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式中pn—内浇口处通过金属流之前的压力(公斤/厘米2)
ρ—熔融金属的密度(公斤/厘米3)
g—重力加速度(981厘米/秒2)
hn—内浇口压力头高度(厘米)
vn—内浇口速度(厘米/秒)
pb—压室内作用于金属上的压力(公斤/厘米2),此处实为填充比压,符号应为pbc,但为叙述方便,直接用pb列出
hs—压室的压力头高度(厘米)
vc—冲头速度(厘米/秒)
但是,对于压铸过程来说,对上述表示式可作如下的分析:
内浇口处通过金属流之前的压力pn,在模具上开有足够的排气道的情况下,相当于大气压力,而压室内作用于金属上地压力pb(实为填充比压)则甚大于大气压力,故移项后,pb-pn的差值与pb十分接近,所以pn项可忽略不计。
内浇口的压力头高度hn和压室的压力头高度相差只有几厘米,因此,可按相等看待,在等式的两边的抵消而消除。
冲头速度vc与内浇口速度vn相比,由于面积FS和Fn相差十几倍甚至几十倍,故冲头速度总是比内浇口速度小十几倍或几十倍,况且在伯努利方程式中还是一个平方数,因此,vc也不予计入。
于是,表示式可简化为
1/2v2n=pb/ρ
即
vn=(2pb/ρ)1/2
当密度ρ用比重r来表示,即
ρ=r/g
所以,内浇口速度vn与压力(填充比压)的关系式便可写成
Vn=(2gpb/r)1/2
但是,熔融金属毕竟不同于理想流体,熔融金属本身的物理特性(粘性、表面张力、内磨擦等)造成的速度损失必须加以考虑,同时,金属的流动还与浇道几何形状、流动规律(撞击、转向、气体阻碍等)有关,这些都是使速度损失的因素。
因此,设η为流动时受到各种影响而使速度降低的总的系数。
并称之为阻力系数。
这个阻力系数可大致地定为0.358。
于是内浇口速度与比压的关系在计入阻力系数后的计算式为:
vn=0.358(2gpb/r)1/2
当内浇口速度已经选定,则比压pb(实为填充比压pbc)可由下式求得
pb=v2nr/(2g*0.3582)
生产中,由于机器的驱动系统、传动机构中的压力均有损失,阀门的开闭可能滞后,机器运动零部件惯性、运动时的各种摩擦阻力以及压力液的泄露等等因素的存在,使填充比压和冲头速度都有所损失,而损失的程度,则是以机器的效能而定,这种效能可以通过仪器测定。
调节机器时,预定的压力(比压)和冲头速度便根据损失的程度,按计算出的压力适当加大,从而冲头速度也随之得到补偿。
填充时间
熔融金属自开始进入型腔到充满的过程所需的时间称为填充时间。
填充时间是压力、速度、温度、浇口、排气、金属性质以及铸件结构(壁厚)等多种因素结合以后造成的结果,因而也是填充过和中各种因素相互协调的综合反映。
前面已经提前提到,填充结束时,型腔内不同部位的金属的凝固不是同时完成的,亦即局部的金属早凝固是不可避免的。
但是,在决定填充时间时,仍然把填充结束前金属不产生凝固这一理想情况为条件的。
可此,最佳填充时间应是压铸的金属尚未凝固而允许最长的填充型腔的时间。
根据铸件凝固温度的理论,再将有关方面综述如下:
金属的凝固温度范围是在液相线与固相线温度之间;
为了使熔融在填充过程中保持必要的填充性(流动性),金属应处于过热温度;
金属凝固时释放的热量通过型壁进行传导;
过热的金属液到完全凝固前释放的热量应等于模具在该段时间内吸收的热量。
这一过程与合金的比热和模具的热传导系数有关。
在上述的基础上,再根据逆流式换热器的原理加以推导,便得到如下的方程式:
t=(Tn-Ty)CG/(Tn-Tm)HmF
式中
t——填充时间(秒)
Tn——内浇口处熔融金属的温度(℃)
Ty——熔融金属的液相线温度(℃)
Tm——模具温度(℃)
C-熔融金属(合金)的比热(卡/克)
G—铸件的重量(克)
Hm—模具热传导系数(卡/厘米2·
秒·
℃)(与凝固时间的计算中的Hm相同)
F—铸件表面面积(厘米2)
其中,G/F可看成一个比率,并用铸件壁厚b的一半b/2代替。
根据有关资料,以这一方程式为基础,得到如下的计算式
t=0.034b(Tn-Ty+64)/(Tn-Tm)
Tm——模具温度(℃))
b——铸件的平均壁厚(毫米)
计算时,平均壁厚b可大致地按如下原则确定,即:
一般取铸件上同一壁厚最多的数值为平均壁厚。
必要时,平均壁厚也可按下式计算:
b=(b1F1+b2F2+b3F3+…)/(F1+F2+F3)
式中,b1,b2,b3——铸件某个部位的壁厚:
F1,F2,F3——壁厚为b1,b2,b3部位的面积
表中列出了供直接选用的按壁厚确定的填充时间值,表内数值是综合了确定填充时间的各种计算方法和试验数值,结合生产中许多种压铸实际情况,做了一定的计算和验证工作后提出的,列出的数值是以铝合金为基础的,但适用于其他合金。
在表中范围内,填充时间还可以考虑下列情况来选用:
合金的入温度高时,填充时间可选长些
模具温度高时,填充时间可选长些
铸件厚壁部分远离内浇口远时,填充时间可选长些
熔化潜热和比热高的合金,填充时间可选长些
以上的计算或查表选用,都只是压铸生产前的预选工作,还应通过试模或试生产的过程,采取测定实际的冲头速度方法,对预选的填充时间加以验证。
增压建压时间和压力升高时间
增压建压时间是指在增压阶段的起始点上能够把升高的压力建立起来的时间,在这个起始点上的压力的大小即为填充阶段填充比压的大小。
从压铸工艺上来说,所需的增压建压时间愈短愈好,但是机器压射系统的增压装置所能提供的增压建压时间是有限度的,性能较好的机器的最短建时间也不短于0.01秒。
压力升高时间指从增压压力建立起,直到压力升高到预定的数值所需的时间,从压铸上来说,压力升高时间的长短,主要是由型腔中金属的凝固时间所决定,因而与下列因素有关:
1)不同的合金有不同的凝固时间,凝固时间长的,压力升高时间亦稍长。
2)厚壁铸件的凝固时间较长,压力升高时间亦稍长。
3)型腔中金属的凝固在不同的部位上各自为往往不是同时完成是,尤其是复杂的和大型的铸件,模具热平衡状态更为复杂,这时取决于与内浇口相连的部位上的金属凝固时间。
由此可见,增压压力的建成,应与金属的凝固形成这样的关系:
即:
金属凝固的过程中,随着致密度的逐渐增加,所需的压力逐渐要大。
因此,在理想的条件下,仅就时间而言,压力升高时间的长短可以与凝固时间同样的看待。
在这种情况下,增压的作用也达到了理想的预期效果,
实际上,应使压力升高时间比金属的凝固时间稍短才是合理的,因为时间的绝对值极其短促,若增压压力的建成稍迟,也会失去作用。
当然,如果压力升高时间过短,金属尚未完全凝固,增压压力早已建成并作用于其上,则将增大胀型力的液压冲击作用,在位移——压力曲线上形成过高的压力峰值,从而引起胀型力超过极限值,发生机器锁模力不足的现象。
因此,机器压射系统的增压装置上,压力升高时间的可调性十分重要。
根据凝固时间来看,其调整范围在0.015~0.3秒内比较适宜。
实际生产中,应根据铸件的大小(或压铸机的大小)再划分出小的范围。
压铸技术基础
(二)
压铸件的缺陷及产生的原因
压铸生产中遇到的质量问题很多,其原因也是多方面。
生产中必须对产生的质量问题作出正确的判断。
找出真正的原因,才能提出相应切实可行的有效的改进措施,以便不断提高铸件质量。
压铸件生产所出现的质量问题中,有关缺陷方面的特征、产生的原因(包括改进措施)分别叙述于后。
一、欠铸
压铸件成形过程中,某些部位填充不完整,称为欠铸。
当欠铸的部位严重时,可以作为铸件的形状不符合图纸要求来看待。
通常对于欠铸是不允许存在的。
造成欠铸的原因有:
1)填充条件不良,欠铸部位呈不规则的冷凝金属
Ø
当压力不足、不够、流动前沿的金属凝固过早,造成转角、深凹、薄壁(甚至薄于平均壁厚)、柱形孔壁等部位产生欠铸。
模具温度过低
合金浇入温度过低
内浇口位置不好,形成大的流动阻力
2)气体阻碍,欠铸部位表面光滑,但形状不规则
难以开设排溢系统的部位,气体积聚
熔融金属的流动时,湍流剧烈,包卷气体
3)模具型腔有残留物
涂料的用量或喷涂方法不当,造成局部的涂料沉积
成型零件的镶拼缝隙过大,或滑动配合间隙过大,填充时窜入金属,铸件脱出后,并未能被完全带出而呈现片状夹在缝隙上。
当之种片状的金属(金属片,其厚度即为缝隙的大小)又凸于周围型面较多,便在合模的情况下将凸出的高度变成适为铸件的壁厚,使以后的铸件在该处产生穿透(对壁厚来说)的沟槽。
这种穿透的沟槽即成为欠铸的一种特殊形式。
这种欠铸现象多在由镶拼组成的深腔的情况下出现。
浇料不足(包括余料节过薄)。
立式压铸机上,压射时,下冲头下移让开喷嘴孔口不够,造成一系列的填充条件不良。
二、裂纹
铸件的基体被破坏或断开,形成细长的缝隙,呈现不规则线形,在外力作用下有发展的趋势,这种缺陷称为裂纹。
在压铸件上,裂纹是不允许存在的。
造成裂纹的原因有:
1.铸件结构和形状
铸件上的厚壁与薄壁的相接处转变避剧烈
铸件上的转折圆角不够
铸件上能安置推杆的部位不够,造成推杆分布不均衡
铸件设计上考虑不周,收缩时产生应力而撕裂。
2.模具的成型零件的表面质量不好,装固不稳
成型表面沿出模方向有凹陷,铸件脱出撕裂
凸的成型表面其根部有加工痕迹未能消除,铸件被
成型零件装固有偏斜,阻碍铸件脱出。
3.顶出造成
模具的顶出元件安置不合理(位置或个数)
顶出机构有偏斜,铸件受力不均衡
模具的顶出机构与机器上的液压顶出器的连接不合理,或有歪斜或动作不协调
顶针顶出时的机器顶杆长短不一致,液压顶出的顶棒长短不一致。
4.合金的成分
1)对于锌合金
A有害杂质铅、锡和镉的含量较多
B纯度不够
2)对于铝合金
A含铁量过高,针状的含铁化合物增多
B铝硅合金中硅含量过高
C铝镁合金中镁含量高
D其它杂质过高,增加了脆性
3)对于镁合金
铝、硅含量过高
5)合金的熔炼质量
A熔炼温度过高,造成偏析
B保温时间过长,晶粒粗大
C氧化夹杂过多
6)操作不合理
A留模时间过长,特别是热脆性大的合金(如镁合金)
B涂料用量不当,有沉积
7)填充不良、金属基体未熔合,凝固后强度不够,特别是离浇口远的部位更易出现。
三、孔穴
孔穴包括气孔和缩孔
1、气孔
气孔有两种:
一种是填充时,金属卷入气体形成的内表面光亮和光滑、形状较为规则的孔洞。
另一种是合金熔炼不正确或不够,气体熔解于合金中。
压铸时,激冷甚剧,凝固很快,熔于金属内部的气体来不及析出,使金属内的气体留在铸件内而形成孔洞。
压铸件内的气孔以金属卷入型腔中的气体所形成的气孔是主要的,而气体的大部分为空气。
产生气孔的原因
1.内浇口速度过高,湍流运动过剧,金属流卷入气体严重
2.内浇口截面积过小,喷射严重
3.内浇口位置不合理,通过内浇口后的金属立即撞击型壁、产生涡流,气体被卷入金属流中
4.排气道位置不对,截面积不够,造成排气条件不良
5.大机器压铸小零件,压室的充满度过小,尤其是卧式冷压铸机上更为明显
6.铸件设计不合理。
a形成铸件有难以排气的部位;
b局部部位的壁厚太厚
7.待加工面的加工量过大,使壁厚增加过多。
8.熔融金属中含有过多的气体
2、缩孔
铸件凝固过程中,金属补偿不足所形成的呈现暗色、形状不规则的孔洞,即为缩孔。
其原因有:
I.
金属浇入温度过高
II.
金属液过热时间太长
III.
压射的最终补压的压力不足
IV.
余料饼太薄,最终补压起不到作用
V.
内浇口截面积过小(主要是厚度不够)
VI.
溢流槽位置不对或容量不够
VII.
铸件结构不合理,有热节部位,并且该处有解决
VIII.
铸件的壁厚变化太大
在压铸件上,产生缩孔的部位,往往是容易产生气孔的处所,故压铸件内,有的孔穴常常是气孔、缩孔混合而成的。
四、条纹
填充过程中,当熔融金属流动的动能足以产生喷溅或虽然聚集成流束,但又相连得不紧密的条件时,边界——凝固层便具有“疏散效应”,而处于这种状态金属在随后的金属主流所覆盖之前,早就凝固,于是,在铸件表面上便形成纹络,这就是压铸件上常见的条纹。
铝合金铸件上条纹最为明显,而在铸件的大面积的壁面上,就更为突出。
这种条纹呈现不同的反射程度,有时比铸件的基体的颜色稍暗一些,有时硬度上也稍有不一样。
根据工厂初步测定条纹的深度约在0.2毫米以内,而深度为0.05毫米起,外观就已经明显地看出来。
对条纹作化学的、摄谱的和金相的研究发现,条纹与铸件本身相同的化学成分,可而条纹不是硅偏析、渣滓、污损,也不是合金的其它化学本性原因造成的。
条纹的深度仅0.08~0.20毫米。
有时条纹有着清晰的边界,有时条纹与铸造组织混杂在一起,看不到明显的过渡区。
条纹的微观组织基本上没有不同于主要组织,只是它更细致一些。
对于铝合金来说,条纹内铝—硅共晶组织更加细致,合金组元中的金属间化合物也是如此。
条纹也呈现硅的不足(暗的组成物),但没有发现化学上的差异。
在条纹更细的组织中,硅的分布也不一样,既然硅比铝要黑些,因而条纹的颜色常常看来更暗。
综上所述,压铸件表面的条纹,是填充过程中必然发生的结果,尤其是铝合金铸件的表面更为突出,而条纹的组织和性质对于压铸件的使用来说,在一般的情况下没有影响的。
只有在壁很薄时,才对条纹的深度有限制。
至于在光饰要求高的表面上则还是不应该存在的。
既然条纹是由于边界——凝固层的“疏散效应”所形成,而根据填充过程的特性,便可对产生这种“疏散效应”的原因作如下的分析:
填充时,剧烈的湍流将气体卷入金属流中,从而对金属流速产生弥散作用。
在填充过程中,铸件的外壳层(边界——凝固层)常常不是整个地同时形成的(在填充理论的叙述中已经提到)在尚未形成壳层的区域便出现“疏散效应”。
对于有大平在面的铸件,在大的平面壁上就更为明显。
模具温度低于热平衡条件所应有的温度,使“疏散效应”更为强烈,产生的区域亦大为增多。
金属流撞击型壁而产生溅射所造成的“疏散效应”十分明显,当撞击后的金属分散成密集的液滴,便成为麻面。
这就是铸件表面上总是带有强烈的溅射痕迹的原因。
正对内浇中的型壁是撞击溅射最常见的区域。
涂料涂层不匀,厚的部位受到金属流的炽热混杂在金属中,并使金属产生“分隔”,从而造成“疏散效应”。
涂料局部沉积而气体又未挥发干净,余下的气体被金属流所包卷,对金属流产生弥散作用。
排溢系统不合理,逸气不通畅,型腔中的气体过多,金属流因气体而弥散的作用增强。
根据条纹产生的原因,可见其深度是随时变化的。
所以,生产中,常常按深度的不同,将条纹分别称为花纹、流痕、麻面和冷纹等等。
而冷纹的深度则是条纹中最深的一种。
五、表层疏松
压铸件的外壳层(边界——凝固层)一般约为0.5~0.8毫米左右。
在这个壳层(也称表皮层)上有一种呈现松散不密实的宏观组织,即为表层疏松。
表层疏松的形成的原因与条纹相似,故其性质也很接近,也是有时有清晰的边界,有时则无明显的过渡区。
但其深度则较条纹更深一些,而且总是与涂料过多而沉积有关,因此,表层疏松的颜色比条纹更为灰暗,反射更差。
有时,也带有涂料受炽热而烧灼的颜色,所以有时这种还与涂料的本色有关。
深度很浅的表层疏松,一般来说没有妨碍,但光饰(涂覆)则不允许存在。
六、冷隔
金属流互相对接或搭接但未熔合而出现的缝隙,称为冷隔。
对于大铸件来说,冷隔这种缺陷出现较多。
出现冷隔的部位通常是离内浇口远的区域。
它是由于金属流分成若干股地流动时,各股的流动前沿已呈现冷凝状态(称为凝固前沿),但在后面的金属流的推动下,仍然进行填充,当与其相遇的金属流同样具有凝固前沿时,则相遇的凝固层不能再熔合,其接合处便呈现缝隙,这种缝隙便称为冷隔。
严重的冷隔对铸件的使用有一定的妨碍,应视铸件的使用条件和冷隔的程度而定。
产生冷隔的原因有:
金属流在型腔中分成若干股地进行填充
2.
溢流槽位置与金属流股汇集处不吻合
合金浇入温度过低
模具温度过低
内浇口速度太小
金属流程过长
七、凹陷
铸件表面上的瘪下部位称为凹陷,产生的原因有
铸件的热节部位填充满(内部有空洞),收缩时,表皮层虽有一定的强度,但在不破裂的情况下,仍然受到内部的收缩作用而表面呈现凹陷,即称为缩凹。
填充时,气体被挤在金属流与型腔壁面之间而未被排除出去,该处即出现凹陷。
这凹陷的表面光洁,多出现在型腔难以排气,而铸件则是端旁边缘部位上。
在机器压射机构的性能较差(如旧的立式机器)的情况下,当工作液压力不稳定,压射压力也不稳定。
推动金属的压力不连续,造成铸件的表皮层不止一次地形成,但是每次表皮层的边缘位置不同,前一次的表皮层有部分边缘未被后一次所覆盖,便产生条状的凹陷。
模具型腔有残留物,这在前面对产生欠铸的原因中已经提到过。
但产生时凹陷,型腔的残留物并不一定是片状,而是带有不规则的各种形状,残留物高出型面的高度也不大,故铸件的入深度也较浅。
八、气泡
铸件表皮下,聚集气体因热胀将铸件表面鼓起的泡,称为气泡。
气泡的表皮仍然是压铸表皮。
产生的原因有:
型腔内气体过多
模具温度过高(或冷却通道失去作用)。
九、擦伤
铸件的表面顺着出模方向的拉伤痕迹,即为擦伤。
它有两种特征:
金属流撞击型壁后,引起金属对型壁的强烈焊合或粘附(如同将稠糊状泥浆用力掷在墙上的粘附现现象一样,用力愈大,粘附愈多),而当粘附部位在脱模时,金属被挤拉而把表皮层撕破,铸件该部位就出现拉伤。
模具成形表面质量较差时,铸件脱模造成拉伤,多呈直线(脱模方向)的沟道,浅的不到0.1毫米,深的约有0.3毫米。
擦伤严重时,便产生粘模,铸件甚至脱不出来。
擦伤现象以铝合金最为严重
产生擦伤的原因有:
成形表面斜度过小或有反斜度。
成形表面光洁度不够,或加工纹向不对,或在脱模方向上平整度较差。
成形表面有碰伤。
涂料不足,涂料性质不合要求。
金属流撞击型壁过剧。
铝合金中含铁量过低(小于0.6%)
金属浇入温度过高。
十、硬杂质
铸件上硬度高于基体金属的“点”或块状物,称为硬杂质。
硬杂质的存在对机械加工来说是极其不利的,它会使刀具损坏。
由于铸件外观检查难以发现,因此,必须在压铸过程中严格按照熔炼工艺规程和合理的回炉料配比加以消除。
压铸中,以铝合金的硬杂质最为严重。
铝合金的硬杂质多为非金属硬杂质,其中主要是氧化铝(Al2O3),它以大而密集的团块或以细小而分散的颗粒而存在。
相当大的团块状硬杂质(在低倍显微检查时显得象黑斑点一样),对机加工的刀具损坏最为严重。
较小的粒状硬杂质(在抛光表面上呈现微细的黑点),对于粗抛光、细抛光和电镀等工序,都是极为有害的。
硬杂质的存在也降低了铸件的机械性能。
另一种非金属硬杂质也是常常遇到的,它是一种坚硬的由铝、铁、锰、硅组成的复杂的金属化合物。
这种化合物通常是由MnAl3在熔炉的较冷处形成的。
这种MnAl3微粒作为核心使铁从液态金属中析出。
而硅又参与此复杂的化合物,便形成四元素的复合物。
它对机加工时的刀具寿命同样有严重的损害。
而铸件经加工后,硬杂质的部位正常基体显示出不同程度的光亮度。
当复合物呈大颗粒时,降低了熔融金属的填充性能。
并促进了与模具发生焊合。
当遇到氧化铝时,氧化铝又作为这种复杂化合物的凝固核心而加速了复合物的形成。
当对熔融金属(铝合金)加热到788℃并充分搅拌混和时,可以使复合物消失。
但是如果复合物过多,则应清除干净而换入新的合金。
产生硬杂质的原因有:
熔炼时加料混进夹杂物。
保温时液面氧化层搅混。
回炉料比例过多。
保温时间过长;
过热温度太高
十一、网状痕迹、网状毛刺
模具零件热裂造成铸件表面上的痕迹和突出金属刺,而又因模具热裂多呈现网状(放射状),当热裂程度较轻时,印在铸件上的即为网状痕迹;
而热裂程度严重时,常形成裂缝,铸件上便有网状毛刺。
熔点愈高的合金,这种热裂造成的现象愈严重。
例如铜合金的模具,热裂就较为严重。
而黑色金属压铸就更为严重。
压铸上的网状痕迹一般是不作限制的。
而网状毛刺在轻微程度时,通常都允许的;
当达到严重程度时,则按使用条件而定。
造成模具热裂的原因有:
内浇口附近磨擦阻力最大,经受熔融金属的冲蚀最为严重,最易产生热裂。
模具成型零件有较大平面是薄弱(实体厚度小)区域。
冷却系统调节不当。
水剂涂料未经过预热,或喷涂不当,对模具激冷过剧。
涂料有化学腐蚀作用(如氟化钠)。
成型零件上镶拼(包括型芯孔至边缘过小)造成薄弱的部位,也会产生早期热裂,但这热裂是条纹状的。
同样也再现痕迹和毛刺两种。
推杆和型芯(压铸件为小圆孔)处于经受金属流冲蚀较剧烈的部位(如浇口、浇道)时,其配合的孔口上缘将产生早期热裂,裂纹呈放射状扩展。
使压铸件表面也会产生痕迹和毛刺。
8.
模具材料有原始缺陷,锻造工艺不当、热处理方法不对所造成的潜在裂纹。
十二、接痕
因模具零件的镶拼、活动零件或分型接合处所
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