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鎂合金壓鑄技術(shù)的幾個主要問題

文章出處:責(zé)任編輯:人氣:-發(fā)表時間:2022-01-01 22:05【

1、壓鑄鎂合金的研究
鎂合金的密度小于2g/cm3,是目前最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料,其比強(qiáng)度高于鋁合金和鋼,略低于比強(qiáng)度最高的纖維增強(qiáng)塑料;其比剛度和鋁合金和鋼相當(dāng),遠(yuǎn)高于纖維增強(qiáng)塑料;其耐腐蝕性比低碳鋼好得多,已超過壓鑄鋁合金A380;其減振性、磁屏蔽性遠(yuǎn)優(yōu)于鋁合金[1];鑒于鎂合金的動力學(xué)粘度低,相同流體狀態(tài)(雷諾指數(shù)相等)下的充型速度遠(yuǎn)大于鋁合金,加之鎂合金熔點(diǎn)、比熱容和相變潛熱均比鋁合金低,故其熔化耗能少,凝固速度快,鎂合金實(shí)際壓鑄周期可比鋁合金短50%。此外,鎂合金和鐵的親和力小,固溶鐵的能力低,因而不容易粘連模具表面,其所用模具壽命比鋁合金高2~3倍。
常用的壓鑄鎂合金大多是美國牌號AZ91,AM60,AM50,AM20,AS41和AE42,分別屬于Mg-Al-Zn,Mg-Al-Mn,Mg-Al-Si和Mg-Al-RE四大系列。對和壓鑄鎂合金,目前主要有以下幾個方面的研究:
(1) 高溫使用性能:目前AZ及AM兩個系列的鎂合金壓鑄件占汽車用鎂合金壓鑄件的90%,這兩個系列的鎂合金在150℃以上強(qiáng)度均明顯下降?,F(xiàn)已開發(fā)出150℃以上抗蠕變能力的AS系列壓鑄鎂合金,如AS41A合金(Mg43%Al1%Si0.35%Mn),其175℃蠕變強(qiáng)度優(yōu)于AZ91D和AM60B,且有較高伸長率、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。大眾公司Beetle發(fā)動機(jī)曲軸箱以前一直采用AS41和AS42,最近采用的一種改進(jìn)的合金AE42在高溫下的蠕變性能則更好些[1,2]。某些微量元素如稀土元素Y、Nd、Sr等,對壓鑄鎂合金具有明顯的晶粒細(xì)化作用,可提高壓鑄鎂合金的強(qiáng)度和抗蠕變能力,如最近研制的AE42的抗蠕變能力優(yōu)于傳統(tǒng)MgAlSi合金,可在200~250℃長期使用[3]。但AS和AE合金對高溫性能的改善仍是有限的,其鑄造性能比AZ和AE合金要差,加之稀土元素成本高,使生產(chǎn)和使用受到一定限制。
(2) 延展性:目前,鎂壓鑄件在需要安全及高斷裂韌性的用途上增長非常迅速。在工作情況下要提高吸收能量的能力,就應(yīng)提高材料的斷裂韌性。通過在合金中減少鋁,可以做到這點(diǎn)。AM60和AM50在儀表板托架、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)軸及座椅等安全部件上得到廣泛使用,AM20目前還使用到座椅的后背框架。另外,斷裂延伸率和溫度關(guān)系也是相當(dāng)密切的,尤其是在約50℃以上時,隨溫度的增加而增加。
(3) 鎂合金的耐蝕性:耐蝕性也曾是鎂合金擴(kuò)大使用的一大障礙。鎂的化學(xué)活性高,以鎂為基的合金和復(fù)合材料易發(fā)生微電池腐蝕,一般低純度壓鑄鎂合金的耐蝕性差。嚴(yán)格規(guī)定了Fe,Ni,Cu等雜質(zhì)元素的高純度壓鑄鎂合金(如AZ91D),以及含稀土的AE42,其鹽霧試驗(yàn)的耐蝕性已超過壓鑄鋁合金A380,遠(yuǎn)好于低碳鋼[4]。調(diào)整化學(xué)成分、表面處理和控制微觀組織等均可改善其耐蝕性。盡管提高鎂合金件耐蝕性的方法眾多,但若不從材質(zhì)本身解決問題,耐蝕性差始終是鎂合金件獲得大量使用的一個技術(shù)障礙。
(4) 阻燃鎂合金:在鎂合金中添加Al(2.5%)、Be合金(Be加入量為0.0005%~0.03%)或含Ca合金,也可有效地防止鎂合金液的氧化。目前,一些研究者正在從事具有阻燃性能鎂合金的研究[5],這一研究一旦獲得成功,則鎂合金就像鋁合金一樣熔煉和鑄造,獲得更為廣泛的使用前景。
(5) 鎂合金基復(fù)合材料: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)使用的階段,但已用砂型鑄造、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)合材料和半固態(tài)鑄造相結(jié)合,使用于壓鑄和擠壓鑄造領(lǐng)域的發(fā)展趨勢[5]。
2 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,必須對壓鑄機(jī)的壓射系統(tǒng)和自動給料系統(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的4~5m/s提高到6~10m/s;
(2) 縮短增壓過程的建壓時間;
(3) 提高壓射力;
(4) 采用電磁自動定量給料裝置,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,配置必要的配套設(shè)備。

4.25-鋁合金配件.jpg 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,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)的一個發(fā)展方向。
3 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,鎂合金壓鑄件生產(chǎn)過程中引發(fā)的危險,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。4.25-鋁合金配件-1.jpg

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