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1、国内外铸造生产线设计生产中的问题及解决办法
一．概述
随着国民经济的不断发展，近年来对铸件的要求越来越高，特别是汽车发动机缸体、缸盖类铸件，不仅要求材质好，而且还要求尺寸精度高、表面光法、重量轻。为此，作为影响铸件质量的关键工部件造型工部，纷纷采用新的工艺和设备，以满足铸件质量和产量的要求。据不完全统计，我国引进的高压造型线、气冲造型线、静压造型线已有60条左右；国内自己设计制造的高压造型线、气冲造型线已有70余条。
从使用情况来看，这些造型线确实为我国的铸件产量和质量的提高起了很重要的作用，但与我们的希望来比，还很不够。进口线的实际生产率一般在设计能力的5080%，国产线现在使用的估计只占50%，而在这50%中，开动率也较低，出现以上现象的原因是多方面的，归纳起来大概有以下几方面。
二．存在问题
1．设计存在的问题
由于造型线设备复杂，动作多，逻辑性强，因此，设计中就难免有考虑不周的地方，特别是造型线设计的初期，问题更多，比如：材质选用不合理，元件选用不当，逻辑关系不强等。这就决定了我国早期的高压线多数运行状况不太理想。比如：某大厂在70年代初期设计了一条高压造型线，制造安装后一直没有使用，其主要原因是：设计时许多辅机上的垂直液压缸原始位置设在中间位置，由于国产液压阀的泄漏，致使许多辅机不能处在原始位置；运行部件没有考虑制造的误差及液压泄漏，经常相碰，该联锁的电器上也没有联锁，放了这么多年，给工厂带来了很大的经济损失，听说最近要拆掉。国内如此，国外的造型线也同样存在设计上的不足，比如某厂引进一条高压造型线，由于设计时没有考虑砂箱走边的检测及清扫，以至砂箱的进翻箱机时经常卡死，甚至把翻箱机顶坏。还有一家厂引进的静压造型线在设计时工艺性考虑的不周，使上箱在下箱上边翻箱，从而导致造好的下箱内腔掉进砂子，造成铸件缺陷。
2．设备可靠性差
影响设计可靠性的因素主要有设计、制造、安装、生产管理、维修等。
设计中零件选用不当，材质选用不合理，是影响可靠性的重要原因之一，过去着重强调了国产化和降低成本，因此，元器件全为国产件。但由于国产无器件质量不过关，严重影响了造型线的开动率。比如：由于机械传动的误差，会导致转运车上的轨道与冷却道轨道对不准，致使输送器小车和砂箱脱轨，造成较长时间的停车；同样规格的密封件，国产的只能用3～6个月，而进口的能用12年；同样的管接头，国产的就漏油，进口的就不漏油，仅此一项，某一条造型线严惩时每年将漏油200多吨，价值100多万元；由于接近开关发讯不准，也常导致误动作造成停车；液压阀及气动阀的泄漏和精度不高，也是影响造型线开动率的主要因素。比如某厂造型机的控制不仅有电器联锁，而且有气动联锁，气动控制管路的管子是Φ8×1的，连接的管接头较多，由于管接头及气阀的漏气，常使控制气路压力降低，不能使气阀动作，为此，不得不冒险将部分联锁取消。
制造质量的好坏，也将影响造型线的开动率，包括内在质量和尺寸精度。比如：由于加工精度达不到要求，造成设备移动部分和固定部分相碰，定位不准等故障；由于元件的材质或热处理达不到要求，将影响设备的使用寿命和可靠性；由于液压系统的清理不干净，导致油液污染，使阀卡死的现象也经常出现。我到过一个现场，两台主机的工作台同样是球铁的，一台球化好了，用了几年就没问题，而另一台，没有多久就坏了，断面象马蜂窝似的。再如，某厂引进的气冲线96年投产以来，主机工作台油缸已更换了三次，第一次没过保质期就坏了，结果索赔了一台，此后，每两三年更换一次。另外，电线接头长时间使用后引起松动，也导致坏电路二三次。安装不按规范，偷工减料，也是造成可靠性差的重要原因之一。比如：安装时对管子不按规范进行清洗，该氩弧焊的用普通焊代替，造成管子里边有焊渣；该装管夹的地方不装或少装，造成管子震动，管接头松动，时间一长开始漏油；该用RVV软线的地方，用KVV代替，宜造成断路；该用螺栓固定的地方一焊了之，等等。
3．维修困难
由于设计人员现场经验不足，设计出来的设备往往只注意功能性，而没有注意维修容易，比如有些易损件或耐磨件，在制造厂装配时依次可以装上，但如果使用过程中磨损了，需要更换，则必须大卸八块，才能换上。这样，既费时，又影响了整个设备的精度。再如，过去将滤网放在泵的吸油口，并埋在油箱内，由于油的污染，经常要对滤网进行清理，但清理一次滤网必须先把油抽干净，而不是将滤网放在回油管上，清洗更换都方便。在阀箱里或多管平行的地方，安装管夹时，没有留出足够的维修空间，一旦一根管子漏油，必须选把别的管子拆掉，才能拧紧，形象地说，就跟栽葱的一样。制造过程中不注意质量，零件严重超差，也是造成维修困难的一个重要原因。比如一个零件与另一个零件为过度配合，由于加工超差，装配时变成了过盈配合，一旦零件出了问题需更换时，就很难取出。还有，经常拆装的缸端管接头，不用球铰接头，而用端直角接头，从而给维修带来困难。安装时只顾管子、电线走向，而忽略维修的可能性的情况也是常有的，比如，有些设备距地沟壁有一定的距离，本来是作为维修空间用的，但安装时不注意，觉得走管子或电缆桥架挺方便的，就装上了，但使用维修时就叫苦了。
4．生产任务不足，成本较高
在市场经济的今天，铸件成本的高低显得越来越重要了。近几年来，由于乡镇和民营铸造企业的蓬勃发展以及城市的环境保护要求，再加上乡镇和民营铸造企业的成本较低，企业经营灵活，这些企业的铸件在市场上的份额越来越大，从而导致一些具有造型线的大中型企业生产能力不足。例如：现在许多厂爱“开三停四”，一个月上半个月的班，由原来的两班或三班改为单班，经常放长假等。造型线的运行成本较高，也是影响使用的一个因素。如果开动造型线，必须所有设备开动，包括相关工部的设备，这样，用电量较大，同时，所有人员都得到岗，再加上漏油损失，在产量少的情况下，开机将很不划算。比如：有一个厂原来产量很大，上了一条气冲造型线，后来，产量锐减，开动造型线明显不划算，再加上实行成本核算，只好将造型线封存，改为地面造型。
5．管理不善
没有通盘计划，各自为政的现象严重，致使一些企业不考虑自己的实际情况，盲目上马，但后来由于资金不足，产品不对路等原因，造成虽已有较大投入，但尚未形成生产能力而闲置着的设备数量也不少。
企业内部管理不善，主要表现为：维修人员责任不明确，没有明确的设备维修制度，备件采购和维修脱节，维修人员素质较低，工资待遇差等。经常看到这样的现象：操作工上班时维修工在休息，操作工下班了维修工也下班了，至少设备是否需要备件，是否带病工作，是束需要维修，没有人去管，只有设备实在开不动了，才去修理，而这时换上的备件往往又不合适。比如某厂造型线上的备件是由设备科来组织，线上该备什么，备多少，基本不与维修人员通气，买来的备件也不与造型线上实际使用的实物对照，因此，常常出现原来是24伏的阀，更换时变成了220伏；应该是内控内泄阀，更换时变成了内控外泄阀；加工的备件更换时才发现超差等现象，从而影响生产。
6．各工部不匹配
由于国内外铸造设备的标定生产率与实际相差很大，所以，经常导致铸造车间各工部不匹配，从而影响造型线的开动率，据不完全统计，一般造型线由于各工部不匹配而占停机时间约为30-50%左右。例如有一个厂，在车间设计时引进了一条造型线，但其它工部选用国产设备，投入使用后出现两个问题：一是其它工部设备故障率高，严重影响了造型线的开动率，使造型线处于半停产状态；二是混砂能力不够，国产混砂机的混砂能力在实际实用中只能达到名义能力的一半左右，而设计时按名义能力考虑，因此，造成这样的后果。该车间这样生产了大概三、四年，厂里下决心又对砂处理工部进行了改造，目前，使用情况良好。
三．解决问题的办法
要想将一条造型线用好，无非要作好“防”和“备”两方面的工作，“防”是防止问题的出现，“备”是防不胜防时，出现问题了要有所准备，将问题尽快解决。但要做到这两点，必须在以下方面下功夫。
1．加强学习，吸引国内外先进技术和经验，以防为主
设计人员的素质直接影响到造型线的水平，只有设计水平提高了，才有可能制造出好的造型线。为此，设计人员必须掌握国内外的先进技术和设备，并不断总结经验，逐步提高，使设计水平从“小学”提高到“大学”。近年来，我国铸造设备设计人员已充分意识到这一点，通过他们的努力，再加上生产实践、消化吸引国外先进的工艺和技术，我国铸造设备设计水平大大提高，他们不仅具有了设计出高水平造型线的能力，而且具有现场动手的能力，通过不断改进，已设计出多条布置合理，性能可靠的造型自动线。这些改进有：工艺方面：由气动微震改为高压造型，再发展为气冲造型、静压造型、触头式动力撞击造型等。使设备越来越简单，工艺性越来越好。可靠性方面：过去造型线控制用顺控器控制，设备又庞大，故障又多，维修也困难，但有了PC以后，我们马上用在造型线控制上，目前，基本上没有人说电器有问题了；过去辅机及转运车为了实现慢--快--慢的动作，用子母电机或行程阀控制，现在有了调频电机和比例阀，很容易就解决了，可靠性也得到了提高；过去动作检测发讯用行程开关，现在用接近开关或编码器；过去由于油温过高，常使密封件容易老化，产生漏油等现象，严重影响造型线的开动，针对这一原因，现在增加了液压油冷却面积，改变溢流阀型号，使无负荷时泄荷，而不是溢流，减少产生热量的原因，降低落同温；活塞式蓄能器改为囊式蓄能器，性能可靠，动作灵敏；将不可靠的国产元件改为进口元件等。维修方面：一条造型线再好也不可能一点问题没有，但出了问题很难解决，设计水平就不能说很高，为此，设计人员也下了很大功夫。便好：过去液压系统出了故障，必须先把系统卸荷，回油完了再维修，现在将阀箱带在设备上，并在进出油口各加一个截止阀，维修时阀一关就行了，十分方便；还有，经常拆装的较大零件，设计时直接设计上两个吊装孔，使维修变的十分方便。专业设计方面：过去许多大厂车间设计由自己的技术人员来完成，但由于受专业和实际经验的限制，设计完成后问题较多，特别是各工部不匹配的现象普遍存在。因此，铸造项目最好不要请非专业的技术人员来设计，要请专业的设计院所来设计，这样，就会少出错或不出错，不走弯路。
2．强化质量意识，提高产品质量
“质量就是生命”这句话我们大家都很熟悉，但在实际中对质量的认识还很不够，还应该加强，使每一个员工意识到没有质量，就没有生存。一切操作按规范进行，绝对禁止为了一点小利进行偷工减料的行为。过去经常有这样的事，图纸归图纸，加工归加工，加工的人不看图纸要求，设备做成什么就是什么，比如端直通管接头的螺纹孔，由于要靠组合垫密封，图纸上螺纹孔和端面的锪平面有垂直度要求，但机加工工人是不管的，甚至不锪平，所以，容易造成漏油。还有多个螺钉固定的设备，往往有几个螺钉孔对不上，因此，把螺钉磨成丝锥一样拧进去或不拧。当然，经过这么多年的生产实践，许多厂已意识到质量的重要性，加工手段也提高了许多，比如现在许多厂用专机或加工中心加工砂箱，过去自己制造的油缸现在也外协到专业油缸厂制造。另外，必须提高基础件的质量，过去同样12.9级的螺钉固定液压阀，进口的就不漏油，国产的就漏油。减速机内的齿轮，要求是硬齿面，耐实际是软齿面，用不了多外就坏，等等。
3.加强管理，健全维修制度，有备无患
首先上级主管部门要根据企业的具体情况，决定是否要上造型线，把好第一关，避免上了一半而中途下马，经国家和企业造成经济损失。如果上了造型线，企业内部必须加强管理，与造型线有关人员必须责、权、利分明，谁出了问题，谁负责任，谁来解决。要有严格的管理制度，注意各工部之间的匹配，注意人材的培养和合理利用。再好的一条线，如果管理维修跟不上，也不可能用好。因此，必须重视维修人员的素质。维修人员必须对造型线非常了解，明白每一个零件的用途，平时要进行预检预修及巡检，出了故障能很快正确地判断并及时排除。我到过一个现场，维修人员没见过造型线的液压原理图，对全线的动作原理不清楚，因此，出了故障手忙脚乱，最后捣鼓一通能用为止，究竟出了什么问题，怎样解决却不清楚。因此，大大影响了开动率。象这种状况，以后必须改进。备品备件的管理对自动化流水生产线来说，显得特别重要，建议此项工作由专人管理。备件清单的提供要与造型线上的需要一致，进货后要与造型线核对，并分类保管，保管条件要符合材质的要求，定期对备件进行检查，对过期的零件清理出去，及时补充新的零件。要做到造型线使用的备品备件随时能准确无误地提供，从而，确保造型线正常运转。总之，要用好一条造型，不是一件简单的事，几十台设备、一、二百个点，每天都毫无差错地运行，不仅要从设计、制造、安装、调试、维修、备品备件等造型线本身方面来下工夫，而且要从生产管理、各工部协调匹配、正确确定工艺参数等方面下功夫。随着技术水平、制造水平，加上设计人员的设计水平和使用者管理水平的不断提高，国产造型线一定能制造好，使用好。
刘小龙
2、浅谈如何提高压铸模寿命
材料自身存在的缺陷、维修和保养的方法都是会影响压铸模的寿命的。本文从后者来介绍如果提高压铸模的寿命，并列举了压铸模常见的故障原因及排除方法。
压铸模由于生产周期长、投资大、制造精度高，故造价较高，因此希望模具有较高的使用寿命。但由于材料、机械加工等一系列内外因素的影响，导致模具过早失效而报废，造成极大的浪费。
压铸模失效形式主要有：尖角、拐角处开裂、劈裂、热裂纹(龟裂)、磨损、冲蚀等。造成压铸模失效的主要原因有：材料自身存在的缺陷、加工、使用、维修以及热处理的问题。
1、材料自身存在的缺陷
众所周知，压铸模的使用条件极为恶劣。以铝压铸模为例，铝的熔点为580-740℃，使用时，铝液温度控制在650-720℃。在不对模具预热的情况下压铸，型腔表面温度由室温直升至液温，型腔表面承受极大的拉力。开模顶件时，型腔表面承受极大的压应力。数千次的压铸后，模具表面便产生龟裂等缺陷。
由此可知，压铸使用条件属急热急冷。模具材料应选用冷热疲劳抗力、断裂韧性、热稳定性高的热作模具钢。H13(4Cr5MoV1Si)是目前应用较广泛的材料，据介绍，国外80％的型腔均采用H13，现在国内仍大量使用3Cr2W8V，但3Cr2W8VT_艺性能不好，导热性很差，线膨胀系数高，工作中产生很大热应力，导致模具产生龟裂甚至破裂，并且加热时易脱碳，降低模具抗磨损性能，因此属于淘汰钢种。马氏体时效钢适用于耐热裂而对耐磨性和耐蚀性要求不高的模具。钨钼等耐热合金仅限于热裂和腐蚀较严重的小型镶块，虽然这些合金即脆又有缺口敏感性，但其优点是有良好的导热性，对需要冷却而又不能设置水道的厚压铸件压铸模有良好的适应性。因此，在合理的热处理与生产管理下，H13仍具有满意的使用性能。
制造压铸模的材料，无论从哪一方面都应符合设计要求，保证压铸模在其正常的使用条件下达到设计使用寿命。因此，在投入生产之前，应对材料进行一系列检查，以防带缺陷材料造成模具早期报废和加工费用的浪费。常用检查手段有宏观腐蚀检查、金相检查、超声波检查。
(1) 宏观腐蚀检查。主要检查材料的多孔性、偏柝、龟裂、裂纹、非金属夹杂以及表面的锤裂、接缝。
(2) 金相检查。主要检查材料晶界上碳化物的偏析、分布状态、晶料度以及晶粒间夹杂等。
(3) 超声波检查。主要检查材料内部的缺陷和大小。
2、压铸模的加工、使用、维修和保养
模具设计手册中已详细介绍了压铸模设计中应注意的问题，但在确定压射速度时，最大速度应不超过100m/S。速度太高，促使模具腐蚀及型腔和型芯上沉积物增多；但过低易使铸件产生缺陷。因此对于镁、铝、锌相应的最低压射速度为27、18、12m/s，铸铝的最大压射速度不应超过53m/s，平均压射速度为43m/s。
在加工过程中，较厚的模板不能用叠加的方法保证其厚度。因为钢板厚1倍，弯曲变形量减少85％，叠层只能起叠加作用。厚度与单板相同的2块板弯曲变形量是单板的4倍。另外在加工冷却水道时，两面加工中应特别注意保证同心度。如果头部拐角，又不相互同心，那么在使用过程中，连接的拐角处就会开裂。冷却系统的表面应当光滑，最好不留机加工痕迹。
电火花加工在模具型腔加工中应用越来越广泛，但加工后的型腔表面留有淬硬层。这是由于加工中，模具表面自行渗碳淬火造成的。淬硬层厚度由加工时电流强度和频率决定，粗加工时较深，精加工时较浅。无论深浅，模具表面均有极大应力。若不清除淬硬层或消除应力，在使用过程中，模具表面就会产生龟裂、点蚀和开裂。消除淬硬层或去应力可用：①用油石或研磨去除淬硬层；②在不降低硬度的情况下，低于回火温度下去应力，这样可大幅度降低模腔表面应力。
模具在使用过程中应严格控制铸造工艺流程。在工艺许可范围内，尽量降低铝液的浇铸温度，压射速度，提高模具预热温度。铝压铸模的预热温度由100～130℃提高至180～200℃，模具寿命可大幅度提高。
焊接修复是模具修复中一种常用手段。在焊接前，应先掌握所焊模具钢型号，用机械加工或磨削消除表面缺陷，焊接表面必须是干净和经烘干的。所用焊条应同模具钢成分一致，也必须是干净和经烘干的。模具与焊条一起预热(H13为450℃)，待表面与心部温度一致后，在保护气下焊接修复。在焊接过程中，当温度低于260℃时，要重新加热。焊接后，当模具冷却至手可触摸，再加热至475℃，按25mm/h保温。最后于静止的空气中完全冷却，再进行型腔的修整和精加工。模具焊后进行加热回火，是焊接修复中重要的一环，即消除焊接应力以及对焊接时被加热淬火的焊层下面的薄层进行回火。
模具使用一段时间后，由于压射速度过高和长时间使用，型腔和型芯上会有沉积物。这些沉积物是由脱模剂、冷却液的杂质和少量压铸金属在高温高压下结合而成。这些沉积物相当硬，并与型芯和型腔表面粘附牢固，很难清除。在清除沉积物时，不能用喷灯加热清除，这可能导致模具表面局部热点或脱碳点的产生，从而成为热裂的发源地。应采用研磨或机械去除，但不得伤及其它型面，造成尺寸变化。
经常保养可以使模具保持良好的使用状态。新模具在试模后，无论试模合格与否，均应在模具未冷却至室温的情况下，进行去应力回火。当新模具使用到设计寿命的1/6～1/8时，即铝压铸模10000模次，镁、锌压铸模5000模次，铜压铸模800模次，应对模具型腔及模架进行450—480℃回火，并对型腔抛光和氮化，以消除内应力和型腔表面的轻微裂纹。以后每12000～15000模次进行同样保养。当模具使用50000模次后，可每25000～30000模次进行一次保养。采用上述方法，可明显减缓由于热应力导致龟裂的产生速度和时间。
在冲蚀和龟裂较严重的情况下，可对模具表面进行渗氮处理，以提高模具表面的硬度和耐磨性。但渗氮基体的硬度应在35-43HRC，低于35HRC时氮化层不能牢固与基体结合，使用一段时间后会大片脱落：高于43HRC，则易引起型腔表面凸起部位的断裂。渗氮时，渗氮层厚度不应超过0.15mm，过厚会于分型面和尖锐边角处发生脱落。
3、热处理
热处理的正确与否直接关系到模具使用寿命。由于热处理过程及工艺规程不正确，引起模具变形、开裂而报废以及热处理的残余应力导致模具在使用中失效的约占模具失效比重的一半左右。
压铸模型腔均由优质合金钢制成，这些材料价格较高，再加上加工费用，成本是较高的。如果由于热处理不当或热处理质量不高，导致报废或寿命达不到设计要求，经济损失世大。因此，在热处理时应注意以下几点：
(1) 锻件在未冷至室温时，进行球化退火。
(2) 粗加工后、精加工前，增设调质处理。为防止硬度过高，造成加工困难，硬度限制在25-32HRC，并于精加工前，安排去应力回火。
(3) 淬火时注意钢的临界点Ac1和AC3及保温时间，防止奥氏体粗化。回火时按20mm/h保温，回火次数一般为3次，在有渗氮时，可省略第3次回火。
(4) 热处理时应注意型腔表面的脱碳与增碳。脱碳会记过迅速引起损伤、高密度裂纹；增碳会降低冷热疲劳抗力。
(5) 氮化时，应注意氮化表面不应有油污。经清洗的表面，不允许用手直接触摸，应戴手套，以防止氮化表面沾有油污导致氮化层不匀。
(6) 两道热处理工序之间，当上一道温度降至手可触摸，即进行下道，不可冷至室温。
镁是最轻的结构金属。几种常用结构金属的密度（g·cm-3）(20o)如下：
AL Mg Ti Fe Cu
2.70 1.74 4.51 7.87 8.96
可见镁的密度约分为Al,Ti,Fe,Cu的64%，39%，22%，19%。
由于镁的密度小，它的合金也以质轻著称。一般镁合金的密度在1.8g·cm-3以下，镁，锂合金的密度低于镁 1.6g·cm-3.某些超轻型镁.锂合金密度甚至低于1,比水还轻.镁得镁和金的低密度使其比性能提高.例如,20o时的弹性模量为45Gpa,比铝(70Gpa)和Ti(120Gpa)的低,但三者的比弹性模量相同(～26Gpa).镁和镁合金质量小的特点,使其在交通运输、航空工业和航天工业上具有巨大的应用前景.
镁的熔点为 651℃,沸点为1107℃.镁的蒸气压很高,627℃时为215215.95Pa,727℃时为1037.1Pa,因此镁铍极易挥发.镁原子最外层的两个电子很易失去,是很活泼的金属.常温下镁能与F、CL、BR、I等元素作用生成相应化合物.加热时镁能与硫、氮作用生成MgS和Mg3N2。在空气中镁会慢慢氧化,失去银白光泽而变黑.若温度提高至400℃以上,镁的氧化速度增快,超过500℃以后氧化速度更快,会着火燃烧,此时会生成氧化镁和少量氮化镁.镁燃烧时会发出非常强烈的光亮.镁的这一特点,颇受人们的青睐.早期就被利用于摄影照明,给人们留下美好的形象和记忆.战争时期,被用来制造照明 弹,把战场和目标照明得如同白昼.又被用于制造燃烧 弹,点燃战区的物资装备,杀伤对方有生力量.人们还利用镁的这一特点,将镁粉、铝粉和其它原料制成烟花.每当节庆的夜晚,随着阵阵悦耳响声,人们可以看到”嫦娥奔月””天女散花”……各种形色的烟花在夜空飞舞,多彩多姿,给人们带来极大的欢乐.顺便提一下,镁的这种”牺牲自我””乐于助人”精神处处可见.例如它仗着活泼的电化学性质做了牺牲自我的阳极,保护着其它的金属和设备.它又作为原电池阳极,耗尽了自己,照亮了他人.
由于化学活泼性高,金属镁是耐腐蚀性能最差的金属之一.在酸性、中性和弱碱性溶液中它都会受到腐蚀而变成Mg2+离子.各种类型大气均会对镁产生程度不同的腐蚀作用.在干燥的空气中,它的表面上形成一层暗淡的的疏松多孔氧化膜,在潮湿大气中,生成的产物组成大致为Mgco3·3H2O+Mgso4·7H2o+Mg(OH)2.大气湿度增加,工为地区和海洋环境的大气中所含的二氧化硫和氯化物等物质,能加重镁的腐蚀.镁中氯化物杂质及铁杂质也会加速镁的腐蚀.因此,工业生产的镁锭必须镀膜钝化,涂油及以蜡纸包覆.
镁是地壳中分布最广的元素之一,占地壳重量的2.77%,为第四个最丰富的金属元素(位于Al、Fe、Ca)之后.在自然界中镁只能以化合物的形态存在.在已知的1500多种矿物中,含镁矿物的有200多种,主要为碳酸盐、硅酸盐、硫酸盐、氧化物.海洋及盐湖中的镁比陆地上更多,是镁的主要来源.海水中含有10多种元素,镁的含量排第三,位居Na、K之后.海水中含镁0.13%每立方千米海水中有130万t镁,相当于世界镁年消耗量的4倍(见表2.8)盐湖水的镁浓度比海水更高.以东以色列、约旦之间的”死海”(实为另一内陆湖),受到千万干旱气候的造化,湖水极浓,含镁竟高达4%.仅此一处的镁,就能满足全世界2.2万年的需要.
纯镁不适合做结构材料.作为结构材料应用的镁主要是镁合金和铝－镁合金.全世界约有千种铝合金牌号,若按化学成份归类的话,约为300多种.这300多种铝合金几乎都含有镁,其中以镁作为主要添加剂的铝－镁合金(镁含量最高为10.5%)约为40种.全世界各国镁合金品牌共有200多种,这些品牌按化学成份可归为30多种.共中变形镁合金黄色10多种,铸造镁合金20多种,铸造镁合金主要有以下3个体系.
1) 镁－铝合金.这种合金自第一次世界大战被德国使用以来,成了最广泛使用的铸造镁合金的基础.大部份含有8%～9%的铝及少量的锌(使拉伸性能有某些提高)和锰(改善抗蚀性)
2) 镁－铝－锌合金.镁－铝合金中加锌会产生一定的强化作用,其中高含锌量的合金具有很吸引人的压铸特性.如Mg－8AL－8ZN,具有足够大的流动性.,可用于压铸件,而且流动性和抗蚀性超过传统铝－锌合金.
3) 含锆镁合金.锆能细化晶粒,改善镁合金的拉伸性能,提高镁合金蠕变能力,以满足航空和航天工业的需要.属于这一系列的合金有镁－锌－锆合金,镁－稀土－锌－锆合金,以及镁－钍系为基和镁－银系为基的含ZR合金.这种含稀土金属和或含钍的合金都可焊.钍也能改善铸造性能.银可以进一步提高拉伸性能.一些铸造镁合金的性能示于表3.2.
镁是立方晶格的金属,可以承受的形变量有限(特别是在低温下).其变形材料主要在300～500℃温度范围内通过挤压、;轧制和压力锻造进行生产.变形合金可以按照它们是否含锆而分成两类.按照变形产品种类可分为三类:1薄板和厚板轧制金.如AZ31(Mg-Al-Z系),ZM21(Mg-Zn-Mn系)和ZE10(Mg-Zn-RE系),这三种合金都可焊,后两种强度较低.LA141A(Mg-Li-Al)等也属这一类,前面已作详细介绍.属于这一类的还有含钍的HK31(Mg-Th-Zr系)以及随后研制的HM21(Mg-Th-Mn等),它们的高温强度更高.2挤压合金.这类合金含铝量大多在1%～8%之间.
镁合金都具有密度小的特点，特别是某些镁-锂合金（见前），密度甚至低于1。美英俄等国正在研制含钇镁合金。一种Mg-8.5Y-1.25Zn-0.5Zr合金，其密度小于1.9g·cm-3 ，抗拉强密度420Mpa， 0.2%屈服强度360Mpa，比现有任何一种变形镁合金的都高，同高强度铝合金强度相当。
镁铝合金又名铝镁合金，分子式：Mg4Al3分子量：178.22颜色为灰褐色，比重约为2.15g/cm3，熔点463℃，燃烧时产生的温度达2000℃-3000℃。在烟花生产过程中起着非常重要的还原剂作用，也可作为白光剂和照明剂。
镁铝合金是用镁锭和铝锭在保护气体中高温熔融而成。长期以来关于镁铝合金的结构有两种说法。一种说法是镁铝合金是简单物理混合；另一种说法是镁铝合金内部改变了晶体结构，不是简单的物理混合。
镁锭和铝锭在高于1150K时，部分铝与空气中的氧气反应，生成a-Al2O3,氧化铝的此种晶体化学性质呈惰性，起着屏障、隔离作用。低于1150K时，生在B-Al2O3而这种晶体与酸反应，保护不了内部的镁铝合金。
标准的镁铝合金中镁、铝的含量各约为50%。活性铝含量的多少对烟花的安全生产和产品的质量有很大的影响。但是现在生产镁铝合金的企业多为私营企业，近几年来铝锭比镁锭贵，受利益的驱动，大多未按国标生产。现在镁铝合金粉中铝的含量普遍低于50%，有的铝含量低到了40%。镁含量的增加使得镁铝合金的性质接近镁粉的性质，使得烟火 药的撞击感度、摩擦感度增加，烟火剂更加敏感，从而增加隐患。我们可能以用下面的化学机理来检验镁铝合金中铝的含量。
1、盐酸与镁铝合金的反应
Mg+2HCl=MgCl2+H2↑
2Al+6HCl=2AlCl3+3H2↑
2、混合溶液与氢氧化钠溶液反应（混合溶液中滴几滴石蕊或酚酞试剂作指示剂，以避免氢氧化钠过量）
MgCl2+2NaOH=2NaCl+Mg(OH)2↓
AlCl3+3NaOH=3NaCl+Al(OH)3↓
3、过滤、烘干、称重，重量为G1克
4、氢氧化铝与过量的氢氧化钠反应
Al(OH)3+NaOH=NaAlO2+2H2O
5、未反应的为氢氧化镁。过滤、烘干、称重，重量为G2克
镁铝合金的中铝的含量 Al%=(G1-G2)/G×34.62%
GB150-85规定了镁铝合金中铝的含量的范围为47-53%，铝含量低于这个范围镁铝合金容易引起质量事故和安全事故，应慎用。
镁锭在镁铝合金中的应用：镁铝合金由镁锭和铝锭在保护气体中高温熔融而成，其组成有：简单的物理混合与已改变晶体结构的物理混合两种说法。
镁合金成形技术研究进展
熊守美1 , 苏仕方2
(11 清华 - 东洋镁铝合金成形技术研究开发中心 , 清华大学机械工程系 100084 ; 21 中国机械工程学会铸造分会 ,
辽宁沈阳 110022)
摘要: 镁合金材料及其成形技术的研究和开发对于扩大镁合金在我国的应用具有十分重要的意义。根据第四届中国
国际压铸会议论文资料, 综述了国内外镁合金材料及其成形技术的的国内外发展趋势, 包括材料、成形技术及数值模
拟等, 展望了镁合金的开发与应用前景。
关键词: 镁合金; 材料; 成形技术; 数值模拟
中图分类号: TG24912 ; TG14612 2 文献标识码: A 文章编号: 100124977 (2005) 0120020204
+
Research Progress on Processing Technology
of Magnesium Alloys
XIONG Shou2Mei1 , SU Shi2Fang2
(11Tsinghua2TOYO R &D Center of Magnesium and Aluminum Alloys Processing Technology , Department
of Mechanical Engineering , Tsinghua University , Beijing 100084 , China ; 21Foundry Institution of Chinese
Mechanical Engineering Society , Shenyang 110022 , Liaoning , China)
Abstract : Research and development of magnesium alloys and their processing technology are of great
importance in promoting domestic applications of magnesium alloys in China. Based on the conference
papers of the 4th China International Die casting Congress & Exhibition , this paper reviewed the trend of
research and development of magnesium alloys and their processing technology at home and abroad , in2
cluding materials development , processing technology , and numerical simulation technology , etc. At the
same time , the prospect for magnesium applications was also discussed.
Keywords : magnesium alloy ; materials ; processing technology ; numerical simulation
镁合金正被广泛用于汽车、航空、电子以及消费
原因 , 使它难以作为关键零部件 (如发动机零件) 材
品工业中的各种结构件。尽管这些应用的增长主要受
料在汽车等工业中得到更广泛的应用。同时镁合金密
重量减轻的驱动 , 但是 , 镁合金的其它优点也起着重
排六方的晶体结构决定了其塑性变形能力较差 , 如何
要的作用。其一 , 是它们对压铸工艺的独特适应性 ,
解决这一问题是镁合金应用的关键之一。针对上述问
可以高速生产近终形零件; 其二 , 优良的模具寿命所
题 , 研究人员取得了以下进展。
节约的生产成本 , 可以弥补其原材料价格比铝合金稍
111 压铸镁合金材料开发
贵的不足 , 增强与压铸铝合金的竞争力; 此外 , 极好
针对商用压铸镁合金抗高温蠕变性能较差的现状 , 以
的可加工性能和减振性能也是镁合金具有的重要性
AZ 91 合金为基准合金 , 一汽铸造研究所的研究人
能。中国现在是世界上最大的镁生产及出口国 , 但镁
员〔1〕进行了抗高温蠕变压铸镁合金的开发。论文讨
合金在中国工业 , 尤其是汽车工业中的应用仍很有
论了稀土元素 Ce , Y, Nd 以及 Ca 和 Si 的添加对压
限。因此 , 深入开展镁合金及其成形技术的研究开
铸镁合金在常温拉伸性能以及 150 ℃条件下的蠕变行
发 , 对于扩大镁合金在中国工业中的应用具有十分重
为 , 显微组织的影响 , 以及对表面处理和腐蚀试验的
要的意义。
影响 , 并进行了实际产品的生产。
在第四届中国国际压铸会议的 50 余篇学术论文
该文综合考虑合金的化学成分、合金元素的固溶
中 , 涉及镁合金及其成形技术的相关论文、学术报告
度、各种金属间化合物 , 在保持 AZ 91 合金基本成分
有 10 余篇 , 本文将从镁合金材料、成形工艺 , 镁合
不变的条件下 , 设计了四组试验合金进行考查。采用
金熔体保护及镁合金成形过程数值模拟等方面总结会
挤压的方法试制了 30 种成分合金试棒 , 对试棒的常
议论文所涉及的相关领域的研究进展。
温力学性能和腐蚀行为进行了测试 , 并初步考查了铸
造性能和蠕变抗力。通过试验 , 开发的新合金性能接
1 镁合金材料研究
近德国大众公司开发的 MRI2153 合金 , 合金工艺性能
耐热性及疲劳性能是阻碍镁合金广泛应用的主要
与 AZ 91 合金相当 , 可以采用与 AZ 91 合金相同的生
收稿日期: 2004211220 收到初稿 , 2004211229 收到修订稿。
作者简介: 熊守美 (1966 - ) , 男 , 湖北麻城人 , 博士 , 博士生导师 , 主要从事压铸工艺和技术方面的研究。E2mail: smxiong @tsinghua1edu1cn
铸造
熊守美等: 镁合金成形技术研究进展
·21 ·
产工艺。在采用沈阳应用化学研究所低成本的电解镁
造四大方面为主。其中压铸仍为最主要的成型工艺 ,
- 稀土中间合金情况下 , 有效地控制了成本。在蠕变
我国镁合金压铸件产量由 1995 年的 1 562 t 提高到
试验中发现 , Mg2Al2Re2Zn 体系中的强化相 Al11Ce3 在
2002 年的 4 950 t , 7 年里产量增长了 2 倍多 , 平均
少量 Ca 存在下稳定性可以进一步提高。Nd 和 Y的添
年增长率达 18 %。利用镁合金压铸件代替传统铸铁、
加不会使 AZ 91 合金的晶粒度改变 , 但可以产生固溶
铸钢件 , 甚至代替铝压铸件 , 正成为制造业特别是汽
强化 , 具有极佳的蠕变性能。
车制造业的发展趋势〔4〕。
112 压铸镁合金的低周疲劳行为研究
211 镁合金压铸
沈阳工业大学的研究人员〔2〕通过试验发现: 压
目前 , 镁合金压铸工艺的研究热点主要集中在两
铸态 AZ 91 疲劳寿命最低; 在高应变幅条件下 , 压铸
大方面: 镁合金压铸零件的开发设计和镁合金压铸工
态 AM50 + Nd 疲劳寿命高于镁合金 AZ 91 , 在较低
艺的完善创新。随着模具设计水平和压铸零件性能的
应变幅条件下 , 压铸态 AM50 + Nd 的寿命要低于经
提高 , 镁合金压铸件的应用领域已经从传统的笔记本
过固溶处理的 AZ 91 的疲劳寿命; 经过固溶处理的
电脑外壳、手机外壳等表面覆盖件发展到了发动机支
AZ 91 镁合金的过渡疲劳寿命明显高于压铸态 , 压铸
架、轮毂、框架件等受力部件以及安全部件。
态 AM50 + Nd 镁合金的过渡寿命要高于压铸态 AZ
相应地 , 为了满足不断提升的零件性能要求 , 随
91。经过固溶处理以后 AZ 91 中的β相消失 , 使材料
着材料科学和其他科学技术的进步 , 在传统压铸工艺
的延展性增加 , 循环硬化程度有所降低。
的基础上衍生出了真空压铸、充氧压铸、超低速压铸
113 镁合金的铸态组织研究
等诸多分支技术。其中真空压铸以其极低的铸件含气
镁铝合金在未经变质处理时 , 铸态下晶粒尺寸可
量、较好的设备兼容性和优异的铸件性能等优点得到
达 3 ×10 ～5 ×10 m , 组织很粗大。合金的组织决
24
24
了高度重视和大力发展。众所周知 , 压铸件的气孔问
定性能 , 性能决定合金的应用 , 以往镁合金的组织控
题是限制其性能提高的主要瓶颈。真空压铸在传统压
制主要是为了提高其塑性变形能力。因为镁合金为密
铸工艺周期上耦合真空系统抽除型腔气体 , 是一种减
排六方 , 这就决定了其塑性变形能力较差。而实践证
少压铸件气孔 , 去除铸模内气体和润滑剂蒸汽的有效
明 , 细小等轴晶可以改善镁合金的塑性变形能力。而
方法。目前研究的热点是如何在型腔内得到更高的真
半固态触变成形也要求初始的铸态组织应为细小的等
空度 , 及相应的模具密封工艺。高真空压力铸造得到
轴晶组织 , 因此如何控制镁合金的组织是镁合金半固
的零件不仅可以大大降低微孔和气孔等铸造缺陷 , 还
态成形的关键之一。
可以进行热处理和压铸焊接〔5〕。
常用的镁合金组织控制工艺主要有液态处理法和
沈阳工业大学的研究人员〔6〕研究了压铸镁合金
固态处理法两大类。液态处理法由于简单、易于实
轮毂缺陷的产生原因 , 通过对浇注系统和零件结构的
现 , 不外加额外设备等 , 在工业应用中具有广阔的空
改进及压铸工艺参数的调整 , 有效地仿真了缺陷的产
间。液态处理法包括添加晶粒细化剂法、过热处理
生 , 明显改善了压铸镁合金轮毂件的质量。
法、熔体搅拌法两大类。固态处理法包括等静角压
清华大学的研究人员〔7〕与一汽合作 , 系统地研
(ECEA) 法、大比率挤压法和铸造粉末法。但对以
究了各种压铸工艺参数对镁合金压铸件质量的影响规
上这些方法的机理还不是很清楚或是方法正处于试验
律 , 成功开发了一汽集团首件镁合金压铸件并投入实
阶段。对镁合金的组织控制机理缺乏了解 , 产生了一
际生产。目前 , 正进行镁合金真空压铸及超低速压铸
些混淆 , 导致工业中对镁合金的组织控制主要依靠经
的实验研究。
验的方法〔3〕。到目前为止 , 对镁合金组织控制的研
212 低压铸造
究 , 主要集中于外来质点对形核的促进作用、抑制晶
低压铸造由于其充型过程的平稳性和良好的排气
粒生长的作用和溶质对形核率的影响。在镁合金熔体
性能 , 被广泛应用于轮毂等对铸件缺陷较为敏感的零
中加入少量的孕育剂 (MgCO3、C2Cl6、FeCl3 等) 或
件制造。而传统低压铸造工艺所采用的压缩空气 , 由
溶质原子 (Zr、Ca、Sr、RE 等) , 能细化镁合金的铸
于气体纯度不够及氧的分压过高所造成的氧化和吸气
造组织并改变沉淀物的形貌 , 提高镁合金的力学性
等问题会造成铸件的氧化夹杂、微裂纹、缩孔和缩松
能 , 改善压力加工性能。但是 , 镁合金组织细化的研
等铸造缺陷 , 限制了低压铸造的推广。采用电磁泵充
究和应用远不如铝合金的深入 , 值得进一步研究。
型的低压铸造新工艺技术 , 以电磁泵充型技术为核
心 , 在加压充型和保压时 , 采用非接触式的电磁力直
2 镁合金成形技术研究开发
接作用于液态金属 , 实现了铝液的平稳输送和充型 ,
当前 , 镁合金的成型工艺仍然以 压 力 铸 造
并防止由于紊流所造成的二次污染 , 得到了较高的铸
(HPDC) 、低压铸造 (L PDC) 、挤压铸造和半固态铸
件质量。同时引入计算机控制系统 , 提高了工艺执行
Jan. 2005
·22 ·
FOUNDRY
Vol154 No11
的准确度 , 也使生产效率得到了提升〔8〕。此外 , 由
体保护原理的基础上 , 讨论了各种混合气体保护的缺
于电磁泵低压铸造工艺所采用的开环控制方式对控制
点 , 研究了不同配比、不同的温度和操作条件下
精度具有较高的要求 , 针对工艺参数的测定和电磁设
HFC2134a 气体对液态镁合金的保护效果 , 并且研究
备的开发也展开了一系列研究工作〔9
- 10〕
。
了相关工艺参数和防护工艺。研究结果认为 HFC2
213 半固态铸造
134a 气体相对于 SO2 和 SF6 具有更优良的保护特性 ,
半固态铸造工艺自诞生以来一直受到了广泛的关
可作为镁合金熔体气体保护的一种优先选择。
注 , 处于研究的前沿。由于该项技术对设备依赖性较
4 镁合金压铸过程数值模拟
大 , 目前研究重点主要集中在设备性能的提升和完善
上。新开发的第二代触变成形机 , 最高射出速度达到
在镁合金压铸生产过程中 , 液态或半固态的金属
5 m/ s , 其螺杆、套筒等关键部件采用新型合金 , 耐
在高速、高压下充型 , 并在高压下迅速凝固 , 容易产
高温及热传导性能有所提升 , 锁模机构的刚性和速度
生气孔等铸造缺陷。由于镁合金压铸充型速度比铝合
得到加强 , 降低了能耗 , 得到了更高的铸件质量和生
金更高 , 凝固速度更快 , 因此 , 镁合金压铸对模具的
产效率〔11〕。与此同时 , 针对触变成形法的研究也促
流道系统及热平衡设计提出了更高的要求。充分了解
使了一批新技术的投入使用 , 如热流道系统、长喷嘴
充填过程的流动和换热规律 , 设计合理的铸件、铸型
技术、触变成形锻压工艺等。
结构及浇注系统 , 选择恰当的压铸工艺参数 , 不仅可
214 挤压铸造
以降低铸件废品率 , 提高铸件质量和生产效率 , 而且
挤压铸造在镁铝合金材料领域 , 以其高铸件质
可以延长模具的使用寿命。数值模拟方法为解决上述
量、高力学性能和高致密度得到了密切的关注。挤压
问题提供了有效的手段。通过压铸充型过程流场、温
铸造可以使任何壁厚的零件进行固溶热处理 , 从而得
度场的数值模拟 , 能够较准确地表达压铸充型过程的
到高于常规压铸的力学性能。另一方面 , 挤压铸造可
流动和传热规律 , 实现理想的型腔充填状态及模具热
以利用在凝固过程中加压的方法 , 得到优于低压铸造
平衡状态 , 预测可能产生的卷气、冷隔等缺陷 , 进而
的铸件致密结构。同时 , 挤压铸造和半固态铸造的密
优化压铸工艺 , 对实际压铸生产具有重要的指导意
切联系也使这项技术处于研究的热点。目前挤压铸造
义。因而 , 计算机模拟仿真技术被广泛用于镁合金压
面临的主要问题是对技术和过程控制要求过高 , 要求
铸件的模具设计及工艺分析。
的投资比较高。目前的研究重点主要集中在挤压顶
清华大学的研究人员〔4〕长期从事压铸过程模拟
针、吸热棒的运用 , 挤压位置的选择 , 工艺参数的控
仿真技术的研究工作 , 并成功将模拟仿真技术用于镁
制等方面〔12〕。
合金压铸件的模具设计优化、热平衡分析及模具热应
挤压铸造既可以采用专用设备进行生产 , 也可以
力和变形的分析。同时 , 特别对压室中的液态金属流
在常规压铸机上进行。他解决了传统压铸机不能生产
动进行了模拟 , 系统地研究了低速压射速度及压室充
厚大件 , 压铸件普遍存在的缩孔缩松问题 , 可生产各
满度等参数对压室中的气体卷入 , 并在此基础上提出
种不同强度和流动性的合金 , 简化了压铸模具设计的
了低速压射的优化工艺。
思路 , 降低了简单零件的压铸模具成本 , 使得中小批
沈阳工业大学的研究人员〔15
- 16〕
采用 FLOW3D
量零件使用压铸工艺生产变成可能。以挤压铸造技术
对不同镁合金铸件的充型过程及凝固过程进行了模拟
为基础 , 对常规铸造、低压铸造和传统挤压铸造机进
分析 , 为镁合金压铸件模具设计及预测缺陷位置提供
行的改造为挤压铸造技术的推广做出了贡献〔13〕。
了理论指导 , 有效地提高了镁合金压铸件质量及降低
模具设计成本。
3 镁合金熔体保护
5 结束语
镁及镁合金的气体保护熔炼技术是目前生产高纯
度、高品质镁合金的技术关键。20 多年前 , 在熔炼
随着镁合金压铸件的广泛应用 , 提高其压铸性能
镁和镁合金时采用 SF6 做保护气体 , 是当时镁工业界
和抗高温蠕变性能已成为当前重要的研究课题。我国
最大的进步。因为它消除了以前使用 SO2 和熔剂熔
的稀土资源丰富 , 稀土镁合金的性能优良 , 开发具有
炼所产生的大多数问题。但到了 1990 年 , SF6 和类
中国特色的压铸稀土镁合金 , 提高其抗高温蠕变性
似物的高温室效应 (是 CO2 的 24 000 倍 , 并能在大
能 , 具有重要意义。
气中长期存在 3 200 年) 迫使镁工业用户必须寻找技
压铸是镁合金最主要的成形工艺 , 为了进一步提
术上可行 , 经济、环保的替代保护气体。寻找 SF6 的
高镁合金零件的的质量及扩大镁合金的应用领域 , 应
替代保护气体是目前镁工业界的一个重要课题。
积极开展一些新的成形工艺方法 (如真空压铸、超低
华北工学院的研究人员〔14〕在论述镁合金熔体气
速压铸、挤压铸造、半固态铸造等成形方法) 的基础
铸造
熊守美等: 镁合金成形技术研究进展
·23 ·
研究工作。镁合金成形技术对工艺过程提出了更高的
四届中国国际压铸会议论文集 〔C〕. 北京: 机械工业出版社 ,
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[5].一种自动贝壳装饰贴片切割机的设计与研究.
作者：范红梅.机械工程苏州大学2010（学位年度）
[1]CAXA数控编程软件应用概论.
孙贻芬，2013第三届全国地方机械工程学会学术年会暨海峡两岸机械科技论坛
[2]铸件凝固过程数值模拟发展概论.
安利强.王永芳.王璋奇，2004第十三届河北省铸造学术年会
[3]对高校机械类骨干通选课“高新技术发展概论”课程教学内容改革的几点思考和探讨.
张明哲.赵东.任升峰，2008第十届全国机械设计教学研讨会
[4]一汽铸造有限公司铸造二厂铸件挽救工程概论.
郝影秋.曹瑞鹏，20092009全国铸件挽救工程技术年会
[5]逆向工程技术概论.
周耀新.王宏涛.刘巧云，2005第十一届全国机械设计年会
[6]数字图像处理技术概论.
王宏涛.刘巧云.周耀新.中国机械工程学会机械设计分会学术年会
[7]非正交系坐标测量系统概论.
王宏涛.周耀新.刘巧云，2005全国机械设计教学研讨会议
[8]X射线实时成像无损检测技术概论.
曾祥照.孙忠诚，1997中国机械工程学会第四届全国压力容器学术会议
[9]铝合金挤压铸件缺陷概论.
齐丕骧.齐霖，20012001中国压铸、挤压铸造、半固态加工学术年会
[10]鲜奶冷藏运输设备概论.
王福.王颖伟.王慧峰，19991999年全国包装与食品加工技术研讨会
