鎂合金及鋁合金壓鑄技術(shù)

壓鑄合金材料及性能介紹MSEGPCMIQC/SQE陳懇課長(zhǎng)2005.2.22.

一

壓鑄鋁合金和鋅合金成分牌

號(hào)化

學(xué)

成

份,%CuSiMgZnFeMnNiSnAlADC12(JIS)1.5~3.510.5~12.0≦0.3≦1.0≦1.3≦0.5≦0.5≦0.30余量A384(Alcoa)3.0~4.510.5~12.0≦0.1≦1.0≦1.3≦0.5≦0.5≦0.35余量ZA120.5~1.2

0.02~0.03余量≦0.065

≦0.00210.8~11.5ZDC-1(Alloy5)0.75~1.25

0.03~0.06余量≦0.075

≦0.0013.9~4.3ZDC-2(Alloy3)

≦0.03余量

3.9~4.3二

壓鑄合金性能

性能指標(biāo)ADC12(鋁合金)A384(鋁合金)ZA12(鋅合金)ZDC-1(鋅合金)ZDC-2(鋅合金)抗拉強(qiáng)度,Mpa296330404292~335247~286屈服強(qiáng)度,Mpa186165320

延伸率,%2.02.559~1415~25剪切強(qiáng)度,Mpa193200296273216疲勞強(qiáng)度,Mp548比重2.702.8236.036.76.7熔點(diǎn),℃580580432388387熱膨脹系數(shù)(10-6度-1)21.020.724.12727熔化溫度範(fàn)圍,℃620~680615~700460~490395~425395~425三.

壓鑄合金的選擇1.

依強(qiáng)度或承載能力考慮,鋅合金ZA12占優(yōu)勢(shì),其它合金大致相當(dāng).設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)先進(jìn)行強(qiáng)度校核,以便選擇合理的工件尺寸或合金類型.2.

依壓鑄模具壽命考慮,鋅合金壓鑄溫度低,流動(dòng)性優(yōu)於鋁合金,模具壽命可達(dá)數(shù)十萬(wàn)次.鋁合金壓鑄則因溫度高,易粘模等因素,模具使用在幾萬(wàn)次后均要返修.故要達(dá)到30萬(wàn)次模具壽命,應(yīng)優(yōu)選鋅合金.3.

在產(chǎn)品輕量化方面,鋅合金不占優(yōu)勢(shì),但作為機(jī)箱腳架,比鋁合金穩(wěn)定性好.4.

依料源考慮,ADC12或A384鋁合金商業(yè)

應(yīng)用很廣.商用鋅合金則以ZDC-1及ZDC-2市面上應(yīng)用較廣,料源易於取得;ZA12則主要用于高強(qiáng)度場(chǎng)合的汽車(chē),五金及農(nóng)用零件等,料源需要考慮.

建議用ZA12,如因料源問(wèn)題,ZDC-2(Alloy3)可作替代.

特性

鎂

鋁

鋅

單位

結(jié)構(gòu)

六角晶體

面心立方正體

六角晶體

密度(固態(tài)),20

C174027007140kg/m3密度(液態(tài)),650(鎂),660(鋁)159023856560kg/m3溶點(diǎn)

650660420

C溶熱/質(zhì)量

370396101kJ/kg溶熱/體積

590940670MJ/m3比熱容,20

C1.0260.920.385kJ/kgK比熱容Mg627

C,Al658

C,Zn300

C1.3451.130.42kJ/kgK表一.純鎂、鋁及鋅的特性比較

比熱容,650-825

C1.3961.080.48kJ/kgK線膨脹係數(shù),20

C26x10-622x10-6

29x10-6

K-1線性膨脹係數(shù),400

C29x10-6

26.5x10-6

-K-1凝點(diǎn)體積收縮

4.26.66.9%熱傳導(dǎo),20

C155238120W/Km熱傳導(dǎo),400

C130-97W/Km熱傳導(dǎo),700

C819567W/Km導(dǎo)電性,20

C22.43616.8MS/mE-module4570100GPa動(dòng)力黏度,液態(tài)

1.24x10-3

1.0x10-3

3.9x10-3

Pas運(yùn)動(dòng)黏度,液態(tài)

0.78x10-6

0.42x10-6

0.59x10-6

m2/s四﹑壓鑄工藝及設(shè)備1﹒鎂是一種很好的壓鑄材料，鎂的特性使它在壓鑄上比鋁和鋅等非鐵類材料更優(yōu)勝（見(jiàn)表1）。而鎂合金可在冷室和熱室進(jìn)行壓鑄。於1967年，F(xiàn)rech公司製造了世界第一臺(tái)系列生産的熱室壓鑄機(jī)。日本、南韓、臺(tái)灣和新加坡等國(guó)家在鎂合金技術(shù)的發(fā)展已有一段時(shí)間，鎂合金將是未來(lái)其中一個(gè)高增值的工業(yè)，鎂合金壓鑄可分爲(wèi)冷室壓鑄和熱室壓鑄，一般都以鑄件的特性來(lái)決定使用其中一種方法，本文會(huì)從壓鑄機(jī)、下模、部件特性和壓鑄工序作一比較，讓讀者對(duì)鎂合金的壓鑄有進(jìn)一步瞭解。比熱容,650-825

C1.3961.080.48kJ/kgK線膨脹係數(shù),20

C26x10-622x10-6

29x10-6

K-1

線性膨脹係數(shù),400

C

29x10-6

26.5x10-6

-K-1

凝點(diǎn)體積收縮

4.26.66.9%熱傳導(dǎo),20

C155238120W/Km熱傳導(dǎo),400

C130-97W/Km熱傳導(dǎo),700

C819567W/Km導(dǎo)電性,20

C22.43616.8MS/mE-module4570100GPa動(dòng)力黏度,液態(tài)

1.24x10-3

1.0x10-3

3.9x10-3

Pas運(yùn)動(dòng)黏度,液態(tài)

0.78x10-6

0.42x10-6

0.59x10-6

m2/s2﹒設(shè)備﹕現(xiàn)時(shí)冷室或熱室壓鑄在使用上沒(méi)有一方特別優(yōu)勝，一般認(rèn)爲(wèi)鑄件小於1kg會(huì)採(cǎi)用熱室壓鑄機(jī)，而鑄件超過(guò)1kg時(shí)鑄造則採(cǎi)用冷室壓鑄機(jī)。德國(guó)阿倫大學(xué)(ArbeigeitsgemeinschaftMetallguss)與附近的壓鑄廠的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)爲(wèi)此看法是存在問(wèn)題的。而此文章將會(huì)總結(jié)鑄造廠與德國(guó)阿倫大學(xué)所得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。目前最大的鎂熱室壓鑄機(jī)是DAM800型號(hào)，合模力9300噸和6.5kg射料量（實(shí)爲(wèi)4.5kg）。熱室壓鑄機(jī)中鵝頸彎管的大小限制壓鑄工藝的應(yīng)用，而實(shí)驗(yàn)證明有經(jīng)驗(yàn)的鎂鑄造廠能克服大鵝頸彎管的缺點(diǎn)。3﹒比壓要求

由於鎂具有較低比熱容，令鎂的冷卻速度較快，薄壁鑄件的填充時(shí)間非常短，當(dāng)填充過(guò)程結(jié)束時(shí)，澆口的金屬已經(jīng)冷卻。在採(cǎi)用冷室壓鑄工藝時(shí)，增壓不能經(jīng)澆口填充金屬。對(duì)薄壁工件來(lái)說(shuō)，由於沒(méi)有原壁件的縮孔問(wèn)題，增壓並不重要。採(cǎi)用熱室壓鑄方法鑄造薄壁工件，鑄造壓力只需要160巴到250巴。從鵝頸彎管經(jīng)過(guò)熱噴嘴直接進(jìn)入型腔，金屬溫度大約在640℃。冷室壓鑄是有兩個(gè)步驟，首先，在680℃的溫度下，定量注入室溫的射料筒進(jìn)行填充鑄型，金屬?gòu)奶坠鼙谏蠒?huì)開(kāi)始冷卻。活塞便以400巴到500巴的壓力將金屬推入模內(nèi)鑄型。由於套管會(huì)冷卻部分金屬料，加快活塞推動(dòng)速度能減少填充時(shí)間。

(注：巴爲(wèi)壓力的單位，1巴＝105帕)

4﹒機(jī)器和周期

由於採(cǎi)用熱室壓鑄工藝只需要約160巴到250巴的比壓，因此可以選擇比冷室鑄機(jī)合模力小一半的壓鑄機(jī)。而相對(duì)熱室壓鑄工藝，由於行程較長(zhǎng)，冷室壓鑄工藝的第一階段需較長(zhǎng)的時(shí)間；而採(cǎi)用熱室壓鑄的，可採(cǎi)用比較小的壓鑄機(jī)，因此熱室壓鑄的周期較短。

表二.鎂壓鑄工藝的比較

特性

單位

熱室

冷室

合模力

KN至10,000至40,000壓鑄容量

l/s至30至200空壓射速度

m/s至6至11周期

s至10至30比壓

Bar160-250400-14005﹒所需空間

熱室壓鑄機(jī)的外形更加細(xì)小，且熔爐已與機(jī)座合成一體。

6﹒活塞速度

冷室壓鑄工藝需要更快的活塞推動(dòng)速度。鑄型的填充時(shí)間和鑄件壁厚決定活塞的推動(dòng)速度，採(cǎi)用熱室壓鑄工藝，在250巴的最大澆鑄壓力下可以達(dá)到130m/s的最大澆口速度。採(cǎi)用冷室壓鑄工藝，在1400巴的最大澆鑄壓力下，可以達(dá)到250m/s的最大澆鑄速度。在實(shí)際生産時(shí)，推薦的澆鑄速度在50m/s到100m/s之間，而在冷室壓鑄時(shí)，快的澆鑄速度會(huì)磨蝕澆口，令模具壽命縮短。

專案

單位

熱室

冷室

注

薄壁工件的比壓

bar

160-250

400-500(沒(méi)有增壓)

厚壁工件的比壓

bar

至1400(有增壓)

機(jī)器尺寸

%

100

約大150

周期

%

70

100

需要空間

%

80

100

活塞速度

m/s

1.5-3

4-7

澆注量

不變

變

冷室:注入溶爐

壓鑄空氣含量

較少

較多

冷室:料筒內(nèi)空氣

溶爐金屬溫度

C

640680

金屬溫度差

較低

較高

金屬潔淨(jìng)度

良

不好（受活塞潤(rùn)滑劑污染）

熱室:金屬流動(dòng)路程較短

澆口和溢流井

%

30-5040-70

表三.熱室和冷室壓鑄的比較

易損件成本

%

10070熱室:鵝頸工件更換

惰性氣體消耗

+-冷室:金屬溫度較高

冷室填充射料筒的加熱

+-在薄壁和小體積的工件

氧化物産生

+-冷室:較高溫度增加氧化物産生

壓鑄參數(shù)

下模溫度充填時(shí)間

澆口

活塞速度

活塞直徑

Cms

m/s

m/s

mm

250

15

71

2.5

90

270130824.870熱室較易控制

效率

-+更換鵝頸工件

7﹒澆鑄量和澆鑄系統(tǒng)中的空氣

在熱室壓鑄工藝中，澆鑄的份量是固定的。而冷室壓鑄，會(huì)因定量爐的定量控制而約有3%的變化。而在冷室壓鑄過(guò)程中，超過(guò)50%的空氣會(huì)由套管和配件被壓入鑄型而進(jìn)入鑄件，大直徑射料筒內(nèi)的空氣會(huì)被壓入型腔內(nèi)。

而必須注意的是當(dāng)溶化溫度超過(guò)700℃時(shí)，空氣的影響會(huì)增強(qiáng)，氧化物渣滓會(huì)大量增加。

8﹒金屬溫度的變化

在熱室壓鑄中，從金屬池到噴嘴，金屬的溫度不變。在冷室壓鑄中，金屬的溫度會(huì)在定量泵和射料筒位置轉(zhuǎn)變。

表四.金屬於溶爐的溫度

合金

熱室

C冷室

CAZ91HP630660AM60HP640670AM50HP650680AM20HP-6809﹒金屬的潔淨(jìng)

在冷室壓鑄過(guò)程，射料筒內(nèi)的氧化物非常多。此外，冷室壓鑄機(jī)的活塞必須潤(rùn)滑，導(dǎo)致了氫原子在熔化金屬中被吸收。

10﹒澆口和溢流井

熱室壓鑄工藝沒(méi)有剩餘量(Biscuit)。

11﹒易損件成本

熱室壓鑄機(jī)的鵝頸彎管是以較昂貴和耐熱的鋼製造。約10萬(wàn)到20萬(wàn)次運(yùn)作後，鵝頸彎管需要維修.

12﹒惰性氣體的消耗

冷室壓鑄機(jī)工作的金屬溫度較高，並且在配料過(guò)程中惰性氣體需要持續(xù)注入射料筒，因而導(dǎo)致惰性氣體散發(fā)到空氣中。

13﹒冷室填充射料筒的加熱

在冷室壓鑄機(jī)中，爲(wèi)了減少射料筒中冷卻速度，當(dāng)澆鑄表面大的薄壁鑄件時(shí)，建議最好對(duì)射料筒進(jìn)行加熱，同時(shí)也可以減少溫度變化而導(dǎo)致的變形影響。

14﹒氧化物的形成

在冷室壓鑄機(jī)中金屬表面較大和金屬溫度較高的情況下，將形成更多的氧化物。

15﹒效率

熱室壓鑄機(jī)的磨損部件如鵝頸彎管、活塞及活塞環(huán)的更換要比冷室壓鑄機(jī)的活塞和配料泵的更換需要更長(zhǎng)的時(shí)間。

五﹑鎂冷室機(jī)與熱室機(jī)壓鑄工藝的比較

表六.鎂壓鑄工藝?yán)涫液蜔崾业蔫T件比較

單位

熱室

冷室

注

最小壁厚(100x100)mm0.81.2

壁強(qiáng)度(1mm厚)

+0熱室較強(qiáng)

壁延展度(1mm厚)

+0熱室較強(qiáng)

砂孔

+-約1:2縮孔

-+約2:1表面硬度(2mm厚)HB1075-8778-89AZ91HP表面硬度(4mm厚)HB1072-8772-87AZ91HP表面潔淨(jìng)

+-

尺寸公差

+-

鎂合金材料

AZ91,AM60AZ91,AM60,AM50,AM20

1﹒強(qiáng)度和延伸性

調(diào)查顯示，薄壁熱室壓鑄件的強(qiáng)度和延伸性比冷室鑄造的高(見(jiàn)表6)，這將會(huì)影響薄壁鎂鑄件的設(shè)計(jì)，在採(cǎi)用熱室壓鑄機(jī)鑄造厚的元件將會(huì)減少。如果厚壁鑄件需要更好的延伸性，鑄型可採(cǎi)用真空以使延伸性提高約20%。2﹒氣孔由於冷室壓鑄機(jī)有較大的射料筒，相應(yīng)的澆鑄系統(tǒng)也就存在更多的空氣。3﹒縮孔縮孔存在於壁厚的鑄件或材料從薄壁處流向厚壁處，