（材料加工工程专业论文）铜合金压铸成形技术的研究.pdf

沈阳工业人学硕七学位论文 捅要 2 1 世纪工业正向着节能化和高效率方向发展，在追求降低零部件生产成本和提高效 率的过程中，人们对材料的成型方法有着更深的重视。由于铜合金零部件具有良好的耐 腐蚀性和再生率高等优点，铜合金零部件应用领域也在不断扩展。针对铜合金以往的离 心铸造方法的缺陷和铜合金压铸模具寿命低等原因，本课题采用压铸技术，对铜合金压 铸工艺和模具的热疲劳性能进行了研究。 本文首先对h p b 5 9 1 铜合金试棒进行了压铸试验，研究了压铸工艺对铜合金力学性 能的影响，并且得到一组最佳的压铸工艺：浇注温度为9 7 q 士5 ，模具温度为2 4 0 2 8 0 ， 快压射速度为5 5 n l s ，增压比压为5 0 m p a 。在此基础上，对铜合金轴承保持器进行了 生产试验，采用上述工艺参数压铸试件，保证了铸件的力学性能，考虑到压铸后铸件容 易产生内部气孔等缺陷，加入了真空系统，使得在压铸前模具形腔基本处于真空状态， 最终基本解决了产品内部缺陷问题，得到良好的保持器件。 重点研究了铜合金压铸模具的热疲劳失效问题，以影响模具寿命的最主要因素一热 疲劳性能为出发点，采用盐浴热疲劳试验法为手段，对标准的h 1 3 模具钢梅氏试样进行 了热疲劳研究试验。通过对不同前处理的试样失效裂纹的比较分析确定了h 1 3 模具钢的 最佳前期热处理工艺：淬火1 0 2 0 、回火6 4 0 。在对试验过程中经铜合金液腐蚀试样 的结果分析中，发现铜元素对裂纹扩展有着很深的影响。一方面表现在铜与模具钢表面 的其他元素形成不稳定相，该相在高温下脆化并且破裂，以促进裂纹扩展，另一方面， 由于铜元素比较活泼，高温下很容易被氧化，使得模具钢表面孕育很多裂纹源。而在研 究p b 的影响中，我们发现p b 在高温下熔化并富集在裂纹前端，进而加速裂纹的扩展。 合金元素的加入在一定程度上能改善模具钢的热疲劳性能，其中本试验加入的铬元 素就很大程度的提高了模具的寿命，推迟了热裂纹的扩展，主要表现在铬的含量的增加 后，铬元素与钢中其他元素在高温下形成了硬质相，该相具有固溶强化的作用，进而推 迟裂纹的扩展。 关键词：铜合金h p b 5 9 - 1 ，压铸，轴承保持器，模具寿命，热疲劳裂纹 铜合金压铸成形技术的研究 s t u d yo nd i e c a s t i n gt e c h n o l o g yo fc o p p e ra l l o y a b s t r a c t h lt h e2 1 8 c e l l t u mi n d u s 田d e v e l o p st o w a r de n e r g yc o n s e a t i o n 锄dh i 曲e 衔c i e n c y ， f b rp u r s u i n gt 1 1 er e d l i c t i o no nt l l ep r o d u c t i v ec o s ta n di n c r c a s eo fe 伍c i e n c y ，s o 也em a t e r i a l s 仍衄a t i o nm e t 蛔d sa r em o r ei m p o n 柚tm a nc 、，c rb e f o r e t h ec o p p e ra l l o y sa w i l d l yu s e d b e c a l l s e t l l e y h a v e t l l e p r o p e r t y o f e m s i o nr c s i s t a l l c e 雒d l l i g hr a t eo f r 印m d u c t i o n h l m e l i g h t o fm ed e 觑t so ft h ec 咖r i 向g a lc a s t i n gm e t h o da n dt h es h o r t a g eo fc 勰t i n gm o u l dl i f c ，i nm e t e s t ，t l l et e c l l i l i q u eo fd i e - c 猫t i n gw 够a d o p t e d a n dt l l er e s e a r c ho nt h ec a s tc m f ta n dn l o u l d t 1 1 e r i i l a lf 缸i g u ep m p e n i e sw e r es t i l d i e d t 0b e g i l l 、7 i r i t h ，t l l es p e c i m e no fh p b 5 9 一lc o p p e ra l l o yw 硒p r e p 批df o rd 主e c a s t i n g ，a n d m ee f 艳c to f d i e - c 硒t i n gc m f io nm em e c h a n i c a lp m p e n i e so f c o p p e ra l l o y sw 勰s t l l d i e d h lt h e 础m h ，t l l eb e s td i e - c a s t i n gc r a rh a sb e o b t a i n e d ：p o u r i n gt e m p e r a n j w 勰9 7 0 士5 ，m o u l d t 唧c r 帅ew 鹪2 4 0 2 8 0 ，t l l es h o tv e l o c i t ) ，w 舔5 5 m s ，p r e s s u r er a t i ow 鹪5 0 【p a f u r t h 锄o r e ，t h ec o p p e ra l l o yr e t a i n e rw 船p r o d u c e db yu s i n gt h ep a r 锄e t e r sa b o v e t h e m e c h a l l i c a lp r o p 瞰i e sh a v eb e e l la c h i e v e d c o n s i d e r i n ga b o u tm es h o n a g e sd u r i n gt 1 1 e p r o c e s so f d i e c a s t i n g ，s u c h 嬲t h ep o r o s i t i e si nt h ec a s t i n g ，l ev a c c 啪s y s t e mw a sa d d e dt oi t t oe n s l l r et h ev a c c u ms t a t ei nt h em o u l db e f o r ec a s t s om es b o r t a g ei nt h ep r o d u c t i o no f k e 印e rw a sb e e ns o l v e d ，i i lo r d e rt oo b t a i l lg o o dr e t a i n e r f i n a l l y ，m er e s e a r c ho nt l 坨m e r i i l a l 觚g u eo fd i e - c a s t i n gm o u l d0 fc o p p e ra l l o y sw 弱 s t u d i e d h lt 1 1 i sp r o b l 锄，t h em o s ti m p o r t a n tf a c t o rw 舔t h et h e 加a lf a t i g u cp r o p e r t y t h e t h 锄a lf a t i g u ee x p e r i m 饥to ns t a n d a r dh 1 3s t e e ls p c c i m e nh a sb e e nd o n et h m u g ht h e m e t l l o do fs a l tb a t h 1 1 1 eb e s tp r e h e a t i n g 仃e a 仃e mc m f to fh 1 3m o u l ds t e e lw 鹊d c f i n e d t h r o u g hm ea n a l y s i so fm ec o n t r 髂tb e t w e e l ls p e c i m e nc m c k sd i l et od i f f 醯e n tp r e h e a t i n g 扭e a 恤e n ta f f 打廿l ee x p e r i m e n t ：q u e n c h i l l gt e m p e r a t u r cw a s1 0 2 0 ，t e m p 商n gt e m p c r a t l l r c w a s6 4 0 t h er e s u l ta l s oi n d i c a t e dt h a tc ue 1 锄e n th 硒g r c a te f r e c to nt h cc r a c kp r o p a g a t i o n 1 1 1 e r ca r e 铆oa s p c c t st oc a u s et h i sp h e n o m e n o n f i r s t ，t h e 眦s t a b l ep h a s e sb e t 、) l ，e e i ls u r f 砬eo f t l l ec o p p e ra 1 1 0 ya n dt h em o u l ds t e e lw e r ef o 肌e d a tt h eh i 曲t 锄p e r a “l r e ，t h ep h a s e sb e g a i l t ob e 锄b r i t t l e d 锄d 丘a c t u r e dt os t i m u l a t em ec r a c kp r o p a g a t i o n o nt h eo t h e rh a n d ，c u 沈阿1 丁业大学硕士学位论文 e l e n l e n tc a nb ee a s i l yo x i d i z e da tl l i g ht c i l l p e r a t u r c ，t h e nt h es u r f a c eo f m o u l ds t e e lc a nb er i c h i nc r a c k s d u r i n gm er c s e a r c ho nt h ce f 诧c to fe l e m e n tp bt ot h ec r a c kp r o p a g a t i o n ，t h em a i n b e h a v i o rw 船t h a tp be l e m e mm e l t e da i l dg a t l l c r e di n 丘d mo f t h cc r a c l 【sa th i g ht e m p e r a t i l r e t h e nt h ec r a c kp m p a g a t i o ni ss t i m u l a t e d nc a nb es e e i lm a tm ea d d i t i o no fa l l o ye l 锄e 1 1 t sc a ni m p r o v et h et l l e m a lf a t i g i l e p r o p e n i e so fm o u l ds t e e lf o rs o m ec x t e n t h lt h ee x p e r i m e n t ，t h ec re l e m e r i tc a i lo b v i o u s l y i n c r e a s et h em o u l dl i f c ，卸dp o s t p o n et h em 锄a lc m c kp r o p a g a t i o n b e c a u s et l l eh 盯dp h 硒e s w e r ef o m e db e t w e e nc re l 锄e n ta n do t h e re l e i i l e m si n 幽es t e e la tl l i g ht e m p e r a t u r cw i md l e c o n t e n to fc ri n c r e a s e d t h ep h a s e sh a v et h em n c t i o no fs 0 1 u t i o ns 仃i m 垂h e i l i n gt op o s t p o n e t h ec r a c kp r o p a g a t i o n k e yw o r d s ：c o p p e ra l l o yh p b 5 9 1 ，d i e c a s t i n g ，r e t a i e r ，m o u l dl i f e t h e r m a l f a t i g u ec r a c k 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名鱼眺半。厂 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：銎塑导师签名：室：整日期：坦2 ：堕：矿 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 2 1 世纪工业正向着节能化和高效率方向发展，在追求降低零部件生产成本和提高效 率的过程中，人们对材料的成型方法有着更深的重视。由于铜合金零部件具有良好的耐 腐蚀性和再生率高等优点，铜合金零部件应用领域也在不断扩展。以往铜合金产品的成 型方法大多采用离心铸造，而利用压铸方式成型会大幅度降低成本并且提高生产效率。 目前，铜合金压铸工艺己成为铜合金成形工艺中应用最广泛的工艺之一。 铜合金中只有铸造黄铜适合于压铸，主要是黄铜的熔点较低，合金的结晶间隔小。有 利于克服由于快速冷却形成的凝固应力，加之锌的价格远比c u ，舢低，且货源丰富，故成 本低。z n 在c u 中固溶度也大，有利于强度及硬度提高，这些都为铸造黄铜拓宽在压铸中 的应用创造了条件。压铸铜合金中，国内以yz c l l z n l s i 6 4 压铸黄铜用的较多，硝及 s i 的加入有助于减少合金的氧化，改善合金的工艺性能，铸件合格率较高，压铸铜合金 由于其熔炼设备有特殊要求，耗能大，加上铜合金压铸模具材料特殊，寿命短，所以国内 发展受到一定限制【1 j 。 不过从铜合金的应用性考虑，还是有很大的发展潜力。压铸铜合金一般用来制作高 温强度较高、耐蚀、耐磨的构件，如水管接头、汽车拨叉、标牌、门锁、家具配件、消 防喷头等【2 】。 图1 1 水管接头 f i g 1 1w a t e r p i p eh c a d 图1 2 阀门接头 f i g 1 2 v a l v eh e a d 本课题的提出主要是分析在压铸铜合金的过程中所存在的问题，如铜合金的熔炼过 程中很容易卷入气体、压铸过程中铜合金的模具寿命问题、工艺参数和微量元素对合金、 铜台金压铸成形技术的研究 铸件性能的影响等问题，针对这些问题提出改进的方法，使它们对铸件的影响降到最低 标准。 另外缩短制造周期、降低制造成本的目的，具有重要的理论意义和重大的实际应用 价值。因此，特别需要加强合金的成形性能和成形技术方面的研究3 1 。随着工业化进程的 加快，一方面追求合金本身高的性能：另一方面对铸件的要求也日益提高【4 】。现在铜合金 铸件的发展趋势是：规模化的工业生产和良好的复杂铸件整体性能。铸造形状复杂，尺寸 精密，大型薄壁整体无余量铸件是将来一段时期铸铜件的发展方向【卯。 因此本课题拟采 用先进的成形技术一压力铸造，进行铜合金压铸成形技术的研究，开发铜合金材料轴承 保持架的压铸成形技术，以达到高的生产率和产品合格率，提高经济效益，满足工业化 发展的要求【6 】。 1 1 压铸铜合金研究概况 目前，就所查到的资料，美国1 9 9 8 年汽车用铜铸件增长7 ，近年来，随着科技的 飞速发展，铸造业在生产领域中大量采用新技术、新工艺、新设备、新材料，有色合金铸 造表现得尤为突出7 1 。压铸的发展就是典型代表，无论是设备及控制，还是压铸工艺及压 铸合金等各方面都不断取得新进展。随着汽车、摩托车等基础工业的发展，减少本体质 量、节约能耗、降低污染等设计要求的实现，大大促进了有色合金铸件，这不仅因为压 铸的效率和出品率非常高，而且还可以最大限度地减少铸件壁厚以减轻铸件质量，减少 后续加工量，同时铸件具有较好的表面质量和尺寸精度【8 】。 我国经过建国5 0 年来的发展，特别是改革开放2 0 年来，铸造工业取得了很大的发展， 大量引进了新的工艺、新设备，并有外资企业大量进入，带动了我国的铸造企业，使我国 进入了世界铸件生产大国的行列，年产铸件超过了1 0 0 0 万t 。有色合金铸件的发展更快， 特别是压铸工业，保持着年增长率8 1 2 【9 1 。现在拥有压铸厂点及相关企业总共约 3 0 0 0 家，压铸机制造厂超过2 0 家，专业压铸厂8 0 0 多家，拥有各类压铸机8 0 0 0 多台，其中 国产压铸机占8 4 5 ，年产压铸件3 0 余万t 。其中铜等占2 2 。铜合会铸件增加了 2 】6 7 。 沈阳t ：业大学硕士学位论文 表1 1 铜合金铸件生产的发展情况 t a b 1 11 1 l ed e v e l 叩o f c 叩p e ra l l o yc 船t 年份铜合金压铸件产量( t ) 2 0 0 2 年，我国压铸件总产量6 2 4 万t ，铜合金压铸件产量为o 5 3 万t ，2 0 0 3 年， 我国铜产量预计可达1 7 0 万t ，资源是有保障的。随着房地产的迅猛发展，铜阀门、厨卫 五金和装饰件的市场需求日益增多，铜压铸件产量也有所增长，但其量甚微。这主要由于 铜合金压铸的模具寿命问题尚未根本突破，从而制约了铜压铸件生产的发展【lo 】。2 0 0 2 铜 合金压铸件产量为5 2 8 0t ，仅占压铸件总产量的o 8 4 。 1 1 1 压铸铜合金材料的研究状况 表1 2 主要压铸铜合金化学成份 t a b 1 2c h e l l l i c a lc o n s t i m t i o no f c o p p e ra l l o yo f d i e a s t i n g 上述压铸铜合金一般用来制作高温强度较高、耐蚀、耐磨的构件，如水管接头、汽 车拨叉、标牌、门锁、家具配件、消防喷头等，其中以yz c u z n l s i 黄铜合金为主。 1 1 2 铜及铜合金熔炼 良好的铜合金的熔炼要经过一个还原精练的过程，经过严格的还原精练，铜液和合 金液达到了精练的效果。这个技术在国外取得了新的进展 ”】。 铜合金压铸成形技术的研究 日本神户钢铁股份公司发明的这项技术是：铜及铜合金冶炼时，向液态金属中加入固态 还原剂，并同时向熔融金属中吹入惰性气体进行搅拌，喷吹惰性气体的喷嘴以1 2 0 州m i n 的线速度作圆周运动。采用这种方法对含氧0 0 0 1 ( 还原精炼前的含氧量) 的铜液进行精 炼，通过加入木炭( 加入量为装炉量的o 5 ) 、吹氢( 氢气流量4 0 l m i n ) ，并将氢气喷嘴的 圆周运动速度控制在4 0 0 i i l m i n 左右，精炼1 0m i n ，可以将铜或铜合金中氧的含量降低 到5 x l 以下。该项发明现已取得了日本专利权。 1 2 铜合金压铸模具寿命的研究概况 从生产规模上看，为了满足大规模的市场需要，铜合金保持架这种构件采用压铸也 是非常明智的。但由于铜合金熔点高，导致压铸模具在高温的工作条件下寿命较低。提 高压铸模具热疲劳寿命，可以解决模具费用高、损耗速度快等缺点，使其节省成本，顺 利投入大批量生产。本次设计以测试分析铜合金压铸模具的热疲劳寿命为过程，总结出 较优质的材料，来提高模具寿命，将铜合金以压铸的方式成型，使铜合金压铸得到更广 泛的应用。 1 2 1 铜合金压铸模具热疲劳性的研究现状 东风卡车二、三档和四、五挡同步器锥环是锰黄铜压铸件、其压铸模动衬模是用国 产“旧材料”3 c r 2 w 8 v 模具钢制造，它的使用寿命很短，平均只有2 0 0 0 4 0 0 0 模次。有 时用不到一个班，压5 0 0 。7 0 0 模次，模具就会因“龟裂”、“掉肉”而早期失败，影响 均衡生产，同时使生产成本提高【1 2 】。 压铸模寿命低的主要原因是模具使用条件差，锰黄铜的压铸温度高( 大于1 0 0 0 ) 铸件体积大，模具形状复杂。而压铸模加工周期长，三个月做一套模具，使用时间短， 上机两三天就报废，制约着生产能力。这迫使我们探讨提高模具使用寿命的方法。 本次实验课题选择压铸铜合金保持架为研究方向，考虑其压铸模具在生产中出现高 成本低寿命的问题，以提高模具寿命为出发点展开研究，深入探讨影响压铸模具寿命的 因素，以及压铸模具钢材料失效的实质。分析压铸过程中材料疲劳失效的具体形式。找 出压铸模具不同生产工艺对模具寿命的影响。最终选择出较好的模具制作材料和工艺。 希望能将模具寿命提高上来，达到批量生产的目的，使铜合金压铸得到更广泛的应用。 沈r 1 工业大学硕+ 学位论文 压铸生产是一种动态热力学过程，液态金属在高压作用下射入压型并凝固冷却，压铸件 具有尺寸精度高、表面光洁、强度和硬度高等特点，一般不需要机械加工便可使用，由 于压铸模具在生产中反复受到热冲击，热疲劳是压铸模具失效的主要原因。压铸模具形 成的热疲劳裂纹对压铸件尺寸精度和表面质量都有严重影响，影响最大的是热疲劳裂纹 的深度和密度，压铸模具材料热疲劳的因素较多，其中主要有热力学性能、机械性能、 成分、组织、热处理工艺及工作条件。多年来，人们对压铸模具热疲劳行为做了大量的 研究工作并取得了可喜的成果，如用等温淬火热处理工艺代替常规热处理工艺使模具寿 命提高2 3 倒”1 ，提高强度有利于提高4 c r 5 m o s i v l 钢的抗热疲劳性能【1 4 1 。 1 2 2 铜合金压铸模具热疲劳性的发展 根据压铸模具的工作环境，新一代压铸模具要把模具的热疲劳性放在首位，一方面 从材料入手，另一方面要从模具的热处理和表面处理等方面来提高模具的抗热疲劳性 能。而从微观的热疲劳裂纹分析是一个比较根本的研究方法。 压铸模材料最常用的仍然是h 1 3 钢或相当于( 类似) h 1 3 钢的其他材料，如h 1 1 、 h 2 1 、马氏体钢、钨基、钼基、铜基合金等也都作过研究试验，但总是不如h 1 3 钢那样 普及【1 5 ”】。为此，北美压铸协会模具材料委员会规定了h 1 3 钢的各种性能，列出详细的 规范，确定一种称为优质h 1 3 钢，列入在n a d c a 2 0 7 9 0 ( 编号) 规范内【1 8 】，供钢厂和 用户共同遵守，作为验收的依据。 至于采用电加工对h 1 3 钢的影响也作了细致的研究，研究结果认为：经过电加工 后的表面，从外向内依次形成熔解凝固层、未回火的马氏体层、回火层和未受影响的基 体。最外层即熔解凝固层呈白色又称白皮层，它硬度很高( h r c 5 乱5 8 ) ，而且暗藏微观 裂纹，其深度一般在o 0 1i 姗左右，必须去除才能使用，第二层也很硬且脆，所以， 模具使用前，应再进行一次热处理，使硬度降至规定要求才能使用。针对热裂问题，研 究和实验的方法也是多样的，例如：用计算机模拟探讨热裂的产生和预示寿命、微观组 织与延展性的关系、微观组织对抗热疲劳的影响、根据退火后的金相组织观察冲击韧性 的变化、压铸工艺参数值对模具寿命的影响，以及材料中各种元素的含量变化对性能的 影响，等等。有关延长模具寿命的最重要的和最基本的做法仍然是：正确采用符合要求 的材料，按照钢厂提供的热处理规范进行热处理、遵守合理的工艺规范和操作规程【1 9 】。 铜合金压铸成形技术的研究 此外，正确使用模具润滑剂、模具工作后定期消除应力，以及表面处理等一系列保 护性措施，对延长模具寿命也起到积极的作用。 1 3 压铸成形技术的研究概况 1 3 1 压铸的实质及工艺过程 压铸是压力铸造的简称，其实质是在高压作用下，使液态或半液态金属以较高速度 充填铸模型腔，并在压力作用下成形和凝固而获得铸件的方法。 高压力和高速度是压铸时熔融合金充填成形过程的两大特点，也是压铸与其他铸造方法 最根本的区别所在。 1 3 2 压铸的特点 与其他铸造方法相比压铸有其自身的特点。 ( 1 ) 优点 1 ) 压铸件的尺寸精度高，表面粗糙度值低尺寸精度可达i t l l i t l 3 级，有时可 达r r 9 级。表面粗糙度达r a o 8 3 2 肛m ，有时达r a o 4 肛m ，产品互换性好。一 2 ) 材料利用率高由于压铸件具有尺寸精确、表面粗糙度值低等优点，一般不再 进行机械加工而直接装配使用，或加工量很小，只需经过少量的机械加工即可装配使用， 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。其材料利用率约为6 0 8 0 ，毛坯利用率达9 0 。 3 ) 可以制造形状复杂、轮廓清晰、薄壁深腔的金属零件因为熔融金属在高压高 速下保持高的流动性，因而能够获得其它工艺方法难以加工的金属零件。例如，当前锌 合金压铸件最小壁厚可达o 3 m m ；铝合金压铸件可达o 5 m m ；最小铸出孔直径为0 7 m m ； 可铸出螺纹最小螺距为o 7 5 n u n 。 4 ) 在压铸件上可以直接嵌铸其他材料的零件，以节省贵重材料和加工工时这样 既满足了使用要求，扩大产品用途，又减少了装配工作量，使制造工艺简化。 5 ) 压铸件组织致密，具有较高的强度和硬度 因为液态金属是在压力下凝固的， 又因充填时间很短，冷却速度极快，所以在压铸件上靠近表面的一层金属晶粒较细，组 织致密，不仅使表面硬度提一苗，并具有良好的耐磨性和耐蚀性。压铸件抗拉强度一般比 砂型铸造提高2 5 3 0 ，但伸长率有所f 降。 沈阳t 业人学硕士学位论文 6 ) 生产率极高因为压铸生产易实现机械化和自动化操作，生产周期短，效率高， 可适合大批量生产。在所有铸造方法中，压铸是一种生产率最高的方法。另外压铸型寿 命长，一付压铸型，压铸铝合金寿命可达几十万次，甚至上百万次。 ( 2 ) 缺点 1 ) 压铸件常有气孔及氧化夹杂物存在这是由于压铸时液体金属充填速度极快， 型腔中气体很难完全排除所致，从而降低了压铸件质量。另外，高温时气体内的气体膨 胀会使压铸件表面鼓泡，因此，压铸件一般不能进行热处理，也不宜在高温下工作。 2 ) 不适合小批量生产其主要原因是压铸机和压铸模费用昂贵，压铸机生产效率 高，小批量生产不经济。 3 ) 压铸件尺寸受到限制因受到压铸机锁模力及装模尺寸的限制而不能压铸大型 压铸件。对内凹复杂的铸件，压铸生产也较为困难。 4 ) 压铸合金种类受到限制由于压铸模具受到使用温度的限制，高熔点( 如黑色 金属) 压铸模寿命较低，难于用于实际生产。目前，用来压铸的合金主要是锌合金、铝 会金、镁合金及铜合金。 ( 3 ) 合金材料的压铸工艺性能要求根据压铸的特点，用于压铸的合金应具有以下 性质： 1 ) 高温下有足够的强度和可塑性，无热脆性( 或热脆性小) 。 2 ) 尽可能小的线收缩率和裂纹倾向，以免铸件产生裂纹，使压铸件有较高的尺寸 精度。 3 ) 结晶温度范围小，防止压铸件产生过多的缩孔和缩松。 4 ) 在过热温度不高时有足够的流动性，便于填充复杂型腔，以获得表面质量良好 的压铸件。与型壁产生的物理一化学作用的倾向小，以减小粘模和相互合金化 1 3 3 压铸的应用范围 压铸是近代金属加工工艺中发展较快的一种高效率、少无切削的金属成形精密铸造 方法。由于上述压铸的优点，这种工艺方法已广泛地应用在国民经济的各行各业中。压 铸件除用于汽车和摩托车、仪表、工业电器外，还广泛应用于家用电器、农机、无线电、 通信、机床、运输、造船、照相机、钟表、计算机、防止器械等行业。其中汽车和摩托 铜合金压铸成形技术的研究 车制造业是最主要的应用领域，汽车约占7 0 ，摩托车约占1 0 目前生产的一些压铸 零件最小的只有几克，最大的铝合金铸件质量达5 0 k g ，最大的直径可达2 m 【。 1 3 4 压铸的发展概况 一般认为最早的压力铸造机械出现在1 9 世纪初期，那时印刷行业广泛使用铅锡合 金来压铸铅字，1 9 世纪中叶已有专利提出。1 9 0 5 年h h 多勒成功研制了用于工业生产 的压铸机，这是既能压铸铅、锡合金，又能压铸锌合金的最早的一台压铸机。随后1 9 0 7 年v 瓦格内设计了鹅颈式气压压铸机，用于生产铝合金铸件。1 9 2 0 年英国开发了冷室 压铸机，使压铸机有可能生产铝合金和镁合金等压铸件。1 9 2 7 年捷克工程师发明了立式 冷室压铸机。由于储存液态金属的坩埚与压射室分离，能显著的提高压射力，使之更适 合工业生产的要求，克服了气压热室压铸机的不足之处，从而使压铸生产技术向前推进 了一大步，使铝、镁、铜等合金铸件可广泛采用压铸生产【2 1 。2 2 1 。由于整个压铸过程都是 在压铸机上完成，因此，随着对压铸件的质量、产量和扩大应用，将对压铸设备不断提 出新的、更高的要求。而新型压铸机的出现及新工艺、新技术的采用，又促使压铸生产 更加迅速地发展。例如，为了消除压铸件内部的气孔、缩孔、缩松，改善铸件的质量， 1 9 5 8 年真空压铸在美国取得专利；1 9 6 6 年美国提出精、速、密压铸法，出现了双冲头 ( 或称精速密压铸) ；1 9 6 9 年美国人爱列克斯提出了充氧压铸的无气孔压铸法【2 3 】。为 了压铸带有镶嵌件的铸件及实现真空压铸，出现了水平分型的全立式压铸机。为了提高 压射速度和实现瞬时增加压射力以便对液体金属进行有效的增压，以提高铸件致密度， 而出现了三级压射系统的压铸机。又如在压铸生产过程中，除装备自动浇注、自动取件 及自动润滑机构外，还通过安装成套测试仪器，对压铸过程中个工艺参数进行检测和控 制，如压射力、压射速度显示监控装置和合模力自动控制装置以及电子计算机的应用 【2 牝7 1 。 当前国外压铸技术发展的趋势是：压铸机系列化、大型化及自动化发展；计算机在 压铸生产中的应用日益增多；压铸工艺不断采用新技术以及开展延长压铸模服役寿命的 研究等。 压力铸造在我国约起始于2 0 世纪4 0 年代，1 9 4 7 年上海就有人利用热室压铸机生产 锌铝合金挂锁，也有的厂用旧式冷室压铸机生产电风扇：的铝件。但在：【业上大量应用 沈阳i ：业大学硕士学位论文 压铸件是始于2 0 世纪5 0 年代，即在1 9 5 8 年以后【2 9 】。这在时期引进了捷克的p o l a l 【系 列立式压铸机和原苏联卧式压铸机，在汽车、电工和仪表行业中大批量应用压铸件，从 此压铸工艺在我国得到迅速发展。在这以后的1 0 年中，我国的压铸技术去得了定成 就，自行设计制造了压铸模，除掌握了常规压铸生产工艺外，尚对一些新工艺，如真空 压铸和黑色金属压铸进行了探讨，压铸件的应用范围扩展到了农机、机床、办公用具、 军工等领域b 4 】。在2 0 世纪9 0 年代，我国的压铸技术达到相当水平，已自行设计和制 造出成系列的、性能良好的压铸机。同时，对压铸工艺参数测试技术与装置进行了探讨 和研制，开展了压铸基础工艺参数对合金性能的研究，建立了新的压铸合金系列并拓展 了新牌号的压铸合金1 3 5 1 。研制成水基分型剂，采用从国外引进的大型压铸机，生产了大 型压铸件，并开始在压铸工艺和模具设计中应用电子计算机技术。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。 1 3 5 压铸工艺参数的选择 ( 1 ) 压铸压力的选择从压铸工艺出发，如何合理的确定和选择压射比压和充填速 度是一个重要的问题。为了提高铸件的致密性，增大压射比压无疑是有效的。但是，过 高比压会使压铸模受熔融合金流的强烈冲刷和增加和金粘模的可能性，降低压铸模的使 用寿命。在当前压铸生产条件下，压射比压的速度选择应根据压铸件的形状、尺寸、复 杂程度、壁厚、合金的特性、温度及排溢系统等确定，一般在保证压铸件成形和使用要 求的前提下选用较低的比压。 ( 2 ) 压铸速度的选择与比压一样，充填速度也是压铸工艺主要参数之一，充填速 度的高低直接影响压铸件内部和外观质量。充填速度过小会使铸件的轮廓不清，甚至不 能成形。充填速度选择过大，会引起铸件粘型并使铸件内部气孔率增加，是力学性能。 充填速度的选择，一般应遵循的原则：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比压；对于薄壁或表面质量要求高的铸件以及复杂的铸件，应 选择较高的比压和高的充填速度。此外，合金的浇注温度低、合金和材料的导热性能好、 内浇道速度较大时，也要选择较高的充填速度。 ( 3 ) 温度参数的选择 1 ) 浇注温度 9 铜合金压铸成形技术的研究 浇注温度是指从压室进入型腔时液体金属的平均温度。由于对压室内的金属温度测 量不方便，一般拥抱问炉内的温度表示。 浇注温度过高，合金收缩大，使铸件容易产生裂纹，铸件晶粒粗大，还能造成脆性； 浇注温度过低，易产生冷隔、表面流纹和浇不足等缺陷。因此，浇注温度应于压力、铸 型温度及充填速度同时考虑。经验证明：在压力较高的情况下，应尽可能降低浇注温度， 最好使液体呈粘稠“粥状”时压铸，这样可以减少型腔表面温度的波动和液体金属流对 型腔的冲蚀，延长压铸模使用寿命；减少产生涡流和卷入空气；减少金属在凝固过程中 的体积收缩，以使壁厚处的缩孔和缩松减少。因而，该经验提高了铸件的精度和内部质 量。但对硅含量高的铝合金则不宜使金属液呈“粥状”时压铸，否则硅将大量析出，以 游离状态存在于铸件内部，使加工性能变坏。 2 ) 压铸模的温度 压铸模在使用前要预热到一定的温度，预热的作用有两个方面：其一是避免高温液 体金属对冷压铸模的“热冲击”，以延长压铸模使用寿命。在压铸过程中，高温金属液 直接冲击型腔，使温度产生周期性变化，如果模具温度变化过大，会因热应力的变化而 使压铸模过早疲劳失效。其二足避免液体金属在模具中因激冷而很快失去流动性，使铸 件不能顺利充型，造成浇不足、冷隔、“冰冻”等缺陷，或即使成形也因激冷增大线收 缩，引起铸件产生裂纹或表面粗糙度增加等缺陷。 3 ) 充填，持压和开模时间 充填时间 自液体开始进入型腔起到充满型腔为止，所需时间称为充填时间。充填时间长短取 决于铸件的体积、壁厚的大小及铸件形状的复杂程度。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。充填时间与内浇道的截面积大小或内浇 道的宽度和厚度有密切关系，必须j 下确选定。 持压时间和铸件在型中停留时间 从液态金属充填型腔到内浇道完全凝固时，继续在压射冲头下的持续时间称为持压时 间。持压得作用是使压力传递给为凝固的会属，保汪铸件在压力下结晶，以获得致密的 组织。 沈阳丁业大学硕士学位论文 持压时间的长短取决于铸件的材质和壁厚。对熔点高、结晶范围大和厚壁的铸件，持压 时间要长些。若持压时间不足，易造成疏松，如铸件内浇道处的金属尚未完全凝固，由 于压射冲头的退回，金属被抽出，铸件内形成孔洞；对结晶范围小而壁又薄的铸件，持 压时间可短些。 从压射终了到压铸模打开的时间，称为铸件在型中的停留时间。若停留时间过短， 由于铸件强度尚低，可能在铸件顶出和自压铸模落下时引起变形，对强度差的合金还可 能因为内部气孔的膨胀而产生表面气泡。但停留时间太长，则铸件温度过低，收缩大， 对抽芯和顶出的阻力亦大；对热脆性合金还能引起铸件开裂，同时会降低压铸机的效率。 1 4 提高压铸铜合金模具寿命 1 4 1 铜合金压铸模具寿命低的原因 影响压铸模具寿命的因素有很多，通过对各种压铸模具的使用情况观察，大致可归纳 为基于压铸方法的操作因素和压铸模具本身特性的模具因素两大类。在压铸模具产生失 效的原因中，钢材热疲劳约占7 0 【3 6 1 。 热疲劳是由于压铸过程中模具反复经受激冷、激热所造成的热应力，导致逐渐产生 裂纹，起形貌多数呈现网状，又称龟裂，也有呈放射状。这些在模具表面浅层中的微裂 纹，一般可以修复掉。如果热疲劳裂纹深入基体内部，修模会导致模具尺寸超差，或者 由于压铸过程中的机械应力或热冲击，热疲劳裂纹则扩展成宏观裂纹，致使模具损坏。 热疲劳裂纹的产生是由于三个因素一温度循环应力、拉应力及塑性应变。因此降低温度 循环幅、增加模具材料强韧性、形成表面压应力，均可推迟或延缓热疲劳裂纹的形成及 扩展。从微观分析，热裂纹往往在晶界碳化物、夹杂物集中区域萌生。因此钢质洁净、 显微组织均匀的优质热作模具有较高的热疲劳抗力【3 7 1 。 国内外用于制造铜合金压铸模具的热作模具钢主要有3 c r 2 w 8 v 钢、h 1 3 钢、h 1 1 钢等【3 引。我国过去多采用3 c r 2 w 8 v 钢，它有较高抗回火性、良好的热强度及高温耐磨 性，但它的韧性、热疲劳抗力和抗氧化性均较差，难以适应铜合金压铸模的要求，特别 是内部有冷却水通道的模具。h 1 3 钢( 4 c r 5 m o s i v l ) 是以合金元素铬( 5 ) 为主的热 作模具钢，属高热强性热作模具钢。在国外主要用于制造热锻模、压铸模、热挤压模具。 我国本溪、大冶、太原钢厂已经研制生产。该钢钢质纯净，组织致密均匀；具有较高的 铜合金压铸成形技术的研究 热强性，韧性和延展性；抗冷热疲劳和抗裂纹扩展能力强，能有效地抵抗温度循环交热 疲劳裂纹的产生和扩展：淬透性、耐磨性良好；可切削性和抛光性能优良；有热处理变 形小的特点。适用于压铸模具，现已获得广泛应用。实践表明，h 1 3 钢压铸模具寿命高 于3 c r 2 w 8 v 钢。h 1 1 钢( 4 c r 5 m o s i v ) 也是5 c r 系的热作模具钢，与h 1 3 钢相近， 两者含v 量不同( h 1 3 含1 o v ，h 1 l 含o 5 v ) ，其他成份基本相同。h 1 1 钢的韧性 优于h 1 3 钢，但耐热性稍差。国外为数不少的工厂用h 1 1 钢制造压铸模具。 压铸模寿命低的主要原因是模具使用条件差，黄铜的压铸温度高( 大于1 0 0 0 度) ， 铸件体积大，模具形状复杂，而压铸模加工周期长，三个月做一套模具，使用时间短， 上机两三天就报废，制约着生产能力【39 1 。这迫使我们探讨提高模具使用寿命的方法。经 过几年的工作，先后尝试了几种材料模具寿命有所提高，但还存在一些问题，见表1 3 。 表1 3 几种模具材料的对比 t a b 1 3t h ec o n 仃a s to f m a t e r i a lo f m o u l d 压铸模寿命低的主要原因是模具使用条件差，锰黄铜的压铸温度高( 大于1 0 0 0 ) ， 铸件体积大，模具形状复杂。而压铸模加工周期长，三个月做一套模具，使用时间短， 上机两三天就报废，制约着生产能力。这迫使我们探讨提高模具使用寿命的方法【舯】。 1 4 2 铜合金压铸模主要失效形式 总结多年生产经验，作者认为此类铜合金压铸模具大体有5 种损坏或失效形式，即： “掉肉”、漏水、开裂、龟裂、腐蚀。这5 种损坏形式中，愈靠前，危害性愈大，模具 使用寿命愈短。经分析“掉肉”的老模具，发现“掉肉”处碳化物量少，大大低于钢材 的平均值。因此可以认为是局部碳化物少，屈服强度低造成“掉肉”。而对应相反的局 部碳化物积聚处( 如呈网状，角状碳化物) 很容易引发裂纹产生，造成模具失效。 沈阳下业大学硕十学位论文 1 4 3 提高铜合金压铸模寿命的方法 ( 1 ) 精选原料，中频冶炼加电渣重熔，使模具钢洁净， 使用寿命的有效途径。 ( 2 ) 通过锻四墩三拔，使组织均匀，碳化物分布均匀， 模具的处理质量，这是提高模具寿命的重要原因。 ( 3 ) 模具表面处理 组织均匀，这是提高模具使 采用真空淬火和回火，保证 为了防止模具表面粘附被压铸的金属，并改善其耐冲蚀性能，提高压铸模的使用寿 命，往往要对模具进行表面热处理。通过表面热处理，使压铸模的表层发生化学成分与组 织的变化，从而改善和提高钢件表层的性能。通常采用的有渗氮、渗铝、硫氮碳共渗、 氮碳共渗、软氮化、渗硫、渗硼等等。表面层再往里往往还有以固溶强化为主的扩散层， 合金元素扩散到钢中，有的形成间隙固溶体，有的形成置换固溶体而使铁的晶格发生畸 变，从而实现固溶强化【4 ”。在获得致密的渗层后，压铸模的寿命可以提高2 4 倍。稀土 软氮化可以改善模具的热疲劳性和耐冲蚀性。生产应用表明，该工艺处理压铸模，其使用 寿命提高2 3 倍。但是也有研究表明，对于3 c r 2 w 8 v ，软氮化及软氰化加发蓝对热疲劳 抗力会产生不利影响 4 2 】。 ( 4 ) 压铸模的定期热处理 热疲劳开裂是压铸模最普遍也是最极端的损坏形式，在周期性热应力作用下，压铸 过程中裂纹的传播与扩大是非常严重的，以致此前就必需维修保养或更换。而残余应力 发生在模具表面，由于机械热应力的作用，残余应力往往在模具工作时形成，当超过模具 材料屈服点，其表面呈塑性【4 3 】。残余应力叠加在热应力上，使热疲劳破坏加速。一般残余 应力为压应力，故采取表面预防可使之减小。模具钢在高温下长期暴露易发生软化。铝 合金压铸模与金属液接触，其表面会逐渐失去硬度。丧失表面硬度导致热疲劳裂纹的作 用大于残余应力，因此，一般当硬度h r c ) 下降到3 0 左右，要设法修复。在热疲劳裂纹发 生前进行补救而延长寿命，达到最长的保养维修周期。所以必须进行定期热处理【4 4 1 。 ( 5 ) 为了使压铸模有较长的使用寿命，必须注意以下几点： 1 ) 在选择压铸