低压铸造论文

镁合金成形技术研究进展　　熊守美1 , 苏仕方2　　(11 清华 - 东洋镁铝合金成形技术研究开发中心 , 清华大学机械工程系 100084 ; 21 中国机械工程学会铸造分会 ,　　辽宁沈阳 110022)　　摘要: 镁合金材料及其成形技术的研究和开发对于扩大镁合金在我国的应用具有十分重要的意义。根据第四届中国　　国际压铸会议论文资料, 综述了国内外镁合金材料及其成形技术的的国内外发展趋势, 包括材料、成形技术及数值模　　拟等, 展望了镁合金的开发与应用前景。　　关键词: 镁合金; 材料; 成形技术; 数值模拟　　中图分类号: TG24912 ; TG14612 2 文献标识码: A 文章编号: 100124977 (2005) 0120020204　　+　　Research Progress on Processing Technology　　of Magnesium Alloys　　XIONG Shou2Mei1 , SU Shi2Fang2　　(11Tsinghua2TOYO R &D Center of Magnesium and Aluminum Alloys Processing Technology , Department　　of Mechanical Engineering , Tsinghua University , Beijing 100084 , China ; 21Foundry Institution of Chinese　　Mechanical Engineering Society , Shenyang 110022 , Liaoning , China)　　Abstract : Research and development of magnesium alloys and their processing technology are of great　　importance in promoting domestic applications of magnesium alloys in C Based on the conference　　papers of the 4th China International Die casting Congress & Exhibition , this paper reviewed the trend of　　research and development of magnesium alloys and their processing technology at home and abroad , in2　　cluding materials development , processing technology , and numerical simulation technology , At the　　same time , the prospect for magnesium applications was also 　　Keywords : magnesium alloy ; materials ; processing technology ; numerical simulation　　镁合金正被广泛用于汽车、航空、电子以及消费　　原因 , 使它难以作为关键零部件 (如发动机零件) 材　　品工业中的各种结构件。尽管这些应用的增长主要受　　料在汽车等工业中得到更广泛的应用。同时镁合金密　　重量减轻的驱动 , 但是 , 镁合金的其它优点也起着重　　排六方的晶体结构决定了其塑性变形能力较差 , 如何　　要的作用。其一 , 是它们对压铸工艺的独特适应性 ,　　解决这一问题是镁合金应用的关键之一。针对上述问　　可以高速生产近终形零件; 其二 , 优良的模具寿命所　　题 , 研究人员取得了以下进展。　　节约的生产成本 , 可以弥补其原材料价格比铝合金稍　　111 压铸镁合金材料开发　　贵的不足 , 增强与压铸铝合金的竞争力; 此外 , 极好　　针对商用压铸镁合金抗高温蠕变性能较差的现状 , 以　　的可加工性能和减振性能也是镁合金具有的重要性　　AZ 91 合金为基准合金 , 一汽铸造研究所的研究人　　能。中国现在是世界上最大的镁生产及出口国 , 但镁　　员〔1〕进行了抗高温蠕变压铸镁合金的开发。论文讨　　合金在中国工业 , 尤其是汽车工业中的应用仍很有　　论了稀土元素 Ce , Y, Nd 以及 Ca 和 Si 的添加对压　　限。因此 , 深入开展镁合金及其成形技术的研究开　　铸镁合金在常温拉伸性能以及 150 ℃条件下的蠕变行　　发 , 对于扩大镁合金在中国工业中的应用具有十分重　　为 , 显微组织的影响 , 以及对表面处理和腐蚀试验的　　要的意义。　　影响 , 并进行了实际产品的生产。　　在第四届中国国际压铸会议的 50 余篇学术论文　　该文综合考虑合金的化学成分、合金元素的固溶　　中 , 涉及镁合金及其成形技术的相关论文、学术报告　　度、各种金属间化合物 , 在保持 AZ 91 合金基本成分　　有 10 余篇 , 本文将从镁合金材料、成形工艺 , 镁合　　不变的条件下 , 设计了四组试验合金进行考查。采用　　金熔体保护及镁合金成形过程数值模拟等方面总结会　　挤压的方法试制了 30 种成分合金试棒 , 对试棒的常　　议论文所涉及的相关领域的研究进展。　　温力学性能和腐蚀行为进行了测试 , 并初步考查了铸　　造性能和蠕变抗力。通过试验 , 开发的新合金性能接　　1 镁合金材料研究　　近德国大众公司开发的 MRI2153 合金 , 合金工艺性能　　耐热性及疲劳性能是阻碍镁合金广泛应用的主要　　与 AZ 91 合金相当 , 可以采用与 AZ 91 合金相同的生　　收稿日期: 2004211220 收到初稿 , 2004211229 收到修订稿。　　作者简介: 熊守美 (1966 - ) , 男 , 湖北麻城人 , 博士 , 博士生导师 , 主要从事压铸工艺和技术方面的研究。E2mail: smxiong @tsinghua1edu1cn　　铸造　　熊守美等: 镁合金成形技术研究进展　　·21 ·　　产工艺。在采用沈阳应用化学研究所低成本的电解镁　　造四大方面为主。其中压铸仍为最主要的成型工艺 ,　　- 稀土中间合金情况下 , 有效地控制了成本。在蠕变　　我国镁合金压铸件产量由 1995 年的 1 562 t 提高到　　试验中发现 , Mg2Al2Re2Zn 体系中的强化相 Al11Ce3 在　　2002 年的 4 950 t , 7 年里产量增长了 2 倍多 , 平均　　少量 Ca 存在下稳定性可以进一步提高。Nd 和 Y的添　　年增长率达 18 %。利用镁合金压铸件代替传统铸铁、　　加不会使 AZ 91 合金的晶粒度改变 , 但可以产生固溶　　铸钢件 , 甚至代替铝压铸件 , 正成为制造业特别是汽　　强化 , 具有极佳的蠕变性能。　　车制造业的发展趋势〔4〕。　　112 压铸镁合金的低周疲劳行为研究　　211 镁合金压铸　　沈阳工业大学的研究人员〔2〕通过试验发现: 压　　目前 , 镁合金压铸工艺的研究热点主要集中在两　　铸态 AZ 91 疲劳寿命最低; 在高应变幅条件下 , 压铸　　大方面: 镁合金压铸零件的开发设计和镁合金压铸工　　态 AM50 + Nd 疲劳寿命高于镁合金 AZ 91 , 在较低　　艺的完善创新。随着模具设计水平和压铸零件性能的　　应变幅条件下 , 压铸态 AM50 + Nd 的寿命要低于经　　提高 , 镁合金压铸件的应用领域已经从传统的笔记本　　过固溶处理的 AZ 91 的疲劳寿命; 经过固溶处理的　　电脑外壳、手机外壳等表面覆盖件发展到了发动机支　　AZ 91 镁合金的过渡疲劳寿命明显高于压铸态 , 压铸　　架、轮毂、框架件等受力部件以及安全部件。　　态 AM50 + Nd 镁合金的过渡寿命要高于压铸态 AZ　　相应地 , 为了满足不断提升的零件性能要求 , 随　　91。经过固溶处理以后 AZ 91 中的β相消失 , 使材料　　着材料科学和其他科学技术的进步 , 在传统压铸工艺　　的延展性增加 , 循环硬化程度有所降低。　　的基础上衍生出了真空压铸、充氧压铸、超低速压铸　　113 镁合金的铸态组织研究　　等诸多分支技术。其中真空压铸以其极低的铸件含气　　镁铝合金在未经变质处理时 , 铸态下晶粒尺寸可　　量、较好的设备兼容性和优异的铸件性能等优点得到　　达 3 ×10 ～5 ×10 m , 组织很粗大。合金的组织决　　24　　24　　了高度重视和大力发展。众所周知 , 压铸件的气孔问　　定性能 , 性能决定合金的应用 , 以往镁合金的组织控　　题是限制其性能提高的主要瓶颈。真空压铸在传统压　　制主要是为了提高其塑性变形能力。因为镁合金为密　　铸工艺周期上耦合真空系统抽除型腔气体 , 是一种减　　排六方 , 这就决定了其塑性变形能力较差。而实践证　　少压铸件气孔 , 去除铸模内气体和润滑剂蒸汽的有效　　明 , 细小等轴晶可以改善镁合金的塑性变形能力。而　　方法。目前研究的热点是如何在型腔内得到更高的真　　半固态触变成形也要求初始的铸态组织应为细小的等　　空度 , 及相应的模具密封工艺。高真空压力铸造得到　　轴晶组织 , 因此如何控制镁合金的组织是镁合金半固　　的零件不仅可以大大降低微孔和气孔等铸造缺陷 , 还　　态成形的关键之一。　　可以进行热处理和压铸焊接〔5〕。　　常用的镁合金组织控制工艺主要有液态处理法和　　沈阳工业大学的研究人员〔6〕研究了压铸镁合金　　固态处理法两大类。液态处理法由于简单、易于实　　轮毂缺陷的产生原因 , 通过对浇注系统和零件结构的　　现 , 不外加额外设备等 , 在工业应用中具有广阔的空　　改进及压铸工艺参数的调整 , 有效地仿真了缺陷的产　　间。液态处理法包括添加晶粒细化剂法、过热处理　　生 , 明显改善了压铸镁合金轮毂件的质量。　　法、熔体搅拌法两大类。固态处理法包括等静角压　　清华大学的研究人员〔7〕与一汽合作 , 系统地研　　(ECEA) 法、大比率挤压法和铸造粉末法。但对以　　究了各种压铸工艺参数对镁合金压铸件质量的影响规　　上这些方法的机理还不是很清楚或是方法正处于试验　　律 , 成功开发了一汽集团首件镁合金压铸件并投入实　　阶段。对镁合金的组织控制机理缺乏了解 , 产生了一　　际生产。目前 , 正进行镁合金真空压铸及超低速压铸　　些混淆 , 导致工业中对镁合金的组织控制主要依靠经　　的实验研究。　　验的方法〔3〕。到目前为止 , 对镁合金组织控制的研　　212 低压铸造　　究 , 主要集中于外来质点对形核的促进作用、抑制晶　　低压铸造由于其充型过程的平稳性和良好的排气　　粒生长的作用和溶质对形核率的影响。在镁合金熔体　　性能 , 被广泛应用于轮毂等对铸件缺陷较为敏感的零　　中加入少量的孕育剂 (MgCO3、C2Cl6、FeCl3 等) 或　　件制造。而传统低压铸造工艺所采用的压缩空气 , 由　　溶质原子 (Zr、Ca、Sr、RE 等) , 能细化镁合金的铸　　于气体纯度不够及氧的分压过高所造成的氧化和吸气　　造组织并改变沉淀物的形貌 , 提高镁合金的力学性　　等问题会造成铸件的氧化夹杂、微裂纹、缩孔和缩松　　能 , 改善压力加工性能。但是 , 镁合金组织细化的研　　等铸造缺陷 , 限制了低压铸造的推广。采用电磁泵充　　究和应用远不如铝合金的深入 , 值得进一步研究。　　型的低压铸造新工艺技术 , 以电磁泵充型技术为核　　心 , 在加压充型和保压时 , 采用非接触式的电磁力直　　2 镁合金成形技术研究开发　　接作用于液态金属 , 实现了铝液的平稳输送和充型 ,　　当前 , 镁合金的成型工艺仍然以 压 力 铸 造　　并防止由于紊流所造成的二次污染 , 得到了较高的铸　　(HPDC) 、低压铸造 (L PDC) 、挤压铸造和半固态铸　　件质量。同时引入计算机控制系统 , 提高了工艺执行　　J 2005　　·22 ·　　FOUNDRY　　Vol154 No11　　的准确度 , 也使生产效率得到了提升〔8〕。此外 , 由　　体保护原理的基础上 , 讨论了各种混合气体保护的缺　　于电磁泵低压铸造工艺所采用的开环控制方式对控制　　点 , 研究了不同配比、不同的温度和操作条件下　　精度具有较高的要求 , 针对工艺参数的测定和电磁设　　HFC2134a 气体对液态镁合金的保护效果 , 并且研究　　备的开发也展开了一系列研究工作〔9　　- 10〕　　。　　了相关工艺参数和防护工艺。研究结果认为 HFC2　　213 半固态铸造　　134a 气体相对于 SO2 和 SF6 具有更优良的保护特性 ,　　半固态铸造工艺自诞生以来一直受到了广泛的关　　可作为镁合金熔体气体保护的一种优先选择。　　注 , 处于研究的前沿。由于该项技术对设备依赖性较　　4 镁合金压铸过程数值模拟　　大 , 目前研究重点主要集中在设备性能的提升和完善　　上。新开发的第二代触变成形机 , 最高射出速度达到　　在镁合金压铸生产过程中 , 液态或半固态的金属　　5 m/ s , 其螺杆、套筒等关键部件采用新型合金 , 耐　　在高速、高压下充型 , 并在高压下迅速凝固 , 容易产　　高温及热传导性能有所提升 , 锁模机构的刚性和速度　　生气孔等铸造缺陷。由于镁合金压铸充型速度比铝合　　得到加强 , 降低了能耗 , 得到了更高的铸件质量和生　　金更高 , 凝固速度更快 , 因此 , 镁合金压铸对模具的　　产效率〔11〕。与此同时 , 针对触变成形法的研究也促　　流道系统及热平衡设计提出了更高的要求。充分了解　　使了一批新技术的投入使用 , 如热流道系统、长喷嘴　　充填过程的流动和换热规律 , 设计合理的铸件、铸型　　技术、触变成形锻压工艺等。　　结构及浇注系统 , 选择恰当的压铸工艺参数 , 不仅可　　214 挤压铸造　　以降低铸件废品率 , 提高铸件质量和生产效率 , 而且　　挤压铸造在镁铝合金材料领域 , 以其高铸件质　　可以延长模具的使用寿命。数值模拟方法为解决上述　　量、高力学性能和高致密度得到了密切的关注。挤压　　问题提供了有效的手段。通过压铸充型过程流场、温　　铸造可以使任何壁厚的零件进行固溶热处理 , 从而得　　度场的数值模拟 , 能够较准确地表达压铸充型过程的　　到高于常规压铸的力学性能。另一方面 , 挤压铸造可　　流动和传热规律 , 实现理想的型腔充填状态及模具热　　以利用在凝固过程中加压的方法 , 得到优于低压铸造　　平衡状态 , 预测可能产生的卷气、冷隔等缺陷 , 进而　　的铸件致密结构。同时 , 挤压铸造和半固态铸造的密　　优化压铸工艺 , 对实际压铸生产具有重要的指导意　　切联系也使这项技术处于研究的热点。目前挤压铸造　　义。因而 , 计算机模拟仿真技术被广泛用于镁合金压　　面临的主要问题是对技术和过程控制要求过高 , 要求　　铸件的模具设计及工艺分析。　　的投资比较高。目前的研究重点主要集中在挤压顶　　清华大学的研究人员〔4〕长期从事压铸过程模拟　　针、吸热棒的运用 , 挤压位置的选择 , 工艺参数的控　　仿真技术的研究工作 , 并成功将模拟仿真技术用于镁　　制等方面〔12〕。　　合金压铸件的模具设计优化、热平衡分析及模具热应　　挤压铸造既可以采用专用设备进行生产 , 也可以　　力和变形的分析。同时 , 特别对压室中的液态金属流　　在常规压铸机上进行。他解决了传统压铸机不能生产　　动进行了模拟 , 系统地研究了低速压射速度及压室充　　厚大件 , 压铸件普遍存在的缩孔缩松问题 , 可生产各　　满度等参数对压室中的气体卷入 , 并在此基础上提出　　种不同强度和流动性的合金 , 简化了压铸模具设计的　　了低速压射的优化工艺。　　思路 , 降低了简单零件的压铸模具成本 , 使得中小批　　沈阳工业大学的研究人员〔15　　- 16〕　　采用 FLOW3D　　量零件使用压铸工艺生产变成可能。以挤压铸造技术　　对不同镁合金铸件的充型过程及凝固过程进行了模拟　　为基础 , 对常规铸造、低压铸造和传统挤压铸造机进　　分析 , 为镁合金压铸件模具设计及预测缺陷位置提供　　行的改造为挤压铸造技术的推广做出了贡献〔13〕。　　了理论指导 , 有效地提高了镁合金压铸件质量及降低　　模具设计成本。　　3 镁合金熔体保护　　5 结束语　　镁及镁合金的气体保护熔炼技术是目前生产高纯　　度、高品质镁合金的技术关键。20 多年前 , 在熔炼　　随着镁合金压铸件的广泛应用 , 提高其压铸性能　　镁和镁合金时采用 SF6 做保护气体 , 是当时镁工业界　　和抗高温蠕变性能已成为当前重要的研究课题。我国　　最大的进步。因为它消除了以前使用 SO2 和熔剂熔　　的稀土资源丰富 , 稀土镁合金的性能优良 , 开发具有　　炼所产生的大多数问题。但到了 1990 年 , SF6 和类　　中国特色的压铸稀土镁合金 , 提高其抗高温蠕变性　　似物的高温室效应 (是 CO2 的 24 000 倍 , 并能在大　　能 , 具有重要意义。　　气中长期存在 3 200 年) 迫使镁工业用户必须寻找技　　压铸是镁合金最主要的成形工艺 , 为了进一步提　　术上可行 , 经济、环保的替代保护气体。寻找 SF6 的　　高镁合金零件的的质量及扩大镁合金的应用领域 , 应　　替代保护气体是目前镁工业界的一个重要课题。　　积极开展一些新的成形工艺方法 (如真空压铸、超低　　华北工学院的研究人员〔14〕在论述镁合金熔体气　　速压铸、挤压铸造、半固态铸造等成形方法) 的基础　　铸造　　熊守美等: 镁合金成形技术研究进展　　·23 ·　　研究工作。镁合金成形技术对工艺过程提出了更高的　　四届中国国际压铸会议论文集 〔C〕 北京: 机械工业出版社 ,　　要求 , 采用数值模拟技术可以优化成形工艺 (模具设　　 35 - 39　　〔9〕 许音 , 彭有根 , 杨晶 直流电磁泵低压铸造系统工艺参数测定　　计) , 控制模具热平衡 , 提高产品质量和降低废品率。　　〔A〕 第四届中国国际压铸会议论文集〔C〕 北京: 机械工业出　　版社 , 84 - 88　　参考文献:　　〔10〕 刘云 , 杨晶 , 党惊知 磁铁结构参数对电磁泵磁场强度的影响　　〔1〕 刘海峰 , 佟国栋 , 侯骏 , 等 含稀土抗蠕变压铸镁合金的开发　　〔A〕 第四届中国国际压铸会议论文集〔C〕 北京: 机械工业　　〔A〕 第四届中国国际压铸会议论文集 〔C〕 北京: 机械工业　　出版社 , 103 - 108　　出版社 , 145 - 155　　〔11〕 李博文 新一代触变成形机特点〔A〕 第四届中国国际压铸会　　〔2〕 申健 , 洪成森 , 李锋 , 等 AZ91 与 AM50 + Nd 镁合金的低周　　议论文集〔C〕 北京: 机械工业出版社 , 40 - 46　　疲劳行为〔A〕 第四届中国国际压铸会议论文集 〔C〕 北京:　　〔12〕 夏云 , 里奇·杰卡斯 , 马克·亨特 挤压铸造及其过程和质量控　　机械工业出版社 , 133 - 138　　制技术〔A〕 第四届中国国际压铸会议论文集〔C〕 北京: 机　　〔3〕 李元东 , 郝远 , 陈体军 , 等 镁合金的铸态组织控制工艺与机　　械工业出版社 , 47 - 54　　理〔A〕 第四届中国国际压铸会议论文集〔C〕 北京: 机械工　　〔13〕 欧阳明 从普通压铸、挤压、低压铸造机的改造认识挤压压铸　　业出版社 , 156 - 161　　技术〔A〕 第四届中国国际压铸会议论文集〔C〕 北京: 机械　　〔4〕 唐玉林 , 苏仕方 , 徐爽 从世界压铸工业及市场发展看我国压　　工业出版社 , 109 - 115　　铸工业〔A〕 第四届中国国际压铸会议论文集 北京: 机械工　　〔14〕 靳玉春 , 郭琪敏 , 许小忠 , 等 液态镁合金气体保护方法研究　　业出版社 , 2004 , 1 - 10　　发展趋势〔A〕 第四届中国国际压铸会议论文集〔C〕 机械工　　〔5〕 Mamoru Murakami , Hiroyuki O High vacuum die cast tech2　　业出版社 , 167 - 172　　nology and its application〔A〕 第四届中国国际压铸会议论文集　　〔15〕 张艳 , 吴伟 , 等 镁合金压铸充型过程的优化〔A〕 第四届中　　〔C〕 北京: 机械工业出版社 , 16 - 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低压铸造是介于压力铸造与重力铸造之间的一种铸造方法，具有金属液充型平稳，铸件组织致密，工艺出品率高，易实现自动化等优点，特别适用于复杂、薄壁铸件的生产，在现代工业中应用非常广泛。今后在铸造行业中发展前景还是很好的，其质量与成品率随着技术的发展也是很高的。

低压铸造法的雏形可以追溯到上世纪初。适用于铝合金是1917年在法国，1924年在德国提出的申请，但并没有形成大规模的工业生产。为商业的目的而开始生产是在二战以后的1945年，由英国的路易斯先生创立了阿鲁马斯库公司，开始生产雨水管道、啤酒容器等。在那以后的五十年代里，奥地利和德国开始生产气缸头。1958年美国的泽讷拉路默它斯在小型汽车的发动机零件上（气缸头、箱体、齿轮箱）大量运用了铝合金铸件，并采用了低压铸造法。这件事对至今仍广泛采用的低压铸造法而言是不可或缺的推动，特别是在全世界的汽车工业界引起了极大的反响。低压铸造法被介绍进我国是1957年左右，但真正引起业界的注意，开始进行各种研究、引进设备是从1960年左右开始的。但是这种打破了以往常识的划时代的工艺方法，几乎没有冒口，与已经作为一种“技术”确立起来的重力金型铸造的技术相比具有完全不同的难度，因此业界的反应比较冷淡。