镁合金压铸工艺

镁合金压铸工艺 74 中国有色金属 2008 年第20 期 科 技 S cience & T echnology 镁合金压铸工艺 本文简要概述了镁合金的压铸工艺性能、成 型工艺参数，提出了镁合金压铸工艺的发展方向。 文 周桂云 镁合金压铸工艺性能 镁合金具有优良的压铸工艺性能，适 于压铸生产，主要表现在以下几个方面: 1. 压铸镁合金与压铸铝合金和压 铸锌合金一样，液体粘度低，具有良好 的流动性，易于充满复杂型腔，可用来 压铸薄壁件而不会出现热裂和浇不足 等缺陷。镁合金可以很容易地生产壁厚 2.0mm ,4.0mm的压铸件，最小壁厚可 达0.635mm，而铝合金压铸件的最小壁厚 则是2.3mm ,3.5mm。 2. 镁合金的熔点和结晶潜热都低于铝 合金，充型后凝固速度较快，其生产率比 铝压铸高出40% ,50%，最高时可达到压 铸铝的两倍。压铸过程中对压铸型的热冲 击比铝合金小，可用于压铸薄壁件而不会 出现热裂和欠铸等缺陷，且不易粘型，寿 命可比铝合金长2 ,4 倍。 3. 压铸镁合金与铁基本上不发生反 应，不易粘型，减轻压铸型的热疲劳现象， 寿命可比铝合金长2 ,4 倍。同时不侵蚀 钢质坩埚，避免了坩埚对镁合金液的污染。 4. 压铸镁合金的收缩率均匀一致且可 预测，脱型力比铝合金低20% ,25%，保 证了压铸件的可靠性，使镁合金压铸件的 尺寸精度比铝压铸件高50%。 5. 镁合金铸件的加工性能优于铝合金 铸件，镁合金铸件的切削速度可比铝合金 件提高50%，加工耗能比铝合金件低50%。 正是由于镁合金的上述压铸特性，有 效地保证了镁合金压铸的高生产率和低生 产成本，在众多领域中获得了广泛的应用。 压铸工艺参数 镁合金的压铸工艺同其他合金的压铸 工艺相似，但是由于镁合金的不同特性， 影响合金液充填成形的因素有很多，其中 主要有压力和充填速度、金属液充填特性、 压型和合金的温度、开型时间及涂料等。 这里主要考察压射压力、压射速度、浇注 温度和铸型预热温度以及涂料。 1. 压射压力。镁合金压铸分热室压铸 和冷室压铸两种形式。目前热室压铸机正 在向大型发展，锁型力为9300kN，设计可 压铸最大件为6.4 千克的大型热室压铸机 已投入使用。镁合金冷室压铸工艺开发较 晚，镁合金冷室压铸机的冲头速度比铝合 金的快30%，最大可达10m/s，锁型力最 大已达到3500kN。 热室压铸生产效率高、浇注温度低、 铸型寿命长、易实现焙体保护，缺点是设 备成本高、维修复杂且费用较高。冷室压 铸的优缺点正好与之相反，并须配置定量 浇注设备。镁合金压铸采用热室还是冷室 压铸主要取决于铸件壁厚，热室压铸一般 用于小尺寸薄壁、形状复杂铸件，冷室压 铸主要用于壁厚相对较大的中小型零件的 大批量生产。 压铸时二者的压射压力也不同，热 室机的压射比压在40MPa 左右，冷室 机的比压要高于热室机，通常的比压在 40MPa ,70MPa。另外重要的一点是增压 建压时间，由于镁合金的凝固潜热低，镁 合金在模具内的凝固时间要比铝合金的短 的多，如果增压时间太晚的话, 浇口和型 腔的金属液已经凝固，增压的压力无法传 到模具型腔里面，要求压射系统建压时间 通常在20ms 以内。 2. 压射速度。压铸充填速度是指金属 液通过浇口导入型腔的线速度。充填速度 根据压铸合金和铸件结构特性确定，既不 能过高也不能偏低。充填速度偏低会造成 铸件轮廓不清晰，甚至不成型;充填速度 过高时，型腔中的空气难以排除，使铸件 产生气孔，液体金属成喷雾状进入型腔并 粘附于型壁上，使后进入的液体金属不能 与它熔合而降低铸件表面质量或使内部结 构疏松，同时增加型腔壁的磨损而使铸件 的使用寿命降低。对于镁合金，由于密度 小( 只有铝合金的2/3)，因而惯性小。同 时，由于镁合金的凝固也很快，要在金属 凝固前充填整个型腔，适宜的充填速度为 40m/s ,90m/s。 3. 浇注温度和预热温度。温度是压铸 过程的热因素，为了提供良好的充填条件， 保证压铸件的成型质量，控制和保持热稳 定性，必须选用相应的温度规范，主要是 指镁合金的浇注温度和压铸型的预热温 度。 在生产镁合金压铸件时，必须合理选 择浇注温度。浇注温度过高，凝固收缩大， 铸件易产生裂纹，晶粒粗大及粘型;浇注 温度太低会产生浇注不足、冷隔和表面裂 纹等缺陷。热室压铸机的料壶在熔炉里 面，压射时的热量损失小，浇注温度通常 在640?左右。冷室压铸机的温度要高一 75 2008年第20期 中国有色金属 些，一般在680?左右。如果压铸件的成型 不太理想，可以从其他方面，比如压射速 度、模具温度等方面改善。不能仅提高合 金浇注温度，因为镁合金熔炉用的保护气 体，在温度过高(超过710?)时会失去效 用。 压铸型在浇注前需预热到一定温度以 防止金属液压入后过度激冷而不成型，或 虽成型但易引起铸件裂纹和表面产生“霜 冻”流痕等缺陷。另外预热到一定温度还 可以避免模具剧烈膨胀，减少温度波动， 提高模具寿命。压铸型的工作温度不宜过 高，否则将使金属产生粘模和铸件顶出时 变形，从而影响生产效率。 根据压铸浇注温度(650?,680?) 确定模具初始温度范围为180?,190?， 镁合金压铸过程中模具的温度一般保持在 180?,280?之间。 4. 涂料。涂料的作用是为压铸合金和 压铸型之间提供有效的隔离保护层，避免 金属液直接冲刷型腔，保持金属液的流动 性，还可以冷却模具，降低粘模倾向。镁 合金同铝合金相比，模具和焊合性要比铝 合金好，但是由于镁合金的压射速度要高 于铝合金，当热金属高速冲击模具的某些 部件时，可能产生焊合现象。使用合适的 模具涂料可以减少这种趋势，最常用的是 水基润滑剂，由于镁合金的热容小，因此 目前，国内外常使用的保护熔剂是商 品化的RJ 系列熔剂。其中，使用最广泛 的是RJ 一2 熔剂，其组分主要为氯盐和 氟盐。用保护熔剂熔炼通常会带来以下问 题:一是氯盐和氟盐高温下易挥发产生有 霉气体，如HC1、C1 2 、HF等;二是由于 熔剂的密度较大，部分熔剂会随同镁液混 入铸型造成“熔剂夹渣”;三是熔剂挥发产 生的气体有可能渗入合金液中，成为材料 使用过程中的腐蚀源，加速材料腐蚀，降 低使用寿命。因此，寻找氯盐和氟盐的代 用材料或减少氯盐和氟盐的使用量，降低 污染，提高保护效果，是开发镁合金熔炼 保护熔剂的努力目标。 自20 世纪60 年代以来，一些专家学 者开始寻找气体保护剂。通过大量试验， 发现了对镁合金液有一定保护作用的气 体，如SF 6 、BF 3 、CF 4 、CO 2 等。其中SF 6 保护性能较好，它存在的问题主要是用量 的控制，生产中如何根据熔炼保护状态自 动调节SF 6 的压力、流量，达到即有利于 保护，又减少SF 6 用量的目的，仍是SF 6 气 体保护有待深入研究的课题。 目前，一些研究者正在从事具有阻燃 性且性能接近现有镁合金的阻燃镁合金研 究，这一研究一旦获得成功，则镁合金就 能像铝合金一样方便地进行熔炼和铸造， 从而获得更为广泛的应用前景。 重要的作用。随着镁合金铸件的应用领域 日趋扩大，对压铸镁合金的充型性能提出 了更高的要求。计算机及数值技术为压铸 充型过程研究提供了新的途径。通过压铸 充型过程流场、温度场的数值模拟，能够 较准确地表达压铸充型过程的流动和传热 规律，并可精确显示浇不足、冷隔、裹气和 热节位置，对提高工艺设计水平、保证成 形铸件的质量及提高生产率、延长模具的 使用寿命等具有重要意义。 4. 镁合金压铸过程数值模拟。虽然镁 合金具有良好的压铸工艺性能，但压铸生 产中充型、凝固过程相当复杂，工艺参数 设置是否合理、浇注系统设计是否可行对 铸件性能、缺陷产生等影响显著。目前，相 关的数值模拟软件，如ProCAST被广泛 认为是优化铸造工艺设计的必备工具，它 能对铸造过程进行仿真，从而模拟出在铸 件充型、凝固和冷却过程中的流场、温度 场、应力场和微观结构，并根据这些物理 场对铸件质量进行预报，直接查看工艺设 计效果。 通过开展镁合金充型、凝固过程的计 算机数值模拟，并在此基础上构筑专家系 统，以指导压铸工艺制定、压铸型设计、压 铸件质量控制，提高镁合金压铸件的合格 率及压铸型的使用寿命都具有深远实际意 义。 近年来，在德国、美国、日本等国家 镁合金压铸件以其重量轻、比强度和比刚 度高、导热导电性好、合乎环保要求及使 用安全等优势在广阔的领域中得到不断开 发和应用，已进入了持续快速增长阶段。 我国镁资源储量世界第一，是世界上最大 的镁生产国和出口国。但镁合金应用开发 严重滞后，压铸方面发展也比较缓慢。随 着我国汽车、计算机、通讯、信息、航空航 天等产业的迅速发展，对镁合金压铸件需 求潜力很大。我国压铸企业、科研单位及 高校正投入大量人力和财力进行开发研 究，并已取得一定成果。2l 世纪将是我国 镁合金压铸飞速发展的时代，必将为我国 带来巨大社会效益和经济效益。中 (作者单位:潍坊学院机电工程学院) 压铸型在浇注前需预热到一定温度以防止金 属液压入后过度激冷而不成型，或虽成型但易 引起铸件裂纹和表面产生“霜冻”流痕等缺陷。 不需要把润滑剂用于冷却媒介，并且使用 时间应尽可能的短，一般为铝合金的50%。 为减少水的含量，通常使用较高浓度的涂 料。 镁合金压铸的发展方向 1. 镁合金的熔体保护。由于镁合金液 很容易氧化，而且表面生成的氧化膜比较 疏松，其致密系数α值仅为0.79，不能阻 止合金的继续氧化。因此，熔炼镁合金时， 防止氧化至关重要。镁合金的熔体保护主 要有两种，即熔剂保护和气体保护。 2. 压铸型设计。压铸模是压铸生产的 主要工艺装备，压铸生产过程能否顺利进 行，压铸件质量有无保证，在很大程度上 取决于压铸模的结构是否具有合理性和技 术先进性。 镁合金具有良好的压铸工艺性能，在 压铸模设计过程中，应结合镁合金的压铸 特性，采用适合于镁合金的工艺参数和模 具设计准则，而不能完全套用铝合金压铸 型的设计准则。 3. 充型过程的研究。压力铸造中，金 属液的充型方式对控制压铸件质量有十分