鎂合金壓鑄工藝改善

■周友松，李遠超，熊英

近年來, 人們對產品輕量化的要求越來越高，尤其對汽車提出了進一步減輕重量，降低燃耗和排放，以及提高駕駛安全性和舒適性要求，而鎂合金材料的使用正好迎合了這一發展趨勢。鎂合金性能的不斷改善及壓鑄技術的顯著進步，使得壓鑄鎂合金的用量顯著增長。

1. 產品情況

汽車轉向支架產品3D模型見圖1，輪廓尺寸為92mm×94mm ×61mm，產品平均壁厚4.5mm，材料為AZ91D，凈質量為114g，是典型鎂合金壓鑄件。該產品結構較為復雜，模具有上、下、左、右4個側滑塊。由于產品功能需要，零件許多部位原先圓角過小，不利于零件成形。

2. 廢品分析

根據統計數據，該產品廢品率為23%。對259373件廢品進一步分析發現，欠鑄250378件，占96.53%；缺肉8995件，占3.47%。如圖2所示，再現了在充型遠端部位的欠鑄問題。

3. 欠鑄分析

壓鑄過程中出現欠鑄主要有合金液流動性不良、澆注系統不不合理、排氣不暢三種情況。產品開發初期對模具澆注系統及排氣系統利用CAE作過模擬并在調試階段進行過優化，澆注系統及排氣應該沒有大的問題。零件材料為鎂合金AZ91D，其比熱容和相變潛熱均比鋁合金低，冷卻快。分析認為合金液流動性不良是產品產生欠鑄缺陷的主要原因。

下面對合金液流動性不良進一步詳細分析。

（1）合金液氧化嚴重，流動性下降 由于澆注系統及溢流系統的存在，再加上不合格的產品，在連續的壓鑄生產過程中一般會產生50%以上的回爐料。由于鎂合金材料熔煉時的防護性要求非常高，工廠無滿足要求的熔化爐，不具備精煉條件，實際生產過程中回爐料被直接加入保溫爐，操作者僅對合金液表面的浮渣進行簡單清理。相比于精煉的成品合金錠，回爐料氧化嚴重，流動性差，是產品欠鑄的主要原因之一。

圖 1

圖 2

（2）合金澆注溫度及模具溫度過低 溫度是壓鑄過程中的重要工藝參數，為了滿足良好的充型條件，保證壓鑄件的成形質量，必須選用恰當的合金澆注溫度和模具溫度。本產品采用冷室壓鑄機生產，要求合金溫度在660～680℃，為了方便控制和測量，一般控制和保證爐內合金液的溫度。為了保證澆注溫度的穩定性，鎂合金壓鑄專用保溫爐為長方形，爐膛分為澆注腔和熔化腔，中間連通，合金錠從熔化腔加入后一般不會降低澆注腔內合金溫度。保溫爐設定溫度為670℃，用便攜式測溫儀測量加料前后澆注腔內合金溫度，數值如下：加料前663 ℃；加料0.5mi n后662℃；加料3mi n后648℃，加料后溫度明顯降低。

在鎂合金壓鑄中，理想的加熱方式是用模溫機通過熱油對模具進行加熱，熱油不間斷地通過模具內的管道，從內部對模具進行加熱，使模具達到需要的平衡溫度。導熱油的功能像熱交換器，使模具溫度保持在一定范圍內。這種加熱方式，模具的溫度穩定而均勻，能有效地提高產品質量，延長模具壽命，而且使生產節拍穩定。鎂合金壓鑄過程中模具的溫度一般在180～280℃。轉向支架的模溫機設定在240℃，用紅外測溫儀測量連續生產時的模具溫度，動模在190～200℃，靜模在170～180℃，靜模溫度明顯偏低。以上數據顯示，合金液溫度及模具溫度偏低，壓鑄過程中容易產生欠鑄、冷隔等缺陷。

（3）內澆道流速過低 因生產轉向支架的壓鑄機系統本身未帶有顯示壓射曲線功能，壓鑄機快壓射速度通過流量閥控制，流量閥開啟大小在壓鑄機上按比例顯示，無法對應出相應的快壓射速度，先用壓射曲線測試儀測試出快壓射流量與快壓射速度對應關系，見表1。

表1 快壓射流量與快壓射速度對應關系

表2 模具實際溫度現場監控結果 （℃ ）

從表1可以看出，快壓射流量由60%逐步提高到80%的過程中，快壓射速度逐步提高，最高速度能達到6m/s。過去生產中，轉向支架的快壓射流量設定在60%，即壓射速度在3m/s左右，此時內澆道合金液流速為72m/s，該速度能滿足鋁合金零件的壓鑄要求，但未能達到鎂合金零件需要的高速度，這也是產品欠鑄的主要原因之一。

4. 對策及驗證

（1）回爐料與成品合金錠分別作原料生產比較 因為鎂元素化學特性較活潑，很容易被氧化，在無特殊除渣和精煉工藝的條件下，壓鑄中使用回爐料作原材料時鎂合金液流動性比成品鎂合金錠差。為了驗證原材料流動性對鎂合金轉向支架欠鑄缺陷的影響，在不同批次分別用回爐料（50%）與成品合金錠生產，其余工藝參數保持不變，統計欠鑄廢品率分別為：回爐料23.3%；成品合金錠19.1%。可以發現，采用成品合金錠作原料時，合金流動性比回爐料要好，欠鑄比例明顯下降。

（2）提高合金液溫度 為驗證合金液溫度對鎂合金支架廢品率的影響，穩定合金液溫度為690℃，其余工藝參數保持不變進行生產，原材料分別采用回爐料及合金錠各生產一批。統計欠鑄廢品率分別為：回爐料生產造成的廢品率為16.3%；成品合金錠13.5%。對比先前合金液溫度為660℃時統計的欠鑄廢品率不難發現，合金液溫度升高，不管是采用回爐料還是成品合金錠，欠鑄廢品率都明顯下降。其中采用成品合金錠生產批次的工件質量最好，廢品率最低。

（3）提高模具溫度 由于模具溫度受合金液溫度的影響很大，模溫機分別設定為240℃、280℃，合金液溫度分別設定為660℃、690℃，分四批次分別對模具實際溫度進行現場監控，其結果見表2。

由表2可看出，合金液溫度提高30℃后，模具溫度也相應地提高了20℃左右，但是把模溫機溫度提高40℃后模具溫度只提高了5℃左右。分析認為模具加熱流道設計存在一定問題，提高模溫機設定溫度未能達到提高模具溫度的目標。

（4）提高快壓射速度 為進一步驗證快壓射速度對廢品率的影響，將快壓射流量由原生產時的68%提高到78%，即快壓射速度由3.6m/s提高到5.3m/s左右，采用不同的原材料，分別用不同的合金液溫度進行生產，其余工藝參數保持不變，分8批次進行欠鑄廢品率統計，結果見表3。

表3顯示，隨著合金液溫度提高，欠鑄廢品率降低，同時適當提高快壓射速度也能大幅降低欠鑄廢品率。在提高合金液溫度和快壓射速度的條件下，可以克服回爐料流動性差的問題，采用成品合金錠生產對降低廢品率有一定好處，但降低幅度不大。提高快壓射速度后，由于內壓增大，零件飛邊較大，增加了后續清理難度，這可以適當降低增壓壓力及增壓速度來解決。

表3 提高快壓射速度后欠鑄廢品率統計

5. 結語

合金液溫度和模具溫度提高后，合金液流動性增加，充型能力大大提高，欠鑄廢品率明顯降低。同時，適當提高快壓射速度也能大幅降低欠鑄廢品率。采用成品合金錠生產能降低一定廢品率，但降低幅度不大。改善壓鑄工藝條件后，解決了回爐料流動性差、廢品率高的問題，廢品率由過去的2 3.3 0%下降到現在的3.70%，給企業帶來了可觀的經濟效益。