关于高压铸造技术概述

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高压铸造（high pressure die casting，简称压铸）属于特种铸造范畴，是指在高压作用下，将液态或半液态金属以较高的速度充填压铸模具型腔，并在压力状态下凝固的近净成型技术。在压铸成型过程中，金属液受到压力一般为20 -200MPa，充型时的内浇口速度达到15-70 m/s，充型时间仅为0.01-0.2s，具有较高的生产效率。经过近二百年的发展，压铸技术已在汽车、电器仪表、医疗器械以及航空工业方面有着广泛应用[1-4]。

压铸的分类方法很多，一般按照压铸机的类型可分为冷室压铸（cold chamber）[1]和热室压铸[2]（hot chamber）。而热室冷室压铸与热室压铸的本质区别在于浇注系统结构的差异。冷室压铸与热室压铸工作原理图如图1所示。热室压铸机压射所用的料筒是装在压射机构上，其主要部分是浸于一个保持恒定温度的充满合金液的坩埚中，压射运动是上下运动（图1b）。热室压铸减小金属液与外界空气之间的接触，降低金属的氧化趋势，减少金属液中的含气量。然而，热室压铸方法存在显著的缺陷，压射单元和升液管长期处于高温状态，导致其使用寿命短，在实际生产过程中会出现很多操作问题，热室压铸一般适合于易氧化的低熔点铅、锌合金的成形。另外，热室压铸机的锁模力相对较小，不能用于制造大型零件[5]。而冷室压铸机的出现，将高熔点铝合金、镁合金等压铸变成了现实。冷室压铸的特点在于它将金属液和压射单元分开，在金属液熔炼完成以后，由给汤机完成金属液从熔炉到压室的运送过程（图1a）。由于该过程中金属液和空气可以充分接触，导致金属液温度下降，从而可以完成高熔点金属的压铸过程。

目前，市场上主要的压铸机采用冷室压铸。冷室压铸方法降低了对压铸设备的要求和操作难度，从而更加普遍适用于工业生产且适用于制造大型复杂零件。而大型压铸机的出现为压铸制造业开拓了许多新的领域和前进方向，例如力劲6000T冷室压铸机单元[6]，主要应用于新能源汽车结构件领域，刷新了压铸行业的新纪录。总之，随着压铸机、模具和工艺等压铸技术的发展与进步，压铸合金也从铅、锌合金发展到铝、镁和铜等合金，压铸件的应用范围也随之不断地扩大[7-9]。

目前实际生产中最常用的压铸机布局形式为卧式冷室压铸机，相较于其他压铸形式，卧式冷室压铸机工作循环更为简便。因此，压铸成形过程以卧式冷压室压铸机为例加以说明，如图1-3所示[10]。

压铸模闭合后，压射冲头复位至压室的端口处，料勺将足量的过热液态金属，注入压室内，如图1-3a所示。随后压射冲头启动慢压射过程，将金属液缓慢平稳（速度一般为0.05-0.5m/s）的推升至内浇口部位（图1-3b）。压射冲头在压射缸中压射活塞的作用下启动快压射过程（图1-3c-d），高速推动液态金属通过压铸模的横浇道、内浇口进入压铸模的型腔（通常内浇口速度达30-50m/s）。金属液充满型腔后，压射冲头立刻在料饼上施加压力（铝、镁合金铸造压力在60-120MPa之间[11-12]），压力通过浇道系统传导到模具型腔，使金属液在高压下冷却凝固，如图1-3e所示。压铸成形后，开启模具，之后在压铸机顶出机构的作用下，将压铸件顶出，并脱离模具，压射冲头同时复位。喷涂装置将水基脱模剂喷洒在型腔内表面，同时起到为模具表面降温的作用，随后马上用高压气体吹干，准备进入下一个压铸循环。

图1-3 卧式冷室压铸成型过程

(a) 浇料(b) 慢压射(c) 启动高速压射(d) 快速充型(e) 增压凝固(f) 开模取件

（a）慢速封口阶段：压射冲头以低速V1推动注入的金属液移动S1，并封住浇注口，推动金属液的压力为P1，它的作用仅仅是克服压射缸内活塞移动时的总摩擦力以及压射冲头与压室内表面之间的摩擦力，如图1-3b所示。在这个阶段，低速推动金属液保持稳定的液面，防止金属液在推进时产生冲击而出现液面波动，使其越过压室浇料口而溅出。同时使压室中的气体在平稳状态下，顺利排出，以减少气体卷入金属液的概率。

（b）堆聚阶段：压射冲头以略高于V1的速度V2向前移动，与速度相应的压力升到P2。当冲头移动距离为S2时，由于内浇口截面积最小，即阻力最大，所以熔融金属在压室、横浇道和内浇口前沿堆聚，如图1-3c所示。由于在这个阶段，压射冲头的速度不大，故金属液在向前移动时，所包卷的气体量不大。

（c）填充阶段：压射冲头以最大的速度V3向前移动，在内浇口的阻力作用下，使压射压力升到P3，同时金属液突破内浇口以高速度（即内浇口速度）填充到模具型腔。在充满型腔时，压射冲头移动的距离为S3，如图1-3d所示。

（d）增压/保压阶段：金属液填充完成后，为提高铸件致密性，压射冲头在增压机构的作用下立刻在料饼上施加压力P4，并保压一定的时间。金属液在该压力里最终完成。在这个过程中，压射冲头的位移S4的实际距离是很小的，如图1-3e所示。

在压铸成型过程中，高速高压的具有较高的生产效率。但这也造成了金属液充填压铸模型腔过程的复杂性，它涉及流体力学和热力学的一些理论问题。研究充填理论的目的在于运用这些理论以更好地指导选择合理的工艺方案和工艺参数，从而消除压铸生产中出现的各种缺陷，以获得优质的压铸件。为了探明压铸时液态金属充填型腔的真实情况，许多压铸工作者进行了一系列的实验研究工作，提出了各种充填理论。国内外压铸工作者对金属液充填形态提出的各种不同观点归纳起来有3种：喷射充填理论、全壁厚充填理论、三阶段充填理论。

1)喷射充填理论

这是最早提出的一种金属充填理论，它是由弗洛梅尔（L Frommer）于1932年根据锌合金压铸的实际经验并通过大量实验而得出的。实验铸型是一个在一端开设浇口的矩形截面型腔，图1-5所示为金属液在型腔内的充填形态。研究认为，金属液的充填过程可以分为两个阶段，即冲击阶段和涡流阶段。在速度、压力均保持不变的条件下，金属液进入内浇口后仍保持内浇口截面的形状冲击到对面的型壁（图1-5b）。随后，由于对面型壁的阻碍，冲击型壁的金属液呈涡流状态，并向着内浇口一端回流充填（图1-5c）。而铸型侧壁对此回流金属流的摩擦阻力以及此金属流流动过程中温度降低所形成的黏度迅速增高，使回流金属流的流速减慢，而液流中心部分的速度大于靠近型壁处的速度，因此金属液积聚在型腔中部，填充阶段完成。

大量的实验证实，这一充填理论适用于具有缝形浇口的长方形铸件或具有大的充填速度以及薄的内浇口的铸件。根据该理论，金属液充型过程与内浇口截面积（Ag）和型腔截面积（A1）比值有关，压铸过程应该采用Ag/A1>(1/4~1/3)，以控制金属液进入速度，保持平稳充填减少卷气。通过现代试验方法也证实了该理论的合理性与正确性[49]，目前广泛使用的压铸机就是基于该理论。

2)全壁厚充填理论

该理论是由布兰特（W.G.Brandt）于1937年用铝合金压入试验性的压铸型中得出的。实验铸型具有不同厚度的内浇口和不同厚度的矩形截面型腔。内浇口截面积与型腔截面积之比在0.1~0.6的范围内，用短路接触器测定金属液在型腔内的充填轨迹，该理论示意图如1-6所示。该理论的结论如下：（1）金属液通过内浇口进入型腔后，即扩展至型壁，然后沿整个型腔截面向前充填，其充填形态如图1-6a所示。（2）整个充填过程中不出现涡流状态，且填充状态一直保持到型腔的最远段，型腔内气体顺序向前，排气充分，如图1-6b-c所示。该理论认为，当内浇口处金属液速度低于0.3m/s，内浇口截面积与型腔截面积>（1/2~2/3）时，易产生全壁厚充填状态。显然，该全壁厚填充理论具有一定的局限性，但该理论依然存在合理性，并有具体的应用，如超低速压铸技术。

3)三阶段充填理论

此充填理论是巴顿（H.K.Barton）于1944~1952年提出的。按三阶段充填理论所做的局部充填试验表明，其充填过程可分为三个阶段，如图1-7所示。（1）第一阶段：金属液以接近内浇口横截面的形状进入型腔，首先装机到对面的型壁（图1-7a），在该处沿型壁向型腔四周扩展后返回浇口，在金属液流过的型壁上形成铸件的外壳（薄壳层，图1-7b）；（2）第二阶段：随后进入的金属液沉积在薄壳层内，继续充填，直至充满（图1-7c）；（3）第三阶段：金属液充满型腔后，在型腔的截面上，金属液具有不同的黏度，其最外层已接近于固相线温度，而中间部分黏度很小，还处于液态。因此，型腔、浇注系统和压室是一个封闭的水力学系统，在这一系统中各处压力是相等的，压力通过铸件中心尚未凝固的金属液传递而作用在铸件上（图1-7d）。此外，该理论认为充型过程的三个阶段对铸件质量所起的作用是不同的。第一阶段是影响铸件表面质量，第二阶段是影响铸件的硬度，第三阶段是影响铸件的强度。然而，该结论也尚且值得商榷，因为影响 铸件质量的因素其实还有更多，例如铸件结构、压铸工艺参数等。

上述3种充填理论，在不同的工艺条件下都有其实际存在的可能性，且全壁厚充填理论只在特定的条件下才会出现。另外，三阶段填充理论是对喷射充填理论进一步推理验证，其空壳理论在金属液返回时填充具有一定合理性，因为全截面填充理论在高速充型时显然不正确。总之，由于压铸过程充填型腔是在极短的时间内完成的，并且金属液有些是不连续的。充填过程还受压铸工艺参数、铸件结构与形状、浇口位置与大小、压铸合金特性等因素影响，因此对充填理论一直存在着不同的看法。目前广泛使用的压铸机主要是基于喷射充填理论。

根据前文中提到的高压铸造技术原理可知，相比其他铸造方法而言，压力铸造的主要特点如下：（1）可以制造形状复杂、轮廓清晰、薄壁深腔的金属零件。因为金属液在高速高压下保持较高的流动性，因而获得其他工艺方法难以加工的金属零件；（2）压铸件尺寸精度较高，可达到IT11-13级，最高能达到IT9级，表面粗糙度为Ra3.2-0.8，最低达0.4。因此，压铸件可以不经过机械加工或仅个别部位加工即可使用；（3）生产效率高，生产周期短，易于实现了自动化和机械化，适用于大批量生产；（4）材料利用率高。由于压铸件的精度较高，可直接或只经过少量机加工即可装配使用，因此材料利用率极高；（5）铸件力学性能优良，且零件由于激冷造成表面形成硬化层，表现出良好的耐磨性和致密性；（6）方便使用镶嵌件。易于在压铸模具上设置定位机构，方便嵌铸镶嵌件，满足压铸件局部特殊性能要求（如耐磨性、绝缘性、导磁性等），及改善铸体结构的工艺性。扩大产品用途，又减少了装配工作量，使制造工艺简化。

然而，压力铸造成形方法也存在一定问题：（1）压铸件易出现气孔和缩松。由于熔融合金充填时间短、冷却速度快，模具型腔中的空气来不及排出；同时补缩困难，易形成细小的气孔和多孔性缩松。高温时气孔内的气体膨胀会使压铸件表面鼓泡，因此，压铸件一般不能进行热处理，也不宜在高温下工作；（2）压铸机和压铸模费用昂贵。由于压铸模结构复杂，设计与制造成本高、周期长，以及压铸机的费用较昂贵。因此，只适用于定型产品的大量生产，不适合小批量生产。（3）压铸件尺寸受到限制。因受到压铸机锁模力及装模尺寸的限制，只能获得一定尺寸的压铸件；（4）压铸合金种类受到限制。由于压铸模具受到使用温度的限制，目前主要用来压铸低熔点的锌合金、铝合金、镁合金及铜合金。高熔点合金（如黑色金属）压铸模寿命较低，难以用于实际生产；（5）模具的寿命低。压铸模是在高温高压状态下工作的，因此压铸模的使用寿命受到影响。

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