压铸工艺及模具材料的发展.doc

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1、 压铸工艺及模具材料的发展对国内外的压铸生产,新工艺发展作了总结。对压铸用模具材料进行了分析。关键词:压铸;材料;1当前压铸的基本情况随着汽车、摩托车,家用电器,计算机等工业的发展,对高精度的有色金属压铸件的需求量越来越大。全球压铸件的产量大于年4%的增长率。据报道,1994年北美地区生产104万吨压铸件,价值86亿美元,比上年增长19%,其中美国生产的压铸件价值78亿美元,比上年增长318%。日本仅在1994年10月份就生产压铸件6106万吨,比上年同期增长1114%,全年约生产压铸件72万吨。其中,镁压铸件的产量上升最快,北美地区由1993年的215万吨上升到1994年的313万吨,上升3

2、2%。预计到1997年北美地区的镁压铸件产量可达512万吨。这是汽车工业为加快实现汽车的轻型化,以轻合金压铸件逐步取代铸铁零件的结果。目前卧车与轻型车用压铸件约为每辆105kg,十年内将增加到182至273kg。福特、GM、克莱斯勒还将逐步在汽车上增加镁压铸件的量,用于座椅零件、方向盘及方向器零件、车轮零件等,以达到提高汽车燃料效率,减少汽车噪声的目的。随着镁的成本下降,镁压铸件产量提高,将加速汽车轻型化的进程。改革开放以来,我国压铸工业得到了高速发展。拥有压铸机的台数以及生产能力每年均有大幅度的提高,且增长率高于世界平均水平。据中国铸协的统计,我国压铸件产量从1992年的1315万吨提高到1

3、995年的20万吨左右,年均增长14%左右;同期压铸机从6500台增长到8000多台,年增长7%左右。同期压铸机未与压铸件同步增长的原因是近几年来,随着汽车,摩托车生产的发展,对大中型压铸件的需求量增大,新购置的压铸机大部分为大、中型压铸机。我省是西部大省,是我国摩托车,轻型汽车的生产基地之一,拥有嘉陵、建设、长安等大公司。我省也是电器生产的重要基地,仪器仪表生产厂也较多,因此对压铸件的需求量很大,这就带动了我省压铸行业的发展。据全国铸造协会统计,1992年,我省有压铸厂点57个,压铸专业人员200人,压铸工人1500人,分别占全国的7%、916%和613%,而压铸件产量却只有5232吨,仅占

4、全国417%。但近年来,随着汽车、摩托车生产的扩大,厂点已超过100个,新购置的压铸机以400吨以上为主,年产量112至113万吨。还有些规模较大的专业工厂。如成都兴光压铸有限公司和崇州亨通压铸厂现各有压铸机近40台,年产量3000吨左右,分别向嘉陵和建设公司提供压铸件,前者正积极进行技术改造,引进外资,准备投资1亿多元,购置大型进口压铸生产线和模具加工设置完成改造后,生产能力可达年产8000吨压铸件。这将使我省的压铸工业迈上一个新台阶。但是,我们应该清醒地看到,我省与经济发达的东部地区比较,还有很大的差距。虽然我省厂点和场地较多,但产量低。原因在于小机器多,开工率不高,这就需要增大投入,提高

5、机器的性能和吨位,提高压铸件的质量和精度,从而提高劳动生产率和市场占有率。纵观国内外压铸工业的发展状况,它的发展是随着相关的产业发展而发展的。随着各行业对高精度铸件的需求量越来越大,采用其它工艺方法生产的相当一部分铸件会逐渐改为压铸生产,从而将推动压铸工业持续地高速发展。2正在发展的新技术211半固态压铸半固态成形法自60年代由MIT凝固研究室提出后,各国技术人员都在进行研究,将这种工艺方法用于工业生产。近年来,半固态金属压铸法发展得较快。1994年在日本东京召开了第三届国际半固态压铸会5。会议上布勒公司介绍了用卧式压铸机生产SSM(Semi-SolidMetal)的原理和方法。美国Aluma

6、x公司用此法生产空调器零件,对每个产品进行浸漏检查,仅有011%不合格,目前该公司正修建一个年产2400万件的新工厂。美CarnahamofThixomat公司在压室中放入镁合金粒子,当加热到固液相共存温度区时,用螺旋推进器送入型腔,用此方法公司已生产了50万件手动工具。欧洲Weber公司用SSM法为Fiat汽车生产燃料箱5。212引进挤压铸造原理,生产压铸件压铸过程中,气体不易排出。而挤压铸造施压直接,不易包气,压铸工作者将两者结合起来,充分发挥两者优点。具体方法有两种:一种为直接挤压,直接在冲头作型腔形状进行压射;另一种为慢速充填,型腔充满后,再用一冲头施挤压力。后者为间接挤压法。英国Fr

7、ech公司已采用此法生产压铸件。213大力开展CAD,CAM和CAE计算机用于压铸行业是大势所趋。目前计算机用于压铸件中主要进行以下方面的工作:(1)分析铸件结构,进行浇注系统设计;(2)设计压铸模,通过人机对话,设计出压铸模具全套图纸;(3)模拟金属在模具中的流动,热传导,温度场以及应力场;(4)在设计模具时,输出CNC数据,用于数控机床加工。目前,国外比较成熟的用于压铸的商业化软件有以下几种(1)Magma软件,模拟金属流动和优化设计各种铸件和模具,用于工作站。(2)Procast,用于各种铸件金属流动分析和模具设计,主要服务于精铸和金属模。用于工作站。(3)Castherm,澳大利亚CS

8、IRO专门为压铸模设计的软件,二维方式,边界元法,工作快,可用于PC机,价格便宜。3模具材料的发展用于压铸模型腔的材料主要有三种钢材。3.11W系热作模具钢3Cr2W8V钢是传统的热作模具钢,使用温度可达650,但由于导热性较差,冷热疲劳性差,在国外已被铬系和钼系热作钢代替8。在国内,仍有不少厂继续使用它,这除了长期使用的习惯外,也与它自身的优点分不开:良好的锻造性,来源广。近年来广泛使用的水基涂料促进了裂纹发生,国内外一些专家认为除了W含量高对其裂纹有影响外,C量较高(013014%)也是一个因素。因此,美、英、日都倾向下降碳量在01250135之间。国外仍有很多工厂用此钢材压铸铜合金件。3

9、.12Cr系热作模具钢该钢种典型牌号为H13,我国4Cr5MoSiVi为国标。在使用温度不超过600时,可代替3Cr2W8V,使用温度低于W系,不适用于压铸铜合金件。这种钢材截面尺寸效应大,当截面超过120mm以后,心部韧性显著下降。同时,这种钢热膨胀系数仍较大,导热系数不高,容易产生热疲劳裂纹。国外加强了对这种模具钢的研究10,推荐采用优质H13,这种钢材的成分与理论值更接近,在熔炼方式上不采用我国主要使用的ERS(电渣重熔)法,而使用VAR(真空电弧重熔)法。这样可以达到最低的硫量(01003%),最低的非金属夹杂和氧化物。晶粒细小均匀,无大块碳化物集聚。瑞典ASSAB公司8407热作模具

10、钢即为这种钢材,一些工厂通过与国产H13钢材的使用,证明这种钢材可大幅度提高模具寿命。3.13Ni、Co系热作模具钢这种钢材的化学成分重要的特点是含碳小于0101%,Ni和Co的含量较高,加入适量的Mo和少量的Ti。美国的CrucibleMaterials公司生产的CrucibleMarlok就是这样一种马氏体时效钢。典型成分为Ni18%Mo5%,Co11%,Ti013%,C0101%,S01003%,采用真空氧化脱碳法(VOD)生产。它的特点是:(1)硬化在AC温度线下完成,属弥散强化过程。无论多厚,全截面均为马氏体组织;(2)由于不是奥氏体冷却相变,所以变形最小,可以省去精加工后的热处理。

11、(3)其热强度韧性和延展性,是H13的两倍,可显著减少热裂。(4)模具表面很少发生熔接或冲蚀,易抛光。这种钢材的缺点是价格高,约为H13的412倍。但由于模具加工过程中热处理简单和热处理后模腔的修正被取消,节约了加工成本,在长期工作中,模具无需维修保养,也使成本下降,加之模具的寿命为H13模具的3至4倍,故实际使用的成本下降。据介绍,某轮椅踏板模具原用H13仅为7万次,采用这种材料后为23万次,加上加工费下降,实际每件铸件成本由原来的5美分下降到2美分。由于Co元素较少且贵,近来在以上成分的基础上发明了少Co和无Co的材料,Ni和Mo的量没有变化,Ti的含量有所提高,但材料的性能和使用特点基本

12、保持不变。3.14W基合金对特殊型芯,国外有采用W基合金的。W占90%以上,其余为Ni、Fe和Mo与H13相比,它具有三至四倍的导热性和三分之一的膨胀率,非常适用于无法用水冷却的小镶块和型芯。使用前无需热处理,硬度仅为HRC30。典型牌号为Anvilloy1150,其使用寿命为H13的五倍。但该材料成本太高,约10倍于H13发展与研究方向北美压铸协会(NADCA)在1994年年会上提出压铸行业今后要解决以下四个方面的问题。4.11改善压铸件的可靠性市场预测指出,铝结构压铸件的需求会在今后有大幅度提高。因此,提高压铸件质量的可靠性是十分迫切的。在生产时必须控制压铸件的缺陷与气体含量,而且要有很好

13、的重复性和稳定性。这需要研究浇口与排气道的设计与效果,研究模具抽气的方法与效果。在生产工艺上,引进挤压铸造技术原理生产压铸件。NADCA计划开展一个新的研究课题,使用卧式压铸机生产高质量的挤压铸件,以满足市场需求。4.12改善合金质量金属熔体中的杂质,如氧化物夹杂,不仅恶化压铸件的性能,也影响其铸造性。加强关于杂质对压铸件性能和对合金铸造工艺性影响的研究,在此基础上提出一个合金清洁度标准。该标准将根据压铸件的机械性能和合金所需的铸造性能,确定熔体应达到的清洁度水平。同时,由于压铸过程中金属高速凝固,变质处理能否象在其它铸造中起到提高铸件的机械性能的作用,这也需要进行研究。4.13改善模具寿命提

14、高模具寿命历来是压铸工作者不断追求的目标。有三个途径:一是改进H13钢的热处理工艺,充分利用其优良性能;二是发展优质钢,研究性能更好的能代替H13的优质钢材;三是发明各种永久或半永久涂层,提高型腔表面抗热裂性和抗液态合金浸蚀的能力,尤其是在热压室压铸机的升液管上的涂层的研究,将有可能导致利用热室压铸机生产铝合金压铸件。4.14利用工艺模拟,提高首件成功率计算机模拟技术大量用于模具CAD上。主要研究压铸模型腔内金属的流动形态,以达到充填时无气体卷入和尽量少的铸造缺陷。在最佳模具设计和压铸工艺配合下,达到首件压铸成功,无需再对模具及工艺的修改。目前,由于高温高压,模具的变形与弯曲时时发生,这会导致压铸件的尺寸变化,但这些变化时常难于预测,因此,对压铸过程中模具变形的计算与模拟是值得研究的一个课题。该课题的成功将进一步减少压铸件的变形和飞边,大幅度提高模具寿命。以上几方面的问题,也是我国压铸工作者应研究和解决的