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    銅壓鑄的真空應用探討

    一、前言
    壓鑄合金包含常用的鋁、鎂、鋅、銅合金,還有早期的錫、鉛,以及較少應用的鋼、鐵等。純銅非常難以鑄造成型,其產(chǎn)品容易發(fā)生表面開(kāi)裂,氣孔率問(wèn)題,以及形成內部空腔。一般通過(guò)添加少量元素(包括鈹,硅,鎳,錫,鋅,鉻和銀)可以提高銅的可鑄造性,用于壓鑄制作軸承、襯套、齒輪、配件、閥體、化工用各種部件、裝飾件以及電機轉子。鑒于要求具有較窄的冷凝范圍和高β相含量,銅壓鑄合金大多指的是黃銅(brass)合金壓鑄(通常要含鉛或含硅)和紫銅(copper alloy)合金壓鑄,后者多用于導電制品,如電機的轉子。銅壓鑄通常針對的是幾何形狀非常復雜的和批量較大的銅合金產(chǎn)品。
    二、銅壓鑄的的特點(diǎn)及真空應用
    壓鑄銅合金具有以下主要特點(diǎn)
    ?卓越的耐腐蝕性
    ?高效的導電性
    ?優(yōu)秀的低摩擦性
    ?良好的伸長(cháng)率和拉伸強度
    ?適用的中低硬度
    這使得銅成為金屬壓鑄合金中的通用合金。

    這里以壓鑄紫銅電機轉子為例:自從19世紀末期美國發(fā)明家特斯拉發(fā)明了交流電動(dòng)機,這種結構簡(jiǎn)單,使用交流電,無(wú)需整流,無(wú)火花的電動(dòng)機廣泛應用于工業(yè)和家庭電器中。早在上個(gè)世紀初商家就在設想:銅的導電性較高,銅取代鋁將提高感應電機的電能效率。銅的導電性要比鋁的高40%左右,鑄銅轉子可以使電動(dòng)機的總損耗顯著(zhù)下降,從而提高電動(dòng)機的整體效率,溫升也大大降低,用銅制作的電動(dòng)機轉子定會(huì )為電動(dòng)機應用帶來(lái)一個(gè)很大的提升,只不過(guò)由于銅的熔點(diǎn)太高,流動(dòng)性太差等原因,一直束縛了電動(dòng)機鑄造銅轉子的發(fā)展。近年來(lái),伴隨著(zhù)壓鑄工藝技術(shù)和模具技術(shù)的快速發(fā)展,壓鑄銅轉子的批量化生產(chǎn)已經(jīng)得以實(shí)現。在很多類(lèi)型的電動(dòng)機上,壓鑄銅轉子都已有成熟穩定的應用。
    與其它壓鑄工藝最顯著(zhù)的不同是,銅壓鑄的流動(dòng)性差,壓射時(shí)間要短;澆注溫度高,要900-1200°C;與其它壓鑄工藝一樣面臨的是常見(jiàn)的氣孔問(wèn)題,帶來(lái)的充型不完整、表面缺損、內部疏松、氣密性差等等缺陷。真空排氣的引入也成為壓鑄企業(yè)考慮的主要工藝解決措施。
    某壓鑄電機轉子壓鑄模型腔容積為3.8l,放鑲嵌件(硅鋼片迭片鐵芯)后容積:2.2l;熔杯充填率為70%;沖頭封住澆料口位置開(kāi)始慢壓射,慢壓射時(shí)間為0.22s;轉為快壓射,快壓射充填時(shí)間為0.08s??梢钥闯?,慢速排氣的時(shí)間短,需要更大的瞬間排氣能力以及全過(guò)程排氣。如采用HV300系統,真空罐為300升,瞬間接通真空度為13mbar;采用雙排氣板排氣,排氣總面積為300mm2,排氣時(shí)間需要0.273s

    三、真空銅壓鑄模具要點(diǎn)
    眾所周知,與鋁壓鑄模具壽命的萬(wàn)次或十幾萬(wàn)次以上相比,銅壓鑄模具是以千計次,所以銅壓鑄工藝更具挑戰性。銅合金的高溫和流動(dòng)性差是導致銅壓鑄復雜性和成本高居不下的根本原因。
    1、模具材料
    在較高的澆注溫度下,黃銅900-1000°C及紫銅1000-1200°C,壓鑄模具需要更高的要求:具有耐高溫性和保溫性;考慮到銅的流動(dòng)性較差,澆口的面積相對于鋁合金模具要稍大些;模具材料通常采用INCONEL合金617和合金625,以及Haynes合金230;INCONEL合金617是用9%Mo強化的22%Cr,12.5%Co合金固溶體;合金625具有21.5%的Cr,9%的Mo和3.65%的Nb;Haynes合金230作為銅壓鑄模具的一種可選材料,具有比合金617稍高的屈服強度和延展性,可焊接性和可修復性都很高。由于高表面溫度下的普通模具鋼的脫碳和軟化現象,H13作為模具鋼的壽命受到很大限制。
    2、溫度控制
    在高熔點(diǎn)銅熔液的壓鑄中,溫度高、熔化熱高、潛熱大,以及高導熱率都結合起來(lái)最大化,造成較冷的內部和模具表面之間的產(chǎn)生很大的溫差。由此產(chǎn)生的熱沖擊和熱疲勞造成模具快速失效。在較高溫度下使用模具,要使得模具材料在長(cháng)時(shí)間暴露于高溫時(shí)依然保持必要的強度,那么溫度控制將是至關(guān)重要的。模溫機是其最初始的預熱措施,與鋁合金的150~180°C的預熱保溫設定相比,銅合金的需要200°C以上。對于350-500°C的模具預熱溫度,油溫機的能力明顯不足??梢酝ㄟ^(guò)預熱模具插件(電阻加熱器)來(lái)減少溫差的程度,控制熱沖擊帶來(lái)的模具失效。熔杯也需要同樣的預熱保溫。冷卻水的加入也是保持模溫平衡要考慮的手段,比如確保600-650°C的模具工作溫度,但過(guò)度的冷卻將適得其反。在每次壓射前應使用干粉狀脫模劑。
    3、模具設計
    在銅壓鑄工藝中,模具設計是整個(gè)制造過(guò)程的基本方面,模具的所有屬性都會(huì )影響最終產(chǎn)品。產(chǎn)品生產(chǎn)數量、鑄件的尺寸和/或重量、產(chǎn)品的形狀和復雜度、精加工所需的量和質(zhì)量、所需表面光潔度、規定的內部要求(如密封性)、要進(jìn)行的處理和檢驗的類(lèi)型和級別、單件零件的尺寸精度可變化量、所規定或選擇銅合金的可鑄造特性等是模具設計初始條件。通常,銅合金流動(dòng)的方式取決于設計者對銅壓鑄技術(shù)和工藝的理解和詮釋?zhuān)ǚ中兔嬖O置、澆口的設置、料筒和流道設置,進(jìn)料方向確定、以及保溫和冷卻通道布置,最后是真空排氣設置,包括相對應的模具密封。也就是說(shuō),對于高壓銅壓鑄,銅熔液將在外部高壓下流動(dòng),進(jìn)入到型腔至充型完成所涉及到所有細節都要認真考慮。真空排氣總是在模具設計的最后考慮的環(huán)節。
    四、銅壓鑄真空系統
    銅壓鑄真空原理:銅壓鑄的真空技術(shù)已經(jīng)被多家制造公司所采用,通常的缺陷是容易產(chǎn)生氣孔率的問(wèn)題,這是由于壓鑄過(guò)程中空氣被夾在鑄件中。多年來(lái),真空壓鑄已被證明是消除氣孔率問(wèn)題的最佳方式。
    通常情況下,鋼制模具的型腔必須形成相對的密封環(huán)境。真空排氣口靠近模具頂部或側面位置;由于真空的引入,銅熔液在低于大氣壓的背壓下通過(guò)壓射動(dòng)能射入模具型腔;伴隨著(zhù)壓射時(shí)間的推移,銅熔液的持續充型,型腔內的壓力也逐漸降低,直至充型結束,壓射過(guò)程完成。此過(guò)程周期性地不斷重復。

    真空銅壓鑄技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)包括:
    ?壓鑄件具有良好的焊接性能。
    ?壓鑄件的機械強度高。
    ?適用于大批量生產(chǎn)。
    ?最大程度上降低氣孔率。
    ?產(chǎn)品密實(shí)度高,導電率均勻。
    ?產(chǎn)品的氣密性高。
    ?提高產(chǎn)品的充型度。
    ?確保產(chǎn)品的精密度。
    真空銅壓鑄的缺點(diǎn)技術(shù)具有以下主要缺點(diǎn):
    ?初始投入成本相對較高,包括模具和設備、以及密封性。
    ?設置真空壓鑄工藝較繁瑣,既要滿(mǎn)足銅合金的可壓鑄性,也要考慮排氣的可行性。
    ?影響真空排氣效率的因素多,除了真空機和排氣元件,壓鑄機、模具、合金質(zhì)量、合 金溫度,噴涂技術(shù)等等都要統一考慮:
    ?壓射組件和模具必須考慮密封,包括分型面、熔杯和沖頭、頂針,甚至滑塊。這將保 證真空排氣的效率和可靠性。
    ?為了獲得產(chǎn)品的高重復率和精度,重要的是要控制壓鑄機的壓力和速度曲線(xiàn)穩定。
    ?以下因素必須得到優(yōu)化:模具噴涂,沖頭潤滑,銅熔液合金質(zhì)量和模溫控制。
    實(shí)現優(yōu)化的銅壓鑄真空工藝可能是一個(gè)細致并具有挑戰性的過(guò)程。為獲取較高的工藝真空度,每個(gè)過(guò)程都應該進(jìn)行優(yōu)化。
    真空排氣方案:真空排氣需結合壓射工藝設置,包括真空機的選擇、排氣原件的確定。盡管真空閥的排氣效率高,結合銅合金高澆注溫度的特點(diǎn)和排氣元件的成本,排氣塊往往是最為適合的選擇。銅合金的流動(dòng)性差,熔杯充填率較高,其低速在0.25-0.5m/s,高速從0.8最終達到3m/s,給真空排氣帶來(lái)的機會(huì )相對很少,因此排氣元件往往需要更大的排氣面積。
    考慮到型腔內氣體的溫度很高,瞬間甚至達到500-600°C以上,這對于真空系統的密封帶來(lái)麻煩,通??紤]在模具和真空機間的管路上,設置氣體水冷卻裝置,以降低氣體溫度,提高真空密封的壽命。

    五、小結
    銅壓鑄為解決形狀復雜、批量大的銅產(chǎn)品提供了更廣泛更有效的生產(chǎn)手段。其中黃銅壓鑄產(chǎn)品應用于裝飾件和耐磨件已經(jīng)十分成熟,還有黃銅壓鑄的傳動(dòng)換檔系統、控制桿和水泵輪機部件等;紫銅壓鑄件應用于電動(dòng)機轉子更具廣闊前景,轉子銅重從幾克到幾十千克,其永久磁鐵性能、壽命和成本均優(yōu)于目前使用電動(dòng)機永磁體。隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)的市場(chǎng)率日益擴大,銅壓鑄電動(dòng)機轉子將會(huì )有更大的前景。作為真空銅壓鑄工藝的日趨成熟和廣泛應用,必將為高品質(zhì)銅壓鑄產(chǎn)品提供強有力的支持和保障。

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