?鎂合金壓鑄工藝

鎂合金的特點

鎂合金以其具有的質量輕、比強度和比剛度高、減震性好、屏蔽和導熱性優良、成形加工好、易于回收等優點而被譽為“21世紀的綠色工程材料”，被廣泛應用于航空、航天、汽車和電子等行業。鎂合金是現有可以工業化生產金屬材料中最輕的材料。我國是鎂資源儲藏大國，原鎂儲藏量占世界儲藏量的1／3。但鎂合金制品出口相對較少。總體上，我國鎂合金的生產和應用仍然處于低端的水平，只有提高我國的鎂合金產品的技術附加值，才能使我國從“鎂資源大國”轉變為“鎂生產強國”。

鎂合金壓鑄工藝性能

鎂合金具有優良的壓鑄工藝性能，適于壓鑄生產，主要表現在以下幾個方面：

壓鑄鎂合金與壓鑄鋁合金和壓鑄鋅合金一樣，液體粘度低，具有良好的流動性，易于充滿復雜型腔，可用來壓鑄薄壁件而不會出現熱裂和澆不足等缺陷。

    2.鎂合金的熔點和結晶潛熱都低

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

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

4.壓鑄鎂合金的收縮率均勻一致且可預測，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.鎂合金鑄件的機加工性能優于鋁合金鑄件，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率和低生產成本，在眾多領域中獲得了廣泛的應用。

壓鑄工藝參數

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、開型時間及涂料等。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。目前熱室壓鑄機正向大型發展，鎖型力為9300KN，設計可壓鑄件最大為6.4千克的大型惹事壓鑄機已投入使用。鎂合金冷室開發較晚，鎂合金冷室壓鑄機的沖頭速度比鋁合金的快30%，最大可達10m╱s，鎖型力最大已到3500KN。

    熱室壓鑄生產效率高、澆注溫度低、鑄型壽命長、易實現焙體保護、缺點是設備成本高、維修復雜且成本高。冷室壓鑄的優點正好與之相反，并配置定量澆注設備。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、

形狀復雜鑄件，冷室壓鑄主要用于壁厚相對較大的中小型零件的大批量生產。

    壓鑄時二者的壓射壓力也不同，熱室壓鑄機的壓射比壓在40MPa左右，冷室壓鑄機的比壓要高于熱室壓鑄機，通常的比壓在40MPa~70MPa。另外重要的一點是增壓建壓時間，由于鎂合金的結晶潛熱低，鎂合金在模具內的凝固時間要比鋁合金的短的多，如果增壓時間太晚，澆口和型腔的金屬液已經凝固，增壓的壓力無法傳到模具型腔里面，要求壓射系統建壓時間通常在20ms以內。

    2.壓射速度。壓鑄充填速度是指金屬液通過澆口導入型腔的線速度。充填速度根據壓鑄河津和鑄件結構特性確定，既不能過高特不能過低。充填速度偏低會造成鑄件輪廓不清晰，甚至不成型；充填速度過高時，型腔中的空氣難以排除，使鑄件產生氣孔，液體金屬成噴霧進入型腔并粘附于型壁上，使后進入的液體金屬不能與它熔合而降低鑄件表面質量或是內部結構疏松，同時增加型腔內壁的磨損而使鑄件的使用壽命降低。對于鎂合金，由于密度小，同時，由于鎂合金的凝固速度快，要在金屬凝固前充填整個型腔，適合的充填速度為40m╱s~90m╱s。

    3.澆注溫度和預熱溫度。溫度是壓鑄過程的熱因素，為了提供良好的充填條件，保證壓鑄件的成型質量，控制和保持熱穩定性，必須選用相應的溫度規范，主要是指鎂合金的澆注溫度和壓鑄型的預熱溫度。

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

熱室壓鑄機的料壺在熔爐里面，壓射時的熱量損失小，澆注溫度通常在640℃左右。冷室壓鑄機的溫度要高一些，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，因為鎂合金熔爐用的保護氣體，在溫度過高（超過710℃）時會失去效用。

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

    根據壓鑄澆注溫度(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層，避免金屬液直接沖刷型腔，保持金屬液的流動性，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，當熱金屬高速沖擊模具的某些部件時，可能產生焊合現象。使用合適的模具涂料可以減少這種趨勢，最常用的是水基潤滑劑，由于鎂合金的熱容小，因此不需要把潤滑劑用于冷卻媒介，并且使用時間應盡可能的短，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。

鎂合金壓鑄的發展方向

    1.鎂合金的熔體保護。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α值僅為0.79，不能阻止合金的繼續氧化。因此，熔煉鎂合金時，防止氧化至關重要。鎂合金的熔體保護主要有兩種方法，即熔劑保護和氣體保護。

  目前，國內外常使用的保護熔劑是商品化的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。用保護熔劑熔煉通常會帶來以下問題：一是氯鹽和氟鹽高溫下易揮發產生有霉氣體，如HCl、Cl2、HF等；二是由于熔劑的密度較大，部分熔劑會隨同鎂液混入鑄型造成“熔劑夾渣”；三是熔劑揮發產生的氣體有可能滲入合金液中，成為材料使用過程中的腐蝕源，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，提高保護效果，是開發鎂合金熔煉保護熔劑的努力目標。

 自20世紀60年代以來，一些專家學者開始尋找氣體保護劑。通過大量試驗，發現了對鎂合金液有一定保護作用的氣體，如 SF6、BF3、CF4、CO2等。其中 SF6保護性能較好，它存在的問題主要是用量的控制，生產中如何根據熔煉保護狀態自動調節SF6的壓力、流量，達到即有利于保護，又減少SF6用量的目的，仍是SF6氣體保護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

行熔煉和鑄造，從而獲得更為廣泛的應用前景

2.壓鑄型設計。壓鑄模是壓鑄生產的主要工藝裝備，壓鑄生產過程能否順利進行，壓鑄件質量有無保證，在很大程度上取決于壓鑄模的結構是否具有合理性和技術先進性。

鎂合金具有良好的壓鑄工藝性能，在壓鑄模設計過程中，應結合鎂合金的壓鑄特性，采用適合于鎂合金的工藝參數和模具設計準則，而不能完全套用鋁合金壓鑄型的設計準則。

3.充型過程的研究。壓力鑄造中，金屬液的充型方式對控制壓鑄件質量有十分重要的作用。隨著鎂合金鑄件的應用領域日趨擴大，對壓鑄鎂合金的充型性能提出了更高的要求。計算機及數值技術為壓鑄充型過程研究提供了新的途徑。通過壓鑄充型過程流場、溫度場的數值模擬，能夠較準確地表達壓鑄充型過程的流動和傳熱規律，并可精確顯示澆不足、冷隔、裹氣和熱節位置，對提高工藝設計水平、保證成形鑄件的質量及提高生產率、延長模具的使用壽命等具有重要意義。

4.鎂合金壓鑄過程數值模擬。雖然鎂合金具有良好的壓鑄工藝性能，但壓鑄生產中充型、凝固過程相當復雜，工藝參數設置是否合理、澆注系統設計是否可行對鑄件性能、缺陷產生等影響顯著。目前，相關的數值模擬軟件，如ProCAST被廣泛認為是優化鑄造工藝設計的必備工具，它能對鑄造過程進行仿真，從而模擬出在鑄件充型、凝固和冷卻過程中的流場、溫度場、應力場和微觀結構，并根據這些物理場對鑄件質量進行預報，直接查看工藝設計效果。

通過開展鎂合金充型、凝固過程的計算機數值模擬，并在此基礎上構筑專家系統，以指導壓鑄工藝制定、壓鑄型設計、壓鑄件質量控制，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實際意義。近年來，在德國、美國、日本等國家鎂合金壓鑄件以其重量輕、比強度和比剛度高、導熱導電性好、合乎環保要求及使用安全等優勢在廣闊的領域中得到不斷開發和應用，已進入了持續快速增長階段。我國鎂資源儲量世界第一，是世界上最大的鎂生產國和出口國。但鎂合金應用開發嚴重滯后，壓鑄方面發展也比較緩慢。隨著我國汽車、計算機、通訊、信息、航空航天等產業的迅速發展，對鎂合金壓鑄件需求潛力很大。我國壓鑄企業、科研單位及高校正投入大量人力和財力進行開發究，并已取得一定成果。2l世紀將是我國鎂合金壓鑄飛速發展的時代，必將為我國帶來巨大社會效益和經濟效益。