压铸过程原理及常用合金

压铸过程原理及常用合金第1页/共64页

一、压铸压力1、主要压铸工艺参数之一，可用压射力和压射比压来表示。2、压射力：来源于高压泵，是压铸机压射机构中推动压射活塞的力，大小因压铸机的规格不同而不同压射力计算公式：

Fy是压射力(N)；

Pg是液压系统的管路工作压力(Pa)；

AD是压铸机压射缸活塞的截面积(㎡)，

AD=丌D2／4，

D是压射缸活塞的直径(m)

压铸压力和压铸速度

牛牛文库文档分享第2页/共64页当有增压机构工作时，压射力为：

Pgz是压射缸内增压后的液压压力(Pa)。3、压射比压：是压室内金属液在单位面积上所受的压力，计算式：

Pb是压射比压(Pa)；

Fy

是压射力(N)；

Ad

是压射冲头(近似压室)截面积(㎡)，

Ad=丌d2／4，d为压射冲头直径(m)。压射比压与压铸机的压射力成正比，与压射冲头的截面积成反比，所以压射比压可以通过调整压射力和压室内径来实现。

压铸压力和压铸速度

牛牛文库文档分享第3页/共64页4、压铸过程a)准备状态b)慢速封口c)堆聚阶段d)填充阶段e)增压保压阶段压铸压力和压铸速度

牛牛文库文档分享第4页/共64页压铸过程中特点压射比压随压射阶段的变化而改变压射速度随压射阶段的变化而改变液体金属在压室与压铸模中的运动分为四个阶段初始状态金属液注入压室压射冲头的位移量S0＝0，移动速度v0＝0，压射压力p0＝0，第一阶段：慢速封孔阶段

1）压射冲头低速封住浇口

2）低压射速度的目的？

3）液态金属所受压力P1较低，仅用于克服压室与液压缸对运动活塞的摩擦阻力。压铸压力和压铸速度

牛牛文库文档分享第5页/共64页第二阶段Ⅱ：充填阶段（包括c)和d)图）。

1）本阶段液体金属完全充满压室至内浇道处，并受内浇道阻力影响出现小的峰压

2）堆聚过程：压射冲头以速度V2

前移，此时压力升达P2，受内浇口阻力影响，熔融金属在压室、横浇道和内浇口前形成堆聚

3）填充过程：压射冲头以最大速度V3前移，内浇口阻力作用下压射压力升到P3，金属液突破内浇口而以高速度(即内浇口速度)填充到模具型腔压铸压力和压铸速度

牛牛文库文档分享第6页/共64页第三阶段Ⅲ：增压阶段

1)充填结束液体金属停止流动，组织疏散且不实，特别是冷却收缩而产生缩孔、气孔及缺料等现象

2)继续增大压射压力P4

，通过增压机构使压射压力由P4升至P5（最终压力）

3）增压所用时间极短：0.02-0.04s4）本阶段目的：提高力学性能，获得密实组织结构压铸压力和压铸速度

牛牛文库文档分享第7页/共64页第四阶段Ⅳ：持压阶段。

1)补缩过程，补充因冷却出现的空间在一定压力下边补缩，边固化，得到组织致密的压铸件

2)最终静压力P5大小影响因素合金种类、状态(粘度、密度)、铸件的质量要求一般为50～500MPa3)保压时间长短直接影响压铸件最后凝固部位的补缩效果

T保小于T压凝，整体的补缩效果较差；

T保大大于T压凝，塑性变形较大，包紧力变大压铸压力和压铸速度

牛牛文库文档分享第8页/共64页压铸过程中熔融合金所受两种压力：

1)其一是流体动压力，主要是完成充填和成形过程；

2)其二是流体静压力，主要是对凝固过程中合金进行“压实”。

3)最终压力的有效性，与合金的性质、铸件结构特点、内浇道形状大小及位置相关。压铸过程压力的变化曲线的影响因素压铸机压射机构的工作特性铸件结构形状熔融合金充填状态和工艺操作条件压铸压力和压铸速度

牛牛文库文档分享第9页/共64页二、压铸速度压铸速度包括压射速度、充填速度压射速度是指压铸机压射缸内的液压推动压射冲头前进的速度；充填速度是指液体金属在压力作用下，通过内浇道进入型腔的线速度。充填速度的确定：合金的特性和铸件的结构特点充填速度过低会使铸件轮廓不清，甚至不能成形；过高则会引起铸件粘型和铸件内孔洞增多等问题。压铸压力和压铸速度

牛牛文库文档分享第10页/共64页压射系统示意图压铸压力和压铸速度

牛牛文库文档分享第11页/共64页影响充填速度有三个因素，即压射速度、比压和内浇道截面积。分析压射速度和内浇道截面积对充填速度的影响。根据等流量连续流动方程式，可得：压铸压力和压铸速度V冲叫是压射冲头速度，即压射速度(m/s)；A冲是压射冲头截面积(m2)；d是压室内径(m)；V充是充填速度(m/s)；A内是内浇道截面积(m2

。

牛牛文库文档分享第12页/共64页由公式可知，充填速度与压室直径的平方、冲头的压射速度成正比，而与内浇道的截面积成反比关系通过改变上述三因素的数值，调整充填速度通过变化内浇道的截面积来调整充填速度不可行通过调整压铸机上的压力阀实现压射速度的调节压铸压力和压铸速度

牛牛文库文档分享第13页/共64页压射比压与充填速度的关系（水力学原理）

v冲是充填速度(m/s)；g是重力加速度(m/s2)；

Pb是压射比压(Pa)；是液体金属的重度(N/m3)。因液体金属流经浇注系统时因摩擦而引起动能损失，故上式可改为：充填速度与压射比压的平方根成正比与金属重度的平方根成反比压铸压力和压铸速度

牛牛文库文档分享第14页/共64页三、总结1、压力和速度是相辅相成而又相互制约的两个基本参数。2、为适应各种铸件对压铸工艺不同的要求，压铸压力和压铸速度都应做到无级调整。3、一般情况是压铸压力高时，铸件质量较好。4、为使压力更好地完成“充填’’、“成形”和“压实”任务，在制定压铸工艺时必须充分考虑各个因素之间的影响。压铸压力和压铸速度

牛牛文库文档分享第15页/共64页第二节液态金属充填铸型的特点液态金属充填铸型的特点

牛牛文库文档分享第16页/共64页压铸过程原理：在压力铸造过程中，液体金属在高压力的作用下以高的速度在极短的时间内充满型腔，从而获得尺寸精确、表面光洁的铸件。液体金属充填铸型的过程特点：

过程复杂性--涉及流体动力学和热力学理论

影响因素多--液体金属的粘度、表面张力、重度及结晶温度范围；铸件的形状、内浇道形状及位置、铸件与内浇道两者截面积之比；压射比压及充填速度以及压铸过程的热参数等。充填理论的获取：一系列的试验----提出各种充填理论---论点有局限性----要求进一步完善和深化典型的金属充填理论归纳起来主要有如下三种：液态金属充填铸型的特点

牛牛文库文档分享第17页/共64页液态金属充填铸型的特点

牛牛文库文档分享第18页/共64页液态金属充填铸型的特点

牛牛文库文档分享第19页/共64页液态金属充填铸型的特点

牛牛文库文档分享第20页/共64页一、喷射充填理论（图2-2）1、1932年弗洛梅尔提出以锌合金压铸为实验2、观点：液体金属的充填过程是遵循流体力学定律，并且有摩擦和涡流现象。液体金属充填矩形型腔时的运动特性和内浇道截面与型腔截面积之比值(A内/A)有关。3、充填过程：喷射阶段：当液体金属在压力作用下进入型腔，射流在撞击对面型壁之前，保持其初始时的方向及截面形状。涡流阶段：撞击型壁后，该处液体金属将形成扰动的聚集区，继续充填则扰动更加明显，被称为“前流”的液体金属流束，在增长着的聚集区前面沿型壁向内浇道方后折回。液态金属充填铸型的特点

牛牛文库文档分享第21页/共64页4、特点：“前流”部分的液体金属量与射流截面的大小、速度及金属液的粘度有关。“前流”对型壁的摩擦及热量损耗而使流速减慢，以致聚集区追上“前流”。在返回充填型腔的过程中，产生剧烈的涡流现象。低充填速度及(A内/A)>1/3时，液体金属聚集区前沿部分稍有扰动，其余部分相当稳定，随着聚集区增长充填过程越来越平稳。反之，当(A内/A)<1/3时，在高充填速度下，整个充填过程中，聚集区发生激烈扰动。在聚集区追上“前流”以前，型腔被液体金属填充部分的长度与液体金属填充速度和温度、型腔的形状以及铸型的温度等因素有关。充分的排气是减少涡流和减少铸件内卷入气体的重要条件。5、形成条件：V内=0.5-15m/s液态金属充填铸型的特点

牛牛文库文档分享第22页/共64页二、全壁厚充填理论(图2-3)1、1937年勃兰特提出以铝合金为试验2、观点液体金属压入型腔后，随即扩展至型壁，然后沿着整个型腔截面向前流动，直至型腔全部被液体金属充满为止。无论内浇道截面积与型腔截面积之比值大小如何，流动形态不受影响。由于液体金属是以“全壁厚”形态响。由于液体金属是以‘‘全壁厚’’形态向前推进，充填时不仅不产生涡流现象，而且型腔中的气体很容易得到充分的排除。3、形成条件：V内＜0.3m/s

内浇口厚度/压铸件厚度＞1/2～2/3液态金属充填铸型的特点

牛牛文库文档分享第23页/共64页三、三阶段充填理论（图2-4）

1、1944年巴顿提出2、观点：认为液体金属充填铸型的过程是一个包含着流体动力学和热力学的复杂过程，充填过程可以分为三个阶段第一阶段：液体金属以接近内浇道的形状进入型腔，首先冲击对面的型壁，并在该处沿型壁向型腔四周扩展流向内浇道。在金属流过的型壁上形成铸件的外壳，又称薄壳层。第二阶段：随后进入的液体金属沉积在薄壳层内的空间进行充填，直至充满第三阶段：在型腔完全充满的同时，压力通过处于尚未凝固的中心部分作用在铸件上，型腔内的金属得到压实。充填过程的三个阶段对铸件质量所起的作用不同。第一阶段是铸件的表面质量；第二阶段是铸件的硬度；第三阶段是铸件的强度。液态金属充填铸型的特点

牛牛文库文档分享第24页/共64页第三节常用压铸合金常用压铸合金

牛牛文库文档分享第25页/共64页一、对压铸合金的基本要求优质压铸件：结构、设备、工艺、材料材料性能：使用性能—物理、化学、力学等工艺性能---①过热温度不高时有较好的流动性能。利于填充型腔，获得良好表面质量。②热裂倾向小。压铸时，压铸合金在冷凝、固化和收缩的过程中产生应力引起压铸件的热裂。压铸合金在固相线下要有足够的强度，特别是在脱模温度下，热脆性要小，以防发生热裂，并避免推出时产生变形或碎裂。常用压铸合金

牛牛文库文档分享第26页/共64页③压铸合金结晶温度范围要小。结晶范围大，在凝固过程中产生细分叉的树枝状结晶，增加流动阻力，影响填充效果，造成较长时间内处于半液态状态，阻碍内部凝固，易形成缩孔、疏松等压铸件缺陷。结晶范围小，金属液在型腔内冷却时，各个部位凝固的时间接近一致。小的结晶间隔和含有大量共晶体的合金是理想的压铸合金。④尽可能小的收缩率。金属液在模腔内冷却固化过程中，会产生体积的收缩，影响压铸件尺寸精度。在压铸件形状复杂及截面变化的情况下，在收缩过程中，内应力增大，产生变形或碎裂，或出现缩孔和疏松等缺陷。收缩率越大越严重。因此要求收缩率尽量小。常用压铸合金

牛牛文库文档分享第27页/共64页⑤熔点较低。有利于延长压铸模的使用寿命。⑥应具有稳定的物理—化学性能。压铸合金对型腔表面的腐蚀性要小，以减少粘模或熔蚀现象。⑦在常温下应具有较好的力学性能和较好的耐腐蚀性能，以满足压铸件的使用性能。⑧在常温下应具有较好的机加工性能，以便于再加工的需要。目前压铸合金材料有铝、锌、镁、铜、锡、铅等有色金属。铝、锌合金应用最广，镁、铜合金次之，锡、铅应用很少。纯铝的压铸性能较差，并容易氧化，与钢铁有很强的亲和力，很容易黏附模具，给压铸填充和压铸件的推出带来困难。所以，目前是以铝为基体，加入其它有利的元素，改变和提高压铸效果。常用压铸合金

牛牛文库文档分享第28页/共64页二、压铸锌合金1、特点①压铸锌合金有较好的压铸性能，其流动性能良好，可压铸壁厚较薄的压铸件，弥补了密度大带来的重量影响。它的结晶温度范围小，易于成型，不易粘模，并易于脱模。②浇注温度较低，压铸模的使用寿命较长。③收缩率较小，易保证压铸件的尺寸精度。④综合力学性能较高，特别是抗压和耐磨的性能较好。⑤锌合金压铸件表面可进行各种抗蚀和装饰处理，如化学处理电镀、静电喷涂、阳极氧化、真空镀铬等。⑥在浇注温度范围内，对压室和压铸模成型零件无腐蚀作用常用压铸合金

牛牛文库文档分享第29页/共64页⑦老化现象比较严重。老化现象：体积涨大、强度和塑性显著降低，随时间的延长铸件产产生变形，甚至导致铸件碎裂。铅、锡、镉等杂质存在导致当工作温度发生变化时，它的力学性能也发生变化。如工作温度低于一10℃，其冲击韧性会急剧降低；而在100℃以上时，其强度也会明显下降，并容易发生蠕变现象。锌合金压铸件在使用时的环境温度范围较窄。注：蠕变现象：在温度不变、载荷不变的条件下,试件的变形也会随着时间的增长而缓慢增大的现象。常用压铸合金

牛牛文库文档分享第30页/共64页2、压铸锌合金的化学成分和力学性能见表

常用压铸合金

牛牛文库文档分享第31页/共64页3、压铸锌合金中其它主要元素的作用如下。(1)铝3.5%～4.3%①细化晶粒、引起固溶强化、提高力学性能。含量提高，强度及耐冲击性能提高；含量高于4.3%，合金变脆，冲击韧性降低；含量小于3.5％，填充性能及力学性能降低，热裂性和收缩量增加。②改善铸造性能，增加流动性③减少锌元素对钢铁的侵蚀常用压铸合金

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(2)铜①提高强度和硬度。含量超过4％，降低冲击强度②改善抗磨损性能。③提高耐腐蚀性。常用压铸合金

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(3)镁含量：0.02％～0.08％作用:①细化合金组织，增加合金强度②提高抗磨损性能。③提高耐蚀性能。含量超过0.08％，韧性下降，流动性降低，热脆性提高常用压铸合金

牛牛文库文档分享第34页/共64页(4)铁（作为杂质存在）①铁与铝反应形成Fe2A15金属间化合物，形成浮渣，增加合金脆性。②在压铸件中形成硬质点，影响后加工。(5)其它铅、锡、镉在锌合金中也是作为杂质存在的。使锌合金晶间腐蚀变得敏感显著降低力学性能引起压铸件尺寸的变化增加锌合金的热裂性。当铅和镉含量过高时，压铸件在常温下存放一段时间后，其表面会出现鼓泡现象，或因变脆而易于破碎。常用压铸合金

牛牛文库文档分享第35页/共64页三、压铸铝合金1、特点：应用最广，主要使用高硅铝合金（允许存在杂质，旧铝可回收利用，提高原材料的利用率）。①密度较小，比强度高。②高温和常温下都具有良好的力学性能，冲击韧性尤好。③有较好的导电性和导热性。机械切削性能也很好。④表面有一层化学稳定、组织致密的氧化铝膜，故铝合金在淡水、海水、硝酸盐以及各种有机物中均有良好的耐腐蚀性。但这层氧化铝膜能被氯离子及碱离子所破坏。常用压铸合金

牛牛文库文档分享第36页/共64页⑤良好的压铸性能，较好的表面粗糙度以及较小的热裂性。⑥铝合金的体积收缩率较大，在压铸件冷却凝固时易在最后凝固处形成较大的集中缩孔。⑦铝合金对模具具有较强的黏附性，在脱出压铸件时，会产生黏附现象。⑧铝合金以铝为基体，含有其它元素，有的有利，有的不利比如硅，含量在0.6％以下，铝合金对模具黏附严重含量超过0.6％以上，黏附现象则大为减轻。铁含量过高，则流动性能降低合金中的片状或针状铁、铝化合物，降低力学性能和机械加工性能。常用压铸合金

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2、压铸铝合金的化学成分见表常用压铸合金

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2、压铸铝合金的力学性能见表常用压铸合金

牛牛文库文档分享第39页/共64页3、压铸铝合金中其它主要元素的作用

(1)硅①主要元素之一，含量0.8％-13％②硅与铝在一定含量比例及一定温度时，两者组成共溶体，形成大量共晶体。提高流动性及合金高温造型性、降低收缩率和热裂倾向。③二元铝硅基合金有较好的耐蚀性、良好的导电性和导热性能。硅含量过多，出现游离硅的硬质点，增加切削加工的困难。常用压铸合金

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(2)铜①含量0.3％～5％②含铜量4％-5％，合金内呈现出共晶体，提高流动性铜含量增加，则塑性降低，增大热裂倾向。③高硅铝合金中铜含量在0.8％以下时，能提高其强度、硬度、弹性极限、可切削性能。可用于在振动及动载荷下工作的压铸件。常用压铸合金

牛牛文库文档分享第41页/共64页(3)镁①高硅铝合金加入少量(0．2％～0．3％)的镁，压铸件强度及硬度提高，塑性基本未变②含镁高的铝合金：耐蚀性高，铸造性能降低，强度和塑性受到影响，易产生热裂和疏松的现象③铝合金的流动性随着含镁量的增加而提高，收缩率则随之变大。常用压铸合金

牛牛文库文档分享第42页/共64页(4)锌提高流动性改善力学性能但在高硅铝合金中，提高热裂趋向，降低耐蚀性常用压铸合金

牛牛文库文档分享第43页/共64页(5)铁①少量铁可减少黏模，利于脱模②承受较大负荷或高速运动铸件，加入l％以下的铁，可改善力学性能。③含量过高铁与铝等元素则以FeAl3、Fe2A15和A1-Sl-Fe的片状或针状组织存在于合金中流动性、力学性能、冲击性、塑性降低，热裂性增大常用压铸合金

牛牛文库文档分享第44页/共64页(6)锰①含量0.4％以下合金中铁的化合物的片状或针状变为细密的晶体形状增加合金塑性，减少过量铁的有害影响②含量适当时提高合金的强度和耐蚀性能含量过高时引起偏析，增加压铸件脆性常用压铸合金

牛牛文库文档分享第45页/共64页(7)镍①少量的镍，提高合金的强度和硬度。②镍也能中和铁的有害作用，减少铝合金对模具的黏附。其它锡、铅元素能改善加工性，但降低强度和耐蚀性能；含量过高时，增加高温时的热脆性。常用压铸合金

牛牛文库文档分享第46页/共64页四、压铸镁合金

1、压铸镁合金由于密度小，力学性能较好，在压铸业的应用正在逐渐扩大。它的主要特点如下：①密度最小，铝合金的2/3左右，较高的比强度，比铝合金更为优越。如照相机、放映机等便于携带的轻便器件，采用压铸镁合金可大大减轻零件的质量②低温下良好的力学性能，制造低温环境下使用的零件③流动性较好，尺寸稳定，易于切削加工常用压铸合金

牛牛文库文档分享第47页/共64页④与钢铁的亲和力较小，减少粘模现象，铸件容易脱模⑤镁元素：易燃，粉尘会自行燃烧，镁液遇水后产生剧烈反应而导致爆炸⑥镁合金生产时，应采取必要的安全防范措施。坩埚加密封盖以及充入保护气体，如CO2、SF6、SO2、N2等，使镁合金在封闭保护的状态下熔化。图1-3和图1-4分别是热、冷压室压铸机坩埚密封盖的结构示意图。常用压铸合金

牛牛文库文档分享第48页/共64页常用压铸合金

牛牛文库文档分享第49页/共64页2、压铸镁合金的化学成分和力学性能见表1-4。常用压铸合金

牛牛文库文档分享第50页/共64页3、压铸镁合金中其它主要元素如下(1)铝①7.5％～9％②铝与镁组成固溶体和共晶体，提高合金流动性。③镁合金最好的强固剂，提高合金的强度和硬度，降低耐蚀性能。常用压铸合金

牛牛文库文档分享第51页/共64页3、压铸镁合金中其它主要元素如下(2)锌①与镁形成锌镁共晶体，改善流动性和力学性能。当锌的含量在0.8％时，能提高合金的流动性②少量锌有抑制铁和镍的有害作用，提高耐腐蚀性能。③锌在镁合金的含量过大时，会提高合金的热脆性。常用压铸合金

牛牛文库文档分享第52页/共64页

(3)锰①锰在镁合金中的含量在0.5％时，能改善合金的力学性能。②中和铁在合金中的有害作用，提高合金的耐蚀性。

(4)硅硅几乎不溶于镁。少量的硅(如0．5％以下时)能改善合金的流动性和可成型性。但当合金中含铁时，在它们的共同作用下，能降低合金的塑性和耐蚀性。

(5)铁铁不溶于镁，而存在于晶粒之间，能降低合金的力学性能和耐蚀性能，是极为有害的杂质，应严格控制。

(6)铜和镍铜和镍也是镁合金中的有害杂质。它们能增加合金在熔融状态下的氧化趋向，降低合金的耐蚀性。常用压铸合金

牛牛文库文档分享第53页/共64页五、压铸铜合金1、压铸铜合金主要是压铸黄铜合金。熔点较高，但具有许多优越性能，仍然有一定的应用价值。2、压铸铜合金的主要特点如下：①它的力学性能和耐磨性均优于铝、锌等压铸合金。②在大气中及海水中都有很强的耐腐蚀性能。③导电性和导热性能良好，并具有抗磁性能。常用来制造不允许受磁场干扰的仪器上的零件。④压铸铜合金的浇注温度较高，压铸模的寿命相对较低，而原材料价格偏高，常用压铸合金

牛牛文库文档分享第54页/共64页2、压铸铜合金的化学成分和力学性能见表常用压铸合金

牛牛文库文档分享第55页/共64页2、压铸铜合金的化学成分和力学性能见表常用压铸合金

牛牛文库文档分享第56页/共64页3、压铸镁合金中其它主要元素的作用如下①压铸铜合金均以铜为基体，加入适量的铅、硅、铝、锰，组成了铅黄铜合金、硅黄铜合金、铝黄铜合金和锰黄铜合金。最常用的是YT40-l和YTl6-4。②铅黄铜合金YZCuZn40Pb(YT40-1)中的锌不仅能降低合金的熔点，也提高了流动性，有较好的压铸性能。适量的锌可提高合金的综合力学性能。但当锌的含量过多时，内部会出现脆性组织，引起塑性下降。③铅黄铜合金中含有少量的铝，它有脱氧以及防止和减少锌的蒸发作用。它所产生的氧化铝膜，使合金在坩埚中不产生渣滓。而压铸件表面上的氧化铝层还有助于压铸件的脱模。常用压铸合金

牛牛文库文档分享第57页/共64页④铅黄铜合金加工性能较好，而且成本较低，多用于化工、造船的零件及耐磨的零件。⑤硅黄铜合金YZCuZnl6Si4(YTl6-4)具有良好的压铸填充性能，可压铸壁薄的压铸件，而且可获得密实而光洁的压铸件表面。⑥硅的含量不超过5％，它对合金组织的影响较大，含硅量过高时，会增加合金的脆性。一定含量的铁可改善合金的