摘 要 鎂合金作為最輕的工程金屬材料，被譽(yù)為“二十一世紀(jì)的綠色工程材料”。當(dāng)前資源和環(huán)境已成為人類可持續(xù)發(fā)展的首要問題。隨著金屬材料消耗量的急劇上升和科學(xué)技術(shù)革新的飛速發(fā)展、大規(guī)模生產(chǎn)工藝的出現(xiàn)和廣泛使用，使得加速開發(fā)鎂材料對保持社會可持續(xù)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。本文主要論述壓鑄鎂合金的性能和特點(diǎn)以及鎂合金壓鑄模的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。 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 錄 第一章 緒 論 .1 1.1 鎂合金應(yīng)用概述 .1 1.2 鎂合金在汽車工業(yè)上的應(yīng)用 .1 第二章 壓鑄模設(shè) 計(jì)概述 .3 2.1 引言 .3 2.2 壓鑄機(jī)的壓鑄過程簡述 .3 2.2.1 熱室壓鑄機(jī)的壓鑄過程 .3 2.2.2 冷室壓鑄機(jī)的壓鑄過程 .4 2.2.2.1 立式冷室壓鑄機(jī)的壓鑄過程 .5 2.2.2.2 臥式冷室壓鑄機(jī)的壓鑄過程 .6 2.2.2.3 全立式壓鑄機(jī)的壓鑄過程 .7 2.2.2.4 升舉壓室壓鑄機(jī)的壓鑄過程 .9 2.3 壓鑄模的結(jié)構(gòu)組成 .10 2.3.1 壓鑄?；窘Y(jié)構(gòu) .10 2.3.2 壓鑄模結(jié)構(gòu)示例 . 11 2.3.2.1 熱室壓鑄機(jī)用壓鑄模。 . 11 2.3.2.2 立室壓鑄機(jī)用壓鑄模。 .12 2.3.2.3 臥室冷室壓鑄機(jī)用壓鑄模。 .13 2.3.2.4 全立式壓鑄機(jī)用壓鑄模。 .14 第三章 鎂合金用壓鑄模設(shè)計(jì)特點(diǎn) .16 3.1 鎂合金的選擇 .16 3.2 壓鑄機(jī)的選擇 .16 3.3 鎂合金壓鑄模設(shè)計(jì)要點(diǎn) .16 第四章 工藝參數(shù)對壓鑄 AM60B 鎂合金組織缺陷影響實(shí)驗(yàn) .17 4.1 實(shí)驗(yàn)描述 .17 4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 .17 4.2.1 澆注溫度對鑄件缺陷的影響 .17 4.2.2 模具溫度對鑄件缺陷的影響 .18 4.2.3 壓射速度對鑄件缺陷的影響 .19 4.2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 .19 參考文獻(xiàn) .21 致 謝 .22 1 第一章 緒 論 1.1 鎂合金應(yīng)用概述 鎂合金作 為最 輕質(zhì)的金屬工程結(jié)構(gòu)材料，因其具有比重輕、比強(qiáng)度、比剛度高；阻尼減振、降噪能力、抗輻射能力強(qiáng)，特別適合在交通工具、手動工具、航空航天及國防軍工等領(lǐng)域應(yīng)用。但塑性差、強(qiáng)度低、彈性模量低、耐蝕性和耐熱性差等缺點(diǎn)限制了鎂合金在工業(yè)上的應(yīng)用 1-4。眾所周知，復(fù)合材料既能保留原有材料的主要特性，還能通過材料復(fù)合獲得原組分不具備的性能。復(fù)合材料按增強(qiáng)體類型可分為：疊層式復(fù)合材料、片材增強(qiáng)復(fù)合材料、顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 5。因此，通過向鎂合金中加入高強(qiáng)度，高彈性模量，高熱穩(wěn)定性能的晶須、纖維、顆粒等制備 復(fù)合材料已成為開發(fā)應(yīng)用鎂合金的重要手段之一。 1.2 鎂合金 在汽車工業(yè)上的應(yīng)用 二十世紀(jì)末，能源危機(jī)日趨嚴(yán)重，環(huán)保法規(guī)日益嚴(yán)格，使現(xiàn)代汽車減重節(jié)能的要求不斷高漲，輕量化已成為汽車選材的主要發(fā)展方向。汽車質(zhì)量每降低100kg，每百公里油耗可減少 0.7，汽車自重每降低 10%，燃油效率可以提高5.5%，故發(fā)達(dá)國家不斷加強(qiáng)對汽車等交通工具能源消耗和廢氣污染的限制 ,促使汽車制造廠重視汽車的輕量化發(fā)展。鎂合金作為工業(yè)應(yīng)用最輕的金屬材料和良好的阻尼減震性能，具有在體積相同時(shí)比鋁合金輕 36%、鋅合金輕 73%、鋼輕77%的特點(diǎn)，成為汽車輕量化的首選材料，其開發(fā)應(yīng)用受到了各國的重視。福特汽車公司于 1998 年推出的輕質(zhì)概念車 2000,計(jì)劃使用 103 kg 的鎂合金零部件。然而 ,從總體來看 ,目前鎂合金在汽車上的用量還很少 ,每部車在 0.5 17kg 之間變化，平均使用量為 3 kg。根據(jù)汽車中典型鎂構(gòu)件的估計(jì)重量及統(tǒng)計(jì)，每輛汽車上鎂件的重量可達(dá)到 50 80kg。到 2006 年 ,若每輛轎車僅使用 40kg鎂壓鑄件，按現(xiàn)在轎車的總產(chǎn)量 5000 萬輛計(jì)算，則可達(dá)到 2000kt 的用量。隨著鎂合金成形工藝技術(shù)的進(jìn)一步提高 ,新開發(fā)的鎂合金結(jié)構(gòu)件將采用高 性能的鎂合金 (如變形鎂合金等 )，鎂合金在汽車上的應(yīng)用潛力將進(jìn)一步發(fā)揮。 進(jìn)入 90 年代以來，我國汽車 工業(yè) 領(lǐng)域有了極大的發(fā)展，單就轎車擁有量的增長幅度就高達(dá) 91 倍，汽車輕量化、高速、節(jié)能等問題也日益突出， 但是 ， 90 年 2 代前期 國內(nèi)只有上海乾通汽車附件有限公司為上海大眾汽車公司的桑塔納轎車配套生產(chǎn)的變速箱殼體是利用德國技術(shù)由鎂合金壓鑄生產(chǎn)的，鎂合金用量僅為8.5kg/輛，而國外汽車的鎂合金用量平均為 40kg/輛，可見要達(dá)到世界標(biāo)準(zhǔn)、提高產(chǎn)品競爭力，我國汽車行業(yè) 還有較長的路要走 。 1998 年，中科院現(xiàn)代制造技術(shù) CAD/CAM 開放試驗(yàn)室、中科院金屬材料疲勞與斷裂國家重點(diǎn)試驗(yàn)室、沈陽工業(yè)大學(xué)和中國第一汽車集團(tuán)聯(lián)合進(jìn)行了鎂合金壓鑄研究及開發(fā)項(xiàng)目。 “九五 ”期間，北京有色金屬總院國家有色金屬復(fù)合材料工程技術(shù)研究中心和東風(fēng)汽車公司共同承擔(dān)了國家 “九五 ”科技攻關(guān)項(xiàng)目 “轎車鋁、鎂合金新材料及鑄造生產(chǎn)技術(shù)的應(yīng)用研究 ”專題子項(xiàng) “鎂合金材料在轎車上的應(yīng)用研究 ”，目前對鎂合金零件的使用性能 的 檢驗(yàn) 已完成，下屬東風(fēng)電子科技汽車制動系統(tǒng)公司正在進(jìn)行批量化生產(chǎn)擴(kuò)展 。 1999 年，清華大學(xué)與力勁公司聯(lián)手創(chuàng)立了 “清華 -力勁壓鑄高新技術(shù)研究中心 ”，旨在實(shí)現(xiàn)進(jìn)口鎂 合金壓鑄設(shè)備國產(chǎn)化，開發(fā)汽車、計(jì)算機(jī)等行業(yè)鎂合金零部件的生產(chǎn)新工藝，為鎂合金大規(guī)模的應(yīng)用提供裝備與技術(shù)保障，目前已邁出了可喜的一步，實(shí)現(xiàn)了鎂合金壓鑄機(jī)關(guān)鍵進(jìn)口部件的國產(chǎn)化，具備了向國內(nèi)企業(yè)提供 鎂壓鑄 裝備的能力， 現(xiàn)在已經(jīng)制造出了 160-3000 噸冷、熱室兩大系列共 10 多款機(jī)型， 而且壓鑄機(jī)的自控精度已與國外壓鑄機(jī)相當(dāng)，使生產(chǎn)高質(zhì)量的鎂合金壓鑄件成為可能 2001 年 8 月，我國將 鎂合金應(yīng)用與開發(fā) 列為國家計(jì)委和科技部聯(lián)合下發(fā)的 十五 國家科技發(fā)展規(guī)劃中材料領(lǐng)域的重點(diǎn)任務(wù)，同時(shí) 鎂合金應(yīng)用開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化 作為十五計(jì)劃的 第一批項(xiàng)目正式啟動。項(xiàng)目正式啟動后一年多時(shí)間內(nèi)，共投入國撥經(jīng)費(fèi) 4100 萬元，吸引各方面資金近億元；全國共有 21 個(gè)省市自治區(qū)的 個(gè)研究院所、所高校、 20 家企業(yè)直接參與了項(xiàng)目實(shí)施。 按照科技部在“鎂合金應(yīng)用開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”方面的總體戰(zhàn)略部署，目前取得了顯著的階段性成果，初步建立了鎂合金技術(shù)研發(fā)到產(chǎn)業(yè)化試點(diǎn)的技術(shù)研發(fā)體系，突破了一批前沿核心技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)，在全國建立了一批產(chǎn)業(yè)化示范基地。 3 第二章 壓鑄模設(shè)計(jì)概述 2.1 引言 壓鑄模是進(jìn)行壓鑄生產(chǎn)的主要工藝裝備。在經(jīng)濟(jì)批量生產(chǎn)中，鑄件質(zhì)量合格率的高低 ，作業(yè)特環(huán)的快慢，模具制造的難易及其使用壽合，在委大程度上受壓鑄模設(shè)計(jì)的正確、合理、先進(jìn)和適用的程度的制約。壓鑄模制造費(fèi)用高，制成后難以進(jìn)行大的修改。所以設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)對模具設(shè)計(jì)和壓鑄技術(shù)有充分的了解，并細(xì)致地分析產(chǎn)品的具體特點(diǎn)，才能在壓鑄模設(shè)計(jì)上順利地達(dá)到預(yù)期的效果。 2.2 壓鑄機(jī)的壓鑄過程簡述 壓鑄機(jī)按壓射室的特點(diǎn)可分為熱室壓鑄機(jī)和冷室外壓鑄機(jī)兩類。 2.2.1 熱室壓鑄機(jī)的壓鑄過程 適用于鋅合金、鎂合金及錫、鉛等低熔點(diǎn)合金的熱室壓鑄機(jī)的壓鑄過程如圖 2-1所示。 4 圖 1-1 熱室壓鑄機(jī)的壓鑄過程 a 合模狀態(tài) b .壓時(shí) c. 沖頭回程 -開模 -推出鑄件 2.2.2 冷室壓鑄機(jī)的壓鑄過程 冷室壓鑄機(jī)按壓射室及合模裝置的位置特點(diǎn)又區(qū)分為多種式樣的機(jī)型 ,其壓鑄過程亦有差異。 5 2.2.2.1 立式冷室壓鑄機(jī)的壓鑄過程 立式冷室壓鑄機(jī)特別適合采用中心澆口技術(shù) ,其壓鑄過程如圖 2-2。 圖 2-2 立式冷室壓鑄機(jī)壓鑄過程 6 2.2.2.2 臥式冷室壓鑄機(jī)的壓鑄過程 臥式冷室壓鑄機(jī)是應(yīng)用最廣泛的機(jī)型 ,其壓鑄過程如圖 2-3。 圖 2-3 臥式冷室壓鑄機(jī)壓鑄過程 7 2.2.2.3 全立式壓鑄機(jī)的壓鑄過程 全立式壓鑄機(jī)的特點(diǎn)是壓射室和合模裝置都呈與地平面垂直的位置，按其沖頭運(yùn)動的特點(diǎn)又分為兩種機(jī)型。 A 沖頭上壓式全立式壓鑄機(jī)，壓鑄過程如圖 2-4。 圖 2-4 沖頭上升式全立式壓鑄機(jī)壓鑄過程 8 B 沖頭下壓式全立式壓鑄機(jī)，壓鑄過程如圖 2-5。 圖 2-5 沖頭下降式全立式壓鑄機(jī)壓鑄過程 9 2.2.2.4 升舉壓室壓鑄機(jī)的 壓鑄過程 升舉壓室壓鑄機(jī)是適于生產(chǎn)致密高品質(zhì)鑄件的新機(jī)型，其壓鑄過程如圖 2-6。 圖 2-6 升舉壓室壓鑄機(jī)壓鑄過程 10 2.3 壓鑄模的結(jié)構(gòu)組成 2.3.1 壓鑄模基本結(jié)構(gòu) 壓鑄模的基本結(jié)構(gòu)如圖 2-7 所示。圖中分型線 A-A 右邊那一增模具稱為定模。定模這部分是固定在壓鑄機(jī)定模安裝板上的。 A-A 左邊那一半模具稱為動模。動模這部分是隨壓鑄機(jī)動模安裝板開合移動的。 11 圖 2-7 壓鑄模的基本結(jié)構(gòu) 2.3.2 壓鑄模結(jié)構(gòu)示例 2.3.2.1 熱室壓鑄 機(jī)用壓鑄模。 熱室壓鑄機(jī)用壓鑄模的基本結(jié)構(gòu)如圖 2-8 所示。 圖 2-8 熱室壓鑄機(jī)用壓鑄模基本結(jié)構(gòu) 12 2.3.2.2 立室壓鑄機(jī)用壓鑄模。 立式冷室壓鑄機(jī)用壓鑄模的基本結(jié)構(gòu)如圖 2-9 所示。 圖 2-9 立室壓鑄機(jī)用壓鑄?；窘Y(jié)構(gòu) 13 2.3.2.3 臥室冷室壓鑄機(jī)用壓鑄模。 如圖 2-10 所示為臥式冷室壓鑄機(jī)偏心澆口壓鑄模的基本結(jié)構(gòu)。如圖 2-11 所示為臥式冷室壓鑄機(jī)中心澆口壓鑄模的基本結(jié)構(gòu)。 圖 2-10 臥室機(jī)偏心澆口壓鑄?；窘Y(jié)構(gòu) 14 圖 2-11 臥室機(jī)中心澆口壓鑄模基本結(jié)構(gòu) 2.3.2.4 全立式壓鑄機(jī)用壓鑄模。 15 如圖 2-12 所示為全立式壓鑄機(jī)用壓鑄模的基本結(jié)構(gòu)。 圖 2-11 全立式壓鑄機(jī)用壓鑄模基本結(jié)構(gòu) 16 第三章 鎂合金用壓鑄模設(shè)計(jì)特點(diǎn) 3.1 鎂合金的選擇 壓鑄合金的選擇不僅要考慮到其物理性能、力學(xué)性能和化學(xué)成分，同時(shí)也要考慮到合金因有的特性及其對壓鑄件加工性能及表面質(zhì)量的影響。 AZ91D和 AZ81在工業(yè)壓鑄鎂合中具有最高強(qiáng)度。而 AZ91D則是慶用最為廣泛的壓鑄鎂合金，具有優(yōu)良的耐蝕性能、鑄造性能和強(qiáng)度，而 AM60B、 AM50A以及 AM20合金應(yīng)用于有良好伸長 率、韌性以及沖擊韌性且具一定強(qiáng)度的工況下。 3.2 壓鑄機(jī)的選擇 鎂合金鑄件應(yīng)選擇熱室壓鑄機(jī)或是冷室壓鑄機(jī)進(jìn)行加工，主要取決于這個(gè)鑄件的壁厚。在一般情況下，小于 1Kg的鑄件需要采用熱室壓鑄機(jī)，以保證薄壁件的充型完整，大件則可以使用冷室壓鑄機(jī)。 3.3 鎂合金壓鑄模設(shè)計(jì)要點(diǎn) 鎂合金具有妨好的壓鑄工藝性能，在壓鑄模的設(shè)計(jì)過程中，需要結(jié)合鎂合金的壓鑄特性，選擇適合的工藝參數(shù)及以模具設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。 熔化的鎂合金對鋼鐵沒有親和性，這點(diǎn)與鋁不同，因此可使模具壽命延長，其他情況如熱學(xué)約 650和機(jī)械力學(xué)比壓對模具的沖擊與加工 鋁鑄件時(shí)相仿。鎂合金溶液很局面在模具型腔中凝固。這要求充型時(shí)間短，壓射沖頭速度高。 鎂合金壓鑄模特點(diǎn)： 1充型時(shí)間短（約為 10-100ms） 2內(nèi)澆口速度約為 90-100ms 3內(nèi)澆口厚度薄 4模具溫度為 220 240 5理想的澆道 6斜度小 7鎂流動性好，為了避免形成毛邊，模具塑固度要求高。 17 第四章 工藝參數(shù)對壓鑄 AM60B 鎂合金組織缺陷影響實(shí)驗(yàn) 結(jié)合第三章提到的鎂合金壓鑄模設(shè)計(jì)特點(diǎn)，本章研究了壓鑄工藝參數(shù)為AM60B 鎂合金組織缺陷的影響，并分析產(chǎn)生原因，提出解決措施。 4.1 實(shí)驗(yàn)描述 壓鑄試驗(yàn)材料 :AM60B 鎂合金 ,其化學(xué)成分見表 1-1。 實(shí)驗(yàn)條件：全封閉坩堝電阻爐內(nèi)熔煉合金，并通入 Ar 氣保護(hù)。 實(shí)驗(yàn)設(shè)備： DAK 450-54 型全自動冷室壓鑄機(jī)制備試樣，使用 MeF3 金相顯微鏡對試樣組織觀察。 表 1-1 AM60B 化學(xué)成分列表 4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 4.2.1 澆注溫度對鑄件缺陷的影響 隨澆注溫度升高 ,合金液體中含氫量增加 ,合金密度下降 ,當(dāng)澆注溫度從 640升高到 725 時(shí)，氫氣在鎂合金中的溶解度提高兩倍，達(dá)到了 100cm/Kg，在凝固過程中，氫氣的溶解度又降到了 24 cm/Kg，而此時(shí)，過量的氫氣在型腔中釋放，基中一部分以氫氣孔的形式保留在合金中，氫氣孔的數(shù)量和尺寸會隨著澆注溫度的升高而增大，當(dāng)澆注溫度高于 710時(shí)，合金液在澆注時(shí)氧化加劇，易混入夾雜物，使鑄件的致密度降低，這些雜質(zhì)的聚集增大了裂紋出現(xiàn)的幾率，澆注溫度過高還易發(fā)生飛濺并產(chǎn)生毛刺，合金收縮大，鑄件內(nèi)部易出現(xiàn)縮孔和裂紋等缺隱，合鑄件力學(xué)性能降低，但當(dāng)澆注溫度低于 650時(shí)，則不利于沖型，容易產(chǎn)生冷隔，表面流紋以及充型不滿等缺陷，適宜的澆注溫度可以使合金液體獲得良好的充型能力，使鑄件的性能優(yōu)良，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明， AM60B 合金的澆注溫度為 680比較適宜。 18 4.2.2 模具溫度對鑄件缺陷的影響 模具溫度直接影響模具的激冷能力，進(jìn)而影響合金的力學(xué)性能和鑄件的品質(zhì)，合適的模具溫度可以避免高溫液態(tài)金屬對冷壓鑄模的“熱沖擊”，延長壓鑄模的使用壽命，在壓鑄過程中，高溫金屬液直接沖擊型腔，會使模具的溫度產(chǎn)生周期性變化，如果模具溫度變化幅度大，在熱應(yīng)力作用下，模具易產(chǎn)生疲勞失，如果模具溫度過高，激冷效果差，成形的鎂合金晶粒粗大，力學(xué)性能降低，且模具與鑄件間粘著力增大，易產(chǎn)生粘模及拉傷，模具溫度適宜時(shí)，則預(yù)先凝固的金屬殼受到激冷， 凝固過程中溫度梯度過大，加快鑄件的凝固速度，成型合金晶粒細(xì)小，組織致密，具有較好的力學(xué)性能，模具溫度過低，則使瞬間凝固產(chǎn)生的應(yīng)力來不及釋放，導(dǎo)致裂紋，而如果不能及時(shí)補(bǔ)縮，則產(chǎn)生縮孔，冷隔及澆不足等缺陷，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表時(shí)，模具溫度為 180為適宜模具溫度。 19 4.2.3 壓射速度 對鑄件缺陷的影響 鎂合金比熱容小，結(jié)晶時(shí)釋放熱量相對較少，且鑄件與型腔界面接觸緊密，導(dǎo)熱良好，所以鎂合金壓鑄時(shí)的，模具的沖頭速度較一般金屬快，這種快速凝固的特性限制了來自于澆道中的金屬液補(bǔ)縮流動，沖頭速度過低，金屬液的流動慢，致使遠(yuǎn)離澆道 處的收縮得不到充分補(bǔ)償，形成疏松，澆不足等缺陷，而且鑄件內(nèi)部的凝固速度比表面慢，其組織晶粒粗大，外殼層與心部有著不同的凝固速度導(dǎo)致收縮不同時(shí)，而心部金屬液的凝固體積遠(yuǎn)大于殼層，因此心部的凝固收縮量也大于殼層。這樣，殼層金屬和心部金屬之間會形成熱應(yīng)力，如果沒有足夠的沖頭速度使金屬液補(bǔ)充心部收縮，熱應(yīng)力將會導(dǎo)致鑄件表層形成大量裂紋。而如果壓射速度過高則會導(dǎo)致氣體和夾雜物的混入，使鑄件的密度降低，這些雜質(zhì)和氣孔會增加裂紋出現(xiàn)的向率，導(dǎo)致鑄件的力學(xué)性能的降低，實(shí)驗(yàn)表明，適宜的壓射速度為 3m/s。 4.2.4 實(shí)驗(yàn) 結(jié)果分析 1澆注溫度低于 650時(shí) ,容易產(chǎn)生充型不足 ,而高于 710時(shí) ,易產(chǎn)生縮孔、疏松和裂紋等缺陷。 2壓射速度低于 2m/s 時(shí)，容易產(chǎn)生疏松和澆不足等缺陷，而高于 3.5m/s 時(shí)，易產(chǎn)生氣孔