公司把鋅合金引入壓鑄業中才清除了早期出現的問題. 鋁合金首次鑄造大約是在1914年, 使用空氣壓力把熔化金屬壓入模中(圖示1-3). 鋁合金的熔點高且和鐵反應, 使這種金屬的廣泛應用一直推遲至二十世紀三直年代初 “冷室”工藝開發出來. 這种工藝減少了鋁和机器的鐵成分接觸的時間, 從而大大減少了鋁和鐵反應的机會. 我們現在知道, 二十世紀三十年代做出的很多開發部是現代壓鑄工業開始的年代. 這些開發是: (1)首次黃銅壓鑄; (2)高純度鋅的利用; (3)自動壓鑄机出現; (4)商用壓鑄机的大小和复雜化程度潛在增長; (5)二氧化硫配比裝置的開發使鎂的壓鑄成為可能. 壓鑄工業增長速度最快的時候是在二十世紀五十年代和二十世紀六十年代初. 汽車工業和應用工業需要零件數量最多的部分是壓鑄. 認真研究程序, 目的在于找到使過程更有效、更具竟爭的方法. 在二十世紀七十年代把工業帶進一個复雜化的時代。 在二十世紀七、八年代這段時間, 壓鑄工業進行了許多重大的研究和開發行動, 這樣使壓鑄工業從工藝時代進入了一個以科學為基礎的制造時代. 在二十世紀九十年代這段時間里, 壓鑄工業中鋁合金和鎂合金的增長速度最快, 大部分增長是由汽車市場引起的. 這种增長不僅是机動車輛銷售數量的增長, 而且更重要的是在每一輛机動車輛上鎂和鋁金屬的增加可以改善燃料問題. 在1991年, 每輛車的鋁含量平均為183磅. 到了1999年, 每輛車的鋁含量就增加到了248磅. 截止2004年, 每輛車的鋁含量就會超過300磅. 新外殼開始增加, 電子產品和計算机的使用都幫助了鋁和鎂壓鑄件進一步的增長. II. 壓鑄的原理和理論(Principles and Theory of Die Casting) (1) 壓鑄過程(DIE CASTING PROCESSES) “模”一詞在以前的澆鑄中意謂熔化金屬被鑄進金屬型模中并在模中冷卻成形. 模是由兩半构成的, 可以打開并取出鑄件. 壓鑄過程變化很多, 沒有一個鑄造過程適用于所有的鑄造產品或所有的生產條件, 這些過程通常分為三种主要類型, 它們的主要區別是施加給液体金屬和金屬射料系統的壓力是不同的. 金屬型鑄造(永久金屬模鑄造) Permanent Mold Casting (Gravity Die Casting) 除過金屬型模可用來代替類似的砂型之外, 這种過程所用的方法和傳統砂型鑄造所用的方法相似. 金屬型模廣泛應用于有色金屬鑄件的生產, 而且要求生產超過一百多件時最為合算. 金屬型鑄造所用的模通常結構簡單, 通常由兩半构成. 這兩半具有通過模腔的垂直接縫. 流道、澆口及气孔和砂型類似而且可以使用砂芯. 模具要涂上一層耐火材料, 暫時延遲冷卻直到熔化金屬可以均勻地流入模中. 基本的操作包括澆鑄熔化金屬, 冷卻階段, 頂出鑄件, 清理模具, 固定松弛的型芯, 合模准備下一次循環. 圖示2-1展示了金屬型鑄造模的鋁質自動柱塞具有可動的半模和多件位于中部的型芯. 圖示2-2展示的是和圖示2-1相同的模, 但金屬型鑄造模 金屬型鑄造的鎚頭
是它們的自動柱塞在從模中移出前冷卻. 金屬型鑄造的优點(Advantages of Permanent Mold Casting ) 這种鑄造過程的主要優點是經濟和优良鑄造品質. 生產率通常比砂型鑄造高。 這种鑄造鑄出的鑄件比砂型鑄造鑄出的鑄件具有更細的晶粒結構和更好的強度特征. 而且, 鑄件可以設計成具有更薄的件壁. 另外, 鑄造表面比砂型鑄造件的表面更光滑, 而且由于可以保持更為緊密的尺寸公差, 因此很少要求机加工. 金屬型鑄件的孔隙率小于砂型鑄件, 因而具有优越的氣密性, 金屬型模的壽命通常是50000到70000啤之間. 金屬型鑄造的缺點(Disadvantages of Permanent Mold Casting ) 這种鑄造過程由于工模成本高、生產期短而不經濟合算. 這种鑄造過程要進行大批量的生產既慢且成本昂貴. 高壓壓鑄過程可以更好地滿足大批量生產的要求, 當要求不同尋常的可靠性和高机械特征時, 金屬型鑄造件就不會滿足零件的要求了. 低壓壓鑄 (Low Pressure Die Casting ) 要想使熔化金屬進入模中的工藝自動化, 就要開發出一種技朮代替人工操作熱金屬。 使用低壓壓鑄机, 熔化金屬裝在絕熱的、加壓密封的坩堝或熔爐中. 管道垂直向下通過熔爐, 它的底端浸入熔化金屬中且頂端法蘭用熔爐蓋密封, 模裝在熔爐上方的壓鑄机上, 并密封管道的開口端, 當給熔爐施加氣壓時, 熔爐排出熔化金屬并使熔化金屬沿著管道向上運行并進入模腔. 冷卻過程從模的未端依次進行, 最后到達給料頭, 給料頭是管道的嘴. 一旦鑄件開始冷卻, 那么通過松弛空氣壓力的方法就把不需要的金屬返回到了熔爐之中。 開模, 取出鑄件并開始下一輪循環. 低壓壓鑄的優點(Advantages of Low Pressure Die Casting ) 低壓壓鑄超過高壓壓鑄的最大優點是孔隙率降低. 特別是壁厚部分。 因為沒有流道, 冒口或澆口, 所以鑄造的效率是90~95%. 很少有殘渣碎屑需要再熔化, 這樣就節約了熔化金屬所需燃料的成本. 模具壽命比金屬型鑄造的模壽命長, 且模具成本比高壓壓鑄的成本低. 低壓壓鑄比高壓壓鑄有更多的合金選擇余地. 由于使用的是熱處理合金, 且減小了空氣的夾帶量, 因此可以改善机械特征. 低壓壓鑄過程中可以任意使用型芯, 但對于高壓壓鑄過程卻很難生產, 鎂合金鑄造也可采納這種過程. 低壓壓鑄的缺點(Disadvantages of Low Pressure Die Casting ) 這种過程比高壓鑄過程生產率低, 且一般不適宜鑄造更小的零件, 表面處理和尺寸范圍不佳, 最低壁厚較大, 模具壽命比用高壓壓鑄壽命要短, 工模成本也高于金屬型鑄造. 高壓壓鑄(High Pressure Die Casting ) 這是一種在壓鑄工業中較為廣泛使用的過程. 在北美 ,“壓鑄”一詞的含義通常是指高壓壓鑄. 在壓鑄中熔化金屬高速壓入鋼模中, 從而熔化金屬 蓄壓瓶 控制閥 模 模腔 澆口 連杆 司筒 鎚頭 圖示2-3. 冷室机基本的液壓射料系統
保証了熔化金屬完全注入到兩個半模之間的模腔空間內. 強行射料冷卻收縮. 在熔化金屬進入模中的同時, 熱量流動离開金屬并進入模中, 金屬冷卻, 在完全冷卻之時, 開模并取出冷卻的鑄件. 把熔化金屬射入模中有兩种類型的机理. “冷室”机理是金屬在高溫條件下熔化, 而且熔化金屬如鋁、黃銅和鎂与鐵有親合力. 在冷室過程中有水平射料和垂直射料兩種射料系統. “熱室”机理常用鋅和鉛金屬, 金屬是在低溫條件下熔化且降低了与鐵的親合力. 壓鑄過程的主要說明如下:(A brief definition of the die casting Process is as follows) 高壓壓鑄是在壓力條件下把熔化金屬強行壓入一個已安全鎖定的模腔內的過程. 模腔內保持強大的壓力一直到模腔內的金屬冷卻下來, 金屬冷卻下來之后, 開模、頂出鑄件并取出, 鑄件取出之后, 潤滑模具, 合模并鎖定, 准備下一次循環. 圖示2-3展示的是冷室机基本的液壓頂出系統. 在冷室壓鑄過程中, 熔化金屬用手工或自動化系統舀入冷室机的開口中。 液壓操作的鎚頭頂端前移并封住這個開口, 在高壓高速的條件下迫使熔化金屬進入模中. 鑄件冷卻后, 鎚頭回退, 開模、頂出鑄件、潤滑模具, 然后准備下一次循環. 圖示2-4展示的是冷室過程中的金屬流動系統. 熱室机的射料設備浸入熔爐的熔化金屬槽內, 當壓射鎚頭移動時迫使熔化金屬通過鵝頸和射咀進入模具中. 此系統所用壓力低于冷室過程中所用的壓力. 由于熱室壓鑄机的打料時間比冷室壓鑄机的打料時間縮短, 所以熱室壓鑄机的生產率比冷室壓鑄机的生產率要高. 圖示2-5展示了熱室壓鑄机的金屬流動系統. 鑄件 鑄件 澆口 澆口 圖示2-4. 冷室過程中金屬的流動系統 高壓壓鑄的優點(Advantages of High Pressure Die Casting ) 圖示2-5. 熱室過程中金屬的流動系統 高壓壓鑄的生產率比金屬型鑄造或低壓壓鑄都要高得多. 生產的鑄件具有緊密的尺寸公差, 大大減少了机加工操作. 壓鑄件具有良好的表面處理, 也是電鍍的基本要求. 壓鑄件的壁厚可以作的更薄一些, 大大減輕了鑄件的總体重量, 更長的壓鑄工模壽命降低了單件的成本 . 在壓鑄操作中, 可以生產出更复雜的零件, 因此大大減小了裝配中部件的數量, 在高壓壓鑄中有些位置還可以鑲入插件鑄造. 高壓壓鑄的缺點(Disadvantages of High Prissure Die Casting) 高額的模具成本使數量很少的短期生產顯得不那么經濟合算. 適合于壓鑄生產的合金數目有限以及鑄件的內部孔隙都了完整鑄件的熱處理或接合. 鐵或鋼合金一般不可壓鑄, 鑄件在鑄造大小和鑄件壁厚方面都會有, 這樣有些零件的壓鑄就沒有可能. 壓鑄机和維修成本都比其他的鑄造過程更高. (2) 机器能力(MACHINE CAPCITY) --- PQ2分析(PQ2 ANALYSIS) PQ研究施加給熔化金屬的有效壓力与模腔可以獲得的填料率之間的相互關系, 它涉及到澆口面積、鎚頭大小、机器動力、液壓、霧化流動和模腔填料率之間的關系. 在研究PQ之時, 要檢測的范圍包括如下主題: 作為射咀的澆口 作為金屬泵的壓鑄机 PQ的基本公式 机線圖示 計算金屬壓力 壓鑄机最大的干燥射速 模線圖示 定義操作窗 ----- 澆口速度的 ----- 填料時間的 ----- 繪制操作窗 為了提高壓鑄机上生產零件的質量, 壓鑄商必須了解壓鑄机和模具的安裝, 并使它們最優化. PQ22222分析的目標是預測所給的模裝在已知性能的壓鑄机上時將如何運作. 分析會產生一個和鑄造品質要求相一致的操作窗. 模具/過程設計就會在所選操作窗的中間進行理想地運作. PQ分析對于運用在壓鑄机上的壓鑄過程開發來說是一個起始點. 要求PQ分析的每一個要素都要進行獨立運算, 然后在一步步的過程中綜合, 這樣的過程允許設計師分析模具填料過程并使其最大化. PQ圖表使相關的澆口、射速和射料壓力更精確. 設計師可以決定壓鑄机是否能夠產生出一個壓射曲線, 這樣壓鑄机就會生產出高品質的鑄件. PQ2圖表(The PQ2 22壓鑄机動力 Diagram ) 一副完整的PQ圖表如圖示2-6所示, 目的是預測當所給的模安裝在已知性能的壓鑄机上時, 模具將在哪里操作, 而且還顯示出了一個操作窗, 它的開發是為了与鑄件質量要求相一致. 目標是確定一個設計使模和壓鑄机在已開發的操作窗范圍之內操作, 并生產出合格的品質和生產率. 22理論填料率 金屬壓力 操作窗 机器:---- ________________ 液缸大小:---- ____________ 液壓:---- ________________ 液壓射速:---- 模線(澆口面積) (磅./英寸2) 澆口速度 操作點 數量(英寸3/秒) 圖示2-6. PQ2圖表 PQ圖表的計算和開發給壓鑄過程規定出了一個良好的起點. 過程的精確調整源于生產鑄件的評估. 如果鑄件上的表面處理是重要的規格, 那么填料時間就是可變的參數. 如果孔隙率是重要的規格, 那么壓力就可能是可變參數. 壓力主要由所選的鎚頭大小控制. PQ圖表可以讓工程師在紙上對壓鑄机和模的2組合進行過程調節, 保証過程合理可行, 不會在模上留下切划痕和焊痕. PQ過程沒有指明模填滿料之后, 以及壓力施加給模腔中的半固態金屬時會發生什么事情. 2(3) 填料時間分析(FILL TIME ANALYSIS ) 一旦模腔填料圖確定下來, 就必須決定理想的填料時間, 填料時間是指從熔化金屬到達澆口時開始, 一直到完全填滿模腔和溢流槽為止. 壓鑄模腔用熔化金屬填料的典型時間是0.010到0.200秒. 填料時間不考慮隨后的填密或冷卻收縮的時間, 熔化金屬流經澆口和要求產生金屬流的壓力之間的關系以伯努利議程中的導數為基礎. 計算填料時間(Computing Fill Time) --- 澆口方程(The Gating Equation) 填料時間由如下的澆口方程計算: Ti － Tf ＋ SZ t＝K Tf － Td 其中: t = 理論填料時間, 秒 K = 實驗上的導出常數, 秒/英寸(秒/厘米) Ti = 熔化金屬進入模具時的溫度, °F (°C) Tf = 最低的金屬流動溫度, °F (°C) Td = 熔化金屬進入模腔之前模腔表面的溫度, °F (°C) S = 填料結束時在金屬中允許凝固成固体的百分比, % Z = 單位轉換因素, °F/% (°C/%) T = 鑄件厚度, 英寸 (mm) 澆口方程給出了所有主要過程變量之間的相互關系. 允許設計師給所有的可變量選擇數值, 而且規定固結百分數用于期望的鑄件品質. 期望的鑄件品質可以決定可變量組的理論填料時間. 如果規定出不同的過程條件, 那么方程就會產生不同的填料時間, 如果設計師有原因或需求在其它條件下操作模, 他就應把數值代入代表這些條件的澆口方程之中, 澆口方程中的各個可變量在PQ或北美壓鑄學會的課本中都有詳細的說明. 伯努利方程 (Bernoulli’s Equation) 澆口速度是指熔化金屬流經澆口時的速度. 施加給壓鑄机射料系統的負荷從推動熔化金屬通過模口或澆口的力而來, 而且當迫使熔化金屬以要求的澆口速度通過澆口時釋放出的壓力就會表現出來. 這種施加給熔化金屬通過壓鑄机的壓射系統, 使熔化金屬以要求的填料時間進入模腔的釋放壓力可以由伯努利方程計算出來. ρ Vg 2 P = 2g Cd 其中: P = 金屬壓力, 磅/英寸 (kg/cm) ρ = 金屬密度 鋁: 0.093磅/英寸 (2.580g/cm) 鋅: 0.221磅/英寸(6.130g/cm) 3 333222T 鎂: 0.063磅/英寸 (1.750g/cm) g = 386.4(常數)英寸/秒 (981cm/秒) Vg = 澆口速度, 英寸/秒(cm/秒) Cd = 卸壓系數, (沒有單位) 使用伯努利方程時, 可以看出金屬壓力与澆口速度的平方成正比. 如果澆口速度增加二倍, 那么金屬壓力和射料力就要求增加4倍, 一旦要求的壓力由伯努利方程求出, 那么它就可以繪制到PQ圖表上. 要求特殊的流量Q和澆口面積Ag時, 伯努利方程還可求出實際的金屬壓力, 伯努利方程通過使用下面的方程變化: Q Vg = Ag 其中: Q = 金屬流量, 英寸 /秒 (cm/秒) Vg 2 ρ 把Vg數值代入伯努利方程P = 得到: Cd 2g Q 2 ρ P = 2g AgCd 2金屬壓力的計算數值可以直接繪制在PQ圖表上. Ag = 澆口面積, 英寸 (cm) 223322233(4) 壓鑄的熱流理論(HEAT FLOW THEORY FOR DIE CASTING) 壓鑄實質上是一個熱量過程. 制造優質壓鑄件的重要因素是能夠了解并正確設計模中的熱量條件. 從鑄件到模的熱流動必須正確管理以得到優良品質的鑄件. 熱流理論(Heat Flow Theory) 熱流用英熱量單位(BTU)測量. 必須解釋熱量流進材料(材料溫度升高)和熱量流出材料(材料溫度降低)的概念, 便于理解鑄件如何凝固. 每种材料都有吸收和包含熱量的能力, 它被稱作材料的比熱. 部分代表性數值如表格2-1所示. 材料的這种熱能力通過給材料溫度升高(或降低) 1°F, 計算材料吸收(放出)熱量(BTU)的多少. 當材料加熱到變化狀態的臨界點時(也就是: 物質從固態變到液態, 或者像水沸騰那樣從液態變到气態), 作這樣的狀態變化需要額外的熱量. 這樣, 冰可以加熱到32°F, 并在此臨界點上停止加熱, 但是要改變狀態就要增加熱量. 在這种情況下冰就會熔化(從固態變為液態). 這种要求把金屬從固態變為液態的額外熱量就稱為熔解熱. 這种變化是金屬到金屬的變化. 有些金屬(像鋁)需要很多的額外熱量才能從固態變為液態, 而有些金屬(像鋅)需要很少的額外熱量就能從固態變為液態. 表格2-2表明的是各种材料的潛熱. 表格2-1 各种材料的比熱值 比熱 材料 英熱量 英熱量 表格2-2 各种材料的潛熱值 熔解潛熱 材料 英熱量 英熱量 F 單位/英寸3/°F 單位/磅/°鋅合金 鎂合金 鋁合金 鋼 F 單位/英寸3/°F 單位/磅/°鋅合金 903 43 158 169 144 10.5 10.2 17.0 (冰) 903 AZ91D 360 0.1 0.34 0.28 0.116 0.024 0.022 0.025 0.027 鎂合金 AZ91D 鋁合金 水 360 相反當鑄件冷卻之時, 會發生同樣的事情, 液態金屬冷卻到凝固點時, 必須從金屬上轉移大量額外的英熱量單位才能轉化為固態. 熱量流動原理(Mechanisms of heat flow) 熱傳遞通過三种不同的方式進行: 傳導, 對流和輻射. 因為這三种方式常用于壓鑄中, 所以下面對它們進行適當的評述. 傳導(Conduction) 傳導所涉及的熱傳遞是通過直接接觸熱源來進行. 傳導的熱量通過如下等式定義出來: QK = KA (T1-T2)/L 其中: QK = 通過材料轉移的熱量 (英熱量單位/小時) K = 材料的熱導率和熱量流動路經 (英熱單位‧小時‧英寸‧°F) A = 熱流動路經的橫截面積 (英寸) L = 熱流動路經通過材料的距離 (英寸) T1 = 材料在熱流動開始時的溫度 (°F) 鑄件上的大部分熱量是通過傳導進模中實現轉移的. 對流(Convection) 對流是當空气這樣的媒体流向諸如壓鑄模這樣的熱表面時, 從熱表面吸收熱量并把熱量帶走, 對流帶走的熱量由下面的等試定義: QC =cA(TS-TA) 其中: QC = 熱傳遞量 (英熱量單位/小時) c = 熱傳遞系數 (由媒体的流動速度以及從材料到流動媒体的抗熱流動性決定) (英熱量單位/小時‧英寸‧°F) A = 表面積 (英寸) TS = 表面溫度 (°F) Ta = 空氣溫度 (°F) 由鑄件傳導進入模具內的大部分熱量通過和冷卻水對流, 噴模對流、空氣對流從模中把熱量帶走. 輻射(Radiation) 222輻射是通過輻射電磁波的方式轉移熱量. 通過輻射轉移的熱量為: [注意溫度必須用蘭金溫標(絕對華氏溫標)表示] Qr = rA (Rs –Ra) 其中: Qr = 熱傳遞量 (量熱量單位/小時) r = 模的輻射常數 (英熱量單位/小時‧英寸‧°F) A = 表面積 (英寸) Ts = 表面溫度 (蘭金溫標°R) Ta = 空氣溫度 (蘭金溫標°R) 盡管鑄件頂出之后通過輻射部分冷卻, 但是由于模溫相當低, 所以通過輻射從鑄件上轉移的熱量不是太多. 射料期間的熱量流動(Heat flow duing injection) 在壓鑄過程中, 金屬射料非常之快, 以致大量熱量不是在模具填料期間轉移, 而是只有一部分熱量轉移 --- 這對于鑄件良好的表面處理可能是非常重要的因素. 金屬上的熱量持續地從熱金屬上轉移到溫度相當低的模具上. 因此, 金屬流經模具鋼的每一個小的截面時都將從金屬上獲得一少部分熱量. 由于所有進入鑄腔的金屬都必須流經澆口位的模具鋼, 所以澆口位的模具鋼在填料期間將獲得更多的熱量(這種熱量不是由于金屬速度太高). 金屬流動盡頭的模具鋼由于只有一少部分金屬流經, 所以獲得的熱量很少, 盡管從流動金屬上轉移的熱量很少, 但是如果鑄件很大或很重, 那么就特別重要, 而且有可能需要增加冷卻水. 另外一方面, 如果沒有大量的金屬流經模具的特殊截面(例如, 在液体金屬流動的盡頭模的一個薄部分或截面), 那么模就不會接受足夠的熱量以維持良好的操作溫度, 而且表面處理的質量還會降低. 這种情況下需要增加熱量(熱油、電加熱器或溢流槽). 射料之后的熱量流動(Heat flow after injection) 大部分進入模具的熱量, 不是在模具填料期間得來的, 而是鑄件在模中冷卻期間獲得的. 傳導期間的熱量流動公式可以用來計算熱量流動的數值. 一個重要因素是鑄件和板模鋼之間的熱傳遞系數. 熱傳遞系數會隨著一個因素的變化而變化 --- 例如所用塗層(模潤滑劑)的類型, 所用的金屬壓力以及鑄件在收縮期間的運動方向. H-13板模鋼的熱傳導系數相當低, 這就意謂著通過板模鋼的熱傳導進行地非常慢. 由于它幫助熱量控制在了模中, 所以在這一點上是有利的, 鑄件在模中冷卻期間, 由于花費了很長一段時間把熱量轉移到模中, 所以模的表面會變得非常熱. 壓鑄件的形狀复雜使流進模中的熱量非常复雜且不均勻. 這就意謂著在形狀复雜的地方將會出現熱斑點和冷斑點, 模具銅相當慢的熱傳導增加了影響 --- 會加重鑄造缺陷. 控制模溫(Controlling die temperature) 一般采取三種方法控制模中的熱量流動. 一种方法是使用噴模, 特別适用于鋁壓鑄. 用大約98%的水噴模, 且噴水可使模表面快速冷卻, 盡管在模具鋼上采用冷卻的方法太難且縮短了壽命, 但是它卻非常有效地控制了局部溫度. 第二种方法是在模中使用冷卻(加熱)線路. 如果正確的熱量流動管理是有效的, 那么就必須仔細設2222計冷卻或加熱線路的位置. 冷卻線路必須置于鑄件的下面 (而不是在外側邊緣)才真正有效. 如果所有其他條件相同, 那么轉移熱的數量取決于水的流量 (率) 或速度. 控制模溫的第三種方法是通過調節周期率控制熱量的輸入. 一般情況下, 周期率需要盡可能快. 因此輸入的熱量 (和周期率) 可以通過噴模清除熱量的方法及模中設計冷卻系統的方法加以控制. 熱流動非常复雜, 因此這種熱流動体系的工程最好是用計算机分析來做. 使用現今的軟件, 可以對過程熱量條件給出預測. 而且這樣對模的加熱 / 冷卻体系作出了更多更好的工作. 頂出之后的熱流動(Heat flow after ejection) 零件頂出之后, 零件的熱流動除在水中淬火之外, 大部分通過輻射和對流(空氣流動)的方式進行. 在鑄件冷卻之時, 溫度仍然很高, 鑄件仍具有展性, 而且由于鑄件受冷收縮, 大部分壓鑄件复雜的形狀會引起不均勻的應力. 這款零件在冷卻過程中會引起部分變形. 控制這种變形的最佳方法是在頂出時采取非常均勻的溫度. Ⅲ. 壓鑄合金及合金熔化和處理 (Die Casting Alloys and Alloy Melting and Handling) 鑄件可產生出滿意的結構變化和美學要求, 鑄件實施其使用目的程度取決于所造鑄件材料或合金的性質. 鑄件的總体性質取決于合金的組成、雜質或污染物, 冷卻形式和后加工處理. 有些金屬特別適用于壓鑄過程. 這些材料可以在剛性模中快速凝固, 而且具有更高要求的物理和机械性質. 和其他的鑄造過程相比較, 壓鑄可以產生更為复雜的鑄件, 這些鑄件具有更高的机械特征, 更為緊密的尺寸控制, 極好的表面處理, 制造數量多和成本低的優點. 用于壓鑄的主要合金為鋁、鎂和鋅. 這節之后的剩余章節將分別討論這些合金. 合金的一般性討論和它在壓鑄中的使用在隨后各種合金的熔化和處理要求章節中討論. 包含各种鑄造合金机械和物理特征的比較圖(表格3-1)提供在下一頁中, 有關各種合金的額外信息可以從每一份NADCA文件中獲得, 也可以從NADCA教育課程中獲得, 這些信息列在此本手冊的附錄中. (1) 鋁(Aluminum) 鋁是運用最廣泛的壓鑄合金基金屬. 這組合金提供了范圍更廣的物理性質和化學性質, 而且可以高效制造. 鋁合金一般有很多變化且特殊成分几乎沒有窮盡. 在壓鑄鋁合金中, 相當高的雜質濃度和合金的組成成分一起不僅是允許的, 而且希望減小化渣粉并增加熱強度. 雜質的影響一般和所有的鋁基合金相似. 鋁合金(Aluminum Alloy) 在壓力壓鑄中常用的鋁合金顯示在表格3-2中. 主要的合金元素包括硅、銅、錳、鐵和鋅. 一般來說, 鋁相當軟. 給鋁加入各种合金元素, 鋁的工程机械性質就會有所改變. 輔加元素諸如: 鈦、硼、錫、鉛、鉍、鍶、鈉、鈣、銻、鈹、磷認為是不正常的合金元素, 由于廢料的污染, 合金會出現雜質. 在表格3-2所示的所有合金中, 所有鋁壓鑄件約85%都是由表格3-2. 化學成分: 鋁合金. 除另有規定外, 所有單個數值均為最大成分百分比. 380合金或它的改良合金加工制造而成, 下面點評總結了各種鋁壓鑄合金. 380系列合金具有極佳的流動性和模具填料特征. 383和384合金比380合金具有更好的模具填料特征, 但是机械加工性能更差一些. 360合金由于銅合量低, 所以比380合金具有更佳的耐腐蝕性能, 而且還有抗熱裂紋的性能. 384合金具有極佳的气密(密閉)性. 但是由于冷卻時間短, 所以鑄造會有一些難度. 390合金常用于耐磨損的地方, 或者要求熱膨脹系數較小的地方. 它還具有優良的高溫強度和非常好的模具填料特征. 但是和其他合金相比, 机械加工性能更差. 413合金常用于鑄造薄壁鑄件以及要求气密性、良好的可鑄性或耐腐蝕的地方. 443合金用于要求極佳抗腐蝕性的地方以及需要超過平均延展性的地方. 它還具有良好的氣密性. 518合金具有低硅和高鎂(8%)成分, 因此是鋁鎂合金而不是鋁硅合金. 鎂含量使這种合金更易氧化和形成浮渣, 因此要求在熔化、運輸, 控溫和鑄造中特別注意. 流動性比標准的壓鑄合金更差, 而且墊脆性更大. 然而, 這种合金具有極佳的机械加工能力, 抗腐蝕性和延展性, 以及極佳的表面處理能力. 硅 – 硅在鋁壓鑄合金中是主要的合金成分. 硅在鑄造期間(模具填料)增加了流動性并避免了熱脆性. 鋁一硅合金具有優良的抗腐蝕性. 高熱量傳導性, 良好的導電性及低熱膨脹. 硅還能降低外部收縮, 提高氣密性和尺寸的穩定性. 圖示3-1用圖示顯示出了硅在鋁合金壓鑄中作為主要合金成分時的很多屬性特征. 銅 – 隨著銅含量的增加, 抗拉強度和硬度增大. 收縮, 延展性和抗腐蝕性降低. 銅鋁合金具有极高的鑄造質量. 銅在降低內部收縮方面起著作用, 而且通過增加合金基体的硬度改善机加工特征. 鐵 – 鐵的數量達到1.2%促進強度、硬度和熱強度. 鐵也非常有利于降低粘模現象. 可是在低的金屬控制溫度條件下, 有和錳及鉻形成沉渣的趨向. 鋅 – 在鋁壓鑄合金中, 鋅含量達到3%的主要影響是在鋅和鋁鑄造廢品金屬沒有全部分离之時, 降低成本并增加 “白色金屬”鑄件的再循環可能性. 鋅降低了鋁壓鑄合金的強度和硬度, 而且增加了收縮和熱脆性的靈敏度. 鎂 – 在很多通用的壓鑄合金中, 為了減少氫脆和丟失延展性通常要把鎂控制在很低的水平(0.1%). 在鋁鎂壓鑄合金中, 添加鎂有助于加固合金強度, 防腐以及提高机械加工性能. 鎂含量更高的合金易于形成更多浮渣. 而且在熔化、運輸和金屬處理過程中必須特別小必避免形成過多浮渣且合金丟失延展性. 錫、鉛和鉍 – 這些低熔點的金屬盡管少量添加有利于机械加工, 但是在鋁壓鑄合金中通常認為是錯配物或殘留元素. 低熔點及鋁中有限的溶解度都導致了沉淀物的產生. 這些沉淀物在鑄造過程中引起氫脆. 錳 – 在增加鋁合金的強度和延展性方面, 錳是需要的合金元素. 增加少量錳, 錳和鐵結合從針狀、易碎的沉淀物到更有延展性的平板或類似于 “中文漢字”隨机取向的 “斷針”微型結構方面都改變了富鐵相位. 然而, 錳必須仔細平衡鐵含量 (必須防止粘模) 避免沉渣形成. 之后就形成一種含有鐵、錳和鉻的复雜結構(殘留物或錯配元素通常處于很低的水平). 鎳 – 适度含量的鎳有助于合金外露置于高溫條件下時保留它的強度和硬度. 含有這种元素的合金在高溫條件下使用時有助于尺寸的穩定性. 鍶、鈉和鈣 – 這些元素因改良硅而聞名并廣泛應用于鋁硅合金中的其它鑄造過程 --- 砂型陽極 影響 硬度 屈服強度 抗腐蝕性 耐磨性 抗拉強度 熱 強 度 化學穩定性 鋁-硅合金 流動性 机械加工性能 收縮 凝固 延展性 硅的重量百分比 圖示3-1. 圖示總結了合金狀態時硅的多种影響 鑄造、金屬型鑄造和低壓壓鑄. 它們可以精煉硅的結構(使合金更具延展性)以改善由這些方法制造鑄件的強度和延展性. 這些改良元素通常不出現在鋁硅壓鑄合金中. 快速冷卻率在鑄件內形成精細(非常細小)的硅結構, 避免需要這樣的元素. 但是, 最近的工作表明稍微添加一點儿鍶分散微孔率, 從而有利于增強壓鑄件的強度特征. 其他元素 – 在壓鑄合金化學分析中, 偶爾還會出現銻、鈹、磷、鈦和硼等微量元素. 這些元素的含量通常很低, 而且這些雜質一般是由采購的廢品或廢品鑄件的污染產生的. 鋁的熔化和處理 – 大多數壓鑄廠所用的金屬有三种形式: 具有規格的鋁錠、廢品再循環鋁錠(RST)或熔化交付的鋁金屬. 回爐料 – 水口料和廢鑄件 – 投向熔爐的料要配制平衡. 有些厂會使用采購的廢品作為他們總体配料的一部分. 對于很多壓鑄商來說, 在提供適用于生產最高質量壓鑄件的鋁合金熔化物方面, 有某些必須考慮和重視的因素. 采購金屬 – 所有的金屬、合金、鋁錠, 作為熔化交付的金屬和其他在熔化過程中使用的添加物都應有已知的化學成分或分析. 它們應在良好的自然條件下接收而且應有標識. 所有欲添加進熔爐中的材料都應貯儲在它們原有的容器之中(如可能), 而且應保持清潔和干燥. 切忌把任何种類的濕材料加入熔爐中. 熔爐 – 今天壓鑄商有各种類型的熔爐可用. 熔爐類型包括堆積式熔爐、反射爐, 筒(桶)形爐和坩堝. 盡管每种爐都有其优點, 但是它們都有其共同所需的操作要求. 所用的耐火材料和熔化鋁合金相一致, 檢修和更換爐襯應和熔爐制造商及耐火材料供應商的建議要求相一致. 爐蓋應很好密封, 燃料燃燒爐和電加熱系統的操作應和相關的指引和建議的方法相一致. 這樣有助于使熔爐處于最佳狀態, 能量得到充分利用. 混合爐或熔化爐(鑄造用爐), 包括電坩堝或燃气坩堝, 電反射爐或耐熱爐, 低能量消耗(非常絕熱)爐. 重要的是理解熔爐的能力与整個壓鑄過程有關系. 其中整個壓鑄過程包括熔化率, 熱損失和溫度穩定性. 表格3-3、3-4、3-5、3-6、3-7、3-8提供了總方針和圖解(算)法, 保証壓鑄工程師確定和評估熔爐能力并在開發熔化和控制過程參數方面有所幫助. 熔化實踐 – 特殊的熔化實踐根据熔爐的類型以及各种加料的有效混合在廠与廠之間都會有顯著的變化. 熔化合金錠時, 在熔爐底梁上, 干燥爐中或單個的容器中預熱是必要的. 通過提供部分必要的能量不僅僅是為了增加熔化能量的效率, 而且還可清除可能會引起爆炸的潮氣冷凝. 較輕的材料通常都加在較重材料的前面, 這樣易于浸沒. 而且在 “濕堝”和 “干堝”熔化過程中避免過度暴露形成氧化物. 在給濕(熔化金屬)堝中添加固体材料時一定要小心. 所有的添加物都應預先預熱, 清除任何可能會出現的水蒸汽或潮氣冷凝. 熔爐工具(支架、鏟、鏟除工具、衝頭)在用于熔化金屬之前也應預熱几分鐘. 操作熔化金屬以及在熔化金屬周圍時, 經常要穿上全防護衣服! 全防護衣服包括邊上有遮蔽的安全眼鏡, 全臉遮蔽, 熔化鋁環境中規定使用的棉或毛制的衣服, 安全鞋, 但不僅限于此. 有些廠還要求戴上安全帽或穿上其他保護性的安全衣服, 特別是熔化金屬的直接操作者一定應如此. 表格3-3. 熔爐計算中使用的符號和代表性的數值 代表性數值和單位 鎂合金 鋁合金 鋅合金 銅合金 (60/40黃銅) 符號 符號代表 的含義 要求把金屬溫度升高QT 到澆注溫度,包括熔化 (1)在內的熱量 0Btu/lb 260kJ/kg 515Btu/lb 246kJ/kg (2) 115Btu/lb 56kJ/kg 230Btu/lb 110kJ/kg R 熱量傳遞到熔化金屬中的速度 (2) 20,000Btu/hr-ft 220,000Btu/hr-ft 260kw/m; (3) 27,000Btu/hr-ft2 2(2) 2(2) 220,000Btu/hr-ft 20,000Btu/hr-ft 60kw/m 260kw/m 260kw/m 285kw/m 從熔化金屬堝的表面7,000Btu/hr-ft13.000Btu/hr-f221.4 00Btu/hr-ft; 235.500Btu/hr-ft; 112kw/m Lb/hr Kg/hr 2222Qms 損失到室內空氣中的熱量 ; 22kw/m Lb/hr Kg/hr Btu/hr-ft 2Kw/m － － ft 2m Btu/hr W 222t; 40 kw/m Lb/hr Kg/hr Btu/hr-ft 2Kw/m ft 2m 2ft 2m Btu/hr W 22224.5kw/m Lb/hr Kg/hr Btu/hr-ft 2Kw/m － － ft 2m Btu/hr W 2C 熔爐的設計能力 通過熔爐壁損失的熱Qw 量 (見曲線圖解) Btu/hr-ft 2Kw/m － － ft 2m Btu/hr W 22Ah Ac Q 爐膛面積 坩堝的表面積 燃气爐的大小 Btu = Board of Trade Unit 英國商用電能單位 (=1千瓦-小時) British thermal Unit 英熱量單位 (=262卡) (1) 理論上鎂合金的澆注溫度是1200°F(650°C), 鋁合金的澆注溫度是1400°F(760°C), 鋅合金的澆注溫度是800°F(425°C), 銅合金的澆注溫度是1800°F(980°C). (2) 和熔化金屬接觸的坩堝(或熔堝)表面. (3) 在反射爐中熔化金屬暴露給燃气爐的表面面積. (4) 使用浸入式管狀燃气爐的制造商規格. 熔化金屬的加熱速度, QＢ: ．QＢ = CQT (Btu/hr, 習慣單位) ．QＢ = CQT/3600, (W, 國際單位) ．熔化金屬暴露表面的熱量損失率, Qms: ．Qms = Qms Ams 式中Ams是熔化金屬暴露．．表面的面積, ft或m. 通過熔爐壁損失的熱量QW : ．QW = ΣQwAw 式中Qw的數值從曲線圖解．中得到. Aw的數值表示Qw所選熔爐的面積. 通過暴露給燃氣爐的熔爐壁損失的熱量: 22熔爐外壁的溫度°C 通過熔爐壁損失的熱量Btu/hr-ft 通過熔爐壁損失的熱量KW/m 2表面面向上 豎直表面 表面面向下 2熔爐外壁的溫度°F
Qbw = ΣQwAw ．必須傳遞給熔化金屬的熱量Qmm: ．Qmm = QB + Qms + Qw (熔化) ．．．．Qmm = Qms + Qw (保溫) ．．．‧Ｑｍｍ 反射爐爐膛面積, Ah = ─── Ｒ ‧Ｑｍｍ 坩堝表面面積, Ac = ─── Ｒ 表格3-4典型的熱量損失率/方程 表格3-5. 鋁壓鑄合金中的雜質(Impurities in Aluminum Die Casting Alloy) 鐵: 鐵的數量達到1.2%增加強度, 硬度和熱強度. 鐵的數量達到1.2%時, 還能延緩鋁在壓鑄机和模具鋼部件上的侵蝕. 數量超過2%會削弱机械性質并加速形成沉渣. 數量超過1.2%根据合金中鉻、錳和鎳的數量, 開始在合金中形成沉渣. 沉渣因素受金屬澆注溫度的約束. 大多數情況下, 當金屬溫度降到1160°F以下時, 沉渣就會出現. 鋅: 鋅含量超過3%時它就會引起熱脆性. 數量再多就會降低強度并增加密度. 根据鑄件的厚度, 鋅還應被留意. 有時, 如果要求壓鑄件為厚截面, 那么鋅含量在3%以下時就會發生墊脆性和鋅的收縮. 鉻和錳: 小數量(也就是少于0.6%)可改變鐵的化合物, 以獲得有益的鐵. 數量再多會加速沉渣. 沉渣直接于鐵數量有關. (%Fe + 1.5x % Mn + 2x % Cr = 1.85最多) 鉍、鎘、鉛和錫: 這些元素的數量達到1.0%有利于机械加工性能. 但是數量太多加速熱脆性. 而且, 在壓鑄合金中少量的鉍、鉛和錫在高溫時會生成裂紋. 這是應注意的事情: 超過0.1%的錫和超過0.05的鉛或鉍會導致裂紋. 這些元素特別重要. 鎂: 鎂的數量超過0.3%時, 屈服強度、硬度和剛(韌)性增加, 而且流動性降低. 流動性降低是由于鎂過量引起金屬氧化物增加. 鎳: 鎳除過和其他會形成沉渣的重金屬元素如鐵、鉻和錳結合外不會有嚴重的雜質. 磷、鈉和鈣: 這些元素能加速浮渣的形成, 而且除在金屬中增加氫的聚集外沒有其他有害影響. 氫的聚集數量特別少, 小于0.01. 鈉的數量太多增加了合金的表面張力, 但引起流動性差的缺點. 太多的鈣減小了合金表面張力有保持氧處于懸浮的可能性. 鈦: 一种和鐵類似的雜質. 如果濃度超過0.25%, 會形成硬化合物. 而且這些化合物會降低机械加工能力. 鈦是一种晶粒細化劑, 少數量的鈦可以改善合金的机械加工性能. 氧: 由于鋁金屬氧化物的形成, 所以氧降低了流動性, 而且在机加工操作方面提高了工具的耐磨性. 燃气爐大小的要求: Q = Qmm + Qbw ．．．Q 燃料要求: F = ─── Qf是燃料的發熱量 Qf 表格3-6. 燃氣爐大小的要求和各種燃料的發熱量Qf. 各种燃料的發熱量Qf (Heating values , Qf , of various fuels) : 燃料的類型 天燃氣(煤氣) 1號燃料油 發熱量Qf * 3 695 Btu/ft3250KJ/m 97.400 Btu/加侖 27.140 KJ/L 要求空氣量Af 339.56ft/ft 339.56m/m 31.315 ft/加侖 39.84m/l 燃料氣体的体積 ** 3345ft/ft 3345m/m 36650 ft/加侖 350m/l 4號燃料油 6號燃料油 丙烷 (C3H8) 102.800 Btu/加侖 28.650 KJ/L 104.125 Btu/加侖 29.020 KJ/L 16.350 Btu/lb 38.028 KJ/kg 31.980 Btu/ft 373.770 KJ/m 1.385 ft/加侖 310.36m/l 31.470 ft/加侖 310.99m/l 3206.5 ft/lb 312.m/kg 3323.9 ft/ ft 3323.9 ft/ ft 36650 ft/加侖 350m/l 36650 ft/加侖 350m/l 3942 ft/lb 360 m/kg 33114 ft/ ft 33114 m/m 3* 所示燃料的發熱量是扣除用于產生和燃燒殘留水蒸气的熱量, 以及燃料被加熱到220°F (1200°C)時被燃燒空氣吸收熱量之后的可用熱量. ** 燃气体積的依据是內部熔爐的壓強為117psi (117MPa)時的体積. 空氣要求 Va = FAf 產生的燃气 Gf = FVf 要使用這些圖表, 首先在水平標度上選擇要求控制熔爐溫度的最大溫度變量. 然后沿著代表澆包中熔化金屬溫度与控制爐之間的最大差異的曲線向上. 相交線的高度給出了最大加料數, 作為控制熔爐容量(垂直標度)的百分比. 熔爐容量的百分比通過連續向左徑過圖線到水平標度. 然后繼續向下到代表lb/hr的直線并橫穿到右邊找到控制熔爐間的再加料的最大時間. 表添加給熔爐的冷卻合金的數量: lb 熔化金屬在熔爐中要求下降的溫度°F Brass Alloy at 1700°F: 1700°F時的黃銅合金 Aluminum Alloy at 1250°F: 1250°F時的鋁合金 Magnesium Alloy at 1250°F: 1250°F時的鎂合金 Zinc Alloy at 800°F: 800°F時的鋅合金 格3-7. 通過添加諸如合金錠這樣的冷合金或廢鑄件就可以降低受控制的熔爐溫度. 這些圖顯示出為下降到特定的溫度必須添加冷卻合金的重量. 表格3-8. 控制熔爐尺寸, 鑄造速度, 控制熔爐加料間隔, 控制爐溫以及加料金屬溫度必須形成一澆包溫度T2与控制熔爐溫度T1 控制熔爐尺寸大小 個平衡的体系. 這樣一個平衡体系給壓鑄机中的金屬提供了必須的溫度. 控制熔爐容量(C) ● 熔化過程(The Melting Process) 最大加料數量作為控制熔爐容量的百分比 熔化鋁第一步開始就要明白把固態轉變為液態需要能量輸入. 這鐘情況表示在圖示3-2中, 而且被稱為熔解潛熱. 普通合金元素硅、銅、鎂、鋅和鐵的出現對這种能量要求的影響很小. 而且原則上任何差異都可以合理地被忽略. 不同類型的熔爐給要熔化的金屬提供能量在效率方面不同. 在所有熔爐中首先發生的熱傳遞是熱輻射, 之后當 ‘熔化’ 正在進行之中時, 液体和固体內部及液体和固定之間就會發生熱傳導. 小熔爐中的攪動和大熔爐中使用的熔化金屬汲取裝置都會改善熔化金屬的熱傳遞速度, 減少表面氧化物的堆積. 而且既改善了合金成分的同質性, 又改善了熔堝內整個深度范圍內溫度的均勻性. 為減少重金屬元素 --- 鐵、錳、鋅、銅在熔化過程中的分離采用机械方法良好混合特別重要. 最大加料數量lb 圖示3-4. 氫在液体和固体中的溶解度 熔化期間兩种其他的狀況特別重要. 鋁太易受氧化且易受氫的吸收. 注意圖示3-3, 它表明氧化隨著溫度的升高而加劇. 不要讓熔爐的溫度升高失去控制. 氫僅為能溶于熔化鋁中的氣体, 而且它很少能溶于固態鋁中, 如圖3-4所示. 對許多現代壓鑄產品來說, 清除產品中的氣体顯得尤為重要. 如果熔化金屬中有太多氣体, 或者氣体沒有清除掉, 那么在壓鑄件的凝固期間, 夾雜的氣体聚集在空腔內就會形成孔隙或微孔. 因此, 熔化期間充分控制減少氧化(物)和氫吸進熔化金屬中去的過程是必要的. 雜質(Impurities) 在所有的熔化鋁中存在的雜質主要有兩种類型 – 夾雜物和氣体. 夾雜物包括金屬化合物和非金屬化合物, 它們基本上都是氧化物. 當所給金屬元素的濃度超過鋁所能夠溶解的量時, 金屬夾雜物就產生了, 并且形成沉淀. 最常見的是沉渣, 當熔化溫度變低和重金屬元素的濃度升高時, 錳和鉻与鋁和硅一起形成沉淀. 非金屬夾雜物包括總會存在的氧化物, 有時會存在的碳化物和其他耐火材料的碎片. 耐火材料夾雜物是由于熔爐或澆包襯里, 坩堝或其他金屬收集容器和運輸容器的磨損都會夾帶進熔化金屬堝(槽)內. 氫和氧的來源包括: 髒的工具, 潤滑劑殘留物, 礦物(化石)燃料分解, 潮气, 化渣粉, 回爐物及加料混合中不想要的雜質. 應當注意的是所有鋁材都有一層鋁氧化皮. 浮渣實質上是鋁在熔化作業過程中形成的, 浮渣是熔化過程中形成氧化物的累積, 或者是每次投料帶進去的. 因為浮渣的密度或比重低于熔化鋁自身的密度或比重, 因此它會浮在熔化坩堝的上面. 當熔化金屬表面變得太熱, 或者熔爐溫度變得過熱時, 熔化金屬表面就會發生劇烈的氧化. 如圖示3-3所示, 浮渣層會明顯增加. 熔化鋁時總會出現一層薄的氧化皮, 實際上多少起一點保護作用, 防止熔化金屬過度氧化, 太厚的氧化層或浮渣是有害的兩大原因. 首先, 在熔化區域或熔爐的預熱室出現厚的浮渣時, 會嚴重延遲熱傳遞. 其次, 浮渣中富含鋁金屬 – 金屬合金成分約為85%– 大部分合金成分要采用二次加工處理進行回收. 浮渣的處理(Dross Processing) 在熔化、澆注或除气(在本章后面談論)過程中形成的浮渣在大多數壓鑄鑄造厂里都是非常重要的. “白色”浮渣或 “濕”浮渣富含金屬 – 通常含有85%的鋁 – 大部分可加以回收. 這樣壓鑄商就可節約一部分金屬. 熔化過程中產生浮渣的數量根据所加材料的狀況(髒材料与干淨材料), 熔化比及熔爐的實際情況可以少到1%, 多到5-6%, 更高的熔化溫度和熱量會導致更多的浮渣形成. 浮渣可以直接在熔爐中使用合适的化渣粉進行處理, 或者在一個諸如葉輪攪拌的容器中處理, 或者在浮渣壓力机中處理. 浮渣在進行熱處理時使用這些輔助工藝可以在浮渣中回收回來約80%的鋁. 把熱圖示3-5. 不含化渣粉的浮渣具有金屬外觀 圖示3-6. 粉未狀的浮渣殘留物 浮渣耙進一個沒有經過適當處理的接收鍋或模具中會導致浮渣 “鋁熱劑”或自燃 . 這樣就把一次可回收的金屬鋁轉化成了不可再回收的氧化鋁. 圖示3-5和3-6分別為不含化渣粉(富含金屬)和含化渣粉的浮渣. 剛玉(corundum)是在熔爐中形成的另外一种特殊形式的夾雜物. 它是一种具有特殊密度和硬度的氧化鋁. 這种物質一旦帶進鑄造爐及后來的鑄件中, 會引起特別的机械加工難度, 熔爐溫度過高, 負向熔爐壓力使空氣吸入, 高硅耐火材料, 熔爐耐火材料維護和清洁不當都有助于剛玉的形成. 一旦在耐火材料壁上形成剛玉, 它就會快速增大, 而且不能使用机械方法很好清除掉. 圖示3-7中就顯示出了剛玉的例子. 圖示3-7. 一塊由α氧化鋁組成的剛正 沉渣一般是由于碎片的比重或密度比熔化鋁合金的比重或密度更大, 在熔化和控制熔爐過程中沉積形成的. 沉渣會包括很重的氧化鋁, 而且還涉及到一种含有鐵、錳和鉻的特殊金屬間复合而成的沉淀物. 在低溫條件下, 當沉渣成分因素超量時, 這种复合物就形成了. 這种沉渣成分因素的公式表達為: Fe + 2Mn + 3Cr ≤ 1.8 溫度 °F 熔爐控制溫度 當這种因素超量時, 沉渣就會形成, 特別是鑄造爐的溫度低于正常溫度時更易形成. 這种關系描述在圖示3-8和圖示3-9中, 這些圖表定義出了在延長控制時間或鑄造期間為保証不形成沉渣而必須控制的最低溫度. 因此為評估沉渣因素通過分析熔爐中的金屬, 來料認証中的金屬, 以及控制爐和鑄造爐中的金屬就顯得尤為重要. 所有的氧化夾雜物, 剛玉、沉渣和浮渣對于壓鑄件的性質都是有害的. 鑄造流動性、机械性質、表面處理過程以及壓鑄件的机械加工性能都要綜合考慮. 沉渣因素 容許的熔爐沉渣 圖示3-8. 實際出現的沉渣因素決定最低的熔爐控制溫度 因素太高 – 沉渣出現在熔爐中 金屬的傳輸(Metal Transfer) 圖示3-9. 小的沉渣結晶會在鑄勺和/或壓射室中形成. 現代壓鑄厂輸送熔化金屬有很多种方法. 熔化金屬從熔煉車間傳送到承接容器或鑄造爐要么使用排液口, 熔化金屬泵、流槽, 要么使用澆包. 為避免或減化澆注操作中的紊流應遵守簡單的規程. 否則, 金屬在傳送過程中會明顯地被氧化且有氫气吸入. 例如, 在給一個傳送澆包裝料時, 金屬流的高度或深度應減小. 當金屬傳送裝置使用流槽時避免這种問題, 應定期檢查被加熱和被覆蓋的流槽, 而且有必要實施維護清除氧化物的堆積, 熔爐排液口的碎片, 澆注或傳送操作產生的浮渣都應徹底從接收容器中全部撇取. 熔化處理(Melt Treatment) 鋁壓鑄商處理熔化的目的不一樣, 所使用的工藝過程也有很多, 其中包括加化渣粉、除气、化渣粉射入和過濾過程.加化渣粉包括在熔爐以及傳送澆包中使用化學化渣粉. 在熔爐中有很多种不同的化渣粉可用. 可以使用一層化渣粉, 在加料過程中添加, 化渣粉熔化時在熔化金屬表面形成屏障. 這樣就起到保護作用, 防止熔化金屬和添加材料時直接氧化. 在熔爐中添加衝水口后的廢料, 合金錠以及鑄造廢料時, 一層化渣粉可進一步用作吸收清潔劑. 爐壁清潔化渣粉可用來軟化熔爐壁上堆積的氧化物, 便于鏟或棒這些工具在耐火材料上清除氧化物. 浮渣化渣粉可以直接添加到浮渣層中使浮渣層更易破裂, 而且使浮渣中可回收的金屬含量返回到熔化槽中. 加化渣粉的實踐一般應包括如下內容: (1)為完成任務要使用合適的化渣粉; 有很多化渣粉成分可以從許多有聲譽的制造商哪里購買; 保証使用正確的化渣粉. (2)盡可能將化渣粉材料儲存在原裝容器之中, 并在干淨、干燥、室溫條件下保存. (3)一定要使用建議數量的化渣粉, 并遵守化渣粉制造商建議的程序或者由本公司工藝開發人員決定其用量. (4)保証徹底撇取已使用過的化渣粉以及熔爐或作業鑄勺留下的殘余物. 一般情況下, 良好的化渣粉實踐既是一种工藝又是科學. 例如: 在爐襯內使用清潔化渣粉或除浮渣的化渣粉時, 正常實踐是給熔化槽表面均勻添加合適數量的化渣粉, 并徹彽攪拌混合. 之后關閉熔爐門并升高熔爐溫度, 讓化渣粉反應完成. 然后打開門進一步混合化渣粉(不要把新鮮金屬帶入浮渣層內), 然后用一個多孔的撇渣工具撇取已反應的材料. 這樣一個多孔的撇渣工具可以使曾經夾帶進浮渣中的熔化金屬再次會聚返回到熔化槽內. 當在一個開口熔爐、側面爐缸或傳送澆包上處理浮渣時, 和浮渣一起攪拌或混合熔劑一樣應小心使用. 除气是一种用來清除壓鑄合金熔化金屬中氫气的過程, 通過盡量減小熔化金屬過熱溫度可以避免過多氫气聚集. 熔爐或傳送澆包中熔化金屬的除气過程可以通過很多種方法完成, 小的容器可以使用除气熔劑或葯片, 或安裝有 多孔擴散器的噴管. 在一個有效的除氣過程中, 會涉及到某些原理, 由于氫氣才能溶解于 熔化的鋁中, 因此其他氣体、清除或收集氣体一般都可使用或在熔化中產生. 有時稱為化渣粉氣体的清除氣体起著及時 “運載”的作用, 而且對氫原子形成氫气分子提供位置, 對固体夾雜物附著在氣泡上提供位置, 如圖示3-10所示. 氫气有助于吸收這些氣泡, 擴散到它們當中去, 而且由于清除氣泡比熔化鋁自身的重量輕, 因此它們會上升到表面, 氣体就可以釋放出化渣粉產生的氣体 氫氣 夾雜物 圖示3-10. 加化渣粉產生的氣体 來了, 固体化學除氣劑要么根据碳的分解產生二氧化碳, 要么含有氯化物. 例如, 六氯乙烷分解在熔化金屬中立刻產生形成三氯化鋁, 它自身以亞穩定狀態的氣体存在. 除气也可以用噴管, 或者配備有多孔擴散器的噴管. 常用的噴管材料包括石墨或敷有陶瓷的鑄鐵. 在更大的容器或傳送澆包中, 現在常用的除气方法是旋轉除气法. 多孔擴散器和旋轉除气法都具有的明顯優點是: 產生更多更細小的清除气泡. 气泡越細小, 表面面積越大. 氣泡的數量越多, 滯留時間越長. 所有這些因素都增強了除氣效率. 在金屬傳送期間, 由于熱量損失的緣故金屬的溫度下降就會自然發生向外排气現象, 溫度越低, 熔化鋁中溶解的氫气就會越少. 通過投射化渣粉除气的方法壓鑄商用的更廣泛, 通過投射的方法比人工添加化學化渣粉的方法更好, 更利于環境控制. 而且由于混合地更徹低, 所以化學反應會更好, 當化渣粉投射伴隨著轉子擴散一起進行時, 這种狀況特別真實. 化渣粉的投射要求一种諸如氫气這樣的運載氣体, 從容器中用加壓的運載氣体傳送顆粒狀的化渣粉要么通過噴管進入熔化金屬中, 要么用一個空心軸和轉子旋轉化渣粉進入熔化金屬中, 有時使用轉子擴散時, 化渣粉也可以人工添加到處理容器中, 化渣粉投射/轉子擴散過程的關鍵優點是現場處理浮渣. 也就是, 浮渣中夾帶的鋁隨著使用合适的化渣粉, 而再次返回到熔化金屬中去. 除气和投射化渣粉的第二大優點是有效的清潔金屬, 當清除氣体(氮气或氬气)或化渣粉投射運載氣体的氣泡 “穿過”熔化金屬時, 一定數量的非金屬夾附物就可以通過浮選從熔化金屬中清除, 使用活性氣体 (最常用的氯氣或六氟化硫)時, 進一步的有利影響是活性成分降低了夾附物和熔化金屬之間的表面張力. 因此, 使它們變得更易和熔化金屬分离開. 在使用除氣葯片或噴管時, 必須使用鎚頭工具放置葯片, 或者噴管的底端盡量接觸處理容器的底部, 便于取得最佳的結果, 在使用前保証預熱鎚頭工具或噴管. 當使用化渣粉噴射法除气或轉子除氣時, 要根据制造商的建議設置轉子速度、噴射壓力和化渣粉/氣体的用量. 保証所有軟管和設置都處于良好的狀態, 為使轉頭在處理容器中實施其最佳的運作, 應在建議的深度處固定旋轉除气轉子. 保持并監控處理參數(時間、結果)与所要求的特殊工藝結果相一致. 這种狀況可以在壓鑄厂范圍內隨著特殊鑄造要求變化而變化. 過濾是一個多孔的陶瓷体經過熔化金屬, 或讓熔化金屬通過一個多孔的陶瓷体.。 氧化類附物, 耐火材料碎片、剛玉、沉渣, 化渣粉鹽殘留物和其他夾附材料的出現總是對實際壓鑄過程中射入模中金屬的流動性產生不利的影響. 而且, 這些夾附物要對机械加工期間出現的硬痕, 切削工具磨損和破裂負責, 對二次 加工表面處理如: 陽极氧化、磨光和電鍍 中出現的表面缺陷負責. 另外, 夾附物在凝固期間或熱處理過程中, 由于鑄造應力釋放、均一化作用或產生更高机械性質的老化作用形成了有核孔隙.通過在過濾器的輸入面上以及過濾裝置的机体上截獲夾附物的方法從液体熔化金屬中清除固体夾附物. 前者稱為 “蛋糕” 過濾, 后者是 ‘深度’ 過濾, 過濾裝置隨粒度(孔隙大小), 孔隙率的高低(孔隙數量), 過濾裝置的材料和外形及效率的變化而變化. 一般來說, 過濾是一種几率過程, 過濾效率越高, 就要求通過過濾爐膛 流動方向 汲取口 垂直過濾器 圖示3-11. 過濾器安進反射爐的輸出口, 或安進鑄造爐的鑄造部分或加料部分(三室)的例更大. 子. 在壓鑄射料過程中, 不可能直接過濾掉金屬, 相反, 熔化爐中或鑄造爐中的過濾器還需要持續使用. 器的流動率越慢, 孔的尺寸更細, 可用的過濾表面積所有的陶瓷過濾器都要求被熔化金屬持續使用. 所有的陶瓷過濾器都要求被熔化金屬持續浸潤或 “濕潤” 以便持續使用. 被過濾的金屬一般通過過濾放出口的放流、或安裝有過濾器的熔化金屬泵, 或通過安裝有過濾室的流槽系統從熔爐獲得, 呈隔板或 “閘口”狀的附加過濾器(圖示3-11), 耐火材料或所有超過濾作用的中間容器之后都被用于鑄造爐中, 在鑄造爐中, 机械手或人工操作的鑄勺就會直接從過濾容器中帶走被過濾的金屬. 使用過濾器時, 要至少預熱到一定的溫度, 而且某些過濾器要直接安裝進已填滿熔化金屬的熔爐中. 襯墊、密封墊、固定件和其他作業附件都要利于過濾器的安裝和去除. 一段時間以后, 過濾器上金屬堆積, 熱量增加, 阻礙金屬流過過濾器, 此時就需把已有磨損的過濾器變為新的. 有關鋁合金以及鋁壓鑄合金的熔化和處理的附加信息可以在NADCA(北美壓鑄學會)的文件EC-302 “鋁金屬熔化和處理”中找到, 可通過NADCA的網站WWW.diecasting. Org. 查詢. 鎂(MAGNESIUM) 鎂是常用金屬中最輕的金屬. 它是一种可以用于批量生產的金屬. 鎂這种元素存在于各种原材料中, 其中包括: 海水、鹽水、白云石、菱鎂礦、光鹵石. 它們之中都有用之不完的數量. 鎂可以通過很多种方法生產出來, 既可以采用熱還原法, 也可以采用電解法. 像鋁一樣, 電解工藝特別適合于大規模的生產, 而且接下來的膨脹也依賴于電解法. 目前世界產量是每年約410,000公吨, 而且未來的產量還會增加. 壓鑄是一种很好的鑄造方法, 特別適合于全自動、高效、零件重量從几克到15千克以上, 形狀复雜接近网狀結構零件的批量生產. 新型壓鑄鎂應用的開發要求通曉所用壓鑄鎂合金的各种性質, 以及壓鑄過程中可能會出現的各种可能性和局限性. 重要的是產品設計師和模具設計師要密切配合, 保証最終產品會滿足產品規格, 而且模具要設計成最佳的鑄造性能. 鎂基本的壓鑄技朮類似于鋁的壓鑄技朮, 可是, 應清楚知道它們之間有重大的不同點. 主要不同是熔化合金的操作不同, 它們之間的不同不應過低地評价. 鎂和鋁壓鑄合金還具有各自不同的性質, 這樣就要求在射料參數和模具設計方面有所更改. 鎂合金(Magnesium Alloys) 規定(Designation) 歐洲標准: 在歐洲標准中, 鎂合金按如下方法規定: EN --- 歐洲標准 M --- 鎂 C --- 鑄造鎂, B型合金錠 MgAL9 Zn1 --- 主要元素和成分 (A) --- 特殊版本 ASTM標准: 在ASTM標准中, 鎂合金用一個字母數字編碼來規定. 字母表示各種主要合金元素. 緊跟字母之后的數字表明了各种元素的百分比. 最后一個字母會指出此合金的特殊版本. 例如: 合金AZ91D含有9%(重量)的鋁和1% (重量)的鋅, 字母D指明了規格的版本, 壓鑄合金中各种合金元素由字母代碼規定為: 鋁(A)、硅(Si) 、鋅(Z)、錳(M)、稀土元素(E). 合金規格(Alloy Specification) 目前商用壓鑄鎂合金都含有鋁作為主要的合金成分. 鋁可以改善鎂合金的机械強度, 腐蝕性質和可鑄性. 隨著鋁含量的增加, 延展性和斷裂韌性逐漸減小. 隨著鋁含量的減小, 產生出了一個系列的合金. AM系列合金, 廣泛應用于制造汽車安全有關的零部件. 給最常用的壓鑄合金AZ91增加約0.7%(重量)的鋅就基本上改善了合金的強度和腐蝕性質. 加入錳可以控制合金中的鐵含量. 添加多少錳, 一种合金与另外一种合金之間根据鐵和錳相互之間的溶解度不同而有所變化. 高純度合金的基本要求是壓鑄件的鐵含量最大在百一分段值的 .005 . 其它雜質如鎳和銅也必須嚴格受到控制. 改善高溫抗蠕變的性質已得出的結果是合金中添加硅或稀土元素. 這些合金元素組成了金屬間的組分, 這些組分起著穩定晶粒邊界的作用. 在這些合金中, 鋁必須保持在相當低的水平. 鈹加入壓鑄合金中的數量是百萬分之5到15, 它會降低熔化條件下的氧化率. 鎂具有獨一無二的性質. 全部開發利用這些性質時, 為它的結構應用打開了一扇重要的市場之門. 鎂合金的密度是鋁合金的2/3, 而且僅比高強度纖維塑膠的密度稍高一點. 再加上優秀的机械和物理性質以及加工性能和再循環能力, 鎂合金為輕型設計的首選, 鎂的一些物理性質列在表格3-9中. 原子量: 24.31 20°C的密度: 1.74kg/dm 熔點: 650°C 沸點: 1107°C 熔解熱: 0.37MJ/kg 氣化熱: 5.25MJ/kg 20°C時的比熱容: 1.03KJ/(kg‧k) 20°C時的熱傳遞性能: 155W/(Km) 20-100°C時的線型膨脹系數: 26‧10K 彈性(系數)模量: 45Gpa 表格3-9. 純淨鎂的物理性質 (Physical properties of pure magnesium) 鎂合金可以分成兩個組: 砂型鑄造合金, 利用添加少量金屬鋯引起的特別細小晶粒結構的有利影響, 第二組是壓鑄合金, 鋁元素是主要的合金元素. 這些合金的成分和机械性質列在表格3-10和3-11中. 它們的熔化范圍和鑄造溫度表示在圖示3-12中. 使用最多的壓鑄合金是AZ91, 它表現出了優秀的可鑄性, 高強度和中度延性. 除特殊性質的要求外, AZ91合金一般總是首選的壓鑄合金. 對于要求有更大的破裂韌性之應用, 且之后能吸收不失效的熱量的, 含有更少鋁含量的AM系列合金已開發出來. 已發現AM60和AM50在安全件方面有廣泛應用, 如: 汽車儀表板支架, 方向盤附件和座椅部件. 某种程度上, 鋁含量減小時可鑄性縮減. 因此, 要求合金具有高鋁含量的性質時應有所選擇. 就其應用而論, 如果長期處于溫度超過120°C的環境中, 就應注意這种合金的抗蠕變性質, 已開發出的AS和AE系列合金在溫度達到150°C時都表現出良好的抗蠕變性質. 這些抗蠕變的合金中要么添加了硅, 要么添加了稀土元素. 它們促使細小分散的顆粒在晶料邊界成形. 這些合金在室溫條件下也具有良好的机械性質. 表格3-10. 化學成分 (壓鑄件的規格) -6-13合金 AZ91D 1) AM60B 1) 鋁 錳 鋅 硅 0.10 0.10 銅 0.030 0.010 鎳 0.002 0.002 鐵 0.005 0.005 其它每種元素最多 0.02 0.02 8.3-9.7 0.15-0.50 0.35-1.0 5.5-6.5 0.24-0.6 0.22 AM50A 1) AM20 ) 24.4-5.4 0.26-0.6 1.6-2.6 min. 0.1 3.5-5.0 0.35-0.7 1.8-2.6 min. 0.1 3.5-4.5 min. 0.1 0.22 0.2 0.12 0.2 0.2 0.10 0.10 0.50-1.5 0.7-1.2 0.10 0.010 0.010 0.02 0.010 0.02 0.002 0.002 0.002 0.002 0.002 0.004 0.005 0.0035 0.005 0.005 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 AS41B ) 1AS21 2) AE42 ) ) 231> ASTM B94-94. 2> 建議值. 3> 稀土元素所包括的元素有: 鈰、鑭、鐠和釹, 2.0-3.0%. 表格3-11. (單個壓鑄試驗條材)在室溫時的机械性質 性質 极限抗拉強度 屈服強度 斷裂伸長 單位 Mpa Mpa % AZ91 250 160 7 AM60 240 130 13 AM50 230 125 15 AM20 210 90 20 AS41 240 140 15 AS21 220 120 13 AE42 230 145 11 1> 壓鑄件的机械性質取決于相關的制造變量. 2> 擺式無槽條材. 圖示3-12. 壓鑄鎂合金的熔化范圍和代表性的鑄造溫度. 鎂的熔化和處理( Magnesium Melting and Handling) ‧ 合金的化學性質 (Alloy chemistry ) 早在二十世紀八十年代初就引入了 “高純度”這樣一個名詞朮語, 它可以用來描述合金的雜質, 如鐵、鎳和銅含量很低. 由于這些合金的高度抗腐蝕性能. 因此這些合金已變得非常受歡迎, 而且今天還有高純度型式的常用鎂壓鑄合金. 為了讓合金中的鎳和銅含量保持較低水平, 就必須仔細挑選原材料. 另外, 加工熔化金屬所用的設備一定不要含有鎳或銅, 因為鎂的熔化通常是在由鐵或鋼組成的設備中加工, 所以要特別注意熔化金屬中鐵的濃度. 合金錠中鐵含量的高低在合金熔化過程中通過添加錳而控制在0.004%以下. 這种額外添加的金屬与其他合金元素聯合在一起共同使液体中鐵的含量減小. 通過清除金屬間顆粒含有鐵和錳与其他合金元素聯合在一起形成的沉淀和沉淀物的方法清除過多的鐵. 經過這樣的處理之后, 在所選的鑄造溫度條件下鐵在合金錠中就處于飽和狀態. 這樣, 如果避免過高的溫度變化, 并維持极小的錳含量, 那么壓鑄車間里合金錠的熔化就不會導致被拾取. 目前壓鑄机使用各種各樣的熔化, 運輸及計量熔化金屬的体系. 當液体金屬通過這些系統時, 就會經受复雜的熱加工, 最終變成成品. 溫度的變化會影響合金的化學性質. 如表格3-12所述. 鋁: 長期控制熔化金屬會發生少量鋁丟失, 究其原因是金屬表面的氧化層形成過程中可能富含鋁. 鋅、硅和稀土元素: 鋅、硅和稀土元素(RE = 鈰+鑭+鐠+釹), 全都在熔化鎂合金中具有很高的可溶性. 而且它們的濃度在整個熔化和處理操作過程中一般都保持一致. 鈹: 添加百万分之5-30的鈹可以減小熔化合金表面氧化率. 操作熔化金屬期間由于它最优氧化, 所以最易滅失. 熔化金屬的熱循環或坩堝內發生金屬著火時, 這种金屬元素更加快速地滅失. 錳和鐵: 給鎂合金中添加錳是為了把鐵的溶解度降低到規定最大值以下, 當溫度降低之時, 錳和鐵的含量會快速減小; 溫度再次升高之時, 它們的含量會慢慢增加. 這种情況反映出了沉淀(物)速率与金屬間化合顆粒溶液之間的不同點. 由于坩堝壁可分解出鐵來, 与更高鐵和更低錳含量形成一种平衡, 所以錳和鐵的含量沒有必要恢復到原來狀態. 鎳: 鎳特別有害于鎂合金的抗腐蝕性能, 而且在最終的成品中必須到最大含量0.002%(合金錠中含量0.001%). 鎂合金中鎳的溶解能力很大, 而且如果使用高鎳不鏽鋼加工設備的話, 還會從設備中拾取鎳. 銅: 盡管容許极限遠遠高于鎳, 但是銅仍降低了鎂合金的抗腐蝕性. 銅套等再循環件的污染會引起銅的濃度高于允許的最大. 表格3-12. 熱工藝過程對合金化學性質的影響 金屬的清潔度 (Metal cleanliness ) 商用鎂合金會含有不同的金屬間和非金屬間化合而成的夾雜物. 為了確定合金清潔度, 已根据過濾一定數量的金屬并測量收集在過濾器(圖示3-13)上的過濾物開發出了金屬品質評估技朮. 使用此設備測量, 在合金錠中發現了各种類型的夾雜物, 如表格3-13所示. 真空 襯圈 鋼制容器 有害物 金屬間化 合顆粒 鹽 顆粒 水泥 過濾器 起源 除鐵過程中 產生的沉淀 電解 与空氣反應 (金屬著火) 与空氣/六氟化硫特征 0.5至15um的 晶体顆粒 氯化鈉(鈣、鎂、鉀) (通常附著在氧化物上) 集結成1至100um 的顆粒 長、薄膜. 0.1-1um厚 10-150um長 氧化物/氮化物顆粒 過濾器杯 氧化膜 (二氧化硫)混合氣体反應 圖示3-13. 夾雜物抽樣設備圖. 繪制出了熔化金屬樣品流經過濾器時滯留的夾雜物 表格3-13. 鎂合金中一般夾雜物的調查 熔化設備的設計 ( Design of melting equipment ) 供應壓鑄的鎂合金錠一般都是4-12千克重. 在壓鑄車間, 合金錠被預熱并熔化, 然后把熔化金屬傳送到壓鑄机上. 就冷室机而言, 需要一台單獨的計量机(或手動鑄勺)給壓鑄机供料, 為保証高質量熔化合金以准確的數量和鑄造溫度供給壓鑄机, 正確、安全的操作程序是极端重要的. 很多年以來, 鎂合金錠都是人工加入熔化爐中而且熔化鎂是用手工鑄勺舀到壓鑄机上. 在熔化金屬表面上使用具有保護作用的化渣粉以防止氧化, 鎂合金錠通常放在熔爐頂部預熱. 質量更高的鑄件以及熔化金屬更安全和更少的人工操作的要求已產生了高度自動化的設備, 具匯集作用的熔化裝置, 可以購得的熔化裝置一般是一台熔化裝置為一台壓鑄机給料. 也就是一台熔化裝置是各壓鑄机在作業中所必需的. 使用化渣粉起保護作用基本上全部被使用含有六氟化硫或二氧化硫的混合保護氣所代替. 合金錠的預熱和加料 (Ingot preheating and charging ) 合金錠在加到熔化金屬中之前應至少預熱到150°C, 以防潮氣進入液体金屬中, 當前在使用之中的預熱裝置很多, 既有電爐, 也有燃气/油爐. 自動把合金錠加入熔化金屬中要盡可能使熔爐中的金屬保持一個穩定的高度. 這樣可以改善金屬表面的保護作用, 因為液体金屬表面的高度頻繁波動會在坩堝壁上留下金屬殘余物, 引起氧化物堆積和結疤. 另外, 液体金屬高度下降會消耗掉更多的保護氣体. 熔化和混合爐 (Melting and holding furaces) 鎂在熔爐中通過電阻、電感、油或气的加熱方法熔化. 燃氣爐在美國廣泛使用, 因為氣体的成本相當低. 可是缺點也不少. 例如: 由于受熱部位起皮, 加劇了坩堝磨損. 由于潮氣形成的高濕使電阻加熱爐的使用迅猛增加. 在歐洲電阻加熱爐一直處于优勢. 電阻加熱爐操作技朮簡單, 而且溫度控制精確. 熱電偶既可定位于熔化金屬之中, 又可定位于供熱元件附近, 以防過熱. 電阻加熱爐包括一個外部的鋼罩和含有懸挂電阻線的陶瓷絕緣層. 可以使用各种類型的陶瓷材料. 在選擇材料時, 應當考慮材料的熱傳導性、比熱和密度. 重要的是要注意含硅高的陶瓷會和熔化鎂劇烈反應. 高硅陶瓷不應用于直接和熔化鎂的設備上. 為了避免熔化金屬溢出, 一個由鋼制成的安全容器應和熔爐結合在一起承接萬一坩堝破裂流出的金屬. 熔爐設計的祥情各個供應商都有變化. 對于有效的熔爐設計來說, 熔化鎂合金所消耗的能量(包括預熱)大約是每1000千克的金屬熔化需400到500千瓦時, 理論上最低能量是310千瓦時, 把合金錠預熱到150°C需要消耗總体能量的15%. 坩堝(Crucibles) 坩堝一般由碳素鋼或無鎳低合金鋼鑄造或軋制而成. 對于耐熔化性能, 坩堝的外側容易受到耐熱元素的影響. 而且為了防止起皮, 可以使用耐熱不鏽鋼外包層. 除過增加坩堝的壽命外, 這樣還能預防熔爐底部結疤聚集. 假如金屬泄漏將是有害的. 有一种外包層的替代方法是使用前把坩浸入熔化鋁中給坩堝塗上一層鋁. 坩堝應定期檢驗, 具有代表性的是一個季度一次. 應建立坩堝報廢的標准. 習慣上當坩堝壁厚減少到小于原有厚度一半時就要報廢. 目視檢驗還應包括坩堝內、外表面裂痕的探測. 檢驗前應清除任何一處出現的結疤. 每一個坩堝都應有一張檔案卡片, 祥細記錄諸如使用時間, 壁厚測量值, 修理等信息. 坩堝面蓋 (Cover lids ) 為防翹曲變形, 面蓋應用至少10mm厚的鋼板作成. 翹曲的面蓋會引起保護氣体泄漏, 從而增加了保護氣体的消耗. 蓋子還可以用肋材加固. 在坩堝和面蓋之間應使用耐火纖維襯墊. 在坩堝蓋上必須給熔化金屬的檢驗和清潔開口, 并給添加合金錠, 插入導管、熱電偶、計量裝置等留下開口的地方, 建議使用水平滑動的開口, 因為當開口打開時保護气体損失較少, 為防止空氣進入一定要密封開口, 而且在關閉開口之前應清除溢出的金屬. 熔化金屬表面的保護 (Melt surface protection) 從保護性的化渣粉(熔鹽混合物)到無化渣粉的熔化變化, 借助的是含有SF6或SO2混合氣体, 它代表著鎂壓鑄業的主要進步. 無化渣粉的熔化優點包括沉渣減少, 且損失更少的金屬, 鑄件中沒有化渣粉的污染, 改善了鑄造車間內的大氣環境. 六氟化硫和空氣的混合氣体中, 六氟化硫正常使用的体積占0.2%, 還可以使用或不使用二氧化碳氣体. 可是對于密封很好的熔爐來說, 六氟化硫的濃度可以減少到0.1%. 為避免坩堝上的腐蝕和磨損, 并且減少氣体的消耗量, 空氣應干燥到水分按体積小于0.1%. 如果所用六氟化硫的濃度高于0.5%, 那么就會發生坩堝磨損現象, 特別在高溫條件下更甚. 如果六氟化硫的濃度超過百分之几, 那么坩堝內就會發生劇烈的反應(爆炸). 這樣, 氣体混合必須仔細控制并應使用混合氣体的失效警報裝置. 有蓋的坩堝不應使用純淨的六氟化硫. 含有六氟化硫的保護性混合氣体相當昂貴, 而且六氟化硫還產生溫室效應, 所以它的排放應盡量降低, 為了減小氣体的消耗量, 氣体導入管應為鋼導管, 固定在蓋子下面, 使气体進入坩堝內. 導管按一定的間隔應有數個直徑為1mm的排氣口. 為保証金屬的有效保護, 金屬的表面高度應接近氣体分布導管. 金屬的高度在坩堝蓋下面100mm, 建議排氣口的氣体速度為5-10米/秒. 為保証氣体均勻分布, 表格3-14給出了建議數值. 如果一個混合氣點給几個熔爐供气, 那么各個熔爐都必須使用一個流量控制裝置. 建議的氣体消耗量 全部(總的)排氣口面積 供气導管的大小 2大約是10升/分鐘 0.15-0.30 cm (直徑為1mm的排氣口有20-40個) 1.0-1.5cm (10-15mm的內徑 22表格3-14. 0.2%的六氟化硫混合氣体散布于1m的熔化表面. 熔化金屬的運輸和計量 ( Transport and metering of molten metal ) 和熔化鎂一起使用的設備,可以由選擇的鋼材建成的事實簡化了它們的設計和結構. 而且各种各樣的計量系統都已開發出了許多年了. 為金屬傳送系統所共有的是泵和加熱鋼導管的組合. 泵可以是氣壓泵、活塞式泵、离心式泵、電磁泵或重力泵. 導管要么由電阻線圈來加熱, 要么靠導管自身的電阻來加熱. 提供給冷室壓鑄机使用的計量系統需要的是高精確度和穩定的熔化溫度. 金屬傳送和計量系統根据電阻線圈加熱導管的概念使用. 導管由無鎳不鏽鋼組成, 在導管的內部纏繞著電阻加熱元件. 纏繞一層不鏽鋼線圈, 緊接著為25-30mm的絕緣層, 外層為不鏽鋼外罩. 作業期間, 導管總是填滿了熔化的金屬, 這樣防止氧化物堆積. 無閥式傳送導管(靠重力作用)和計量裝置像排氣泵一樣使用(圖示3-14) 壓鑄机 熔爐 混合爐 傳送導管 計量泵 輔助設備 (Auxiliary equipment ) 圖示3-14. 傳送導管和計量泵 鎂合金熔化設備的日常操作要求各种工具和設施: 化學分析壓鑄樣板的模具 一把抽樣金屬的小鑄勺 清除表面浮渣的撇渣工具 從坩堝底部清除沉渣的工具 裝有蓋的鋼制容器, 通過比蓋供應保護性氣体. 此容器用來收集浮渣和沉渣. 容器最好是能夠快速冷卻浮渣和沉渣. 實際操作 ( Practical operation ) 鎂合金熔化期間不使用化渣粉, 會在金屬表面形成一層浮渣. 這層浮渣必須定期清除. 清除浮渣的間隔長短有賴于進給材料的質量和預熱, 熔爐的設計和熔化金屬的生產量. 當熔化的合金錠品質良好時, 每天清理一次液体金屬表面就足夠了, 然而熔化較低等級的材料時, 如壓鑄操作過程中產生的水口料和垃圾位, 就需要頻頻清除浮渣. 定期仔細清除坩堝壁上的殘留物是非常重要的. 殘留物在坩堝壁上過量堆積會引起劇烈反應. 熔爐底部形成的沉渣是由于溫度變化太大導致表面金屬氧化(燃燒)和/或金屬間顆粒形成沉淀. 隨著操作過程的優化, 沉渣的數量會降低, 而且建議每次清潔表面時都要檢查一下沉渣的狀況, 因為沉渣的堆積會降低熔爐的熔化能力, 還會引起鑄造問題, 對于熱室机來說, 要求合理設計工具以便在鵝頸下面就清除沉渣. 為檢驗和清潔液体金屬表面而打開坩堝蓋上的開口時, 就會干扰坩堝內的保護氣体. 這樣, 清潔液体金屬表面時就必須使用附加的供氣裝置. 清除出來的浮渣和沉渣在空氣中會著火, 因此應存放在有少量保護氣体的密封容器內. 在坩堝內用過的工具用過之后也要放于密封容器內, 防止殘留金屬著火. 一般來說沒有必要給工具供應保護性的氣体. 控制熔化金屬溫度所用的熱電偶應定期檢查避免過熱. 熔化金屬過熱會使合金的化學成分偏离規格, 因為鐵含量會增加, 再把熔化合金降回到鑄造溫度又會引起錳沉淀, 剩余的錳含量就會降到規定的最小值以下. 如果在周未停机(或其他時間停机)金屬溫度下降時, 合金液相溫度和它的起始熔化溫度(大約400-600°C)之間的溫度范圍應避免. 在這樣一個溫度范圍內, 一少部分熔化金屬的鋁含量升高, 導致鋼制坩堝受到腐蝕. 清潔和檢驗之前, 坩堝內的金屬必須被倒空. 建議此時應并排放著二個坩堝。 熔化金屬在氣体的保護下要么使用人工鑄勺﹐ 要么使用抽吸泵裝置從舊坩堝內傳送到新的、清潔的并預熱的坩堝內。 使用空坩堝時建議蓋上坩堝蓋子﹐并開始預熱前在冷坩堝內要裝置滿合金錠. 當合金錠開始熔化時, 必須提供保護性的氣体, 合金錠完全熔化時, 可以多添加几塊已預熱過的金屬使熔化金屬的高度達到要求的高度. 設備的清潔 ( Cleaning of equipment ) 用來熔化鎂合金的所有坩堝用完之后都會有殘留金屬留在坩堝上, 熔化金屬過程中所用的每件工具也是如此. 這些殘留鎂可以用鹽酸和水稀釋成1:10的酸溶液清除掉. 而導管中的殘留鎂則通過泵入酸溶液流經導管后清除掉, 用鹽酸清潔會有氫氣形成, 必須注意通風. 再循環 ( Recycling ) 所有常用的鎂壓鑄合金都可以再循環. 選擇合适的再循環工藝過程, 不同類型的回爐廢料都可以恢复到原有的金屬質量. 回爐廢料由垃圾位、直澆口、流道、批鋒、溢流槽、浮渣、沉渣、廢品、服役期滿的舊部件組成. 在這些回爐廢料中, 廢品、垃圾位、直澆口和流道最容易再循環, 因為它們相當干淨且無氧化物. 加工碎屑、批鋒、溢流槽、浮渣和沉渣都含有相當多的氧化物并要求在再循環期間特別注意. 服役期滿的舊部件在大多數情況下都會覆蓋一層油或油漆, 必須在熔化前清除掉. 另外, 必須注意避免鑄件中的襯套等金屬污染. 在當前所使用的各种再循環工藝過程中, 有使用精煉化渣粉的方法和不用化渣粉的方法兩种. 回爐廢料首先在有化渣粉保護的情況下熔化, 然而使用和原始金屬相同的精煉和鑄造熔爐里精煉, 最終的產品符合原始金屬所有的規格, 而且最終鑄件的特性与原始金屬產生出來的特性難以區分. 今天, 有很少几家壓鑄廠自己搞回爐廢料的再冶煉工作. 一般來說, 這樣的操作包括環境控制在內的資金成本相當高, 不會吸引人們投資, 為保証同一冶煉系統中冶煉出來的金屬質量, 還要求有特殊的設備. 安全注意事項 ( Safety precautions ) 在熔化金屬的操作過程中, 由于劇烈操作或金屬与潮氣發生反應, 都會發生金屬飛濺現象. 這樣 ﹐操作者必須受到不可燃燒的衣服和鞋、頭盔、防護眼鏡及面罩的保護. 所有加料到熔化金屬中的合金錠都必須預熱到150°C, 所有在熔化金屬中使用的工具都必須是干燥的并經預熱的. 如果在熔化金屬中使用空心工具, 那么這些工具一定不能夾附著潮氣, 不然會引起熔化金屬爆炸. 熔化金屬可能飛濺的地方都應使用收集熔化金屬偶然飛濺的安全容器. 這樣的安全容器應用在各個含有熔化金屬的熔爐下面, 以及壓鑄机上壓射司筒和模具的下面. 熔化金屬飛濺到混凝土地板上時由于吸取了地板中的潮氣, 因此會發生劇烈的反應. 假如熔化金屬著火手邊應有滅火劑, 滅火劑可以是100%的干砂或化渣粉, 蓋在燃火表面, 這樣可以防止与空氣中的氧氣接觸. D型滅火劑可供鎂著火時使用, 千萬不能使用水、泡沫、二氧化碳和四氯化碳. 壓鑄鎂的其他信息可在NADCA的出版物#201中找到. NADCA匠鎂壓鑄手冊, 其网址是WWW. diecasting.org. 鋅 (ZINC) 鋅由于多种原因, 消費品的壓鑄已變成了主要產業. 一個主要原因是壓鑄鋅合金有非常良好的 “工程”性質, 這些性質包括, 但不僅限于此: 抗拉強度、衝擊強度、傳導性、剛性韌度、抗凹、軸承用材、尺寸精確、表面外觀. 和其他金屬特別是鋼、鋁和黃銅相比較時, 鋅合金的抗蠕變性特別差. 然而, 与其它模制材料如熱塑性塑料相比, 鋅合金的抗蠕變性實際上還是非常好的. 產生惊人复雜形狀的能力是鋅壓鑄件的主要優點, 鋅合金最接近任何一种能模制出形狀可与熱塑性塑料相比的金屬合金体系. 鑄造形狀的复雜程度遠遠超過其他制造過程如板材衝壓, 擠壓或机加工. 而且, 和其他制造過程比較, 形狀特別复雜帶來的是很少的成本損失. 鋅壓鑄件上可能有的優良表面處理是任何其它一种可壓鑄的金屬所不會超過的. 電鍍(最常用的是鉻和鎳)和噴油或噴粉表面處理可以等于或超過模制塑膠件上類似的表面處理的美學品質. 另外, 鋅壓鑄件不僅僅給出的是美觀、令人高興的表面處理, 与此同時還提供給產品具有金屬的工程結構. 低成本是鋅壓鑄件的另外一個主要的優點, 總的來說, 鋅不是特別便宜的材料, 但是壓鑄過程卻使鋅實現了成本最低. 鑄造复雜形狀包括產品的美學和結構要求的能力, 在最終的消費品上降低了附加部件和复雜程度的要求. 因此, 即使壓鑄件不便宜, 但有利于產品成本在其他方面的減少, 因而實現成本的有效性. 鋅合金可以被鑄造地非常薄. 只要模具、過程工程和過程控制合适, 壓鑄件的壁厚0.5mm(0.020英寸)都是可行的. 由于這樣薄的零件壁都可以鑄造, 因此制造重量更輕, 成本更低、結構勝過注塑件成為可能. 鋅合金 ( Zinc Alloy ) 鋅合金可分成三個合金組. 第一組包括的合金為2號、3號、5號和7號. 所有這些合金中都有約4%的鋁作為主要的合金成分. 而且為了控制晶間腐蝕, 還含有少量鎂. 除過7號鋅合金与3號鋅合金的銅含量相同外, 第一組合金的差異就是銅含量有差異. 合金的銅含量越高其硬度越高, 但其衝擊強度越低. 7號合金通過提高純度并增加一點點(0.005%-0.020%)的鎳得到了改善的性質. 第二組包括的合金為ZA-8、ZA-12和ZA-27, 其中數字代表了合金中鋁的百分含量. ZA合金有极高的硬度和抗蠕變性, 并隨著鋁的增加提高了耐磨性. 應當注意的是ZA-12和ZA-27兩种合金必須用冷室机鑄造. 第三組只有一种合金ACuZinc, 它的主要合金成分是銅. ACuZinc(學朮上稱ACuZinc TM5)是机動車特制合金. 所有合金的合金成分如表格3-15所示. 世界上各個組織都已對這些合金指定了各种不同的牌號, 由國際鉛鋅研究學會出版的<<鋅合金的工程性質>>一書列出大多數合金牌號. 表格3-15. 鋅壓力壓鑄合金的成分(%重量) Alloy Designations合金牌號 化學元素 鋁 #2 2.5-4.3 #3 3.5-4.3 #5 3.5-4.3 #7 3.5-4.3 ZA-8 ZA-12 ZA-27 ACuZinc 8.0-8.8 10.5-11.5 25.0-28.0 2.8-3.3 鎂 銅 鐵(最大) 鉛(最大) 鎘(最大) 錫(最大) 鎳 鋅 0.02-0.05 0.02-0.05 0.03-0.08 2.5-3.0 0.10 0.005 0.004 0.003 － 余量 0.005-0.020.015-0.030.015-0.030.010-0.020.025-0.050 0 0 0 0 0.80-1.3 0.75 0.006 0.006 0.003 － 余量 0.5-1.2 0.75 0.006 0.006 0.003 － 余量 2-2.5 0.75 0.006 0.006 0.003 － 余量 2.8-3.3 0.75 0.005 0.004 0.003 － 余量 0.25max 0.75-1.25 0.25max 0.10 0.005 0.004 0.003 － 余量 0.10 0.005 0.004 0.003 － 余量 0.75 0.003 0.002 0.001 0.005-0.020 余量 注: 鋅合金壓鑄件可能會分別有0.2、0.2、.035、0.5%的鎳、鉻、硅和鎂 . 還沒有注意到這些元素由于此濃度而產生有害影響. 資料來源: 國際鉛鋅研究會出版的<<鋅合金的工程性質>>. 合金特性( Alloy Characteristics ) #2 鋅合金 (Alloy 2) #2鋅合金的開發和利用早于#3鋅合金. 而且在所有含有4%鋁的鋅合金中是強度最高、硬度最硬的. 它的高銅含量使得它比#3鋅合金強度高25%, 比#5鋅合金高10%. 老化之后它能在這一組中保持較好的抗拉強度, 而且尺寸也是較穩定的. 然而, #2鋅合金卻隨著老化損失掉了一部分衝擊強度和硬度. 高銅含量還要求把打澆口的廢料分离. 由于這些, #2鋅合金只有在#3鋅合金或#5鋅合金的最終使用強度或硬度不足時才使用. #3 鋅合金 (Alloy 3 ) 在所有的鋅壓鑄合金中, #3鋅合金的使用最廣泛, 總共約占鋅壓鑄總吨數的85%, 它极佳的物理和机械特性, 可鑄性, 可電鍍性以及尺寸的長期穩定性都使得它成為應用中的首選. #5 鋅合金 ( Alloy 5) #5鋅合金由于添加了1%的銅, 因此它比#3鋅合金更硬, 強度更大, 抗蠕變性更好, 然而, 銅卻降低了延展性并使得它必須分离打澆口的廢料. 但是, 當#3鋅合金的強度、硬度或抗蠕變性不充分時, #5鋅合金就是你合理的選擇. #7 鋅合金 (Alloy 7) #7鋅合金和#3鋅合金主要的不同點是鎂含量低, 鎂含量低改善了流動性, 使它能在較低的溫度條件下鑄造. 鑄造效率更高, 与此同時取得更佳的黑胚表面處理. 降低表格3-15中鐵、鉛、鎘和錫的含量, 從而提高合金的純度, 那么鎂的含量就被減小. 要想得到高純度的合金, 必須使壓鑄商在他/她的金屬熔化和操作規程方面更加努力. #7合金還可以稍微改善延展性, 這樣可以要求修整鋼模更好地配合, 防止批鋒彎曲而不是折斷. 流動性太高還會使壓鑄模的批鋒控制難度更大. ZA-8 合金 ZA-8合金是所有ZA合金中唯一能用熱室壓鑄机壓鑄的合金. ZA-8合金的抗蠕變性最強(是#3鋅合金的三倍), 而且強度最大, 硬度最硬. 通常用于結構和高壓力方面, 盡管它的鋁含量很高(8%), 但是這种合金仍能用普通技朮電鍍. ZA-12合金 ZA-12合金有极佳的可鑄性, 但是必須用冷室壓鑄机壓鑄. 它具有杰出的抗蠕變性, 以及超強的耐磨性 。有時會清除另需提供支承或耐磨表面鑄件中的鑲入物. ZA-12合金比上頁中那些4%鋁的鋅合金具有更低的密度, 在質量上更具優點, 它為可電鍍合金. 有些情況下, 為協助克服合金緩慢給料的特性, 有必要增加壓鑄机的鎚頭壓力. ZA-27合金 ZA-27合金在所有的鋅合金中強度最強, 硬度最硬, 抗蠕變性最強, 耐磨性最好. 而且它是最輕的, 密度介子鋼和鋁之間, 但是, 像ZA-12一樣, 必須用冷室机壓鑄, 且最難電鍍, 混合爐需要攪動, 使合金成份保持不分离的狀態. ACu Zinc合金 盡管混合爐要求攪動以保持合金成分不分离, 但它仍能用熱室机壓鑄. ACu Zinc合金和其它鋅合金相比机械性質卓越. 它的硬度較大(118布氏硬度), 抗拉強度較大(59Ksi), 揚氏模量更高(14.5x106psi). 而且抗蠕變性最強(在3.600psi壓力和300°F溫度條件下710小時才會斷裂). 抗蠕變性几乎是ZA-8合金的七倍. 性質( Properties ) 鋅壓鑄合金和黑胚室溫條件下的物理性質和表格3-16所示. 老化后的机械性質如表格3-17所示. 從表格中可以看出, 鋅合金具有极好的性質. 這些性質加上壓鑄過程的效率已經成了很多應用的選擇材料. 表格3-18和3-19是它們与其他一般性的工程材料比較的代表性性質. 表格3-16. 鋅壓力壓鑄合金的物理性質 Alloy Designations合 金 牌 號 物理性質 密度, 磅/英寸 凝固收縮% 凝固溫度范圍°F 3#2 0.24 1.25 734-715 #3 0.24 1.17 728-719 15.2x10 -6#5 0.24 1.17 727-717 15.2x10 -6#7 0.24 1.17 728-717 15.2x10 -6ZA-8 0.227 1.1 759-707 12.9x10 -6ZA-12 0.218 1.25 810-710 14.4x10 -6ZA-27 0.181 1.25 903-708 14.4x10 -6熱膨脹 英寸/英寸.°-615.2x10 F 比熱容 BTU/lb.°F 比熱容 BTU/in. –F deg. -30.10 0.10 0.10 0.10 0.104 0.107 0.125 0.024 0.024 0.024 0.024 0.024 0.023 0.023 BTU/in. -hr–F deg. 導電率, %IACS 電阻率, 微歐. 英寸 260.5 25 － 65.3 27 2.5 62.9 26 2.6 65.3 27 － 66.3 27.7 2.4 67.1 28.3 2.4 72.5 29.7 2.6 資料來源: 國際鉛鋅研究會出版物<<鋅合金的工程性質>>. 表格3-17. 鋅壓力壓鑄合金的机械性質 Alloy Designations 合 金 牌 號 物理性質 极限抗拉強度, KSI 屈服強度, KSI 伸長率% 硬度, 布氏—500kg 2 48 － 2 98 3 35 － 16 72 5 39 － 13 80 7 41 － 18 67 ZA-8 43 32 20 91 ZA-12 45 35 10 91 ZA-27 52 46 3.0 100 抗剪強度, KSI 抗壓強度(0.1%偏差), KSI 46 93 5 8.5 31 60 41 6.9 38 87 40 8.2 31 60 41 6.8 33 25 13 15 34 27 14 － 37 37 3.5 21 衝擊能量(無凹口的條材0.25in x 0.25in ) ft-lb 疲勞強度(5x10循環), Ksi 8這里所示合金是在203°F條件下老化10天的數据, 它是使用性能方面最具代表性的. #2, #3, #5, #7合金不存在屈服強度, 資料來源同上. 表格3-18. 鋅合金和其他工程材料部分性質的比較 材 料 壓鑄合金 #3鋅合金 ZA-8 ZA-27 380鋁 AZ91鎂 鋼板 拉制品質 高強度低合金鋼 粉未狀鐵 塑膠 ABS 抗拉強度 35 43 52 45 34 40 60 屈服強度 － 32 46 23 23 25-35 60 70 楊氏模量 6.3 12.4 11.3 10.3 10.3 29.5 29.5 17.5-19.5 1.0 8 － 聚碳酸酯 尼龍6(30%玻璃鋼) PET(30%玻璃鋼) PBT(30%玻璃鋼) 9 22 21 18 蠕變模量 73°F － － － － 1.0 1.5 2.0 2.5 表格3-19. ZA-27合金和部分塑膠的部分性質比較 材料 合金 ZA-27 塑膠 乙縮醛 ABS 聚碳酸酯 聚碳酸酯(%20玻璃鋼) 尼龍6 (30%玻璃鋼) PET (30%玻璃鋼) PBT (30%玻璃鋼) 212°F 550 疲勞強度 伸長率% 3,500 400 － － 800 600 － 900 15,000 － 150 100 － 300 250 200 32 － － － － 7 6 4 40 － － 440 310 － 350 鋅壓鑄合金和塑膠相比還具有超強的電鍍脫皮強度. 如果可電鍍塑膠的脫皮強度為1, 那么#3鋅合金的脫皮強度就為4, ZA-8, ZA-12和ZA-27合金的脫皮強度就分別是3.5, 3和1.75. . 鋅合金的熔化和處理 ( Zinc Melting and Handling ) 鋅合金或個別的合金成分以合金錠、棒材、線材、顆粒狀或其他合適的固体形式抵達壓鑄厂. 固体材料必須被熔化成為合金然后送到壓鑄模中. 合金 (Alloying ) 壓鑄商可以采購准備熔化和鑄造的鋅合金. 或者也可以采購純鋅(符合ASTM B6的特殊高精度鋅)棒、鋅錠或鋅塊和制造鋅合金. 合金成分鋁、銅、鎂可以單獨得到或者根据ASTM B327-98作為標准合金. 標准合金作為顆粒、棒材、錠或大錠塊供應. 通常, 壓鑄操作一定要從制造合金中獲取大量經濟效益. 其他方法包括使用截斷的EC(導電)級鋁線和純鎂. 如果壓鑄商自己制造合金, 他們必須有設備并要培訓相應人員. 設備包括一台單獨的熔爐, 用它熔化鋅并混合合金成分. 一般是先熔化純鋅, 然后添加標准合金. 也可以把合金元素, 主要是鎂單獨添加. 用一把長手柄, 翻轉并多孔的錐形工具把固体鎂浸入鋅熔化爐中. 此工具要人攪動, 而且一直到鎂熔化都要浸在熔化金屬表面以下. 注意事項: 熔化金屬槽中使用的任何工具都必須涂有陶瓷層, 保証熔化的鋅和由鐵制成的工具不接觸. 如果鐵和熔化的鋅接觸, 就會有鐵解進熔化的鋅槽中. 熔化爐中的熔化金屬必須在熔爐中保持足夠長的時間, 使金屬完全熔化并使其形成合金, 在熔爐中要保留一些待用金屬液, 幫助加料時給固体合金錠傳遞熱量. 這樣的待用金屬液應保持熔爐總量的30%左右, 合金程序是: 給熔爐中的待用金屬液里添加純鋅并使其熔化. 熔化槽內添加標准合金或合金元素并讓其熔化. 熔化槽內慢慢攪動, 把混合物攪勻. 讓熔化槽靜置15分鐘. 如必要的話, 撇取表面浮渣. 檢查合金成分, 使其符合規格. 為進一步得到鋅合金制造的祥細信息, 要和金屬供應商咨詢. 而且獲得一份合适的ASTM規格總是有用的. 合金過程中產生的氣体必須裝起來并正確處理. 計划自己制作合金的壓鑄商必須准備處理這些氣体. 合金必須得到測試以保証其滿足規格. 測試合金時, 要從熔爐中舀出一部分合金并澆進模中制成試樣. ASTM標准E-634-78 “鋅和鋅合金光輻照光譜分析的抽樣標准實踐, 制作試樣的模具類型和實際程序”. 控制在合金爐中新的合金料要加工成試樣并測試其化學成分, 在這段時間里, 液体合金料要控制到理想的溫度. 如果光譜化學測試表明此合金与規格不一致, 就必須給欠量元素添加到充足的數量. 如果發現次要合金元素或雜質超過其限量, 那么整個液体熔化金屬都必須通過添加大量的純鋅加以糾正(也就是用純鋅稀釋). 一旦新的合金在適當的溫度條件下其化學成分得到糾正, 那么它就可以從合金爐中出爐了, 有一种方法是把合金從合金爐中泵入混合保溫爐, 接著再分配到各個壓鑄机上. 有時, 液体合金料也可以從合金爐中泵入大型燒包中, 此澆包可以分配液体金屬到各個混合爐中. 除過殘留的待用金屬液外, 一旦金屬液被排空, 合金爐就可以用來准備另外一批合金液了. 另外一种方法是把合金爐既作為熔化爐又作為混合保溫爐使用, 并簡單地把新熔化的合金在熔爐中保存, 然后就直接從這儿分配到各個壓鑄机上. 最后這种方法要求有多個合金爐, 以便持續給壓鑄机供料. 如果壓鑄商自己制造合金, 那么他們一定會回收到 “髒”的廢品. 髒的廢品肯定是那種已噴油、電鍍的廢鑄件, 或者這些廢鑄件潛在裝有其他材料如塑料、橡膠、鋼制鉚釘或鑄進鋼制鑲件的可能性. 含有任意數量的鉛、鎘或錫的廢品都不應當回收. 一個容量為兩吨的鋅合金熔化槽所含鉛的數量不超過二個半便士的重量. 這樣的髒廢品必須要被熔化, 化渣并在各個熔爐中檢查其正確的合金成分. 衝水口料、直澆口和批鋒一般是 “干淨”的廢料可以再熔化且不是再循環合金. 特殊設備、設備操作和維護以及合金材料和實踐都應從設備和材料供應商那里獲得, 主管金屬工藝的工程師應監督廠內的操作. 熔化和管理 (Melting & Holding ) 新的合金錠和清潔的廢品(基本上都是衝水口料)都可以在壓鑄机的熔爐中熔化. 這樣熔化之時, 壓鑄机上的混合爐必須要有足夠的加熱能力, 既要維持熱量的損失又要熔化新的合金. 新的合金(及衝水口料)必須定期加入熔爐中. 建議經常添加少量新的合金和/或廢料. 添加大量的固体合金會降低熔爐的溫度, 而且一直到熔爐溫度返回到正確的溫度為止都有可能產生有缺陷的鑄件. Margash給料机常用合适的進給速度把新的合金添加到熔化爐和混合爐中. 如果衝水口的料也通過這樣的熔化爐和混合爐再循環, 那么必須定期測試合金, 保証合金維持正確的化學成分. 上面描述過的合金熔爐用同樣的方法實施此測試. 在壓鑄机上熔化合金的實踐對于壓鑄机台數少(例如, 小于10台机)的壓鑄操作來講最為經濟, 而且壓鑄机上還能使用不同的合金. 有些壓鑄商有單獨的熔爐, 從這個單獨的熔爐可以把熔化金屬分配給各個壓鑄机上的混合保溫爐. 這樣的安排通常對于大、中型壓鑄作業是有利的. 新的合金錠和所有由一排壓鑄机產生的衝水口料一起加到熔爐中. 金屬的熔化和熔化金屬分配給每一台壓鑄机都是一個連續的過程. 如前面章節所述, 合金爐中的新熔化合金可以交給(例如: 泵入)這樣一個熔化爐. 熔爐有很多優點. 首先是在更高的溫度條件下熔化得更充分. 盡管鋅不能承受過高的溫度, 但是最佳的熔化溫度會比單個壓鑄机上理想的控制溫度更高一些. 其次合金的化學成分會得到更好地控制. 熔爐中日常的化學成分檢查會使一排十台壓鑄机更滿意. 而且熔爐溫度的升降不會影響各台壓鑄机的操作. 熔爐還避免了各台壓鑄机超出它自身熔化能力的可能性. 如果是在壓鑄机上熔化金屬, 那么一台快速鑄造大型鑄件的壓鑄机就會超過其熔化能力. 熔化金屬必須從熔爐分配給各台壓鑄机的混合爐. 分配熔化金屬最常用的方法是使用大型澆包, 澆包填在熔爐上, 而且由高架單軌起重机/升降机的叉形杆運輸到各個壓鑄机上. 各台壓鑄机的混合爐重新被澆包填滿. 非常重要的是加料數量每次要少, 加料頻次要多, 而不是每次加料多, 頻率少. 然而, 大型澆包中熔化金屬的溫度几乎与壓鑄机上混合爐的溫度都有差異. 在不同的溫度條件下大量添加新的金屬會改變混合爐中的溫度, 而且還會導致壓鑄机制造出有缺陷的鑄件, 加料頻率不均勻會大大改變混合爐中熔化金屬的高度. 熱室工藝對混合爐中熔化金屬的高度很敏感, 因此應盡可能把此高度保持為一個常數. 把熔化合金從熔爐分配給各台壓鑄机混合爐的另外一种体系叫流槽. 流槽基本上是一個導槽. 流槽必須襯有与鋅合金相容的耐火材料, 而且必須控制其溫度. 而且還應使合金上形成的氧化物最少, 流槽有不用人操作的優點. 從這個意義上講它是非常有效的. 它還會排除熔化金屬的飛濺和滲漏. 流槽還排除了使用澆包在廠內傳送熔化金屬. 流槽有很多缺點. 缺點之一是了人員和壓鑄机周圍設備的移動. 這個系統還要求更多的加熱能量以及比大型澆包更多的維護. 流槽的其他一些是要求所有的單個混合爐都處于同一高度以及要求某几台机的熔化溶液處于不同高度的理由. 流槽還會大型澆包把熔爐中的金屬交付給任意一台壓鑄机的靈活性. 最后一點是, 流槽系統上的所有壓鑄机都必須鑄造同樣的合金. 安全 (Safety ) 安全与金屬熔化和作業操作相比應是最重要的, 作業期間熔化金屬會飛濺, 而且偶然溢出還會威脅到人的生命安全. 金屬熔化還要求有大量的熱量, 金屬的熔化伴隨著空氣、油、丙烷或電, 任意一种都需要很多, 而且如果管理不當所有這些能源都有危險. 所有熔化, 保溫和作業設備都必須按照制造商規格標准中的最佳操作條件進行維護. 有關能量供應的所有安全系統都必須定期檢查并在操作條件下保持正常狀況, 所有熔爐的襯里和結構都必須定期檢查和維護. 燃氣爐的燃燒火焰必須正確調節. 如果水被帶進熔爐或混合(保溫)爐中的熔化金屬里, 由于水蒸氣是液体水体積的1700倍, 而這樣的水蒸汽又不能帶走太多, 因此水會產生爆炸反應. 水可以依一种不在意的潮氣存在于澆包或合金錠上. 冬天從室外拿進的合金錠上會有一點儿霜. 因此 合金錠在加入熔化爐之前都要預熱. 工具, 澆包以及合金錠在接觸熔化金屬之前都應充分預熱. 澆鑄熔化金屬以及給熔化金屬加合金錠材料時都應有防飛濺保護裝置. 大部分熔爐都應完全密封, 防止熱量散失. 但是開口處都應安裝防飛濺保護裝置. 還要求有人員保護設備. 要有標准的面罩、護腕、護漆、金屬面安全鞋.
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