一、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,充型流動性良好和可再生利用等一系列優(yōu)點,并且近年來價格逐年下降,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,熔點較低,熔化和壓鑄時不與鐵反應,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,一般可達20萬次以上,美國還有壓鑄型壽命達300萬次的報道。但鎂合金液易氧化燃燒,鑄造時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雜。
鎂合金可用冷室或熱室壓鑄機壓鑄。
熱室壓鑄機的鎖型力一般在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,壓鑄單件重量2.15kg的自行車架,生產(chǎn)能力為70件/小時。美國WhiteMetal Casting公司生產(chǎn)的外形尺寸為610×610mm的計算機鎂合金外殼也是用大型熱室壓鑄機生產(chǎn)的。
目前對熱室壓鑄機的改進主要包括:采用儲能器增壓,壓射柱塞的壓射速度可達6m/s,感應加熱鵝頸管和噴嘴,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;易磨損件進行鍍鉻以提高其使用壽命。
在冷室壓鑄機方面,美國Prince公司1986年研制了第一臺鎖型力11176MN的大型鎂合金冷室壓鑄機,1990年又生產(chǎn)了鎖型力13172MN的大型鎂合金壓鑄機,該機集鎂合金熔化、壓鑄于一體,并采用了取件機器人,使整臺機組成為一個完整的壓鑄生產(chǎn)單元。該公司制造的鎂合金冷室壓鑄機的壓射柱塞最大速度達819m/s,增壓速度變化時間控制在20ms以內(nèi),金屬液所受的最小靜壓為419MPa。
鎂合金冷室壓鑄機的技術(shù)關(guān)鍵是自動澆注機構(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,自動澆注機構(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間實現(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度為1440mm,壁厚3.15mm,重4.12kg,是在裝有自動澆注機構(gòu)的鎖型力為24500kN冷室壓鑄機上壓鑄的。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的冷室壓鑄機上壓鑄而成,用冷室壓鑄機生產(chǎn)的鎂合金壓鑄件還有汽車座椅框架和汽車輪轂等。
二、鎂合金壓鑄技術(shù)的發(fā)展動向
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,不能進行熱處理強化,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,擴大壓鑄件的應用范圍,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,提高壓鑄件的力學性能和表面質(zhì)量。目前已成功地在冷室壓鑄機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的熱室壓鑄機上生產(chǎn)出AM60B鎂合金汽車方向盤零件,鑄件伸長率由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,活性氣體與充型金屬液反應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化。日本輕金屬株式會社用充氧壓鑄法生產(chǎn)計算機的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)濟效益。該公司還用充氧壓鑄法成批生產(chǎn)了AM 60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行熱處理強化,其力學性能優(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變形,無法進行力學性能試驗。
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。固相率為40%―50%的AZ91D鎂合金在冷室壓鑄機上半固態(tài)流變壓鑄試件消除了氣孔缺陷,抗拉強度達140―200MPa。美國Dow Chemical公司發(fā)明的鎂合金半固態(tài)壓鑄法已實現(xiàn)了商業(yè)化,并取得了三項基本專利。該公司于1991年推出了第二代半固態(tài)壓鑄設備,其鎖型機構(gòu)與普通壓鑄機相同,而壓射機構(gòu)則采用帶有電加熱裝置的螺旋式壓射機構(gòu)。加入該機構(gòu)的顆粒狀鎂合金被螺旋輸送至用氬氣保護的控溫加熱區(qū),在該區(qū)被加熱和剪切成溫度達580℃的半固態(tài)后進入加速壓射區(qū),壓射速度約318m/s,型腔壓力為34―41MPa,最大可達136MPa,一次循環(huán)時間為20s。與普通壓鑄件高達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)點是減少了鑄件在型內(nèi)的收縮率,對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)壓鑄件有汽車傳動器殼體蓋、點火器殼體等,所用合金為AZ91D。
此外,用碳化硅等顆粒增強的鎂合金基復合材料已進行了多年的研究開發(fā),目前雖尚未達到在壓鑄領(lǐng)域商業(yè)應用的階段,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,并有將這種復合材料與半固態(tài)鑄造相結(jié)合,應用于壓鑄和擠壓鑄造領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。
當前世界各國對壓鑄鎂合金的工藝參數(shù)和力學性能關(guān)系的實驗研究相對較多,而涉及壓鑄工藝對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鎂合金組織與性能的影響,來預測鎂合金成形加工零部件的性能,將是一個很有潛力和應用前景的基礎研究。
