压铸合金知识及铝合金熔化工艺知识

一、压铸合金知识及铝合金熔化工艺知识

    1. 物理性能

合理物理性能是指它们对各物理现象，如温度变化、电磁的作用所引起的反应。

2. 化学性能

合金的化学性能指在各介质中与其它元素起化学反应的能力，主要有耐蚀性。如加热设备、汽轮机、喷气发动机等就要选用耐蚀性好的合金来制造。

3. 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，使机械零件受到拉伸、压缩、扭曲。

合金机械性能是指它抵抗外力作用而表现出来的特征，如强度硬度、弹性，是衡量合金性能优劣的标志。

4. 工艺性能

合金工艺性能是它们易于加工成形的性能。主要包括铸造性能，铸造性是一个综合性的概念，主要包括流动性好坏、收缩性以及形成热裂、应力、偏析、吸气等倾向多少。

1.流动性

合金流动性指合金充填型腔的能力。铸造性好的合金便于压铸形状复杂、薄壁零件，且获得清晰的轮廓。

就浇注条件而言，流动性主要取决于浇注温度的高低，压射速度的快慢及压力大小，在同样条件下，第一，提高浇注温度可增加合金热容、粘度降低、充型能力增强，但温度提高同，吸气严重，氧化加据；第二，采用较高的压射速度，可以改善合金充型能力，但温度过高很容易涡气及卷气，从而影响铸件质量；第三，可以提高压射压力，使合金充型能力得到加强。

综上所述，改善合金流动性的方法如下：

（1） 适当调整合金成分，严格控制熔炼工艺，净化合金液，减少合金液中非金属夹杂物和气体，加入微量元素，细化晶粒。

（2） 增加铸型溢流排气系统，提高除渣及排气能力。

（3） 合理设置浇注系统，在不影响铸件性能前提下提高浇注温度及压射速度。

（4） 改进铸件结构，使具有更好铸造性。

2.收缩

铸件从液态到凝固完毕及继续冷却的过程中，将产生体积和尺寸的变化即收缩，这种收缩通常可分为三个阶段，即液态收缩、凝固收缩、固态收缩。液态及凝固收缩对铸件缩孔影响较大，固态收缩及产力铸件开裂，尺寸变化；凝固收缩及固态收缩共同影响着铸件热裂。凝固收缩及液态收缩决定铸体收缩，固态收缩与铸件尺寸关系很大，称线收缩。

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

缩孔和缩松是铸件常见缺陷之一，其生产的基本条件是合金液态收缩及凝固收缩远大于固态收缩。

3.热裂

铸件热裂，是指合金在高温状态下形成的裂纹。在铸件凝固末期形成，热裂外形曲折而不规则，裂口表面被强烈氧化，安其在铸件上位置不同有外裂和内裂。

一般说，合金凝固过程中开始形成完态结晶构架的温度与凝固完毕的温度之差愈大，则合金热裂倾向愈大。例如，铝一铜合金，铝一镁合金的铸件，一般比铝一硅合金的铸件热裂倾向要大。

但是，对于同一合金，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，因此在铸件凝固过程中，一切促使减小其收缩力，内应力，提高合金高温温度的措施，都将有助于防止铸件热裂的产生。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

铸造应力分为热应力、相变应力和收缩应力三种。

热应力固铸件壁厚不均匀而收缩先后顺序不同所引起的。

相变应力是由于合金在凝固以后的冷却过程中发生相变，因而伴着体积变化，并引起铸件尺寸也跟着发生变化的结果。

收缩应力是由于铸件收缩时受到铸型和型态的阻碍所引起的。

5.偏析：

铸件中化学成分不均匀现象称为偏析。偏析是一种铸造缺陷，由于铸件中各化学成份不一致，势必使其机械物理性能不一致，这样就会影响铸件的工作效果和使用寿命，偏析可分为三类即晶内偏析，区域偏析和比重偏析 在压铸生产中，主要由于合金溶化后在炉内长时间搁置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，使先后压出铸件化学成分很不一致。

防止合金偏析的措施：

a.尽量将炉内合金液用完再加新料；

b.合金液送入保温炉前应充分搅拌；

c.加入某种微量合金元素进行变质处理，细化晶粒，改变初晶状态。

d.炉底余料，一般晶料粗大，偏析严重，不能生产铸件。

6.吸气：

各种铸造有色金均有吸气的特征。

合金在固态时，气体的溶解度很少，随温度的上升溶解度增大，当气体溶解度达到最达时急剧下降，合金液达到沸点时，气体溶解度几乎近于零。一般情况下，铸造有色合金的溶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，均具有吸气倾向。固此，如果在溶炼过程中合金吸收较多的气体，甚至达到饱合时，浇注到铸型以后，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。

合金中吸收气体主要来源于炉料，各种辅助材料，炉气坩埚，溶化工具等，对于极易吸气的有色合金，如铝：镁，在熔铸过程中，一切与气体及水分相接的机会，都会导致吸气（主要为氢气）

减少吸气的措施 ：

a）严格控制及辅助材料质量；

b）尽量减少合金液在高温下保温，避勉合金液过热；

c）对极易吸气的合金，采取在覆盖剂保护下溶炼，并在溶炼后除气处理。

7.气密性

合金的气密性，是指铸件承受高压气体或液体作用而不渗漏的能力，它通常反映着铸件内部致密程度。

一般规律是，合金凝固温度愈窄，铸件产生疏松的倾向性愈小，凝固过程中析出的气体愈少，产生析出性气孔愈少，则合金的气密性愈高。

改善铸件气密性方法：

a) 合理选择合金牌号。

b) 尽可能降低合金浇注温度，避免合金过热。

c) 恰当设计铸造工艺，以及在快速冷却时采取高压力下结晶措施。

4) 对于有渗漏缺陷的多铝、铜合金铸件，还可以采用浸渗修补法予以挽救。

二、压铸铝合金及熔炼

压铸铝合金，为铸造铝合金一部分，由于压铸工艺的要求，因此压铸合金成分必须严格控制，在压铸生产中的每个环节均应保持合金的化学成份在规定的范围内。

1、 铝合金分类：

铸造铝合金按其所含的主要成分不同，可分为四种，即铸造铝硅合金、铸造铝铜合金、铸造铝镁合金和铸造铝锌合金。

二.铸造铝合金性能特点：

1. 铸造性能好；

2. 密度小（2.5~2.9 g/cm3）,比强度（δ0/r）高；

3. 耐热性，耐磨性，导热性和导电性好；

4. 铝硅系合金有粘模倾向，切削性能较差；

5. 对金属坩埚腐蚀严重；

6. 体积收缩率大，易产生缩孔；

三.铝硅类合金（5.25％）

AL-ST系合金的性能特点是，有很小的结晶温度间隔，由于该合金含有硅相。而硅有很大的凝固潜热（为396卡/克，而铝仅的1/3-1/4）。试验表明：AL-ST共晶体在其凝固点附近仍保持有良好的塑性，这是其它铝合金所没有的，因此AL-ST系合金的铸造性能一般要比其它系铝合金为好，其充型能力也较好，热裂﹑热松倾向性也比较小。而且AL-ST系合金塑性比其它铝合金好。

由于上述原因，AL-ST系合金不但铸造性能好，而且机材性能也良好，国外在压铸铝合金牌号中，选用最多就是AL-ST合金，如美A360,A380,A384,日本ADC10和ADC12

四.压铸铝合金中各无素作用与影响如下：

1） 硅：

硅是大多数压铸铝合金的主要元素，它能改善合金的铸造性能。硅与铝能组成固溶体，在5770C时，硅在铝中熔解度为1.65％，室温时为0.2％，含硅量至11.7％时，硅与铝形成共晶体。提高合金高温造型性，减少收缩率，无热裂倾向。当合金中含硅超过共晶成份，而铜﹑铁等杂质又多时，即出现游离硅的硬点，使切削加工固难，高硅铝合金对铸铁坩埚的熔蚀作用严重。而且硅损害阳极气化性，不剩于铸件表面处理。

2） 铜：

铜和铝组成固熔体，当温度5480C时，铜在铝中溶解度应为5.65％，室温时降至0.1％左右。增加含铜量。能提高合金流动性，抗拉强度和硬度，但降低了耐蚀性和塑性，热裂倾向性大。

3） 镁：

在高硅铝合金中加入少量（约0.2~0.3%）的镁，可提高强度和屈服极限，提出了合金的切削加工性。Mg在 AL合金中质量分数大于4％时，易产生氧极氧化物，在铸件上表现为流痕邹纹。

含镁8％的铝合金具有伏良的耐蚀性，但其铸造性能差，在高温下的强度塑性都低，冷却时收缩大，故易产生热裂和形成疏松。

4） 锌：

锌在铝合金中能提高流动性，增加热脆性，降低耐蚀性，故应控制锌的含量在规定范围内。

5） 铁：

在所有铝合金中都含有有害杂质，因铝合金中铁含量太高时，铁以FeAl3﹑Fe2Al7t和AL-ST-Fe的片状或针状组织存在于合金中，降低机械性能，这种组织还会使合金的流动性减低。热烈性增大，但由于铝合金对模具的粘附作用十分强烈，当含铁量在0.6％以下时尤为强烈，当超过0.6％后，粘模现象大为减轻，故铁含量应控制在0.6％----1％范围内对压铸是有益的，但最高不能超过1.5％。

6） 锰

锰在铝中能减少铁的有害影响，能合铝合金中由铁形成的片状或针状组织变为细密的晶体组织，故一般铝合金中允许有0.5％以下的锰的存在。锰含量过高时，会引起偏析。

7)镍

镍在铝合金中能提高合金强度和硬度，降低耐蚀性。镍和铁的作用一样，能减少合金对模具的熔蚀，同时又能中和铁的有害影响，提高合金的焊接性能。当镍含量在1％----1.5％时，铸件经抛光能获得光泽的表面。由于镍来源缺乏，应尽量少采用含镍的铝合金。

五、铝合金的熔炼

有色合金具有熔点低、容易过热，且易吸气及氧化等特点。对于压铸工艺来说，合金在熔融状态不持续时间很长，舀勺频繁。回炉料使用占有一定比例，这些都是容易引起合金质量变化产生不良结果的因素。所以要严格遵守合金熔炼工艺规范。

合金熔炼是压铸过程一个重要环节，金属以固态变为熔融状态的合金液， 而从液态变为固态合金或铸件同，这是一个复杂的物理和化学反应过程，它在不同程度上影响合金的化学成分，物理和化学性能，以及机械和铸造性能，遵循正确合理的工艺规程进行合金熔炼，是获得优质压铸件的先决条件。

熔炼工艺包括一定配比的原材料，装入熔化炉熔化成液体，通过脱角除渣，除气精炼，变质处理等，使合金液尽可能纯净，保证成分符合标准，晶粒细化组织均匀，具有适当的温度，以满足铸造工艺的要求。

高质量铝合金液应具备如下三个条件：

1) 化学成分符合标准，成分均匀。

2) 气体、氧化夹杂，熔剂夹灰少，不致在铸件中形成气孔和夹渣。

3) 变质良好，组织细化，铸件能获得良好的结晶组织。

1.铸造铝合金的熔炼工艺流程（如下图）：

注：调整化学成分，目前只用于熔化量大，而且具有快速化学分析的车间。

2.提高铝合金质量的措施

在合金熔炼过程中，为提高合金液质量，应重视以下几个方面：

1) 防止增铁

在大多数铝合金中，铁是一种有害杂质。所谓增铁，就是在熔炼时，铝合金中发生含铁量增加，其原因是熔炼时使用了处理不当的铁质坩埚与工具，以及压铸铝合金回炉料的不断回用。铝合金液与它们接触时，会发生铁的熔解，铁的熔解速度很快，并随着熔炼温度的升高和保湿时间的增长，铁的溶解速度很快，并随着熔炼温度的升高和保湿时间，铁的熔解量不断增加，温度愈高，时间愈长，增铁就愈多，严重影响着铝合金液的质量。

防止增铁的措施是:

① 所有与铝液接触的铁质坩埚和工具表面必须定期清理，并涂喷适宜的专用涂料，以避免与铝液直接接触，铸铁坩埚尤其重要。

② 选用尽可能低的熔炼温度，避免不必要的过热和长时间保湿。

2）防止氧化

铝合金在加热过程中，其表面很快被氧化，并随着温度的升高氧化加剧。由于生成的氧化膜主要是不溶性的氧化物AL2O3.致密的覆在合金液的表面，这层氧化膜能阻止铝合金液的继续氧化，但当温度超过900℃时，膜的致密性显着下降，氧化反应又剧烈增加，铝合金液的氧化会产生如下不良后果：

① 造成合金的烧损。

② 恶化合金的铸造性能。如降低充型能力，增大形成孔洞、裂纹等倾向。

③ 降低机械性能，尤其影响冲击韧性和疲劳极限。

④ 恶化切削加工性能。

3）防止吸气

① 水气：它来自炉气，未经充分干燥的炉料，精炼剂、复盖剂、变质剂，未经充分干燥的炉料、坩埚及工具上

的涂料，以及残留在坩埚、工具和炉料上的含水溶剂，这些水气与铝反应为2AL+3H2O------AL2O3+6H产生氢，氢以原子态进入铝液。

② 油污来自带有油脂的炉料及工具，油脂与铝的反应：

4AL+CnHn=CnAL4+Hn

产生氢，氢以原子态进铝液。

炉料上带有含水腐蚀物，如AL2O3,H2O,AL2O3,3H2O及AL(OH)3等这些腐蚀物受热分解，释出水气，水气与AL反③

应生成氢。

④ 精炼

铝合金在熔炼过程中，去除非金属夹杂物（各种固态氧化物）和气体的工序，一般称为“精炼”精炼是合金

压铸工艺是将压铸机、压铸模和压铸合金三大要素有机组合而加以综合运用，这些工艺因素相辅相面，相互制约。只有正确合理选择和调整这些因素，使之协调一致，才能获得预期的结果。

一、压力

压力的存在是压铸工艺区别于其它铸造方法的主要特点。压力是使铸件获得组织致密和轮廓清晰的重要因素。 在压铸生产中，压力的表示形成式有压射力和比压两种：

（一） 压射力

压射力是压铸机压射机构推动活动塞运动的力。压射力的大小，由压射缸的截面积和工作液的压力所决定。

P射=P2.g

P2.压射缸内工作液的压力。

d.压射缸直径。

g.9.8kg/cm2

二.比压：

压室内熔融金属在单位面积上所受的压力称比压，比压是压射力与压室者面积的比值P比=P射/F室

比压是熔融金属在填充过程中各阶段实际得到的作用力的大小的表示方法，反映了熔融金属在填充的各个阶段以及金属流经各个不同截面积时的力的根无念。将填充阶段比压称为填充比压（又称压射比压），增压阶段的比压称为增压比压。

填充比压用来克服浇注系统和型腔中的流动阻力，特别是内浇口处的阻力，使金属液流保证达到所需要的内浇口速度。而增压比压则是决定了正在凝固的金属所受到的压力以及这时所形成的胀形力的大小。

三.比压对铸件机械性能的影响。

1） 比压增大，结晶细，细晶层增厚，由于填充能改善，表面质量提高，气孔影响减轻，从而抗拉强提高，

但延伸率降低。

2） 对填充条件影响。

合金熔熔在高比压作用下填充型腔，合金温度升高，流动性改善有利于铸件质量的提高。