镁合金压铸知识

镁合金压铸技术 （本资料内容已选编入重庆镁业主编的镁合金及应用） 作 者 简 介 黎前虎：男，1965年生，湖南人，1985 年毕业于湘潭大学机械系，高级工程师，原力劲集团镁合金发展部高级经理、清华- 力劲压铸高新技术研究中心深圳基地主任、集团市场推广部经理，现任伊之密精密压铸科技有限公司市场总监，对镁合金压铸技术及压铸品生产关联技术有较为深入、综合的研究，如镁合金压铸工艺、设备、模具技术及安全作业要点，镁合金的熔炼气体保护技术，后理研究，镁合金压铸生产线之设计、制造、安装、调试量产，工厂总体规划建设及制造成本之研究等。在清华- 力劲压铸高新技术研究中心深圳基地，带领所属技术人员配合集团开发部门研发出达到世界先进水平的高性能镁合金压铸成套设备，该型镁压铸机获2000 年度香港工业奖及 2001 年度国家级重点新产品；并致力于推动镁合金新材料的产业化应用工作，带领所属技术人员已成功为中国一汽集团、东风汽车集团、重庆隆鑫集团、长安汽车集团、宁夏905 集团、以色列 OPP 公司等建设了镁合金压铸生产线，并完成了力劲集团深圳镁合金出口创汇基地的筹建工作，为我国之镁合金新材料产业化推广做出了积极的贡献。 加工技术及制品之表面处 陈继斌：1997 年毕业于沈阳工业学院，高级工程师，原力劲集团镁合金项目技术支援主管、集团市场部大客户部主管，现任伊之密精密压铸科技有限公司技术支援部主管，曾先后发表多篇专业性论文，对镁合金压铸机、周边设备、压铸工艺及模具具有相当丰富的实际经验。 2目 录 1 、 压铸镁合金材料 1.1镁合金化元素 1.2镁合金的铸造性能 1.3压铸镁合金的实际应用 2 、 镁合金防燃技术 2.1镁合金熔体表面燃烧机制 2.2致密度系数的影响 2.3表面防燃技术 2.4现有防燃技术的比较 3 、 镁合金压铸机 3.1、镁合金热室压铸机 3.2、镁合金卧式冷室压铸机 4 、 镁合金压铸周边设备 4.1镁合金熔炼炉 4.2模温机 4.3取件机械手 4.4自动喷雾机 4.5自动压送机 5 、 镁合金压铸安全操作 6 、 劣质镁合金设备的危害 3镁合金压铸技术 黎前虎 陈继斌 前言 目前，世界各国对镁合金压铸件的应用前景十分看好，特别是在汽车、航空、电信、交通运输和机械行业，采用镁合金铸件取代铝合金或钢铁零部件可有效地减轻机械重量，从而显著地节省能耗，减少环境污染。如汽车若每减轻100kg，则每公里耗油量可减少0.4L，所以现在美、日、欧等发达国家开始在汽车上扩大镁合金铸件的应用，如方向盘、仪表盘、座椅骨架、曲轴箱、变速箱壳体、轮毂等。使镁合金铸件以每年 20%30%的速度增长，其中80%为压铸件。镁合金压铸件在家电轻工和日用五金等行业的应用同样日益扩大，如手提电脑壳、录放机箱、移动话机、电动工具壳，照像机壳、室内装饰品、割草机壳等。这些零件采用镁合金压铸件不但重量大大减轻，尺寸精确稳定，而且表面光洁，具有一系列突出的优点。据国外统计，到2006年镁合金压铸件的年产量将达20多万吨。因此，镁合金压铸及镁合金压铸机正成为当今压铸行业重要发展项目之一。 1 、压铸镁合金材料 镁与铝在化学、物理性质上存在较大的差别，主要表现在化学反应活性，金属液表面氧化物质密性，凝固过程中的热效应，抗电化学腐蚀能力等方面。 4镁具有比铝强的化学反应活性且金属液表面不能形成如铝合金液一样的致密的氧化物保护膜以阻至氧化反应的继续进行，因此镁合金易燃烧甚至爆炸。镁合金还易溶解其它金属，包括严重降低镁合金抗电化学腐蚀能力的镍、铜等元素。另外，同样体积的铝合金及镁合金液在凝固过程中，镁合金释放的热量显著低于铝合金液。 1.1 镁合金化元素 纯镁的机械性能很差，不能满足工业零件对屈服强度和抗拉强度的要求。通过加入合金化元素能显著提高镁的机械性能，使镁合金的强度重量比在各类合金中仅次于钛合金而名列第二，为其工业应用开拓了广阔前途。合金化元素的第二个作用是改善镁合金的铸造性能。纯镁的熔点高，流动性差，收缩量大。通过合金化能降低液相温度，增加流动性，提高镁合金的铸造性能，减小收缩倾向。针对镁合金在150 摄氏度以上温度其强度显著下降的特点，合金化的第三个作用是增强镁合金的抗蠕变性能。 镁合金常用的合金化元素是铝和锌。铝的合金化能提高合金强度及铸造性能。锌也能提高合金的铸造性能。为保证铸造性能压铸镁合金的铝含量3%，锌含量2%。否则容易产生裂纹。基于Mg-An-Mn 系的合金AZ91（含锌）和 AM60B（不含锌）是室温使用的主要压铸镁合金。微量的稀土元素 Y，Nd,Sr对AZ91合金有明显的细化作用，含 Sr 合金在晶界处存在粗大的Mg-Sr化合物及 Mg17A112相，易于发生沿晶断裂，而含 Y，Nd合金由于晶体内滑移带及变晶的快速形成，主要发生穿晶断裂。合金韧性进一步得到提高。目前AZ及AM 这两种系列合金占镁汽车结构件的90% ，但它们在 150以上时其强度显著下降。 为改善合金在150以上的抗蠕变能力，现已开发了AS41A合金（4.3%Al,1% 硅，0.35%锰），该含金的蠕变强度在 170范围内。同时具有较好的伸长率，屈服强度和极限抗拉强度。由于含铝量较低，AS41A要求较高的铸造温度。AS系列镁合金由于Si 的引入，在组织中易形成硬的硅质点，钠和锶能从根本上改善硅相的结构起到很好的变质效果。 利用稀土元素对Mg-Al 基合金强度及蠕变抗力的有利影响而开发了Mg-Al-稀土合金。压铸AE42合金具有比Mg-Al-Si 合金更加的蠕变抗力，能在200-250 度下长期使用。加拿大开发了AC系列镁合金。通过添加Ca改善了Mg-Si合金中Mg2Si 的相结构并细化其晶粒，其蠕变抗力是AZ和AM 系列合金的 10倍左右。而拉伸及抗拉强度相当。且具有良好的铸造性能。 目前得到工业应用的压铸镁合金主要有4 个系列，即 AZ系列（Mg-Al-Zn-Mn ）；AM 系列（Mg-Al-Mn）；AS系列（Mg-Al-Si ）；AE系列（Mg-Al-稀土）。表 1 中给出了它们中的常 5用合金的名义成分和性能。 表1 压铸镁合金的成分及性能 元素组成% 室温拉伸性能 合金 Al Zn Mn Si Fe Cu max Ni max Re 总量 抗拉强度 MPa 屈服强度 MPa 伸长率% AZ91D 8.3-9.7 0.35-1.0 0.15-0.50 0.10max 0.005 0.030 0.002 - 230 160 3 AM60B 5.5-6.5 0.22max 0.24-0.6 0.10max 0.005 0.010 0.002 - 220 130 6-8 Am50A 4.4-5.4 0.22max 0.24-0.6 0.10max 0.004 0.010 0.002 220 120 6-10 AE42 3.4-4.6 0.22max 0.25 - 0.005 0.05 0.005 1.8-3.0 225 140 8-10 AS41B 3.5-5.0 0.12max 0.35-0.7 0.5-1.5 0.0035 0.02 0.002 - 215 140 6 1.2镁合金的铸造性能 1.2.1高速冷却条件下对相图的影响 在压铸条件下，由于流速高，金属型冷却能力强，冷却速度很快，二元系相图中共晶点向热稳定组元方向推移。对 Al 合金来说是向Si 增加的方向推移，而对 Mg合金来说则是向Mg增加的方 a 向推移，这种推移可以使Al 部分亚共晶合金成为固溶液体单相合金，使部分Al 过共晶合金成为亚过晶合金。Mg合金则正好相反，部分固溶体合金成为亚共晶合金，部分亚共晶合金则成为实际上的过共晶合金。大致来说高的冷却速度增加Mg合金共晶体的含量，有利于铸造。 另外，比较纯镁和纯铝的熔点与共晶温度的差值也可以表明镁合金易于铸造，对镁来说其值为212，而铝则是 73 。 1.2.2镁合金的物理性质对压铸性能的影响 1.2.2.1 热焓 从工作温度到凝固温度之间的热量，决定了相同的导热系数下，金属液保持可铸性的时间。因此这种热量便作为最大可能充型时间的尺度。充型时间T 与从工作温度至凝固温度的热焓的定性公式为： Tm;Ta=Qm/Qa 则：Tm=QmTa/Qa 比较CD=MgAl9Znl与GD-AlSi12(Cu)则Tm=130.5/275Tal=0.654Ta 即充填同一铸型镁合金所需时间公为铝合金的65% 。 6表二 铝镁的热焓 材料 Al Mg 比热 卡/cm3 0.62 0.45 融化热 卡/cm3 245 158 工作温度 630 630 推出温度 380 340 工作温度到推出温度热焓 卡/cm3 400 288.5 1.2.2.2 金属液粘度与浇注速度对充型的影响 用雷诺数来表示性质，它不仅考虑到流道的几何形状，而且也考虑到由于速度磨擦而产生的流动阻力。也以GD-MgAl9Znl和GD-AlSi12(Cn)粘度作比较，定性地得出浇注速度。首先两者的流动特性相同，那么作为一个准则两者的雷诺言数必须相等。 Rea=Rem Re=WDh/V 或中 Re雷诺数 W平均浇注速度 Dh液体流槽直径 V浇注温度时的粘度 已知:Va=5.3*10-6 m2/S Vm=6.65*10-6 m2/S 代入等式得：Wm=Wa*6.65/5.3 Wm=1.25Wa Wm：铝合金平均浇注速度 Wa：镁合金平均浇注速度 以上结论说明镁合金充填型腔的平均速度约为铝合金充填型腔时的1.25 倍。 1.2.2.3 气体与气孔 气孔以各种方式存在于铸件中，一种方式是由于冷却过程中气体从液体中析出，主要是H2，另一些是由于浇注而带入了空气。镁溶解氢的能力很强，即使铸锭上只有极少量的一点水分，也可能通过水的还原而吸收氢。然而氮地产生氮化物、氧产生氧化物。因此，大气的影响较小，空气的温度与气体含量有关，也就是镁块必须进行彻底的烘干才能投炉熔化。 1.2.2.4 粘模倾向 7粘模倾向是指铸造合金粘附在铸型上的倾向。这种现象对压铸过程的影响很大。 （1 ） 合金对铸型材料的熔解度。镁合金在这方面有其优越性，一般模具钢的主要合金元素，除镍外，其它如铁、钴、锰、铝、钙都不溶解或仅有微量溶解于镁合金，因此粘模不会产生。 （2 ） 铸件在脱模温度时的强度。约 300 时，镁合金的强度公为铝合金的一半左右，只要型腔表面没有问题，推出平衡，不产生剪切应力，这样的热强度足以保证铸件出模。 （3 ） 铸件与型腔表面之间的粘附系数，当磨擦副之间的粗糙度为30/um 和磨擦速度为0.1m/s 时，铝一钢之间的粘附系数为0.1，而镁-钢之间仅为0.05 。 由此可知，镁合金有很大的优点。因此镁压铸件可以用最小的脱模斜度，并可获得较高的精度。 1.3压铸镁合金的实际应用 AZ91D是最常用的镁合金，具有优良的耐蚀性、铸造性能和良好的强度，主要用于汽车、计算机零件和运动器具、壳、盖、链、锯、手动工具和家用电器。 AM50、AM60 合金具有突出的韧性和吸能性，同时兼有良好的强度和机械性能，主要用于汽车座椅、方向盘、仪表板等。 AS41和AE42这些合金于150 时有良好的抗蠕变形能，应于零件工作温度较高的场合，如汽缸体、曲轴箱、制动件等。 2 、镁合金防燃技术 2.1镁合金熔体表面燃烧机制 和氧及氧化物的反应 8燃烧/ 氧化 2Mg+O2=2MgO2 液体镁合金中的水分迅速汽化 Mg(液)+H2O （液）=H2O+Mg（小颗粒） 和水反应/ 氢气爆炸 Mg+H2O=MgO+H2O 2H2O+O2=2H2O 和氧化硅的反应 2Mg+SiO2=2MgO+Si 2.2 致密度系数的影响 金属液抗氧化能力的强弱由其表现膜阻碍反应物质通过的难易来反应。 G=V1/V2 V1：金属氧化物体积 V2：金属体积 G：致密度系数 Mg 的致密度系数是 0.79 。Al 的致密度系数是 1.28 。Al 液的表面是一层致密的氧化物保护膜，隔绝了金属与空气的接触。而镁液表面则是多孔性的疏松组织。应力状态呈张应力，镁易于蒸发。并且与空气接触氧化燃烧。起始合金液表面只有菜花状的氧化物，散发出红色江芒，随氧化反应的加剧，释放出大量的热量。温度最高可达3000 度。最终导致散发出耀眼的亮光，并出现镁蒸气燃烧产生的白烟，原料成废渣。 镁合金防燃的方法有两个途径。一是改善合金液表面的致密度系数；二是采用覆盖剂或惰性气体阻碍反应的进行。具体的方法大致如下： 以盐类溶剂覆盖于融体上； 以惰性气体下处理溶体； 以抑制元素添加在溶体上作为覆盖层； 在反应性气分下处理溶体，再其上行成薄的保护层。 2.3 表面防燃技术 2.3.1盐类熔剂 盐类溶剂以400 的温度，在熔融状态下覆盖于镁熔体表面，切断镁液与空气接触，阻碍镁氧化反应的发生，盐类以光卤石为基础，加上由MgCl2、KCl 所组成的低熔点共晶混合物， 9添加高融点莹石粉（CaF2）约20% ，除可作为覆盖物外，还可以对熔体起净化作用。覆盖盐所起的防护作用可以维持在800以上。 盐类熔剂的缺点是在与潮湿的空气接触时产生腐蚀性的氯化物以及形成盐酸性气体，对机器设备和工作环境有很大的不利影响。另外，盐类熔剂很容易在铸件中形成夹杂，损害铸件质量。 2.3.2 惰性气体 目前在工业上大量应用的氮气和氩气都可以用来作镁熔体保护，目的是断绝氧气的来源，氮气能阻止燃烧，与Mg缓慢反应，产生粉末状Mg3N2膜，其所提供的防护温度在 650 以下，Ar气不会与Mg 发生反应，但同样存在 Mg蒸发问题。 2.3.3 抑制性元素 起抑制性作用的元素有Be、Ca、Zn。 Be在熔体镁中有高的扩散速度，所产生的BeO 有高的热力学稳定性，且挥发倾向性小，BeO在熔体表面形成压应力，在熔体上覆盖有足够BeO ，致密度系数处于1.68 ，起到甚佳的防护作用。 Zn也可以做为合金元素在镁熔体上构成致密的覆盖层，取 Zn的上限成分约 1.5%，否则铸件倾向。 不量Ca，小于 0.1%，可以延缓镁的燃烧反应，但超过 0.8%的Ca时有强烈的热裂及粘膜倾向。 2.3.4反应性气氛 SO2 与SF6 都可以作为反应性气体用于镁熔体防护，使用温度最高可达 740 。SO2 的消耗量在大气下只占到总体积的确良% ，在铸造车间作为防护性气体成本最低，但有如下缺点： 在与空气接触时反应生成H2SO4 ，形成气体状的SO3 ，对机器及周边设备起到促进腐蚀作用。 所有设备附件及管道都要采用优质的钢材。 SO2 及SO3 存在毒性及刺激性气味，对人体健康有害。 SO2 及SO3 一样，在很低的浓度下，也有良好的防护效果，并且SF6 无毒，SF6 与镁熔体接触时共同构成一种MgF2的致密的防护层。 2.4现有防燃技术的对比 （1 ） 盐类熔剂：金属熔体中带有氯化物造成的污染以及盐类蒸气对周围环境造成的破坏作用，不适合现代化大量生产的压铸作业。 10（2 ） 对于改善氧化状态而言，加入 Be、Ca、Zn等元素，能改变镁合金的铸造性能，对力学性能也有一定的影响，3 个元素中以 Be的效果最好，不影响材料的切削加工性能。 （3 ） 当前，SF6 是基本的，不可缺的防护气体，但应在密闭炉上加入效果好，唯一的缺点是SF6 气体产生温室效应。 （4 ） 以 SO2 作防护气体，简单实用，可与SF6 混合使用。 （5 ） 惰性气体 Ar、He、N2等单独使用在大气下并不能抑制Mg的蒸发，但是在全封闭功能的炉型中，还是能发挥其主导作用。 3 、镁合金压铸设备 在镁合金的成形技术中，其中很大部份是以压铸法成型，所以压铸设备对于镁合金产业有着重要的意义。由于国内的镁合金压铸产业的滞后，很多企业仍用普通的压铸机来从事 11镁合金压铸，不但生产的压铸件品质存在问题，还极易诱发事故。香港力劲集团率先研制并生产了镁合金专用压铸机，推动了国内镁合金产业的发展。 3.1、镁合金热室压铸机 如图所示为力劲机械厂有限公司生产的DC160M镁合金热室压铸机。由于镁合金是从液面以下经封闭的鹅颈喷嘴等直接进入压铸型（模）的型腔中，浇注过程无氧化和浮渣，温度损失少，因此热室压铸机更适于薄壁复杂件的压铸（最小壁厚可达0.5mm）。又由于其生产率高，易于自动化，也便于镁合金液的防护，所以被广泛用于家电、计算机、通信、日用五金和许多载荷不特别大的镁压铸件的生产。一般的中小型镁合金压铸件特别是壁薄而外观要求较高的零件，大都采用热室压铸机生产。 镁合金热室压铸机与普通热室机的不同，主要在于前者具有更高的压射速度，一般空压射速度要求大于6m/s，并要求压射终止时液压冲击小、保温坩埚炉的工作温度高，且要求温度控制较严格，保温坩埚炉应考虑合金液氧化保护。 力劲机械厂有限公司生产的镁合金热室压铸机基本参数见表3-1。 表3-1 镁合金热室压铸机基本参数 12 DC160M镁合金热室压铸机 3.2、镁合金卧式冷室压铸机 1、镁合金卧式冷室压铸机应具备的条件 大多数大型受力和有特殊要求的镁合金压铸件是用冷室压铸机来生产的，如许多重要的汽车零件等。但普通冷室压铸机必须对压射部分进行如下改进才能适应镁合金压铸生产的需要： 1）快压射速度由45m/s提高到610m/s 。 2）减少增压建压时间。 3）提高压射速度和压射力的控制程度。 4）配置有保护气体装置的专用熔炉。 2、力劲机械厂有限公司生产的 DCC630M 卧式冷室压铸机的特性 如图所示为力劲机械厂有限公司生产的DCC630M卧式冷室压铸机，此机器既可用于镁合金压铸，也适用于铝合金的压铸，其主要工作特性如下：1）压射系统的性能：空压射速度可达9m/s以上，铸造压力可达150MPa以上；建压时间16ms。 2）压射系统通过压力传感器、流量控制阀、比例逻辑阀，实现三级压连续可调，适合不同型（模）具，完成精密压铸生产。 3）容模量为350900mm，拉杠内尺寸为750mm 750mm，液压自动调型（模）。 4）中央润滑系统及远端欠压保护装置，确保机器润滑效果良好。 5）配备4组抽芯装置，多种抽芯模式供选择。 6）可调压及缓冲式气动门安全联锁装置，确保安全可靠、运行速度平稳。 7）采用优质PLC控制机器的整个动作程序。 8）具有屏幕报警内容显示功能，可快速排除故障。 9）超大型（模）具记忆功能，可存储多达32组型（模）具参数。 10）对重要参数提供密码层面，确保生产和数据的安全性,全机符合CE要求。 1311）屏幕显示数据，方便操作。 12）采用电器、液压安全锁，确保机器和操作者安全。 13）配置油位、油温、入油过滤器及油压超压保护装置。 14）开机时蓄能器自动充油至设定压力，停机时会自动放油保证安全。 15）配备自动给汤（浇注） 、取件、喷雾（喷脱模剂）机械手（任选），提高生产效率和生产质量。 力劲DCC630M卧式冷室镁合金压铸机 力劲机械厂有限公司生产的镁合金卧式冷室压铸机基本参数见表3-2。 14IMPRESS-M系列技术参数 项目 单位 DCC400 DCC630 DCC800 DCC1000 DCC1250 DCC1600 DCC2000 锁模力 KN 4000 6300 8000 10000 12500 16000 20000 锁模行程 mm 550 650 760 880 1000 1200 1400 模具厚度(最小-最大) mm 300-750 350-900 400-950 450-1150 450-1180 500-1400 650-1600 模板尺寸(水平垂直) mm 970960 12001200 14001395 16201620 17301740 20101960 21502150哥林柱内距 mm 620620 750750 910910 10301030 11001100 11801180 13501350哥林柱直径 mm 130 160 180 200 230 250 280 压射力（增压） KN 405 610 665 865 1075 1285 1500 射料行程 mm 500 600 760 800 880 930 960 冲头直径 mm 60,70,80 70,80,90 80,90,100 90,100,110,120 100-140 110-150 130-170 射料量(Mg) KY 1.9,2.55,3.35 2.9,3.7,4.8 4.9,6.3,7.8 6.8,8.4,10.2,12.2 9.3-18.2 11.9-22.1 17.1-29.4 铸造压力(增压) Mpa 144.4,106.1,81.2 158.7,121.5,96132.8,104.9,85136,110,91,76.5 70-137 73-137 66-113 铸造大面积 cm 275,375,490 395,515,655 600,760,940 730,905,1095,1305 910-1785 1165-2190 1769-3030 最大铸造面积(40MPa) cm2 1000 1575 2000 2500 3125 4000 5000 压射位置 mm 0,-175 0,-250 0,-250 0,-300 -160,-320 -175,-350 -175,-3 50 冲头推出距离 mm 200 250 297 300 320 360 400 压室法兰直径 mm 130 165 200 240 240 260 260 压室法兰出定板高度 mm 12 15 20 20 25 25 30 顶出力 KN 180 315 315 500 570 570 650 顶出行程 mm 125 150 180 200 200 250 300 系统工作压力 Mpa 14 14 14 16 14 14 16 电机功率 KW 22 37 37 45 237 245 255 油箱容积 L 800 1000 1200 1500 2500 2600 2800 机器重量 KY 16000 31500 43000 70000 90000 105000 135000 机器尺寸(长宽高) mm 682016502810 820019002880 900021703170 1056035003800 1080032504200 1150040004200 1271043704380 154、镁合金压铸周边设备 镁合金压铸由于在一些方面不同于铝合金压铸，除了压铸主机在一些方面有所特殊要求外，在周边设备上也有一些不同，比如镁合金的熔炉和普通的铝合金熔炉不同，镁合金压铸在大多数情况下要使用模温机，等等。取件机械手、喷雾机械手的配套和使用，可以降低操作者的劳动强度，改善工作环境、提高工作效率。周边设备的使用，也为压铸的自动化生产的实现提供了条件，可以提高压铸生产的自动化生产水平，降低人为因素对压铸工艺的影响。 4.1 镁合金熔炼炉 由于镁合金的熔炼过程中不但要防止氧化，还要具备避免燃烧、爆炸等安全措施，镁合金的熔炼必须在保护的气氛下进行，因此，镁合金压铸需要配备特殊的熔炉，熔炼也是镁合金压铸中的关键环节。对于热室机来说，除了要满足比锌合金温度高的要求外，还要具备输入保护气体的通道以及熔炉的密封机构；冷室机要具备定量供料系统。 热室压铸机用镁合金熔炉 冷室压铸机用镁合金熔炉 4.1.1气体保护装置： 如前所述, 镁合金的熔炼防燃技术有盐类熔剂、抑制性元素、惰性气体等，但现代压铸主要是以反应性气氛为主，这也是镁合金压铸的主流和发展方向。4.1.2气体保护机理： 在空气中很容易被氧化，表面生成 MgO，其致密度系数为 0.79 ，这种疏松的氧化膜不能阻止反应继续进行。当温度超过熔点65 氧化迅速转变为燃烧，并放出大量的热，所以镁合金的保护要点就是隔离镁与氧气的接触，纯净的N2及Ar、Ne 镁化学性质极其活泼，0 时， 16等气体虽然能对镁熔体起到一定的阻燃烧作用，但均不能完成隔绝镁液与周围环境的接触，所以起不到良好的保护效果。 N2与镁发生如下反应： 3Mg+N2=Mg3N2 生成的Mg3N2系粉状化合物，结构疏松，不能进行反应继续进行。Ar、Ne等惰性气体虽SO2 、SF6 三种气体均能起到良好的保护效果，而尤以 SF6 与其他速度很低，这与表面膜中出现了无定型碳密切有关，致密的带有金属光泽的MgS 、MgO复合表面膜，可抑制镁的氧化含SF6 的混合气体发生如下反应： 2(S)+SO2F2(S) MgF2。MgF2的致密系数为 1.6，由 MgO+MgF2组成的的表然不与镁液反应，但不能阻止镁的蒸发，形成一定蒸汽压的镁遇到冷壁会发生反应，所以也不是理想的保护气体。 生产中，常用的是 CO2 、气体按一定比例混合保护效果最佳。 CO2 与镁在高温下发生如下反应： Mg+1/2CO2=MgO+1/2C（无定型） 镁液在干燥、纯净的CO2 中，其氧化这种无定型碳存在于氧化膜的空隙处，提高了镁表面膜的致密度系数，使=1.031.15 。带正电荷的无定型碳，还能强烈地抑制镁离子透过表面膜的扩散运动，故也能抑制镁的氧化。 镁与SO2 的反应如下： 3Mg+SO2=2MgO+MgS 在镁熔体表面生成很薄较。 镁与2Mg(L)+O2=2MgO(S) 2Mg(L)+O2+SF6=2MgF2MgO(S)+SF6=2MgF2(S)+SO2F2 其中主要产物是MgO，也含有少量混合膜变为连续、致密的膜，因而含SF6 的气氛有防止镁合金熔体氧化燃烧的作用。 综上所述，保护气体的阻燃机理主要是气体与镁液反应，在熔体表面生成不同防护作用面膜，这些膜致密度大，能够阻止反应继续进行，也能够阻止镁液的蒸发。其次，这些气体密度大于空气，在一定程度上隔绝镁与氧的反应，如下图所示： 17 4.1.3混气装置 在实际生产中，SF6 常和其他气体混合在一起通入到熔炉，常用的混合方式有：air/SF6 、SF6/N2，air/CO2/SF6，混气装置的作用就是将这些气体精确地按一定比例混合后送入熔炉。 SF6 是一种无色、无味、无毒气体，比空气重 4 倍，具有化学惰性结构，在常温下极稳定，通常将SF6 气体加高压后变成液态，贮存于专用的高压钢瓶中。 实验表明，0.01% 的SF6 浓度即可有效保护镁液，但实际采用的浓度要大，这主要是因为SF6 会与镁液反应和泄漏损失，随着输入浓度含量的增加，液面上方SF6 浓度也增加，但与输入浓度相比，消耗量呈增大趋势。所以镁合金熔炉装置必须有效密封，这样SF6 控制到一定浓度才成为可能。一般 SF6 浓度不宜超过 1%，这时不仅抗氧化效果下降，而且气氛对设备具有严重腐蚀作用。所以保护气体的供应优化是系统设计和操作时的重要任务。混气装置应能精确配比和混合气体成分，保护气体的浓度和数量必须适应熔液表面条件，达到耗气量少，同时做到环保、安全、经济。下图为Rauch 公司镁合金熔炉保护气混气、供气示意图： 18 SF6 和N2通过减压阀和一个流量控制阀，即混合在一起，混合气通过一个流量计分别独立地供应泵室和熔室，泵室和熔室的气体流量可以分别独立调节，还可以通过PLC 对泵室的流量在各个阶段进行控制，比如在注料阶段可加大气体流量，从而更经济、安全地保证气体供应。保护气体在进入熔炉时采用多管道多出口分配，尽量接近液面且分配均匀。现实生产中，这种供气已较为成熟，且SF6 耗量也较低，下面为Rauch 的几种熔炉的保护气耗量： 定量炉 N2耗量约 Nl/h SF6 耗量约 Vo l % 耗量 克/ 吨镁液 MDO 70 400 0.16-0.25 22 MDO 250 700 0.16-0.25 18 MDO 500 800 0.16-0.25 12 MDO 700 1000 0.16-0.25 9 4.1.4存在问题 SF6 在镁合金压铸生产中应用较为普遍，但也存在着一些问题，比如安全、环保等方面，如何解决这些问题，也是镁合金产业面临着的一个课题。 19保护气体可能与设备发生反应，如 SF6 与坩锅反应形成孔状FeF3和Fe2O3,SF6 浓度过高会使坩埚起皮增加，起皮会进一步与镁液发生剧烈反应。 3Mg+Fe2O3=3MgO+2Fe 3Mg+2FeF3=3MgF2+2Fe 此外，反应还可能生成SO2 和SO2F2 ，它们会与水蒸气发生反应，然后被起皮吸收，进一步腐蚀坩埚。温度升高和SF6 浓度增加会使腐蚀加剧，因而应避免纯净的SF6 气体通入坩埚。 SF6 气体虽然无毒，但密度大，如果在车间沉积过多，有可能引起缺氧，产生窒息，所以车间必须注意通风。 SF6 具有很强的吸收长波能力，而且在空气中的滞留时间长，其温室效应较为显著。SO2气体的使用由于其特性（毒性气体）而受到限制，国外在使用 SF6 已开发出一种回收设备，但由于成本昂贵，推广受到一定了限制。因此，开发一种替代SF6 的保护气体也是镁合金产业亟待解决的问题。 4.2 熔化装置 镁合金的熔炉一般采用不含镍（或镍含量很低）的不锈钢焊接或整体铸出，因为镍熔解于镁合金液中，将导致镁合金铸件的抗腐蚀能力大幅降低，坩埚最好有双室设计，把熔室和泵室分开，以免镁液的温度有大的波动，影响产品质量。设计熔炉时，要使镁液表面和与体积比最小，坩埚和盖子之间要很好的配合与密封。 4.3 定量浇注系统 由于镁合金的熔炼是在密闭的条件进行，对于热室机来说，料壶和打料系统也是浸在镁液中，可以实现供料及打料的自动化，对于冷室机来说，则需要定量浇注系统从熔炉中向压铸机压室浇注。目前，已经开发应用的镁合金定量浇注系统有叶轮式、气压式、活塞式等几种。 4.3.1叶轮式 通过叶轮的转动提升镁液，通过输料管定量浇注到压铸机压室，可以改变叶轮的转速及运转时间来实现浇注量的改变。这种镁液泵的定量精度可以达到2%，生产中，还应控制镁液面的稳定，以免引起供料量的波动。这种泵结构简洁实用，操作/ 保养也比较容易，故障率也较低，奥地利劳和公司的镁合金熔炉即采用此种定量泵。 204.3.2活塞式 活塞式定量泵的原理如下图所示，镁液的注料量可以通过调节活塞的行程来调节。这种泵在理论上可以达到较高的精度，但是由于浸在镁液中的部分过多，长期在高温镁液的浸泡下，维修保养不很方便。 图1 启动 图2 吸入准备 图3 吸入 图4 射料准备 图5 射料 4.3.3电磁泵 上图为电磁泵的工作原理图。电磁泵是利用导电流体中的电流和磁场的作用，把电磁推动力直接作用在金属液体上，使之发生定向移动，其运动符合左手定则。电磁泵的流量大小与升液电流、磁感应强度等有关。 电磁泵的特点是没有机械磨损，控制也较为方便。 4.3.4气压泵 21气压泵原理如上图所示，主要结构为一密封泵室，注料时加压的氩气通过一管子进入泵室，泵室下方和熔炉连通的单向阀关闭，气体排开同样体积的镁液进行注料。这种泵的特点是没有机械磨损，故障率低，清理维护简单，在浇注量较大时定量精度较好。 4.4. 其他 （ 三维定位、喂料系统、料壶） 镁合金熔炉为了便于和压铸机连接方式便于生产，还需要一些其他装置，比如用于冷室压铸机的熔炉的三维定位装置，可以实现熔炉的旋转、平移、升降，以方便与压铸机的配套与日常维护、保养。 另外对于镁合金热室压铸机，料壶、钢呤等热作件也是重要的一点，镁合金热室压铸温度一般在630-650 之间，温度远远高于锌合金。热作件工作在高温的镁合金液中，不但要具有良好的高温强度，而且要有耐镁合金液的腐蚀性能。由于工作条件非常恶劣，对所用材料有特殊的要求。镁合金本身化学性质活泼，对热作件材料有腐蚀作用，在生产中又有保护气体的腐蚀，另外其工作温度高，压射速度快等，对热作件材料的高温性能有更高的要求。压铸镁合金熔炉热作件材料的研究成为影响压铸镁合金发展的重要因素之一。之前我国镁合金用热作件材料全部依赖进口，价格昂贵，而且国外厂商对相关技术进行严密封锁，目前，已由清华- 力劲压铸高新技术研究中心成功开发出具有自主知识产权的耐热、耐蚀热作钢，具有优异的高温耐磨性，经过实用，显示出很好的使用性能，性能和寿命达到并超过国外同类产品的水平，价格远低于国外同类产品，使我国的镁合金用热作件材料生产立足于国内，对我国镁合金产品的发展有着重要意义。 镁锭在加入熔炉以前，一定要预热到 150以上，以去除镁锭中的水气，以免加入熔炉时引起爆炸的危险，镁锭预热以后加入还可以避免引起镁液温度大的波动，增加熔化炉的熔化效率，因此，镁合金熔炉要配置保温炉式自动预热装置，还可以连接自动喂料装置，将预热后的镁锭自动加入熔炉中。 224.2 模温机 在压铸生产中维持模具温度的稳定有利于生产节奏的恒定和获得优质的铸件，也有利于延长模具寿命。和铝合金相比，镁合金的热容较小，所以和铝合金压铸中大多数压铸模常常需要水冷不同，镁合金的模具常常需要加热才能满足正常生产，特别是在生产一些薄壁件时，为了加热模具，有的压铸厂常用火枪加热的办法，这种方法对镁合金是不太适用的。因为这样很难使模具的温度均匀，模具的寿命与会因为受到过冷过热的冲击而容易产生裂纹。而且由于镁合金的潜热低，在生产薄壁件时，为了保持好的充填条件和稳定生产，通常要对模具持续地加热以维持模具温度的平衡。在镁合金的压铸中，最理想的加热方式是用模温机来对模具进行加热。 模温机利用高导热性的导热媒质，可以在很短的时间内将热量传递给模具。常用的模温机有两类，一类为热水模温机，一类为热油模温机，由于水的沸点所限，在密封加热的情况下，热水模温机的加热温度最高使用温度也只能达到 140-160 之间，由于镁液遇水会发生激烈的反应引起爆炸，高压冷却水在模具内泄漏有引起爆炸的危险，而且镁合金压铸时模具的温度通常要保持在180 -280 之间，因此，热水模温机在镁合金压铸中很少采用。镁合金压铸时常用的是热油模温机，导热油的沸点较高，使用温度也远高于水，对模具的加热也更均匀恒定，热油模温机的使用温度可以达到300以上。 234.3 取件机械手 取件机械手又称自动取出机，当压铸机压铸完成，开模到位后，通过取件机械手进行铸件的自动化取出并放置在规定的位置上。通过取件机械手与压铸机的联机，可以实现压铸生产的自动化，减轻操作者的劳动强度，减少辅助时间，维持生产节拍的稳定，并可以与切边机等组合，直接将取出压铸件放置在切边机上，进行切边等作业，大大提高生产效率。 取件机械手常用的有两种形式，一种是可以称为工业机器人，如下图所示： 这种机械手的特点是运转灵活、活动范围大，可以通过编程来控制机械手的动作，可以实现较为复杂的动作，并可以实现冷却、切边等复杂动作。定位精度高，重复性好。在一些机型上可以实现取件、喷雾机械手合而为一，简化操作、节省时间，但价格也较贵。 另外一种机械手如下图所示： 24 这种取件机械手结构简单，操作方便，有如下特点： 1 ） 特殊驱动机械，手臂动作平衡、快速。 2 ） 手臂旋回90% ，机械体固定于座板侧面，不影响装拆模具空间。 3 ） 夹臂特殊构造，取出位置点准确，夹径直径可随铸件实际大小调整，三点夹爪夹持稳定可靠，经久耐用。 4 ） 具有防水、防尘、防喷溅设计，使用寿命长。 5 ） 采用空气驱动，可作高速运转，保养简便。 6 ） 制品取出确认检知数，可用开关选择设定。 4.4 自动喷雾机 自动喷雾机是借助于压缩空气将离型剂（又称脱模剂）以雾状方式喷射至压铸模型腔的装置。下图为两种自动喷雾机的外观图，它具体有如下特点： 1 ）喷雾量由时间和流量阀控制，雾化均匀，调整容易。 2 ）压铸型（模）动模喷雾量可个别调整。 3 ）铜管式设计，可自由设定方向，任何复杂型（模）具均可使用。 4 ）铜管座更换容易，铜管数量可随意增减。 5 ）设有单独吹气铜管，可吹干残留离型剂。 6 ）旋回角度为 90o。 7 ）当空气源停止时，上升限位置可自动锁定。 尚富工业股份有限公司生产的自动喷雾机采用的是水性离型剂，使用更安全。 25 自动喷雾机外观图 自动喷雾机外观图 自动喷雾机SS系列规格表 4.5自动压送机 自动压送机具有将离型（脱模）剂快速稀释后自动压送到一台或多台喷雾机的功能，其稀释倍率和压送压力可在一定范围内自由设定。如图所示为尚富工业股份有限公司生产的自动压送机外观图，它具体有如下特点： 1）全自动操作，节省人力。 2）稀释快速，压送量大，压力平稳。 3）稀释倍率容易设定。 264）压送压力（25）x105Pa，可自由设定。 5）压力达到后立即停机，节省能源，寿命长。 6）本体采用不锈钢容器，永不生锈。 7）内部加装漏电断路器，防止漏电危险。 8）离型剂补充警示灯，避免空打。 尚富工业股份有限公司生产的自动压送机主要规格如下表所示。 自动压送机 尚富工业股份有限公司生产的自动压送机主要规格 275、设备安全操作 5.1、镁合金压铸过程中的安全涉及个人防护、熔炼安全、压铸安全。作业者的个人防护是从事镁合金压铸的基本条件，一般情况下，下面的防护装备是镁合金压铸人员的基本保护用品： （1 ） 工作服 （2 ） 安全帽 （3 ） 防护面罩 （4 ） 隔热石棉手套 （5 ） 防火衣裤（耐热 700以上） （6 ） 安全鞋 操作人员在进行作业以前，一定要按上述要求穿戴防护用品，未穿戴防护用品的人员不要靠近作业区域，不能进行操作。 5.2、镁合金的熔炼是生产中的重要环节，也是镁合金压铸中安全的关键环节。炉体最好有双层结构的设计，当内层坩锅破裂时，镁液可流到内外层之间的夹层中，同时报警停止加热，使熔化的镁液不至流到外面造成危险。要经常检查炉子有无锈蚀，如有锈蚀应及时清理坩锅使用前必须经过煤油渗透及X 射线检验，证明没有缺陷才能使用。坩锅每半年至少要吊出炉外全面检查一次，当壁厚为原来一半时，停止使用。小的孔洞及锈蚀可以清理后补焊使用，不过一定要经过检查。镁压铸时熔炉镁液面随加料周期少量升降，液面与坩锅壁面的交界上方受到高温镁液和SF6 保护气体的轮番浸蚀腐蚀，易于发生腐蚀斑坑，应注意定期检查并及时清理补焊；操作中还要注意控制好SF6 的浓度，浓度过高会使坩锅迅速腐蚀。镁锭在投入熔炉前，一定要预热到 150以上, 以便去除湿气，使用的料勺等工具，也要预热到150以上。熔炉旁要备一有盖的装渣箱，从熔炉里面舀出来的料渣。要放到容器内，并马上盖上密封。熔化现场一般要始终保持有一瓶混和保护气，以备突然停电或其它突发事件时急用。 5.3、镁合金压铸生产过程中，最重要的是保持现场的干燥、干净。每次开机前应将模具预热到150以上，喷涂时不要喷涂过多的涂料，以免型腔内积水，引起危险。另外冲头及模具的冷却尽量不要用水冷。冲头的冷却可用风冷，模具的加热及冷却一般用耐高温油。 28镁合金压铸冲头速度也比铝合金压铸的高，为避免飞料伤人，有时在模具上分型面部位加装飞料挡板，压铸时前后安全门一定要关闭，操作者严禁站在分型面上。生产现场的废料必须及时清理，可以装在干燥的不燃容器内。飞料及粉尘也要及时清理。从各国镁压铸工厂以往实际所发生的起火事故来看，50%以上均由镁粉尘、废料的处理如清理和存放问题所导致，部分发生在加工环节，在熔炼环节产生的事故约占10%左右。 5.4、镁合金压铸车间除和普通压铸车间一样要求通风良好外，还对防火、防水有更严格的要求。车间建筑要用不可燃材料建成，地板的材料也要不吸水、耐热。屋顶抽风机不要设置在熔化炉的上方附近，以防漏雨。压铸现场必须清洁，不允许有任何积水、油污存在，并有良好的通风、排气条件。镁合金锭要存放在阴凉、干燥、通风的库房中，熔炼现场不宜存放过多的镁锭。镁合金的水口料、废料也应放在不燃的容器内单独存放。压铸机主机及熔炉的电力、燃料、冷却水、气体等供给应有远端控制，以备意外发生时可以关掉。如果打磨区设置在车间内，一般要配置湿式吸尘器。车间应划出紧急通道并随时保证畅通。 用于镁合金的灭火剂有干沙、覆盖剂、D级灭火器，这些灭火器材应放置在醒目的地方且便于现场紧急使用，干沙及覆盖剂要存放在容器内预防潮湿，并要经常检查。镁合金由于在燃烧时有耀眼的白光， 以及有烟产生，看似可怕，其实镁合金的燃烧热只有汽油的一半。如果是现场有少量的镁燃烧，可迅速铲起，放入集渣箱内盖起，或者转移至空旷地方。如果镁液流散或无法铲起，则迅速洒干沙或覆盖剂覆盖，要均匀地洒在燃烧的镁上。当发现镁合金炉内有白烟时，可加大保护气体SF6 的流量，清理液面的氧化渣，如果仍不能制止，可投入几锭预热过的镁锭，以迅速降低镁液温度。当发现镁液面燃烧时，要迅速关闭加热系统，同时加大保护气体SF6 的流量，并在镁液表面洒入覆盖剂。D级灭火器非在必要时尽量不用，因为其价格昂贵且加压的气体容易把火吹散。炉外的镁合金灭火大多采用干砂覆盖扑灭较好。 镁压铸时熔炉坩锅的腐蚀锈蚀是难以完全避免的，万一发生坩锅破裂泄漏的时处理方法如下：当发现坩锅泄漏时，要沉着，首先要迅速切断电源，然后穿戴防护用具，由泄汤口的流量判断泄漏程度，作出不同的处理。如果泄汤口没有镁液流出，可立即将覆盖剂大量丢入炉中及盛汤皿中，然后用干燥的勺子从炉中舀出一些镁液，接着放入几锭预热过的镁锭，使坩锅内的镁液尽快凝固；如果流出的镁液不多，则立即将覆盖剂大量丢入炉中及盛汤皿中，在盛汤皿尚未满之前尽快用勺子将炉内的镁液舀出一部份，然后连续丢入镁锭，使镁液快速凝固；如果流出的镁量大，这时要立刻打开炉盖丢入大量覆盖剂及镁锭，同时盛汤皿中也要 29放入大量覆盖剂。接着离开现场，从远处观察动静。不过象这样的事故很少发生，关键是要平时按规定做好熔炉的定期的检查及维护，确保防患于未然。 镁合金压铸比锌、铝合金潜在的危险大些，但只要按照正确的操作规范作业，安全问题就不是影响镁合金压铸发展的关键。镁合金压铸生产中的安全要点是保持现场的干燥、干净，严格按照正确的操作规范作业并妥善处理压铸及后加工产生的粉尘、切屑、废料等。使现场作业人员受到良好安全作业训练，并切记不可用水及普通灭火器来扑灭镁合金起火。 307、 劣质镁合金压铸设备危害 镁合金压铸由于镁合金的性质活泼，易燃易爆，对设备的要求也较高，劣质的设备存在着潜在的危险。 压铸作业需将熔化的镁液以70100米/ 秒的速度（浇口处）射入模腔成型。由于熔化的镁液易燃易爆，遇氧气剧烈燃烧，遇水爆炸，遇铁锈、含水份的混凝士、含硅的耐火材料等均会起剧烈的反应，且火灾时难以扑灭。火灾一大不能扑救，故对其压铸成套装备的性能、可靠性、安全性要求极高，劣质的设备是极易造成灾害事故的。在摸索应用的过程中，国内外均发生过很多因设备问题造成的重大安全事故。举例如下： 1998年12 月，日本兵库县一压铸工场发生镁熔炉坩埚破裂泄漏事故，大量镁液流出到机器床身和地面，继而发生大火，工场全部烧毁，多人伤亡。 1999年3 月，日本三重县一工场发生熔融镁液泄漏起火事故，镁液由坩埚腐蚀孔中流出，与炉内隔热耐火材料反应起火，车间烧毁。 1996年至 2001 年间，陕西西北林机厂采用老式普通冷室压铸机和土法简易熔炉生产镁合