第6、7章挤压铸造

第六章挤压铸造原理：把液态金属直接浇入金属模内，然后在一定时间内以一定的压力作用于焙融或半熔融的金属液体使之成形，并在此压力下成型、凝固，从而获得毛坯或零件的一种成形方法。又称液态模锻，是介于铸造、锻压之间的一种少无切削工艺技术。工艺流程：1.铸型准备2.浇注3.合型加压4.开型取件挤压铸造技术的发展概况：•挤压铸造技术在上世纪30年代即问世，40至50年代在前苏联得到推广应用，60年代末期有色金属挤压铸造在日本得到了应用和发展。•我国挤压铸造技术的发展大体上可分为四个阶段。第一阶段50—60年代中末期为工艺探索阶段。50年代到60年代初如武昌造船厂与华中科技大学协作的铜合金挤压铸造；杭州前氧机厂，沈阳冶金机械专科学校等开展这方面的试验研究工作；大连造船厂的高压阀体铸锻联合工艺等，都是我国首批研究与试验生产的单位。第二阶段60年代后期至80年代中期为生产应用阶段。此项技术逐渐发展并陆续用于生产实际。如广东仪表厂，西安仪表厂，维纺铸锅厂等都是我国第一批用于生产的单位。70年代，一些高等院校和科研院所如上海交通大学，五二研究所、哈尔滨工业大学、武汉理工大学等单位相继开展了挤压铸造典型制件的生产工艺，模具结构、挤压铸造材料等研究为挤压铸造的发展奠定了良好基础。进入80年代，我国挤压铸造技术得到了较快速发展，特别是间接挤压铸造的研究与成功应用，使得过去无法用挤压铸造生产的零件，成为可能，扩大了挤压铸造的应用范围，适合生产那些形状较复杂、壁厚较大，用普通铸造性能达不到要求、而用锻造因形状复杂无法生产的零件。80年代中期至90年代中期为快速发展阶段。以挤压铸造摩托车铝轮毂、汽车空压机铝连杆和汽车制动泵缸体为代表的一大批挤压铸造件开发研制成功并投入生产。于此同时，《挤压铸造》，《钢质液态金属模锻》，《液态金属模锻模具设计》等专著的问世近一步推动和促进了挤压铸造技术的全面发展。90年代后期挤压铸造处于健康、稳步发展阶段。不注重技术上的创新和市场的变化，忽视产品质量，更没有根据制件的具体结构来选择适合的工艺，致使一些企业投产后又转产。重视技术上的创新，较好掌握该技术特点的单位或企业都得到了快速发展，取得了很好的经济效益和社会效益。第三阶段第四阶段挤压铸造特点及应用范围：由于挤压铸造是使液态金属在高的机械压力下进行结晶，因而此工艺具有如下的特点：（1）挤压铸造可以消除铸件内部的气孔、缩孔和缩松等缺陷，产生局部的塑性变形，使铸件组织致密。加之，在压力下结晶，还有明显的细化晶粒、加快凝固速度和使组织均匀化的作用。因而，挤压铸件的力学性能一般要高于其它普通铸件，而接近甚至达到同种合金的锻件水平，同时它没有锻件中通常存在的各向异性问题。所以，挤压铸造是目前用以提供高质量、高力学性能铸件的一种重要工艺方法。（2）挤压铸件表面粗糙度低和尺寸精度高，其级别能达到压铸件的水平。液态金属在压力下成形和凝固，使铸件与型腔壁贴合紧密。（3）挤压铸件在凝固过程中，各部分处于压应力状态，有利于铸件的补缩和防止铸造裂纹的产生。因而，挤压铸造工艺的适用性较强，使用的合金不受铸造性能好坏的限制。它不仅适用于铸造性能好的铸造合金，而且也适用于铸造性能较差的变形合金。既可用于铝、铜、镁、锌等有色合金，又可用于铁、钢等黑色金属，以及复合材料等。（4）便于实现机械化、自动化，可大大减轻工人的劳动强度，改善铸造车间劳动条件。加之，挤压铸造通常没有浇冒口，毛坯精化，铸件尺寸精度高，因而金属材料的利用率高，可以减少切削加工量。所有这些，均有利于降低成本，提高生产效率。与重力铸造相比，它可以提高铸件质量，减少废品率。（5）挤压铸造是通过压力传递进行补缩的，工艺的应用会受到某些限制。对于薄壁零件和一些形状复杂的零件，因为铸件冷凝速度快，有时来不及加压就凝固了，另外，直接式挤压铸造通常无浇冒口系统，浇注的金属全部成形为铸件。因此，铸件的高度是由浇入金属的量决定的。即其高度方向的尺寸精度取决于定量浇注的精确程度。适用范围：1、在材料种类方面适用性较广，可用于生产各种类型的合金，如铝合金、锌合金、铜合金、灰铸铁、球墨铸铁、碳钢、不锈钢等。2、对于一些复杂且性能上有一定要求的零件，采用挤压铸造合适。因为挤压铸造既能容易成形，又能保证产品性能的要求。3、在工件壁厚方面，一般来讲不能太薄，否则将给成形带来困难。挤压铸造件生产的摩托车零件挤压铸造生产的汽车零件挤压铸造件在高铁领域的实际应用挤压铸造工艺的分类按成形时液体金属充填的特性和受力情况：柱塞挤压铸造直接冲头挤压铸造间接冲头挤压铸造型板挤压铸造液体金属不产生充型运动，适合于形状简单的厚壁铸件和铸锭。液体金属进行充型运动，适合于形状不太复杂的厚壁铸件。液体金属进行充型运动，适合于产量较大、形状较复杂的中、小型铸件。液体金属进行充型运动，适合于大型整体薄壁铸件。柱塞加压凝固法1-金属型2-柱塞3-液态金属4-底板冲头直接挤压法1-金属型2-冲头3-液态金属冲头间接挤压法1-上型2-下型3-冲头4-液态金属5-型腔按挤压铸型的合型方向的不同，挤压铸造可分为垂直合型和旋转合型两大类。铸型垂直合型挤压铸造优缺点：①铸件内部气孔、缩松等缺陷少，组织致密，晶粒细小，组织均匀。对不少铸件而言，其强度常可比轧材大，接近锻件，但塑性稍差。②铸件尺寸精度高，可达CT5，表面粗糙度较细（Ra6.3μm）③铸件在压力下凝固，利于防止铸件裂纹。④可挤压铸造多种金属，如铝合金、铜合金、铸铁、铸钢等。⑤无浇冒口金属液损失，工艺收得率可超过90%。⑥机械化程度高，故生产率高，劳动条件好。⑦与普通铸造相比，需用液压机，且不宜铸造形状很复杂的铸件。铸型旋转合型挤压铸造主要用于生产大型薄壁件:机翼、飞机的座舱底板，导弹弹翼等。1-活动板；2-动型；3-浇包；4-定型；5-金属液；6-多余金属液旋转合型挤压铸造成型特点：①充型过程平稳，不易卷气。②适用于生产大型薄壁件，断面由大变小，充型阻力较小。③利于排气，排渣，避免夹渣、气孔的缺陷。④利于补缩，获得致密铸件。旋转合型挤压铸造机挤压铸造工艺设计特点：（1）设计铸型时应注意的问题挤压铸造主要采用金属型（个别使用泥型，如铸造铁锅）。常用耐热模具钢制造，如3Cr2W8V，4W2CrSiV，等。凹型的形式可有多种。整体凹型垂直分型凹型水平分型凹型复合分型凹型带芯棒凹型铸件收缩率：由于铸件凝固在封闭的金属型中受高压作用进行，故铸件收缩较小，比常规数值小一半。加工余量：垂直合型挤压铸造时铸件加工面上的加工余量可取较小，有色合金铸造时可选取0.5~2mm，铸钢取3~5mm。型腔表面粗糙度常取Ra6.3~0.8μm，铸造圆角半径2~10mm，铸造斜度为1~3度。（2）冲头加压的工艺参数1）压力•是保证铸件质量的重要参数。一般铸件壁越薄，所需施加的压力越大；铸钢时比有色合金铸造时需要的压力大，铸造半固态合金时比铸造液态合金时所需的压力大。•有色金属垂直合型挤压铸造所采用的压力一般应大于50MPa；铸钢件成形时压力应大于250MPa。2）浇注后开始加压时间的间隔不应超过15s。3）挤压时冲头的下压移动速度•冲头下压移动速度太低，易出现金属液未充满型腔时金属已不能流动；速度太高，金属液充型时流速太快，金属液中产生涡流，卷入气体。•一般，铸件壁厚较大时，冲头的下压移动速度控制在0.1m/s。铸件壁厚较小时，冲头的下压移动速度可取0.2~0.4m/s。4）保压时间•挤压充型后压力的保持时间应坚持到铸件全部凝固为止。•一般按铸件的最大壁厚推算保压时间。•铸件壁厚小于50mm时，铝合金、铸铁、铸钢件的保压时间可按每mm铸件壁厚需时0.5s推算；铜合金件按每1.5s/mm推算；•铸件最大壁厚50~100mm时，铸铁、铸钢件的保压时间仍按每mm铸件壁厚需时0.5s推算；铜合金件仍按每1.5s/mm推算；铝合金件按1~1.5s/mm推算。（3）铸型工作温度•浇注前，铸型应先有预热温度，以避免金属进入铸型后，在挤压充型之前，铸型中的金属会由于散热太快，已在型壁上形成较厚的硬壳，而后在挤压过程中被皱折、破碎和卷入铸件之中，降低铸件的质量。•铸造铝合金件铸型预热温度：200℃左右。•铸造铜合金件铸型预热温度：250℃左右。•铸造铸钢件铸型预热温度：400℃。（4）金属浇注温度•为利于提高铸件内部质量和铸型工作寿命，铸型垂直合型挤压铸造时的金属浇注温度比砂型铸造和金属型铸造偏低。•一般挤压铸造时金属浇注温度比该金属的液相线温度高50~100度。（5）浇注的定量•常采用体积定量法对浇入凹型中的金属数量进行定量，也可用称重法进行浇注金属的定量。•另外，可在设计铸型时，设置溢流器，以使多余金属在挤压铸造成型时进入该处，保证铸件尺寸不会因浇注金属太多而出现偏差。（6）铸型的润滑•为铸件凝固后冲头能很顺利地自铸件中抽出，铸件与凹型的脱离也应同样顺利，降低铸件与铸型间的摩擦力，在浇注时和进行挤压成形之前，需对铸型和冲头工作表面刷涂润滑剂。•铝合金、镁合金和锌合金挤压铸造：水基胶体石墨、硅涂料（白涂料）、石墨和机油或猪油的混合物。•铜合金：油基胶体石墨、石墨加机油或锭子油、植物油加肥皂水、植物油加石墨等。•铸铁、铸钢：地蜡加石蜡加凡士林加石墨的混合物、石蜡加二硫化钼加水玻璃加酒精等。一些新型的挤压铸造工艺带倾转式压射筒挤压铸造机1-上型2-下型3-连杆4-加压缸5-压射筒6-定量勺7-挤压冲头8-制品金属液的浇入位置发生了改变！采用电磁泵输液固定式压射筒挤压铸造机1-固定式压射筒2-金属型3-电磁泵4-熔化炉5-输液管挤压铸造与压铸对比•(1)产品性能好。液态金属自下而上缓慢、平稳充型的，并保持在高压力下凝固。由于浇注速度低及没有浇注系统，当上下模闭合后，金属在充分的压力下结晶成形，不会在工件内形成气孔、缩孔及涡流等缺陷，因而组织致密均一、晶粒较细，对于厚壁件的制造更显其优越性；•(2)模具结构比较简单、紧凑，不需要浇口套及浇注系统等辅助结构。模具的加工费低于压铸模，使用寿命也较长；•(3)不像压铸工艺需要专用液压机，可采用通用的液压机，设备投资较便宜。挤压铸造与模锻对比•(1)产品质量好。金属液在充足的压力下凝固结晶，其组织很致密，纵向和横向力学性能比模锻件均一；•(2)因挤压铸造直接凝固成形，制件外形准确，表面光泽，精度较高；•(3)挤压铸造采用一次成形，不需要模锻的制坯、预成形及终成形，节约模具材料；•(4)由于金属是在半流动状态下成形，所需能量低。其设备吨位只有模锻的1／5～1／8。压力下结晶对金属组织、性能的影响•挤压铸造实质：使液态（或半固态）合金在高机械压力下结晶、凝固。因此对挤铸件组织与性能产生一定影响。1、细化显微组织，改变宏观晶粒结构挤压铸造时，压力使铸件紧贴在铸型壁上，可大大改善其热交换条件，使合金冷凝速度加大。另外，压力对成长中树枝晶的破碎及脱落作用，因此可明显细化合金的纤维组织，使其枝晶间距、胞晶尺寸和胞晶间隔缩小，这有利于合金的力学性能的提高。但压力下结晶，会导致合金相图、结晶时形核率和晶粒长大速度的改变。总之，压力对合金宏观晶粒度的影响是复杂的，在工艺选配得当的情况下，挤压铸造有利于细化宏观晶粒度。2、抑制气泡的形成，减少甚至消除铸件中气孔缺陷对正凝固的合金液施压，可增加合金中气体的溶解度，使可析出的气体量减少。外部压力还会增加气泡形核的难度从而抑制气泡的形成。因冷凝速度的增加，使气体来不及扩散析出而被固溶在合金中。3、可抑制显微偏析、比重偏析的形成，但会促使正偏析的产生由于压力结晶可显著缩短凝固时间，降低溶质元素的扩散系数，因此可抑制上述偏析的形成，有利于提高合金成分的均匀性，并促使非金属夹杂物均匀分布。但由于压力对正凝固合金的“挤滤作用”，对某些合金，在特定条件下，会促使正偏析的产生。4、阻止缩松、缩孔的形成，提高合金组织的致密性挤压铸造是靠高的机械压力，对正凝固的合金铸件进行压力补缩的，同时使铸件产生少量的塑性变形。在工艺得当和压力足够的条件下，可以消除铸件中的缩松缩孔缺陷，使挤铸件达到很高的致密度。•总之，压力下结晶对合金组织及