材料，成为珠三角众多知名品牌及世界知名企业的环保原材料合格供应商，产品远销世界各地。下面鑫申金属研究人员带大家一同了解下合金压铸过程原理及工艺参数：一、压铸压力压力的存在就是压铸工艺与其他铸造的区别。在整个压铸过程中，压力起到了主导作用，熔融金属不仅在压力的作用下充满压室进入浇铸系统，而填充又在压力的作用下凝固成型。在压射各个阶段，随着冲头位置的移动，压力也随之变化，这个变化规律会对铸件质量产生很大的影响。因此我们应对压射过程中压力的变化要有个感性的认知，这也是压铸技术的理论基础。1、压射力压射力是压铸机压射机构中推动压射活塞运动的力。它是反映压铸机功能的一个主要参数压射力的大小，由压射缸的截面积和工作液的压力所决定。压射力的计算公式如下：P压射力=P压射油缸X兀XD2/4式中：P压射力压射力（N牛）P压射油缸压射油缸内工作液的压力（Pa帕）D压射缸的直径（m米）兀=3.14162、比压压室内熔融金属在单位面积上所受的压力称为比压。比压也是压射力与压室截面积的比值关系换算的结果。其计算公式如下P=P/.F（比压=压射力/压室截面积）式中：P比压一比压（Pa帕）P压射力压射力（N牛）F压室截面积压室截面积（m2-米2）即F压室截面积=兀D2/4式中：D（m米）为压室直径兀=3.1416二、压力的作用（1）比压对铸件机械性能的影响比压增大，结晶细，细晶层增厚，由于填充特性改善，表面质量提高，气孔影响减轻，从而抗拉强度提高，但延伸率有所降低。（2）对填充条件的影响合金熔液在高比压作用下填充型腔，合金温度升高，流动性改善，有利于铸件质量的提高。三、压铸压力的分析及选择1、压铸压力的分析为了便于分析压铸工艺参数，下面示出如图1和图2所示的卧式冷室压铸机压射过程图以及压射曲线图。压射过程按三个阶段进行分析。第一阶段（图1b）：由0-I和I-II两段组成。0-I段是压射冲头以低速运动，封住浇料口，推动金属液在压射室内平稳上升，使压射室内空气慢慢排出，并防止金属液从浇口溅出；I-II段是压射冲头以较快的速度运动，使金属液充满压射室前端并堆聚在内浇口前沿第二阶段（图1c）：n-ni段，压射冲头快速运动阶段，使金属液充满整个型腔与浇注系统。第三阶段（图1d）:m-iv段，压射冲头终压阶段，压射冲头运动基本停止，速度逐渐降为0。IIPRIIVIIIIII0a)c)图1卧式冷室压铸机压射过程图图2卧式冷室压铸机压射曲线图s-冲头位移曲线P0-压力曲线v-速度曲线2、压力参数的分析(1)压射力压射冲头在0-1段，压射力是为了克服压射室与压射冲头和液压缸与活塞之间的摩擦阻力；I-II段，压射力上升，产生第一个压力峰，足以能达到突破内浇口阻力为止；H-m段，压射力继续上升，产生第二个压力峰；m-iv段，压射力作用于正在凝固的金属液上，使之压实，此阶段有增压机构才能实现，此阶段压射力也叫增压压射力。（2）比压比压可分为压射比压和增压比压。在压射运动过程中0-HI段，压射室内金属液单位面积上所受的压射力称为压射比压；在m-IV段，压射室内金属液单位面积上所受的增压压射力称为增压比压。比压是确保铸件质量的重要参数之一，推荐选用的增压比压如表1所示。表1增压比压选用值（单位：MPa）合金普通件技术件受力件铝合金0-4040-7070-100锌合金0-2020-3030-40（3）胀型力压铸过程中，充填型腔的金属液将压射活塞的比压传递至型（模）具型腔壁面上的力称为胀型力。主胀型力的大小等于铸件在分型面上的投影面积（多腔模则为各腔投影面积之和），浇注系统、溢流、排气系统的面积（一般取总面积的30%）乘以比压，其计算公式如下F=APb/10式中F主-主胀型力（KN）;A-铸件在分型面上的投影面积（cm2）;Pb-压射比压（MPa）。分胀型力（F分）的大小是作用在斜销抽芯、斜滑块抽芯、液压抽芯锁紧面上的分力引起的胀型力之和。（4）锁型（模）力锁型（模）力是表示压铸机的大小的最基本参数，其作用是克服压铸填充时的胀型力。在压铸机生产中应保证型（模）具在胀型力的作用下不致胀开。压铸机的锁型（模）力必须大于胀型力才是可靠的，锁型（模）力和胀型力的关系如下：F锁K（F主+F分）式中F锁-压铸机应有的锁型（模）力（KN）;K-安全系数，一般取1.25；F主-主胀型力（KN）；F分-分胀型力（KN）。在压铸生产过程中，锁型（模）力大小的选择直接反映到压铸分型面处有否料液飞溅、铸件内组织的密度、有否气孔、成形是否完整、有否飞边及毛刺等。调整时，在保证铸件合格的前提下尽量减小锁型（模）力。为简化选用压铸机时各参数的计算，可根据压铸机具体的工作性能作出比压、投影面积与胀型力关系图工参见图3。在已知型(模)具分型面上铸件总投影面积12A和所选用的压射比压Pb后，能从图中直接查出胀型力。1015M3440/18比乐图3比压、投影面积与胀型力关系图3、压铸压力的选择压力的选择(1)根据铸件的强度要求考虑将铸件分为有强度要求的和一般要求的两类，对于有强度要求的，应该具有良好的致密度。这是应该采用高的增压比压。（2）根据铸件壁厚考虑在一般情况下，压铸薄壁铸件时，型腔中的流动阻力较大，内浇口也采用较薄的厚度，因此具有大的阻力，故要有较大的填充比压，才能保证达到需要的内浇口速度。对于厚壁铸件，一方面选定的内浇口速度较低，并且金属的凝固时间较长，可以采用较小的填充比压；另一方面，为了使铸件具有一定的致密度，还需要有足够的增压比亚才能满足要求。对于形状复杂的铸件，填充比压应选用高一些。此外，如合金的类别，内浇口速度的大小，压铸机合模能力的功率及模具的强度等，都应作适当考虑。填充比压的大小，主要根据选定的内浇口速度计算得到。至于增压比压的大小，根据合金类别，可参考下表数值选用。当型腔中排气条件良好，内浇口厚度与铸件壁厚的比值适当的情况下，可选用低的增压比压。而排气条件愈差，内浇口厚度与铸件壁厚比值愈小时，则增压比压应愈高。推荐选用增压比压范围表零件内型铝合金锌合金承受轻负荷的零件3040MPa1320MPa承受较大负荷的零件4080MPa2030MPa气密性面大壁薄零件80120MPa2540MPa胀型力和锁模力压铸过程中，填充结束并转为增压阶段时，作用于正在凝固的金属上的比压（增压比压），通过金属（铸件浇注系统、排溢系统）传递型腔壁面，此压力称为胀型力（又称反压力）。当胀型力作用在分型面上时，便为分型面胀型力，而作用在型腔各个侧壁方向时，则称为侧面胀型力。胀型力可用下式表示：P胀型力=P比压xA投影面积式中：P胀型力一胀型力（N牛）P比压一增压比压（Pa帕）A投影面积承受胀型力的投影面积（m2-米2）通常情况下必须使锁模力大于计算得到的胀型力。否则，在金属液压射时，模具分型面会胀开，从而产生金属飞溅，并使型腔中的压力无法建立，造成铸件尺寸公差难以保证，甚至难以成型。锁模力（即合模力）是选用压铸机时首先要确定的重要参数。一般应满足下面公式的要求：P锁模力AKXP胀型力式中：P锁模力压铸机的锁模力（N牛）K安全系数（一般取K=1.3）P胀型力胀型力（N牛）4、压铸速度及选择压铸速度生产中，速度的表示通常为冲头速度（压射速度）和内浇口速度两种压射过程中，压射速度受压力的直接影响，又与压力共同对铸件内部质量、表面质量和轮廓清晰程度起着重要的作用。压射速度压室内的压射冲头推动金属移动时的速度称为压射速度（又称为冲头速度）而压射速度分为两级，I级压射速度亦称为慢压射速度，这级速度是指冲头起始动作直至冲头将室内的金属送入内浇口之前的运动速度，在这一阶段中要求将压室中的金属液充满压室，在既不过多地降低合金液温度又有利于排除压室中的气体的原则下，该阶段速度应尽量低，一般为0.3米/秒。II级压射速度又称快压射速度。这个速度由压铸机的特性所决定。压铸机所给定的最高压射速度一般在45米/秒范围内，旧式的压铸机压射速度较低，而近代的压铸机则较高，甚至达到9米/秒。（1）快压射速度的作用和影响提高压射速度，动能转化为热能，提高了合金熔液的流动性，有利于消除流痕、冷隔等缺陷，提高了机械性能和表面质量；但速度过快时，合金熔液雾状与气体混合，产生严重涡流包气，机械性能下降。（2）快压射速度的选择考虑因素压铸合金的特性：熔化潜热、合金的比热、导热温度范围。模具温度高时，压射速度可适当减低，在考虑到模具热传导状况，模具设计结构和制造质量，以及提高模具寿命，亦可适当限制压射速度。铸件质量要求：表面质量要求高和薄壁复杂件，采用较高的压射速度。5、内浇口速度熔融金属在冲头移动作用下，经过横浇道到达内浇口，然后填充型腔，当机器的压射系统性能优良时，熔融金属通过内浇口的速度可以认为不变（或变化很小），这个不变的速度，即熔融金属通过内浇口导入型腔的线速度，便称为内浇口速度，通常采用的内浇口速度范围为1570米/秒。熔融金属在通过内浇口后，进入型腔各部分流动（填充）时，由于型腔的形状和厚度（铸件的壁厚），模具热状态（温度场分布）等各种因素的影响，流动的速度随时在发生变化，这种变化的速度称为填充速度。通常在工艺参数上只选定不变的速度来衡量，所以内浇口速度就是重要的工艺参数之一。内浇口速度的高低与铸件机械性能的影响极大，内浇口速度太低，铸件强度下降；速度提高，强度上升；速度过高强度又下降。6、冲头速度（压射速度）与内浇口速度（填充速度）的关系根据连续性原理，内浇口速度和压射速度的关系可由下式表示：V=FXV/F（内浇口=压射室X压射/内浇口）式中：V内浇口内浇口速度（m/s）F压射室压射室截面积（cm2厘米2）V压射一压射速度（m/s-米/秒）F内浇口内浇口截面积（cm2厘米2）因此，冲头压射速度越高，则金属流经内浇口速度越高7、压铸速度的选择在压铸生产中，速度与压力共同对铸件内在质量，表面要求和轮廓清晰度起着重要作用。综上所述，如果对压铸件的机械性能，如抗拉强度和致密性提出了高的要求，则不应选用过大的内浇口速度，这样能降低由于紊流动所造成的涡流，这个涡流含有空气和由涂料挥发的气体。随着卷入涡流内的空气和蒸汽的增多，压铸件组织内部呈多孔性，机械性能明显变坏。如果压铸件结构是复杂的薄壁零件，并对其表面质量提出了较高的要求，应选用较高的压射速度和内浇口速度，完全是必要的。根据铸件的不同情况，可按下表的推荐值选用，核算出压射速度，进行试压部位直浇道横浇道内浇口填充速度（m/s）152520353060四、时间压铸工艺上的“时间”是填充时间，增压建压时间，持压时间及留模时间。这些“时间”都是压力、速度、温度这三个因素，再加上熔融金属的物理特性，铸件结构（特别是壁厚），模具结构（尤其是浇注系统和溢流系统）等各方面的综合结果。时间是一个多元复合的因素，但它与上述各因素有着密切的关系。因止匕“时间”在压铸工艺上是至关重要的。1 .填充时间熔融金属在压力作用下开始进入型腔直到充满的过程所需的时间称为填充时间。以及铸件结构（壁厚）等多种因素结合以后所产生的结果。因而,也是填充过程中各种因素相互协调程度的综合反映。填充时间以熔融金属尚未凝固而填充完成为原则，填充时间的选择按下表：铸件的平均壁厚与填充时间的推荐值表铸件的平均壁厚(mm)填充时间(s)10.0100.0141.50.0140.02020.0180.0262.50.0220.03230.0280.0403.50.0340.05040.0400.06050.0480.07260.0560.08470.0660.10080.0760.11690.0880.138100.1000.160按表选用时还应考虑下列情况：合金浇注温度高时，填充时间可选长些。模具温度高时，填充时间可选长些。铸件厚壁部分离内浇口远时，填充时间可选长些熔化潜热和比热高的合金，填充时间可选长些。2 .增压建压时间增压建压时间是指熔融金属在充型过程中的增压阶段，从充满型腔的瞬时开始，直至增压压力达到预定值所需建立起来的时间。也就是压射比压上升到增压比压建立起来所需的时间。3 .持压时间熔融金属充满型腔后，使熔融金属在增压比压作用下凝固的这段时间，称为持压时间。持压作用是使压射冲头将压力通过还未凝固的余料、浇口部分的金属传递到型腔，使正在凝固的金属在高压下结晶，从而获得致密的铸件。持压时间的选择，按下列因素考虑：压铸合金的特性：压铸合金结晶范围大，持压时间应选得长些。铸件壁厚：铸件平均壁厚厚度大，持压时间可选得长些。浇注系统：内浇口厚，持压时间可选得长些。推荐常用的比压时间表（s）合金铸件壁厚（mm2.52.56锌合金1234铝合金12354 .留模时间留模时间是压铸过程中，从持压终了至开模顶出铸件的这段时间。足够的留模时间，是使铸件在模具内得到充分凝固和适度的冷却使之具有一定的强度，在开模和顶出时，铸件不致产生变形或拉裂。留模时间的选择，通常以顶出铸件不变形、不开裂的最短时间为宜。然而，过长的留模时间不仅降低了生产效率，而且会带来不良的后果。例如：不易脱模，因合金的热脆性而引起裂纹，改变了预定的收缩量推荐常用的留模时间表（s）合金壁厚3mm壁厚36mm壁厚6mm锌合金5107122025铝合金71210152530综上所述，压铸生产中的工艺参数压力、速度、温度、时间选择可按下列原则：铸件壁越厚，结构越复杂，压射力越大。铸件壁越薄，结构越复杂，压铸速度越快。铸件壁越厚，持压留模时间需越长。铸件壁越薄，结构越复杂，模温浇温需越高温度的调整与控制压铸合金浇注温度推荐值表合金类别锌合金铝合金浇注温度C410450610700五、模具温度在压铸过程中，模具需要一定的温度，模具的温度是压铸工艺中又一重要的因素，它对提高生产效率和获得优质铸件有着重要的作用。(1)模具温度的作用和影响在填充过程中，模温对液流温度、粘度、流动性、填充时间和填充流态等均有较大影响。模温过低时，表层冷凝后又被高速液流破碎，产生表层缺陷，甚至不能“成型”，模温过高时，虽有利于获得光洁的铸件表面，但易现收缩凹陷。模温对合金液冷却速度、结晶状态、收缩应力均有明显影响。收缩应力增大，铸件易产生裂纹。模温对模具寿命影响甚大，激烈的温度变化，形成复杂的应力状态，频繁的应力交变导致模具龟裂。模温对铸件尺寸公差的影响，模温稳定，则铸件尺寸收缩率也相应稳定，尺寸公差等级也得以提高。（2）影响模具温度的主要因素合金浇注温度、浇注量、热容量和导热性。浇注系统和溢流梢的设计，用以调整热平衡状态。压射比压和压射速度。模具设计，模具体积大，热容量大，模温波动较小。模具材料导热性愈好，模具合理预热，提高初温，有利于改善热平衡，提高模具寿命。生产频率越快，模温升高，在一定范围内对铸件和模具寿命都是有利的。模具润滑起到隔热和散热作用（3）模具温度对机械性能的影响模具温度提高，改善了填充条件，使机械性能得到提高。模温过高，合金冷却温度降低，细晶层厚减薄，晶粒较粗大，故强度有所下降。为此，要获得质量稳定的优质铸件，必须将模具温度严格控制在最佳的工艺范围内。这就必须应用模具冷却加热装置，以保证模具在恒定温度范围内工作(3)模具温度对机械性能的影响4)模具温度的选择与控制模具温度的选择模具温度的选择，应根据铸件的形状大小和结构特点，合金的性质与浇注条件等各个方面的因素综合考虑。推荐的模具的预热温度及工作温度如下表所示。推荐的模具工作温度表合金类别模具预热温度(C)模具工作温度(C)锌合金120160160200铝合金150180180260模具温度的控制为了保证压铸生产过程的正常连续进行，模具工作温度应保持在一定的范围内，就必须使模具处于热平衡的状态下。模具热平衡指的是，在每一个压铸循环中，熔融金属传给模具的热量，应等于模具传走的热量和冷却及加热装置所传走的热量。模具温度控制可采用专制的，采用不燃油作介质的模具加热冷却装置系统。但大多数目前还是采用在模具上开设水冷却和电加热装置来进行模具的温度控制。六、压铸的主要工艺参数对铸件质量的影响压铸工艺是将压铸机、压铸模和压铸合金三大要素有机组合和综合运用的过程。压铸时金属填充型腔的过程，是将压力、速度、温度及时间等工艺因素得到动态平衡的过程。这些工艺因素既相互制约，且相辅相成，只有正确选择和调整这些因素，使之协调一致，才能获得预期的效果。压射过程中，不仅重视铸件结构的工艺性、铸型的先进性、压铸机性能和结构优良性，压铸合金选用的适应性和熔炼工艺的规范性。更应重视压力、速度和时间等工艺参数对铸件质量的重要作用。这些工艺参数的选择与合理匹配，是保证压铸件综合性能的关键，同时也是直接影响生产效率和模具寿命。