鎂合金壓鑄件鍛壓件工業化生產的工藝與裝備選擇

鎂合金壓鑄件鍛壓件工業化生產的工藝與裝備選擇是一種化工生產技術材料。這種鎂合金的燃點溫度從熔點以下的520℃ （AZ91D鎂合金的燃點是510℃）提高到高於熔煉溫度（760℃），實現了鎂合金在大氣下的無保護熔煉與鑄鍛生產。

基本介紹

• 中文名：鎂合金壓鑄件鍛壓件
• 外文名：Magnesium alloy die casting forging
• 結構性能：增加流動性
• 燃點溫度：熔點以下的520℃ 

鎂合金的壓鑄模鍛生產已達到成熟的工業化水平。對鎂合金鑄鍛件工業化生產的工藝與裝備選擇，有如下建議：
1．普通鎂合金（易燃鎂合金）鑄鍛件的生產
第一選擇是熱室臥式鎂合金壓鑄模鍛機。它的優點是，沒有複雜的防止鎂合金燃燒的保護系統。
建議採用雙爐並聯的保溫與熔煉系統，一個爐子為保溫爐，生產時加蓋密封不開啟，加保護氣體密封保護，另一個爐子作專項熔化鎂錠。熔化爐建議採用現成的鎂合金工頻爐（山東某大型工業電爐廠可配套）。這個方案，投資是最小的。
熱室臥式鎂合金壓鑄模鍛機的生產效率高，對於小尺寸鎂合金毛坯的生產是最優的選擇。而需要大規格的熱室臥式鎂合金壓鑄模鍛機時，現時的設備生產商，會要求較長的訂造時間。
第二選擇是冷室臥式鎂合金壓鑄模鍛機。它的優點是，可生產特大型鎂合金鑄鍛件（如鎂合金輪轂等），現時已有的最大機型為900噸到1200噸模鍛力的設備。
熔化爐同樣建議採用現成的鎂合金工頻爐。定量給湯裝置採用現時成熟的設備。
這個方案的唯一缺點是，現時的鎂合金定量給湯裝置造價還較高。
2．阻燃鎂合金鑄鍛件的生產
現時，阻燃鎂合金在功能上與普通鎂合金是一樣的，如果客戶沒有對鎂合金品種提出要求，建議我們都使用阻燃鎂合金生產鑄鍛件，並作為新上鎂合金鑄鍛件項目推薦的最優選工藝。
材料方面，我國已有達到國際先進水平的阻燃鎂合金研製成果，並獲2003年國家科技進步二等獎。這種鎂合金的燃點溫度從熔點以下的520℃ （AZ91D鎂合金的燃點是510℃）提高到高於熔煉溫度（760℃），實現了鎂合金在大氣下的無保護熔煉與鑄鍛生產。
設備方面，可選用現時所有的普通擠壓壓鑄模鍛機作配套生產，也就是說，生產鎂合金鑄鍛件的裝備與生產鋁合金擠壓壓鑄模鍛機是完全一樣的，裝備投入下降20%，整個生產成本可降到最低。
3．阻燃鎂合金鑄鍛件的半固態生產
擠壓壓鑄模鍛的另一個工藝優勢可在生產阻燃鎂合金鑄鍛件時充分發揮出來，這就是能夠採用鎂合金的半固態擠壓壓鑄模鍛工藝。
鎂合金的熔點是650°C，其半固態溫區寬，所以是一種理想的半固態射注成型金屬。採用鎂合金的半固態擠壓壓鑄模鍛工藝，可將鎂合金的始鑄溫度從原來的760℃，降到合金熔融狀態的560～630℃。
很多普通鎂合金經簡單的阻燃合金化後，燃點都能高於560～630℃這個溫度，這就使鎂合金在大氣下的無保護熔煉與鑄鍛生產具有普遍性，不再局限於現時研製出來的少數幾個牌號。

結構性能

對鋁合金材料或鋁合金壓鑄工藝有所認識的人都知道，鋁合金分含矽高(約10%)的“壓鑄鋁合金”、含矽中等(約5%)，適合重力鑄造、低壓鑄造或金屬模鑄造的“鑄造鋁合金”，以及適用於擠壓、鍛壓等壓力加工，含矽量很少(1%-2%以下)或基本不含矽的“變形鋁合金”。

不少人以為，在鋁合金或鎂合金中加矽，主要是為了增加合金的流動性，其實並不全面正確，且有認識的偏差與誤導。

在合金中加矽，作用主要確有兩項：

第一是增加流動性。但這主要是對重力鑄造等很低的壓強下充型而言的。檢測與實踐都表明，不加矽的合金與加了矽的合金，在超過1MPa的充型壓強下充型，差異並不大。當今的壓鑄機與壓鑄工藝，充型壓強可以超過100MPa，即使是最差流動性的合金(變形鋁合金、變形鎂合金等)，都不存在充型不足的困難。

第二是減少“液—固”相的相變體積收縮率——這一項才是最重要與最關鍵的。有研究指，含矽量到20%左右的鋁合金(如A390)，相變體積可以基本不變。所以，用於高溫場合的鋁活塞，總是矽含量較高的合金。因為壓鑄工藝的本質特性，屬單方向的高壓強充型鑄造，不具有反向補縮功能，這是它與低壓鑄造、重力鑄造具有反向補縮充型的工藝特性完全不同的地方。正是這個原因，行業上才特意配製相變收縮率比較低，含矽量儘量去到最高，專門為了壓鑄工藝不能反向補縮的鋁合金牌號。

增加矽在合金中的含量會付出很大的代價：大幅削弱了合金的強度，並使合金變脆，延伸率顯著降低。壓鑄鋁合金(如ZL107、ADC12)普遍就比變形鋁合金的強度低了一半甚至大半，約在200MPa範圍。對比A356、6061(LY硬鋁)、ZL101合金強度在400MPa，7075(LC超硬鋁)強度達600MPa就可知了。矽還是非金屬，不能陽極氧化與著色。故從本質上說，矽對合金歸屬為一種有害的或雜質類的元素。

所以，我們一般都將壓鑄件稱為“結構件”，很多功能上有要求，被稱為“功能件”所用的地方，如有高強度、延伸率高(不脆)、耐高溫、表面著色、耐衝擊韌性要求等場合的，壓鑄合金基本就不能用了。

實踐上，用壓鑄工藝生產含矽量在5%左右的鑄造類合金(如生產鋁合金輪轂的A356、ZL101牌號合金)，毛坯合格率明顯降低，縮孔縮松非常嚴重。原因在於，該類鑄造合金的體積收縮率較大，本來就只適合於有補縮系統的鑄造工藝的(如重力鑄造、金屬模鑄造、低壓鑄造)。用沒有補縮系統的壓鑄工藝生產，明顯勉為其難，縮孔縮松缺陷又怎不明顯增加呢。

現時的壓鑄機，能產生一定補縮作用的手段有兩個：

一是加快壓射的速度，讓熔體有一定的動能(加速)，這會產生一定的補縮作用，卻極不可靠，這樣會更容易卷氣產生氣孔缺陷。

二是靠壓射沖頭的“加力”(幾十年前所稱的“精速密壓鑄”)。壓射沖頭的“加力”，本質上只是加了壓強，而不是直接加力於毛坯體本身物理概念的做功(鍛壓)。這種“加力”，可理解為重力鑄造或低壓鑄造中對一個位置的補縮——這同時還要加大內澆道(所謂大水口)才能有效果。但對於需在多個位置進行補縮的毛坯，單靠壓射沖頭的作用顯然生產不出合格產品。兩者相比，以壓射沖頭的“加力”，作用遠好於對熔體的“加速”充型。

現時的“多功能”低壓鑄造機，其實是將複雜的重力鑄造充型與補縮系統機械化，本質上已是“中低壓鑄造充型+多點擠壓鑄造補縮”，具有多工位補縮的工藝裝備：即熔體的充型速度與壓力，實現無級調節的機械化，同時具有對毛坯多個需補縮的位置的壓力強制補縮。這種“低壓鑄造機”，其實就是用了多向連鑄連鍛、多向壓鑄模鍛的工藝思路，只是缺了對毛坯主投影面進行鍛壓的功能而已。

回過頭來看，就知道鎂合金壓鑄為什麼艱難：它與用壓鑄工藝生產A356、ZL101、ZL203等重力鑄造鋁合金毛坯，碰到的是同一類問題——如何補縮的問題，卻是難度甚高、極大的問題。因為現時的鎂合金牌號，只有含矽量很低(1%-2%)、體積收縮率極大的“鑄造鎂合金”，而根本沒有體積收縮率比較低的“壓鑄鎂合金”。其難度(主要是體積收縮率極大與變形合金所需的壓力加工特性——高位合金極易晶粒粗大與偏析)，相當於用壓鑄工藝生產6061、6063合金，相當於挑戰壓鑄工藝那不可思議的絕對禁區!

這就得出兩個極重要的結論：

一是現時的鑄造牌號鎂合金，只應適用於擁有多功能的具有複雜良好補縮系統的低壓鑄造裝置生產，而基本不適合沒有補縮能力的壓鑄工藝生產。別相信現時的所謂“鎂合金壓鑄機”，因為它只是相對於傳統壓鑄工藝僅提高了壓射充型的速度，但這能起到的補縮作用卻甚差，比以壓射沖頭的加力作用與“大水口”工藝還要差得多。

可以說，以傳統壓鑄工藝，或所謂的“鎂合金壓鑄機”生產鎂合金壓鑄件，其“成功”只具有偶然性或特殊性，不具有普遍性與工業性;以傳統的壓鑄工藝(包括所謂的鎂合金壓鑄機)搞鎂合金壓鑄件生產，根本就是選錯了裝備走錯了方向，工藝基本不可行，不具工業上的普遍適應性，更多的會以失敗告終——如同以壓鑄工藝生產6061、6063、5052、2024等變形鋁合金材料一樣的慘敗告終。

二是改用具有多向強制補縮與多向鍛壓功能的多向壓鑄模鍛、多向連鑄連鍛工藝與裝備生產，直接生產出如壓鑄件一樣結構複雜的鎂合金鍛壓件。這項工藝，可生產完全不含矽的變形鋁合金鍛壓件，也能生產完全不含矽的變形鎂合金鍛壓件。

連鑄連鍛、壓鑄模鍛工藝裝備，源於強制鍛壓補縮的液態模鍛工藝思維，是直接擠壓鑄造(液態模鍛、熔湯鍛造)與間接擠壓鑄造工藝相結合的技術，是我國原創的發明專利技術，已相當成熟可靠。