0945561234张磊压力铸造的发展状况与展望

压力铸造的发展状况与展望0945561234张磊摘要:铸造业有几千年的历史，但是压力铸造业的历史并不长,。本文分析了压铸的特点以及我国压铸业的成绩和不足,并展望了压铸业的前景。关键词:压力铸造;压铸工艺;压铸合金;Al-Si合金;压铸机压力铸造是近代金属加工工艺中发展较快的一种先进的铸造方法。液态金属在高速高压作用下射紧锁的模具型腔内并保压、结晶直至凝固,形成半成品或成品。它所获得的铸件尺寸精度高,机械性能好,是一种生产效率高的精密成形工艺【1】。1.压力铸造技术的特点在压力铸造中,一般作用于原料上的压力在20-200MPa范围,充型的初始速度为15-70m/s,充型时间仅为0.01-0.20s。正是由于这种特殊充型方式及凝固方式,导致压力铸造具有自身独特的一些特点:(1)可以得到薄壁、形状复杂但轮廓清晰的铸件。(2)铸件精度高、尺寸稳定、加工余量少、表面光洁,加工余量一般在0.2~0.5mm范围,表面粗糙度在Ra3.2Lm以下。(3)铸件组织致密、具有较好的力学性能。(4)生产效率高。压力铸造的生产周期短,一次操作的循环时间约5s~3min,这种方法适于大批量的生产。(5)压力铸造采用镶铸法可以省去装配工序并简化制造工艺【2】。2.压力铸造工艺在压铸技术发展初期,一方面期望尽快掌握压铸工艺的基本知识,以便能在生产中保证铸件质量,另一方面则存在着热衷于开发压铸新工艺的倾向。各种压铸新工艺有其不同的特点,只有在特定的条件下才能发挥效能。2.1真空压铸真空压铸是利用辅助设备将压铸型腔内的空气抽出且形成真空状态下将金属液压铸成形的方法。真空压铸的特点:1)真空压铸可消除或减少压铸件内部的气孔,提高铸件的力学性能和表面质量,改善铸件的镀覆性能。2)真空压铸时大大地减少了型腔的反压力。可使用较低的比压及铸造性能较差的合金,甚至可用小机器压铸较大和较薄的铸件。2.2加氧压铸加氧压铸是在铝合金液充填型腔前,用氧气充填压室和型腔而取代其中的空气及其它气体。当金属液充填时,氧气一方面通过排气槽排出,另一方面由喷射的铝液与没有排出的氧气发生化学反应而产生氧化铝微粒,分散在压铸件内部,使压铸件内不产生气孔。加氧压铸的特点:1)消除或减少气孔,提高了铸件质量。其中提高机械强度达10%,延伸率为1.5-2倍。因压铸件内无气孔,可经热处理从而使强度进一步提高,屈服极限增加,冲击性能也显著提高。2)压铸件可在290e-300e的环境中工作。3)加氧压铸与真空压铸相比,结构简单,操作方便,投资少。2.3半固态压铸半固态压铸是当液态金属在凝固时,进行强烈的搅拌,并在一定的冷却速率下获得约50%甚至更高的固体组分的浆料,用这种浆料进行压铸。通常有两种方法:一种是将上述半固态的金属浆料直接压射到型腔里形成铸件,称为流变铸造法;第二种是将半固态浆料预先制成一定大小的锭块。需要时再重新加热到半固态温度,然后送入压室进行压铸,称为搅溶铸造法。半固态压铸与全液态金属压铸相比有如下优点:1)由于降低了浇注温度,而且半固态金属在搅拌时已有50%的熔化潜热散失悼,所以大大减少了对压室、压铸型腔和压铸机组成部件的热冲击.2)由于半固态金属粘度比全液态金属大,内浇口处流速低,因而充填时少喷溅,无湍流,卷入的空气少;由于半固态收缩小,所以铸件不易出现疏松、缩孔,故提高了铸件质量。3)半固态金属像软固体一样输送到压室,操作简单方便。半固态压铸的出现,为解决黑色金属压铸模寿命低的问题指出了新途径,而且对提高铸件质量、改善压铸机压射系统的工作条件,都有一定的作用。2.4固态压铸固态压铸是以粉状或粒状的固态金属加入压室进行压铸的。固态压铸压射进入模具型腔的同样也是半固态浆液,但与半固态压铸的区别就在于加入压室的是固态金属,而生成浆液的一系列工序都在压室内完成,直到压射产生触变而压铸成形为止。固态压铸所用的压铸机最大的区别和特点就是压室的结构和工作原理。然而,这种新的工艺方法也存在不少问题和困难需要解决。2.5精、速、密压铸精、速、密压铸(双压射冲头)时采用一种由两个套在一起的内外压射冲头。在开始压射时,两个压射冲头同时前进;当充填完毕,型腔达到一定压力后,限时开关启动,内压射冲头继续前进,补充压实铸件。这种方法的基本持征是:1)内浇口较厚,一般为3mm~5mm;2)充填速度较低,一般为4m/s~6m/s;3)压铸后用内压射冲头补充加压。此时比压是3500kN~100000kN,内压射冲头的行程为50mm~150mm;4)控制压铸件的凝固。充填时,让液态金属平稳地充填型腔,使金属液在型腔内由远至近地起到充实的作用。3.压铸合金20世纪50年代初期我国即开始了压铸锌合金方面的工作,不仅建立了压铸锌合金体系,而且对锌合金老化行为进行了研究。受到当时国际上对锌合金老化问题研究热的影响,我国曾用过多的精力关注锌合金的老化行为,忽视了开发新型压铸锌合金的工作。但自20世纪70年代末期开始,我国已开展了高铝锌基合金的开发工作,并开发出了5-6个含铝量在8%-45%范围内的高铝锌基合金牌号,它们具有价格低、密度低、强度高(400MPa)等优点,并具有与青铜相似的耐磨性能,经实际应用,取得了良好效果。压铸铝合金在国内受到更多的重视和关注大约是在20世纪70年代末期。在此之前,我国的压铸铝合金主要是参照采用苏联标准的有关数据和规定。仅在1982年颁布了JB3068-3072-82(有色压铸合金技术条件)标准以后,我国的压铸铝合金才在牌号设置、标识方法、成分与性能等方面,达到了国际水平。20世纪90年代初期,随着生产形势的发展,在制定铝合金国家标准时,决定把国外先进标准中的AlSi11Cu3(ADC12,383)和AlSi17Cu5Mg(ADC14,390)两种铝合金纳入我国国家标准之中。压铸铜合金在国内用量较少,在国家标准中(GB/T15116-94)选用了CuZn40Pb、CuZn16Si4、CuZn30Al3和CuZn35Al2Mn2Fe四种牌号的铜合金。把含锰黄铜CuZn35Al2Mn2Fe引入标准,是考虑到它在汽车压铸件生产中的应用。镁合金压铸件产量较少,只选入一种镁合金纳入标准。迄今,它只有行业标准。3.1铝合金压力铸造铝合金压力铸造是在压铸机的压室内，浇入液态或半固态的铝合金，使它在高压和高速下充填型腔，并且在高压下成型和结晶而获得铸件的一种铸造方法。铝合金压力铸造的主要特点在于：（1）生产效率高。（2）铸件精度高，性能好。（3）铸造采用镶铸法可以省去装配工序并简化制造工艺。镶铸的材料可为钢、铸铁、铜、绝缘材料等，制备出有特殊要求的铸件。（4）由于充型速度快，空气难以排出，容易被压碎为细密的气泡残留在铸件内，气泡过大则铸件不能热处理，甚至报废。3.2铸造Al-Si合金铸造Al-Si合金作为铸造铝合金材料的重要组成部分,因其具有容重小、强度高、铸造成形好和机械加工性能优良等一系列优点,目前已被广泛应用到航空航天、汽车及其它运载机械上。由于铸造铝硅合金性能与合金组织中a-Al、共晶和/或初晶Si等的形态、大小及分布密切相关,改善这些因素对于提高合金的使用性能具有十分重要的作用。已有研究表明;在铸造Al-Si合金成形过程中施加压力会影响合金的形核生长过程,从而使合金的组织得到细化,综合性能得到提高。4.我国压力铸造业的现状我国已建立了自己的压铸技术队伍,培养出一批具有相当水平的压铸技术人才,已有能力在压铸技术与生产领域的各个方面进行开拓性的工作。迄今,压铸技术已经在我国形成了自己的体系,并正在稳步发展之中。然而同国外压力铸造相比,我国压力铸造仍然存在很多不足,主要表现在以下方面:一．国外压射系统始终在不断地改进,平均5a~8a就有一次重大改进。而我国压射部分的所有压射参数的调节均为人工手动,无参数显示系统配套,给压铸工艺规范的实施造成困难,因而压铸件的质量无法保证,也难以实现自动化。二．合模部分一般采用曲轴机械扩力结构,其扩力系数只有18左右,而国外高达20多,这在合型力相同时,合型油缸比国外压铸机大四分之一以上,增加了能量的消耗,也增加了原材料和加工成本。而且合型部分的一些关键零部件至今未完全过关,直接影响到机器的正常工作。三．液压系统无法实现压铸机的自动控制。而国外有名的压铸机公司在这方面早已普遍应用。四．生产率低。五．我国在压铸模的设计和制造方面,进展较为缓慢。在压铸模设计中,目前仍主要依靠设计人员的经验。5.展望5.1我国铸造发展需采取的措施加入WTO以后,我国的压铸业面临着巨大的发展机遇和强有力的国际竞争。面对这样的形势,我国压铸业别无选择,只有在现有基础上努力提高技术水平,确保压铸件质量、扩展压铸件品种才能在竞争中获得发展。为此应考虑在下述几个方面开展工作。1)提高压铸件质量,增加压铸件品种,扩大应用范围,增加压铸件产量。2)开展大型铝合金压铸件全套生产技术的开发,包括大型压铸型的设计和制造、压铸工艺、质量控制、压铸件后处理及自动化等。3)加强压铸件质量检测技术的开发。4)开展压铸基础工艺研究,对压铸过程中金属液流向和传热问题进行探讨。5)消化吸收引进技术,首先从压铸设备入手,稳定小型压铸机的质量,提高大型压铸机的性能和辅机配套问题。6)对压铸用脱型剂、润滑剂、铸型用材、型温控制装置、压铸机不燃油等,开展边缘技术的研究。7)在压铸技术中应用计算机技术。8)完善压铸标准化工作,在完成压铸合金、压铸件、压铸机及压铸型基本构件的国家标准制定工作后,制定与之配套的其他项目的国家标准。9)建立国家级的压铸试验研究工程中心、信息中心与培训中心。10)加强行业活动,扩大国际交流与合作。此外,在我国于2001年12月成为WTO成员后,我国的压铸行业与其他行业一样,面临着与国际接轨的问题,需要从观念上去适应国际竞争的通用规则。5.2我国压力铸造的研发方向面对目前和将来的形势,我国压铸业别无选择,只有在现有基础上努力提高技术水平,加快技术进步,培养核心竞争实力,确保压铸件质量,扩展压铸件品种,追求高效率和高效益,才能在竞争中获得发展。5.2.1深化压铸基础工艺的研究影响压铸件质量的因素是多方面的,其中最为主要的是充型条件,铸件中的气孔、尺寸精度及表面质量等,均与充型条件有密切关系。充型过程中可变因素复杂多样,从总体上可以划分为静态的、人为的和动态的3个类别。静态方面包括:压铸机本身的性能、铸件结构、模具结构、储能器压力及增压压力。属于人为的有:阀、定时开关、行程开关、金属液的温度及液压油的粘度等。动态方面的可变因素众多,也是最难以控制的,压室中的金属量、冲头运行时所受的阻力、模具温度以及采用真空压铸时的负压曲线等,都会对施加于金属液上的压力和冲头的速度产生巨大的影响,而这两方面又是影响充型条件最为重要的参数。影响压铸件质量的因素还有压铸模,压铸模是直接影响所生产的压铸件质量的不可缺少的压铸工艺装备。5.1.2消化吸收国外先进技术和设备就目前而言,我国压铸产业整体水平比国外先进水平确实还有一段差距,现在是改革与开放的时代,我们应取人所长,大胆研究和引进国外的新型压铸机。如美国螺旋挤压压铸机(为压铸镁合金推出的新型压铸机)。该机的突出特点是直接使用冷金属粒,金属粒进入型腔前经过压铸机机内的加热环升温,加热环温度为1000e,镁合金粒度有两种,螺旋杆的作用是使金属粒1)球化;2)产生切变应力;3)升温;同时低速挤压。这种工艺过程是以半固态压铸法的原理为基础的,所生产的压铸件气孔少。国外采用能输出25MPa液压油的储能器作为压射和增压系统的动力,使合金液在每个阶段都能按设定的充型速度填充型腔。由于高的能量足以克服充型过程产生的局部阻力,所以具备高能充型系统的压铸机可以生产复杂程度更高、壁更薄且综合性能更好的零件。5.1.3研究高新技术特别是计算机技术在压铸中的应用压铸件的质量在很大程度上取决于压铸机压射性能的优劣。现代化的压铸机在压射控制方面对冲头速度和压力曲线能够做到精确编程,但是每一次压射过程都会与事先所设定的曲线产生无法避免的偏差,在压射过程中及时去修正这些偏差,纠正压射中的相应数据,并在极为短暂