鎂合金壓鑄件設計和開發工藝流程

文章出處：樂發技術部責任編輯：工程技術劉勇人氣：-發表時間：2020-05-12 20:23【大中小】

鎂合金壓鑄件設計和開發工藝流程

1、前言
早在海灣戰爭時期，美軍就把鎂合金壓鑄的電腦就帶上了戰場，由于其良好的防水、輕便、防電磁波干擾的功能被美軍贊不絕口。純美的密度為 1.738g/cm3，為純鋁的2/3。因此相同體積大小的鎂會比鋁更輕，鎂的散熱功能優良，熱傳系數可以達到51W/Mk。所以由于這些優良特性就決定了鎂在3C行業的應用會越來越廣。
鎂的活性非常強，而且不怕水，整塊的鎂非常穩定，但是鎂碎片卻非常容易著火。鎂和其他稀缺元素不一樣，鎂元素到處都有，從海水就可以提煉，但需要大量的電力能源來進行電解提取。
鎂合金擁有良好的加工性能，單位重量的鎂合金比鋁合金的強度更高。當我們需要更高的強度和更輕的重量時，鎂合金就是其中的選擇之一。
2、鎂合金的主要優缺點
2.1主要優點介紹
鎂合金壓鑄的主要優點有：
1）質輕，鎂合金密度為1.78-1.83g/cm3,鎂合金無火花，非磁性；
2）高比強度、高比彈性模量、高阻尼減震性、高導熱性、常用合金中比熱最高、高散熱效率（散熱絕對優勢:相同體積,相同溫度，鎂合金的散熱時間還不到鋁合金的一半），具有一定的急冷性；
3）鎂合金對鑄型腐蝕性小,不腐蝕黑色金屬,模具具有長的使用壽命；
4）合金流動性好,鑄件尺寸穩定性好，不易粘模,模具不易龜裂,出模斜度小；
5）可以在酸性或者堿性環境下進行陽極氧化及表面涂層等表面處理,成膜物質可以增強表面耐蝕能力;
6）外觀及觸摸質感佳，鎂合金可全部回收利用，是有利于環保的一種綠色金屬;
7）鎂合金可壓鑄薄壁件，目前，最薄的零件至 0.6mm。
2.2主要缺點介紹
鎂合金壓鑄的主要缺點有：
1）鎂合金（AZ91D）的導熱系數僅為51W/(M·k)，不及鋁合金；
2）與氧親合力強,易引起火焰、閃光、燃燒、爆炸等危險,需要用SF6(濃度為0.2-0.3％)、N2 混合氣作保護氣；
3）鎂凝固時放出熱量小,需要高速生產。鑄型溫度通常保持在250-300℃之間，鎂合金結晶溫度區間短,凝固時間短,需要較高的充填比壓和較快的充填速度,對壓鑄機要求高；
4）連續生產時鎂的燒損率為 5-8％，若批量小斷續生產燒損率為20-25%；
5）壓鑄機設備的要求:
①最大空壓壓射頭速度 6-10m/s；②壓射速度從0.5m/s上升到5m/s的過度時間要低于20ms；③最短建壓時間小于0.05s；④良好的安全保護性能;
6）鑄件易氧化,需要對鎂合金鑄件表面進行鈍化處理.但通過與某些化學物質反應生成致密的保護膜;
7）模具要求恒溫，否則薄壁件易產生裂紋，因此，廢品率與模具溫度有很大關系。

3.鎂合金壓鑄
3.1鎂合金熔煉工藝
3.1.1 鎂合金牌號的選擇
鎂合金錠選用AZ91D,該牌號的合金具有較高的延伸率和強度，且流動性較好。
3.1.2 鎂合金熔化爐
由于鎂合金的易燃特性，鎂合金熔化爐需同時具備熔化和保溫功能，并通以惰性氣體以隔絕空氣。澆注采用定量澆注，通過熟料管將鎂液泵入熔杯，熟料管進行加熱保溫。鎂合金的熔煉一般采用雙室爐。
3.1.3 鎂合金保溫爐
熔煉和保溫鎂合金的保溫爐需要采用保溫雙室爐，即熔煉爐和保溫爐分開（如下圖 2 所示）：
1）熔煉和澆注時需要添加保護氣體：氮氣和氟化硫；
2）熔煉時采用二號溶劑：氯化鎂，粒度（80-150）；
3）不使用回料爐；
4）保溫爐采用定量爐；
3.2壓鑄車間防火防爆
鎂合金易燃易爆的特點，壓鑄車間需要做防火防爆處理，有以下幾點措施：
1）壓鑄成型后的零件冷卻方式可使用水冷或風冷；
2）配備鎂合金專用滅火器：干沙、覆蓋劑、D 級滅火器；
3）鎂合金在升溫到350度，向密封熔煉爐內通入氮氣和氟化硫混合氣體，鎂合金的熔煉一般不超過700度；
4）禁止帶水進入車間；
5）和鎂合金接觸的工具等需要預熱到150度以上；
6）帶有鐵銹的工具要將鐵屑打磨預熱后才能和鎂合金液體接觸。
3.2.1 壓鑄清理現場要求
與其他合金材料（如鋁合金）相比，壓鑄出來的鎂合金經過清理打磨后外觀更加光亮，但鎂合金壓鑄后產品變形較大，在0.7mm，由于比較硬，校正比較困難，
鎂合金在清理過程中有許多的安全因素，主要因素包括：電線路火花、清理時摩擦火花、粉塵遇明火。需要采取以下安全措施：
1）打磨的粉塵必須及時通過抽風系統，將鎂屑抽入冷卻液中；
2）打磨車間必須是一個敞開式的作業環境；
3）采用 D 級滅火器，滅火器材料通常使用氯化鈉基粉末或一種經過鈍化處理的石墨基粉末，其原理是通過排除氧氣來悶熄火焰；
4）采用覆蓋劑或干砂，當小面積著火時可用其覆蓋火焰，其原理也是通過排除氧氣來悶熄失火。
5）清理線體防火改造；
6）及時清掃鎂屑（每 2 小時），固定區域存放，一段時間后由廠家回收；

4、鎂合金機加
4.1 鎂合金機加的特點
用壓鑄合金產品進行機加，其特點是：鎂合金在機加過程中，M3 和 M4 絲錐很容易斷刀，此與鎂合金材質和硬度有關，但是采用針對鎂合金材質的刀具，斷刀問題可以得到有效解決，零件如下圖 6 所示：
4.2 影響機加過程中的安全因素及處置方式
鎂合金機加與鋁合金的機加有很大區別，影響鎂合金機加的主要安全因素有：刀具類別和尺寸、切削液種類、切削參數、環境濕度等。
1）而最大的隱患是切屑，由于鎂合金在機加過程中會產生鎂屑，切屑越小，與空氣中的水分接觸的面積就越大，越容易與水分發生化學反應而產生燃燒，甚至爆炸，因此在機加過程中需要特別注意對鎂屑的處理。
2）刀具需要用鎂合金專用刀具，即增大刀具后角和離隙角，并保持刀具鋒利，不可使用磨損的刀具加工。
3）切削液在鎂合金加工中起到冷卻液的作用，在小批量加工時，不需要使用切削液同樣可以獲得較高精度的加工面，大批量生產和快速切削時需要用到切削液，鎂合金切削液一般采用礦物油作為切削液。
4）切削參數也會影響鎂合金的切屑大小，吃刀量越大，鎂屑尺寸越大，切削速度越快，溫度越低，就越不容易引起燃燒。
5）環境的濕度也是引起燃燒事故的原因之一，濕度越高，越容易引起燃燒。
4.3 機加切屑的處理
鎂屑需要進行特殊的存放和處理，不可隨意堆放，以免引起鎂屑燃燒或爆。
1）干燥的鎂屑需放置在清潔和密封的鋼制容器中，并存放在不會與水接觸的地方，每個兩天由專門的鎂合金廠家回收。
2）濕屑或殘渣應存放在偏僻的開有窗口的鋼制瓶中，且通風量足夠，以便氫氣逸出。
3）可將氯化鐵溶液溶解在濕屑或殘渣中，產生不燃燒的化學物質，但這個過程中會產生氫氣，因此應在室外敞開的容器中進行處理，并嚴禁在周圍防火、吸煙或焊接作業。
4.4安全事故處理方法
鎂合金在機加過程中會產生細小的鎂屑，難免會產生燃燒安全事故，而一旦發生安全事故，主要從以下兩個方面進行處理：
1）采用 D 級滅火器，滅火器材料通常使用氯化鈉基粉末或一種經過鈍化處理的石墨基粉末，其原理是通過排除氧氣來悶熄火焰。
2）覆蓋劑或干砂，當小面積著火時可用其覆蓋火焰，其原理也是通過排除氧氣來悶熄失火。
無論在什么情況下，都不能用水或任何其它標準滅火器去撲滅由鎂合金引起的失火。水、其它液體等都會與燃燒著的鎂起反應，并且是加強火勢而不是抑制火勢，造成更嚴重事故災害。
5、鎂合金表面處理
5.1 微弧氧化處理
微弧氧化是目前鎂合金表面處理比較常見的方式

5.2 表面鈍化處理
鉻化處理是表面鈍化的方式之一，是使用鉻酸或鉻酸鹽為主體液，使零件表面產生氧化鎂和鉻化鎂等保護層，鉻化處理工藝較為成熟，經過鈍化處理的金屬表面可以提高附著力，鈍化處理可以作為噴粉前的前處。
表面鈍化處理的設備可以使用微弧氧化相同的設備。
6、總結
本次對鎂合金壓鑄工藝流程的設計和開發，涉及從壓鑄到清理、機加、表處等全流程，經過查閱相關文獻和請教一些資深的專家，把鎂合金壓鑄全流程中需要注意的事項及應對措施分享給大家，以便后續查閱和參考。目前，鎂合金在國內的應用面沒有鋁合金廣，主要是一些安全方面技術措施和成本還沒有完全突破，本文主要講述的是一些常見的鎂合金壓鑄參數和防火防爆的措施、方法，希望能夠為后續的研究做參考。