镁合金压铸技术的几个主要问题

huahua · 发表于 2008-4-13 13:37:38

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镁合金材料1808年面世， 1886年始用于工业生产。镁合金压铸技术从1916年成功地将镁合金用于压铸件算起，至今也经历了八十余年的发展。人类在认识和驾驭镁合金及其制品的生产技术方面，经历了漫长的探索历程。从1927年推出高强度MgAl9Zn1开始，镁合金的工业应用获得了实质性的进展。1936年德国大众汽车公司开始用压铸镁合金生产“甲壳虫”汽车的发动机传动系统零件，1946年单车使用镁合金量达18kg左右。美国在1948～1962年间用热室压铸机生产的汽车用镁合金压铸件达数百万件。尽管如此，过去镁合金作为结构材料主要用于航空领域，在其它领域，世界上镁的主要用途是生产铝合金，其次用于钢的脱硫和球墨铸铁生产。
近年来，由于人们对产品轻量化的要求日益迫切，镁合金性能的不断改善及压铸技术的显著进步，压铸镁合金的用量显著增长。特别是人类对汽车提出了进一步减轻重量、降低燃耗和排放、提高驾驶安全性和舒适性的要求，镁合金压铸技术正飞速发展。此外，镁合金压铸件已逐步扩大到其他领域，如手提电脑外壳，手提电锯机壳，鱼钩自动收线匣，录像机壳，移动电话机壳，航空器上的通信设备和雷达机壳，以及一些家用电器具等。
镁主要由含镁矿石提炼。我国辽宁省大石桥市一带的菱镁矿储量占世界储量的60%以上，矿石品位高达40%以上。我国生产的镁砂和镁砂制品大量用于出口。充分利用我国丰富的镁砂资源进行深度开发，结合我国汽车、计算机、通讯、航天、电子等新兴产业的发展，促进镁合金压铸件的生产和应用，是摆在我国铸造工作者面前的一项任务。
压铸镁合金的研究
镁合金的密度小于2g/cm3，是目前最轻的金属结构材料，其比强度高于铝合金和钢，略低于比强度最高的纤维增强塑料；其比刚度与铝合金和钢相当，远高于纤维增强塑料；其耐腐蚀性比低碳钢好得多，已超过压铸铝合金A380；其减振性、磁屏蔽性远优于铝合金；鉴于镁合金的动力学粘度低，相同流体状态（雷诺指数相等）下的充型速度远大于铝合金，加之镁合金熔点、比热容和相变潜热均比铝合金低，故其熔化耗能少，凝固速度快，镁合金实际压铸周期可比铝合金短50%.此外，镁合金与铁的亲和力小，固溶铁的能力低，因而不容易粘连模具表面，其所用模具寿命比铝合金高2～3倍。
常用的压铸镁合金大多是美国牌号AZ91，AM60，AM50，AM20，AS41和AE42，分别属于Mg-Al-Zn，Mg-Al-Mn，Mg-Al-Si和Mg-Al-RE四大系列。对与压铸镁合金，目前主要有以下几个方面的研究：
（1）高温使用性能：目前AZ及AM两个系列的镁合金压铸件占汽车用镁合金压铸件的90%，这两个系列的镁合金在150℃以上强度均明显下降。现已开发出150℃以上抗蠕变能力的AS系列压铸镁合金，如AS41A合金（Mg43%Al1%Si0.35%Mn），其175℃蠕变强度优于AZ91D和AM60B，且有较高伸长率、屈服强度和抗拉强度。大众公司Beetle发动机曲轴箱以前一直采用AS41和AS42，最近采用的一种改进的合金AE42在高温下的蠕变性能则更好些。某些微量元素如稀土元素Y、Nd、Sr等，对压铸镁合金具有明显的晶粒细化作用，可提高压铸镁合金的强度和抗蠕变能力，如最近研制的AE42的抗蠕变能力优于传统MgAlSi合金，可在200～250℃长期使用。但AS和AE合金对高温性能的改善仍是有限的，其铸造性能比AZ和AE合金要差，加之稀土元素成本高，使生产和应用受到一定限制。
（2）延展性：目前，镁压铸件在需要安全及高断裂韧性的用途上增长非常迅速。在工作情况下要提高吸收能量的能力，就应提高材料的断裂韧性。通过在合金中减少铝，可以做到这点。AM60和AM50在仪表板托架、转向盘转轴及座椅等安全部件上得到广泛应用，AM20目前还应用到座椅的后背框架。另外，断裂延伸率与温度关系也是相当密切的，尤其是在约50℃以上时，随温度的增加而增加。
（3）镁合金的耐蚀性：耐蚀性也曾是镁合金扩大应用的一大障碍。镁的化学活性高，以镁为基的合金和复合材料易发生微电池腐蚀，一般低纯度压铸镁合金的耐蚀性差。严格规定了Fe，Ni，Cu等杂质元素的高纯度压铸镁合金（如AZ91D），以及含稀土的AE42，其盐雾试验的耐蚀性已超过压铸铝合金A380，远好于低碳钢。调整化学成分、表面处理和控制微观组织等均可改善其耐蚀性。尽管提高镁合金件耐蚀性的方法众多，但若不从材质本身解决问题，耐蚀性差始终是镁合金件获得大量应用的一个技术障碍。
（4）阻燃镁合金：在镁合金中添加Al（2.5%）、Be合金（Be加入量为0.0005%～0.03%）或含Ca合金，也可有效地防止镁合金液的氧化。目前，一些研究者正在从事具有阻燃性能镁合金的研究，这一研究一旦获得成功，则镁合金就像铝合金一样熔炼和铸造，获得更为广泛的应用前景。
（5）镁合金基复合材料：用碳化硅等颗粒增强的镁合金基复合材料已进行了多年的研究开发，目前虽尚未达到在压铸领域商业应用的阶段，但已用砂型铸造、精密铸造等方法制成了叶轮、自行车曲柄、汽车缸套等铸件，并有将这种复合材料与半固态铸造相结合，应用于压铸和挤压铸造领域的发展趋势。
真空压铸通过在压铸过程中抽除型腔内的气体而消除或显著减少压铸件内的气孔和溶解气体，提高压铸件的力学性能和表面质量。目前已成功地在冷室压铸机上用真空压铸法生产出AM60B镁合金汽车轮毂，在锁型力为2940kN的热室压铸机上生产出AM60B镁合金汽车方向盘零件，铸件伸长率由8%提高至16%.
充氧压铸又称无气孔压铸（Pore-Free Die Casting Process，即P.F法）。该法在金属液充型前，将氧气或其他活性气体充入型腔，置换型腔内的空气，金属液充型时，活性气体与充型金属液反应生成金属氧化物微粒弥散分布在压铸件内，从而消除压铸件内的气体，使压铸件可热处理强化。日本轻金属（株）用充氧压铸法生产计算机的AZ91镁合金整体磁头支架，代替原先的多层叠合支架，不但减轻了支架重量，并且取得了很大的经济效益。该公司还用充氧压铸法成批生产了AM60镁合金汽车轮毂和摩托车轮毂，与铝轮毂相比，重量减轻15%.
近年来美国、日本和英国等国的公司相继成功开发出镁合金半固态触变射压铸造机。镁合金半固态触变射压铸造机以一定压力将半固态镁合金射入压铸型内而使之成形，其工作原理类似于注塑机。它将预制的非枝晶态镁粒送入螺旋给料机构，在螺旋给料机构中将镁粒加热到半固态，并通过螺旋给料机构另一端的镁合金浆料收集室将半固态镁合金浆料送入压射室进行射压成形。这种铸造成形方法代表了镁合金铸件生产的一个发展方向。
镁合金熔炼作业与安全生产
  由于镁合金液很容易氧化，而且表面生成的氧化膜是疏松的，其致密系数α值仅为0.79，不能防止合金继续氧化。镁合金液与大气中氧、水蒸气、氮反应生成不熔于镁液的难熔的MgO、Mg3N2等化合物，混入铸型后即形成“氧化夹渣”。因此，熔炼合金时防氧化至关重要。镁合金的熔体保护主要有两种方法，即熔剂保护和气体保护。
  用保护熔剂熔炼通常会带来以下问题：（1）氯盐和氟盐高温下易挥发产生有毒气体，如HCl，Cl2，HF等；（2）由于熔剂的密度较大，部分熔剂会随同镁液混入铸型造成“熔剂夹渣”；（3）熔剂挥发产生的气体有可能渗入合金液中，成为材料使用过程中的腐蚀源，加速材料腐蚀，降低使用寿命。
  目前多数厂家使用气体保护，即用干燥的SF6、N2、CO2、SO2气体中的2～4种组成混合气体，在镁合金熔池表面形成致密的连续薄膜以阻止镁合金液的氧化。SF6不是毒性气体，但它对地球的温室效应比CO2严重24000倍，而镁工业的SF6用量占世界总用量的7%（1996年），将来必然会限制其用量乃至停止其使用，但目前尚未找到SF6的合适替代物。研究表明，用硫磺粉末撒于熔池表面形成的SO2对镁合金液有保护作用。
  镁合金压铸件生产的危险大多由加工及后处埋过程中的过失所引起。据日本方面统计，镁合金压铸件生产过程中引发的危险，熔炼占25%，铸造占10%，加工占39%，贮藏及废弃物占16%，电气占3%，其他占7%.显然，加工和后处理过程的危险性超过压铸过程3～4倍。加工过程中，无论是喷砂、车削、铣削、抛光等，均不可避免会产生镁尘屑及火花，如厂房内通凤不良，空气中镁尘浓度过大，一旦火花与空气或地面的镁尘接触，轻则燃烧，重则爆炸。因此厂房内必须安装集尘器并配备防火砂及防火设施。
压铸型设计
由于镁合金的化学、物理参数及压铸特性与铝合金有很大差异，因此铸型设计则不能完全套用铝合金压铸型设计原则。
镁合金液易氧化燃烧，铸造时热裂倾向比铝合金大，在熔化、浇注及压铸型温控制等方面都比铝合金压铸复杂。镁合金充型时间短，排气问题尤为突出，镁合金的比热容和相变潜热均比铝合金低，因而压铸过程中容易发生局部（薄截面部位）提前结晶现象，导致补缩通道堵塞，产生浇不足的缺陷。镁合金压铸型设计主要考虑以下几个方面：
（1）压铸机选择。采用何种形式的压铸机进行生产主要取决于铸件的壁厚。Roland Fink在对“镁合金压铸工艺的优化”问题进行研究的过程中，通过对镁合金压铸经济性、冷室压铸和热室压铸过程分析提出，一般情况下小于1kg的铸件需要采用热室压铸机，以保证薄壁件的充满，大件则推荐采用冷室压铸机。
（2）工艺参数。在压铸生产过程中，选择合适的工艺参数是获得优质铸件发挥压铸机最大生产率的先决条件，是正确设计压铸模的依据。压铸时，影响合金液充填成型的因素很多，其中主要有压射压力、压射速度、充填时间和压铸模温度等等。由于压铸件壁厚和复杂程度的不同，工艺参数选择的变化范围很大。镁合金同铝、锌合金相比，流动性更好，因此二级压射速度可以更大，镁合金的冲头速度比铝合金快约30%，最大甚至超过10m/s.由于镁合金铸造性能如流动性对型温和浇注温度相当敏感，在充型过程中镁合金液极易凝固，必须精确控制型温和浇注温度，否则就易出废品。
（3）浇注系统设计。浇注系统对金属液流动的方向、排气溢流条件、模具的温度分布、压力的传递、充填时间的长短及金属液通过浇道处的速度和流动状态等各个方面，起着重要的控制与调节作用。浇注系统设计总结如下：
内浇道位置：由于镁合金在型腔中比铝、锌等合金凝固都要快，并且一般镁合金压铸件为薄壁零件，因此内浇道位置的选择必须尽量避免直接冲击型腔表面，保证金属液在型腔中的流动路径最短，以防止出现浇不足和冷隔现象。
充型速度：一般说来，由于镁合金的热力学特性，合金向模具的热传递速度很快，而且凝固区间大，流动性较差，因此为避免浇道镁液过早凝固，应使镁液高速平稳地充入型腔。一般内浇道流速为90～100m/s，对于有些薄壁镁合金压铸件来说，内浇道速度甚至高达20m/s.
内浇道尺寸：在许多情况下，内浇道通过机加工去掉。内浇道宽度应该小于壁厚的50%，以避免修边过程中对铸件造成损伤。为了获得最小的内浇道厚度，同时保证镁压铸件薄壁的要求，内浇道宽度应该尽量取大以保证合适的内浇道截面积。
充填时间：它与内浇道速度紧密相关，对于表面质量要求高的薄壁铸件影响很大。充填时间较铝合金少0%，通常取为10～100ms.
溢流槽设计对于薄壁镁合金压铸件，最佳的溢流槽入口面积约为内浇道截面积的20%～25%.
充型过程的研究计算机模拟
随着镁合金铸件的应用领域日趋广大，对压铸镁合金的充型性能提出了更高的要求。而目前对压铸镁合金的充型规律、充型性能与压铸工艺参数的关系、充型临界壁厚等了解甚少，因此，亟需进行系统研究。为此，应大力开展镁合金充型及凝固过程的计算机模拟研究，并在此基础上形成专家系统，以指导压铸工艺的制定、压铸型设计、压铸件质量控制，提高镁合金压铸件的合格率及压铸型的使用寿命。
数值模拟软件在汽车镁压铸件中应用最为普遍，德国的一些汽车行业已经成功地模拟了座椅架、触变成型燃油泵、奥迪5倍速变速箱、车轮、4缸发动机缸体等汽车用镁合金压铸件，有效地缩短了产品开发周期，极大增强了企业市场竞争能力。
在汽车工业中的应用前景
据文献报道，现在世界工程构件镁合金需求的98%来自于压铸行业，而其中的70%以上又用于汽车工业，因此镁合金的压铸工艺性能对其在工业中应用的发展起着决定性的作用。
北美是镁合金用量最多的地区，其年发展速度为30%.著名的汽车公司如福特、通用和克莱斯勒等公司在过去的十几年里一直致力于新型镁合金和镁合金离合器壳体、转向柱架、进气歧管及照明夹持器等汽车零部件的开发与应用。1996年政府能源部与通用、福特和克莱斯勒三大集团签署了一项名为“PNGV”（新一代交通工具）的合作计划，该计划的目的在于生产出符合市场要求的节能轿车。通用汽车公司于1997年成功地开发出镁合金汽车轮毂，并且与世界最大的镁生产与加工公司——Hydro公司签定了应用镁合金压铸件的协议；威斯康辛Lindberg触变成形发展中心对镁合金压铸技术进行了创新，采用半固态压铸技术生产出镁合金赛车离合器片与汽车传动零件。欧洲的镁合金用量仅次于北美，其年发展速度为60%.著名的奔驰汽车公司最早将镁合金压铸件应用于汽车座支架，奥迪汽车公司第一个推出镁合金压铸汽车仪表板，可以说德国是推动镁合金压铸发展的先驱与主力军。1997年，德国又由联邦科技教育部（BMBF）牵头，联合大众汽车公司等50余家企业和慕尼黑工业大学等6所大学及研究所，投资2500万马克进行了一项为期3年的“MADICA”（镁合金压铸）发展项目。

michh898 · 发表于 2009-3-11 14:48:52

支持一下，论坛上少有的压铸帖子。

3057701910 · 发表于 2014-10-8 18:30:27

　　关于举办“2014(第三届)国际交通运输装备轻量化峰会”的通知

　　各有关单位：

　　在轻量化产业发展新形势下，各大汽车、轨道交通、航空和船艇等交通运输装备生产厂商纷纷开始思考如何“瘦身减重”，如何推动高强钢、轻合金、碳纤维复合材料及工程塑料等新型轻质材料的大规模应用，解决材料应用过程存在的成型、连接技术及加工工艺问题，有效降低新材料应用的成本，以尽快在市场竞争中占据主导，成为未来轻量化技术发展的焦点问题。

　　在此背景下，为了把握全球绿色经济和轻量化战略发展方向，促进轻质材料在交通运输装备领域的应用，加强国内外行业间的信息共享，在连续两年成功举办“国际交通运输装备轻量化峰会”的基础上，“2014(第三届)国际交通运输装备轻量化峰会”将于12月4-5日在上海再次隆重召开。本届峰会以“轻量化和我们的绿色未来”为主题，探讨汽车、轨道交通、航空和船艇四大交通运输领域轻量化发展未来趋势，剖析国内外轻量化设计典型案例，比较不同轻质材料应用前景及优势，开展产品的轻量化设计技术、材料应用技术和制造技术的一体化，提升加工制造工艺水平，促进产、学、研、用一体化合作共赢等热点议题。

　　峰会同期还将举行“TELS轻量化展”以供企业产品推广与贸易洽谈。来自国内外60余家的产业园区、主机厂、一二级供应商、高校以及科研机构等将展示轻量化技术成果，涵盖铝镁合金、复合材料等轻质材料，成型技术、连接技术等先进轻量化制造技术，发动机、保险杠、车身件、内饰件等轻量化零部件，以及产业园区成果展示，汽车、飞机、高铁和船艇轻量化整体设计方案，共同推进中国交通运输装备轻量化产业的快速发展。

　　一、时间地点

　　时间：2014年12月4-5日地点：中国·上海

　　二、组织机构

　　联合主办单位：上海交通大学轻合金精密成型国家工程研究中心，南京航空航天大学复合材料工程自动化技术研究中心，西南交通大学交通运输装备轻量化研究所，中国航空学会结构设计与强度分会，上海船舶工业行业协会，《先进制造业》全媒体

　　承办单位：上海闻鼎信息科技有限公司，闻泰会展服务(上海)有限公司

　　支持单位：德国弗劳恩霍夫协会，机械科学研究总院，德国中小企业联合会，上海有色金属行业协会，上海市压铸技术协会，吉林省汽车工程学会，江苏省轨道交通产业技术协会，江苏省航空航天学会，上海市汽车工程学会汽车测试专业委员会，中国机械工程学会铸造分会铸铁及熔炼技术委员会

　　特别支持媒体：第一压铸网，先进制造业网

　　三、部分嘉宾与企业

　　部分嘉宾

　　丁文江，上海交通大学轻合金精密成型国家工程研究中心主任

　　顾翔华，中国汽车工业学会，特别顾问

　　张士宏，中国科学院金属研究所，研究员

　　朱知寿，中国航空工业集团公司钛合金材料技术，首席技术专家

　　熊守美，清华大学，教授

　　权高峰，西南交通大学交通运输装备轻量化研究所，所长

　　Ruediger Heim，德国弗劳恩霍夫协会结构耐久性与系统可靠性研究所，部长

　　Thomas Reichenbach，德国中小企业联合总会，首席代表

　　刘波，重庆长安汽车股份有限公司，室主任

　　David Wennberg，Interfleet Technology AG，顾问

　　凌天钧，上汽集团新能源和技术管理部，总工程师

　　熊飞，长城汽车股份有限公司，汽车轻量化技术总监

　　肖阳，中国铝业郑州研究院轻金属材料研究所，所长

　　洪伟，驶多飞集团，中国区总经理

　　俞麒峰，中国商飞上海飞机设计研究院，副部长

　　部分企业

　　中国南车，中国北车，庞巴迪，阿尔斯通，川崎重工，齐齐哈尔轨道交通装备有限责任公司;上海汽车，中国一汽，北汽福田，东风，奥迪，宝马，本田，丰田，长安，吉利，通用，大众，奔驰，奇瑞，江淮，标致雪铁龙，菲亚特;成都飞机工业(集团)有限责任公司，中国商飞航空制造技术研究所，空中客车(天津)总装有限公司，庞巴迪宇航工业集团，机械科学研究总院

　　四、主题与报告内容

　　主题：轻量化和我们的绿色未来

　　报告主要内容：

　　1. 轻量化材料发展机遇与挑战

　　2. 新形势下复合材料发展及应用过程中所面临的问题

　　3. 钛及钛合金制造、加工及应用技术新进展

　　4. CAE技术在轻量化结构设计和多材料应用方面取得的最新进展

　　5. 钢铝接合紧固技术的最新进展及多材料设计的成本平衡策略

　　6. 新材料的表面处理——交通运输中如何增强新材料的使用寿命

　　7. 基于量产的碳纤维复合材料零部件制造工艺

　　8. 交通装备用大断面和复杂断面铝合金挤压成型技术介绍及案例分析

　　9. 超轻镁锂合金的研究与应用进展

　　10. 改性塑料帮助汽车制造商降低成本

　　11. NVH材料市场与轻量化

　　12. 超级激光焊接在汽车和航空中应用

　　13. 金属与塑料复合材料在航空座椅方面的应用

　　14. 如何协同汽车OEM设计开发轻量化塑料部件产品

　　15. 全球轨道车辆挤压铝材生产企业概况

　　五、参展范围

　　1. 汽车、轨道交通、民用飞机、船舶及其零部件的轻量化新产品与相关技术;

　　2. 交通运输领域、材料和装备领域的地方产业园区;

　　3. 高校及科研机构研究成果;

　　4. 金属材料：高强度钢、特殊钢材、激光焊拼钢板等;铝合金、镁合金、镁铝合金、钛合金等;铜、钛、镁等;

　　5. 非金属材料：改性塑料;通用工程塑料;工程塑料及成型材料;塑料合金;车用塑性材料：聚氨脂、聚脂、树脂及固化剂等;车用玻璃材料 ;车用橡胶材料;车用胶粘剂;车用摩擦材料;车用硅胶材料;零部件制造用化学品和材料;

　　6. 材料成型技术与设备、加工技术与设备;

　　7. 原材料及材料检测设备;

　　8. 涂层和表面处理;

　　9.设计与仿真软件提供商及其他相关单位。

　　六、往届回顾

　　首届TELS在业内同仁的期盼中应运而生，于2012年12月6-7日在上海银河宾馆隆重举行。大会获得了来自制造业各个分支系统的行业支持以及业内专家的智力支持。大会策划之初就定下产学研相结合，以市场需求为导向，多行业交叉互通互益的宗旨。大会架构设定为1个主论坛+3个分论坛，在模式上也力求创新首次尝试了会+展的全新模式，将校企联动、技术对接落到实处。与会嘉宾包括来自汽车、民用飞机、轨交3大领域的行业协会、科研院所、企事业单位。

　　在首届TELS圆满成功的基础上，以“新材料新技术新装备新机遇”为主题的第二届TELS续写了新的篇章，2013年11月6-7日历经一年组委会在充分调研了市场需求及业内焦点、技术难点的基础上，同期举办汽车轻量化论坛、轨道交通车辆轻量化论坛、民用飞机轻量化论坛和船舶轻量化论坛，并开设新产品展示区和贸易洽谈区，为企业提供“演讲+展示+贸易洽谈”的三重平台和“一站式”互动交流机会。

　　同时，组委会上海闻鼎信息科技有限公司积极整合行业资源，联合了西南交通大学交通运输装备轻量化研究所、中国第一汽车集团公司规划部、江苏省轨道交通产业技术协会、中国航空学会结构设计与强度分会、江苏省航空航天学会、上海船舶工业行业协会共同主办。吸引了来自政府职能部门、行业协会、主机厂、一二级供应商、科研机构等400余人参与峰会。

　　亲爱的朋友，我们的绿色未来需要大家的共同参与，欢迎您的加入!冬天即将到来，轻量化的春天还会远吗?今冬12月，我们汇聚一堂，共议轻量化;今冬12月，我们不见不散!

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