镁合金压铸技术的发展及其应用

镁合金压铸技术的发展及其应用High quality manuscripts are welcome to download镁合金压铸技术的最新发展及其应用镁合金是最轻的工程金属材料之一，具有很好的比强度、比刚度等性能，特别适 合制造要求重量轻、强度高、减震降噪的工程结构部件和要求一定强度的壳类零 件。镁合金低熔点、低比热及充型速度快等优点极其适合於用现代压铸技术进行 成形加工。现代科技和相关产业技术的发展，使镁合金的应用范围迅速扩展，特 别是在汽车工业和电子信息产业中获得大量应用。本文主要介绍镁合金压铸技术研究、开发、应用的发展状况，希望藉此促进中国 镁压铸技术的发展及其在各个领域、尤其是汽车工业中的推广应用。概述长期以来，镁的80%用於铝合金的添加元素或冶金行业脱氧等、13%用於铸造合 金、3%用作变形制品。随着科技进步及对镁可贵性的认识，其产品广泛用於航 空、航天、汽车配件、电子及通讯等领域。汽车行业采用镁合金量的急剧增加是拉动镁合金全球用量增加的重要因素，生产 商在汽车上应用镁合金零部件不仅是为了减轻重量，更是藉此来不断提高汽车的 性价比，从而加强其在竞争日益激烈的汽车市场上的竞争优势。预计19962008年 全球用於汽车零部件的镁量平均每年递增15%以上，其中，北美增长速度为30%,欧 洲则超过60%。欧、美、日等发达国家的汽车制造公司在政府的协调下与科研院所密切合作，投 入大量人力物力，实施多项大型研究发展计划，研究用镁合金制造汽车零部件。 这些研究开发计划促进了镁合金在汽车上的应用发展。电子信息产业由於数字化的发展，市场对电子及通讯产品高度集成化、轻薄化及 可回收的要求愈来愈高。以前作为主要材料的工程塑料已经无法满足要求，因此 人们把目光投向了镁合金。例如，镁合金具有优异的薄壁铸造性能，其压铸件壁 厚可达，并保持一定的强度、刚度和抗冲击性能。因此，在薄壁、轻薄、抗冲 击、电磁屏蔽、散热及环保等方面的要求之下，镁合金成了制造商的最佳选择。 近年来，电子信息产业的镁合金消耗量急剧增加，成为拉动全球镁消耗量的另一 重要因素。过去，限制镁合金广泛应用的主要因素是价格和镁合金的生产工艺，近儿年这两 方面都有较大突破。随着从镁的冶炼到镁合金的生产工艺不断完善，以及容易回 收的特性使镁合金的价格进一步走低，新型镁合金压铸技术的出现扩大了镁合金 的应用范围，增加了镁合金与其它工程材料的竞争力。国外镁合金压铸技术及其应用利用传统的压铸技术压铸镁合金，与压铸其它合金一样，存在型腔内气体以及由 压铸涂料产生的气体无法顺利排出的问题。这些气体在高压下或者溶解在镁合金 内，或者形成许多弥散分布在压铸件内的高压微气孔。因此，铸件既不能进行热 处理强化，也不能在较高的温度下使用。为了消除这种缺陷，提高压铸件的内在 质量，扩大压铸件的应用范围，近20年来，经过材料工作者的不懈努力，开发出 一些新的压铸技术，包括半固态压铸、触变注射成形技术、充氧压铸、真空压铸 等。触变注射成形技术半固态压铸和触变注射成形是较新的金属制品生产技术。半固态金属成形技术首先是由美国麻省理工学院Flemings教授於上世纪70年代开发的新一代金属加工技 术。目前在美国、日本、瑞士、意大利等国家，半固态成形己进入到工业化的 增 长期。这种工艺对铝合金的半固态成形基本成熟。但由於镁合金的锭料在二次加 热时易氧化燃烧，所以一般的半固态成形工艺不适宜镁合金的半固态成形。因 此，美国Dow Chemical公司研制了镁合金的半固态触变成形工艺与设备。触变注 射成形技术是一种把低熔点合金进行熔化，以高速、高压把原料注入金属模具内 进行成形的技术，目前已经进入实用阶段触变注射成形的铸造压力高，能促进 金 属模具和镁合金料浆间的热传递，导致表面附近的晶粒微细化，对成形产品赋 予 了高耐蚀性和机械强度。这个铸造压力还能提高产品对金属模的复制性，加强筋 和凸起部的成形容易。料浆的温度与普通压铸方法相比，低50100C因而能控制 产品由於热收缩而引起的尺寸变化，并提高模具的使用寿命。此外，触变注 射成 形的零件可以热处理，而且不需要配备熔化炉、不使用SF6防燃气体、不产生浮 渣和淤渣等，兼顾了安全性和环保要求（SF6破坏大气臭氧层）。因此触变注射 成形技术是今彳爰实用的成形方法。目前，利用触变注射成形技术可以制备手机、笔记本电脑、数码照相机、摄像相 机、液晶投影仪等可移动通讯器材的壳体。座椅、方向盘等汽车零部件的成形应 用也在研究开发中。充氧压铸充氧压铸是金属液充填压铸型腔前，将氧气充入型腔取代其中的空气，当能与氧 气发生反应的金属液压入型腔时，一部分氧气通过排气槽排出，而残留在型腔中 的氧气就与金属液发生反应，生成氧化物颗粒，呈弥散状分布在铸件中，从而消 除了压铸件的气孔。充氧压铸件的晶粒非常细小，从而具有良好的拉伸强度与疲 劳性能。而普通压铸件的显微组织中有相当数量的含铁针状组织，降低了塑性。 由於充氧压铸消除了压铸件中的气孔，因此，压铸件可以热处理与焊接。充氧压 铸需附加充氧控制装置，铸型充氧不但消耗氧气，还增加了铸造循环时间。由於 这些原因，充氧压铸件比普通压铸件的价格要贵10% 15%。但采用充氧压铸彳爰减少 了铸件废品，提高了性能，节省了机械加工费用，综合起来考虑，对质量要求 较 高的铸件反而可以节约10%30%因此，充氧压铸特别适合於需要热处理提高力学性 能、有气密性要求、在较高温度下使用或需要焊接组合的压铸件。口本轻金属株式会社采用充氧压铸法批量生产镁合金磁头支架，该支架过去由多 层迭合组成，现改为整体压铸件，不但实现了轻量化，而且有很大的经济价值。 该公司使用充氧压铸法生产的镁合金摩托车轮和汽车轮已投入生产，与铝轮相 比，镁轮的重量减轻15%。真空压铸 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着减少压铸件 内的气孔和溶解气体，提高压铸件的力学性能和表面质量。目前已经成功的在冷 室压铸机生产出AM60B镁合金汽车轮毂，在锁模力为2940kN的热室压铸机上生产 出AM60B镁合金汽车方向盘，铸件伸长率由8%提高至16%。国内镁合金压铸技术及其应用 压铸生产的迅速发展引起了国家科技部门和社会各界以及国外和港台地区厂商前 所未有的关注，并已形成一股强大的推动力。国内镁合金压铸发展状况近年来，国内镁合金压铸件产量平均年增长率达到了 18%。2001年镁合金压铸件生 产简况统计。以广东为例，目前已经发展到11家镁合金压铸厂，共拥有压铸机46台。产品主 要 有：笔记本电脑外壳、掌上电脑外壳、手机外壳、照相机零件等。图2为国内制备 的镁合金变速箱壳体及镁合金方向盘。全国从事镁合金压铸的单位已经发展到五十 馀家，其中上海乾通汽车附件公司生产的镁合金汽车变速箱壳体、浙江岱美聚氨酯 有限公司生产的镁合金汽车方向盘，深圳富士康公司、深圳嘉丰金属制品厂和东莞 宝元科技镁合金厂以及青岛金谷镁业股份有限公司等开发的镁合金笔记本电脑外 壳和手机外壳，均为镁合金应用的典范。由於镁合金独特的性能优势，最近重庆镁 业科技股份有限公司已推出镁合金概念摩托车；隆鑫集团和重庆华鹰摩托车公司开 发了 “镁合金六档机”，产品已批量生产投放市场。这说明摩 托车行业已经意识 到镁合金应用的重要性以及它广阔的市场前景和巨大的经济效 益，并已付诸行动， 这有望成为镁合金压铸件推广应用又一新的突破口，发展前途充满希望。上海乾通汽车附件公司的轿车变速箱体镁合金压铸件大量应用於本田、通用、大众 等名牌汽车，这标志着中国压铸工艺技术正在向国际水平推进。国内压铸企业面临的机遇与挑战随着人民生活水平的提高，汽车及信息化产业迅速发展。上海汽车集团的战略目 标是2007年实现汽车年产100万辆，汽车行业的高速发展已成为压铸生产持续发 展的基础。由於约70%的镁合金压铸件用於汽车，因此要求中国的汽车工业应加速 采用镁合金压铸件，以适应加入WT0彳爰更加激烈的竞争局面。必须改变引入 新车 型彳爰用铝铸件替代镁铸件的作法，提高中国自身镁合金的生产水平。中国关於镁合金及其压铸技术还处於起步阶段。除了在航空航天工业界有小量的 镁合金金属型铸件的使用外，镁合金在民品上使用还较少。作为民用金属材料的 广泛应用，还有许多工艺技术障碍需要突破。中国镁合金的开发应用工作明显大 大落彳爰於欧美国家，重要产品的开发和工艺研究成果还未见报道。近儿年国外关於镁合金应用从工艺到设备的大量专利技术的出现，中国如不及时 开展镁合金及其压铸技术的研究工作，这些专利技术对中国镁合金技术发展的卡 脖将愈加严重，对中国进入21世纪彳爰的竞争地位是极为不利的。例如，前儿年中 国对半固态凝固的工艺进行了许多的研究，取得了一些研究成果，但此工艺作 为 产品实用工艺的开发一直未见报道。目前，发达国家的半固态凝固技术的实用研 究已有较大的技术突破、有了较成功的应用，大大改善了压铸产品的质量和性 能，新的流变铸造和触变铸造已成为生产需要强度高、气密性好的镁合金汽车零 件、电子通讯产品外壳的重要实用工艺。他们同时推出许多保护性专利，以期在 这项技术上取得垄断性的竞争优势。例如美国Dow Chemical公司1991年取得触变 压铸技术专利，现在还授权日本丁SW和加拿大Husky公司生产新型镁合金触变成形 机；美国康奈尔大学研发的流变成形工艺及设备1996年取得专利。镁合金技术应用展望人类社会发展到了二十一世纪的今天，人们已经开始认识到节约能源及保护环境 的重性。由於镁合金具有重量轻等诸多优点，它的应用可以大大降低对能源的消 耗，因此镁合金将在未来的结构材料中占据重要地位。中国是镁资源大国，同时 又加入了 WTO,对於镁合金铸件的大量采用将是不容置疑的事实。这既是一个机 遇，也是一个挑战。我们必须行动起来，充分利用中国丰富的镁矿资源和巨大的 镁生产能力，为发展镁合金的应用做好镁合金关键技术的开发工作，迎接镁合金 应用高潮的到来。