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压铸操作工艺培训讲义 (连载三)

压铸实践2019-01-10 10:26:45

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   压铸合金

   在压铸生产中,除了有合理的铸件结构,完善的模具和性能好的压铸机外,还必须釆用适宜于压铸的合金.选用合金时,必须考虑合金材料的化学成分、物理和化字性能、机器性能及使用场合,尤其应考虑合金的铸造特性,才能生产出满足需要的压铸件.

      压铸合金的物理、化学性能、机械和工艺性能是了解确定制造工艺和选用合金材料的重要依据.因此有必要对他们进行全面的了解.

一.物理性能:

     合金的物理性能是指他们对各种物理现象,如温度变化、电磁等的作用所引起的反应,它有密度、熔点、热膨胀、导热性与导电性等.根据零件的不同用途,对合金物理性能的要求也就有所不同.例如:一些电机或电器零件要求合金具有良好的导电性:飞机零件则要选用密度小、比强度高的铝合金、镁合金来制造;而对于内燃机的活塞则要合金的热膨胀系数小,耐磨性高,故应选用铜合金或高强度铝合金来制造等.

     合金的一些物理性能,对铸造工艺有着特定的影响.合金的熔点不同.它们的熔炼工艺就有着较大的差别.常用的金属及合金的物理性能见下表.

 

二.化学性能:

      合金的化学性能是它们在各种介质中与其它元素起化学反应的能力,主要有耐蚀性等.在腐蚀性介质中或高温下工作的零件,必须选用化学稳定性良好的合金.例如,在海中长期工作的零件,应选用铝镁系铸造铝合金(如ZL301)、硅黄铜(ZHS180-3)或铝黄铜(ZHA1 67-2.5)来制造.因为这些合金具有良好的耐蚀性能.而工业上用的锅炉,加热设备、汽轮机、喷气发动机火箭、导弹等需在高温下工作的零件,就要釆用耐热性好的金属或合金来制造.

三.机械性能:

      机械零件在使用过程中,将受到各种外力作用,如静载荷、冲击载荷或交变载荷等作用,使机械零件承受拉伸、压缩、扭转、剪切及弯曲等不同应力的作用.

     合金的机械性能是指它抵抗外力作用而表现出来的特性,也称为力学性能,如强度、硬度、塑性、弹性和冲击韧性等.它是衡量合金优劣的重要标志,对选用合金具有重要的意义.

      一般以抗拉强度、屈服强度、塑性、延伸率、断面收缩率、硬度来衡量和反映金属和合金的机械性能.

四.工艺性能:

      合金的工艺性能是指它们是否易于加工成形的性能.它包括铸造性、可锻性、可焊性、切削加工性、电镀性和热处理性等.现在主要对金属材料的铸造特性进行重点讨论.

      合金的铸造性,即合金在铸造生产中的工艺性.它是一个综合性的概念,通常指合金在铸造生产过程中所表现的流动性的好坏,收缩的大小,以及形成热裂、应力、偏析、吸气等倾向的多少等特性.不同的铸造合金,由于其物理化学性能及结晶过程特点的不同,故铸造性能也各不相同,在压铸生产中,必须认真掌握压铸合金的铸造性能,并针对其特点制定合理的熔制与铸造工艺,以便有效地防止铸造缺陷,获得优质的压铸件.

       1.流动性

       合金的流动性,即指合金液充填型腔的能力,它是压铸合金的重要铸造性能之一.通常情况下,流动性好的合金有利于压铸结构复杂的薄壁铸件,获得尺寸精确、轮廓清晰的优质压铸件.

       合金本身的性质,是决定其流动性好坏的内因,并主要与其热物理性质及结晶特点有关,而它们又决定于合金的化学成分,一般的规律是,合金的结晶潜热及热容量小而导热率大,则保持液态时间短;合金的凝固温度范围大,则使合金液的流动阻力大;这都会降低其流动性.

       从铸型工艺特点来讲,铸型的导热能力愈差,合金液充填铸型的能力就愈强.反之,型腔导热系数愈大合金液冷却愈快,充型能力就下降.如釆用模具(铸型)温控装置及导热系数小的涂料,相对来说,均能提高合金的流动性.

       就浇注条件来说,流动性主要取决于浇注温度的高低,压射速度的快慢和压射压力的大小.虽然,在同样条件下,第一,提高浇注温度可使合金的热容量增大,延长了保持液态合金的时间,粘度减小,充型能力增强.但浇注温度过高,合金液吸气增多,氧化严重,铸件的一次结晶组织粗大,容易产生缩孔,缩松,粘模等缺陷.但在压铸生产中,除万不得已时,才以提高合金液的温度来改善流动性,一般应避免在过高温度下压铸,以防止合金液严重吸气、氧化等弊病.第二,釆用较高的压射速度,可以改善合金液的充型能力.但是,应该防止因速度过高而造成涡流包气,影响铸件质量.第三,提高压射压力,也可使合金液的充型能力得到增强.

       按铸件结构而言,铸件结构愈复杂,流路弯曲转折愈多,壁厚愈薄及厚薄不均匀的铸件,要使合金的充满铸型就愈困难.

      提高充型能力,改善流动性的措施如下:

     (1).适当调整合金的成分,严格控制合金液熔炼工艺,净化合金液,减少合金液中的非金属夹杂物和气体,加入微量元素,细化晶粒.

   (2).增加铸型的溢流排气系统,提高除渣排气能力,釆用导热率低的涂料.

     (3).合理设置浇注系统,适当提高浇注温度及压射速度.

     (4).慎重改进铸件结构,改善铸件的压铸工艺性.

     2.收缩

     铸造合金从液态到凝固完毕,以及以后继续冷却至常温的过程中,都将产生体积和尺寸的变化,这种体积和尺寸的变化总称为收缩.

    合金从压铸温度到常温的收缩,通常可分为三个阶段,即液态收缩,凝固收缩和固态收缩.合金的液态收缩、凝固收缩对铸件中缩孔的大小有着决定性影响,而固态收缩则对铸件中应力的产生,裂缝的形成以及铸件形状尺寸的改变起着主要作用.凝固收缩和固态收缩常以体积收缩表示.而固态收缩因与铸件的形状和尺寸关系很大,为方便起见,常考虑其线收缩.

    合金收缩的尺寸,一般以百分数来表示,称为收缩率.

    压铸件收缩的大小,主要取决于合金种类,化学成分,浇注温度,压射速度,持压及留模时间,比压大小,铸型条件及铸件结构等因素.

    (1).体收缩

    铸造合金由高温to降低到温度t时的体收缩率E体一般可用下表示:

     

      缩孔与缩松:

     由于合金在液态及凝固期间产生体收缩的结果,使铸件在最后凝固的区域产生宏观或显微孔洞.统称缩孔,集中性缩孔,容积大而集中,多分布在铸件断面较厚(热节)且最后凝固的地方;分散性缩孔又称缩松,孔洞细小而分散,常与模具温度、压力传递有关.

     缩孔与缩松是铸件的常见缺陷之一,其产生的基本条件是合金的液态收缩及凝固收缩远大于固态收缩.一般的规律是,合金的凝固温度范围愈小,则愈易形成集中缩孔;反之易形成缩松.

    合金形成缩孔的程度不仅取决于合金本身的性质,而且还与合金过热的程度有关.同样,一种合金,过热度大时缩孔就大;过热度小时缩孔就小.

    (2).线收缩

    铸造合金自温度to降低至温度t时的线收缩率E线,一般可用下式表示:

      

式中: LO ------被测试合金的试样在高温to时的体积(毫米).

      L ------被测试合金的试样至温度t时的体积(毫米).

    其他条件相同时,合金的线收缩率愈大,则产生裂缝,应力的倾向愈大,冷却后形成尺寸的改变也愈大.但是,压铸件在铸型内收缩时,往往由于受到摩擦阻碍(铸件表面与铸型表面之间的摩擦力),热阻碍(铸件各部分冷却速度不一致而产生),机械阻碍(铸型的突出部分或型芯的阻碍)等作用而不能自由收缩,故通常将铸件在这些阻力作用实际产生的收缩,称为受阻收缩,也称阻碍收缩,阻碍收缩总小于自由收缩.在生产中,为弥补铸件尺寸的实际收缩量,设计制作模具时应釆用缩比,即将铸造收缩率E铸,计入名义尺寸中,一般

用下式表示:

      

     对于不同的合金,因其线收缩率不同,应釆取不同的铸造收缩率;而对于同种合金铸造的不同铸件,或同一铸件的不同部位,因其收缩时受阻程度的不同,往往需釆取不同的铸造收缩率.通常在设计计算压铸模时按下表选用合金的计算收缩率.

       3.热裂

        铸件的热裂,是指合金在高温状态形式的裂纹.它是某些有色合金铸件常见的一种铸造缺陷.铸件在凝固期间.因受铸型阻碍而不能收缩时,在铸件内产生的收缩应力超过合金在该温度下强度时,即产生热裂.因此说,铸件的热裂产生在凝固过程的末期,并有可能在凝固后进一步扩展.通常,热裂的外形曲折而不规则,裂口表面被强裂氧化.按其在铸件上的位置,热裂又可分为外裂和内裂.外裂常从铸件表面而不规则处,尖角处,截面厚度有突变处,以及其他类似的可以产生应力集中的地方开始,逐渐延伸至铸件内部.表面较宽内部较窄,有时会贯穿整个铸件断面;内裂产生于铸件内部最后凝固的地方,一般不会延延伸至铸件表面.其裂口表面很不平滑.常有很多分叉,氧化较外裂轻些.

       一般认为,铸件的热裂是在合金的凝固过程中产生的,即在大部分合金已经凝固,但在结晶构架间还有少量液体时产生的.也就是说,比固相线温度稍高的温度下产生的.这时,合金的收缩较大而强度较低,加之铸型阻碍其收缩,使铸件中产生较大的收缩应力,或因其各部分冷却不均,使铸件中产生内应力,当其应力值大于合金在该温度下的强度时,即产生热裂.使铸件产生热裂的一般为拉应力.铸件热裂倾向的大小,决定于合金的性质.一般地说,合金凝固过程中开始形成完整的结晶构架的温度与凝固完毕的温度之差愈大,以及在此期间合金收缩率愈大,则合金的热裂倾向就愈大.例如,铝--铜合金,铝--镁合金的铸件,一般比铝--硅合金的铸件热裂倾向要大.

       但是,对于同一种合金,铸件是否产生热裂.则主要取决于铸型阻力,铸件结构,浇注工艺等因素.因此,在铸件冷凝过程中,一切促使减小其收缩应力,内应力,提高合金高温度的措施,都将有助于防止热裂的产生.例如,改进铸件结构,改进浇注系统等有效途径来避免铸件热裂缺陷的产生.

       4.铸造应力

       根据应力产生的原因,可使铸造应力分为热应力,相变应力和收缩力三种.

       热应力是由于铸件上相连接的各部分断面厚度不同,冷却时收缩的时间先后不一致所引起的.分析铸件上连接处薄厚两部分的应力情况时可知:在冷却过程中薄壁部分的温度较低,厚壁部分的温度较高,薄壁部分先由塑性状态转入弹性状态,在这种情况下,薄壁部分的收缩势必迫使厚壁部分产生塑性变形,这时应没有应力产生.在铸件继续冷却过程中,当壁厚部分也转入弹性状态时,厚壁部分的收缩就对先前早已转入弹性状态的薄壁部分施加压缩作用(因为此时薄壁部分限制厚壁部分的收缩),相对来说,厚壁部分也将受到薄壁部分施加的拉伸作用.这样就造成了薄壁受压,厚壁受拉的情况,使得铸件薄壁中有压应力,厚壁受拉的情况,使得铸件薄壁中有压应力,厚壁中有拉应力.

      相变应力是由于有些合金在凝固以后的冷却过程中发生相变,因而伴随着体积的变化,并引起铸件尺寸也跟着发生变化的结果.当铸件的壁厚不同时,薄壁部分冷却快,厚壁部分冷却的慢,这样薄壁与厚壁两部分就不在同一个时间内发生相变,薄壁部分先发生相变厚壁部分后发生相变,因而产生相变应力,对于在相变时发生膨胀的合金来说,厚壁部分产生的相变应力为压应力,而薄壁部分产生的相变应力为拉应力.

       收缩应力是由于铸件收缩时受到铸型和型芯的阻碍所引起的.这种应力总是拉应力.    综上所述,铸件应力δ铸是热应力δ热、相变应力δ相和收缩应力δ收三者的代数和,即:

    δ铸=δ热+δ相+δ收.

    式中:δ热----往往是残留应力.

            δ相----因发生相变的温度不同而可能是临时的或残留的应力.

            δ收----是临时应力,即铸件出模后自行消除,但常常是造成热裂的重要原因.

       铸件在冷却过程中所产生的铸造应力,如超过合金该温度下的屈服强度时,则产生残留变形.如超过其抗拉强度时,则将产生裂纹.如果在弹性强度范围内,以残留应力的形式存在于铸件中(主要是指σ热、δ相),则可能降低设计强度.此外,带有残留应力的铸件会在使用或存放过程中发生变形.破坏装配后部件或机器应有的精度.

       防止铸件产生裂纹或变形,除铸件结构设计合理(即具有良好的压铸工艺性)外,在压铸工艺上应釆取妥善措施,使合金同时结晶凝固.并尽可能使铸件壁厚均匀.避免合金局部积聚.转折处避免尖角,选择合理的浇注系统和溢流系统,以减少铸件各部分的温度差.总的目的是减免铸造应力的产生.对于有残留应力的铸件,可釆取自然时效或人工时效等热处理工艺来消除,使之获得优质铸件.

       5.偏析

       铸件中合金化学成分不均匀的现称为偏析.偏析是一种铸造缺陷,由于铸造各部分化学成分不一致,势必使其机械及物理性能也不一样,这样就会影响铸件的工作效果和使用寿命.偏析可分为三种类型即晶内偏析、区域偏析和比重偏析.在压铸生产中,主要是由于合金熔化后在炉中长时间搁置是或每炉合金液不全部用完而经常加料,炉底部分合金液长时间搁置而产生比重偏析,使先后压出的铸件化学成分很不一致.

       防止合金比重偏析的措施,通常是严格控制合金熔炼工艺,合金熔化后送入保温炉前要充分搅匀;尽量减少合金液的搁置时间,每炉合金液应基本用完后再加新料;加入某种微量合金元素进行变质处理,细化晶粒,改变初晶形状;炉底余料,一般晶粒粗大,偏析严重,不能生产铸件.

      各种铸造有色合金都有吸收气体的特性.并且,这种特性(即指气体在合金中的熔解度)有一个随温度而变化的一般规律,合金在固态时,气体的溶解度很少,并随温度的上升而升高.合金达到熔点时,气体的溶解度剧烈增加,并在同一熔化温度下,液体合金溶解的气体比固态合金要多得多.合金熔融后,气体的溶解度随温度的继续升高而急增直至到达最大点后才开始下降.合金液到达沸点时,气体的溶解度几乎近于零.一般情况下,铸造有色金的熔炼过程正处于气体的溶解度随合金温度升高而迅速增加的阶段,均具有较大的吸气倾向.

       铝合金中溶解的气体主要是氢气.例如:液态纯铝666℃时,氢溶解度为0.63立方厘米 /100克铝液.固态纯铝,氢溶解度为0.036立方厘米/100克纯铝.两者溶解相差十八倍.

       由上可见,液体合金在凝固和冷却过程中,气体的溶解度不断下降.因此,如果在熔炼过程中合金吸收较多的气体,甚至达到饱和时,浇注到铸型中以后,就会随温度的降低而析出气体.当来不及从铸件中跑出时,便形成气孔,这对铝合金来说,针孔缺陷更为明显.

       合金中所吸收的气体主要来源于炉料,各种辅助材料,炉气以及坩锅,熔化工具等.对于极易吸气的有色合金,如铝、镁合金,在熔注过程中,一切与气体及水分相接的机会,都会导致吸气.但是,合金中吸气的气体主要是氢气.而其它气体或与合金中某一成分生产化合物,可以脱除.

       为了减少或避免合金吸气,必须严格控制炉料及辅助材料的质量;认真做好熔炉及工具的清理及预热等一系列准备工作;正确控制整个熔炼浇注工艺;尽量减少合金液在高温下保温,避免合金过热;对极易吸气的合金,釆取在复盖剂保护下熔炼,并在熔炼后期进行除气处理等.这些都是行之有效的措施,总的目的就是使液体合金中实际溶解气体的量尽可能降低,不仅远远低于合金在熔化温度下的溶解度.而且还要低于合金在低温下的溶解度.这样才能避免气孔(或针孔)的产生.

        7.气密性

        合金的气密性,是指其铸件承受高压气体或液体的作用而不渗漏的能力,它通常反映着铸件内部的致密程度.

       一般规律是,合金的凝固温度范围愈窄,铸件产生疏松的倾向愈小;凝固过程中析出气体愈少,产生析出气孔(如铝合金的针孔)愈少,则合金的气密性愈高.因此,一般铝合金中,ZL203、ZL301的气密性较差;而ZL102、ZL104的气密性好;在铜合金中.黄铜和铝青铜的气密性比锡青铜好.显然,合金的气密性的好坏,对于铸造耐压防漏零件具有重要意义.

        合理选择合金牌号,尽可能降低合金的浇注温度,避免合金过热,恰当设计铸造工艺,以及釆取快速冷在高压下结晶等措施,都将有利于改善铸件的气密性.对于有渗漏缺陷的多铝、铜合金铸件,还可釆用浸渗修补法予以挽救.

       8.杂质

       常用的铸造合金,为保证其质量,化学成分、机械性能等均列入国家标准规定.若其主要成分超过标准,杂质含量超过规定,都将影响该合金规定性能.如合金液粘度引起变化,使流动性变坏;产生氧化夹杂及硬质斑点,使切削加工困难;强度、硬度等机械性能降低,影响铸件质量等等.因此,在生产过程中,必须对铸造合金进行自始至终的科学管理,对熔炼及操作工艺严加控制,确保合金能满足铸件的设计要求,以获得优质铸件.


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