镁合金汽车压铸件的研究

摘 要 镁合金作为最轻的工程金属材料，被誉为“二十一世纪的绿色工程材料”。当前资源和环境已成为人类可持续发展的首要问题。随着金属材料消耗量的急剧上升和科学技术革新的飞速发展、大规模生产工艺的出现和广泛使用，使得加速开发镁材料对保持社会可持续发展具有重要的战略意义。本文主要论述压铸镁合金的性能和特点以及镁合金压铸模的设计特点。 As the lightest engineering material,magnesium alloy is eulogized as green engineering material in 21st century.considering present condition that resource and environmental problems are the primary ones affecting sustainable development of human beings ,the accelerating research and development of magnesium take the strategic role in keeping social sustainable development.the treatise describes the characteristics and properties of die casting magnesium alloy and its dies. Key words:magnesium alloy,sustainable engineering material, die casting dies 目 录 第一章 绪 论 .1 1.1 镁合金应用概述 .1 1.2 镁合金在汽车工业上的应用 .1 第二章 压铸模设 计概述 .3 2.1 引言 .3 2.2 压铸机的压铸过程简述 .3 2.2.1 热室压铸机的压铸过程 .3 2.2.2 冷室压铸机的压铸过程 .4 2.2.2.1 立式冷室压铸机的压铸过程 .5 2.2.2.2 卧式冷室压铸机的压铸过程 .6 2.2.2.3 全立式压铸机的压铸过程 .7 2.2.2.4 升举压室压铸机的压铸过程 .9 2.3 压铸模的结构组成 .10 2.3.1 压铸模基本结构 .10 2.3.2 压铸模结构示例 . 11 2.3.2.1 热室压铸机用压铸模。 . 11 2.3.2.2 立室压铸机用压铸模。 .12 2.3.2.3 卧室冷室压铸机用压铸模。 .13 2.3.2.4 全立式压铸机用压铸模。 .14 第三章 镁合金用压铸模设计特点 .16 3.1 镁合金的选择 .16 3.2 压铸机的选择 .16 3.3 镁合金压铸模设计要点 .16 第四章 工艺参数对压铸 AM60B 镁合金组织缺陷影响实验 .17 4.1 实验描述 .17 4.2 实验结果与分析 .17 4.2.1 浇注温度对铸件缺陷的影响 .17 4.2.2 模具温度对铸件缺陷的影响 .18 4.2.3 压射速度对铸件缺陷的影响 .19 4.2.4 实验结果分析 .19 参考文献 .21 致 谢 .22 1 第一章 绪 论 1.1 镁合金应用概述 镁合金作 为最 轻质的金属工程结构材料，因其具有比重轻、比强度、比刚度高；阻尼减振、降噪能力、抗辐射能力强，特别适合在交通工具、手动工具、航空航天及国防军工等领域应用。但塑性差、强度低、弹性模量低、耐蚀性和耐热性差等缺点限制了镁合金在工业上的应用 1-4。众所周知，复合材料既能保留原有材料的主要特性，还能通过材料复合获得原组分不具备的性能。复合材料按增强体类型可分为：叠层式复合材料、片材增强复合材料、颗粒增强复合材料、纤维增强复合材料 5。因此，通过向镁合金中加入高强度，高弹性模量，高热稳定性能的晶须、纤维、颗粒等制备 复合材料已成为开发应用镁合金的重要手段之一。 1.2 镁合金 在汽车工业上的应用 二十世纪末，能源危机日趋严重，环保法规日益严格，使现代汽车减重节能的要求不断高涨，轻量化已成为汽车选材的主要发展方向。汽车质量每降低100kg，每百公里油耗可减少 0.7，汽车自重每降低 10%，燃油效率可以提高5.5%，故发达国家不断加强对汽车等交通工具能源消耗和废气污染的限制 ,促使汽车制造厂重视汽车的轻量化发展。镁合金作为工业应用最轻的金属材料和良好的阻尼减震性能，具有在体积相同时比铝合金轻 36%、锌合金轻 73%、钢轻77%的特点，成为汽车轻量化的首选材料，其开发应用受到了各国的重视。福特汽车公司于 1998 年推出的轻质概念车 2000,计划使用 103 kg 的镁合金零部件。然而 ,从总体来看 ,目前镁合金在汽车上的用量还很少 ,每部车在 0.5 17kg 之间变化，平均使用量为 3 kg。根据汽车中典型镁构件的估计重量及统计，每辆汽车上镁件的重量可达到 50 80kg。到 2006 年 ,若每辆轿车仅使用 40kg镁压铸件，按现在轿车的总产量 5000 万辆计算，则可达到 2000kt 的用量。随着镁合金成形工艺技术的进一步提高 ,新开发的镁合金结构件将采用高 性能的镁合金 (如变形镁合金等 )，镁合金在汽车上的应用潜力将进一步发挥。 进入 90 年代以来，我国汽车 工业 领域有了极大的发展，单就轿车拥有量的增长幅度就高达 91 倍，汽车轻量化、高速、节能等问题也日益突出， 但是 ， 90 年 2 代前期 国内只有上海乾通汽车附件有限公司为上海大众汽车公司的桑塔纳轿车配套生产的变速箱壳体是利用德国技术由镁合金压铸生产的，镁合金用量仅为8.5kg/辆，而国外汽车的镁合金用量平均为 40kg/辆，可见要达到世界标准、提高产品竞争力，我国汽车行业 还有较长的路要走 。 1998 年，中科院现代制造技术 CAD/CAM 开放试验室、中科院金属材料疲劳与断裂国家重点试验室、沈阳工业大学和中国第一汽车集团联合进行了镁合金压铸研究及开发项目。 “九五 ”期间，北京有色金属总院国家有色金属复合材料工程技术研究中心和东风汽车公司共同承担了国家 “九五 ”科技攻关项目 “轿车铝、镁合金新材料及铸造生产技术的应用研究 ”专题子项 “镁合金材料在轿车上的应用研究 ”，目前对镁合金零件的使用性能 的 检验 已完成，下属东风电子科技汽车制动系统公司正在进行批量化生产扩展 。 1999 年，清华大学与力劲公司联手创立了 “清华 -力劲压铸高新技术研究中心 ”，旨在实现进口镁 合金压铸设备国产化，开发汽车、计算机等行业镁合金零部件的生产新工艺，为镁合金大规模的应用提供装备与技术保障，目前已迈出了可喜的一步，实现了镁合金压铸机关键进口部件的国产化，具备了向国内企业提供 镁压铸 装备的能力， 现在已经制造出了 160-3000 吨冷、热室两大系列共 10 多款机型， 而且压铸机的自控精度已与国外压铸机相当，使生产高质量的镁合金压铸件成为可能 2001 年 8 月，我国将 镁合金应用与开发 列为国家计委和科技部联合下发的 十五 国家科技发展规划中材料领域的重点任务，同时 镁合金应用开发与产业化 作为十五计划的 第一批项目正式启动。项目正式启动后一年多时间内，共投入国拨经费 4100 万元，吸引各方面资金近亿元；全国共有 21 个省市自治区的 个研究院所、所高校、 20 家企业直接参与了项目实施。 按照科技部在“镁合金应用开发及产业化”方面的总体战略部署，目前取得了显著的阶段性成果，初步建立了镁合金技术研发到产业化试点的技术研发体系，突破了一批前沿核心技术和产业化关键技术，在全国建立了一批产业化示范基地。 3 第二章 压铸模设计概述 2.1 引言 压铸模是进行压铸生产的主要工艺装备。在经济批量生产中，铸件质量合格率的高低 ，作业特环的快慢，模具制造的难易及其使用寿合，在委大程度上受压铸模设计的正确、合理、先进和适用的程度的制约。压铸模制造费用高，制成后难以进行大的修改。所以设计人员应当对模具设计和压铸技术有充分的了解，并细致地分析产品的具体特点，才能在压铸模设计上顺利地达到预期的效果。 2.2 压铸机的压铸过程简述 压铸机按压射室的特点可分为热室压铸机和冷室外压铸机两类。 2.2.1 热室压铸机的压铸过程 适用于锌合金、镁合金及锡、铅等低熔点合金的热室压铸机的压铸过程如图 2-1所示。 4 图 1-1 热室压铸机的压铸过程 a 合模状态 b .压时 c. 冲头回程 -开模 -推出铸件 2.2.2 冷室压铸机的压铸过程 冷室压铸机按压射室及合模装置的位置特点又区分为多种式样的机型 ,其压铸过程亦有差异。 5 2.2.2.1 立式冷室压铸机的压铸过程 立式冷室压铸机特别适合采用中心浇口技术 ,其压铸过程如图 2-2。 图 2-2 立式冷室压铸机压铸过程 6 2.2.2.2 卧式冷室压铸机的压铸过程 卧式冷室压铸机是应用最广泛的机型 ,其压铸过程如图 2-3。 图 2-3 卧式冷室压铸机压铸过程 7 2.2.2.3 全立式压铸机的压铸过程 全立式压铸机的特点是压射室和合模装置都呈与地平面垂直的位置，按其冲头运动的特点又分为两种机型。 A 冲头上压式全立式压铸机，压铸过程如图 2-4。 图 2-4 冲头上升式全立式压铸机压铸过程 8 B 冲头下压式全立式压铸机，压铸过程如图 2-5。 图 2-5 冲头下降式全立式压铸机压铸过程 9 2.2.2.4 升举压室压铸机的 压铸过程 升举压室压铸机是适于生产致密高品质铸件的新机型，其压铸过程如图 2-6。 图 2-6 升举压室压铸机压铸过程 10 2.3 压铸模的结构组成 2.3.1 压铸模基本结构 压铸模的基本结构如图 2-7 所示。图中分型线 A-A 右边那一增模具称为定模。定模这部分是固定在压铸机定模安装板上的。 A-A 左边那一半模具称为动模。动模这部分是随压铸机动模安装板开合移动的。 11 图 2-7 压铸模的基本结构 2.3.2 压铸模结构示例 2.3.2.1 热室压铸 机用压铸模。 热室压铸机用压铸模的基本结构如图 2-8 所示。 图 2-8 热室压铸机用压铸模基本结构 12 2.3.2.2 立室压铸机用压铸模。 立式冷室压铸机用压铸模的基本结构如图 2-9 所示。 图 2-9 立室压铸机用压铸模基本结构 13 2.3.2.3 卧室冷室压铸机用压铸模。 如图 2-10 所示为卧式冷室压铸机偏心浇口压铸模的基本结构。如图 2-11 所示为卧式冷室压铸机中心浇口压铸模的基本结构。 图 2-10 卧室机偏心浇口压铸模基本结构 14 图 2-11 卧室机中心浇口压铸模基本结构 2.3.2.4 全立式压铸机用压铸模。 15 如图 2-12 所示为全立式压铸机用压铸模的基本结构。 图 2-11 全立式压铸机用压铸模基本结构 16 第三章 镁合金用压铸模设计特点 3.1 镁合金的选择 压铸合金的选择不仅要考虑到其物理性能、力学性能和化学成分，同时也要考虑到合金因有的特性及其对压铸件加工性能及表面质量的影响。 AZ91D和 AZ81在工业压铸镁合中具有最高强度。而 AZ91D则是庆用最为广泛的压铸镁合金，具有优良的耐蚀性能、铸造性能和强度，而 AM60B、 AM50A以及 AM20合金应用于有良好伸长 率、韧性以及冲击韧性且具一定强度的工况下。 3.2 压铸机的选择 镁合金铸件应选择热室压铸机或是冷室压铸机进行加工，主要取决于这个铸件的壁厚。在一般情况下，小于 1Kg的铸件需要采用热室压铸机，以保证薄壁件的充型完整，大件则可以使用冷室压铸机。 3.3 镁合金压铸模设计要点 镁合金具有妨好的压铸工艺性能，在压铸模的设计过程中，需要结合镁合金的压铸特性，选择适合的工艺参数及以模具设计准则。 熔化的镁合金对钢铁没有亲和性，这点与铝不同，因此可使模具寿命延长，其他情况如热学约 650和机械力学比压对模具的冲击与加工 铝铸件时相仿。镁合金溶液很局面在模具型腔中凝固。这要求充型时间短，压射冲头速度高。 镁合金压铸模特点： 1充型时间短（约为 10-100ms） 2内浇口速度约为 90-100ms 3内浇口厚度薄 4模具温度为 220 240 5理想的浇道 6斜度小 7镁流动性好，为了避免形成毛边，模具塑固度要求高。 17 第四章 工艺参数对压铸 AM60B 镁合金组织缺陷影响实验 结合第三章提到的镁合金压铸模设计特点，本章研究了压铸工艺参数为AM60B 镁合金组织缺陷的影响，并分析产生原因，提出解决措施。 4.1 实验描述 压铸试验材料 :AM60B 镁合金 ,其化学成分见表 1-1。 实验条件：全封闭坩埚电阻炉内熔炼合金，并通入 Ar 气保护。 实验设备： DAK 450-54 型全自动冷室压铸机制备试样，使用 MeF3 金相显微镜对试样组织观察。 表 1-1 AM60B 化学成分列表 4.2 实验结果与分析 4.2.1 浇注温度对铸件缺陷的影响 随浇注温度升高 ,合金液体中含氢量增加 ,合金密度下降 ,当浇注温度从 640升高到 725 时，氢气在镁合金中的溶解度提高两倍，达到了 100cm/Kg，在凝固过程中，氢气的溶解度又降到了 24 cm/Kg，而此时，过量的氢气在型腔中释放，基中一部分以氢气孔的形式保留在合金中，氢气孔的数量和尺寸会随着浇注温度的升高而增大，当浇注温度高于 710时，合金液在浇注时氧化加剧，易混入夹杂物，使铸件的致密度降低，这些杂质的聚集增大了裂纹出现的几率，浇注温度过高还易发生飞溅并产生毛刺，合金收缩大，铸件内部易出现缩孔和裂纹等缺隐，合铸件力学性能降低，但当浇注温度低于 650时，则不利于冲型，容易产生冷隔，表面流纹以及充型不满等缺陷，适宜的浇注温度可以使合金液体获得良好的充型能力，使铸件的性能优良，实验结果表明， AM60B 合金的浇注温度为 680比较适宜。 18 4.2.2 模具温度对铸件缺陷的影响 模具温度直接影响模具的激冷能力，进而影响合金的力学性能和铸件的品质，合适的模具温度可以避免高温液态金属对冷压铸模的“热冲击”，延长压铸模的使用寿命，在压铸过程中，高温金属液直接冲击型腔，会使模具的温度产生周期性变化，如果模具温度变化幅度大，在热应力作用下，模具易产生疲劳失，如果模具温度过高，激冷效果差，成形的镁合金晶粒粗大，力学性能降低，且模具与铸件间粘着力增大，易产生粘模及拉伤，模具温度适宜时，则预先凝固的金属壳受到激冷， 凝固过程中温度梯度过大，加快铸件的凝固速度，成型合金晶粒细小，组织致密，具有较好的力学性能，模具温度过低，则使瞬间凝固产生的应力来不及释放，导致裂纹，而如果不能及时补缩，则产生缩孔，冷隔及浇不足等缺陷，实验结果表时，模具温度为 180为适宜模具温度。 19 4.2.3 压射速度 对铸件缺陷的影响 镁合金比热容小，结晶时释放热量相对较少，且铸件与型腔界面接触紧密，导热良好，所以镁合金压铸时的，模具的冲头速度较一般金属快，这种快速凝固的特性限制了来自于浇道中的金属液补缩流动，冲头速度过低，金属液的流动慢，致使远离浇道 处的收缩得不到充分补偿，形成疏松，浇不足等缺陷，而且铸件内部的凝固速度比表面慢，其组织晶粒粗大，外壳层与心部有着不同的凝固速度导致收缩不同时，而心部金属液的凝固体积远大于壳层，因此心部的凝固收缩量也大于壳层。这样，壳层金属和心部金属之间会形成热应力，如果没有足够的冲头速度使金属液补充心部收缩，热应力将会导致铸件表层形成大量裂纹。而如果压射速度过高则会导致气体和夹杂物的混入，使铸件的密度降低，这些杂质和气孔会增加裂纹出现的向率，导致铸件的力学性能的降低，实验表明，适宜的压射速度为 3m/s。 4.2.4 实验 结果分析 1浇注温度低于 650时 ,容易产生充型不足 ,而高于 710时 ,易产生缩孔、疏松和裂纹等缺陷。 2压射速度低于 2m/s 时，容易产生疏松和浇不足等缺陷，而高于 3.5m/s 时，易产生气孔