铝合金铸造工艺 铝合金铸造工艺设计

铝合金铸造工艺 铝合金铸造工艺设计

作者 吴庆国

前 言

从轻量化、舒适、美观、耐用、节能、保护环境、降低综合成本等综合性能方面来看，铝合金无疑是汽车工业现代化和轻量化的首选材料，世界许多国家都在致力于汽车用铝合金的研究。汽车自重每降低 100kg，油耗就可以减少0.7L/100km。因此，以铝合金代替钢铁材料，最大限度地减轻汽车的自重也就成为当前的研究热点，汽车用铝合金主要分为铸造铝合金和变形铝合金，铸造铝合金主要应用于发动机气缸体、气缸盖、曲轴箱、轮毂、机油盘零件等。

在新能源汽车领域，控制器的外壳95%以上均已是铝铸造工艺成型，常用的铸造工艺有：重力铸造、低压铸造、高压铸造等三种，每种工艺各有特点，在这里我给大家捋一捋如何根据自身情况，选择适合的工艺成型方式，在质量、效率与成本的博弈中寻找最佳的平衡点。

一、重力铸造

铝合金重力铸造是指铝液在地球重力作用下注入铸型的工艺，重力铸造又分为：树脂砂型浇铸、金属型（钢模）浇铸、消失模浇铸等。现在应用最多的是金属模（钢模）浇铸，其模具采用耐热合金钢制作而成，浇铸出来的铝铸件强度、尺寸、外观等都高于其他铸造工艺的铸件。重力铸造的铝液一般采用手工倒入浇口，依靠金属液的自重充满型腔、排气、冷却、开模到得到样品，其工艺流程一般为：铝液熔炼、浇料充型、排气、冷却、开模、清产、热处理、加工。

铝合金重力浇铸件的特点为：

产品表面光洁度不高，抛丸后易产生凹坑。铝铸件内部气孔少，可进行热处理。产品致密性低、强度稍差，但延伸率高。模具成本较低，模具使用寿命长。生产效率低，从而增加了生产成本。工艺较简单，不适合生产薄壁件。在产品选择何种工艺生产的时候，主要根据工件的壁厚做选择，产品壁厚大于8mm 时，压铸会造成很多的气孔存于壁内，故而壁厚较厚的产品可以选择重力铸造工艺完成。

二、低压铸造

低压铸造一般以压缩空气为动力，可以是空气，也可以是惰性气体，将压缩气体通入密闭容器（坩埚），作用在保持一定浇注温度的合金液面上，造成密封容器内与型腔内的压力差，使金属液从在较低的压力 0.01－0.05MPa 下在密闭容器中沿着升液管自下而上流经升液通道、铸型浇口，平稳填充型腔。待金属液充满型腔之后，增大气压，在压力作用下，金属液从上而下冷却、结晶、凝固，在凝固过程中不断有金属液补充。然后撤掉密闭容器内的压力，让升液管、浇道内还没有凝固的金属液依靠自身重力回落到密闭容器中，完成一个循环。整个过程的压力、时间、速度、温度等都可控。与高压铸造相比，所受压力大小不同，液态金属流动方向不同。

低压鋳造原理因为低压铸造充型平稳，液流和气流的方向一致，故气孔、夹渣等缺陷少；组织致密，铸件力学性能高；充型能力强，有利于形成轮廓清晰、表面光洁的铸件，故重要的铝合金铸件常采用低压铸造。

低压铸造优点：

纯净金属液充型，提高了铸件的纯净度。由于熔渣一般浮于金属液表面，而低压铸造由坩埚下部的金属液通过升液管实现充型，彻底避免了熔渣进入铸型型腔的可能性。金属液充型平稳，减少或避免了金属液在充型时的翻腾、冲击、飞溅现象，从而减成少了氧化渣的形成。铸件成型性好，金属液在压力作用下充型，可以提高金属液的流动性，有利于形成轮廓清晰、表面光洁的铸件，对于大型薄壁铸件的成型更为有利。铸件在压力作用下结晶凝固，能得到充分地补缩，铸件组织致密。提高了金属液的收得率，一般情况下不需要冒口，并且升液管中未凝固的金属可回流至坩埚，重复使用，使金属液的收得率大大提高，收得率一般可达 90%。生产操作方便，劳动条件好，生产效率高，易实现机械化和自动化。

低压铸造缺点：

装备和模具投资较大；在生产铝合金铸件时，坩埚和升液管长期与金属液接触，易受侵蚀而报废，也会使金属液增铁而性能恶化。

三、高压铸造

高压铸造，很多时候被简称为压力铸造，压力铸造是指将熔融或半熔融的金属以高速压射入金属铸型内，并在压力下结晶的铸造方法，简称压铸。常用压射压力为 30～70MPa，充填速度约为 0.5～50 m/s，充填时间为 0.01～0.2 s。它是将金属液倒入压室，使金属液在高速下填充模具型腔后在高压下结晶凝固形成铸件的过程。高压、高速是高压铸造的主要特点，金属液凝固时承受的压力高达40-120MPa。具有表面光洁度好，尺寸稳定、可直接成型薄壁结构等优点，同时也有产生气孔、一般不能热处理、运行成本高等缺点。

铝合金高压铸造的特点为：

产品表面光洁度好，一般可达 Ra6.3 甚至可达 Ra1.6。不可热处理（真空高压铸造除外）。产品气密性高，铸件强度和表面硬度高，但延伸率低。模具成本较高，使用寿命短。生产效率高。可生产薄壁件，加工余量小。

高压铸造的优点：

生产率高，易于实现机械化和自动化，可以生产形状复杂的薄壁铸件。压铸锌合金壁厚仅为 0.3mm，压铸铝合金壁厚约为 0.5mm，铸出孔径为 0.7mm。铸件尺寸精度高，表面粗糙度值小。压铸件尺寸公差等级可达 CT3～CT6，表面粗糙度一般为 Ra0.8～3.2μm。压铸件中可嵌铸零件，既节省贵重材料和机加工工时，也替代了部件的装配过程，可以省去装配工序，简化制造工艺。

高压铸造的缺点：

压铸时液体金属充填速度高，型腔内气体难以完全排除，铸件易出现气孔和裂纹 及氧化灾杂物等问题，压铸件通常不能进行热处理。压铸模的结构复杂、制造周期长，成本较高，不适合小批量铸件生产。压铸机造价高、投资大，受到压铸机锁模力及装模尺寸的限制，不适宜生产大型压铸件。合金种类受限制，目前适合压铸的合金只有锌、锡、铅、铜、镁、铝等六种等有色合金。

下表归纳了一些高压和低压铸造的特点，对比分析了两种工艺的优点和缺点。从中可以看到，无论是低压铸造还是高压铸造，都存在明显的优点和缺点，选择哪一种工艺需要针对各自的需求（设计能力、应用场景、资金预算、产品数量、设备能力、工程开发能力、后续加工能力）选择适合自己产品的，发挥工艺的优势、采取弥补措施降低缺点带来的不利因素。

从目前市场上来看，在电机壳体、端盖，控制器壳体的应用上，无论是高压还是低压，都已经有实际产品在应用了。选择符合自身实际情况和设计要求的工艺才是重点。

高真空高压铸造：

真空高压铸造是将型腔中的气体抽出，金属液在真空状态下充填型腔，因而卷入的气体少，铸件的力学性能高，且真空压铸继承和保持了普通压铸法的优点。高真空压铸法是近年来在普通真空压铸基础上发展起来的新成形技术，其特点是模具型腔中的真空度达91kPa以上，生产的铸件可焊接，可热处理。

以ZL101合金为例，ZL101高真空压铸试样的力学性能比普通压铸有较大的提升，尤其是韧度显著增高，抗拉强度，伸长率分别比普通压铸提高约17.16%、71.98%；但经T6热处理后，抗拉强度比铸态下提高了7.68%，伸长率却下降了6.78%。

开发高真空压铸技术，充分发挥压铸的技术及成本优势，生产高强度、高韧性的铝压铸件来取代汽车中的一切保安件是未来铸造技术的研发方向。

1．保温炉 2．压射冲夹 3．定模 4．真空冈 5．型腔 6．动模 7．压射室 8．升液管

低压铸造和高压铸造该如何选择？

铸造工艺有不少，但为何一些重要的铸件都要求使用低压铸造呢?那是因为低压铸造是使液态合金在较低压力下，自下而上地填充型腔，并在压力下结晶形成铸件。因此与压力铸造相比，所受压力大小不同，液态金属流动方向不同。由于因为低压铸造充型平稳，液流和气流的方向一致，所以铸造而成的铸件发生气孔、夹渣等缺陷少；组织致密，铸件力学性能高；充型能力强，有利于形成轮廓清晰、表面光洁的铸件，所以重要的铝合金铸件都会采用低压铸造。

但我们必须清楚的认识到，低压铸造虽然组织致密，力学性能较好，但生产率较低。而高压铸造后表面质量较好，但内部难免有些气孔，还在它的生产率高，所以它比较适宜于薄壁铸件，但铸件中缩松，不致密，不适用于气密性要求高的铸件。在选择气密性要求高的铸件时用低压铸造，生产批量大，无致密性要求的中小件有色金属铸件用高压压铸;同时高压压铸可以镶嵌金属，高压铸造后不能进行热处理强化。不同的是，低压铸造的零件可以通过热处理进行强化，韧性可以大幅提高。所以设计时要看产品壁厚情况和整个产品重量情况评价。壁厚较厚而且产品重量较重的宜选择低压铸造工艺，相反如果壁厚较薄产品重量较轻的宜选择高压压铸工艺。

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