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(qiáng)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(dòng)性良好和可再生利用等一系列優(yōu)點(diǎn),并且近年來(lái)價(jià)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(yīng)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(lái)的。
與鋁合金相比,鎂合金的密度、比熱和凝固潛熱較小,熔點(diǎn)較低,熔化和壓鑄時(shí)不與鐵反應(yīng),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(zhǎng),一般可達(dá)20萬(wàn)次以上,美國(guó)還有壓鑄型壽命達(dá)300萬(wàn)次的報(bào)道。但鎂合金液易氧化燃燒,鑄造時(shí)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(fù)雜。
鎂合金可用冷室或熱室壓鑄機(jī)壓鑄。
熱室壓鑄機(jī)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(jī)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(jī),壓鑄單件重量2.15kg的自行車架,生產(chǎn)能力為70件/小時(shí)。美國(guó)WhiteMetal Casting公司生產(chǎn)的外形尺寸為610×610mm的計(jì)算機(jī)鎂合金外殼也是用大型熱室壓鑄機(jī)生產(chǎn)的。
目前對(duì)熱室壓鑄機(jī)的改進(jìn)主要包括:采用儲(chǔ)能器增壓,壓射柱塞的壓射速度可達(dá)6m/s,感應(yīng)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(jìn)行鍍鉻以提高其使用壽命。
在冷室壓鑄機(jī)方面,美國(guó)Prince公司1986年研制了第一臺(tái)鎖型力11176MN的大型鎂合金冷室壓鑄機(jī),1990年又生產(chǎn)了鎖型力13172MN的大型鎂合金壓鑄機(jī),該機(jī)集鎂合金熔化、壓鑄于一體,并采用了取件機(jī)器人,使整臺(tái)機(jī)組成為一個(gè)完整的壓鑄生產(chǎn)單元。該公司制造的鎂合金冷室壓鑄機(jī)的壓射柱塞最大速度達(dá)819m/s,增壓速度變化時(shí)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(jī)的技術(shù)關(guān)鍵是自動(dòng)澆注機(jī)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(dòng)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(dòng)澆注機(jī)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(guò)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(guò)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(guò)控制閥門開啟時(shí)間實(shí)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(guò)2%,澆注量調(diào)節(jié)范圍較大。德國(guó)奧迪汽車的儀表板的長(zhǎng)度為1440mm,壁厚3.15mm,重4.12kg,是在裝有自動(dòng)澆注機(jī)構(gòu)的鎖型力為24500kN冷室壓鑄機(jī)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(jī)上壓鑄而成,用冷室壓鑄機(jī)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(dòng)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(wú)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(dǎo)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(jìn)行熱處理強(qiáng)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(kuò)大壓鑄件的應(yīng)用范圍,近20年來(lái)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(guò)在壓鑄過(guò)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(xué)性能和表面質(zhì)量。目前已成功地在冷室壓鑄機(jī)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(jī)上生產(chǎn)出AM60B鎂合金汽車方向盤零件,鑄件伸長(zhǎng)率由8%提高至16%。
充氧壓鑄又稱無(wú)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(shí),活性氣體與充型金屬液反應(yīng)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(qiáng)化。日本輕金屬株式會(huì)社用充氧壓鑄法生產(chǎn)計(jì)算機(jī)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(jì)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(jìn)行熱處理強(qiáng)化,其力學(xué)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(shí)變形,無(wú)法進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。
半固態(tài)流變壓鑄具有充型平穩(wěn)無(wú)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(diǎn)。固相率為40%―50%的AZ91D鎂合金在冷室壓鑄機(jī)上半固態(tài)流變壓鑄試件消除了氣孔缺陷,抗拉強(qiáng)度達(dá)140―200MPa。美國(guó)Dow Chemical公司發(fā)明的鎂合金半固態(tài)壓鑄法已實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化,并取得了三項(xiàng)基本專利。該公司于1991年推出了第二代半固態(tài)壓鑄設(shè)備,其鎖型機(jī)構(gòu)與普通壓鑄機(jī)相同,而壓射機(jī)構(gòu)則采用帶有電加熱裝置的螺旋式壓射機(jī)構(gòu)。加入該機(jī)構(gòu)的顆粒狀鎂合金被螺旋輸送至用氬氣保護(hù)的控溫加熱區(qū),在該區(qū)被加熱和剪切成溫度達(dá)580℃的半固態(tài)后進(jìn)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(dá)136MPa,一次循環(huán)時(shí)間為20s。與普通壓鑄件高達(dá)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(diǎn)是減少了鑄件在型內(nèi)的收縮率,對(duì)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(dòng)器殼體蓋、點(diǎn)火器殼體等,所用合金為AZ91D。
此外,用碳化硅等顆粒增強(qiáng)的鎂合金基復(fù)合材料已進(jìn)行了多年的研究開發(fā),目前雖尚未達(dá)到在壓鑄領(lǐng)域商業(yè)應(yīng)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(fù)合材料與半固態(tài)鑄造相結(jié)合,應(yīng)用于壓鑄和擠壓鑄造領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。
當(dāng)前世界各國(guó)對(duì)壓鑄鎂合金的工藝參數(shù)和力學(xué)性能關(guān)系的實(shí)驗(yàn)研究相對(duì)較多,而涉及壓鑄工藝對(duì)微觀性能的研究成果非常少。因此,若能通過(guò)定量分析壓鑄工藝對(duì)鎂合金組織與性能的影響,來(lái)預(yù)測(cè)鎂合金成形加工零部件的性能,將是一個(gè)很有潛力和應(yīng)用前景的基礎(chǔ)研究。
