銅壓鑄的真空應(yīng)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(yīng)用的鋼、鐵等。純銅非常難以鑄造成型，其產(chǎn)品容易發(fā)生表面開裂，氣孔率問題，以及形成內(nèi)部空腔。一般通過添加少量元素（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(jī)轉(zhuǎn)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(dǎo)電制品，如電機(jī)的轉(zhuǎn)子。銅壓鑄通常針對的是幾何形狀非常復(fù)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(yīng)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(dǎo)電性
?優(yōu)秀的低摩擦性
?良好的伸長率和拉伸強(qiáng)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(jī)轉(zhuǎn)子為例：自從19世紀(jì)末期美國發(fā)明家特斯拉發(fā)明了交流電動機(jī)，這種結(jié)構(gòu)簡單，使用交流電，無需整流，無火花的電動機(jī)廣泛應(yīng)用于工業(yè)和家庭電器中。早在上個世紀(jì)初商家就在設(shè)想：銅的導(dǎo)電性較高，銅取代鋁將提高感應(yīng)電機(jī)的電能效率。銅的導(dǎo)電性要比鋁的高40%左右，鑄銅轉(zhuǎn)子可以使電動機(jī)的總損耗顯著下降，從而提高電動機(jī)的整體效率，溫升也大大降低，用銅制作的電動機(jī)轉(zhuǎn)子定會為電動機(jī)應(yīng)用帶來一個很大的提升，只不過由于銅的熔點(diǎn)太高，流動性太差等原因，一直束縛了電動機(jī)鑄造銅轉(zhuǎn)子的發(fā)展。近年來，伴隨著壓鑄工藝技術(shù)和模具技術(shù)的快速發(fā)展，壓鑄銅轉(zhuǎn)子的批量化生產(chǎn)已經(jīng)得以實(shí)現(xiàn)。在很多類型的電動機(jī)上，壓鑄銅轉(zhuǎn)子都已有成熟穩(wěn)定的應(yīng)用。
與其它壓鑄工藝最顯著的不同是，銅壓鑄的流動性差，壓射時間要短；澆注溫度高，要900-1200°C；與其它壓鑄工藝一樣面臨的是常見的氣孔問題，帶來的充型不完整、表面缺損、內(nèi)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(jī)轉(zhuǎn)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始慢壓射，慢壓射時間為0.22s；轉(zhuǎn)為快壓射，快壓射充填時間為0.08s。可以看出，慢速排氣的時間短，需要更大的瞬間排氣能力以及全過程排氣。如采用HV300系統(tǒng)，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次或十幾萬次以上相比，銅壓鑄模具是以千計(jì)次，所以銅壓鑄工藝更具挑戰(zhàn)性。銅合金的高溫和流動性差是導(dǎo)致銅壓鑄復(fù)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(qiáng)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(qiáng)度和延展性，可焊接性和可修復(fù)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(xiàn)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(dǎo)熱率都結(jié)合起來最大化，造成較冷的內(nèi)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時間暴露于高溫時依然保持必要的強(qiáng)度，那么溫度控制將是至關(guān)重要的。模溫機(jī)是其最初始的預(yù)熱措施，與鋁合金的150~180°C的預(yù)熱保溫設(shè)定相比，銅合金的需要200°C以上。對于350-500°C的模具預(yù)熱溫度，油溫機(jī)的能力明顯不足。可以通過預(yù)熱模具插件（電阻加熱器）來減少溫差的程度，控制熱沖擊帶來的模具失效。熔杯也需要同樣的預(yù)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，但過度的冷卻將適得其反。在每次壓射前應(yīng)使用干粉狀脫模劑。
3、模具設(shè)計(jì)
在銅壓鑄工藝中，模具設(shè)計(jì)是整個制造過程的基本方面，模具的所有屬性都會影響最終產(chǎn)品。產(chǎn)品生產(chǎn)數(shù)量、鑄件的尺寸和/或重量、產(chǎn)品的形狀和復(fù)雜度、精加工所需的量和質(zhì)量、所需表面光潔度、規(guī)定的內(nèi)部要求（如密封性）、要進(jìn)行的處理和檢驗(yàn)的類型和級別、單件零件的尺寸精度可變化量、所規(guī)定或選擇銅合金的可鑄造特性等是模具設(shè)計(jì)初始條件。通常，銅合金流動的方式取決于設(shè)計(jì)者對銅壓鑄技術(shù)和工藝的理解和詮釋，包括分型面設(shè)置、澆口的設(shè)置、料筒和流道設(shè)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(shè)置，包括相對應(yīng)的模具密封。也就是說，對于高壓銅壓鑄，銅熔液將在外部高壓下流動，進(jìn)入到型腔至充型完成所涉及到所有細(xì)節(jié)都要認(rèn)真考慮。真空排氣總是在模具設(shè)計(jì)的最后考慮的環(huán)節(jié)。
四、銅壓鑄真空系統(tǒng)
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)生氣孔率的問題，這是由于壓鑄過程中空氣被夾在鑄件中。多年來，真空壓鑄已被證明是消除氣孔率問題的最佳方式。
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(cè)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壓射動能射入模具型腔；伴隨著壓射時間的推移，銅熔液的持續(xù)充型，型腔內(nèi)的壓力也逐漸降低，直至充型結(jié)束，壓射過程完成。此過程周期性地不斷重復(fù)。
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(jī)械強(qiáng)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(dǎo)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(shè)備、以及密封性。
?設(shè)置真空壓鑄工藝較繁瑣，既要滿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(jī)和排氣元件，壓鑄機(jī)、模具、合金質(zhì)量、合 金溫度，噴涂技術(shù)等等都要統(tǒng)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(fù)率和精度，重要的是要控制壓鑄機(jī)的壓力和速度曲線穩(wěn)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(xiàn)優(yōu)化的銅壓鑄真空工藝可能是一個細(xì)致并具有挑戰(zhàn)性的過程。為獲取較高的工藝真空度，每個過程都應(yīng)該進(jìn)行優(yōu)化。
真空排氣方案：真空排氣需結(jié)合壓射工藝設(shè)置，包括真空機(jī)的選擇、排氣原件的確定。盡管真空閥的排氣效率高，結(jié)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(dá)到3m/s，給真空排氣帶來的機(jī)會相對很少，因此排氣元件往往需要更大的排氣面積。
考慮到型腔內(nèi)氣體的溫度很高，瞬間甚至達(dá)到500-600°C以上，這對于真空系統(tǒng)的密封帶來麻煩，通常考慮在模具和真空機(jī)間的管路上，設(shè)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(jié)
銅壓鑄為解決形狀復(fù)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(yīng)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換檔系統(tǒng)、控制桿和水泵輪機(jī)部件等；紫銅壓鑄件應(yīng)用于電動機(jī)轉(zhuǎn)子更具廣闊前景，轉(zhuǎn)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)于目前使用電動機(jī)永磁體。隨著電動汽車和混合動力汽車的市場率日益擴(kuò)大，銅壓鑄電動機(jī)轉(zhuǎn)子將會有更大的前景。作為真空銅壓鑄工藝的日趨成熟和廣泛應(yīng)用，必將為高品質(zhì)銅壓鑄產(chǎn)品提供強(qiáng)有力的支持和保障。
