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铜压铸的真空应用探讨

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一、前言
压铸合金包含常用的铝、镁、锌、铜合金,还有早期的锡、铅,以及较少应用的钢、铁等。纯铜非常难以铸造成型,其产品容易发生表面开裂,气孔率问题,以及形成内部空腔。一般通过添加少量元素(包括铍,硅,镍,锡,锌,铬和银)可以提高铜的可铸造性,用于压铸制作轴承、衬套、齿轮、配件、阀体、化工用各种部件、装饰件以及电机转子。鉴于要求具有较窄的冷凝范围和高β相含量,铜压铸合金大多指的是黄铜(brass)合金压铸(通常要含铅或含硅)和紫铜(copper alloy)合金压铸,后者多用于导电制品,如电机的转子。铜压铸通常针对的是几何形状非常复杂的和批量较大的铜合金产品。
二、铜压铸的的特点及真空应用
压铸铜合金具有以下主要特点
?卓越的耐腐蚀性
?高效的导电性
?优秀的低摩擦性
?良好的伸长率和拉伸强度
?适用的中低硬度
这使得铜成为金属压铸合金中的通用合金。

这里以压铸紫铜电机转子为例:自从19世纪末期美国发明家特斯拉发明了交流电动机,这种结构简单,使用交流电,无需整流,无火花的电动机广泛应用于工业和家庭电器中。早在上个世纪初商家就在设想:铜的导电性较高,铜取代铝将提高感应电机的电能效率。铜的导电性要比铝的高40%左右,铸铜转子可以使电动机的总损耗显著下降,从而提高电动机的整体效率,温升也大大降低,用铜制作的电动机转子定会为电动机应用带来一个很大的提升,只不过由于铜的熔点太高,流动性太差等原因,一直束缚了电动机铸造铜转子的发展。近年来,伴随着压铸工艺技术和模具技术的快速发展,压铸铜转子的批量化生产已经得以实现。在很多类型的电动机上,压铸铜转子都已有成熟稳定的应用。
与其它压铸工艺最显著的不同是,铜压铸的流动性差,压射时间要短;浇注温度高,要900-1200°C;与其它压铸工艺一样面临的是常见的气孔问题,带来的充型不完整、表面缺损、内部疏松、气密性差等等缺陷。真空排气的引入也成为压铸企业考虑的主要工艺解决措施。
某压铸电机转子压铸模型腔容积为3.8l,放镶嵌件(硅钢片迭片铁芯)后容积:2.2l;熔杯充填率为70%;冲头封住浇料口位置开始慢压射,慢压射时间为0.22s;转为快压射,快压射充填时间为0.08s。可以看出,慢速排气的时间短,需要更大的瞬间排气能力以及全过程排气。如采用HV300系统,真空罐为300升,瞬间接通真空度为13mbar;采用双排气板排气,排气总面积为300mm2,排气时间需要0.273s

三、真空铜压铸模具要点
众所周知,与铝压铸模具寿命的万次或十几万次以上相比,铜压铸模具是以千计次,所以铜压铸工艺更具挑战性。铜合金的高温和流动性差是导致铜压铸复杂性和成本高居不下的根本原因。
1、模具材料
在较高的浇注温度下,黄铜900-1000°C及紫铜1000-1200°C,压铸模具需要更高的要求:具有耐高温性和保温性;考虑到铜的流动性较差,浇口的面积相对于铝合金模具要稍大些;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强化的22%Cr,12.5%Co合金固溶体;合金625具有21.5%的Cr,9%的Mo和3.65%的Nb;Haynes合金230作为铜压铸模具的一种可选材料,具有比合金617稍高的屈服强度和延展性,可焊接性和可修复性都很高。由于高表面温度下的普通模具钢的脱碳和软化现象,H13作为模具钢的寿命受到很大限制。
2、温度控制
在高熔点铜熔液的压铸中,温度高、熔化热高、潜热大,以及高导热率都结合起来最大化,造成较冷的内部和模具表面之间的产生很大的温差。由此产生的热冲击和热疲劳造成模具快速失效。在较高温度下使用模具,要使得模具材料在长时间暴露于高温时依然保持必要的强度,那么温度控制将是至关重要的。模温机是其最初始的预热措施,与铝合金的150~180°C的预热保温设定相比,铜合金的需要200°C以上。对于350-500°C的模具预热温度,油温机的能力明显不足。可以通过预热模具插件(电阻加热器)来减少温差的程度,控制热冲击带来的模具失效。熔杯也需要同样的预热保温。冷却水的加入也是保持模温平衡要考虑的手段,比如确保600-650°C的模具工作温度,但过度的冷却将适得其反。在每次压射前应使用干粉状脱模剂。
3、模具设计
在铜压铸工艺中,模具设计是整个制造过程的基本方面,模具的所有属性都会影响最终产品。产品生产数量、铸件的尺寸和/或重量、产品的形状和复杂度、精加工所需的量和质量、所需表面光洁度、规定的内部要求(如密封性)、要进行的处理和检验的类型和级别、单件零件的尺寸精度可变化量、所规定或选择铜合金的可铸造特性等是模具设计初始条件。通常,铜合金流动的方式取决于设计者对铜压铸技术和工艺的理解和诠释,包括分型面设置、浇口的设置、料筒和流道设置,进料方向确定、以及保温和冷却通道布置,最后是真空排气设置,包括相对应的模具密封。也就是说,对于高压铜压铸,铜熔液将在外部高压下流动,进入到型腔至充型完成所涉及到所有细节都要认真考虑。真空排气总是在模具设计的最后考虑的环节。
四、铜压铸真空系统
铜压铸真空原理:铜压铸的真空技术已经被多家制造公司所采用,通常的缺陷是容易产生气孔率的问题,这是由于压铸过程中空气被夹在铸件中。多年来,真空压铸已被证明是消除气孔率问题的最佳方式。
通常情况下,钢制模具的型腔必须形成相对的密封环境。真空排气口靠近模具顶部或侧面位置;由于真空的引入,铜熔液在低于大气压的背压下通过压射动能射入模具型腔;伴随着压射时间的推移,铜熔液的持续充型,型腔内的压力也逐渐降低,直至充型结束,压射过程完成。此过程周期性地不断重复。

真空铜压铸技术的主要优点包括:
?压铸件具有良好的焊接性能。
?压铸件的机械强度高。
?适用于大批量生产。
?最大程度上降低气孔率。
?产品密实度高,导电率均匀。
?产品的气密性高。
?提高产品的充型度。
?确保产品的精密度。
真空铜压铸的缺点技术具有以下主要缺点:
?初始投入成本相对较高,包括模具和设备、以及密封性。
?设置真空压铸工艺较繁琐,既要满足铜合金的可压铸性,也要考虑排气的可行性。
?影响真空排气效率的因素多,除了真空机和排气元件,压铸机、模具、合金质量、合 金温度,喷涂技术等等都要统一考虑:
?压射组件和模具必须考虑密封,包括分型面、熔杯和冲头、顶针,甚至滑块。这将保 证真空排气的效率和可靠性。
?为了获得产品的高重复率和精度,重要的是要控制压铸机的压力和速度曲线稳定。
?以下因素必须得到优化:模具喷涂,冲头润滑,铜熔液合金质量和模温控制。
实现优化的铜压铸真空工艺可能是一个细致并具有挑战性的过程。为获取较高的工艺真空度,每个过程都应该进行优化。
真空排气方案:真空排气需结合压射工艺设置,包括真空机的选择、排气原件的确定。尽管真空阀的排气效率高,结合铜合金高浇注温度的特点和排气元件的成本,排气块往往是最为适合的选择。铜合金的流动性差,熔杯充填率较高,其低速在0.25-0.5m/s,高速从0.8最终达到3m/s,给真空排气带来的机会相对很少,因此排气元件往往需要更大的排气面积。
考虑到型腔内气体的温度很高,瞬间甚至达到500-600°C以上,这对于真空系统的密封带来麻烦,通常考虑在模具和真空机间的管路上,设置气体水冷却装置,以降低气体温度,提高真空密封的寿命。

五、小结
铜压铸为解决形状复杂、批量大的铜产品提供了更广泛更有效的生产手段。其中黄铜压铸产品应用于装饰件和耐磨件已经十分成熟,还有黄铜压铸的传动换档系统、控制杆和水泵轮机部件等;紫铜压铸件应用于电动机转子更具广阔前景,转子铜重从几克到几十千克,其永久磁铁性能、寿命和成本均优于目前使用电动机永磁体。随着电动汽车和混合动力汽车的市场率日益扩大,铜压铸电动机转子将会有更大的前景。作为真空铜压铸工艺的日趋成熟和广泛应用,必将为高品质铜压铸产品提供强有力的支持和保障。

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