鎂合金半固態注射成型在筆記本電腦上應用

陶永亮，任登安，趙 勇，婁夢妮

（1.重慶川儀工程塑料有限公司，重慶 400712；2.重慶工信職業學院，重慶 400043；3.重慶市輕工業學校，重慶 400709；4.重慶勝云模具制造有限公司，重慶 402260）

1 引言

重慶筆記本電腦（簡稱筆電）產業源于2008年，從2014起重慶筆電產量連續7年位居全球第一，2020年產量創新高，突破7,000萬臺。新冠疫情催生“宅經濟”，全球筆電需求量增大，重慶筆電產量創新高，產值也是首次突破3,000億元[1]。2021年前8個月，重慶筆電出口5,185.9萬臺，占同期全國筆記本電腦出口重量的36.3%[2]。重慶已落戶了惠普、宏碁、華碩等品牌商，富士康、廣達、英業達、仁寶、緯創、和碩等主流筆電代工廠均在重慶有生產及研發基地。規模以上電子信息企業達到639家，基本上實現了本地化生產和配套[3]。筆電產業在重慶成為汽車之后新的支柱產業，并較好地產生集聚效應，成為全球重要的筆電生產基地。同時為鎂合金半固態注射成型技術給重慶筆電業帶來了新的機遇和挑戰。

2 鎂合金半固態注射成型基本概況

2.1 鎂合金介紹

鎂合金作為最輕的工程金屬材料，鎂合金的密度1.74～1.85g/cm3、比鋁合金輕36%、比鋅合金輕73%、僅為鋼的1/4左右，其比強度和比剛度較高，另具有優良的阻尼性、電磁屏蔽性、減振性、切削加工性和拋光與表面處理性能。從鎂合金的性能特點來看，選材符合目前筆電的輕薄風格。缺點：耐蝕性差，燃點低，材料強度偏低，另外鎂很活潑，表面易氧化，如要實現高光效果，非常之難，有一定的技術要求[4]。傳統的鎂合金成型主要熱室壓鑄，冷室壓鑄，半固態壓鑄等[5]。目前宏碁有一款筆電采用全新鎂合金材質半固態射出成型工藝，加工零件A/D面為鎂鋰合金，C面為鎂鋁合金。

2.2 半固態射出成型原理

金屬半固態現象是麻省理工大學弗萊明斯教授1971年發現[6]。鎂合金半固態射出成型工藝研發僅30年，成熟裝備制造僅20年，長期被國外壟斷，在安全環保要求下對鎂合金加工工藝應用尤為重要。我國鎂合金半固態注射成型工藝起步比較晚，以鎂合金半固態注射成型為核心的加工生產路線，與傳統壓鑄路線有極大的區別?！叭缢芰献⑺馨愫喴卓旖?，如塑料注塑般安全環?！?，技術呈現“安、精、節、高、密、簡、智”的特點[7]。鎂合金半固態射出成型設備原來是國外制造多，現在也有國內廠家研制成功并推向市場。加工設備如圖1所示。

圖1 半固態射出成型設備（JSW）示意圖

其成型原理：鎂合金半固態注射成型設備與注塑成型機工作原理相近[8]。首先將鎂合金錠加工切制成細顆粒狀，鎂合金顆粒原料依靠負壓、重力作用下輸送到料筒中，在料筒熱熔并旋轉的螺桿使合金顆粒向模具方向運動，當其通過料筒的加熱部位時，合金顆粒呈現適合注射的熔融態或半固態，通過精確的溫度控制和螺桿的剪切作用形成的一種含有固相成份（半固體的枝晶組織的合金轉變成顆粒狀初生相組織），將鎂合金加熱至582±2℃，以高速0～5m/s將半固態漿料注入封閉的模具型腔中成型[9～10]，加工原理如圖2所示。目前廣泛應用于筆電外觀件生產，并具有較好地散熱性。

圖2 半固態鎂合金射出成型示意圖（宜鎂泰）

鎂合金件的成型工藝比較簡單，其為原料鎂合金錠→鎂合金顆?！牍虘B注射成型→少量機加工→表面處理→著色噴涂→成品。而半固態注射成型由塑膠射出成型衍生應用在金屬的成型制程，其工藝流程：噴涂脫模劑→合?！涑觥尚汀〕龀尚图＿@半固態注射成型工藝中融合了注塑特點和壓鑄特點，料筒加熱螺桿進料和噴嘴等屬于注塑特點，高速注射系統（氮氣瓶裝置起到聚蓄能量作用）和模具結構等屬于熱室壓鑄模具特點[11]。半固態注射成型工藝更加類似于注塑成型工藝，被公認是21世紀最發展前途的制造工藝之一。

現在筆電零件等采用半固態射出成型產品具有組織均勻，無縮孔縮松缺陷等優勢，其綜合力學性能與鍛件相近，高于傳統壓鑄件，通過半固態成型技術增加強鎂合金等輕合金的力學性能。

2.3 鎂合金半固態注射成型優點

鎂合金半固態注射成型優點是與傳統的壓鑄成型相比較，具有以下優點。①安全：與壓鑄相比，沒有高溫熔煉金屬設置和金屬液轉移，杜絕工傷等事故；②環境：不用熔煉爐，無煙氣火焰、無熔煉殘渣勞動環境好；③精密：產品精度達0.01mm，后加工量很小，空腔零件最薄0.3mm，一件產品上最厚最薄可相差100倍；④節約：不要完全液化，不需熔化鎂合金和不要保溫，能耗降低60%，模具熱沖擊減小，模具壽命延長2～4倍，余料可以回用，工作場地比壓鑄節約30%；⑤高產：單機產能高效，可以連續生產；⑥密度：金相組織致密，產品缺陷少，力學指標比壓鑄提升20%；⑦穩定：耗材壽命長，機械運行穩定檢修周期可達20萬次；⑧簡單：復雜金屬件中最為簡捷成型工藝；⑨智能：自動化程度高，可實現無人操作，遠程維護等[12]。

3 筆電零件應用案例

3.1 筆電零件注射成型情況

鎂合金半固態注射成型主要有料筒和模具溫度的控制，料筒溫度在530℃～610℃。模具溫度在270℃～320℃，需要油溫機，模具上要有油路循環系統。筆電產品屬于薄壁件產品，熔融溶體進入模腔時，溶體冷卻速度快，為了滿足產品的要求，注射速度也是控制的重點，設備具備0～5m/s注射速度調整與控制范圍[13]。筆電零件中用鎂合金半固態射出成型有A/D面（A/D殼）為鎂鋰合金，C面（鍵盤面板）為鎂鋁合金。其模具結構與傳統熱室壓鑄模有著相似之處。模具上也是有偏心進料，有分流錐，有排氣槽和集渣包等，也需要考慮熱平衡系統設計[14]，只是在注射力上沒有傳統熱室壓鑄的大。如圖3所示。

圖3a為筆電的D底盒產品結構相對比較簡單，注射成型工藝上不會遇到較多的困難，模具上排氣和集渣包設置不是很多，進料系統相對簡單。圖3b為筆電的C鍵盤面板產品結構相對比較復雜，有許多網格化的細小筋格，給注射成型工藝帶來較多的困難，每個細小筋格不能有熔接痕（也稱接縫線，是強度薄弱的地方）是這個產品成型的難點，能做到沒有熔接痕，就要在模具上做到進料均勻，排氣通暢，輔助于工藝上調整，能夠達到要求。因此，C鍵盤面板模具的進料系統、排氣和集渣包等設置比D底盒模具要多，并且復雜多了，注射工藝的調整也有一定的難度。目前筆電零件中用鎂合金半固態射出成型有A/D面（A/D殼），C面（鍵盤面板），具體成品如圖4所示。

圖3 鎂合金射出成型筆電零件示意圖

圖4 鎂合金半固態注射成型筆電產品示意圖（艾邦會展）

3.2 筆電零件注射成型后加工

鎂合金半固態注射成型筆電產品，從注射脫模出來需要一定的后加工，先去毛刺飛邊檢驗等，進入機加工，把模具上不能完成的工序通過機加工（包括CNC）來完成，達到裝配要求。隨后是作表面處理，起著提高材料表面質量、抗腐性、耐磨性，賦予材料表面的特殊性能。其有陽極氧化[15]，噴漆，納米涂層[16]，表面做拉絲效果等工藝[17]，這些工藝的選用都是根據客戶的喜好而選擇，通過表面處理后產品進行筆電組裝，進入市場。如圖5所示。

圖5 鎂合金半固態射出成型A面拉絲（網絡照片）

4 結束語

鎂合金半固態注射成型是一項新型加工工藝，被認為是21世紀最具有發展前途的制造工藝之一。目前鎂合金半固態注射成型不僅在筆電上獲得應用，而且在航空、軍工、高鐵、5G、無人機、汽車、醫療、戶外康體等領域輕量化零件生產的最佳裝備，優勢凸出具有廣闊的應用前景。國內已經應用到鎂合金半固態注射成型工藝，主要加工設備有進口和國產，尤其是國產設備研發具有領先優勢，大幅度降低設備購置費用、使用成本和產品制造成本，工藝技術日趨完善。目前，重慶已是筆電生產基地，應用鎂合金半固態注射成型加工有了新的開端（少數廠家應用），有些部分鎂合金產品通過外地輸入重慶，這對重慶來說也是一次機遇和挑戰，無論是模具開發，還是產品的加工等，我們也期盼早日遍地開花。