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镁合金压铸技术

CompanyDocumentnumber：

WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998

镁合金压铸技术

黎前虎陈继斌

（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，后加工技术及制品之表面处理研究，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。

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。

1、压铸镁合金材料

镁合金化元素

镁合金的铸造性能

压铸镁合金的实际应用

2、镁合金防燃技术

镁合金熔体表面燃烧机制

致密度系数的影响

表面防燃技术

现有防燃技术的比较

3、镁合金压铸机

、镁合金热室压铸机

、镁合金卧式冷室压铸机

4、镁合金压铸周边设备

镁合金熔炼炉

模温机

取件机械手

自动喷雾机

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

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，从而显着地节省能耗，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。

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着低于铝合金液。

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着提高镁的机械性能，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着下降的特点，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℃以上时其强度显着下降。

为改善合金在150℃以上的抗蠕变能力，现已开发了AS41A合金（%Al,1%硅，%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用合金的名义成分和性能。

表1压铸镁合金的成分及性能

合金

元素组成%

室温拉伸性能

Cumax

Nimax

总量

抗拉强度

MPa

屈服强度

MPa

伸长率

AZ91D

50A

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=275Tal=

即充填同一铸型镁合金所需时间公为铝合金的65%。

表二铝镁的热焓

材料

比热卡/cm3℃

融化热卡/cm3℃

245

158

工作温度℃

630

推出温度℃

380

340

工作温度到推出温度热焓卡/cm3℃

400

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=RemRe=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=*10-6m2/SVm=*10-6m2/S

代入等式得：

Wm=Wa*Wm=

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

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，而镁-钢之间仅为。

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。

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

镁合金熔体表面燃烧机制

和氧及氧化物的反应

——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

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。

Al的致密度系数是。

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。

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，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，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%，否则铸件倾向。

不量Ca，小于%，可以延缓镁的燃烧反应，但超过%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。

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。

（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。

、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

DC160M镁合金热室压铸机

、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4～5m/s提高到6～10m/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350～900mm，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。

11）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。

IMPRESS-M系列技术参数

项目

单位

DCC400

DCC630

DCC800

DCC1000

DCC1250

DCC1600

DCC2000

锁模力

4000

6300

8000

10000

12500

16000

20000

锁模行程

550

650

760

880

1000

1200

1400

模具厚度（最小-最大）

300-750

350-900

400-950

450-1150

450-1180

500-1400

650-1600

模板尺寸（水平×垂直）

970×960

1200×1200

1400×1395

1620×1620

1730×1740

2010×1960

2150×2150

哥林柱内距

620×620

750×750

910×910

1030×1030

1100×1100

1180×1180

1350×1350

哥林柱直径

130

160

180

200

230

250

280

压射力（增压）

405

610

665

865

1075

1285

1500

射料行程

500

600

760

800

880

930

960

冲头直径

60,70,80

70,80,90

80,90,100

90,100,110,120

100-140

110-150

130-170

射料量（Mg）

铸造压力（增压）

Mpa

,96

,85

136,110,91,

70-137

73-137

66-113

铸造大面积

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

0,-175

0,-250

0,-300

-160,-320

-175,-350

冲头推出距离

200

250

297

300

320

360

400

压室法兰直径

130

165

200

240

260

压室法兰出定板高度

顶出力

180

315

500

570

650

顶出行程

125

150

180

200

250

300

系统工作压力

Mpa

电机功率

2×37

2×45

2×55

油箱容积

800

1000

1200

1500

2500

2600

2800

机器重量

16000

31500

43000

70000

90000

105000

135000

机器尺寸（长×宽×高）

6820×1650×2810

8200×1900×2880

9000×2170×3170

10560×3500×3800

10800×3250×4200

11500×4000×4200

12710×4370×4380

4、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。

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：

镁化学性质极其活泼，在空气中很容易被氧化，表面生成MgO，其致密度系数为，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650℃时，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等惰性气体虽然不与镁液反

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