挤压铸造 3分钟搞懂

一、挤压铸造原理及特点

挤压铸造是合金液在机械压力下成型凝固的一种铸造方法。

挤压铸造时，对定量浇入铸型型腔中的液态(或半固态)金属施加较大的机械压力，使其成形、结晶凝固、补缩并伴有少量塑性变形的过程，这种工艺方法也曾称为液态金属模锻、液态金属冲压、液态金属锻造、冲头压力结晶等，图2-21为挤压铸造示意图。

挤压铸造是介于铸造与锻造之间的一种新的工艺方法，兼有二者的一些优点。

与压力铸造相比，其特点是：

1）挤压铸造时，金属液直接浇入型腔中而不经过浇注系统，吸气少，铸件可进行热处理；

2）挤压铸造时没有浇注系统，金属液在压力作用下充型，结晶凝固，补缩效果好，晶粒较细，组织致密均匀；

3）挤压铸造的模具结构较简单，加工费用较低，寿命较长，金属的利用率较高。

与锻造相比，挤压铸造的特点为：

1）锻件的机械性能一般比挤压铸件高，但通常存在各向异性，尤其是塑性指标在纵向与横向之间的差别很大，横向低得多，限制了锻件的应用。挤压铸件的机械性能虽稍低于锻件，但只要工艺正确，其机械性能可能接近或达到锻件的水平，且各向性能均匀；

2）挤压铸件是压力作用在封闭型腔里的液态金属使其结晶凝固而形成的，而锻件是压力作用在固态金属上形成的。前者所需的压力比后者小得多，所需设备的功率比锻造小65%~75%；

3）挤压铸造为一次成形，生产率高，劳动强度较低，能源消耗低；

4）挤压铸件的尺寸精度及表面光洁度比锻件高，其尺寸精度和表面光洁度均比熔模精密铸件高，加工余量小，一般为0.5-2mm，因此，所用的金属材料少，成本较低。锻件要达到上述尺寸精度和表面光洁度比较困难；

5）挤压铸造适用于多种合金材料，包括铸造铝合金、锌合金、铜合金、铸铁、铸钢以及部分变形合金，而锻造的材质却很有限。

二、挤压铸造工艺

挤压铸造的工艺过程：

铸型准备——铸型预热——上涂料——浇注——合型加压——开型——取件

虽然挤压铸造与压力铸造有所不同，但也存在着比压的选择、加压开始时间、加压速度和保压时间的确定、铸型涂料的使用和预热以及浇注温度的选择等。

（1）比压的选择

挤压铸造的主要特点之一就是对液态金属施加较高的压力来提高铸件质量。为了消除液态金属凝固过程中产生缺陷，获得晶粒细、机械性能好、表面质量高的铸件，对液态金属必须施加足够的压力。对于每一种铸件都有一个临界压力，低于该临界压力就无法获得优质铸件，压力过高对铸件机械性能的改善很小，却会增加能耗，降低模具寿命，增加设备的吨位费用和铸件成本。

比压的大小与合金的种类、挤压形式、铸件结构和技术条件要求等方面有关。比如，有色合金铸件的比压小于黑色合金铸件；直接冲头挤压的比压小于间接冲头挤压；铸件形状简单的比压小于形状复杂和薄壁铸件。

（2）加压开始时间、加压速度和保压时间

加压开始时间是指金属液浇入铸型至开始加压的时间间隔。金属液一般都是在过热条件下浇注，但加压并不一定需在过热状态下进行。金属液开始出现少量固相时，即处于零流动性温度时开始加压，效果最佳。金属液冷却到液相线温度以下开始加压时，可最大限度地减薄金属自由结壳的厚度。开始加压时间过晚，致使金属自由结壳厚度增大，增加金属变形力，降低加压效果，铸件的抗拉强度和延伸率降低。因此，应尽量缩短加压开始时间。对于不同的合金，应根据经验选择合适的加压开始时间。

加压速度是指冲头接触到金属液面以后运动的速度。加压速度过大，会引起飞溅，甚至使铸件产生披缝，同时，由于瞬时压力过高会使铸件上部过早凝固，影响加压效果；加压速度过小，由于金属液温度降低过快，使结壳厚度过大而影响加压效果。加压速度的大小与铸件的尺寸、形状有关。

保压时间是指开始加压到金属完全凝固的时间。保压时间过短，铸件中心部分凝固时难以得到良好的补缩，可能产生缩孔、缩松等缺陷；保压时间过长，虽可提高铸件的密度，但对铸件的机械性能提高不大，却使铸件的出型困难，影响铸型的寿命，降低劳动生产率。保压时间主要根据合金种类、铸件的尺寸大小、形状及铸型的传热条件而定。

（3）铸型的涂料及预热

为了防止铸件粘焊铸型，使铸件能顺利地从型腔中取出，降低铸件表面的粗糙度，提高铸型的寿命；减缓液态金属在加压前的结壳速度，以利于液态金属在压力下充型和补缩。一般都必须在挤压铸型的表面喷刷涂料。挤压铸造中不能采用涂料来控制铸件的凝固，因为施加在金属液上的高压将使涂料层剥落，引起铸件产生夹杂，为此，涂料层一定要很薄。涂料的种类及成分根据铸件的形状、尺寸、合金种类、铸型材料和对铸件的工艺要求来决定。

铸型温度的高低，直接影响铸件的质量和铸型的寿命。铸型的温度过低，浇注的液态金属迅速冷却，加压前就已形成较厚的结晶硬壳，严重影响加压效果。同时，由于金属的温度梯度增大，铸件容易形成柱状晶。铸型的温度过低，铸件还容易产生冷隔和夹杂等缺陷。铸型温度过高，容易使金属液与型腔表面熔焊，脱型困难，影响铸型寿命。铸型温度的高低应根据合金材料的不同有所区别。

（4）浇注温度

挤压铸造合金的浇注温度应比同种合金的砂型及金属型铸造略低，因为采用低温浇注，可减少铸件的收缩和因收缩而产生的缺陷，提高铸型的寿命，减少液态金属的喷溅和披缝，细化晶粒组织，减少合金中的气体含量，有利于铸件质量的改善和提高。由于挤压铸造是靠压力充型，故可实现低温浇注。可是，如果浇注温度过低，将使金属凝固硬壳厚度增大，妨碍冲头施压。通常，根据合金的液相线温度和结晶温度范围来决定合适的浇注温度。对于结晶温度范围窄的合金，应在液相线以上选择较高的浇注温度；对于结晶温度范围宽的合金，选择较低的浇注温度；对于薄壁、形状复杂的铸件，应选择较高的浇注温度。

三、挤压铸造应用范围

目前，挤压铸造已用来生产铝合金、铜合金、铸铁和铸钢的各种铸件。铜合金的挤压铸造工艺已较成熟，各种铸造青铜和黄铜均可采用挤压铸造，产品既有实心齿轮、涡轮和管接头等铸件，也有形状较复杂的电器元件和高压阀体等。黑色合金的挤压铸造近10多年来有了较快发展，生产的铸铁件如刹车毂、管接头、齿轮等，尤其是生活用的铸铁锅，锅壁薄且均匀，质量好，产量高。生产的铸钢件有普通机械零件和军械零件，如锻模、轮盘以及导弹零件等。目前，国内对挤压铸造研究的重点是努力解决受力大、形状复杂的有色合金铸件的挤压铸造，不断提高黑色金属挤压铸造模具的寿命。把挤压铸造与其他工艺方法相结合，例如，把挤压与振动联合使用，以细化合金组织，提高铸件性能；进一步开发新型材料的挤压铸造，采用挤压铸造生产复合材料的零件，不仅生产成本低，技术容易掌握，而且性能好强度高，是一种有发展前途的工艺方法。