鎂合金壓鑄件鍛壓件工業(yè)化生產(chǎn)的工藝與裝備選擇

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

不少人以為，在鋁合金或鎂合金中加硅，主要是為了增加合金的流動性，其實(shí)并不全面正確，且有認(rèn)識的偏差與誤導(dǎo)。

在合金中加硅，作用主要確有兩項(xiàng)：

第一是增加流動性。但這主要是對重力鑄造等很低的壓強(qiáng)下充型而言的。檢測與實(shí)踐都表明，不加硅的合金與加了硅的合金，在超過1MPa的充型壓強(qiáng)下充型，差異并不大。當(dāng)今的壓鑄機(jī)與壓鑄工藝，充型壓強(qiáng)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(xiàng)才是最重要與最關(guān)鍵的。有研究指，含硅量到20%左右的鋁合金(如A390)，相變體積可以基本不變。所以，用于高溫場合的鋁活塞，總是硅含量較高的合金。因?yàn)閴鸿T工藝的本質(zhì)特性，屬單方向的高壓強(qiáng)充型鑄造，不具有反向補(bǔ)縮功能，這是它與低壓鑄造、重力鑄造具有反向補(bǔ)縮充型的工藝特性完全不同的地方。正是這個原因，行業(yè)上才特意配制相變收縮率比較低，含硅量盡量去到最高，專門為了壓鑄工藝不能反向補(bǔ)縮的鋁合金牌號。

增加硅在合金中的含量會付出很大的代價：大幅削弱了合金的強(qiáng)度，并使合金變脆，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(qiáng)度低了一半甚至大半，約在200MPa范圍。對比A356、6061(LY硬鋁)、ZL101合金強(qiáng)度在400MPa，7075(LC超硬鋁)強(qiáng)度達(dá)600MPa就可知了。硅還是非金屬，不能陽極氧化與著色。故從本質(zhì)上說，硅對合金歸屬為一種有害的或雜質(zhì)類的元素。

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

實(shí)踐上，用壓鑄工藝生產(chǎn)含硅量在5%左右的鑄造類合金(如生產(chǎn)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(yán)重。原因在于，該類鑄造合金的體積收縮率較大，本來就只適合于有補(bǔ)縮系統(tǒng)的鑄造工藝的(如重力鑄造、金屬模鑄造、低壓鑄造)。用沒有補(bǔ)縮系統(tǒng)的壓鑄工藝生產(chǎn)，明顯勉為其難，縮孔縮松缺陷又怎不明顯增加呢。

現(xiàn)時的壓鑄機(jī)，能產(chǎn)生一定補(bǔ)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(chǎn)生一定的補(bǔ)縮作用，卻極不可靠，這樣會更容易卷氣產(chǎn)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(zhì)上只是加了壓強(qiáng)，而不是直接加力于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(bǔ)縮——這同時還要加大內(nèi)澆道(所謂大水口)才能有效果。但對于需在多個位置進(jìn)行補(bǔ)縮的毛坯，單靠壓射沖頭的作用顯然生產(chǎn)不出合格產(chǎn)品。兩者相比，以壓射沖頭的“加力”，作用遠(yuǎn)好于對熔體的“加速”充型。

現(xiàn)時的“多功能”低壓鑄造機(jī)，其實(shí)是將復(fù)雜的重力鑄造充型與補(bǔ)縮系統(tǒng)機(jī)械化，本質(zhì)上已是“中低壓鑄造充型 多點(diǎn)擠壓鑄造補(bǔ)縮”，具有多工位補(bǔ)縮的工藝裝備：即熔體的充型速度與壓力，實(shí)現(xiàn)無級調(diào)節(jié)的機(jī)械化，同時具有對毛坯多個需補(bǔ)縮的位置的壓力強(qiáng)制補(bǔ)縮。這種“低壓鑄造機(jī)”，其實(shí)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(jìn)行鍛壓的功能而已。

回過頭來看，就知道鎂合金壓鑄為什么艱難：它與用壓鑄工藝生產(chǎn)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(bǔ)縮的問題，卻是難度甚高、極大的問題。因?yàn)楝F(xiàn)時的鎂合金牌號，只有含硅量很低(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(dāng)于用壓鑄工藝生產(chǎn)6061、6063合金，相當(dāng)于挑戰(zhàn)壓鑄工藝那不可思議的絕對禁區(qū)!

這就得出兩個極重要的結(jié)論：

一是現(xiàn)時的鑄造牌號鎂合金，只應(yīng)適用于擁有多功能的具有復(fù)雜良好補(bǔ)縮系統(tǒng)的低壓鑄造裝置生產(chǎn)，而基本不適合沒有補(bǔ)縮能力的壓鑄工藝生產(chǎn)。別相信現(xiàn)時的所謂“鎂合金壓鑄機(jī)”，因?yàn)樗皇窍鄬τ趥鹘y(tǒng)壓鑄工藝僅提高了壓射充型的速度，但這能起到的補(bǔ)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(tǒng)壓鑄工藝，或所謂的“鎂合金壓鑄機(jī)”生產(chǎn)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(yè)性;以傳統(tǒng)的壓鑄工藝(包括所謂的鎂合金壓鑄機(jī))搞鎂合金壓鑄件生產(chǎn)，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(yè)上的普遍適應(yīng)性，更多的會以失敗告終——如同以壓鑄工藝生產(chǎn)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(qiáng)制補(bǔ)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(chǎn)，直接生產(chǎn)出如壓鑄件一樣結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鎂合金鍛壓件。這項(xiàng)工藝，可生產(chǎn)完全不含硅的變形鋁合金鍛壓件，也能生產(chǎn)完全不含硅的變形鎂合金鍛壓件。

連鑄連鍛、壓鑄模鍛工藝裝備，源于強(qiáng)制鍛壓補(bǔ)縮的液態(tài)模鍛工藝思維，是直接擠壓鑄造(液態(tài)模鍛、熔湯鍛造)與間接擠壓鑄造工藝相結(jié)合的技術(shù)，是我國原創(chuàng)的發(fā)明專利技術(shù)，已相當(dāng)成熟可靠。

鎂合金的壓鑄模鍛生產(chǎn)已達(dá)到成熟的工業(yè)化水平。對鎂合金鑄鍛件工業(yè)化生產(chǎn)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(chǎn)

第一選擇是熱室臥式鎂合金壓鑄模鍛機(jī)。它的優(yōu)點(diǎn)是，沒有復(fù)雜的防止鎂合金燃燒的保護(hù)系統(tǒng)。

建議采用雙爐并聯(lián)的保溫與熔煉系統(tǒng)，一個爐子為保溫爐，生產(chǎn)時加蓋密封不開啟，加保護(hù)氣體密封保護(hù)，另一個爐子作專項(xiàng)熔化鎂錠。熔化爐建議采用現(xiàn)成的鎂合金工頻爐（山東某大型工業(yè)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(jī)的生產(chǎn)效率高，對于小尺寸鎂合金毛坯的生產(chǎn)是最優(yōu)的選擇。而需要大規(guī)格的熱室臥式鎂合金壓鑄模鍛機(jī)時，現(xiàn)時的設(shè)備生產(chǎn)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(jī)。它的優(yōu)點(diǎn)是，可生產(chǎn)特大型鎂合金鑄鍛件（如鎂合金輪轂等），現(xiàn)時已有的最大機(jī)型為900噸到1200噸模鍛力的設(shè)備。

熔化爐同樣建議采用現(xiàn)成的鎂合金工頻爐。定量給湯裝置采用現(xiàn)時成熟的設(shè)備。

這個方案的唯一缺點(diǎn)是，現(xiàn)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(chǎn)

現(xiàn)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(chǎn)鑄鍛件，并作為新上鎂合金鑄鍛件項(xiàng)目推薦的最優(yōu)選工藝。

材料方面，我國已有達(dá)到國際先進(jìn)水平的阻燃鎂合金研制成果，并獲2003年國家科技進(jìn)步二等獎。這種鎂合金的燃點(diǎn)溫度從熔點(diǎn)以下的520℃ （AZ91D鎂合金的燃點(diǎn)是510℃）提高到高于熔煉溫度（760℃），實(shí)現(xiàn)了鎂合金在大氣下的無保護(hù)熔煉與鑄鍛生產(chǎn)。

設(shè)備方面，可選用現(xiàn)時所有的普通擠壓壓鑄模鍛機(jī)作配套生產(chǎn)，也就是說，生產(chǎn)鎂合金鑄鍛件的裝備與生產(chǎn)鋁合金擠壓壓鑄模鍛機(jī)是完全一樣的，裝備投入下降20%，整個生產(chǎn)成本可降到最低。

3．阻燃鎂合金鑄鍛件的半固態(tài)生產(chǎn)

擠壓壓鑄模鍛的另一個工藝優(yōu)勢可在生產(chǎn)阻燃鎂合金鑄鍛件時充分發(fā)揮出來，這就是能夠采用鎂合金的半固態(tài)擠壓壓鑄模鍛工藝。

鎂合金的熔點(diǎn)是650°C，其半固態(tài)溫區(qū)寬，所以是一種理想的半固態(tài)射注成型金屬。采用鎂合金的半固態(tài)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(tài)的560～630℃。

很多普通鎂合金經(jīng)簡單的阻燃合金化后，燃點(diǎn)都能高于560～630℃這個溫度，這就使鎂合金在大氣下的無保護(hù)熔煉與鑄鍛生產(chǎn)具有普遍性，不再局限于現(xiàn)時研制出來的少數(shù)幾個牌號。

《鎂合金壓鑄件(GB/T 25747-2010)》的附錄A、附錄B、附錄C、附錄D和附錄E均為資料性附錄。本標(biāo)準(zhǔn)由全國鑄造標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會（SAC/TC54）提出并歸口。本標(biāo)準(zhǔn)負(fù)責(zé)起草單位：隆鑫工業(yè)有限公司。本標(biāo)準(zhǔn)參加起草單位：沈陽鑄造研究所、一汽鑄造有限公司、東風(fēng)（十堰）有色鑄件有限公司。本標(biāo)準(zhǔn)主要起草人：張映輝、曲學(xué)良、馮本貞、鄧志勇、劉海峰、楊召嶺。

前言

1范圍

2規(guī)范性引用文件

3技術(shù)要求

3.1化學(xué)成分

3.2力學(xué)性能

3.3壓鑄件尺寸

3.4加工余量

3.5表面質(zhì)量

3.6內(nèi)部質(zhì)量

4質(zhì)量保證

5試驗(yàn)方法和檢驗(yàn)規(guī)則

5.1化學(xué)成分

5.2力學(xué)性能

5.3幾何尺寸

5.4表面質(zhì)量

5.5內(nèi)部質(zhì)量

6交付、包裝、運(yùn)輸和貯存

附錄A（資料性附錄）壓鑄鎂合金試樣的力學(xué)性能

附錄B（資料性附錄）線型尺寸受分型面影響時的附加量（增或減）

附錄C（資料性附錄）線型尺寸受模具活動部分影響時的附加量（增或減）

附錄D（資料性附錄）壓鑄件形狀和位置公差

附錄E（資料性附錄）國內(nèi)外主要鎂合金壓鑄件材料代號對照

a、正確選擇壓鑄件的材料，

b、合理確定壓鑄件的尺寸精度；

c、盡量使壁厚分布均勻；

d、各轉(zhuǎn)角處增加工藝圓角，避免尖角。