论压铸技术的进展与应用

1、铸造材料与工艺（论文）题目： 论压铸技术的进展与应用作者： 张杰学号： S20156019学院： 北京有色金属研究总院专业： 材料科学与工程成绩：2015 年 12 月目录1 压铸技术的特点与发展历史31.1 压力铸造技术的特点31.2 压铸技术的历史32 压铸技术的发展现状42.1 国外压力铸造业的现状42.2 我国压力铸造业的现状53 压铸技术的发展方向73.1 真空压铸73.2 加氧压铸73.3 精、速、密压铸73.4 定向、抽气、加氧压铸83.5 半固态压铸83.6 固态压铸84 压铸技术的应用84.1压铸技术在汽车零部件生产中的应用84.2压铸技术在电子产业中的应用94.3压铸技术铝

2、合金中的应用94.4 压铸技术在镁合金中的应用105 今后压铸技术的研究重点11论压铸技术的进展与应用摘要：压铸技术已经成为现代工业化国家绿色制造行业的重要新技术开发项目。本文概述了压力铸造技术的特点和压力铸造技术的发展历史。简述了国外最新压力铸造技术的发展现状，并通过对比国外的先进技术，从压铸设计、工艺、设备、压铸模具等方面总结了我国压力铸造技术目前所存在的不足。介绍了半固态压铸、固态压铸、加氧压铸、真空压铸等压力铸造技术的新工艺。介绍了计算机技术在压铸技术中的运用及计算机集成制造系统。展望了未来压力铸造技术的发展趋势。关键词：压铸技术；发展；应用1 压铸技术的特点与发展历史1.1 压力铸造

3、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，充型的初始速度为1570 m/s，充型时间仅为0.010.20s。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特点。1)可以得到薄壁、形状复杂但轮廓清晰的铸件。铸件的壁厚通常在16 mm之间，小铸件可以做得更薄，而大铸件的壁可以更厚。对于复杂的零件，或其他铸造方法无法制备的零件，可使用压力铸造方法。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0.20.5 mm，表面粗糙度在Ra3.2 um以下。由压力铸造制作的铸件装配互换性好。一般只要对零件进行少量加工便可进行装配，有的零件甚至无须机械加工

4、就能直接装配使用。3)铸件组织致密、具有较好的力学性能。由于铸件在压力作用下凝固，所获得的晶粒细小，所以铸件组织十分致密，强度较高。另外，由于激冷造成铸件表面硬化，形成约0.30.5 mm 的硬化层，铸件表现出良好的耐磨性。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5s3 min，这种方法适于大批量生产。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。镶铸的材料一般为钢、铸铁、铜、绝缘材料等，镶铸体的形状有圆形管状、薄片等。利用镶铸法可制作出有特殊要求的铸件。1.2 压铸技术的历史从1855年Mergenthaler将活塞压射缸浸入熔融合金中生产出条型活字铸件算起，压力铸

5、造技术已经有153年的历史。1869年C.Babbage采用“锌强化铅锡合金压力铸造法”生产一些零件；1872年开始使用一种手动的小型压铸机生产留声机上的Pb-Sn合金小零件；1904年H.H.Franklin公司压铸出汽车连杆轴承，从而使刚刚诞生的汽车工业取代印刷业而成为压铸件的最主要用户；1905年H.H.Doehler发明了既能生产铅锡合金又能压铸锌合金的压铸机；1914年H.H.Doehler采用气压使金属液沿流道上升而充型的压铸机，可应用于铝合金压铸。20世纪20年代美国的Kipp公司制造出机械化的热室压铸机，但铝合金液有浸蚀压铸机上钢铁零部件的倾向，铝合金在热室压铸机上生产受到限制

6、。C.Roehri制造出冷室压铸机，这一发明是压铸技术的重大进步，使铝合金、黄铜合金的压铸成为现实。20世纪50年代大型压铸机诞生，为压铸业开拓了许多新的领域。随着压铸机、压铸工艺、压铸型及润滑剂的发展，压铸合金也从铅发展到锌、铝、镁和铜，最后发展到铁合金，随着压铸合金熔点的不断增高而使压铸件应用范围也不断扩大。2 压铸技术的发展现状2.1 国外压力铸造业的现状压铸技术涉及到机械制造、液压传动、材料、冶金、自动化、计算机、化工、电子、传感器、检测、电气等诸多学科并正在向边缘学科渗透。随着以上诸多学科的发展和工业技术的进步，压铸技术也取得了突飞猛进的发展，具体表现为。1)压铸机及外围设备整体性能

7、和控制系统水平的大幅度提高。目前先进的压铸机均采用电液比例及电液伺服控制技术、计算机控制技术，以及新型液压元器件和传感器等，对压铸工艺过程实施实时闭环控制、工艺参数跟踪检测和自动反馈等，提高了压铸工艺优化水平和压铸机工作的可靠性。模温机、喷涂机、定量浇注机、取件机、切边机等外围设备自动控制水平有了很大的提高，从而保证了压铸件的精度和质量的稳定性。2)计算机模拟技术在压铸中的广泛应用，加深了对压铸充型、凝固过程规律的认识，在压铸件设计、压铸型设计和压铸件生产过程中发挥越来越重要的作用。压铸过程是一个复杂的流动、传热和传质过程。采用CSM、CIP和FEM 法分别解析温度场和凝固过程、求解高精度的液

8、流自由表面和显示三维解析效果，从而可以有效的预测缺陷产生的位置，并找到预防缺陷的有效途径。利用CAE模拟分析诸如流场、压力场、热应力和压铸周期等，从而可以预测最佳压射速度、压铸型热循环等工艺参数。3)压铸型材质和制造技术的发展，提高了压铸型使用寿命和压铸件质量。随着电渣重熔精炼技术的发展，新型热作模具钢的出现，压铸型材料品质大幅度提高。如锌、铝和镁合金压铸型材质大多采用H13(4Cr5MoSiV1)钢代替3Cr2W8V，与H13相对应的W302(奥地利)、ASSAB8407(瑞典)、X40CrMoV51(德国)和SKD61(日本)等模具钢也普遍应用。黄铜合金则采用H19钢。模具CAD/CAM/

9、CAE的开发应用，在流场及温度场分析的基础上，为优化浇注系统、铸型热平衡和确定压铸工艺参数等方面进行辅助设计。压铸型型腔、型芯采用数控加工、电加工技术，模具配合实施CAD/CAM ，采用真空淬火、高压气淬、盐浴渗氮等热处理工艺及其后续精加工技术，使压铸型制造向高精度化和高效率化发展。4)薄壁压铸件成形技术的开发与应用，为实现轻量化的目标创造了条件。锌合金压铸件壁厚可达0.3 mm，铝和镁合金压铸件壁厚l mm 以下。除了减轻重量外，薄壁压铸件的优点是压铸件的激冷表皮层厚度约0.5 mm，若壁厚为l mm 时，则压铸件完全是表皮层，从而有利于提高强度。除了合理的压铸件结构外，薄壁压铸件成形关键是

10、获得最佳的液流速度及合理的热流控制。根据与薄壁压铸件有关的压铸机压射工作特性，采用CAD设计浇注系统和热平衡，并对压铸工艺参数有效检测和控制，可提高薄壁压铸件压铸工艺水平。5)压铸型涂料的开发，改善了铸型润滑特性，提高了压铸件表面质量。水基乳化涂料具有良好的成膜性、抗焊合性和残留物少、发气量低等特点，已经成为目前压铸型的主体涂料。为了改善环境，提高压铸型和冲头寿命，减少压铸件表面流痕和减少压铸件的气体含量，开发了无机粉状固体涂料(脱模剂和冲头润滑剂)。压铸涂料定量控制设备和压室冲头自动清理润滑装置的开发应用，使压铸工艺水平发生跃变。2.2 我国压力铸造业的现状建国50多年来，我国的压铸工业从无

11、到有，压铸生产有了相当大的发展，改革开放之后更是发展迅速。随着我国汽车、摩托车、家用电器、计算机等工业的发展，对压铸件的需要量日益增加，国内出现了大批生产优质、精密、大型压铸件的压铸企业。CAD、CAE、CAM 是一种新兴的综合性计算机应用技术，他是以计算机作为主要技术手段，处理各种图形信息，辅助完成产品设计、分析模拟、评价与制造中的各项活动。我国的压铸模CAD/CAE/CAM 系统起步较晚，但由于借鉴了其他模具CAD/CAE/CAM 的经验，发展速度也相当快。尤其是近几年有一大批模具企业推广应用了计算机技术，陆续引进了相当数量的CAD/CAE/CAM 系统。如美国EDS公司的UG，美国PTC

12、公司的Pro/Engineer，美国CNC公司的Master CAM，英国Dehacam公司的DUCT5，以及美国AC-tech公司的C-mold，德国MAGMA公司的MAGMA SOFT等用于压铸模的专用软件。这些系统软件的引进，使我国模具行业实现了CAD/CAE/CAM 的集成，取得了一定的技术经济效益，促进与推动了我国模具CAD/CAE/CAM技术的发展。压铸设计在依靠设计人员经验的同时，对充型和传热理论进行了探索。在产品零件设计中，值得一提的有2方面内容：一方面是较广泛地应用了有限元软件来分析设计零件，这种方法最大限度地利用了所选合金材料的力学性能来设计出满足要求的压铸件；另一方面是掌

13、握了快速原型制造技术，这种技术不需任何模具，不用机械加工，而是根据CAD提供的三维数据，采用分层扫描的制作方法，快速制作出所需实体模样。他可用于设计评估、产品开发、模具制造上，在缩短生产周期、降低生产成本、保证质量方面有显著成效。然而同国外压力铸造业相比，我国压力铸造业仍然存在很多不足，主要表现在以下方面。1)国外压射系统始终在不断地改进，平均58年就有一次重大改进。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。2)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

14、力相同时，合型油缸比国外压铸机大1/4以上，增加了能量的消耗，也增加了原材料和加工成本。而且合型部份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。3)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。虽然有少数压铸系统采用CAD，但只是计算机的简单应用，计算机CAD的主要技术没有真正利用，因此机器的结构与性能就没法得到真正的提高与改进。4)国产压铸机大都存在漏油的现象，主要原因是密封件质量差和加工质量问题。国产压铸机的正常运行时间不到3 000 h，还不如国外五、六十年代的水平。而国外已达到或超过2×104 h。5)刚性是影响压铸机精度的重要因

15、素，以前我国压铸机压射性能较差，人们集中精力研究压射系统的性能，而忽视了强度、精度的提高。而斯洛伐克压铸机的刚性很好，一千吨以上大型压铸机的床身在压射过程中牢固可靠。6)压铸模使用寿命短。目前我国设计的压铸模具普遍存在模具寿命偏低的问题，以大、中型铝合金压铸模为例，国产模具的使用寿命一般在38万件之间，平均6万件，而国外生产的同类模具的使用寿命可以达到10l5万件。模具使用寿命偏低，直接导致了生产效率的下降和产品成本的提高。随着车辆和电机等产品向轻量化发展，使用压铸模的比例将不断提高，对压铸模的寿命和复杂程度也将提出越来越高的要求。7)模具可靠性较差。传统的压铸模设计方法设计的模具可靠性较差，

16、一般需经反复调试才能正式投入使用。8)生产率低。由于国产模具使用可靠性不稳定，生产中故障多，返修量大，班产量不如进口模具高。9)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。10)外观质量不理想。国产压铸件往往线条不清晰，水流纹不理想，表面粗糙度差。与进口压铸件对比，差距明显。3 压铸技术的发展方向3.1 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。真空压铸的特点是：1)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

17、压甚至可用小机器压铸较大和较薄的铸件；3)可使用铸造性能较差的合金。3.2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。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。加氧压铸的特点为消除或减少气孔，提高了铸件质量。其中提高机械强度达10%，延伸率为1.52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；压铸件可在290300的环境中工作；加氧压铸与真空压铸相比，结构简单，操作方便，投资少。氧气加入方法有2种，即由压室加氧和由压铸模

18、上设置的专用装置加氧。一般立式压铸机多采用从反料冲头通入氧气，而卧式压铸机则多采用在压铸模上设置加氧孔加氧。加氧压铸中要严格控制加氧时间及加氧压力2个主要工艺因素。此外，还必须合理地设计浇注系统和排气系统，正确选择压射速度，选用不挥发的涂料，以保证压铸质量。加氧压铸可用于压铸高强度、高致密度及高温下使用的零件，是一种有发展前途的压铸工艺方法。3.3 精、速、密压铸精、速、密压铸(双压射冲头)时采用一种由2个套在一起的内外压射冲头。在开始压射时，2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35

19、mm；2)充填速度较低，一般为46 m/s；3)压铸后可用内压射冲头补充加压，从而提高铸件质量。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。同理，在压铸件的厚壁处，也可在压铸模上另设补压冲头，对压铸件进行补充压实，以获得致密的组织结构。3.4定向、抽气、加氧压铸定向、抽气、加氧压铸实质上是真空压铸和加氧压铸相结合的工艺。工艺过程是，在液体金属充填型腔之前，先将气体沿液态金属填充的方向以超过充填的速度抽出、使金属液顺地充填；对有深凹或死角的复杂铸件，在抽气的同时进行加氧，以达到更好的效果。3.5半固态压铸半固态压铸是在液态金属凝固前，进行强烈搅拌

20、，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2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；另一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)由于半固态金属在搅拌时已有50%的熔化潜热散失掉，所以降低了浇注温度，大大减少了对压室、压铸型腔和压铸机的热冲击，因而可以提高压铸模的使用寿命。2)半固态金属黏度比液态金属大，内浇口处流速低，因而充填时少喷溅，无湍流，卷入的空气少；由于半固态金属收缩小，所以铸件不易出现疏松、缩孔

21、，铸件质量高。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，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。3.6 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。固态压铸压射进入模具型腔的同样也是半固态浆液，他与半固态压铸的区别在于加入压室的是固态金属，其生成浆液的一系列工序都在压室内完成，即不必预先制作半固态金属再加入压室。所以，固态压铸所用的压铸机有特殊的压室的结构和工作原理。固态压铸使用注塑成形一样的原理来压铸金属，然而，这种新的工艺方法也存在不少问题和困难需要解决。且大多数的研究工作都集中在这

22、个复杂的压室内。相信在21世纪，固态压铸遇到的困难和问题将会得到克服和解决。4 压铸技术的应用4.1压铸技术在汽车零部件生产中的应用汽车行业经过100多年的发展，节能是目前最主要的课题之一，以前汽车中的零部件绝大多数都采用铸铁、铸钢件，汽车本身的重量很高。随着压铸行业的兴起、发展与不断完善，汽车中许多零部件已被压铸件所替代。目前汽车上的压铸件包括发动机的缸体、缸盖罩、变速箱的壳体、壳盖、链条盖、托架、支架、油底壳、转向件及齿轮室等。这大大减轻了汽车的自身重量，减少了汽车的耗油量，很好地改善了汽车的节能效果。目前普通压铸中最难以攻克的难点是铸件中的气孔问题。各个汽车厂商对压铸件内部质量的要求不断

23、提高，其中德国大众要求压铸件的孔隙率要控制在5%以内，有的甚至更高。针对汽车行业不断提升的要求，我公司针对个别铸件采取了局部挤压铸造的方法来减少铸件的气孔。目前，真空压铸是克服铸件中气孔的最好方法，但在我国还没有广泛应用，随着真空系统可靠性和商业性的不断提高，真空压铸技术将会得到更大的发展。高真空压铸技术快速发展，但在一些技术领域还存在技术盲区，需要通过多次试验才能获得系统性工艺特性参数，根据试验数据分析形成高真空压铸凝固特性、合金物性能参数等的数据库。还要通过技术改革，不断提升高真空压铸设备的机械化、自动化、系列化程度，促使高真空压铸技术日臻成熟，也为大力推广此项技术创造了良好条件。4.2压

24、铸技术在电子产业中的应用电子信息产业由于数字化的发展，市场对电子及通讯产品高度集成化、轻薄化及可回收的要求愈来愈高。以前作为主要材料的工程塑料已经无法满足要求，因此人们把目光投向了镁合金。例如，镁合金具有优异的薄壁铸造性能，其压铸件壁厚可达0.8mm到1.5mm，并保持一定的强度、刚度和抗冲击性能。因此，在薄壁、轻薄、抗冲击、电磁屏蔽、散热及环保等方面的要求之下，镁合金成了制造商的最佳选择。近年来，电子信息产业的镁合金消耗量急剧增加，成为拉动全球镁消耗量的另一重要因素。随着从镁的冶炼到镁合金的生产工艺不断完善，以及容易回收的特性使镁合金的价格进一步走低，新型镁合金压铸技术的出现扩大了镁合金的应

25、用范围，增加了镁合金与其它工程材料的竞争力。利用触变注射成形技术可以制备手机、笔记本电脑、数码照相机、摄像相机、液晶投影仪等可移动通讯器材的壳体。座椅、方向盘等汽车零部件的成形应用也在研究开发中。真空压铸通过在压铸过程中抽除型腔内的气体而消除或显著减少压铸件内的气孔和溶解气体，提高压铸件的力学性能和表面质量。目前已经成功的在冷室压铸机生产出AM60B镁合金汽车轮毂，在锁模力为2940kN的热室压铸机上生产出AM60B镁合金汽车方向盘，铸件伸长率由8%提高至16%。国内镁合金压铸技术及其应用压铸生产的迅速发展引起了国家科技部门和社会各界以及国外和港台地区厂商前所未有的关注，并已形成一股强大的推动

26、力。4.3压铸技术铝合金中的应用目前，半固态金属加工应用最成功和最广泛的是在铝合金的制备中。其原因不仅是因为铝合金的熔点较低和使用范围广泛，而且铝合金是具有较宽液固共存区的合金体系。为此，它成为人们首先深入研究的对象。最早用半固态加工的为亚共晶铸造铝合金(A356，A357)。这两种合金在发达国家采用半固态成形已实现工业化生产。后来，他们又开发了为过共晶成分的A390铝硅合金。这种合金中的初晶硅相.在电磁搅拌生产坯料的方法中，被细化并均匀地分布在合金中，提高了合金的强度和耐磨性。有关锻铝合金用于半同态成形加工的技术正处于研究开发阶段。半固态压铸成形技术能提供高强度的铝合金以替代钢和铸铁制零件等

27、。因此，半固态压铸成形加丁技术有广阔的应用前景。国内北京有色研究总院、北京科技大学、清华大学等在坯料制备、流变学等方面作了一些研究，工业化应用正在探索。半固态压铸成形加工技术今后应在低成本制备加工用坯料、专用设备研制、模具设计及成形过程计算机模拟、开发适合于半同态加工用的新型材料等方面深入研究以促进这一技术的工业化应用。尽管铝合金半固态压铸触变成形技术已在半同态坯料制备、触变成形工艺及成形过程数值模拟等方面取得了许多重大进展.但要想使这项先进的金属加工技术完全应用到实际丁业生产中去，还需要在以下几方面加大研究力度：半固态坯料非枝晶组织的形成规律研究，尤其是实际压、铸成形过程中的组织演变规律研究

28、；铝合金半固态压铸触变成形用模具设计及其表面处理的研究；半固态铝合金中晶粒尺寸和数量的工艺控制研究；半固态铝合金的流变特性和微观组织结构与触变压铸过程间关系的研究；铝合金半固态压铸触变成形过程的数值模拟研究，尤其是液固二相区的本构方程等数学模型和相应的计算算法的研究，尤其是液固二相区的本构方程等数学模型和相应的计算算法的研究等。4.4 压铸技术在镁合金中的应用半固态镁合金制品之所以得到不断应用，一是因为发明了镁合金半固态触变射铸技术.可以较便宜地制造这类产品；二是镁合金具有较高的比强度和比刚度而且易于回收再利用，减轻了设备或用品的重量和对环境的污染；三是镁合金具有较好的电磁屏蔽性，可以提高电子产品的性能：四是镁合金的导热性能较好.如果用镁合金制造电子产品外壳，有利于设备的散热。目前广为应用的半固态成形技术主要是触变成形技术。其优点是：非