镁合金真空压铸工艺及组织性能研究

镁合金真空压铸工艺及组织性能研究沈阳工业大学硕士论文2013年1.1镁及镁合金概况现有工程应用中金属结构材料有很多种，但镁合金是最轻的，原因在于其密度为1.8g/cm左右，比强度介于黑色金属与经过改性增强的工程塑料之间，况且镁合金有很好的机加性能和耐腐蚀性也比含碳量低的黑色金属好得多，并已不逊色综合性能优越的压铸铝合金A380；其减振性、电磁屏蔽性更是远远胜于传统的结构材料铝合金一筹。纯镁由于性能较差，制造的产品满足不了实际应用，但通过在纯镁中添加各种合金元素，便可以形成种类、性能及用途丰富的镁合金。镁及镁合金产品的加工方法经过近些年的发展，有压铸、真空压铸、塑性成形等等，产品种类可以涵盖各种品种、规格、性能和用途，例如管、棒、型、板、等半成品，然后在经过切削加工、冷冲成型等制成人们所需要的各种零部件。所以其它结构材料与改性后的镁合金相比时，镁及镁合金的优点就不言而喻，如密度、比强度、比刚度等无论物理或化学性能是其它材料所不可比拟的，况且易于循环利用等，故有“21世纪绿色结构材料”的美誉，并越来越受到人们的欢迎。一直以来，镁合金材料已被广泛运用于交通工具、IT产品、家庭电器、通讯电子等各个行业。一直以来由于受镁的提炼及加工技术的限制，镁合金使用成本太高，所以研究开发上远不及钢铁和铝，但随着这些技术的突破，人们开始认识到它的重要性并开始在全球范围内迅速发展。1.2压铸工艺1.2.1普通压铸压铸就是金属液在压力作用下进入型腔并在压力作用下成型而获得产品的一种加工工艺，所以压铸工艺的两大特性是高压和高速充填压铸模具型腔，它的压射比压最高可以达到几兆帕；同时，它的充填速度最高可达90m/s以上，所以充填时间极短。高压和高速充填压铸模具型腔这两大特点是其它加工方法所不具备，或者是不可超越的，它的工艺具有以下几方面特点：（1）铸件品质优越：1）产品尺寸精度最高能达IT9级，这是其它加工方法所不能达到的；2）表面表面粗糙度正常保持在Ra1.0~3.0µm，能够满足正常需要。3）同等条件下的压铸件组织致密，强度和硬度较大：由于液态金属是在极短时间内极高压力作用下快速冷却凝固的致使在压铸件组织致密，各项性能优越。4）对于形状结构复杂、薄壁深腔的产品非压铸莫属。例如，锌合金压铸产品壁厚可降至0.5mm以下；铝合金铸产品壁厚可降至0.6mm以下。（2）生产效率高：1）单位时间的产量高，小型热室压铸机日产量在2000件以上；2）压铸模具使用可靠，例如铝合金的压铸模具生产十五万件内无需更换模具：3）无需更多的人员操作。（3）收益高：1）材料损耗低：通常压铸件由于在铸型中已基本定型，出行后尺寸改变量很小，因此压铸镁合金产品一般不需要进行二次机械加工而可以直接装配使用，即使需要加工，也可快速形成大批量产品满足装配要求，因此没有太多的金属浪费。2）由于同等质量体积或价格的镁合金能够获得更多的产品所以价格较为便宜；3）对于有镶嵌结构的零部件用压铸工艺可以直接实现，不仅满足更高使用性能，而且减少因装配而需要的大量工作量，极大地简化了制造工艺，也间接节约了产品成本。1.2.2普通压铸工艺的局限性当然压铸工艺也是有其利必有其弊，事物总是有两面性，虽然它有很多其它工艺所不具备的优势，但也存在限制其自身性能提高的急需解决的缺陷。这些缺陷包括以下几个方面：（1）气孔存在的不可避免性：由于金属液在高压高速下进行充型，型腔里滞留的气体不能在瞬间排出，于是卷入金属液中，在金属液凝固后便残留于铸件之中。所以铸件在进行热处理或接触到高温环境，滞留的气体会受热而膨胀，所以一般铸件不适合做热处理，然而热处理是提高铸件性能较为有效的方法，这便限制了压铸产品在性能上的最大发挥，最主要原因在于没有很好解决气体在铸件中的滞留（2）不适合多次试生产工作：由于压铸模具的费用及金属熔炼成本的限制使其在没有形成大批量生产时单价较为昂贵，原因在大批量生产和单件的制作都需要有大量的准备工作，所以大批量生产效率高成本低，对于单个零件的试制生产来说却正好相反。（3）压铸产品只适合中小型体积：在压铸中，设备不可能是无限大的，模具更不能是无限大，所以对于特大型产品压铸无能为力。另外，对于内凹特别复杂的产品零部件，由于压铸模具及工作原理的制约，其实现生产也不太容易。（4）压铸合金种类受到限制：由于压铸模具所使用材料无非是钢铁等黑色金属，所以想实现压铸黑色金属会使生产成本过高而不能应用于实际生产。所以目前没有黑色金属压铸产品，只有有色金属的压铸产品。通过前面的几种局限性可知，考虑到设备条件、成本制约、技术条件等综合因素，改善第（1）条中气体含量较多的状况可以实现，实际证明是可行的，目前相关专家学者已经通过在型腔里抽取真空的方法来降低铸件中气体含量的办法取得进展。并将没有抽真空的压铸称为普通压铸，目前大多工厂采用这种方法，而将抽取真空后的压铸称之为真空压铸，并将真空压铸又归类为特种压铸。1.3真空压铸普通压铸工艺条件下铸件中的疏松为大量而广泛分部的气孔的形成提供了便利的条件，反过来气体又为疏松的长大提供了更多的机会。所以，最大程度的消除铸件中的气孔，才能最大程度的降低缩松倾向，改善产品的综合性能性能。为了尽可能减少压铸过程型腔中或是产品成形后的气体含量，真空压铸是一个很好的工艺选择。真空压铸工艺过程示意图如图1.1所示，在液体将要进入型腔之前的瞬间，将型腔中的气体由真空机抽出，使得镁合金液体在进入型腔过程中更加流畅而不受气流反作用力的影响，产品中的气孔率减少，铸态组织得以改善，对于大部分合金来说，最大程度的消除产品中的气孔才是能进一步热处理的前提。目前，一些国家设计了几种真空压铸的真空压铸系统，结构比较简单实用。在中美加国际合作项目“镁质汽车前端开发”中，美方考虑的相对更加细致和周全，考虑到材料的安全及性能等性方面，采用了超真空压铸，即使模具型腔内的真空度达到或接近与5KPa（绝对压力）以基本消除型腔内气孔，进而提高压产品综合性能。目前国内已将真空压铸技术成功运用，并成功生产镁合金减震塔。现阶段，真空压铸镁合金铸件的最小壁厚比普通压铸减少一半达到2.0mm左右，产品抗拉强度可提高20%以上，屈服强度提高1/3以上。所以真空压铸法具有其它铸造方法不具备的以下优点：（1）真空压铸法可以最大程度排出了铸件内部的滞留的气体，提高了压铸件质量及可靠性。（2）真空压铸法大大改善型腔液体的充型条件，使小设备生产大体积铸件成为可能；（3）真空压铸法可实现其它工艺不能达到的薄壁铸件产品；真空压铸法的缺点是：（1）模具密封结构的设计关乎到效果的好坏；（2）真空压铸法控制较为困难，如果效果不显著需重新调整。综合优缺点，真空压铸法只要控制得当，就可以带来令人满意的结果。而模具密封所造成问题，会随着模具加工技术及设计人员设计能力及设计经验不断提高而得到解决。上述介绍中，层流充填法生产效率较低，实现大批量生产恐怕有些困难；充氧压铸法操作程序太过复杂，工艺参数很难控制，只有真空压铸法适合在实际生产运用中得到推广。况且以目前形势来看，其应用前景也会越来越受关注。高真空压铸是近几年来科研人员为适应新形势下新环境下竞相研制开发的新技术，该技术在保证型腔高真空度下生产高质量要求以满足人们的需要成为可能它的工作原理是由真空机通过真空阀将模具型腔中的气体瞬间抽出，使型腔内真空度达绝对压力在10KPa左右，金属液在高真空状态下迅速充填型腔，减少压铸件内部气体的滞留时间，从而提升压铸件力学性能的一种先进产品加工方法。无论在生产效率、加工成本及综合性能方面，高真空压铸技术在交通工具的复杂、薄壁、高强度、高韧性零件（如底盘悬架零件）的制造上被众多业内人士认可，相信它会有广阔的市场前景。图1.2显示了铸件伸长率随真空度(以绝对压力表示)变化而变化的情况。由此可知，在型腔绝对压力为50KPa左右时,铸件的质量会有所提高，其铸件含气量在0.04ml/g左右，依然不能保证铸件在高温条件下工作的要求，也无法应用于有特种要求的安全件上。不同的是当型腔内的绝对压力达到5~10KPa时,铸件气体含量仅为0.01ml/g，完全可以实现热处理或焊接加工等要求。因此将真空度在绝对压力小于10KPa的压铸称之为高真空压铸。2.3.3试验设备（1）压铸机本试验用压铸机为瑞士BUHLER公司生产的E53D全自动卧式冷室压铸机，如图2.2所示（2）真空机采用台湾耀陞企业有限公司生产的YSVA-SV65真空机，如图2.3.a)所示。真空机配备特殊设计的同步真空阀（见图2.3.b)），此真空阀能够直接安装在模具上，与压铸时的高速射出同步动作，从而保证模具型腔的高真空度。