銅壓鑄的真空應用探討
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(kāi)裂，氣孔率問(wèn)題，以及形成內部空腔。一般通過(guò)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、裝飾件以及電機轉子。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，后者多用于導電制品，如電機的轉子。銅壓鑄通常針對的是幾何形狀非常復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
?高效的導電性
?優(yōu)秀的低摩擦性
?良好的伸長(cháng)率和拉伸強度
?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轉子為例：自從19世紀末期美國發(fā)明家特斯拉發(fā)明了交流電動(dòng)機，這種結構簡(jiǎn)單，使用交流電，無(wú)需整流，無(wú)火花的電動(dòng)機廣泛應用于工業(yè)和家庭電器中。早在上個(gè)世紀初商家就在設想：銅的導電性較高，銅取代鋁將提高感應電機的電能效率。銅的導電性要比鋁的高40%左右，鑄銅轉子可以使電動(dòng)機的總損耗顯著(zhù)下降，從而提高電動(dòng)機的整體效率，溫升也大大降低，用銅制作的電動(dòng)機轉子定會(huì )為電動(dòng)機應用帶來(lái)一個(gè)很大的提升，只不過(guò)由于銅的熔點(diǎn)太高，流動(dòng)性太差等原因，一直束縛了電動(dòng)機鑄造銅轉子的發(fā)展。近年來(lái)，伴隨著(zhù)壓鑄工藝技術(shù)和模具技術(shù)的快速發(fā)展，壓鑄銅轉子的批量化生產(chǎn)已經(jīng)得以實(shí)現。在很多類(lèi)型的電動(dòng)機上，壓鑄銅轉子都已有成熟穩定的應用。
與其它壓鑄工藝最顯著(zhù)的不同是，銅壓鑄的流動(dòng)性差，壓射時(shí)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(jiàn)的氣孔問(wèn)題，帶來(lái)的充型不完整、表面缺損、內部疏松、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。
某壓鑄電機轉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(kāi)始慢壓射，慢壓射時(shí)間為0.22s；轉為快壓射，快壓射充填時(shí)間為0.08s。可以看出，慢速排氣的時(shí)間短，需要更大的瞬間排氣能力以及全過(guò)程排氣。如采用HV300系統，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(shí)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(wàn)次或十幾萬(wàn)次以上相比，銅壓鑄模具是以千計次，所以銅壓鑄工藝更具挑戰性。銅合金的高溫和流動(dòng)性差是導致銅壓鑄復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(dòng)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稍高的屈服強度和延展性，可焊接性和可修復性都很高。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，以及高導熱率都結合起來(lái)最大化，造成較冷的內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(cháng)時(shí)間暴露于高溫時(shí)依然保持必要的強度，那么溫度控制將是至關(guān)重要的。模溫機是其最初始的預熱措施，與鋁合金的150~180°C的預熱保溫設定相比，銅合金的需要200°C以上。對于350-500°C的模具預熱溫度，油溫機的能力明顯不足。可以通過(guò)預熱模具插件（電阻加熱器）來(lái)減少溫差的程度，控制熱沖擊帶來(lái)的模具失效。熔杯也需要同樣的預熱保溫。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(guò)度的冷卻將適得其反。在每次壓射前應使用干粉狀脫模劑。
3、模具設計
在銅壓鑄工藝中，模具設計是整個(gè)制造過(guò)程的基本方面，模具的所有屬性都會(huì )影響最終產(chǎn)品。產(chǎn)品生產(chǎn)數量、鑄件的尺寸和/或重量、產(chǎn)品的形狀和復雜度、精加工所需的量和質(zhì)量、所需表面光潔度、規定的內部要求（如密封性）、要進(jìn)行的處理和檢驗的類(lèi)型和級別、單件零件的尺寸精度可變化量、所規定或選擇銅合金的可鑄造特性等是模具設計初始條件。通常，銅合金流動(dòng)的方式取決于設計者對銅壓鑄技術(shù)和工藝的理解和詮釋?zhuān)ǚ中兔嬖O置、澆口的設置、料筒和流道設置，進(jìn)料方向確定、以及保溫和冷卻通道布置，最后是真空排氣設置，包括相對應的模具密封。也就是說(shuō)，對于高壓銅壓鑄，銅熔液將在外部高壓下流動(dòng)，進(jìn)入到型腔至充型完成所涉及到所有細節都要認真考慮。真空排氣總是在模具設計的最后考慮的環(huán)節。
四、銅壓鑄真空系統
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(wèn)題，這是由于壓鑄過(guò)程中空氣被夾在鑄件中。多年來(lái)，真空壓鑄已被證明是消除氣孔率問(wèn)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(guò)壓射動(dòng)能射入模具型腔；伴隨著(zhù)壓射時(shí)間的推移，銅熔液的持續充型，型腔內的壓力也逐漸降低，直至充型結束，壓射過(guò)程完成。此過(guò)程周期性地不斷重復。
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。
?壓鑄件的機械強度高。
?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，包括模具和設備、以及密封性。
?設置真空壓鑄工藝較繁瑣，既要滿(mǎn)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，除了真空機和排氣元件，壓鑄機、模具、合金質(zhì)量、合 金溫度，噴涂技術(shù)等等都要統一考慮：
?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)品的高重復率和精度，重要的是要控制壓鑄機的壓力和速度曲線(xiàn)穩定。
?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)現優(yōu)化的銅壓鑄真空工藝可能是一個(gè)細致并具有挑戰性的過(guò)程。為獲取較高的工藝真空度，每個(gè)過(guò)程都應該進(jìn)行優(yōu)化。
真空排氣方案：真空排氣需結合壓射工藝設置，包括真空機的選擇、排氣原件的確定。盡管真空閥的排氣效率高，結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(dòng)性差，熔杯充填率較高，其低速在0.25-0.5m/s，高速從0.8最終達到3m/s，給真空排氣帶來(lái)的機會(huì )相對很少，因此排氣元件往往需要更大的排氣面積。
考慮到型腔內氣體的溫度很高，瞬間甚至達到500-600°C以上，這對于真空系統的密封帶來(lái)麻煩，通常考慮在模具和真空機間的管路上，設置氣體水冷卻裝置，以降低氣體溫度，提高真空密封的壽命。
五、小結
銅壓鑄為解決形狀復雜、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(dòng)換檔系統、控制桿和水泵輪機部件等；紫銅壓鑄件應用于電動(dòng)機轉子更具廣闊前景，轉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(dòng)機永磁體。隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)的市場(chǎng)率日益擴大，銅壓鑄電動(dòng)機轉子將會(huì )有更大的前景。作為真空銅壓鑄工藝的日趨成熟和廣泛應用，必將為高品質(zhì)銅壓鑄產(chǎn)品提供強有力的支持和保障。
