[中國鑄造網(wǎng)]續(xù)：鎂合金壓鑄技術(shù)及其應(yīng)用(上)

　　4、鎂合金熔煉作業(yè)與安全生產(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。鎂合金液與大氣中氧、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。鎂合金的熔體保護主要有兩種方法，即熔劑保護和氣體保護。

　　用保護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，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對鎂合金液有保護作用。

　　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，一旦火花與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。

　　5、壓鑄型設(shè)計

　　由于鎂合金的化學、物理參數(shù)及壓鑄特性與鋁合金有很大差異，因此鑄型設(shè)計則不能完全套用鋁合金壓鑄型設(shè)計原則[8]。

　　鎂合金液易氧化燃燒，鑄造時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雜。鎂合金充型時間短，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，導致補縮通道堵塞，產(chǎn)生澆不足的缺陷。鎂合金壓鑄型設(shè)計主要考慮以下幾個方面：

　　(1)壓鑄機選擇。采用何種形式的壓鑄機進行生產(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”問題進行研究的過程中，通過對鎂合金壓鑄經(jīng)濟性、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，以保證薄壁件的充滿，大件則推薦采用冷室壓鑄機。

　　(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)揮壓鑄機最大生產(chǎn)率的先決條件，是正確設(shè)計壓鑄模的依據(jù)。壓鑄時，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、充填時間和壓鑄模溫度等等。由于壓鑄件壁厚和復雜程度的不同，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性對型溫和澆注溫度相當敏感，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。澆注系統(tǒng)對金屬液流動的方向、排氣溢流條件、模具的溫度分布、壓力的傳遞、充填時間的長短及金屬液通過澆道處的速度和流動狀態(tài)等各個方面，起著重要的控制與調(diào)節(jié)作用。澆注系統(tǒng)設(shè)計總結(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20m/s。

　　內(nèi)澆道尺寸：在許多情況下，內(nèi)澆道通過機加工去掉。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。

　　充填時間：它與內(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。充填時間較鋁合金少0%，通常取為10～100ms。

　　溢流槽設(shè)計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]。

　　5、充型過程的研究計算機模擬

　　隨著鎂合金鑄件的應(yīng)用領(lǐng)域日趨廣大，對壓鑄鎂合金的充型性能提出了更高的要求。而目前對壓鑄鎂合金的充型規(guī)律、充型性能與壓鑄工藝參數(shù)的關(guān)系、充型臨界壁厚等了解甚少，因此，亟需進行系統(tǒng)研究。為此，應(yīng)大力開展鎂合金充型及凝固過程的計算機模擬研究，并在此基礎(chǔ)上形成專家系統(tǒng)，以指導壓鑄工藝的制定、壓鑄型設(shè)計、壓鑄件質(zhì)量控制，提高鎂合金壓鑄件的合格率及壓鑄型的使用壽命。

　　數(shù)值模擬軟件在汽車鎂壓鑄件中應(yīng)用最為普遍，德國的一些汽車行業(yè)已經(jīng)成功地模擬了座椅架、觸變成型燃油泵、奧迪5倍速變速箱、車輪、4缸發(fā)動機缸體等汽車用鎂合金壓鑄件，有效地縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，極大增強了企業(yè)市場競爭能力。

　　6、在汽車工業(yè)中的應(yīng)用前景

　　據(jù)文獻報道，現(xiàn)在世界工程構(gòu)件鎂合金需求的98%來自于壓鑄行業(yè)，而其中的70%以上又用于汽車工業(yè)，因此鎂合金的壓鑄工藝性能對其在工業(yè)中應(yīng)用的發(fā)展起著決定性的作用。

　　北美是鎂合金用量最多的地區(qū)，其年發(fā)展速度為30%。著名的汽車公司如福特、通用和克萊斯勒等公司在過去的十幾年里一直致力于新型鎂合金和鎂合金離合器殼體、轉(zhuǎn)向柱架、進氣歧管及照明夾持器等汽車零部件的開發(fā)與應(yīng)用。1996年政府能源部與通用、福特和克萊斯勒三大集團簽署了一項名為“PNGV”(新一代交通工具)的合作計劃，該計劃的目的在于生產(chǎn)出符合市場要求的節(jié)能轎車。通用汽車公司于1997年成功地開發(fā)出鎂合金汽車輪轂，并且與世界最大的鎂生產(chǎn)與加工公司——Hydro公司簽定了應(yīng)用鎂合金壓鑄件的協(xié)議；威斯康辛Lindberg觸變成形發(fā)展中心對鎂合金壓鑄技術(shù)進行了創(chuàng)新，采用半固態(tài)壓鑄技術(shù)生產(chǎn)出鎂合金賽車離合器片與汽車傳動零件。歐洲的鎂合金用量僅次于北美，其年發(fā)展速度為60%。著名的奔馳汽車公司最早將鎂合金壓鑄件應(yīng)用于汽車座支架，奧迪汽車公司第一個推出鎂合金壓鑄汽車儀表板，可以說德國是推動鎂合金壓鑄發(fā)展的先驅(qū)與主力軍。1997年，德國又由聯(lián)邦科技教育部(BMBF)牽頭，聯(lián)合大眾汽車公司等50余家企業(yè)和慕尼黑工業(yè)大學等6所大學及研究所，投資2500萬馬克進行了一項為期3年的“MADICA”(鎂合金壓鑄)發(fā)展項目。豐田汽車公司首先制造出鎂合金汽車輪轂、轉(zhuǎn)向軸系統(tǒng)、凸輪罩等零部件；三菱公司與澳大利亞工業(yè)科技部合作，開發(fā)出超輕量鎂合金發(fā)動機。目前，日本的各家汽車公司都生產(chǎn)和應(yīng)用了大量的鎂合金殼體類壓鑄件。圖1是1991～2006年世界各地區(qū)鎂合金壓鑄件需求量情況。圖2是1997年世界上鎂合金用量最大的10家汽車公司。

　　近年來，人類對汽車提出了進一步減輕重量、降低燃耗和排放、提高駕駛安全性和舒適性的要求，由于鎂比鋼材輕75%，用鎂合金壓鑄件取代鋼件可使轎車單重減少10%，而車體重量每減少100kg則百公里油耗可減少0.7，因此汽車用鎂合金壓鑄件產(chǎn)量在工業(yè)發(fā)達國家出現(xiàn)了持續(xù)快速增長的勢頭。福特汽車公司的目標是力爭幾年后中型車百公里油耗少到3升；目前AudiA6轎車的單車鎂合金壓鑄件總重已達14.2kg。其未來目標是將單車鎂合金壓鑄件總重增加到50～80kg。日本三菱鋁業(yè)公司正與澳大利亞工業(yè)科技部合作開發(fā)一種超輕質(zhì)量的鎂發(fā)動機。

　　目前，轎車上采用鎂合金的部件有座椅上一些部件、膝墊、轉(zhuǎn)向柱部件、轉(zhuǎn)向盤、制動與離合器踏板托架、安全氣囊限制裝置、踏板托架、轎車音響小的散熱器框架、鏡托架以及可開式車頂?shù)囊恍┎考?；轎車發(fā)動機中的發(fā)動機機體、氣缸蓋、進氣管、油泵殼體、輔助裝置的支架以及電器接線裝置；還有變速箱、離合器殼體、轉(zhuǎn)向盤.柱、閥蓋、閥板、車窗、馬達殼體、油濾接頭、進氣歧管、鏡罩、大燈保持架、制動防抱死系統(tǒng)的托架、車輪、油箱門。未來的發(fā)展中，在一些大型壓鑄件上，也將拓展它的應(yīng)用，如車頂、發(fā)動機蓋、后艙蓋、內(nèi)門板框架、儀表板等。其它的如需要安全及高斷裂韌性的零部件，也將是鎂合金拓展應(yīng)用的領(lǐng)域，如座椅框架、轉(zhuǎn)向柱、車身保護板、發(fā)動機前的散熱器格柵加強板及一些車身結(jié)構(gòu)支撐件。目前，我國汽車上使用鎂壓鑄件只有桑塔納轎車的變速器箱體和箱蓋。

　　汽車在向著更安全、更輕便、更省材與更節(jié)能、環(huán)境污染更輕、更舒適的方向發(fā)展，要求對汽車采用新的概念設(shè)計，這為鎂合金在汽車工業(yè)中的應(yīng)用開僻了更加廣闊的領(lǐng)域。鎂合金壓鑄件在汽車中的應(yīng)用量將隨著汽車產(chǎn)量的逐漸增長而以更快的速度上升。

　　7、結(jié)語

　　鎂合金壓鑄是一個集設(shè)計、制造與研究于一體的系統(tǒng)工程，鎂合金壓鑄工作者與從事鋅、鋁合金壓鑄的人員相比，應(yīng)具有更全面的知識、經(jīng)驗和研究開發(fā)能力。

　　汽車用鎂合金主要是壓鑄類產(chǎn)品，采用鎂壓鑄件使汽車質(zhì)量減輕，耗油量減少，排出廢氣減少；且鎂合金壓鑄件具有降噪減振性能和鑄造精度高等優(yōu)點，綜合經(jīng)濟效益好，是汽車輕量化最有希望的重要材料，具有廣闊的應(yīng)用前景。

　　我國是鎂資源極其豐富的國家，但由于目前我國在鎂合金壓鑄技術(shù)和應(yīng)用方面處于落后地位，鎂資源大部分以初級產(chǎn)品形式出口國外，鎂的出口生產(chǎn)量遠大于國內(nèi)消費量。隨著國內(nèi)汽車工業(yè)及計算機、信息、通訊、儀表、航空航天等產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展,我國的鎂合金壓鑄工業(yè)也必將在強手如林的世界市場上占有一席之地。