【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 2 輪廓清晰，形狀 結(jié)構(gòu) 準(zhǔn)確 鑄件的能力。若液態(tài)金屬的充型能力不 足， 即型腔 角落 無(wú)法完全填充， 鑄件將產(chǎn)生澆不到，冷隔等缺陷。 合金 液 的 體積或尺寸 在澆注 、充型、凝固直至冷卻到室溫的過(guò)程中 產(chǎn)生 縮減的現(xiàn)象，稱為收縮。液態(tài)金屬在 型腔內(nèi) 的凝固過(guò)程中， 如果外部 金屬液 不能及時(shí)補(bǔ)充 由液態(tài)收縮和凝固收縮所引起的體積縮減， 就會(huì) 在最后凝固部位 將 形成孔洞，由此 產(chǎn)生 的集中孔洞稱為縮孔， 而 細(xì)小分散的孔洞 則 稱為縮松。 在金屬液熔煉澆注 和 充型 的過(guò)程 中， 若在冷凝過(guò)程中不能 把 液態(tài)金屬吸入的氣體 從液體內(nèi) 逸出，滯留在金屬中，將在鑄件內(nèi)形成氣孔 。 金屬 材料 的連續(xù)性 遭到 氣孔 破 壞，其 內(nèi)部 可以 承載 負(fù)荷 的有效截面積 減少 ，并 將 在氣孔 的周圍 引 起應(yīng)力集中，從而 使得 鑄件的 質(zhì)量和 力學(xué)性能 降低 。 一些 彌散性氣孔還 會(huì) 促使 形成 大量的 顯微縮松，降低鑄件的氣密性 和致密度 。 鑄造成形工藝 依據(jù) 不同 的 鑄型材料 、 造型工藝和澆注方式，可分為砂型鑄造與特種鑄造兩大類。 壓力鑄造 是 特種鑄造的 主要 方法之一， 也 可以稱 其 為 有色金屬鑄造 行業(yè)里面 的一種革命， 該方法的誕生 在很大程度上 提高了鑄件 產(chǎn)品 的生產(chǎn) 效 率 ，降低了 產(chǎn)品 的 生產(chǎn)成本，為壓鑄件在各行各業(yè)的 更廣泛 應(yīng)用奠定了 技術(shù) 基礎(chǔ) [56]。壓力鑄造簡(jiǎn)稱 為 壓鑄，是指將金屬材料 從固態(tài) 加熱熔煉成熔融狀態(tài)或半熔融狀態(tài)，然后 將金屬液 澆入壓 鑄機(jī)的壓室內(nèi)，關(guān)鍵是在 獲得 高壓的 壓頭 作用下，使液態(tài)或半液態(tài)金屬 快速 流動(dòng) 充填壓鑄模 型腔，并在壓力下成型和凝固 冷卻 而獲得鑄件 產(chǎn)品 的方法。 壓鑄與其他鑄造方法最 本質(zhì) 的兩大區(qū)別 在于 高壓和高速充填壓鑄 模具 型 腔 。壓 力 鑄 造 時(shí)， 所用的壓 鑄 力一般為 3070Mpa，充填速度 達(dá)到 5100m/s，金屬液在高壓 作用 下以高速 度 充填壓鑄 模 型 腔 ， 是壓鑄 工藝 區(qū)別于其他鑄造工藝的 主要 不同點(diǎn) [7]。 壓鑄 由于工藝的改進(jìn)，的確 克服了砂型鑄造的許多缺點(diǎn)，但 同時(shí)其獨(dú)特的工藝 也帶來(lái)了一些新問(wèn)題，如透氣性差，鑄件產(chǎn)品 較容 易出現(xiàn)氣孔 缺陷 ；導(dǎo)熱快且退讓性低， 易出現(xiàn)澆不到，冷隔 和 裂紋等缺陷 ； 其 耐熱性不如砂型好，在金屬液的高溫 高壓 作用下，型腔比較容易損壞 ，使用壽命受到影響 。 金屬液充填模具型腔的時(shí)間 長(zhǎng)短 與鑄件的大小 和 壁厚有關(guān)，一般在幾十個(gè)毫秒范圍內(nèi)。與其他鑄造方法相比壓鑄 新工藝 有許多 明顯的 優(yōu)點(diǎn) [8]：壓鑄工藝 產(chǎn)品 生產(chǎn)率高， 鑄件 成形率高，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化與自動(dòng)化 生產(chǎn)，為自動(dòng)化生產(chǎn)一條線的實(shí)現(xiàn)提供了可能 ； 能 壓鑄 薄壁，形狀 結(jié)構(gòu) 復(fù)雜但輪 闊 清晰的 產(chǎn)品 ；鑄件 產(chǎn)品 的 尺寸 精度和表面質(zhì)量高，尺寸穩(wěn)定；可壓鑄出形狀復(fù)雜 的 鑲嵌件， 還 可以壓鑄出 圖案、 線條、文字、 螺紋、 符號(hào)等；壓鑄件 的 加工余量 少， 只需要去水口， 一般無(wú)需再 對(duì)鑄件 進(jìn)行機(jī)械加工，材料的利用率得到 提高 。 壓鑄技術(shù) 雖然 擁有上述的諸多優(yōu)點(diǎn)，但 從它的 發(fā)明之日 起 就帶有嚴(yán)重的先天不重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 緒論 3 足 —— 壓鑄件 存在較嚴(yán)重的 氣孔缺陷 。 與 傳統(tǒng)的 金屬固定模重力鑄造 和 砂型 鑄造 相比， 壓鑄 的高速 高壓噴射 比 依靠 金屬液的重力而 自然流入 有著更好的充型效果，但也正是 因?yàn)?高溫高壓高速的金屬噴射 和金屬液流態(tài)的不穩(wěn)定， 使金屬 液 與型腔內(nèi)的空氣 ，以及 熱金屬 和 型腔內(nèi)殘留潤(rùn)滑劑所產(chǎn)生的煙氣 與高速流動(dòng)的金屬液 有更大 結(jié)合 的 可能 性 。 因?yàn)槌湫?速度 很快， 型腔中的大部分氣體來(lái)不及排出而不可避免的 被卷入 進(jìn) 金屬液 中， 在鑄件凝固冷卻后 以氣孔形式殘留于鑄件內(nèi)， 導(dǎo)致 鑄件致密度下降，本體材料的力學(xué)性能降低。 壓鑄 產(chǎn)品 經(jīng)常 存在一些缺陷，如冷隔，流痕，氣孔或充型不良等缺陷， 但 其中最重要的缺陷 就 是 氣孔缺陷 。 壓力鑄造靠其高速的 工藝 特點(diǎn)能夠 有效 提高 金屬液的充型流動(dòng)性能，利于合金液充型， 而高壓的工藝條件將 改善鑄件的縮孔縮松狀況。但同時(shí)也導(dǎo)致金屬液內(nèi)氣體不能在短時(shí)間內(nèi)排出而殘留于鑄件內(nèi)部形成氣孔缺陷。 圖 壓鑄產(chǎn)品主要缺陷的產(chǎn)生原因 圖 壓鑄件加熱后出現(xiàn)的氣泡 Main cause of die casting defects The air hole of heated casting 氣孔 缺陷 的存在不僅減少了鑄件 產(chǎn)品 的有效截面積，而且 還 可 能 在 局部造成應(yīng)力集中，成為零件斷裂的裂紋源，尤其是形狀不規(guī)則的氣孔，不僅增加 了 鑄件的缺口敏感性，而且 還 可降低零件的疲勞強(qiáng)度 [910]。 傳統(tǒng)壓鑄件還要避免機(jī)械加工，以防止 機(jī)加后 內(nèi)部空洞外露。 圖 顯示的是普通壓鑄件 常存在的 缺陷及 其 產(chǎn)生原因。同時(shí)， 在后續(xù) 改善鑄件性能 的熱處理過(guò)程中，由于鑄件的含氣量高，鑄件加熱后 表面會(huì)出現(xiàn)氣泡（如圖 所示） 。 所以 普通壓鑄件 難以通過(guò)熱 處理 實(shí)現(xiàn) 組織、性能調(diào)整，使壓鑄工藝 長(zhǎng)時(shí)間來(lái) 局限于非承載性零件的生產(chǎn)， 由于內(nèi)部疏松，壓鑄件塑性，韌性差， 大大地限制了壓鑄件 產(chǎn)品 在重要或大型復(fù)雜 受力部件上 的 應(yīng)用 [11]。 主要缺陷 產(chǎn)生原因 縮 松 縮孔 凝固不均 補(bǔ)縮不足 冷隔 填充不足 殘留氣體 卷氣孔 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 緒論 4 真空壓鑄技術(shù) 真空壓鑄技術(shù)是在傳統(tǒng)壓力鑄造技術(shù)的基礎(chǔ)上輔以 對(duì)型腔 抽真空技術(shù)，即先將型腔內(nèi)的氣體抽出， 金屬液 在相對(duì)真空的條件下充填型腔 [12]。如圖 所示 ：當(dāng)壓頭封閉澆口 后 ，壓室與型腔形成一密閉容積，外部真空系統(tǒng)的真空閥打開后，壓室與型腔內(nèi)的氣體通過(guò)真空通道被 排 到 外部真空源 。 此時(shí)，模具 型腔 內(nèi)的 氣體 含 量降低， 型腔 真空度迅速升高，壓頭遇 到如 快速感應(yīng)開關(guān) 等一類 的 控制元件 時(shí)，真空閥關(guān)閉 ，將 抽真空系統(tǒng) 與型腔斷開并密封 。 同時(shí)， 金屬液在壓頭作用下 繼續(xù) 對(duì)型腔進(jìn)行充型，如圖 ，直到熔體完全充滿整個(gè)型腔 。 因此， 真空壓鑄工藝 是 在 極短 的時(shí)間內(nèi)將型腔內(nèi)的氣體抽出， 避免了 熔體 在充型時(shí)將氣體卷入造成氣孔缺陷， 熔體 在高真空度條件下 冷卻 凝固得到的鑄件致密度 能顯著 增高 ，氣孔缺陷 大大降低 [1314]。 以 傳統(tǒng) 壓鑄 工藝 為基礎(chǔ)，真空壓鑄技術(shù)保持了普通壓鑄法高速高壓的優(yōu)點(diǎn)，且 通過(guò)對(duì)型腔抽真空降低型腔氣體含量，使得 真 空壓鑄件內(nèi)氣孔 缺陷 少，可以進(jìn)行后續(xù)熱處理甚至焊接 [15]。 經(jīng)過(guò)熱處理的壓鑄件綜合性能得到顯著改善，應(yīng)用范圍更加廣泛可用于結(jié)構(gòu)件與承載件。 圖 抽真空示意圖 圖 真空壓鑄示意圖 Fig Exhausting of vacuum die casting Fig The process of vacuum die casting 在傳統(tǒng)壓鑄 技術(shù) 中， 如圖 所示， 由于 金屬液 在 內(nèi)澆道 口處的噴射效 應(yīng)， 大量 的金屬熔液將與型腔內(nèi)的空氣和煙氣充分接觸， 型腔內(nèi)的 氣壓在充型 的 最后 末 點(diǎn)將達(dá)到 3000 毫巴以上 甚 至 4000 毫巴； 而 在真空壓鑄中， 型腔內(nèi)氣體先被抽出，重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 緒論 5 型腔 充型 后 期 的氣壓只有 大約為 幾百至 100 毫巴以下，只有極少 殘存 的空氣和煙氣與 充型的 金屬 液 接觸， 所以可以有效 避免氣孔缺陷的產(chǎn)生 [16]。 圖 普通壓鑄與真空壓鑄型腔氣體壓力曲線 Fig Cavity pressure curve of ordinary diecasting and vacuum die casting 真空 壓鑄 工藝 對(duì) 金屬 熔體 的 充型 效果 有著重要的影響 [17]： 一 是 充型 前的型腔抽真空 為充型壓差建立了一較低的壓力起點(diǎn)，易建立較大 的 充型壓差， 因此 充型時(shí) 流動(dòng) 阻力 得到降低 ， 利 于金屬 熔體的 充型； 充型速度 也 得到 提高，利于充填 結(jié)構(gòu) 復(fù)雜異難填 充 的 零件 部 位； 金屬液表面張力較小， 也 利于復(fù)雜薄壁鑄件成形 ；二 是真空澆注 前型腔內(nèi)氣體被抽出， 金屬液不易 被 氧化，且 合金熔體 在較小 的阻力下充型，填充效果良 好可得較好的鑄件表面亮度與光澤度 。 真空壓鑄 技術(shù) 的主要優(yōu)點(diǎn) [1819]： 降低鑄件 產(chǎn)品 的氣孔率， 提高鑄件 尺寸精度 ，改善鑄件表面的光潔度 和 內(nèi)部 組織 均勻性， 因型腔壓力減小。 壓射時(shí)比壓可 降約40%， 能 提高 模具 的 壽命，還可以 提高 鑄件的熱處理性和可焊性 ， 調(diào)整真空壓鑄件性能， 增大壓鑄件的 應(yīng) 用范圍 。實(shí)驗(yàn)研究 結(jié)果 表明，真空壓鑄 件 與普通 壓鑄件 相比，具有更低的氣孔率 、更均勻的內(nèi)部組織及 更加光潔的 鑄件 表面。 高真空壓鑄成形技術(shù)是近年來(lái)工業(yè)化國(guó)家以實(shí)現(xiàn) 壓鑄件產(chǎn)品高質(zhì)量，廣應(yīng)用 為目標(biāo)而競(jìng)相研發(fā)的一種新技術(shù)。 輔以 真空壓鑄系統(tǒng)是解決復(fù)雜壓鑄件 充型困難， 提高 產(chǎn)品 質(zhì)量 與 合格率的重要手段， 真空壓鑄技術(shù) 是進(jìn)一步擴(kuò) 大 壓鑄件 的 應(yīng)用領(lǐng)域，重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 緒論 6 促進(jìn)壓鑄件質(zhì)量普遍達(dá)到高檔次的關(guān)鍵性技術(shù)措施。 真空 壓鑄 輔助系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)外真空 壓鑄 技術(shù) 的發(fā)展 [2023] 真空壓鑄技術(shù)的具體 實(shí)施 方案就是將型腔內(nèi)（包括壓室）的氣體抽 出 或 大 部分抽 出 ， 實(shí)現(xiàn)高真空條件下的充型， 然后 金屬 熔體 在壓頭 壓力 作用下充填模具型腔 ，冷卻凝固成形 。但其抽真空 過(guò)程 的控制 以及 抽真空截止 后續(xù)的真空系統(tǒng)維護(hù) 仍 存在著各種各樣的問(wèn)題， 還 不能很好的 符合 真空 壓鑄過(guò)程期望的要求 。 真空壓鑄 技術(shù) 的誕生與 發(fā)展經(jīng)歷 了 一個(gè) 較曲折 的 歷程 ，進(jìn)展 較為 緩慢。在壓力鑄造的歷史過(guò)程中，在 1872 年 真空壓鑄 技術(shù)進(jìn)行了最早的 首次嘗試， 但 由于早期工作條件不成熟 和其他原因 ，沒(méi)能獲得實(shí)際成功。 1932 年， 真空壓鑄 方法被研究學(xué)者 Former 歸納為 兩種方案 ， 第一種 是 在模具內(nèi)設(shè)計(jì)排氣道， 從模具型腔內(nèi)直接抽氣 ； 第 二 種 是 置模具在真空箱內(nèi) ，對(duì)真空箱進(jìn)行抽真空，即將壓鑄置于 真空環(huán)境中進(jìn)行 。 但因當(dāng)時(shí) 抽 真空系統(tǒng)存在 許多技術(shù) 問(wèn)題且 都 未付諸 實(shí)際 實(shí)踐而 使得 真空壓鑄系統(tǒng)的 研究工作遭 到 截止。 在 五十年代末，真空壓鑄 技術(shù)的研究 呈現(xiàn) 出 “ 蘇醒 ”的 勢(shì)頭 ，而且很快在 世界范圍 內(nèi)形成了 競(jìng)相 研究實(shí)驗(yàn)的高潮。 真空壓鑄系統(tǒng) 上 的研究 在這個(gè)階段 得到 了 前所未有的 突破性進(jìn)展，但因?yàn)樾枰?研究 克服的技術(shù) 性問(wèn)題和高昂的成本代價(jià)而再 次轉(zhuǎn)入低谷 。 60 年代 一度 興起用罩式真空裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)真空壓鑄，經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外 真空 壓鑄生產(chǎn)實(shí)踐證明 通過(guò)該方案將 模具型腔及壓室內(nèi) 氣體排出，形 成稀薄氣體狀態(tài)，在粗真空 狀態(tài)下 充填成型對(duì)減少 及 消除壓鑄件內(nèi)部 的 氣孔 缺陷 ，改善組織致密 度 與 鑄件 產(chǎn)品 表面 光潔度，提高 鑄件 產(chǎn)品 質(zhì)量 和 壓鑄件的成品合格率等 確實(shí)具有 一定 的效果。但是因罩式真空裝置 過(guò)于龐大 帶來(lái) 操作 上的 不便、動(dòng)作程序與一般 的傳統(tǒng) 壓鑄機(jī) 也 不完全相同、投資 成本過(guò)高 、 耗能 大 而有效性低， 所以 真正實(shí)際 應(yīng)用 的 較少，到 后來(lái)幾乎被完全淘汰。 近幾十年來(lái)，真空壓鑄 系統(tǒng) 的研究與應(yīng)用 的 主流是 抽除型腔內(nèi) 氣體的形式。 僅僅 就這種 抽真空 形式而言 就有許多方式， 有 將 真空閥 安 裝在模具上 且 與 型腔 排氣道連接的；也有在壓室澆道料口上 裝真空閥 的； 有 通過(guò)壓室抽出型腔氣體的；還有在型腔抽氣的同時(shí)吸入氧