压力铸造工艺参数的选择

 压力铸造工艺参数的选择

汪明

随着世界经济的快速发展，各行各业对于金属铸件标准的要求越来越高，从而促进了精密铸造水平的整体提高，这其中压力铸造所占比例呈现前所未有的增长态势，借助于电子工业和计算机行业的发展，压力铸造设备自动化程度和控制精度也提高很快，帮助了压力铸造各种工艺要求的精准实现。

压力铸造high pressure die casting(简称压铸)的实质是在高压作用下，使液态或半液态金属以较高的速度充填压铸型(压铸模具)型腔，并在压力下成型和凝固而获得铸件的方法。

与其它铸造方法相比，压铸有铸件尺寸精度高，产品质量好，生产效率高以及经济效益高等优势。

压力铸件的质量主要受控于压铸的填充过程中诸多因素的影响，如:压力、速度、温度、熔融金属的性质以及填充特性等等。所以工艺参数的选择成为决定压力铸件是否成功的关键因素。

压铸工艺是将压铸机、压铸模和压铸合金综合运用的过程。压铸时金属填充型腔的过程，是将压力、速度、温度以及时间等工艺因素得到有机组合的过程。这些工艺因素既相互制约，相辅相成，只有正确选择和调整这些因素，使之协调一致，才能获得预期的结果。压射过程中，不仅重视铸件结构的工艺性、铸型的先进性、压铸机性能和结构优良性，压铸合金选用的适应性和熔炼工艺的规范性。也应重视压力、速度、温度和时间等工艺参数对铸件质量的重要作用。这些工艺参数的选择与合理匹配，是保证压铸件综合性能的关键。

一、压力的选择

在压力铸造的整个过程中，压射压力是压铸工艺最基本的成型参数，液态金属的充填流动和压实都是在压力和充填速度的作用下完成的，合理选择和确定压射压力和充填速度是压铸工艺的一个重要问题。在压射过程中，随着冲头位置的移动，压力也出现不同的变化，这个变化规律都会对铸件质量产生重大影响。

1．压射力（F）

压射力是压铸机压射机构中推动压射活塞运动的力，它是反映压铸机功能的一个主要参数。

压射力的大小，由压射缸的截面积和工作液的压力所决定。压射力的计算公式如下：

F=PπD²/4

式中：F--压射力（N）；

P--压射油缸内工作液的压力（Pa）；

D--压射油缸的直径（m）；

π=3.1416。

2．比压（P）及其选择

比压是压室内金属液单位面积上所受的压力，填充时的比压称为压射比压。压射后的比压称为增压比压，它决定了压铸件最终所受的压力和模具的胀型力。

比压一般是根据铸件形状、尺寸、复杂程度、壁厚、零件的要求、温度、合金特性以及浇注排气系统来选择。比压对铸件机械性能的影响：比压增大，结晶细，表面质量提高，气孔影响减轻，从而抗拉强度提高，但延伸率有所降低。合金熔液在高比压作用下填充型腔，合金温度升高，流动性改善，有利于铸件质量的提高。

比压的经验数据：承受轻负荷的零件的比压一般为30～40MPa；承受较大负荷的零件的比压一般为40～80MPa；气密性面和大壁薄零件的比压为80～120MPa。拿铝合金来说，常用比压如表1所示。

表1：压铸铝合金常用比压            单位：MPa

比压的计算公式：

P=4F/πD²

式中：P--压射比压（MPa）；

F--压射力（N）；

D--冲头直径（mm）；

π=3.14。

调整比压有两种途径：调整压射力和选择不同的冲头直径。根据压射压力与压射冲头尺寸的对应关系，使用压铸机提供的最小压射冲头时，能够获得最大的压射压力。压铸机的压射力大，压射压力可调节的范围也大，压铸工艺灵活性大。在选择压射压力时，应充分考虑压铸机能够提供的压射力及使用的压射冲头，注意不要超出可调节的范围。此外，高的压射压力会加速压铸模具和机器的磨损。所以，在保证压铸件质量的前提下，采用较低的压力为宜。

动态压射压力及增压压射压力的选择与许多因素有关，如：压铸件结构特征、压铸合金特性、浇注系统、合金及压铸模温度、压铸件质量标准等，选择时应该根据以上各个方面的不同要求来综合考虑。

二、充填速度的选择

在压铸中，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的质量，正确选用充填速度对设计压铸模和获得合格压铸件十分重要。充填速度过小会使压铸件的轮廓尺寸不清晰，尺寸残缺；气孔率增加，力性能下降，但高速的金属液又会冲蚀型腔而影响压铸模的寿命。

充填速度的选择，一般应遵循的原则为：对于厚壁或内部质量要求较高的压铸件，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压铸件以及复杂的压铸件，选择较高的比压和高的充填速度。根据实际压铸设备和工艺条件的不同，常用充填速度可参照表2。

表2  常用的充填速度 (m/s)

压射速度是指压射冲头在特定条件下运动的线速度，这一速度由压铸机的特性所决定。压铸机所给定的压射速度一般在0.1～7m／s范围内变动。

熔融金属在压射冲头的推动下，经过浇注系统内浇口时的速度可以认为不变或变化很小。把流动过程看成在一封闭的管道中进行，根据等流量连续性方程有以下关系

A₁v₁=A₂v₂

v₂= A₁v₁/ A₂=πd²v₁/（4A₂）

式中：v₁为压射速度，m／s；v₂为充填速度，m／s；A₁为压射冲头（近似压室）截面积，㎡；A₂为内浇口截面积，㎡；d为压室（压射冲头）的直径，m。

由上式可知，金属液的充填速度v₂与压室直径的平方、压射冲头的压射速度v₁成正比，而与内浇口的截面积成反比。说明压室直径越大，充填速度也越大；压射速度越大，充填速度相应也越大；内浇口的截面积越大，充填速度则越小。

三、温度参数的选择

这里所说的压铸温度主要是指合金浇注温度、压铸模的温度和压铸模具的的工作温度。

1、合金浇注温度

合金浇注温度是指金属液从压室进入型腔的平均温度，通常用保温炉内的温度表示，一般要求高于合金的液相线20～30℃。

浇注温度过高，合金收缩大，使压铸件容易产生裂纹，压铸件晶粒粗大，还会造成脆性；浇注温度过低，易产生冷隔、表面流纹和浇不足等缺陷。在压力较高的情况下，应适当降低浇注温度，这样可以有效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，使缩孔和缩松减少。各种压铸合金的浇注温度，因其壁厚和结构的复杂程度而不同，其值可参考表3。

表3  各种压铸合金浇注温度         

2、压铸模具的的预热温度

压铸模在使用前要预热到一定的温度，压铸过程中要始终保持在一定的温度范围内。压铸模预热的作用有三个方面：

1）避免高温液体金属对冷压铸模的冲击，延长压铸模使用寿命。压铸过程中，高温合金液直接冲击型腔，如果温差过大，会因热应力的变化而使压铸模过早疲劳失效，从而缩短使用寿命。

2）避免液体金属在模具中因激冷而过快凝固，从而失去流动性，导致压铸件不能顺利充型，造成浇不足、冷隔等铸造缺陷。

3）压铸模中，热膨胀应在生产前通过预热加以调整，否则合金液会穿入模具间隙而影响生产的正常进行。

3、压铸模具的工作温度

在连续生产中，压铸模温度会不断升高，尤其是压铸高熔点合金时，温度升高很快。温度过高会产生液体金属粘型，还可能出现压铸件因来不及完全凝固、推出温度过高而导致变形、模具运动部件卡死等问题。同时，过高的压铸模温度会使压铸件冷却缓慢，造成晶粒粗大而影响力学性能。因此在压铸过程中，对压铸模温度要进行合理控制，压铸模温度过高时，应采取冷却措施。

压铸模工作温度一般可按下式计算：

t₁=⅓ t₂±Δt

式中，t₁为压铸模工作温度，℃；t₂为液体金属的浇注温度，℃；Δt为温度控制公差（一般取25℃）。

例表 锌合金的压铸模工作温度 ℃

四、时间参数的选择

压铸过程中的时间有充填时间、持压时间和留模时间三个时间段。

首先我们来看充填时间，充填时间的长短主要取决于压铸件的体积、壁厚的大小、压铸件形状的复杂程度、内浇口处的面积和充填速度等。

对大而简单的压铸件，充填时间要相对长些，对小而简单的薄壁压铸件充填时间相对短些。压铸件的平均壁厚与充填时间的推荐值见表4。

表4  压铸件的平均壁厚与充填时间的推荐值

在压铸过程中，充填时间长，充填速度慢，有利于排气，但铸件表面粗糙度较差。

充填时间短，充填速度快，可获得良好的表面精度铸件，但铸件的致密度较差，内部的气孔量较多。

从压铸合金液充满型腔到内浇口完全凝固，在冲头压力作用下所持续的时间称为持压时间。持压时间的作用是使压力传递给未凝固的金属，保证压铸件在压力下结晶，

以获得致密的组织。

持压时间长知取决于压铸件的材料和壁薄。对于熔点高、结晶温度范围大的厚壁压铸件，特庄时间应长些，对于熔点低、结晶温度范围小的薄壁压铸件，持压时同可以短些。生产中常用的持压时间见表5。

表5  生产中常用的持压时间 s

从压铸终了到压铸模打开的时间，称为压铸件在模具中的留模时间。留模时间应根据压铸件的合金性质、压铸件壁厚和结构特性来参考选择（见表6）。以推出压铸件不变形、不开裂、保证外部尺寸和形状的最短时间为宜。

表6  各种压铸合金常用留模时间s

以上几方面的选择是压铸工艺过程中主要的参数选择，压铸件最终的参数选择主要还是需要看具体压铸件的结构、材料、形状、生产批量、质量要求以及所使用的压铸机性能等多方面因素。当然长期生产的经验积累也是确定参数的重要一环。

参考文献：

1：《压力铸造》航空工业出版社，2018年10月；

2：《压力铸造技术与应用》天津大学出版社，2010年9月。

57