?鎂合金壓鑄工藝

鎂合金的特點(diǎn)

鎂合金以其具有的質(zhì)量輕、比強(qiáng)度和比剛度高、減震性好、屏蔽和導(dǎo)熱性?xún)?yōu)良、成形加工好、易于回收等優(yōu)點(diǎn)而被譽(yù)為“21世紀(jì)的綠色工程材料”，被廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車(chē)和電子等行業(yè)。鎂合金是現(xiàn)有可以工業(yè)化生產(chǎn)金屬材料中最輕的材料。我國(guó)是鎂資源儲(chǔ)藏大國(guó)，原鎂儲(chǔ)藏量占世界儲(chǔ)藏量的1／3。但鎂合金制品出口相對(duì)較少?？傮w上，我國(guó)鎂合金的生產(chǎn)和應(yīng)用仍然處于低端的水平，只有提高我國(guó)的鎂合金產(chǎn)品的技術(shù)附加值，才能使我國(guó)從“鎂資源大國(guó)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤版V生產(chǎn)強(qiáng)國(guó)”。

鎂合金壓鑄工藝性能

鎂合金具有優(yōu)良的壓鑄工藝性能，適于壓鑄生產(chǎn)，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

壓鑄鎂合金與壓鑄鋁合金和壓鑄鋅合金一樣，液體粘度低，具有良好的流動(dòng)性，易于充滿(mǎn)復(fù)雜型腔，可用來(lái)壓鑄薄壁件而不會(huì)出現(xiàn)熱裂和澆不足等缺陷。

    2.鎂合金的熔點(diǎn)和結(jié)晶潛熱都低

于鋁合金，充型后凝固速度快，其生產(chǎn)率比鋁壓鑄高出40%~50%，最高可達(dá)到壓鑄鋁的兩倍。壓鑄過(guò)程中對(duì)壓鑄型的熱沖擊比鋁合金小，可用于壓鑄薄壁件而不會(huì)出現(xiàn)熱裂和欠鑄等缺陷，且不易粘型，壽命可比鋁合金長(zhǎng)2~4倍。

3.壓鑄鎂合金與鐵基本上不發(fā)生反應(yīng)，不易粘型，減輕壓鑄型的熱疲勞現(xiàn)象，壽命可比鋁合金長(zhǎng)2~4倍。同時(shí)不侵蝕鋼制坩堝，避免了坩堝對(duì)鎂合金液的污染。

4.壓鑄鎂合金的收縮率均勻一致且可預(yù)測(cè)，脫型力比鋁合金低20%~25%。保證了壓鑄件的可靠性，使鎂合金壓鑄件的尺寸精度比鋁壓鑄件高50%。

5.鎂合金鑄件的機(jī)加工性能優(yōu)于鋁合金鑄件，鎂合金的切削速度可比鋁合金提高50%，加工耗能比鋁合金件低50%。

正是由于鎂合金的上述壓鑄特性，有效地保證了鎂合金壓鑄的髙生產(chǎn)率和低生產(chǎn)成本，在眾多領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。

壓鑄工藝參數(shù)

鎂合金的壓鑄工藝同其他合金的壓鑄工藝相似，但是由于鎂合金的不同特性，影響合金液充填成形的因素有很多，其中主要有壓力和充填速度、金屬液充填特性、壓型和合金的溫度、開(kāi)型時(shí)間及涂料等。這里主要考察壓射壓力、壓射速度、澆注溫度和鑄型預(yù)熱溫度以及涂料。

1.壓射壓力。鎂合金壓鑄分熱室壓鑄和冷室壓鑄兩種形式。目前熱室壓鑄機(jī)正向大型發(fā)展，鎖型力為9300KN，設(shè)計(jì)可壓鑄件最大為6.4千克的大型惹事壓鑄機(jī)已投入使用。鎂合金冷室開(kāi)發(fā)較晚，鎂合金冷室壓鑄機(jī)的沖頭速度比鋁合金的快30%，最大可達(dá)10m╱s，鎖型力最大已到3500KN。

    熱室壓鑄生產(chǎn)效率高、澆注溫度低、鑄型壽命長(zhǎng)、易實(shí)現(xiàn)焙體保護(hù)、缺點(diǎn)是設(shè)備成本高、維修復(fù)雜且成本高。冷室壓鑄的優(yōu)點(diǎn)正好與之相反，并配置定量澆注設(shè)備。鎂合金壓鑄采用熱室還是冷室壓鑄主要取決于鑄件壁厚，熱室壓鑄一般用于小尺寸薄壁、

形狀復(fù)雜鑄件，冷室壓鑄主要用于壁厚相對(duì)較大的中小型零件的大批量生產(chǎn)。

    壓鑄時(shí)二者的壓射壓力也不同，熱室壓鑄機(jī)的壓射比壓在40MPa左右，冷室壓鑄機(jī)的比壓要高于熱室壓鑄機(jī)，通常的比壓在40MPa~70MPa。另外重要的一點(diǎn)是增壓建壓時(shí)間，由于鎂合金的結(jié)晶潛熱低，鎂合金在模具內(nèi)的凝固時(shí)間要比鋁合金的短的多，如果增壓時(shí)間太晚，澆口和型腔的金屬液已經(jīng)凝固，增壓的壓力無(wú)法傳到模具型腔里面，要求壓射系統(tǒng)建壓時(shí)間通常在20ms以?xún)?nèi)。

    2.壓射速度。壓鑄充填速度是指金屬液通過(guò)澆口導(dǎo)入型腔的線(xiàn)速度。充填速度根據(jù)壓鑄河津和鑄件結(jié)構(gòu)特性確定，既不能過(guò)高特不能過(guò)低。充填速度偏低會(huì)造成鑄件輪廓不清晰，甚至不成型；充填速度過(guò)高時(shí)，型腔中的空氣難以排除，使鑄件產(chǎn)生氣孔，液體金屬成噴霧進(jìn)入型腔并粘附于型壁上，使后進(jìn)入的液體金屬不能與它熔合而降低鑄件表面質(zhì)量或是內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松，同時(shí)增加型腔內(nèi)壁的磨損而使鑄件的使用壽命降低。對(duì)于鎂合金，由于密度小，同時(shí)，由于鎂合金的凝固速度快，要在金屬凝固前充填整個(gè)型腔，適合的充填速度為40m╱s~90m╱s。

    3.澆注溫度和預(yù)熱溫度。溫度是壓鑄過(guò)程的熱因素，為了提供良好的充填條件，保證壓鑄件的成型質(zhì)量，控制和保持熱穩(wěn)定性，必須選用相應(yīng)的溫度規(guī)范，主要是指鎂合金的澆注溫度和壓鑄型的預(yù)熱溫度。

    在生產(chǎn)鎂合金壓鑄件時(shí)，必須合理選擇澆注溫度。澆注溫度過(guò)高，凝固收縮越大，鑄件易產(chǎn)生裂紋，晶粒粗大及粘型；澆注溫度太低會(huì)產(chǎn)生澆不足、冷隔和表面裂紋等缺陷。

熱室壓鑄機(jī)的料壺在熔爐里面，壓射時(shí)的熱量損失小，澆注溫度通常在640℃左右。冷室壓鑄機(jī)的溫度要高一些，一般在680℃左右。如果壓鑄件的成型不太理想，可以從其他方面，比如壓射速度、模具溫度等方面改善。不能僅提高合金澆注溫度，因?yàn)殒V合金熔爐用的保護(hù)氣體，在溫度過(guò)高（超過(guò)710℃）時(shí)會(huì)失去效用。

    壓鑄型在澆注前需預(yù)熱到一定溫度以防止金屬液壓入后過(guò)度激冷而不成型，或雖成型但易引起鑄件裂紋和表面產(chǎn)生“霜凍”流痕等缺陷。另外預(yù)熱到一定溫度還可以避免模具劇烈膨脹，減少溫度波動(dòng)，提高模具壽命。壓鑄型的工作溫度不宜過(guò)高，否則將使金屬產(chǎn)生粘模和鑄件頂出時(shí)變形，從而影響生產(chǎn)效率。

    根據(jù)壓鑄澆注溫度(650℃~680℃ )確定模具初始溫度范圍為180℃～ 190℃，鎂合金壓鑄過(guò)程中模具的溫度一般保持在180℃~ 280℃之間。

4.涂料。涂料的作用是為壓鑄合金和壓鑄型之間提供有效的隔離保護(hù)層，避免金屬液直接沖刷型腔，保持金屬液的流動(dòng)性，還可以冷卻模具，降低粘模傾向。鎂合金同鋁合金相比，模具和焊合性要比鋁合金好，但是由于鎂合金的壓射速度要高于鋁合金，當(dāng)熱金屬高速?zèng)_擊模具的某些部件時(shí)，可能產(chǎn)生焊合現(xiàn)象。使用合適的模具涂料可以減少這種趨勢(shì)，最常用的是水基潤(rùn)滑劑，由于鎂合金的熱容小，因此不需要把潤(rùn)滑劑用于冷卻媒介，并且使用時(shí)間應(yīng)盡可能的短，一般為鋁合金的50%。為減少水的含量，通常使用較高濃度的涂料。

鎂合金壓鑄的發(fā)展方向

    1.鎂合金的熔體保護(hù)。由于鎂合金液很容易氧化，而且表面生成的氧化膜比較疏松，其致密系數(shù)α值僅為0.79，不能阻止合金的繼續(xù)氧化。因此，熔煉鎂合金時(shí)，防止氧化至關(guān)重要。鎂合金的熔體保護(hù)主要有兩種方法，即熔劑保護(hù)和氣體保護(hù)。

  目前，國(guó)內(nèi)外常使用的保護(hù)熔劑是商品化的RJ系列熔劑。其中，使用最廣泛的是RJ一2熔劑，其組分主要為氯鹽和氟鹽。用保護(hù)熔劑熔煉通常會(huì)帶來(lái)以下問(wèn)題：一是氯鹽和氟鹽高溫下易揮發(fā)產(chǎn)生有霉氣體，如HCl、Cl2、HF等；二是由于熔劑的密度較大，部分熔劑會(huì)隨同鎂液混入鑄型造成“熔劑夾渣”；三是熔劑揮發(fā)產(chǎn)生的氣體有可能滲入合金液中，成為材料使用過(guò)程中的腐蝕源，加速材料腐蝕，降低使用壽命。因此，尋找氯鹽和氟鹽的代用材料或減少氯鹽和氟鹽的使用量，降低污染，提高保護(hù)效果，是開(kāi)發(fā)鎂合金熔煉保護(hù)熔劑的努力目標(biāo)。

 自20世紀(jì)60年代以來(lái)，一些專(zhuān)家學(xué)者開(kāi)始尋找氣體保護(hù)劑。通過(guò)大量試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了對(duì)鎂合金液有一定保護(hù)作用的氣體，如 SF6、BF3、CF4、CO2等。其中 SF6保護(hù)性能較好，它存在的問(wèn)題主要是用量的控制，生產(chǎn)中如何根據(jù)熔煉保護(hù)狀態(tài)自動(dòng)調(diào)節(jié)SF6的壓力、流量，達(dá)到即有利于保護(hù)，又減少SF6用量的目的，仍是SF6氣體保護(hù)有待深入研究的課題。

目前，一些研究者正在從事具有阻燃性且性能接近現(xiàn)有鎂合金的阻燃鎂合金研究，這一研究一旦獲得成功，則鎂合金就能像鋁合金一樣方便地進(jìn)

行熔煉和鑄造，從而獲得更為廣泛的應(yīng)用前景

2.壓鑄型設(shè)計(jì)。壓鑄模是壓鑄生產(chǎn)的主要工藝裝備，壓鑄生產(chǎn)過(guò)程能否順利進(jìn)行，壓鑄件質(zhì)量有無(wú)保證，在很大程度上取決于壓鑄模的結(jié)構(gòu)是否具有合理性和技術(shù)先進(jìn)性。

鎂合金具有良好的壓鑄工藝性能，在壓鑄模設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)結(jié)合鎂合金的壓鑄特性，采用適合于鎂合金的工藝參數(shù)和模具設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，而不能完全套用鋁合金壓鑄型的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

3.充型過(guò)程的研究。壓力鑄造中，金屬液的充型方式對(duì)控制壓鑄件質(zhì)量有十分重要的作用。隨著鎂合金鑄件的應(yīng)用領(lǐng)域日趨擴(kuò)大，對(duì)壓鑄鎂合金的充型性能提出了更高的要求。計(jì)算機(jī)及數(shù)值技術(shù)為壓鑄充型過(guò)程研究提供了新的途徑。通過(guò)壓鑄充型過(guò)程流場(chǎng)、溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬，能夠較準(zhǔn)確地表達(dá)壓鑄充型過(guò)程的流動(dòng)和傳熱規(guī)律，并可精確顯示澆不足、冷隔、裹氣和熱節(jié)位置，對(duì)提高工藝設(shè)計(jì)水平、保證成形鑄件的質(zhì)量及提高生產(chǎn)率、延長(zhǎng)模具的使用壽命等具有重要意義。

4.鎂合金壓鑄過(guò)程數(shù)值模擬。雖然鎂合金具有良好的壓鑄工藝性能，但壓鑄生產(chǎn)中充型、凝固過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜，工藝參數(shù)設(shè)置是否合理、澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否可行對(duì)鑄件性能、缺陷產(chǎn)生等影響顯著。目前，相關(guān)的數(shù)值模擬軟件，如ProCAST被廣泛認(rèn)為是優(yōu)化鑄造工藝設(shè)計(jì)的必備工具，它能對(duì)鑄造過(guò)程進(jìn)行仿真，從而模擬出在鑄件充型、凝固和冷卻過(guò)程中的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和微觀結(jié)構(gòu)，并根據(jù)這些物理場(chǎng)對(duì)鑄件質(zhì)量進(jìn)行預(yù)報(bào)，直接查看工藝設(shè)計(jì)效果。

通過(guò)開(kāi)展鎂合金充型、凝固過(guò)程的計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)筑專(zhuān)家系統(tǒng)，以指導(dǎo)壓鑄工藝制定、壓鑄型設(shè)計(jì)、壓鑄件質(zhì)量控制，提高鎂合金壓鑄件的合格率及壓鑄型的使用壽命都具有深遠(yuǎn)實(shí)際意義。近年來(lái)，在德國(guó)、美國(guó)、日本等國(guó)家鎂合金壓鑄件以其重量輕、比強(qiáng)度和比剛度高、導(dǎo)熱導(dǎo)電性好、合乎環(huán)保要求及使用安全等優(yōu)勢(shì)在廣闊的領(lǐng)域中得到不斷開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，已進(jìn)入了持續(xù)快速增長(zhǎng)階段。我國(guó)鎂資源儲(chǔ)量世界第一，是世界上最大的鎂生產(chǎn)國(guó)和出口國(guó)。但鎂合金應(yīng)用開(kāi)發(fā)嚴(yán)重滯后，壓鑄方面發(fā)展也比較緩慢。隨著我國(guó)汽車(chē)、計(jì)算機(jī)、通訊、信息、航空航天等產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)鎂合金壓鑄件需求潛力很大。我國(guó)壓鑄企業(yè)、科研單位及高校正投入大量人力和財(cái)力進(jìn)行開(kāi)發(fā)究，并已取得一定成果。2l世紀(jì)將是我國(guó)鎂合金壓鑄飛速發(fā)展的時(shí)代，必將為我國(guó)帶來(lái)巨大社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。