鎂合金壓鑄方式
鎂合金壓鑄方式
1.鎂合金壓鑄方式
鎂合金可用冷室或熱室壓鑄機(jī)壓鑄。目前對熱室壓鑄機(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。當(dāng)用普通冷室壓鑄機(jī)壓鑄鎂合金時(shí)，必須對壓鑄機(jī)的壓射系統(tǒng)和自動(dòng)給料系統(tǒng)進(jìn)行必要的改造，使之適用于鎂合金壓鑄的要求。改造的內(nèi)容包括：
(1) 將壓射系統(tǒng)的快壓射速度由壓鑄鋁合金時(shí)的4～5ｍ/ｓ提高到6～10ｍ/ｓ；
(2) 縮短增壓過程的建壓時(shí)間；
(3) 提高壓射力；
(4) 采用電磁自動(dòng)定量給料裝置，防止鎂合金在澆注過程中氧化；
(5) 如采用真空壓鑄等特種壓鑄工藝時(shí)，配置必要的配套設(shè)備。
和其他壓鑄合金一樣，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，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。因此用傳統(tǒng)壓鑄方法生產(chǎn)的鎂合金壓鑄件不能進(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)大壓鑄件的使用范圍，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。
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(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，鑄件伸長率由8%提高至16%[6]。
充氧壓鑄又稱無氣孔壓鑄(Pore-Free Die Casting Process，即P.F法)。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)，活性氣體和充型金屬液反應(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)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，并且取得了很大的經(jīng)濟(jì)效益。該公司還用充氧壓鑄法成批生產(chǎn)了AM60鎂合金汽車輪轂和摩托車輪轂，和鋁輪轂相比，重量減輕15%。
近年來美國、日本和英國等國的公司相繼成功開發(fā)出鎂合金半固態(tài)觸變射壓鑄造機(jī)。鎂合金半固態(tài)觸變射壓鑄造機(jī)以一定壓力將半固態(tài)鎂合金射入壓鑄型內(nèi)而使之成形，其工作原理類似于注塑機(jī)。它將預(yù)制的非枝晶態(tài)鎂粒送入螺旋給料機(jī)構(gòu)，在螺旋給料機(jī)構(gòu)中將鎂粒加熱到半固態(tài)，并通過螺旋給料機(jī)構(gòu)另一端的鎂合金漿料收集室將半固態(tài)鎂合金漿料送入壓射室進(jìn)行射壓成形。這種鑄造成形方法代表了鎂合金鑄件生產(chǎn)的一個(gè)發(fā)展方向。
2.鎂合金熔煉作業(yè)和安全生產(chǎn)
由于鎂合金液很容易氧化，而且表面生成的氧化膜是疏松的，其致密系數(shù)α值僅為0.79，不能防止合金繼續(xù)氧化。鎂合金液和大氣中氧、水蒸氣、氮反應(yīng)生成不熔于鎂液的難熔的MgO、Mg3N2等化合物，混入鑄型后即形成“氧化夾渣”。因此，熔煉合金時(shí)防氧化至關(guān)重要。鎂合金的熔體保護(hù)主要有兩種方法，即熔劑保護(hù)和氣體保護(hù)。
用保護(hù)熔劑熔煉通常會(huì)帶來以下問題：
(1) 氯鹽和氟鹽高溫下易揮發(fā)產(chǎn)生有毒氣體，如HCl，Cl2，HF等；
(2) 由于熔劑的密度較大，部分熔劑會(huì)隨同鎂液混入鑄型造成“熔劑夾渣”；
(3) 熔劑揮發(fā)產(chǎn)生的氣體有可能滲入合金液中，成為材料使用過程中的腐蝕源，加速材料腐蝕，降低使用壽命。
目前多數(shù)廠家使用氣體保護(hù)，即用干燥的SF6、N2、CO2、SO2氣體中的2～4種組成混合氣體，在鎂合金熔池表面形成致密的連續(xù)薄膜以阻止鎂合金液的氧化。SF6不是毒性氣體，但它對地球的溫室效應(yīng)比CO2嚴(yán)重24000倍，而鎂工業(yè)的SF6用量占世界總用量的7%(1996年)，將來必然會(huì)限制其用量乃至停止其使用，但目前尚未找到SF6的合適替代物。研究表明，用硫磺粉末撒于熔池表面形成的SO2對鎂合金液有保護(hù)作用[7]。
鎂合金壓鑄件生產(chǎn)的危險(xiǎn)大多由加工及后處埋過程中的過失所引起。據(jù)日本方面統(tǒng)計(jì)，鎂合金壓鑄件生產(chǎn)過程中引發(fā)的危險(xiǎn)，熔煉占25%，鑄造占10%，加工占39%，貯藏及廢棄物占16%，電氣占3%，其他占7%。顯然，加工和后處理過程的危險(xiǎn)性超過壓鑄過程3～4倍。加工過程中，無論是噴砂、車削、銑削、拋光等，均不可避免會(huì)產(chǎn)生鎂塵屑及火花，如廠房內(nèi)通鳳不良，空氣中鎂塵濃度過大，一旦火花和空氣或地面的鎂塵接觸，輕則燃燒，重則爆炸。因此廠房內(nèi)必須安裝集塵器并配備防火砂及防火設(shè)施。
3.壓鑄型設(shè)計(jì)
由于鎂合金的化學(xué)、物理參數(shù)及壓鑄特性和鋁合金有很大差異，因此鑄型設(shè)計(jì)則不能完全套用鋁合金壓鑄型設(shè)計(jì)原則[8]。
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、澆注及壓鑄型溫控制等方面都比鋁合金壓鑄復(fù)雜。鎂合金充型時(shí)間短，排氣問題尤為突出，鎂合金的比熱容和相變潛熱均比鋁合金低，因而壓鑄過程中容易發(fā)生局部(薄截面部位)提前結(jié)晶現(xiàn)象，導(dǎo)致補(bǔ)縮通道堵塞，產(chǎn)生澆不足的缺陷。鎂合金壓鑄型設(shè)計(jì)主要考慮以下幾個(gè)方面：
(1) 壓鑄機(jī)選擇。采用何種形式的壓鑄機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)主要取決于鑄件的壁厚。Roland Fink在對“鎂合金壓鑄工藝的優(yōu)化”問題進(jìn)行研究的過程中，通過對鎂合金壓鑄經(jīng)濟(jì)性、冷室壓鑄和熱室壓鑄過程分析提出，一般情況下小于1kg的鑄件需要采用熱室壓鑄機(jī)，以保證薄壁件的充滿，大件則推薦采用冷室壓鑄機(jī)。
(2) 工藝參數(shù)。在壓鑄生產(chǎn)過程中，選擇合適的工藝參數(shù)是獲得優(yōu)質(zhì)鑄件發(fā)揮壓鑄機(jī)最大生產(chǎn)率的先決條件，是正確設(shè)計(jì)壓鑄模的依據(jù)。壓鑄時(shí)，影響合金液充填成型的因素很多，其中主要有壓射壓力、壓射速度、充填時(shí)間和壓鑄模溫度等等。由于壓鑄件壁厚和復(fù)雜程度的不同，工藝參數(shù)選擇的變化范圍很大。鎂合金同鋁、鋅合金相比，流動(dòng)性更好，因此二級壓射速度可以更大，鎂合金的沖頭速度比鋁合金快約30%，最大甚至超過10ｍ/ｓ。由于鎂合金鑄造性能如流動(dòng)性對型溫和澆注溫度相當(dāng)敏感，在充型過程中鎂合金液極易凝固，必須精確控制型溫和澆注溫度，否則就易出廢品。
(3) 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)。澆注系統(tǒng)對金屬液流動(dòng)的方向、排氣溢流條件、模具的溫度分布、壓力的傳遞、充填時(shí)間的長短及金屬液通過澆道處的速度和流動(dòng)狀態(tài)等各個(gè)方面，起著重要的控制和調(diào)節(jié)作用。澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)總結(jié)如下：
內(nèi)澆道位置：由于鎂合金在型腔中比鋁、鋅等合金凝固都要快，并且一般鎂合金壓鑄件為薄壁零件，因此內(nèi)澆道位置的選擇必須盡量避免直接沖擊型腔表面，保證金屬液在型腔中的流動(dòng)路徑最短，以防止出現(xiàn)澆不足和冷隔現(xiàn)象。
充型速度：一般說來，由于鎂合金的熱力學(xué)特性，合金向模具的熱傳遞速度很快，而且凝固區(qū)間大，流動(dòng)性較差，因此為避免澆道鎂液過早凝固，應(yīng)使鎂液高速平穩(wěn)地充入型腔[9]。一般內(nèi)澆道流速為90～100ｍ/ｓ，對于有些薄壁鎂合金壓鑄件來說，內(nèi)澆道速度甚至高達(dá)20ｍ/ｓ。
內(nèi)澆道尺寸：在許多情況下，內(nèi)澆道通過機(jī)加工去掉。內(nèi)澆道寬度應(yīng)該小于壁厚的50%，以避免修邊過程中對鑄件造成損傷。為了獲得最小的內(nèi)澆道厚度，同時(shí)保證鎂壓鑄件薄壁的要求，內(nèi)澆道寬度應(yīng)該盡量取大以保證合適的內(nèi)澆道截面積。
充填時(shí)間：它和內(nèi)澆道速度緊密相關(guān)，對于表面質(zhì)量要求高的薄壁鑄件影響很大。充填時(shí)間較鋁合金少0%，通常取為10～100ｍｓ。
溢流槽設(shè)計(jì)對于薄壁鎂合金壓鑄件，最佳的溢流槽入口面積約為內(nèi)澆道截面積的20%～25%[9]。
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