压铸技术凭借机械性能高,制造成本低,使用质感好在玩具,家具,汽车上得到广泛应用。在金属连接器上,也非常普遍起来。压铸原理是利用高压将金属液高速压入精密金属模具型腔内,金属液在压力作用下冷却凝固形成铸件。压铸件具有较高尺寸精度,一般能达到IT11-13级,表面粗糙度可达Ra0.8-3.2μm,较高强度和硬度,生产效率较高,经济效果有较大优势,主要使用在批量较大的产品上。使用较多的是压铸铝,锌,镁,铜等有色金属作为金属件,一个压铸件零件的完成涉及知识面非常广,从材料、产品设计、模具设计、制造工艺、测试、表面处理几大方面,这几个方面通过设计要求与功能匹配、原理、标准、加工过程组成整个系统。我们通过以下几点来认识下常用的压铸材料的设计制造。
1.铝合金,锌合金,镁合金材料及特点
2.压铸件的设计
3.压铸件的质量认识
1.铝合金、锌合金、镁合金材料及特点
1.1 铝压铸材料
现实生活中看的铝都是由铝矿石生成氧化铝,再通过电解得到的。铝合金压铸材料标准大体可以分为国标的15115,日本的JIS H5302 ADC,美国的ASTMB85,欧盟的EN1706。
表一 国标铝材料牌号及含量
表二 美国铝材料牌号及含量
表三 日本铝材料牌号及含量
表4 不同国家材料牌号含量差异
Al-Si合金
Si作为铝合金最主要的成分,主要改善流动性,增加Si的含量可提高耐磨性,硬度和强度,降低收缩率,但导电性也会降低。像ADC14含硅达到16%至18%可以做发动机缸体。
Al-Cu合金
Cu在铝合金中室温固溶度约0.2%,极限固溶度约为5.65%,可以通过固溶强化和时效强化提高合金的强度。有较高的热处理强化效果和较好的热稳定性,适合铸造高温下使用的零件,具有较高的机械性能,较好的切削性。但缺点是铸造性能较差,易产生裂纹,耐腐蚀性也不好。
Al-Mg合金
铝镁合金中镁大于5%,具有较好的抗拉强度和硬度,在海水等介质中抗腐蚀性好。
Al-Si-Mg合金
属于特殊的Al-Si合金,具备高流动性和较高强度,导电及导热性好。常用在铸造薄壁、耐腐蚀的复杂零件,其中重要元素Mg与Si结合成Mg2Si提高合金强度和硬度。
Al-Si-Cu合金
Al-Si和Al-Cu的折中合金,Cu与Al发生反应热处理后具有较高的合金强度,和力学性能耐高温性。
不同元素在铝合金中起到的作用
硅:可以改善流动性,随含量增加合金的抗拉强度和硬度提高,伸长率下降。
铜:增加合金的机械性能,切削性,提高耐温强度,降低合金的耐腐蚀性能。
镁:提高合金的强度和屈服极限,切削加工性,耐腐蚀性能,流动性降低。
锌:提高流动性,增加热脆性,降低耐腐蚀性,1%以下压铸较不易出现龟裂现象。
铁:增加合金强度、硬度。6%以下含量可以改善粘模。
镍:和铜一样,随着含量增加,硬度、抗拉强度也增加,耐腐蚀变差。
锰:减少铁的有害影响,可提高合金的高温强度。
钛:细化晶体组织,提高机械性能,降低合金裂倾向。
铝合金特点:
1.铝合金的密度较小,仅为铁、铜、锌的1/3左右。
2.具有良好的导电、导热性能。
3.抗氧化腐蚀性能好。在空气中,铝的表面容易生成一层致密的三氧化二硫氧化膜,能阻止进一步被氧化。
4.具有良好的压铸性能。铝合金压铸工艺简单,成形及切削加工性能良好,具有较高的力学性能及耐蚀性。
5.铝合金的高温力学性能很好,在低温下工作时同样保持良好的力学性能。
6.缺点是容易在最后凝固处产生大的集中缩孔,与铁有很强的亲和力,易粘模。
1.2 锌压铸材料
锌合金化学成分表
表5
锌合金牌号对照表
表6
我们重点了解下3#,5#锌合金。
3#和5#最大是Cu含量的差别,Cu能够细化晶粒,体现在材料上5#比3#有更高的抗拉强度和硬度,更高的抗蠕变性和耐环境温度。
不同元素在锌合金中起到的作用
铝:降低熔点,增加机械性能,增强流动性,减少锌对模具的侵蚀。
铜:细化晶粒,增加合金的抗拉强度和硬度。
镁:抑制晶间腐蚀,细化金属组织,增加硬度。
铁:在锌合金中与铝形成化合物,一种坚硬颗粒,使铸件表面质量变差,属于有害元素。
铅、锡、镉:导致金属晶间腐蚀的主要元素,发生在合金晶体之间的边际,使合金发生涨、龟裂、松散,在高温,高湿环境特别容易发生。
锌合金特点:
1.锌合金具有优良的电和热传导性能、良好的振动阻尼特性、良好的电磁屏蔽性能。
2.具有良好的压铸性能,因此更容易压铸形状复杂、薄壁、尺寸精度高的产品。
3.耐蚀性差。当锌合金成分中杂质元素铅、镉、锡超过标准时,将会逐渐老化而发生变形,表现为体积胀大、力学性能(特别是塑性)显著下降,时间长了就会破裂。
4.时效性。使用时间过长,锌合金压铸件的形状和尺寸会稍有变化。
5.不宜在高温和低温的工作环境下使用。锌合金在常温下具有良好的力学性能,但在高温下抗拉强度和低温下冲击性能都显著下降。
1.3 镁压铸材料
镁合金化学成分表
表7
镁合金牌号对照表
表8
常用的镁合金材料有AZ91D、AM60B、AM50A。AZ91D具有良好的铸造性能和机械强度,合金主要用于要求有一定的强度,合金流动性能要求高的产品,应用较为广泛的是电脑面板及内构件。AM60B、AM50A具有较高的韧性和抗震性能,有良好的强度和机械性能,合金一般用于要求有一定抗冲击性、抗震动性的壳体上,主要是汽车的方向盘,轮毂、电动工具的壳体。这3种合金缺点是不能在高温下使用,高温下产品的力学性能下降很多。AS系列合金和含稀土,含锆的镁合金多用于高温环境。
不同元素在镁合金中起到的作用
铝:提高合金的室温强度,降低熔化温度,提高压铸流动性。
锌:锌和铝同样效果,适量的锌可以提高镁合金的力学性能和铸造性能及耐腐蚀性能,缺点是会使铸件产生疏松和热裂。
锰:增加镁合金的耐腐蚀性,降低合金中铁的影响。过多的含量会增多压铸熔炉内沉积物,引起熔汤质量恶化。
铍:提高抗氧化性能。
硅、稀土:形成晶间化合物,使晶界稳定,改善镁合金的高温蠕变性能。
铁、镍、铜:有害元素,对镁合金腐蚀性能影响较大。
镁合金特点:
1.其密度为铝合金的2/3、钢铁的1/4,但比强度和比刚度均优于铝合金和钢铁,远远高于工程塑料,是一种优良、轻质的结构材料。
2.具有良好的能量吸收及振动吸收特性,用于产品外壳可以减少噪声传递,用于运动零部件。
3.可吸收振动,延长零件使用寿命。
4.具有良好的电磁屏蔽性,可以提供电子产品的防电磁辐射性。
5.刚性好,耐冲击。
6.尺寸稳定性好,环境温度和时间变化对尺寸的影响小。
2.压铸件的设计
使用压铸材料设计零件时注意零件的尺寸精度要求,表面粗糙度,壁厚的均匀,孔,拔模斜度,模具脱模结构,减少抽芯,避免尖角和孤岛。
2.1压铸尺寸精度,表面粗糙度,加工余量
压铸尺寸精度:
线性尺寸公差等级选择:锌合金DCTG4-6,铝(镁)合金DCTG4-7 如表
表9
表面粗糙度:
铸件表面粗糙度一般选择范围:锌(镁)合金Ra0.8-3.2,铝合金Ra1.6-6.3
表10
加工余量:
加工余量选择:锌(铝,镁)合金B~D等级。
表11
2.2压铸件的壁厚设计、孔、拔模斜度、倒R角设计、螺纹底孔直径。
压铸产品的壁厚设计对压铸质量产生关键影响,产品壁厚均匀,壁厚有利于提高液态金属在模具中流动。 太薄的壁厚压铸致密性好,但液态金属会溶接不良,易产生裂纹,溶接痕缺陷。产品太厚压铸填充、冷凝时也会产生质量缺陷,如气孔、缩孔、缩松。因此壁厚设计要做相应的控制。如下表
加强筋的厚度一般不超过相邻的壁厚,取相邻壁厚的2/3~3/4。最大壁厚与最小壁厚之比3:1。
表12
筋的壁厚设计
表13
孔
孔的成型在金属冷凝时对型芯产生包紧力,容易折断,所以孔不宜过小过深。如表XX,左边为压铸材料能达到的最小孔和最经济孔的直径,右边是直径与深度的关系。锌合金做小且深的孔最优优势。
表14
一般压铸孔直径对应的最大深度mm
表15
拔模斜度
和塑料注塑一样,带有拔模斜度有利于铸件和模具分离,避免表面拉伤,延长模具使用寿命。
表16
倒R角设计
压铸件的面与面的连接处,都应做R角,有助于金属液体的流动,气体容易排出,提高成型质量和模具使用寿命。尖角形成应力集中,易产生裂纹。表面处理尖角的镀层沉积加厚,镀层不均匀。
表17 直角连接
螺纹底孔直径
压铸件上做螺纹结构,直接模具上成型出螺纹底孔可以节省很多机加时间。模具上底孔选择推荐表X
表18
还可以做很多结构可以省去另外机加工做例如内外螺纹,凹槽等既节省成本也保证产品一致性。如果需要作出字体,一般设计凸出字体。
2.3表面处理
金属表面处理重要目的之一是防止金属腐蚀,可分为主要两种,化学腐蚀和电化学腐蚀。
铝合金易产生晶间腐蚀,表面硬度低,不耐磨损等弱点。表面处理一般可以选择氧化、染色、钝化、镀镍、镀锌镍、封闭这些表面处理。镀前需要做些预处理表面氧化膜,油污。
锌合金电位较负,容易被腐蚀,一般做电泳、电镀层为保护。做电镀表面处理时锌合金表面是一层无孔层,内部疏松多孔结构,所以表面不宜过度切削打磨,影响电镀。
镁合金表面处理与铝合金类似,也可以做氧化、电镀、钝化、喷涂、着色表面保护处理。
3. 压铸件的质量认识
压铸件检测有尺寸检测、化学成分检测、力学性能检测、表面质量检测、内部质量检测。
压铸件表面质量问题有拉伤、冷隔、裂纹、变形、花纹、斑点、网状毛刺、凹陷、欠铸、夹皮。内部质量问题有气孔、缩孔、气泡、夹杂。
图1
针对表面质量可以通过目视,着色检测。内部质量检验除了破坏性试验和金相试验外,还可以做超声波检测、X/Y光无损探伤。
图2 铝合金内部气孔要求
总结:对于压铸金属材料的使用,我们在进行产品设计时可以根据性能要求进行选择,另外考虑成本、外观、制造工艺复杂性、质量过程稳定、环保等诸多要素。