镁合金及其加工技术
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2.5 镁合金的其他铸造方法

2.5.1 消失模铸造方法

(1)消失模铸造的基本概念及特点 美国铸造学会镁分会同实型铸造分会的合作开发的实型铸造镁部件项目,取得了生产成功。在威斯康星州曼尼托克市的埃克工业公司完全浇铸出牌号为AZ91E的镁合金。这项工作证明实型工艺适合镁合金。消失模铸造又称实型铸造,其最新发展是真空干砂消失模铸造,是目前国际上先进的铸造工艺之一,可经济地生产通常要由许多压铸件组合的复杂铸件,也就是说,消失模铸造方法是一种经济有效、近无余量、精密成形并且容易实现清洁生产的新一代铸造技术,在成形内腔复杂、砂芯多、难以分型和启模的高品质铸件上具有无可比拟的优越性,已成为汽车工业中生产缸体、缸盖、进气歧管、排气歧管等铸件的主要铸造方法。

镁合金消失模铸造采用干砂,避免了普通砂型铸造由水分引起的镁合金燃烧问题,而且消失模汽化形成的还原气氛,可抑制镁合金氧化燃烧;镁合金的线收缩率是铝合金的1.2倍,热裂倾向大,干砂退让性好,可有效地解决这个问题。

(2)消失模铸造的工艺及应用 采用同铝实型铸造相同的技术,生产出了内外质量俱佳的零件。经过长期发展,实型铸造镁合金生产有可能成为代替镁压铸件的低成本的方式。刘子利等以AZ91镁合金为材质,研究用消失模铸造方法生产进气歧管的工艺。模组制备的工艺流程包括可发性聚苯乙烯珠粒真空预发泡、模则成型、黏结组合三个工序。消失模用珠粒要求粒度小而均匀、预发泡后密度低、汽化吸热少且发气量少。浇铸系统设计为侧注式形式,将一个模型和直浇道直接黏结在一起构成试验模组。直浇道尺寸为40mm×40mm×470mm,由EPS板材(密度为0.017g/cm3)切割而成,八个阶梯式内浇口附带在模型中。涂料采用美国Ashland Chemical Company的低透气性涂料。模组涂覆涂料采用灌涂和毛刷刷涂方法,然后置于50℃烘箱中干燥24h以上。所用的试验合金锭为AZ91D,采用20kg、7.5kW的坩埚电阻炉、覆盖剂保护熔炼,采用铂-铑热电偶和与之相连的温控仪测量和控制镁合金液的温度。当炉料全部化清后,将温度调整至720~730℃精炼并静置10min,然后调节到所需的温度浇铸。浇铸过程中要保持浇口杯中金属液始终处于较满的状态,不要断流,采用一慢二快三平缓的方式浇铸。如果需要抽真空,在所需的真空度稳定后浇铸并在浇铸完成后继续保持该真空度5min。镁合金熔炼的覆盖剂和精炼剂采用JDMF和JDMJ,共试验了4个铸件。试验结果表明,真空度是镁合金消失模铸造非常关键的工艺参数。1、2、3号铸件的浇铸温度同为750℃,1号铸件不抽真空,镁合金液仅能充填模型很短的距离;2号铸件的真空度为0.02MPa,模型已被金属液充填,但局部存在冷隔状皱皮;3号铸件的真空度为0.05MPa,模型充填完整,轮廓清晰;4号铸件的浇铸温度比3号低40℃,铸件未浇足,也有较多的冷隔和皱皮缺陷;皱皮缺陷主要出现在进气歧管化油器座面和其对面的表面上。

2.5.2 低压铸造

低压铸造是生产优质复杂镁合金构件的首选方法之一,但是在应用于大型构件成形时往往受到装备技术的限制。李新雷等从装备机械部分、控制系统以及保护气体混气系统等方面进行了镁合金低压铸造装备技术的研发。研制的铸造装备熔化量为1000kg镁合金液,最大单件浇铸质量可达850kg。混气系统可实现干燥空气、SF6及CO2保护气体的在线式比例混合,并能实现对铸造过程中镁合金液的有效阻燃保护。此外,模糊PID复合控制算法和数字式组合阀的应用,使控制系统具有很高的压差控制精度。王狂飞等对镁合金石膏型熔模铸造不同浇铸方式进行了对比试验和充型过程模拟。结果表明,由于石膏型透气性差,低压铸造方法要优于重力铸造。薄壁镁合金铸件的主要缺陷是冷隔,重力铸造冷隔程度比较严重,而且很难通过改善工艺消除;而低压铸造基本无冷隔缺陷,即使出现轻微冷隔,也很容易通过提高浇铸温度和增加压力的方法消除。重力铸造无法避免铸件的氧化,而低压铸造通过一定措施可使铸件不氧化。

2.5.3 镁合金喷射沉积技术

喷射成形是将金属粉末射入雾化液流中,随射流沉积在基板上形成沉积材料的一种技术。该技术可获得组织均匀、成分均匀的大块快速凝固材料,在高技术新材料领域已广泛应用,是一项涉及粉末冶金、液态金属雾化、快速冷却和非平衡凝固等领域的新型材料制备技术。研究表明,喷射沉积工艺改善了镁合金性能,较铸锭冶金工艺的抗拉强度增幅达16.7%,屈服强度增幅达27.8%,伸长率增幅达8.3%,并且较常规铸锭冶金镁合金晶粒细小,组织均匀。在喷射成形工艺流程中,通过对沉积坯锻造、挤压或热等静压等变形加工可保证最终制品的性能。

2.5.4 镁合金半固态金属加工技术

半固态压铸是半固态成形技术中的一个重要分支,分为流变压铸和触变压铸两种。许多学者认为半固态金属加工技术是“21世纪最有发展前景的近净成形技术”。半固态金属加工技术包括半固态压力加工和半固态铸造,在铝合金制造上已获得成功运用。半固态加工有很多优点,其加工温度低,成本接近压铸件,性能接近锻件,尤其对镁合金这种易燃、壁厚、敏感性大的材料特别有吸引力。这种技术在镁合金零件的制造上也取得了一些进步。流变压铸是将制备好的半固态金属浆料直接转移到压射室进行压铸的方法。触变压铸需要将浆料凝固成坯,再按照铸件的重量对坯料切割成块并进行二次加热,达到预定的温度后转移到压射室进行成形。由于流变压铸流程短、材料损失少、节能低耗,易被中小型企业所接受,因此,流变压铸的研究越来越受到重视,代表了半固态压铸发展的方向。

2.5.5 合金电磁连续铸造

资料表明,合金电磁连续铸造包括熔化镁、添加组合阻燃元素、添加合金元素、保温、静置。在电磁场下半连续铸造不可以通过添加组合阻燃元素实现镁合金的无覆盖或保护熔炼,缩短工艺流程,提高熔体质量;并通过施加电磁场和优化结晶器结构实现镁合金低温、高速半连铸;通过控制工艺参数获得无裂纹、表面平整光洁、组织细化且均匀,无溶质偏析的镁合金锭坯。

2.5.6 合金双辊连续铸轧工艺

镁合金采用双辊铸轧可以直接从熔体生产出近终厚度的镁合金板坯,减少了反复热轧的道次,从而降低生产成本,提高生产效率,是一种新开发的镁合金坯料的铸造方法,主要用来生产变形镁合金板材的坯料。资料表明,双辊铸轧工艺可比传统的生产工艺节约成本50%以上,双辊铸轧的冷却速率可以达到10~103K/s,这样快速的凝固速度可使显微组织均匀,晶粒细化,固溶度提高。晶格空位增加和在铸轧材料中沿亚晶界的细沉淀物(小于10nm)的分布增加使基体的非均质形核得到强化。双辊铸轧材料的这些特征使镁合金的力学性能得到明显提高。采用双辊铸轧可显著细化铸坯显微组织,提高镁合金的强度与塑性,而且可以避免常规微合金化可能带来的有害的以及无法预测的微电池现象,提高镁合金的耐蚀性。

可以看出,镁合金压铸、砂型铸造、半固态成形都有一定的局限性,因此其铸造方法,包括金属型铸造、低压和差压铸造、挤压铸造、调压铸造等在镁合金生产中也应得到发展。