一、镁合金压铸技术现状
镁合金作为一种发展迅猛的绿色环保合金,具有密度小(1.75g/cm3―1.90g/cm3),比强度和比刚度高,尺寸稳定性好,电磁屏蔽性好,抗腐蚀性优良,减震良好性,加工性能优良,易加工且加工成本低,充型流动性良好和可再生利用等一系列优点,并且近年来价格逐年下降,因此成为钢、铁、铝和塑料等结构材料的替代品,在汽车、电子、家电、通讯、仪表及航空航天等领域的应用日益增多。就目前发表的研究成果看,虽然新的成型方法较多,但仍以压铸成型为主,即使新的成型方法也是由压铸基本原理派生而来的。
与铝合金相比,镁合金的密度、比热和凝固潜热较小,熔点较低,熔化和压铸时不与铁反应,因此熔化耗能少,凝固速度快,压射周期可缩短20%―30%,压铸型寿命长,一般可达20万次以上,美国还有压铸型寿命达300万次的报道。但镁合金液易氧化燃烧,铸造时热裂倾向比铝合金大,在熔化、浇注和压铸型温控制等方面都比铝合金压铸复杂。
镁合金可用冷室或热室压铸机压铸。
热室压铸机的锁型力一般在7840kN以下,压铸生产效率约为同容量冷室压铸机的2倍,通常用于生产重量不大的薄壁压铸件,例如锁型力为9800kN的热室压铸机,压铸单件重量2.15kg的自行车架,生产能力为70件/小时。美国WhiteMetal Casting公司生产的外形尺寸为610×610mm的计算机镁合金外壳也是用大型热室压铸机生产的。
目前对热室压铸机的改进主要包括:采用储能器增压,压射柱塞的压射速度可达6m/s,感应加热鹅颈管和喷嘴,使之保持最适宜温度;采用双炉熔化保温,并采用绝热装置和再循环管道,精确保持熔池温度;易磨损件进行镀铬以提高其使用寿命。
在冷室压铸机方面,美国Prince公司1986年研制了第一台锁型力11176MN的大型镁合金冷室压铸机,1990年又生产了锁型力13172MN的大型镁合金压铸机,该机集镁合金熔化、压铸于一体,并采用了取件机器人,使整台机组成为一个完整的压铸生产单元。该公司制造的镁合金冷室压铸机的压射柱塞最大速度达819m/s,增压速度变化时间控制在20ms以内,金属液所受的最小静压为419MPa。
镁合金冷室压铸机的技术关键是自动浇注机构,目前采有叶片泵式、气压泵式、重力式和电磁泵式等,自动浇注熔池中的泵压为137kPa的不锈钢泵将金属液经配管输送至压射室,自动浇注机构利用一定压力的氩气作用在密封坩埚内的熔池液面上,通过浸在熔池中的泵体将镁合金液定量压出,定量范围为200―2000g,重力式浇注系统通过升降装置使熔化炉熔池液面比浇注液口高出一定高度,利用重力浇注金属液,并通过控制阀门开启时间实现定量浇注;电磁泵式浇注系统利用电磁力输送金属液,可精确控制金属液的浇注量,误差不超过2%,浇注量调节范围较大。德国奥迪汽车的仪表板的长度为1440mm,壁厚3.15mm,重4.12kg,是在装有自动浇注机构的锁型力为24500kN冷室压铸机上压铸的。通用公司汽车上的直角承梁尺寸为1470×300mm,平均壁厚2mm,重1.18kg,用M60B镁合金在锁型力为21560kN的冷室压铸机上压铸而成,用冷室压铸机生产的镁合金压铸件还有汽车座椅框架和汽车轮毂等。
二、镁合金压铸技术的发展动向
与其他压铸合金一样,传统的压铸技术使镁合金液以高速的紊流和弥散状态充填压铸型腔,使型腔内的气体及由压铸涂料产生的气体无法顺利排出,这些气体在高压下或者溶解在压铸合金内,或者形成许多弥散分布在压铸件内的高压微气孔。这些高压下溶解的气体和微气孔在高温下析出和膨胀导致铸件变形和表面鼓泡。因此用传统压铸方法生产的镁合金压铸件,与其他合金的压铸件一样,不能进行热处理强化,也不能在较高温度下使用。
为了消除这种缺陷,提高压铸件的内在质量,扩大压铸件的应用范围,近20年来研究开发了一些新的压铸方法,其中包括充氧压铸,半固态金属流变或触变压铸和挤压铸造,以及几经起伏的真空压铸等等。
真空压铸通过在压铸过程中抽除型腔内的气体而消除或显著减少压铸件内的气孔和溶解气体,提高压铸件的力学性能和表面质量。目前已成功地在冷室压铸机上用真空压铸法生产出AM60B镁合金汽车轮毂,在锁型力为2940kN的热室压铸机上生产出AM60B镁合金汽车方向盘零件,铸件伸长率由8%提高至16%。
充氧压铸又称无气孔压铸,该法在金属液充型前,将氧气或其他活性气体充入型腔,置换型腔内的空气,金属液充型时,活性气体与充型金属液反应生成金属氧化物微粒弥散分布在压铸件内,从而消除压铸件内的气体,使压铸件可热处理强化。日本轻金属株式会社用充氧压铸法生产计算机的AZ91镁合金整体磁头支架,代替原先的多层叠合支架,不但减轻了支架重量,而且取得了很大的经济效益。该公司还用充氧压铸法成批生产了AM 60镁合金汽车轮毂和摩托车轮毂,与铝轮毂相比,重量减轻15%。充氧压铸镁合金件可像重力铸造镁合金件一样进行热处理强化,其力学性能优于普通压铸件和重力铸造件,而普通镁合金压铸件则在热处理时变形,无法进行力学性能试验。
半固态流变压铸具有充型平稳无金属喷溅、金属液氧化损失少、节能、操作安全、减少铸件内孔洞类缺陷等优点。固相率为40%―50%的AZ91D镁合金在冷室压铸机上半固态流变压铸试件消除了气孔缺陷,抗拉强度达140―200MPa。美国Dow Chemical公司发明的镁合金半固态压铸法已实现了商业化,并取得了三项基本专利。该公司于1991年推出了第二代半固态压铸设备,其锁型机构与普通压铸机相同,而压射机构则采用带有电加热装置的螺旋式压射机构。加入该机构的颗粒状镁合金被螺旋输送至用氩气保护的控温加热区,在该区被加热和剪切成温度达580℃的半固态后进入加速压射区,压射速度约318m/s,型腔压力为34―41MPa,最大可达136MPa,一次循环时间为20s。与普通压铸件高达215%―310%的平均孔隙率相比,半固态压铸件的孔隙率仅为14%―118%。该法的另一优点是减少了铸件在型内的收缩率,对某些铸件甚至可采用零起模斜度,显著减小了铸件的脱型阻力,提高了铸件的尺寸精度。已生产出的镁合金半固态压铸件有汽车传动器壳体盖、点火器壳体等,所用合金为AZ91D。
此外,用碳化硅等颗粒增强的镁合金基复合材料已进行了多年的研究开发,目前虽尚未达到在压铸领域商业应用的阶段,但已用砂型造、精密铸造等方法制成了叶轮、自行车曲柄、汽车缸套等铸件,并有将这种复合材料与半固态铸造相结合,应用于压铸和挤压铸造领域的发展趋势。
当前世界各国对压铸镁合金的工艺参数和力学性能关系的实验研究相对较多,而涉及压铸工艺对微观性能的研究成果非常少。因此,若能通过定量分析压铸工艺对镁合金组织与性能的影响,来预测镁合金成形加工零部件的性能,将是一个很有潜力和应用前景的基础研究。
