镁合金压铸技术

镁合金压铸技术黎前虎陈继斌（本资料内容已选编入重庆镁业主编的《镁合金及应用》）1作者简介黎前虎：男，1965年生，湖南人，1985年毕业于湘潭大学机械系，高级工程师，原力劲集团镁合金发展部高级经理、清华-力劲压铸高新技术研究中心深圳基地主任、集团市场推广部经理，现任伊之密精密压铸科技有限公司市场总监，对镁合金压铸技术及压铸品生产关联技术有较为深入、综合的研究，如镁合金压铸工艺、设备、模具技术及安全作业要点，镁合金的熔炼气体保护技术，后加工技术及制品之表面处理研究，镁合金压铸生产线之设产，工厂总体规划建设及制造成本之研究等。在清华-力劲压铸高新技术研究中心深圳基地，带领所属技术人员配合集团开发部门研发出达到世界先进水平的高性能镁合金压铸成套设备，该型镁压铸机获2000年度香港工业奖及2001年度国家级重点新产品；并致力于推动镁合金新材料的产业化应用工作，带领所属技术人员已成功为中国一汽集团、东风汽车集团、重庆隆鑫集团、长安汽车集团、宁夏905集团、以色列OPP公司等建设了镁合金压铸生产线，并完成了力劲集团深圳镁合金出口创汇基地的筹建工作，为我国之镁合金新材料产业化推广做出了积极的贡献。计、制造、安装、调试量陈继斌：1997年毕业于沈阳工业学院，高级工程师，原力劲集团镁合金项目技术支援主管、集团市场部大客户部主管，现任伊之密精密压铸科技有限公司技术支援部主管，曾先后发表多篇专业性论文，对镁合金压铸机、周边设备、压铸工艺及模具具有相当丰富的实际经验。2目录1、压铸镁合金材料1.1镁合金化元素1.2镁合金的铸造性能1.3压铸镁合金的实际应用2、镁合金防燃技术2.1镁合金熔体表面燃烧机制2.2致密度系数的影响2.3表面防燃技术2.4现有防燃技术的比较3、镁合金压铸机3.1、镁合金热室压铸机3.2、镁合金卧式冷室压铸机4、镁合金压铸周边设备4.1镁合金熔炼炉4.2模温机4.3取件机械手4.4自动喷雾机4.5自动压送机5、镁合金压铸安全操作6、劣质镁合金设备的危害3镁合金压铸技术黎前虎陈继斌前言目前，世界各国对镁合金压铸件的应用前景十分看好，特别是在汽车、航空、电信、交通运输和机械行业，采用镁合金铸件取代铝合金或钢铁零部件可有效地减轻机械重量，从而显著地节省能耗，减少环境污染。如汽车若每减轻100kg，则每公里耗油量可减少0.4L，所以现在美、日、欧等发达国家开始在汽车上扩大镁合金铸件的应用，如方向盘、仪表盘、座椅骨架、曲轴箱、变速箱壳体、轮毂等。使镁合金铸件以每年20%～30%的速度增长，其中80%为压铸件。镁合金压铸件在家电轻工和日用五金等行业的应用同样日益扩大，如手提电脑壳、录放机箱、移动话机、电动工具壳，照像机壳、室内装饰品、割草机壳等。这些零件采用镁合金压铸件不但重量大大减轻，尺寸精确稳定，而且表面光洁，具有一系列突出的优点。据国外统计，到2006年镁合金压铸件的年产量将达20多万吨。因此，镁合金压铸及镁合金压铸机正成为当今压铸行业重要发展项目之一。1、压铸镁合金材料镁与铝在化学、物理性质上存在较大的差别，主要表现在化学反应活性，金属液表面氧化物质密性，凝固过程中的热效应，抗电化学腐蚀能力等方面。镁具有比铝强的化学反应活性且金属液表面不能形成如铝合金液一样的致密的氧化物保护膜以阻至氧化反应的继续进行，因此镁合金易燃烧甚至爆炸。镁合金还易溶解其它金属，包括严重降低镁合金抗电化学腐蚀能力的镍、铜等元素。另外，同样体积的铝合金及镁合金液在凝固过程中，镁合金释放的热量显著低于铝合金液。1.1镁合金化元素纯镁的机械性能很差，不能满足工业零件对屈服强度和抗拉强度的要求。通过加入合金化元素能显著提高镁的机械性能，使镁合金的强度重量比在各类合金中仅次于钛合金而4名列第二，为其工业应用开拓了广阔前途。合金化元素的第二个作用是改善镁合金的铸造性能。纯镁的熔点高，流动性差，收缩量大。通过合金化能降低液相温度，增加流动性，提高镁合金的铸造性能，减小收缩倾向。针对镁合金在150摄氏度以上温度其强度显著下降的特点，合金化的第三个作用是增强镁合金的抗蠕变性能。镁合金常用的合金化元素是铝和锌。铝的合金化能提高合金强度及铸造性能。锌也能提高合金的铸造性能。为保证铸造性能压铸镁合金的铝含量＞3%，锌含量＜2%。否则容易产生裂纹。基于Mg-An-Mn系的合金AZ91（含锌）和AM60B（不含锌）是室温使用的主要压铸镁合金。微量的稀土元素Y，Nd,Sr对AZ91合金有明显的细化作用，含Sr合金在晶界处存在粗大的Mg-Sr化合物及Mg17A112相，易于发生沿晶断裂，而含Y，Nd合金由于晶体内滑移带及变晶的快速形成，主要发生穿晶断裂。合金韧性进一步得到提高。目前AZ及AM这两种系列合金占镁汽车结构件的90%，但它们在150℃以上时其强度显著下降。为改善合金在150℃以上的抗蠕变能力，现已开发了AS41A合金（4.3%Al,1%硅，0.35%锰），该含金的蠕变强度在170℃范围内。同时具有较好的伸长率，屈服强度和极限抗拉强度。由于含铝量较低，AS41A要求较高的铸造温度。AS系列镁合金由于Si的引入，在组织中易形成硬的硅质点，钠和锶能从根本上改善硅相的结构起到很好的变质效果。利用稀土元素对Mg-Al基合金强度及蠕变抗力的有利影响而开发了Mg-Al-RE合金。压铸AE42合金具有比Mg-Al-Si合金更加的蠕变抗力，能在200-250度下长期使用。加拿大开发了AC系列镁合金。通过添加Ca改善了Mg-Si合金中Mg2Si的相结构并细化其晶粒，其蠕变抗力是AZ和AM系列合金的10倍左右。而拉伸及抗拉强度相当。且具有良好的铸造性能。目前得到工业应用的压铸镁合金主要有4个系列，即AZ系列（Mg-Al-Zn-Mn）；AM系列（Mg-Al-Mn）；AS系列（Mg-Al-Si）；AE系列（Mg-Al-稀土）。表1中给出了它们中的常用合金的名义成分和性能。表1压铸镁合金的成分及性能元素组成%室温拉伸性能合金AlZnMnSiFeCumaxNimaxRe总量抗拉强度MPa屈服强度MPa伸长率%5AZ91D8.3-9.70.35-1.00.15-0.500.10max0.0050.0300.002-2301603AM60B5.5-6.50.22max0.24-0.60.10max0.0050.0100.002-2201306-8Am50A4.4-5.40.22max0.24-0.60.10max0.0040.0100.0022201206-10AE423.4-4.60.22max0.25-0.0050.050.0051.8-3.02251408-10AS41B3.5-5.00.12max0.35-0.70.5-1.50.00350.020.002-21514061.2镁合金的铸造性能1.2.1高速冷却条件下对相图的影响在压铸条件下，由于流速高，金属型冷却能力强，冷却速度很快，二元系相图中共晶点向热稳定组元方向推移。对Al合金来说是向Si增加的方向推移，而对Mg合金来说则是向Mg增加的方a向推移，这种推移可以使Al部分亚共晶合金成为固溶液体单相合金，使部分Al过共晶合金成为亚过晶合金。Mg合金则正好相反，部分固溶体合金成为亚共晶合金，部分亚共晶合金则成为实际上的过共晶合金。大致来说高的冷却速度增加Mg合金共晶体的含量，有利于铸造。另外，比较纯镁和纯铝的熔点与共晶温度的差值也可以表明镁合金易于铸造，对镁来说其值为212℃，而铝则是73℃。1.2.2镁合金的物理性质对压铸性能的影响1.2.2.1热焓从工作温度到凝固温度之间的热量，决定了相同的导热系数下，金属液保持可铸性的时间。因此这种热量便作为昀大可能充型时间的尺度。充型时间T与从工作温度至凝固温度的热焓的定性公式为：Tm;Ta=Qm/Qa则：Tm=QmTa/Qa比较CD=MgAl9Znl与GD-AlSi12(Cu)则Tm=130.5/275Tal=0.654Ta即充填同一铸型镁合金所需时间公为铝合金的65%。表二铝镁的热焓材料AlMg比热卡/cm3℃0.620.45融化热卡/cm3℃245158工作温度℃6306306推出温度℃380340工作温度到推出温度热焓卡/cm3℃400288.51.2.2.2金属液粘度与浇注速度对充型的影响用雷诺数来表示性质，它不仅考虑到流道的几何形状，而且也考虑到由于速度磨擦而产生的流动阻力。也以GD-MgAl9Znl和GD-AlSi12(Cn)粘度作比较，定性地得出浇注速度。首先两者的流动特性相同，那么作为一个准则两者的雷诺言数必须相等。Rea=RemRe=WDh/V式中Re——雷诺数W——平均浇注速度Dh——液体流槽直径V——浇注温度时的粘度已知:Va=5.3*10-6m2/SVm=6.65*10-6m2/S代入等式得：Wm=Wa*6.65/5.3Wm=1.25WaWm：铝合金平均浇注速度Wa：镁合金平均浇注速度以上结论说明镁合金充填型腔的平均速度约为铝合金充填型腔时的1.25倍。1.2.2.3气体与气孔气孔以各种方式存在于铸件中，一种方式是由于冷却过程中气体从液体中析出，主要是H2，另一些是由于浇注而带入了空气。镁溶解氢的能力很强，即使铸锭上只有极少量的一点水分，也可能通过水的还原而吸收氢。然而氮地产生氮化物、氧产生氧化物。因此，大气的影响较小，空气的温度与气体含量有关，也就是镁块必须进行彻底的烘干才能投炉熔化。1.2.2.4粘模倾向粘模倾向是指铸造合金粘附在铸型上的倾向。这种现象对压铸过程的影响很大。（1）合金对铸型材料的熔解度。镁合金在这方面有其优越性，一般模具钢的主要合金元素，除镍外，其它如铁、钴、锰、铝、钙都不溶解或仅有微量溶解于镁合金，因此粘模不会产生。（2）铸件在脱模温度时的强度。约300℃时，镁合金的强度公为铝合金的一半左右，只要型腔表面没有问题，推出平衡，不产生剪切应力，这样的热强度足以保证铸件出模。（3）铸件与型腔表面之间的粘附系数，当磨擦副之间的粗糙度为30/um和磨擦速度为70.1m/s时，铝一钢之间的粘附系数为0.1，而镁-钢之间仅为0.05。由此可知，镁合金有很大的优点。因此镁压铸件可以用昀小的脱模斜度，并可获得较高的精度。1.3压铸镁合金的实际应用AZ91D是昀常用的镁合金，具有优良的耐蚀性、铸造性能和良好的强度，主要用于汽车、计算机零件和运动器具、壳、盖、链、锯、手动工具和家用电器。AM50、AM60合金具有突出的韧性和吸能性，同时兼有良好的强度和机械性能，主要用于汽车座椅、方向盘、仪表板等。AS41和AE42这些合金于150℃时有良好的抗蠕变形能，应于零件工作温度较高的场合，如汽缸体、曲轴箱、制动件等。2、镁合金防燃技术2.1镁合金熔体表面燃烧机制和氧及氧化物的反应——燃烧/氧化2Mg+O2=2MgO2——液体镁合金中的水分迅速汽化Mg(液)+H2O（液）=H2O+Mg（小颗粒）——和水反应/氢气爆炸Mg+H2O=MgO+H2O2H2O+O2=2H2O——和氧化硅的反应2Mg+SiO2=2MgO+Si2.2致密度系数的影响金属液抗氧化能力的强弱由其表现膜阻碍反应物质通过的难易来反应。G=V1/V2V1：金属氧化物体积V2：金属体积G：致密度系数8Mg的致密度系数是0.79。Al的致密度系数是1.28。Al液的表面是一层致密的氧化物保护膜，隔绝了金属与空气的接触。而镁液表面则是多孔性的疏松组织。应力状态呈张应力，镁易于蒸发。并且与空气接触氧化燃烧。起始合金液表面只有菜花状的氧化物，散发出红色江芒，随氧化反应的加剧，释放出大量的热量。温度昀高可达3000度。昀终导致散发出耀眼的亮光，并出现镁蒸气燃烧产生的白烟，原料成废渣。镁合金防燃的方法有两个途径。一是改善合金液表面的致密度系数；二是采用覆盖剂或惰性气体阻碍反应的进行。具体的方法大致如下：——以盐类溶剂覆盖于融体上；——以惰性气体下处理溶体；——以抑制元素添加在溶体上作为覆盖层；——在反应性气分下处理溶体，再其上行成薄的保护层。2.3表面防燃技术2.3.1盐类熔剂盐类溶剂以400℃的温度，在熔融状态下覆盖于镁熔体表面，