镁合金压铸工艺

​镁合金压铸工艺

镁合金的特点

镁合金以其具有的质量轻、比强度和比刚度高、减震性好、屏蔽和导热性优良、成形加工好、易于回收等优点而被誉为“21世纪的绿色工程材料”，被广泛应用于航空、航天、汽车和电子等行业。镁合金是现有可以工业化生产金属材料中最轻的材料。我国是镁资源储藏大国，原镁储藏量占世界储藏量的1／3。但镁合金制品出口相对较少。总体上，我国镁合金的生产和应用仍然处于低端的水平，只有提高我国的镁合金产品的技术附加值，才能使我国从“镁资源大国”转变为“镁生产强国”。

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：

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。

    2.镁合金的熔点和结晶潜热都低

于铝合金，充型后凝固速度快，其生产率比铝压铸高出40%~50%，最高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。同时不侵蚀钢制坩埚，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.镁合金铸件的机加工性能优于铝合金铸件，镁合金的切削速度可比铝合金提高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髙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。目前热室压铸机正向大型发展，锁型力为9300KN，设计可压铸件最大为6.4千克的大型惹事压铸机已投入使用。镁合金冷室开发较晚，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、维修复杂且成本高。冷室压铸的优点正好与之相反，并配置定量浇注设备。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，热室压铸机的压射比压在40MPa左右，冷室压铸机的比压要高于热室压铸机，通常的比压在40MPa~70MPa。另外重要的一点是增压建压时间，由于镁合金的结晶潜热低，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，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。充填速度根据压铸河津和铸件结构特性确定，既不能过高特不能过低。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是内部结构疏松，同时增加型腔内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，同时，由于镁合金的凝固速度快，要在金属凝固前充填整个型腔，适合的充填速度为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，凝固收缩越大，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方法，即熔剂保护和气体保护。

  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HCl、Cl2、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 SF6、BF3、CF4、CO2等。其中 SF6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SF6的压力、流量，达到即有利于保护，又减少SF6用量的目的，仍是SF6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

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。