压铸通常是在压力作用下,将熔融金属射入闭合的铸型及压型中,金属在模型内凝固成尺寸精确的铸件。冷却后开启铸型将铸件脱出,随后再闭合铸型射入熔融金属以铸造下一个铸件,这样依次进行。铸型的开启、闭合以及熔融金属的压射,通常都是由压铸机来完成的。一般来说,压铸机的体积大、强度高,足以承受铸型闭合后射入金属时所施加的压力。
目前,压铸已成为工业化、大批量生产轻金属制品的主要成型方法,特别是铝、锌及镁等合金,并已发展到一定自动化的程度。压铸提供从原材料到成品的一种低成本、大批量的生产方式。压铸法的加工成本,完全取决于与压型本身的耐用性-即使用寿命。压型应能承受多次的重复操作使用,包括剧烈的热冲击及机械冲击而不变形或损坏。良好的压型及操作条件使压铸能生产出的金属铸件,要比用其他热加工成型方法生产的铸件,在尺寸精度和表面光洁度方面更好。
多年来,研究者力图将在低熔点结构金属上获得应用成功的压铸法,也应用于高熔点金属的铸造上。尽管压型表面受到的热冲击严重程度不同,过早的产生龟裂或热裂,使压型的使用性能受到限制,但某些黄铜及青铜零件现已能正式用压铸生产了。当然,压型抵抗这种破坏的能力,部分取决于铸造金属的温度,例如,合金钢压型就可以几十万次循环来生产锌铸件,若对黄铜铸件来说,就只能用几千次。压铸在高熔点铁基金属方面的应用,集中在耐高温的金属钨和钼的形状及大小方面,适于制造压铸的压型之后才有可能。这些耐高温的金属及其合金具有非凡的热性能和机械性能,使得压型能承受钢、铁合金在压铸时特别严酷的热冲击要求,从而提高压型的使用寿命。
早在20世纪70年代,压铸就被认为是不锈钢及合金成型方面可采用的生产方法,尤其是当采用其他制造方法有困难或成本高的零件时,更是如此。现在黑色金属压铸法在许多领域的应用与锻造,精密铸造以及用型材切削加工方面都处于竞争的地位。
图2-16是压铸工艺过程的示意图。
1. 不锈钢压铸的优点
不锈钢压铸的一个重要的经济优点是,该法能利用廉价的不锈钢废料作为原料。用该方法铸造所产生的废料(如直浇道、横浇道等)是非常清洁、纯净的,只要进一步加工处理,便可回收再用。此外,金属压铸法,还可用来生产一些不能直接从棒材或锻坯制取合金零件;或者是它们的形状不可能或难以用切削加工的方法加工的零部件。可是,在生产不锈钢压铸件的成本中,压型的维修费用要比非铁合金压型铸件的大得多。甚至在最佳的情况下,用来生产钢铸件的耐高温金属压型的寿命也远不如生产铝及锌压铸件压型的使用寿命。经济成本的另一问题是,在生产不锈钢或高合金钢压铸件的费用中,相当大的一部分是用在压型的维修费上。
金属压铸法适用于成分范围很广的合金,从生产铸铁到工具钢零件。在黑色金属中,不锈钢似乎最能提供发挥这种方法的最佳机会,这主要是由于不锈钢用压铸方法比低合金结构钢易于成型,容易获得表面光洁度高及致密的铸件,而且压型的使用寿命较长。所有这些,被认为是由于不锈钢的热导率比低合金结构钢要低得多的缘故,此外,黑色金属在用耐高温压型进行压铸时,其凝固速度特别快,这对钢铸件的结构和性能都有一定的好处。对不锈钢来说,最显著的效果就是提高其耐腐蚀性,因为压铸的凝固速度非常之快,这就可防止通常发生在液态金属凝固时,由于间隙夹杂物所引起的偏析,这对提高铸件的耐腐蚀性能至关重要。由于铸件凝固速度快,可促使细的晶粒组织形成。因此,许多铁合金压铸件都显示出对热处理的敏感性。
2. 压铸工艺
压铸工艺已用于生产各种类型的不锈钢压铸件。在马氏体不锈钢系列中有12Cr12(403),12Cr13(410),20Cr13(420),17Cr16Ni2(431)和68Cr17(440);在奥氏体不锈钢系列中有12Cr18Ni9(302),06Cr19Ni10(304),20Cr25Ni20(310)和06Cr17Ni2Mo2(316);沉淀硬化钢系列中有05Cr17Ni4Cu4Nb(17-4PH).一般不锈钢的浇注温度在1500~1600℃,这个温度比铜及其合金的浇注温度略高。金属在容量为200~300kg的无芯感应电炉中熔化。由于压铸机每射压一次只能浇注一小部分金属液,为了使射压持续进行,金属液必须在炉中保温,这就要求采用惰性气体进行保护,使熔化得以顺利进行。为了防止不锈钢中容易氧化的化学成分如Cr、Mn、Si、C等的损失,不锈钢熔化多用氮气作为保护性气体。
目前,不锈钢压铸法仍采用,手端浇包从附近的熔炉中取出金属液,对压铸机进行金属液的浇注,这与一般铝合金压铸的生产相类似。操作者用浇包从熔炉中取出金属液,浇入压铸机的压射系统,然后按动电钮,将金属液压射入压型中。般射压力的范围为5000~15000psi(1psi=6894.76Pa)。金属射入压型,在压射系统的作用下,不到1秒即可完成。对一些相当薄(从1~20mm)的压铸件,实际在1秒内便开始凝固了。铸件在压型中的停留时间,即从金属液射入到压型开启取出压铸件之间的时间间隔一般约2~4秒。为了防止“冷隔”和其他铸造缺陷,以获得表面光洁的铸件,压型必须预热,平均操作温度要保持在几百摄氏度,适宜的温度取决于铸造金属的特性。在金属射入压型之前,在压型的表面需要涂刷一层分型剂,石墨是良好的分型剂,其作用是改善表面的光洁度,使射压的速度更快,铸件的光洁度就越高。但是这种情况通常是在牺牲铸件内部的致密性和无疏松的条件下获得的。在良好的条件下,奥氏体不锈钢压铸件的铸态表面光洁度可达到0.008~0.0013mm。
一个在现代压铸机上工作的熟练操作者,每小时的生产率可达100件或更多。与其他铸造工艺方法相比,压铸工艺每一个操作者的生产量要高得多,特别是当采用多型腔的压型时,更是如此。对于小件,压铸工艺的每一次操作,这种压型可以同时包含10个以上不同的型腔,或是所有的型腔都是同一种零件或有关的同一类不同的零件。
一般压铸件的质量从几克到几千克,铸件的尺寸从小于1cm到最长尺寸为20~30cm.铸件的尺寸公差可达到每厘米百分之几毫米。
由于不锈钢与压型所用耐高温合金的热膨胀系数有着很大的差别,因此压铸件的外表面在大多数情况下不需要拔模斜度,但铸件的内表面则需要拔模斜度,即零件与芯子的表面最少必须有5°~10°的斜度。选择相当简单的零件可直接由带有确定内腔的两半压型组成。比较复杂的零件可由带有活动芯子的压型制得,或由带有空腔的具体部件组成。这些部件通过压铸机在两半主要压型开型之前由铸件中取出或同时取出。一般压型都设计有辅助杆(顶出杆),当一个压铸循环结束时,压铸机开启压型,通过顶杆便很容易将压铸件从压型型腔中顶出。
3. 压铸后处理
不锈钢压铸件的直浇道使用圆盘锯或整形压力机加以切除。奥氏体不锈钢件一般在压铸后不需要进行热处理,因为压铸后的零件具有足够的强度和韧性。马氏体不锈钢铸件,如12Cr12(403)、12Cr13(410)、17Cr16Ni2(431)等,往往在压铸后可能超过需要的硬度,特别是当碳的含量接近或超过一定限度时,更是如此。所以,这类零件需要进行回火或退火处理以降低硬度,提高韧性。最后铸件根据不同使用场合,应用清理滚筒、振动抛光机、砂轮磨光机等常用方法进行清理。一般零件的内部详细形状不容易压铸出来,例如螺纹孔等,就需要对压铸件进行切削加工获得的。一般用压铸法生产的不锈钢零件的清理工作量要比锻造和砂型铸造所花的清理工作量小得多。