（材料加工工程专业论文）za84镁合金压铸工艺及组织性能的研究.pdf

z a 8 4 镁合金压铸工艺及组织性能的研究 摘要 压铸是最常用的汽车零件成型方法，具有生产效率高、产品表面质量好等优点。 z a 8 4 镁合金是m g i a j z n 三元合金中性能较好的成分组合，其高温力学性能优于常用的 a z 9 1 合金，有望用于使用温度高于1 2 0 的汽车零部件上。然而，目前有关z a 8 4 合金 压铸工艺和性能方面的研究很少。因此，开展z a 8 4 镁合金压铸工艺和性能的研究具有 很大的实际应用价值。 本论文采用冷室压铸机，开展了z a 8 4 镁合金压铸工艺的研究，考察了压射速度、 压射比压、浇注温度和模具温度对铸件的表面质量、力学性能和微观组织的影响。在此 基础上，考察了s n 含量( 啦1 5 m 鹊s ) 对z a 8 4 合金相组成、显微组织、力学性能和热稳 定性的影响。实验得到了如下结果： 与慢压射相比，在其他工艺参数相同的情况下，快压射条件下合金可获得更好 的力学性能；随着压射比压的增加，z a 8 4 压铸件密度增加，显微组织细化，从而力学 性能得到提高；随着浇注温度的升高，z a 8 4 合金压铸件密度出现降低的趋势，其力学 性能的变化趋势是先升高而后降低；在模具温度为1 2 0 ，z a 8 4 合金压铸件密度最大， 随着模具温度升高，其抗拉强度与硬度都有所增加，延伸率先增加而后略有降低。 z a 8 4 合金优化工艺参数依次为；压射速度为快压射，压射比压为6 0 m p a ，浇注 温度为6 9 0 1 0 ，模具温度为1 7 0 1 0 。 z a 8 4 合金由口- m g 、m 9 3 2 ( a l ，z n ) 4 9 和m g z n 三相组成，加s n 后z a 8 4 合金 由口一m g 、m 9 3 2 ( a l ，z n ) 4 9 、m g z n 和m 9 2 s n 四相组成，s n 的加入有抑制m g z n 生 成和促进m 9 3 2 ( a l ，z n ) 4 9 相析出的作用。 s n 合金化z a 8 4 合金中存在细小m 9 2 s n 颗粒相，在晶界和晶内分布，且随 着s n 含量增加，m 9 2 s n 相数量增多，尺寸变大。 s n 合金化z a 8 4 合金的强度随着s n 含量的增加呈现先增加后降低的趋势， 在s n 含量为l m 硒s 时z a 8 4 合金力学性能最好。 z a 8 4 + 1 o s n 合金退火后的组织无明显变化，其退火后硬度略有下降，但与z a 8 4 合金退火后硬度下降相比，其变化不那么明显，故加s n 后z a 8 4 合金的热稳定性得到 提高。 关键词：镁合金；压铸工艺；显微组织；力学性能 硕士学位论文 a b s t r a c t d i ec a s t i n 岛c t l a 】c a c t e r i s t i c so f h i g hp r o d u c t i o ne m c i e n c y ，9 0 0 dp r o d u c tq u a l 时觚d 啦i s 位m o s t 晰d e l yu s e dm e t h o df o rm e 白b r i c a t i o no fc o m p o m m si n 卸协m o b i l e s z a 8 4 m a g n e s i 唧a l l o y 主sak 肚盱c o m p o s i 虹0 no f g o o dm e c h a l l i c a lp r o p e n i e s 锄gt h em g - a l - z n t e ：m a r ) ，s y s t e l 玛、) v i t hi 招t i i g h t c m p e r a t l l m c c l l a m c a lp r o p e r t i e s 刘p e r i o rt oc o n v e m i o n a l a z 9 1a l l o y ，a n di ti sd e s i 瑚【b l et of i n da p p l i c a t i o n si nt l ：峙c 咖p o n 朗t so f a u t o m o b i l e s 谢t t i 吐呛 涮啊c et e l n p e m t u 佗l l i 曲盯t h 锄1 2 0 h o w w t l l 啪h 嬲b n 脚s n l d i e s 蚰d i ec a s t i n g 弘o c e s s 锄dm e c h a 面c a lp f o p e n i e so fz a 8 4 啪孕圮s i 眦a l l o yu pt on o w t h 盯舭，i ti so f g a ts i 咖f h c et od e v e l o pt h e 叩d m i z e dd i ec 枷i 唱p r o c e 鹞o fz a 8 4a l i o y 锄di n v e s t i g a ：c e t 1 1 ee 丘b c t so fa l l o y i n g i t sm e c h a n i c a lp p 硎e s m ed i ec a s t i n g 乒o c e 豁o fz a 8 4a l l o yw 嬲d c 、，e l o p e do nac o l dc h a m b c rd i ec a s t i i l g m a c l l i t h ee 丘b c t so fi 巧e c t i o nv e l o c i 魄i n j e c d o np 佗s s u r e ，p o i l r i n gt e i l l p t 班咖r e 锄dm o l d t 锄肼相t l l r c t h c 绷d h c eq u a l i 劬m i 啪s m l c t i l ma n dm e c h a l l i c a l 御e n i e so fz a 8 4d i e c a s t i n gw e 糟i n v e s t i g a ：c c d a c c o r d i i l gt ot h eo p 陆i z c dd i ec 删n gp r o c c s s ，t h ed f b c t so fm c c t c i l to fs no nt h ep h a c o n s t i 枷。邶，m i c r o 蚰m c t i l m ，m e c l l a m c a lp l q 删嚣锄dt l l e 咖a l s t a _ b i l 毋o f z a 8 4a l l o yw 盱es t i l d i e d 1 h ee x 耐m 吼t a l 他刚t sd 锄咄_ 打a ：t c dt i l a l ： d i ec a s t i i l g sw i t l l 蠡s ti n j e c t i p o s s 辩ds u p 甜o rm e c h a l l i c a lp 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t l l ez a 8 4m a 驴e s i 啪a l l o y z a 8 4a l l o y 啪sc o m p 0 do f 口m g ，m 9 3 2 ( a l ，z n ) 4 9 姐dm g z n ，w 1 1 i l et 1 1 ea l l o y c o n t a i n i n gs nw 鹤伽p o s e do ff o l j rp h a 辩si e 口一m g ，m 9 3 2 ( a l ，z n ) 4 9 ，m g z n 觚d m 9 2 s n 1 1 l ea d d i 缸o no fs np l a y e dar o l e i l l p r o h i b i 虹n gt h ef o i m a l i o no fm g 动觚d c e l e r a t i n gt l l ep r e c i p i 协t i o no fm 9 3 2 ( a l ，z n ) 4 9 t h ef i n e ，d i s p e r s e dm 臣s np a n i c l e s w e r ed i s t r i b u t e db o t ha tt h eg r a i nb o u n d a r y 觚di nt h eg m i n ，t h ea m o u n to fw h i c h m z a 8 4 镁合金压铸工艺及组织性能的研究 i n c r e a s e da st h ec o m e n to fs ni n c r e a s e d w i t ht h cc o n t e n to fs ni n c r e a s i n g ，t h es t r e n g t ho fz a 8 4a l l o yi n c a s e da t f i r s t 趾dt h e nd e c r c a s e d t h ea l l o y c o n t a i n i n g 1 m a s s s np o s s e s s e dt h eb e s t m e c h a n i c a lp m p e n i e s m i c r o s h 咖o fz a 8 4 + 1 o s na l l o yh a v e l i t t e c h 觚g e 曲所b c i n g 趾n e a l e d ， l l a r d n c 鹦d e c r 船s e dal i n l e ，b mc 伽1 p a r e dt ot l 圮z a 8 4a l l o y ，t t 坨c h 觚g ei s n t o b “o 啦s o i t i s 9 0 0 d t oh e a t - s t a b i l i t ) r o f t l l e z a “a l l o y b y a d d i n g s n k e ，w o r d ：m a 印e s i 啪a l l o y ；d i ec a s t i n gp r o c e s s ；m i c m 曲1 | c t u ；m e c l l a l l i c a ip r o p e r i y 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 纠孝产每 l0 日期：加6 年哕月以日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 炼 阮 日期：以年吵月0 1 日 日期：厶积年矿月6 乙日 硕士学位论文 1 1 研究背景 第l 章绪论 镁及镁合金是目前工业上可应用的密度最低的金属结构材料。镁合金因比强度 和比刚度高、机加工性能好、减振和降噪性能好、可回收和对环境无污染等特点 而在汽车、电子、航空航天、国防军工等领域应用非常广泛。 近年来，出于环保和节能要求，汽车轻量化的呼声越来越高，汽车制造商们 纷纷把目光投向镁合金。据估计，汽车每减重l o o k g ，则油耗降低5 ；如果全球 生产的汽车每辆使用7 0 k g 镁，则全球的c 0 2 年排放量将减少3 0 以上【1 1 。目前， 镁合金在汽车领域的应用主要有发动机和传动系统的壳体类零件，以及包括座椅 零件、仪表盘、踏板托架和转向盘柱等在内的车内部件。绝大多数零部件都是采 用a z 9 l 和a m 6 0 合金制造。此外，镁合金在汽车较大的整体部件如发动机罩、 后备行李箱盖、车顶板、车体加强板、内侧车门框架和后部车厢隔板，甚至是发 动机气缸体等上具有很大的应用潜力，其中许多部件已经在进行开发甚至开始使 用。 随着现代电子技术的发展，人们对电子器件用结构材料和部件的性能提出了 越来越高的要求。镁及镁合金部件因结构重量轻、散热性好和电磁屏蔽能力强等 优点而在电子及家用电器产品上具有广阔的应用前景。特别是个人电脑、移动电 话等使用时会发出高频电磁波，电磁波一旦穿过机体外壳，则会导致干扰信号并 降低运算和通讯质量；此外，它还会对人体健康造成危害。因此，镁合金已广泛 应用于移动电话等电子产品上。许多情况下，镁及镁合金是制造电子器件壳体的 理想材料，可以替代难以回收利用的工程塑料，其回收利用费用只占新料成本的4 左右1 2 1 。 镁会金在航空航天和国防军工领域中的减重效果非常好。目前，其主要应用 有飞行器机身及其发动机、起落轮、火箭、导弹及其发射架、卫星和探测器、旋 转罗盘、电磁套罩、雷达和电子装置以及地面控制装置等的设计和制造等。由于 航空航天和国防军工领域对镁合金的力学性能、高温性能和抗蚀性要求较高，从 而应用较多的合金有a z 9 1 e 、z e 4 l 、q e 2 2 、e q 2 l 、e z 3 3 和w e 4 3 等。 我国目前在镁工业方面拥有三项世界之最。第一是镁资源大国，储量居世界 首位；第二是原镁生产大国，2 0 0 3 年我国共生产原镁3 5 4 万吨，约占全球总产量 的6 7 ；第三是出口大国，年产量8 0 以上的镁出口到国际市场。但是尽管如此， 我国的镁工业还存在着不少的问题，主要表现在：1 ) 原镁生产技术比较落后，质 量不够稳定，镁锭中的夹杂物和有害元素含量大大超标，难以满足压铸、板材轧 z a 8 4 镁合金压铸t 艺及组织性能的研究 制和冲压等高端产品的生产需求；2 ) 出口的产品绝大多数是廉价的纯镁锭，镁合 金出口比重只有1 5 左右，镁合金制品出口则更是微乎其微。因此，出口利润低 效益差，而对于军工生产所需求的高性能镁合金板材和型材还需要从俄罗斯进口； 3 ) 原创性的研究成果缺乏，目前出口的所有镁合金锭几乎全部按照国外的牌号生 产，而且在镁合金产品加工中关键技术和装备大部分依靠进口【3 】。 目前镁合金常用的成形方法有压铸、半固态铸造、挤压铸造、挤压、轧制等， 其中，镁合金产品的8 0 是通过铸造方法获得，而其中9 3 的铸件又是通过压铸 工艺生产的”l ，因此镁合金压铸技术的研究是全世界各国研究重点与热点。目前 镁合金压铸方面主要存在如下几个问题：( 1 ) 镁合金熔炼的问题，由于镁合金极易 氧化，与其他合金相比，镁合金在熔炼时必须进行熔体保护，但是使用固体保护 熔剂通常会带来如下的问题【5 1 ：氯盐和氟盐高温下易挥发产生有毒气体。由 于熔剂的密度较大，部分熔剂会随同镁液混入铸型造成“熔剂夹杂”。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。( 2 ) 镁合金压铸技术问题：由于镁合金铸造性能如流动性对 铸型温度和浇注温度相当敏感，在充型过程中镁合金极易凝固，必须精确控制铸 型温和浇注温度，否则就易出废品，因此对压铸机、模具及操作人员提出了更高 的要求。现在国内及国外都有专门镁合金压铸机，但是在压铸工艺及模具设计这 方面还没有比较成熟的经验，还有必要深入的研究。( 3 ) 镁合金压铸件的质量问 题，质量问题主要表现在如下方面：强度不够高、耐蚀性差及高温使用性能明显 下降。目前常用的a z 及a m 两个系列的镁合金在1 5 0 以上强度均明显下降，最 近研究开发的a s 及a e 系列的镁合金对高温性能有所改善，但是效果并不明显， 加之其铸造性能比a s 和a e 差，成本高，应用和生产受到一定的限制。因此，研 究和开发具有高强度和良好的高温性能的新型压铸镁合金也是镁合金研究的一个 重点。( 4 ) 压铸镁合金的回收问题。 虽然镁合金具有比强度高、减震性和切削加工性好等一系列优点，但是常规 镁合金的高温强度低和抗蚀性差一直是限制镁合金扩大应用范围的障碍。m g a l 系合金是目前应用最为广泛的镁合金。然而，m g a l 系合金中存在p m g l 7 a 1 1 2 相， 其熔点仅为4 6 0 ，当温度高于1 2 0 1 3 0 时，晶界处p m g l 7 a l l 2 相开始软化并 粗化，不能起到钉扎晶界和抑制高温晶界滑移的作用，从而导致合金的持久强度 和抗蠕变性能急剧下降。因此，m g a l 系合金不能用于温度高于1 2 0 的场合【4 】。 图1 1 为几种工业镁合金的蠕变性能比较。w e 5 4 t 6 合金的抗蠕变性最好，而 a z 8 1 t 4 合金的抗蠕变性最差。w e 5 4 和w e 4 3 等合金具有优良的高温性能，可 以在3 0 0 以下的环境中使用，但是出于成本原因只能应用于军工和航空航天领 域。常规镁合金如a z 8 0 因使用温度低于1 2 0 而不能用于制造汽车上最具减重潜 力的零部件如发动机部件和传动部件等( 使用温度在1 5 0 以上) ，这大大地限制 2 硕士学位论文 了镁合金在汽车工业中的应用。因此，针对汽车工业开发低成本高温镁合金成为 了近年来材料科学研究领域的一大热点。 观翻埘觎铂册 q e 五- t 6 z 跏乃昭1 t 4 图1 1 几种工业镁合金的蠕变性能( 2 ，1 h ) 【6 】 1 2 压铸镁合金的研究现状及发展趋势 1 2 1 国内外研究现状 镁合金压铸是随着汽车工业的发展而发展起来的，促进增长的原因来自予汽车轻量 化、节能化、环保、更安全、更舒适的要求，其始于2 0 世纪2 0 年代中期德国【刀。在 1 9 2 7 1 9 3 0 年，镁合金在一辆汽车的用量已达到7 3 k g ，但由于镁合金熔炼及生产工艺 不成熟，致使镁合金生产发展比较迟缓，到了2 0 世纪8 0 年代后，北美国家的一些汽车 生产商为了减轻汽车的净重量，达到平均燃油标准，采用镁合金生产离合器壳体、进气 岐管等部件，取得了明显的效果。这样使得一些企业开始投入大量的人力、物力进行研 究，并将研究成果及时付诸生产，这大大提高了镁合金的发展速度。 由于镁合金在应用中显示出了巨大的优势，1 9 9 6 年美国政府能源部与通用、福特 和克莱斯勒三大集团签署了一项名为“p n g v ”( 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。政府的这一行为极大地促进了镁合金压 铸件的开发与应用。1 9 9 5 年前后，加拿大联邦政府魁贝克省与“h y d r o ”公司共同投资 1 1 4 0 万元成立了一个新的镁研究中心，其宗旨是通过优化设计、工艺和材质，获得具 有优良性能的镁合金压铸零部件，从而进一步拓展镁合金的应用。与此同时，日本的三 菱、丰田等汽车公司也都在大量使用和生产镁合金压铸件，松下公司开发了镁合金压铸 新型电脑外壳，索尼公司用镁合金压铸制造摄像机外壳。据国际镁业协会资料介绍，从 1 9 9 6 2 0 0 0 年镁合金压铸产量正以每年1 5 也o 的速度增长。目前，欧洲正在使用和正 处于研制阶段的镁基合金汽车压铸件至少超过6 0 种，如汽车仪表盘、进气歧管、汽车 座架等。常用的镁合金有a z 9 l d 、a m 6 0 b 、a m 5 0 b 、a s 2 l 、a s 4 l b 和a e 4 2 等，其 瑚坳m埘瑚萄o ld苫、倒嘎蹬啦 z a 8 4 镁合金压铸下艺及组织性能的研究 中a z 9 1 d 由于有良好的铸造性能、良好的力学性能及物理性能，成为目前使用最多的 镁合金。美国在1 9 4 8 1 9 6 2 年的1 0 余年间仅用热室压铸机生产的汽车用镁合金压铸件 数量既达数百万件，2 0 0 0 年年产量将达到7 2 万j 。 我国镁合金压铸起始于2 0 世纪6 0 年代未和2 0 世纪7 0 年代初，当时从事镁合金压 铸研究的单位主要是西北林业机械厂、西北工业大学和上海航海仪表厂等少数几个单 位，也成功生产出了用于航海和林业机械的l o 来个镁合金压铸件，我国汽车工业起步 晚、发展较慢，且不少车型的知识产权属于外国所有，零件设计无权变动，因此对镁合 金压铸件的需求当时并不迫切。改革开放后，随着我国汽车工业、电子通讯工业的飞速 发展，对镁合金压铸件的需求与日俱增，目前全国已有十几家工厂在从事镁合金压铸件 生产和研究。主要有上海乾通汽车附件有限公司引用德国技术，生产镁合金变速壳体、 壳盖压铸件，为上海大众汽车有限公司配套，所生产的3 3 0 变速壳体被评为2 0 0 0 年在 上海召开的“第二届中国国际压铸会议及展览会”金奖压铸件之一；南京华宏( 集团) 有限公司压铸厂在生产微型汽车镁合金变速箱压铸件：贵州息烽压铸件厂，深圳、东莞 等数家工厂在生产笔记本电脑外壳、手机外壳镁合金压铸件等。 1 2 2 我国发展压铸镁合金的优势与前景 ( 1 ) 我国镁储藏量居世界第一，出口量居世界第二，且能生产出高品质的镁合金。 因此，我国镁合金压铸的发展有可靠的原料来源，而且目前我国的镁铝价格比已经小于 1 4 【9 】，进行镁合金零部件的生产优势已大于铝合金，在原材料成本上有极大的优势。 ( 2 ) 2 1 世纪的压铸工业，轻合金仍将占重要地位，镁合金在汽车零部件制造中将继 续大显身手，并向覆盖件、发动机零件等大型零件和结构件进军，而在航空、航天、电 子工业、通讯等行业也将发挥其巨大的作用和潜力。 ( 3 ) 进入2 0 世纪9 0 年代，我国汽车、航空、航天、电子、通讯等行业有了很大发展， 随着中国加入w 1 o ，市场将进一步开放，汽车、电子、通讯等行业亦会有更大的发展， 镁合金压铸件发展潜力很大。 ( 4 ) 我国拥有一批造诣很深的压铸专家、学者和经验丰富的企业家，近年来已形成 一套镁合金开发和应用体系。1 9 9 9 年清华大学与香港力劲机械厂联手创立了“清华一力 劲压铸高新技术研究中心”，开始自行设计、制造镁合金压铸机，实现进口镁合金压铸 设备国产化。 1 2 3 镁合金压铸还需解决的问题 1 2 3 1 镁合金的熔体保护 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a 值仅 为o 7 9 ，不能防止合金继续氧化。镁合金液与大气中氧气、水蒸气、氮气反应生成不 熔于镁液的难熔的m 9 0 、m 岛n 2 等化合物，混入铸型后即形成“氧化夹渣”。因此， 4 硕士学位论文 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。目前，国内外常使用的保护熔剂是商品化的l u 系列熔剂。其中，用得最广泛的 i u 一2 熔剂的组分主要为氯盐和氟盐【埘。用保护熔剂熔炼通常会带来以下问题：氯 盐和氟盐高温下易挥发产生有毒气体，如h c l 、c 1 2 、h f 等。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” 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。因此， 寻找氯盐和氟盐的代用材料或减少氯盐和氟盐的使用量，减少污染，提高保护效果， 是开发镁合金熔炼保护熔剂的努力目标。自2 0 世纪6 0 年代以来，一些专家学者开始寻 找气体保护剂。通过大量实验，人们发现对镁合金液有一定保护作用的气体有s f 6 、 b f 3 、c f 4 和c 0 2 等。通过进一步研究，s f 6 的保护性能较好，使用s f 6 存在的问题主 要是用量的控制问题，生产中如何根据熔炼保护状态自动调节s f 6 的压力、流量，达 到既有利于保护，又减少s f 6 用量的目的，仍是s f 6 气体保护正在有待深入研究的课题 ”“。目前，一些研究者正在从事具有阻燃特性且性能接近现有镁合金的阻燃镁合金研 究。这一研究一旦获得成功，则镁合金就能像铝合金一样熔炼和铸造，获得更为广泛 的应用前景。 1 2 3 2 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贝i j 。由于目前实际应用的镁合金种类很少，镁合金压铸 型的研究亦未引起重视。随着压铸镁合金种类和数量的日益增多，研制开发成本较低的 压铸型材料，加工工艺、制定压铸型设计原则将成为2 l 世纪镁合金压铸不可忽视的一个 课题。 1 2 3 3 充型过程的研究 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。 1 2 3 4 计算机模拟 鉴于镁合金压铸理论尚未成熟，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。 1 2 4 镁合金压铸技术的发展趋势 镁合金压铸方式以传统的热室和冷室压铸为主。挤压铸造则多用于镁合金基复 合材料。传统的压铸技术使镁合金液高速的紊流和弥散状态冲填压铸型腔，使腔 5 z a 8 4 镁合金压铸t 艺及组织性能的研究 内气体无法排出，形成高压微孔或溶在合金内，这些气孔在高温下析出或膨胀导 致铸件变形和表面鼓包，因此采用传统的压铸方法生产的镁合金压铸件，不能进 行热处理强化，也不能在较高的温度下使用。为了消除这些缺陷，提高压铸件的 内在质量扩大压铸技术的使用范围，专家们近些年来研究开发了一些新的压铸 技术方法：如真空压铸法，充氧压铸法和半固态压铸等。这些新技术在消除镁合 金压铸件的铸造缺陷，提高其力学性能及表面和内在质量均取得良好的效果。 1 2 4 1 真空压铸技术 真空压铸是在压铸过程中抽除型内的气体，以消除或减少在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。真空压铸镁合金铸件的最小壁厚为1 5 2 o m m 。真空度小于等于8 0k p a ，冲头速度最大达1 0 l r i s ，充型时间2 0 3 0i i l s ，铸件强 度可提高l o 以上，韧性提高2 0 5 0 。目前人们已成功地用真空压铸法生产出来镁 合金汽车轮廓和方向盘【1 2 j 。 1 2 4 2 充氧压铸技术 充氧压铸又称为无气孔压铸( p r o b f r e ed i h a s t n gp r 0 c e s s ) 。该法在充 型前将氧气或其他活性气体充入型腔以置换型内的空气，充型时，活性气体与金属液反 应生成弥撒分布的金属氧化物，达到强化的目的【1 3 j 。 i 2 4 3 半固态触变压铸技术 半固态触变压铸技术的优点是镁合金锭坯不需完全熔化，节省能源；充型时不易 产生飞边；金属浆料温度低，铸型寿命长；不需要用s f 6 作为保护气体，环境污染少、 充型平稳、无金属喷溅，金属液氧化损失少，减少铸件内孔洞类缺陷。生产过程安全性 高。1 9 9 8 年l o 月，道化学公司宣布开发了一种半固态金属镁成型技术，该技术称为“触 变铸造”m i x o f n o l d i i l 蓟。镁触变铸造是一种一步成型生产最终产品的新工艺，该工艺 不采用熔融过程和传统的铸造工艺过程，它将传统的压铸技术与塑料注射成型技术结合 起来，因而无须熔化设备，并避免了镁合金熔化的危险性，可用于解决传统压铸技术不 能解决的镁合金应用问题。半固态触变压铸技术另一优点是减少镁铸件在型内的收缩 率，减少了铸件的脱型阻力，提高了铸件的尺寸精度，目前已生产出来的镁合金半固态 压铸件有汽车的传动器壳体盖、点火器壳体等，所采用的合金是a z 9 1 d 。与日、美等国 家相比，虽然我国是世界上最大的产镁国之一，但我国在s s p ( 半固态成型技术) 的研究 与应用领域还有相当大的差距【1 4 1 。 1 2 4 4 大型热室压铸机和冷室压铸机 美国p r i n c e 公司1 9 8 6 年研制了第一台锁型力达1 1 7 6 m n 的大型镁合金压铸机。1 9 9 0 年又研制出了锁型力达1 3 7 2 m n 的大型镁合金压铸机，该机集镁合金熔化、压铸于一体， 并采用了取件机器人，使整台机组成为一个完整的压铸生产单元。对热室压铸机的改进 6 硕士学位论文 主要包括：采用储能器增压，压射柱塞的压射速度可达6 i i l s ；感应加热鹅颈管和喷嘴使 其保持最适宜的温度；采用双炉熔化保温，并采用绝热装置和再循环管道，精确保持熔 池温度；易磨损件进行镀铬以提高其使用寿命。 1 3 镁合金压铸工艺特点及主要工艺参数 1 3 1 镁合金压铸工艺特点 由于镁合金特殊的物理及化学性能，其压铸工艺具有如下的特点。 ( 1 ) 优良热传导性。镁合金填充时间要比铝合金缩短3 0 3 5 ，即注射进入型腔 内的合金流量相应要提高3 0 q 5 ；同时镁合金的浇注速度要比铝合金加快2 5 以上， 这样才可以保证在规定的时间内把合金熔液注射到型腔内的每一个角落，而且保证压铸 件的密度和结构强度符合要求。例如：一件大小、壁厚、模具相同的铸件，铝合金型腔 需要o 0 2 7 s 完成填充，而镁合金必须在o 0 1 7 o 0 1 8 s 内完成才能保证填满；镁合金要 将射速由铝合金的4 3 5 m s 提高到5 5 m s 以上才可以在规定的时间内将合金液注射到 型腔内的每一个角落。 ( 2 ) 镁合金收缩倾向小。镁合金压铸时的最后增压或者保压时间短，镁合金收缩的 倾向小，大约为铝合金的3 0 左右，生产薄壁的镁合金压铸件时的最后增压或者保压 时间没有铝合金长，这也是镁合金可以用热室压铸机来制造的原因之一。 ( 3 ) 镁合金很难与铁发生化学反应且热强度小，镁合金压铸模具使用寿命长，脱模 斜度和抽拔力度较小，镁合金很难与铁发生化学反应，因此镁的铸件很少出现粘模现象； 在顶出之前，镁合金铸件并不像铝合金铸件那样热强度大，因而不会因为顶出力的不平 衡而产生很大的应力，顶出力要小。 ( 4 ) 镁合金的最大缺点是极易氧化，尤其是在液态的条件下，使用保护气体可使熔 炉内的金属减少氧化。 ( 5 ) 镁合金吸收气体的能力特别强，铸锭上极少量的水分和潮湿的环境都会使铸件 受到影响，因而在铸锭的保存和生产准备时都要采取一些措施，例如防潮和烘干的温度 至少要在1 5 0 以上。 1 3 2 镁合金压铸的主要工艺参数及选取原则 压铸工艺参数如压射压力，压射速度、充型时间、保压时间、浇注温度、模具温度、 涂料等都对铸件的充型性能及机械性能有显著影响，下面分别说明各工艺参数的一般选 择原则，以便对本试验工艺参数的选定及调整有一定的参照及对比。 1 3 2 1 浇注温度 浇注温度是压铸过程的热因素，熔融金属的浇注温度是指熔融金属自压室至填充型 腔时的平均温度，为了提供良好的填充条件，控制和保持热因素的稳定性，必须有一个 7 z a 8 4 镁合金压铸t 艺及组织性能的研究 相应的温度范围。采用高的浇注温度时，金属液流动性好，压铸件表面质量好，但熔融 金属中气体溶解度和氧化加剧；对模具的热冲击大，压铸模寿命短。采用低的浇注温度 时，熔融金属流动性差，铸件表面质量差，但能改善排气条件；且收缩也小，减少因壁 厚不均匀在厚部产生缩孔和气孔的可能性；也可减轻对模具的熔蚀和粘模，延长模具寿 命。 浇注温度一般按如下的原则来选取：通常在保证成型和所需求表面质量的前提下， 采用尽可能低的温度，一般取压铸合金液相线温度下2 0 3 0 的区域，选择时所考虑 的因素如下：压铸合金的流动性好，浇入温度可选低些；薄壁，形状复杂的铸件，浇 入温度可选高些；模具热容量大，散热快，浇入温度可选高些。对镁合金而言，其浇注 温度的范围一般在6 4 0 7 2 0 之间。 1 3 2 2 压射比压 压射比压是压室内熔融金属在单位面积上所受的压力，填充时的比压称为压射比 压，增压时的比压称为增压比压( 如果压铸机无增压机构，即没有增压比压) 。高的压 射比压使得铸件的组织更为致密，平均密度随压力的增加而增大，因而其机械性能更好。 一般情况下，压射比压的选择主要考虑如下的因素： a ) 铸件结构特性：薄壁铸件，压射比压可选高些；形状复杂的铸件，压射比压可选高 些；工艺合理性好，压射比压可选低些。 。 m 压铸合金特性：流动性好，压射比压可选低些；比重大，压射比压可选高些。 c ) 浇口系统：浇道阻力大( 即浇道长，转向多，在相同截面积下，内浇口的厚度小) 压射比压可选小些。浇道散热速度快，压射比压可选高些。 d ) 排溢系统：排气道布局合理，压射比压可选低些。排气道截面积足够大，压射比压 可选低些。 e ) 温度：填充型腔时，熔融金属温度与模具温度的温差大，压射比压可选高些。 各种压铸合金选用的计算压射比压可以参照第三章中的表3 1 。 1 3 2 3 模具温度 模具既是换热器又是蓄热器，在生产前要预热，在压铸过程中要保持一定的温度， 这样可以避免熔融金属激冷过剧，改善型腔排气条件，避免压铸件成型后产生大 的线收缩，引起裂纹和开裂，避免模具激烈而胀裂，减少模具工作时冷热交变的 温度应力，延长模具寿命，镁合金的模具温度一般范围为：1 4 0 2 2 0 之间。 1 3 2 4 压射速度 压射速度是指压室内压射冲头推动熔融金属液的移动速度，以m ，s 表示。在 压射中，压射速度分为低速压射速度和高速压射速度两个阶段。与较慢的压射速 度相比，较快的压射速度不仅能够消除铸件内的缩松等缺陷，提高合金的致密度， 还能改善铸件的组织，细化晶粒。镁合金由于结晶潜热小，凝固速度快，为了获 8 硕十学位论文 得形状完整、力学性能优良的压铸件，应取快的压射速度。 1 4 铝锌为主要组元的镁合金的研究现状 镁合金并不具备像铝合金或锌合金那样有一个丰富的合金系列。目前，镁合金主要 有三种合金系：m 争a l 系、m g - z n 系、m g i 也系。虽然m 争r e 系合金具有很高的热强性及 良好的铸造性能，但由于r e 元素的价格昂贵，因此m 哥砌；系合金在汽车工业的应用也受 到了很大的限制。因此，当前的研究主要还在于用微合金化来重新设计、优化现有的 m 争舢系、m g - z n 系合金，以使其达到汽车工业的要求，并在汽车工业上得到广泛的应 用。 1 4 1m g - a l 合金 a z 9 1 合金从应用到现在已经有7 0 多年的历史。为提高其抗蚀能力，人们先后开发 出a z 9 l 凡a z 9 l b ，a z 9 l c ，a z 9 1 d ，a z 9 l e ，a z 9 1 合金有优良的铸造性能、室温机械性 能和良好的抗腐蚀性能，相对低的价格并且易于加工。因此仍然在当今压铸镁合金中占 主要的地位，它可以用于制造各类压铸零部件。 a z 9 l 合金的沉淀强化相为m g l 7 a 1 1 2 ( 结构为b c c ，点阵常数a _ 1 0 5 4 3 8 姗) ，m 勖7 a j l 2 的热稳定性较低( 熔点只有4 3 7 ) ，在从室温加热到2 0 0 时，m g l 7 m 1 2 相的硬度便减少 5 0 巧o ，从而失去强化作用，因此a z 9 1 合金的高温性能有待提高。国内外研究多集中 于通过改变a z 9 l 合金中m 勖7 a 1t 2 相的数量、形状、大小和分布来提高其高温力学性能。 通常所加入的合金元素为s b 、b i 、s n 、b e 、c a 、s i 、r e 。s b 可改善a z 9 1 合金的 铸态组织，并在其中形成弥散分布的具有六方d 5 2 结构的m 毋s b 2 颗粒相，m 勘s b 2 颗粒相 热稳定性好( 熔点1 2 8 0 ) ，弥散分布在合金中主要起到弥散强化作用，弥补了a z 9 1 合 金中强化相m g l 7 a i l 2 的不足，可改善其室温和高温性能，使a z 9 l 合金在1 5 0 以o o 区间 的蠕变寿命提高，大幅度降低其稳态蠕变速率【”，嘲。b i 可细化m g l 7 a l l 2 沉淀相并可阻止 时效过程的m g l 7 a l l 2 相的不连续沉淀，形成的棒状m 昏b i 2 可有效提高a z 9 l 的抗高温蠕变 性能【1 7 】。在a z 9 l 合金中加入s n 能有效改善铸锭组织，并在显微组织中形成具有立方c l 结构的m s n 颗粒相，少量的s n 能有效提高合金的耐热性【l 明。在镁合金中加入微量的b e 时，b e 即富集于表面并优先氧化，而在合金液面上形成一层致密的氧化膜，提高镁液的 抗氧化能力1 1 9 l 。b c 的加入对y 相( m g l 7 a l l 2 ) 有一定的变质作用，相的形状和分布随b e 含 量的变化而变化。b e 的加入量少时，合金常温拉伸性能下降，再增加b e 含量，拉伸性能 反而提高，继续加入则又会使拉伸性能下降；b e 的加入对a ( m g ) 基体的显微硬度影响不 大。c a 可细化a z 9 1 合金的铸态组织，并使其枝晶尺寸细小，c a 的主要作用还是通过熔 入到m g l 7 a l l 2 相，提高m g l 俸1 1 2 相的熔点，以提高a z 9 1 合金的高温性能网。s i 加入到a z 9 l 合金中可形成高熔点的m s i ( 熔点1 0 8 5 ) 相，它均匀分布于晶界和晶内，能够在高温 9 z a 8 4 镁合金乐铸1 一艺及组织性能的研究 下有效地阻碍晶界和位错的移动，从而提高a z 9 l 合金的抗高温蠕变性能1 2 l 】。稀土元素 具有净化合金液、改善合金的铸造性能、细化和变质组织、提高力学性能，以及提高合 金的抗氧化和蠕变性能【2 2 1 。r e 元素的加入会使m g l 7 a 1 1 2 沉淀相的数量减少且细化，还 有棒状的a l t l r e 3 相的出现田l ；对a z 9 1 合金的流动性影响是先降低而后增加，可提高合 金的硬度；对a z 9 l 合金的室温极限抗拉强度影响很小，但是可显著提高1 5 0 时的极限 抗拉强度和延伸率，屈服强度随r e 加入而增加；a z 9 1 室温断裂为脆断，高温和r 劝口入 则为准解理断裂。 合金元素对a z 9 l d 耐腐蚀性能的影响，一定含量的m n 元素可提高a z 9 1 d 的腐蚀抗 力，而s i 元素及重金属元素( c l l ，f e ，n i ) 的增加却大大降低a z 9 1 d 的腐蚀抗力，可用公式 表示为： c “m m ，a 净w i ：m 曲一4 1 w i ，a 1 ) _ 2 3 w ( z n ) 一1 9 7 1 ，( 缸) + 2 6 8 w ( s i 心6 l 以“f e ) + 9 8 5 1 0 4 w 钟i ) 卜9 4 1 0 3 w ( c u ) ，c r 为腐蚀速率洲。表1 1 所示为几种相互排除的组元元素 表1 1 几种相互排除的组元元素口5 】 减少镁合金中f e 、n i 、s i 杂质的含量可提高其抗蚀性，由于t i 在8 0 0 8 5 0 时，在 镁中的溶解度较大，当低于7 0 0 时溶解度急剧降低，并和f c 、s i 形成高熔点金属间化 合物而沉降。因引，近年来在工业上已开始采用钛废料和低质量的t i c l 3 去掉熔体中的 f e 、s i 和部分n i ，以提高合金的耐蚀性能【狮。 1 4 2m g - z n 合金 m 争a 1 z i l 合金的屈服强度较低，从而降低了其承载能力。因此，各国都在发展具有 高屈服强度的合金，这就是m g - z n 系合金。z n 对m