鎂合金壓鑄技術(shù)現(xiàn)狀
鎂合金作為一種發(fā)展迅猛的綠色環(huán)保合金,具有密度小(1.75g/cm3-1.90g/cm3),比強(qiáng)度和比剛度高,尺寸穩(wěn)定性好,電磁屏蔽性好,抗腐蝕性優(yōu)良,減震良好性,加工性能優(yōu)良,易加工且加工成本低,充型流動(dòng)性良好和可再生利用等一系列優(yōu)點(diǎn),并且近年來價(jià)格逐年下降,因此成為鋼、鐵、鋁和塑料等結(jié)構(gòu)材料的替代品,在汽車、電子、家電、通訊、儀表及航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用日益增多。就目前發(fā)表的研究成果看,雖然新的成型方法較多,但仍以壓鑄成型為主,即使新的成型方法也是由壓鑄基本原理派生而來的。
與鋁合金相比,鎂合金的密度、比熱和凝固潛熱較小,熔點(diǎn)較低,熔化和壓鑄時(shí)不與鐵反應(yīng),因此熔化耗能少,凝固速度快,壓射周期可縮短20%―30%,壓鑄型壽命長(zhǎng),一般可達(dá)20萬次以上,美國還有壓鑄型壽命達(dá)300萬次的報(bào)道。但鎂合金液易氧化燃燒,鑄造時(shí)熱裂傾向比鋁合金大,在熔化、澆注和壓鑄型溫控制等方面都比鋁合金壓鑄復(fù)雜。
鎂合金可用冷室或熱室壓鑄機(jī)壓鑄。熱室壓鑄機(jī)的鎖型力一般在7840kN以下,壓鑄生產(chǎn)效率約為同容量冷室壓鑄機(jī)的2倍,通常用于生產(chǎn)重量不大的薄壁壓鑄件,例如鎖型力為9800kN的熱室壓鑄機(jī),壓鑄單件重量2.15kg的自行車架,生產(chǎn)能力為70件/小時(shí)。美國WhiteMetalCasting公司生產(chǎn)的外形尺寸為610×610mm的計(jì)算機(jī)鎂合金外殼也是用大型熱室壓鑄機(jī)生產(chǎn)的。目前對(duì)熱室壓鑄機(jī)的改進(jìn)主要包括:采用儲(chǔ)能器增壓,壓射柱塞的壓射速度可達(dá)6m/s,感應(yīng)加熱鵝頸管和噴嘴,使之保持最適宜溫度;采用雙爐熔化保溫,并采用絕熱裝置和再循環(huán)管道,精確保持熔池溫度;易磨損件進(jìn)行鍍鉻以提高其使用壽命。在冷室壓鑄機(jī)方面,美國Prince公司1986年研制了第一臺(tái)鎖型力11176MN的大型鎂合金冷室壓鑄機(jī),1990年又生產(chǎn)了鎖型力13172MN的大型鎂合金壓鑄機(jī),該機(jī)集鎂合金熔化、壓鑄于一體,并采用了取件機(jī)器人,使整臺(tái)機(jī)組成為一個(gè)完整的壓鑄生產(chǎn)單元。該公司制造的鎂合金冷室壓鑄機(jī)的壓射柱塞最大速度達(dá)819m/s,增壓速度變化時(shí)間控制在20ms以內(nèi),金屬液所受的最小靜壓為419MPa。鎂合金冷室壓鑄機(jī)的技術(shù)關(guān)鍵是自動(dòng)澆注機(jī)構(gòu),目前采有葉片泵式、氣壓泵式、重力式和電磁泵式等,自動(dòng)澆注熔池中的泵壓為137kPa的不銹鋼泵將金屬液經(jīng)配管輸送至壓射室,自動(dòng)澆注機(jī)構(gòu)利用一定壓力的氬氣作用在密封坩堝內(nèi)的熔池液面上,通過浸在熔池中的泵體將鎂合金液定量壓出,定量范圍為200―2000g,重力式澆注系統(tǒng)通過升降裝置使熔化爐熔池液面比澆注液口高出一定高度,利用重力澆注金屬液,并通過控制閥門開啟時(shí)間實(shí)現(xiàn)定量澆注;電磁泵式澆注系統(tǒng)利用電磁力輸送金屬液,可精確控制金屬液的澆注量,誤差不超過2%,澆注量調(diào)節(jié)范圍較大。德國奧迪汽車的儀表板的長(zhǎng)度為1440mm,壁厚3.15mm,重4.12kg,是在裝有自動(dòng)澆注機(jī)構(gòu)的鎖型力為24500kN冷室壓鑄機(jī)上壓鑄的。通用公司汽車上的直角承梁尺寸為1470×300mm,平均壁厚2mm,重1.18kg,用M60B鎂合金在鎖型力為21560kN的冷室壓鑄機(jī)上壓鑄而成,用冷室壓鑄機(jī)生產(chǎn)的鎂合金壓鑄件還有汽車座椅框架和汽車輪轂等。
鎂合金壓鑄技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向
與其他壓鑄合金一樣,傳統(tǒng)的壓鑄技術(shù)使鎂合金液以高速的紊流和彌散狀態(tài)充填壓鑄型腔,使型腔內(nèi)的氣體及由壓鑄涂料產(chǎn)生的氣體無法順利排出,這些氣體在高壓下或者溶解在壓鑄合金內(nèi),或者形成許多彌散分布在壓鑄件內(nèi)的高壓微氣孔。這些高壓下溶解的氣體和微氣孔在高溫下析出和膨脹導(dǎo)致鑄件變形和表面鼓泡。因此用傳統(tǒng)壓鑄方法生產(chǎn)的鎂合金壓鑄件,與其他合金的壓鑄件一樣,不能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化,也不能在較高溫度下使用。為了消除這種缺陷,提高壓鑄件的內(nèi)在質(zhì)量,擴(kuò)大壓鑄件的應(yīng)用范圍,近20年來研究開發(fā)了一些新的壓鑄方法,其中包括充氧壓鑄,半固態(tài)金屬流變或觸變壓鑄和擠壓鑄造,以及幾經(jīng)起伏的真空壓鑄,等等。真空壓鑄通過在壓鑄過程中抽除型腔內(nèi)的氣體而消除或顯著減少壓鑄件內(nèi)的氣孔和溶解氣體,提高壓鑄件的力學(xué)性能和表面質(zhì)量。目前已成功地在冷室壓鑄機(jī)上用真空壓鑄法生產(chǎn)出AM60B鎂合金汽車輪轂,在鎖型力為2940kN的熱室壓鑄機(jī)上生產(chǎn)出AM60B鎂合金汽車方向盤零件,鑄件伸長(zhǎng)率由8%提高至16%。充氧壓鑄又稱無氣孔壓鑄,該法在金屬液充型前,將氧氣或其他活性氣體充入型腔,置換型腔內(nèi)的空氣,金屬液充型時(shí),活性氣體與充型金屬液反應(yīng)生成金屬氧化物微粒彌散分布在壓鑄件內(nèi),從而消除壓鑄件內(nèi)的氣體,使壓鑄件可熱處理強(qiáng)化。日本輕金屬株式會(huì)社用充氧壓鑄法生產(chǎn)計(jì)算機(jī)的AZ91鎂合金整體磁頭支架,代替原先的多層疊合支架,不但減輕了支架重量,而且取得了很大的經(jīng)濟(jì)效益。該公司還用充氧壓鑄法成批生產(chǎn)了AM60鎂合金汽車輪轂和摩托車輪轂,與鋁輪轂相比,重量減輕15%。充氧壓鑄鎂合金件可像重力鑄造鎂合金件一樣進(jìn)行熱處理強(qiáng)化,其力學(xué)性能優(yōu)于普通壓鑄件和重力鑄造件,而普通鎂合金壓鑄件則在熱處理時(shí)變形,無法進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。半固態(tài)流變壓鑄具有充型平穩(wěn)無金屬噴濺、金屬液氧化損失少、節(jié)能、操作安全、減少鑄件內(nèi)孔洞類缺陷等優(yōu)點(diǎn)。固相率為40%-50%的AZ91D鎂合金在冷室壓鑄機(jī)上半固態(tài)流變壓鑄試件消除了氣孔缺陷,抗拉強(qiáng)度達(dá)140-200MPa。美國DowChemical公司發(fā)明的鎂合金半固態(tài)壓鑄法已實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化,并取得了三項(xiàng)基本專利。該公司于1991年推出了第二代半固態(tài)壓鑄設(shè)備,其鎖型機(jī)構(gòu)與普通壓鑄機(jī)相同,而壓射機(jī)構(gòu)則采用帶有電加熱裝置的螺旋式壓射機(jī)構(gòu)。加入該機(jī)構(gòu)的顆粒狀鎂合金被螺旋輸送至用氬氣保護(hù)的控溫加熱區(qū),在該區(qū)被加熱和剪切成溫度達(dá)580℃的半固態(tài)后進(jìn)入加速壓射區(qū),壓射速度約318m/s,型腔壓力為34-41MPa,最大可達(dá)136MPa,一次循環(huán)時(shí)間為20s。與普通壓鑄件高達(dá)215%-310%的平均孔隙率相比,半固態(tài)壓鑄件的孔隙率僅為14%-118%。該法的另一優(yōu)點(diǎn)是減少了鑄件在型內(nèi)的收縮率,對(duì)某些鑄件甚至可采用零起模斜度,顯著減小了鑄件的脫型阻力,提高了鑄件的尺寸精度。已生產(chǎn)出的鎂合金半固態(tài)壓鑄件有汽車傳動(dòng)器殼體蓋、點(diǎn)火器殼體等,所用合金為AZ91D。此外,用碳化硅等顆粒增強(qiáng)的鎂合金基復(fù)合材料已進(jìn)行了多年的研究開發(fā),目前雖尚未達(dá)到在壓鑄領(lǐng)域商業(yè)應(yīng)用的階段,但已用砂型造、精密鑄造等方法制成了葉輪、自行車曲柄、汽車缸套等鑄件,并有將這種復(fù)合材料與半固態(tài)鑄造相結(jié)合,應(yīng)用于壓鑄和擠壓鑄造領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。
當(dāng)前世界各國對(duì)壓鑄鎂合金的工藝參數(shù)和力學(xué)性能關(guān)系的實(shí)驗(yàn)研究相對(duì)較多,而涉及壓鑄工藝對(duì)微觀性能的研究成果非常少。因此,若能通過定量分析壓鑄工藝對(duì)鎂合金組織與性能的影響,來預(yù)測(cè)鎂合金成形加工零部件的性能,將是一個(gè)很有潛力和應(yīng)用前景的基礎(chǔ)研究。
鎂合金壓鑄工藝
鎂合金壓鑄工藝的方法有哪些呢?鎂合金壓鑄工藝的流程是怎么樣的呢?鎂合金壓鑄工藝有什么特點(diǎn)嗎?鎂合金壓鑄工藝有什么缺陷嗎?如果有的話，該如何解決鎂合金壓鑄工藝的缺陷呢?那么到底什么是鎂合金壓鑄工藝呢?
所謂的鎂合金壓鑄工藝是利用機(jī)器、模具和合金等三大要素，將壓力、速度及時(shí)間統(tǒng)一的過程。鎂合金壓鑄工藝是一種金屬鑄造工藝。鎂合金工藝的方法有很多，也有自己各自的特點(diǎn)。那么我們來說下什么是鎂合金吧。所謂的鎂合金就是指以鎂為基加入其他元素組成的合金。
鎂合金壓鑄工藝的概念：鎂合金壓鑄工藝與傳統(tǒng)鋁合金壓鑄工藝的方法基本相同。主要區(qū)別有兩點(diǎn)：
1、由于鎂合金的低熱容量，要求壓鑄機(jī)壓射系統(tǒng)能提供足夠能量滿足快速充填要求;
2、從安全和材料損耗考慮，鎂合金澆注系統(tǒng)需配備專用氣體保護(hù)熔爐，用保護(hù)氣體來防止熔池表面的氧化，熔爐能保證鎂液維持在一個(gè)特定溫度直接定量澆注。
鎂合金壓鑄工藝過程：根據(jù)壓鑄件所需的澆注量由定量泵和輸送管注入壓射室→根據(jù)鎂合金的低熱容量要求選擇一個(gè)合理的快壓射速度→與鋁合金壓鑄相比，模具型腔的充型要求更快→經(jīng)過相對(duì)短的凝固之后，即可開模取件。
鎂合金壓鑄成型工藝的方法：
1、冷式成型：鎂合金冷式壓鑄機(jī)見下圖1：
圖1：鎂合金冷式壓鑄機(jī)
(1)冷式壓鑄機(jī)就是壓射室不被熔燙加熱，
(2)熔液從保溫盧用手工或自動(dòng)加燙機(jī)汲取注入壓射室。它適應(yīng)高溫合 金如：鋁、鎂、銅等合金。
2、熱式成型：直接浸入熔湯中被熔湯加熱，生產(chǎn)時(shí)直接從熔湯汲取熔液。它適應(yīng)低 合金如：鋅、鎂、鉛等合金。鎂合金熱式壓鑄機(jī)見下圖2
圖2：鎂合金熱式壓鑄機(jī)
3、注射成型。
鎂合金壓鑄工藝中的設(shè)備：
1、壓鑄機(jī)：壓鑄機(jī)是壓鑄成型 關(guān)鍵設(shè)備，它提供成型需要的壓力﹑速度。
2、熔解爐：溶解鎂錠，為鑄件提供干凈合格原料。
加熱鎂湯溫度：
620~~650度(熱式成型);
650~~680度(冷式成型)。
3、預(yù)熱爐：由于鎂湯與水有強(qiáng)烈反應(yīng)，故鎂錠在加入熔解爐前都要預(yù)熱。一般預(yù)熱溫度為150~~400度。
4、模溫機(jī)：主要用在模具射料管加熱。它能起到提升良品率，延長(zhǎng)模具壽命等的作用。
5、噴霧器：
(1)讓成型面都能噴涂到(特別是成型孔內(nèi))
(2)噴涂不要過大，以免離型濟(jì)粘不模面，或者合模時(shí)水份還沒有干。
(3)噴涂過后,,空氣吹干水份。
6、機(jī)械手：在每一個(gè)成型周期中自動(dòng)將鑄件產(chǎn)品及料頭取出，并放置于指定位置。減少人工取產(chǎn)品時(shí)拉變形產(chǎn)品。
7、混合機(jī)：鎂合金一般加熱到350度易著火。故加熱時(shí)，通入保護(hù)氣體。使用保護(hù)氣體有：二氧化硫 六氟化硫鎂湯溫度超過700度，保護(hù)氣體就會(huì)失效。
鎂合金壓工藝之壓鑄作業(yè)流程：見圖3
圖3:鎂合金壓鑄作業(yè)流程
鎂合金壓鑄工藝的優(yōu)勢(shì)：
1、由于鎂合金具有優(yōu)異的流動(dòng)性能，可以生產(chǎn)比鋁合金壓鑄更復(fù)雜、更薄壁的零件。
2、鎂合金具有良好的導(dǎo)熱性和金屬電磁式的保護(hù)性能，比其它合金更適合做電子行業(yè)產(chǎn)品。
3、鎂資源取之不盡。
4、加收材料可循環(huán)再造。
5、隔音性和減振性均較好。
6、比重約為鋁合金的三分之二。
鎂合金壓鑄型設(shè)計(jì)的考慮因素：
1、壓鑄機(jī)選擇。采用何種形式的壓鑄機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)主要取決于鑄件的壁厚。RolandFink在對(duì)“鎂合金壓鑄工藝的優(yōu)化”問題進(jìn)行研究的過程中，通過對(duì)鎂合金壓鑄經(jīng)濟(jì)性、冷室壓鑄和熱室壓鑄過程分析提出，一般情況下小于1kg的鑄件需要采用熱室壓鑄機(jī)，以保證薄壁件的充滿，大件則推薦采用冷室壓鑄機(jī)。
2、工藝參數(shù)。在壓鑄生產(chǎn)過程中，選擇合適的工藝參數(shù)是獲得優(yōu)質(zhì)鑄件發(fā)揮壓鑄機(jī)最大生產(chǎn)率的先決條件，是正確設(shè)計(jì)壓鑄模的依據(jù)。壓鑄時(shí)，影響合金液充填成型的因素很多，其中主要有壓射壓力、壓射速度、充填時(shí)間和壓鑄模溫度等等。由于壓鑄件壁厚和復(fù)雜程度的不同，工藝參數(shù)選擇的變化范圍很大。鎂合金同鋁、鋅合金相比，流動(dòng)性更好，因此二級(jí)壓射速度可以更大，鎂合金的沖頭速度比鋁合金快約30%，最大甚至超過10m/s.由于鎂合金鑄造性能如流動(dòng)性對(duì)型溫和澆注溫度相當(dāng)敏感，在充型過程中鎂合金液極易凝固，必須精確控制型溫和澆注溫度，否則就易出廢品。
3、澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)。澆注系統(tǒng)對(duì)金屬液流動(dòng)的方向、排氣溢流條件、模具的溫度分布、壓力的傳遞、充填時(shí)間的長(zhǎng)短及金屬液通過澆道處的速度和流動(dòng)狀態(tài)等各個(gè)方面，起著重要的控制與調(diào)節(jié)作用。澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)總結(jié)如下：內(nèi)澆道位置：由于鎂合金在型腔中比鋁、鋅等合金凝固都要快，并且一般鎂合金壓鑄件為薄壁零件，因此內(nèi)澆道位置的選擇必須盡量避免直接沖擊型腔表面，保證金屬液在型腔中的流動(dòng)路徑最短，以防止出現(xiàn)澆不足和冷隔現(xiàn)象。
充型速度：一般說來，由于鎂合金的熱力學(xué)特性，合金向模具的熱傳遞速度很快，而且凝固區(qū)間大，流動(dòng)性較差，因此為避免澆道鎂液過早凝固，應(yīng)使鎂液高速平穩(wěn)地充入型腔。一般內(nèi)澆道流速為90～100m/s，對(duì)于有些薄壁鎂合金壓鑄件來說，內(nèi)澆道速度甚至高達(dá)20m/s.內(nèi)澆道尺寸：在許多情況下，內(nèi)澆道通過機(jī)加工去掉。內(nèi)澆道寬度應(yīng)該小于壁厚的50%，以避免修邊過程中對(duì)鑄件造成損傷。為了獲得最小的內(nèi)澆道厚度，同時(shí)保證鎂壓鑄件薄壁的要求，內(nèi)澆道寬度應(yīng)該盡量取大以保證合適的內(nèi)澆道截面積。
充填時(shí)間：它與內(nèi)澆道速度緊密相關(guān)，對(duì)于表面質(zhì)量要求高的薄壁鑄件影響很大。充填時(shí)間較鋁合金少0%，通常取為10～100ms.溢流槽設(shè)計(jì)對(duì)于薄壁鎂合金壓鑄件，最佳的溢流槽入口面積約為內(nèi)澆道截面積的20%～25%.壓鑄型設(shè)計(jì)由于鎂合金的化學(xué)、物理參數(shù)及壓鑄特性與鋁合金有很大差異，因此鑄型設(shè)計(jì)則不能完全套用鋁合金壓鑄型設(shè)計(jì)原則。
鎂合金壓鑄工藝缺陷的直接原因：
1、制品形狀不適當(dāng);
2、壓鑄機(jī)或充填條件不適當(dāng);
3、鑄造作業(yè)不當(dāng);
4、模具及鑄造方案不當(dāng);
5、原料及熔解技術(shù)不當(dāng);
6、作業(yè)者之不適當(dāng)。
鎂合金壓鑄工藝缺陷的間接原因：
1、不合理的工程組合及工程管理不實(shí)際;
2、品質(zhì)管理不徹底(尺寸驗(yàn)證,工序,作業(yè)標(biāo)準(zhǔn),檢查基準(zhǔn)等等);
3、作業(yè)者的怠慢(教育訓(xùn)練不足);
4、管理者的失職(管理教育的不充分)。