压铸工艺是什么

简介与历史

压铸是一种利用高压强制将金属熔液压入形状复杂的金属模内的一种精密铸造法。1964 年日本压铸协会将压铸定义为"在高温将熔化合金压入精密铸模，在短时间内大量生产高精度而铸面优良的铸造方式"。美国称压铸为 Die Casting，英国则称 Pressure Die Casting，经由压铸法所制造出来的铸件则称为压铸件（Die castings）。铸造设备和模具的造价高昂，因此压铸工艺一般只会用于批量制造大量产品；制造压铸零部件相对来说比较容易，一般只需要四个主要步骤，单项成本增量很低。压铸特别适合制造大量的中小型铸件，因此是各种铸造工艺中使用最广泛的一种，同其他铸造技术相比，压铸的表面更为平整、拥有更高的尺寸一致性。

1838 年为了制造活字印刷的模具，人们发明了压铸设备；第一个与压铸有关的专利颁布于 1849 年，它是一种小型、用来生产印刷机铅字的手动机器。1885 年奥托·默根特勒（Otto Mergenthaler）发明了 Linotype 排字机，这种机器能够将一整行文字压铸成一个单独的铅字，给印刷界带来了前所未有的革新。在印刷业进入大规模工业化后，传统的手压字模已被压铸取代；1900 年左右铸字排版进入市场使得印刷业自动化技术进一步提高。随着消费产品不断增长，奥托的发明获得了越来越多的应用，人们可以利用压铸大批量地制造零部件产品。1966 年通用动力发明了精速密压铸工艺，这种工艺有时也被称作双冲头压铸。在传统压铸工艺的基础上还诞生了几种改进型工艺，包括减少铸造缺陷、排除气孔的无孔压铸工艺，主要用于加工锌、可以减少废弃物增加成品率的直接注射工艺，以及精速密压铸技术和半固态压铸等新式压铸工艺。

压铸过程

传统压铸工艺主要由四个步骤组成，也称高压压铸：模具准备、填充、注射以及落砂，它们也是各种改良版压铸工艺的基础。准备过程中需要向模腔内喷上润滑剂，润滑剂除了可以帮助控制模具温度之外还有助于铸件脱模；然后关闭模具，用高压将熔融金属注射进模具内，这个压力范围大约在 10 到 175 兆帕之间；当熔融金属填充完毕后压力会一直保持直到铸件凝固；然后推杆推出所有铸件——由于一个模具内可能会有多个模腔，所以每次铸造过程中可能会产生多个铸件。落砂的过程则需要分离残渣，包括造模口、流道、浇口以及飞边，通常通过一个特别的修整模具挤压铸件来完成，其他落砂方法包括锯和打磨；如果浇口比较易碎，可以直接摔打铸件以节省人力，多余的造模口可以在熔化后重复使用，通常的产量大约为 67%。

高压注射导致填充模具的速度非常快，这样在任何部分凝固之前熔融金属就可填充满整个模具，通过这种方式就算是很难填充的薄壁部分也可以避免表面不连续性；不过这也会导致空气滞留，因为快速填充模具时空气很难逃逸，通过在分型线上安放排气口的方式可以减少这种问题，不过就算是非常精密的工艺也会在铸件中心部位残留下气孔。落砂完毕之后就可以检查缺陷了，最常见的缺陷包括滞流（浇不满）以及冷疤，这些缺陷可能是由模具或熔融金属温度不足、金属混有杂质、通气口太少、润滑剂太多等原因造成；其它缺陷还包括气孔、缩孔、热裂以及流痕。

设备

压铸机主要可分为热室压铸机与冷室压铸机两种不同类型，区别在于它们能承受多大的力量，典型的压力范围在 400 到 4000 吨之间。热室压铸：有时也被称作鹅颈压铸，其金属池内是熔融状态的液态、半液态金属，这些金属在压力作用下填充模具——循环开始时机器活塞处于收缩状态，熔融态金属填充鹅颈部位；气压或液压活塞挤压金属将它填入模具之内。优点是循环速度快（约每分钟可完成 15 个循环）、容易实现自动化运作、金属熔化过程方便；缺点包括无法压铸熔点较高的金属、不能压铸铝（铝会将熔化池内的铁带出），因而通常用于锌、锡以及铅的合金，且很难用于压铸大型铸件。冷室压铸：当压铸无法用于热室压铸工艺的金属时采用，包括铝、镁、铜以及含铝量较高的锌合金——需要在一个独立的坩埚中先把金属熔化掉，然后一定数量的熔融金属被转移到一个未被加热的注射室或注射嘴中，通过液压或机械压力注入模具之中；由于需要把熔融金属转移进冷室，最大缺点是循环时间很长。冷室压铸机还有立式与卧式之分，立式压铸机通常为小型机器，而卧式压铸机则具有各种型号。

模具

压铸模具由两部分组成，分别是覆盖部分与活动部分，它们结合的部分被称为分型线：在热室压铸中覆盖部分拥有浇口，而在冷室压铸中为注射口，熔融金属从这里进入模具；活动部分通常包括推杆以及流道（浇口和模腔之间的通道）。覆盖部分通常连接在固定压板或前压板上，而活动部分则连接在可动压板上；模腔被分成两个模腔镶块，它们是独立部件，可以通过螺栓相对容易地从模具上拆下或安装。模具经过特别设计，当打开模具后铸件会留在活动部分内，这样活动部分的推杆就会把铸件推出去——推杆通常通过压板驱动，会准确用同样大小的力量同时驱动所有推杆，以保证铸件不被损坏。由于铸件脱模时仍处于高温状态，只有推杆数量足够多才能保证平均到每根推杆上的压力足够小；不过推杆仍会留下痕迹，因此必须仔细设计推杆位置。

模具中的其它部件包括型芯、滑块等。型芯用来在铸件上开孔或开口、也能增加铸件细节，主要有三种：固定型芯（方向同铸件脱出模具的方向平行，要么固定、要么永久性连接在模具上）、可动型芯（可布置在除脱出方向以外的任何方向上，铸件凝固后打开模具之前必须利用分离装置把活动型芯从模腔内拿出）、松散型芯（也称取出块，可制造螺纹孔等复杂表面，价格最昂贵）。滑块和活动型芯很接近，最大区别在于滑块可以用来制造倒凹表面；在压铸中使用型芯和滑块会大幅增加成本。排出口通常又细又长（大约 0.13 毫米），因此熔融金属可以很快冷却减少废弃物；在压铸工艺中不需要使用冒口，因为熔融金属压力很高，可以保证从浇口源源不断流入模具内。模具通常使用坚硬的工具钢制造，因为铸铁无法承受巨大的内部压力，所以模具价格昂贵、开模成本很高；在更高温度下压铸的金属需使用更加坚硬的合金钢。

压铸用的金属

用于压铸的金属主要包括锌、铜、铝、镁、铅、锡以及铅锡合金，虽然压铸铁很罕见，不过也是可行的。各种材料对应的最小截面积以及最小拔模角：铝合金最小截面积 0.89mm、最小拔模角 1:100（0.6°）；黄铜以及青铜 1.27mm、1:80（0.7°）；镁合金 1.27mm、1:100（0.6°）；锌合金 0.63mm、1:200（0.3°），最厚截面应该低于 13 毫米。各种金属的压铸特点如下：锌——最容易压铸的金属，制造小型部件时很经济，容易镀膜，抗压强度、塑性高，铸造寿命长；铝——质量轻、制造复杂和薄壁铸件时尺寸稳定性高，耐腐蚀性强，机械性能好，高导热以及导电性，高温下强度依然很高；镁——易于进行机械加工，强度重量比高，常用压铸金属中最轻；铜——硬度高，耐腐蚀性强，常用压铸金属中机械性能最好，抗磨损，强度接近钢铁；铅和锡——密度高，尺寸精度极高，可用作特殊防腐蚀部件，但出于公共卫生方面的考虑，这种合金不能用作食品加工、储存设备。使用铝、铜、镁和锌进行压铸的质量上限分别为 32 千克、4.5 千克、20 千克以及 34 千克。

优缺点

优点：铸件拥有优秀的尺寸精度——通常取决于铸造材料，典型数值为最初 2.5 厘米尺寸时误差 0.1 毫米、每增加 1 厘米误差增加 0.002 毫米；相比其他铸造工艺，铸件表面光滑，圆角半径大约为 1-2.5 微米；相对于沙箱或者永久模铸造法来说可以制造壁厚大约 0.75 毫米的铸件；可以直接铸造内部结构，比如丝套、加热元件、高强度承载面；能够减少或避免二次机械加工，生产速度快、铸件抗拉强度可达 415 兆帕、可以铸造高流动性的金属。缺点：成本很高——铸造设备以及模具、模具相关组件相对其他铸造方法来说都很贵，因此制造压铸件时生产大量产品才比较经济；这个工艺只适用于流动性较高的金属，而且铸造质量必须介于 30 克与 10 千克之间；在通常的压铸中最后铸造的一批铸件总会有孔隙，因而不能进行任何热处理或者焊接，因为缝隙内的气体会在热量作用下膨胀，从而导致内部微型缺陷和表面剥离。

工艺特点

压力铸造简称压铸，是一种将熔融合金液倒入压室内、以高速充填钢制模具的型腔，并使合金液在压力下凝固而形成铸件的铸造方法。压铸区别于其他铸造方法的主要特点是高压和高速：①金属液是在压力下填充型腔的，并在更高的压力下结晶凝固，常见的压力为 15—100MPa；②金属液以高速充填型腔，通常在 10—50 米/秒，有的还可超过 80 米/秒（通过内浇口导入型腔的线速度），因此金属液的充型时间极短，约 0.01—0.2 秒内即可填满型腔。压铸是一种精密的铸造方法，经由压铸而铸成的压铸件尺寸公差甚小、表面精度甚高，大多数情况下压铸件不需再车削加工即可装配应用，有螺纹的零件亦可直接铸出。

失效形式

损坏：压铸生产时模具反复受激冷激热作用，成型表面与其内部产生变形、相互牵扯而出现反复循环的热应力，导致组织结构损伤和丧失韧性、引发微裂纹并继续扩展，一旦裂纹扩大还有熔融金属液挤入，加上反复的机械应力都使裂纹加速扩展——为此压铸起始时模具必须充分预热，生产过程中模具必须保持在一定的工作温度范围中，以免出现早期龟裂失效。碎裂：在压射力作用下模具会在最薄弱处萌生裂纹，尤其是模具成型面上的划线痕迹或电加工痕迹未被打磨光、或是成型的清角处均会最先出现细微裂纹，当晶界存在脆性相或晶粒粗大时即容易断裂——为此凡模具面上的划痕、电加工痕迹等必须打磨光，另外要求所使用的模具材料强度高、塑性好、冲击韧性和断裂韧性均好。溶蚀：常用压铸合金有锌合金、铝合金、镁合金和铜合金，Zn、Al、Mg 是较活泼的金属元素，与模具材料有较好的亲和力，特别是 Al 易咬模；当模具硬度较高时抗蚀性较好，而成型表面若有软点则对抗蚀性不利。

浇注排溢与模具要求

浇注排溢：对于冷室卧式压铸机上模具直浇道的要求包括——压室内径尺寸应根据所需的比压与压室充满度来选定，同时浇口套的内径偏差应比压室内径的偏差适当放大几丝，从而避免因浇口套与压室内径不同轴而造成冲头卡死或磨损严重，且浇口套的壁厚不能太薄；浇口套的长度一般应小于压射冲头的送出引程，以便涂料从压室中脱出；压室与浇口套的内孔在热处理后应精磨、再沿轴线方向进行研磨，其表面粗糙度 ≤Ra0.2μm；分流器与形成涂料的凹腔，其凹入深度等于横浇道深度、直径配浇口套内径、沿脱模方向有 5° 斜度。模具要求：①冷卧式模具横浇道的入口处一般应位于压室上部内径 2/3 以上部位，以免压室中金属液在重力作用下过早进入横浇道、提前开始凝固；②横浇道的截面积从直浇道起至内浇口应逐渐减小，若出现截面扩大则金属液流经时会出现负压、易吸入分型面上的气体，增加金属液流动中的涡流裹气，一般出口处截面比进口处小 10-30%；③横浇道应有一定的长度和深度——保持一定长度是为起稳流和导向作用，若深度不够则金属液降温快、深度过深则因冷凝过慢既影响生产率又增加回炉料用量；④横浇道的截面积应大于内浇口的截面积以保证金属液入型的速度，主横浇道的截面积应大于各分支横浇道的截面积；⑤横浇道的底部两侧应做成圆角以免出现早期裂纹，两侧面可做出 5° 左右斜度，横浇道部位表面粗糙度 ≤Ra0.4μm。

内浇口与溢流槽

内浇口：①金属液入型后不应立即封闭分型面，溢流槽和排气槽不宜正面冲击型芯，金属液入型后的流向尽可能沿铸入的肋筋和散热片、由厚壁处向薄壁处填充；②选择内浇口位置时尽可能使金属液流程最短，采用多股内浇口时要防止入型后几股金属液汇合、相互冲击从而产生涡流包气和氧化夹杂等缺陷；③薄壁件的内浇口要适当小些以保证必要的填充速度，内浇口的设置应便于切除且不使铸件本体有缺损。溢流槽：①溢流槽要便于从铸件上去除、并尽量不损伤铸件本体；②溢流槽上开设排气槽时需注意溢流口的位置，避免过早阻塞排气槽使排气槽不起作用；③不应在同一个溢流槽上开设几个溢流口或开设一个很宽很厚的溢流口，以免金属液中的冷液、渣、气、涂料等从溢流槽中返回型腔造成铸件缺陷。

设计与流动性

设计：在满足产品功能的前提下合理设计压铸件、简化压铸模结构、降低压铸成本、减少压铸件缺陷和提高零件质量。圆角（包括转角）——铸件图上往往注明未注圆角 R2 等要求，开制模具时切忌忽视这些未注明圆角的作用，决不可做成清角或过小的圆角，铸造圆角可使金属液填充顺畅、使腔内气体顺序排出，并可减少应力集中、延长模具使用寿命；脱模斜度——在脱模方向严禁有人为造成的侧凹；粗糙度——成型部位、浇注系统均应按要求认真打光，应顺着脱模方向打光，由于金属液由压室进入浇注系统并填满型腔的整个过程仅 0.01-0.2 秒，为了减少金属液流动阻力、尽可能使压力损失少，都需要流过表面的光洁度高；模具成型部位的硬度——铝合金 HRC46° 左右、铜 HRC38° 左右，加工时模具应尽量留有修复的余量、做尺寸的上限，避免焊接。流动性：指合金液体充填铸型的能力，其大小决定合金能否铸造复杂的铸件，在铝合金中共晶合金的流动性最好。影响流动性的因素很多，主要是成分、温度以及合金液体中存在金属氧化物、金属化合物及其他污染物的固相颗粒，但外在的根本因素为浇注温度及浇注压力（俗称浇注压头）的高低。实际生产中在合金已确定的情况下，除了强化熔炼工艺（精炼与除渣）外，还必须改善铸型工艺性（砂模透气性、金属型模具排气及温度），并在不影响铸件质量的前提下提高浇注温度、保证合金的流动性。

应用范围与发展趋势

压铸是最先进的金属成型方法之一，是实现少切屑、无切屑的有效途径，应用很广、发展很快。铸件的尺寸和重量取决于压铸机的功率——由于压铸机的功率不断增大，铸件外形尺寸可以从几毫米到 1～2m、重量可以从几克到数十公斤。压铸件也不再局限于汽车工业和仪表工业，逐步扩大到其他各个工业部门，如农业机械、机床工业、电子工业、国防工业、计算机、医疗器械、钟表、照相机和日用五金等几十个行业，具体有汽车零配件、家具配件、浴室配件（卫浴）、灯饰零件、玩具、须刨、领带夹、电气电子零件、皮带扣、表壳、金属饰扣、锁具、拉链等。在压铸技术方面又出现了真空压铸、加氧压铸、精速密压铸以及可溶型芯的应用等新工艺。

压铸铸件的生产需要依靠压铸机器设备才能完成，压铸机器是压铸件生产的基础，压铸设备的技术水平决定着压铸铸件的质量和水平，所以要想促进压铸件行业发展就必须优先发展压铸件设备。我国是压铸铸件大国，但在生产技术水平以及行业设备方面还有待提高，"十二五"规划明确指出铸造行业发展的主要任务是优先发展重大技术设备，其中有"大吨位压铸机铸造单元"，目标是为压铸企业技术升级提供装备支持。目前，我国压铸行业的竞争仍不规范，主要问题包括部分经营者购买无厂名厂址的压铸件、打印知名厂家的名牌及合格证，对合格压铸企业的声誉造成严重危害；部分经营者通过对废旧压铸重新油漆后第二次销售，给工程质量带来严重的安全隐患。欧美等国家的压铸产业以质量、合理利益、为用户服务、建立企业信誉为宗旨，组织、教育员工、管理企业，以每个压铸计划项目并以其生产过程为控制与管理单元，以控制、保证每个压铸的质量与性能——这些因素造成了国内行业与这些发达国家还存在较大差距。对于我国的压铸产业，只有改变思路、创新发展、调整产业结构，才能逐渐走出困境、更好发展。