1 概述

降低能耗、提高能源利用率、减少环境污染及节约地球资源是当今人类面临的重要而紧迫的问题。加工制造业设计产品时越来越注意产品的轻量化问题。由于镁合金具有密度小、比强度和比刚度高、良好的抗腐蚀和抗电磁辐射能力、以及良好的充型流动性和可再生利用性等一系列优点,使其在汽车、电子、家电、通信、仪表及航天航空等领域的应用日益增多。镁合金压铸的汽车零部件在欧美、日本等发达国家汽车工业中的应用出现了持续快速增长势头。根据国际镁协会(IMA)的估计,未来随着世界汽车业的发展,将促使镁需求持续增长。估计到2030年世界汽车保有量将比目前增加一倍,达10亿辆。预计2001年汽车工业对镁的需求总量将达11万吨,今后10年汽车工业对镁需求的增长率将达15%。进入21世纪,镁合金压铸结构件将成为最主要的镁应用领域。镁合金压铸的快速增长主要是由欧美地区发达国家汽车工业面临汽车重量轻、耗油少、符合新的环保要求而促成的。此外,镁合金压铸件在汽车上的应用还可以改善汽车的结构和动力性能,也是目前汽车工业重视镁合金应用的原因之一。

在美国,汽车业处于世界领先地位,许多汽车零部件采用镁合金铸造生产。在欧洲,随着汽车公司入股镁合金厂及对汽车轻量化、节能和环保要求的日益增强,将进一步推动镁合金在汽车上的应用。1999年在德国GIFA展览上镁合金压铸成品和相关技术成为热点。目前,已采用镁合金压铸件的汽车公司有通用、奔驰、克莱斯勒、菲亚特-阿尔法等公司,用镁合金压铸的汽车零部件已超过60种,如:汽车仪表板、座位架、方向操纵部件、引擎盖、变速箱、进气歧管、轮毂等。由于对压铸镁合金产品的需求旺盛,使得生产镁合金压铸机及相应的压铸技术发展迅速,国内外知名压铸机厂商纷纷推出自己的镁合金专用压铸机。

2 国内外镁合金压铸技术的现状及发展趋势

2.1 镁合金的物理化学性质及压铸工艺特性

镁合金密度小,约为1 81g/mm3左右。镁合金的比弹性模量与高强度铝合金和合金钢大致相同。金属镁的熔点为650℃,镁合金的熔化区间约为430～620℃。金属镁在液态时会剧烈氧化和燃烧,当镁合金加热温度达到350℃以上时,需要用保护气体严密覆盖镁合金熔池表面,以防止镁合金熔体的氧化和燃烧。为此,在熔化镁合金时,应通入保护气体将炉内空气赶跑,并使熔化炉处于与外界空气隔绝的封闭状态,当炉温达到350℃后,应按要求将保护气体的压力调到最佳值。根据镁合金的特点,使用热室压铸机时,镁合金熔化保温温度为630～650℃左右;使用冷室压铸机时,镁合金熔化保温温度为640～670℃。镁合金压铸时的压铸型温度要比压铸锌合金和铝合金的高,生产细小和薄壁件时,对型温的控制更加严格。由于镁合金的比热容小,因此在同样条件下,镁合金充型时间比铝合金要缩短30%～35%左右,在内浇道出口处镁合金的充型速度比铝合金要快25%以上(一般情况下,镁合金的充型速度为50～60m/s,压铸壁非常薄的铸件时甚至达到80m/s以上),因此,镁合金压铸机的冲头压射速度应在5m/s(甚至8m/s)以上,其压射比压也要比锌合金热室压铸和铝合金冷室压铸时的高,为此要求镁合金压铸机应具有更好的压射性能。

2.2 冷室压铸机及压铸技术

冷室压铸机分为卧式压铸机和立式压铸机两类,现在世界上应用最广泛的是冷室卧式压铸机。大多数压铸件,尤其是大型、厚壁、受力和有特殊要求的压铸件,一般采用冷室卧式压铸机来生产。世界上著名的压铸机生产厂商主要有:瑞士的BUHLER公司,德国的FRECH公司,意大利的IDRA公司和ITALPRESSE公司,日本的UBE公司、TOYO公司和TOSHIBA公司,美国的HPM公司等。冷室压铸机基本上由合型系统、压射系统和压射过程监控系统三部分组成。这些公司生产的压铸机型号不一,但合型系统和压射系统的原理和结构大体相同,不同之处主要表现在压射过程监控系统上。总体来说,压射过程监控系统的功能包括:对压铸机的重要工艺参数、压铸型和金属液的参数进行记录和评估,并与控制器的数据相配合,进行集成操作和编程;记录、显示和储存与压铸工艺相关的工艺参数,并进行人机对话;操作者可在主控面板上进行机器的后道工序的编程工作,为了操作简便快捷,整个系统采用反馈实时控制,可实现自诊断、自修正、识别故障、诊断显示及故障报警;利用internet和intranet,与压铸机生产商和压铸件用户相连,具有远程人机对话功能。目前还没有镁合金专用的冷室压铸机。当用普通冷室压铸机压铸镁合金时,必须对压铸机的压射系统和自动给料系统进行必要的改造,使之适用于镁合金压铸的要求。改造的内容包括:(1)将压射系统的快压射速度由压铸铝合金时的4～5m/s提高到6～10m/s;(2)缩短增压过程的建压时间;(3)提高压射力;(4)采用电磁自动定量给料装置,防止镁合金在浇注过程中氧化;(5)如采用真空压铸等特种压铸工艺时,配置必要的配套设备。随着汽车工业的发展及日益严格的轻量化和环保要求,镁合金冷室压铸技术将成为镁合金压铸的重要发展方向。可以预测,对镁合金专用冷室压铸机的强劲需求,将促使镁合金专用冷室压铸机很快形成系列产品。

2.3 镁合金热室压铸机及压铸技术

镁合金热室压铸机是针对镁合金的物理化学性质和压铸工艺特点而设计的,是目前国外在镁合金压铸中应用最广泛的镁合金压铸专用设备。国外主要压铸机制造商,如德国的FRECH公司,意大利的IDRA公司和ITALPRESSE公司,日本的TOYO公司、TOSHIBA公司、UBA公司和HISHINUMA公司等,均生产和向市场提供镁合金热室压铸机系列产品。镁合金热室压铸机由合型机构、冲头鹅颈喷嘴压射机构、熔化保温坩埚炉气体保护装置和压射监控系统组成。与普通热室压铸机的主要不同点是:镁合金热室压铸机要求具有更高的压射速度(一般在8m/s以上);压射完毕时要求压射系统液压冲击小;熔化保温坩埚炉的工作温度比锌合金热室压铸机的工作温度要高(约为660℃左右),且对温度控制较严格;镁合金对杂质元素Fe和Cr的含量控制极其严格,因此镁合金熔化保温炉的坩埚应采用杂质元素C和Cr含量极低的合金材料制造;由于镁合金熔体易氧化燃烧,因此镁合金熔化保温坩埚炉应为封闭式结构,并配置防止镁合金熔液氧化的保护气体输入装置。由于热室压铸时镁合金熔液是在熔化保温坩埚炉中在熔池液面下经过封闭的鹅颈喷嘴直接进入压铸型的,避免了冷室压铸时在浇注过程中合金液的氧化和所形成的氧化浮渣,而且温度损失小,因此镁合金热室压铸机更适合用于生产外观要求较高的薄壁铸件,如家电、计算机、通讯、日用五金、仪表和一些不要求承受载荷的外壳类零件等。由于镁合金热室压铸机采用冲头直接将镁合金熔液经封闭的鹅颈喷嘴直接压入压铸型腔中,压射压力较小且通常无增压,一般不适用于生产汽车、航天航空器中要求较高的大型、厚壁、高载荷零件。近年来美国、日本和英国等国的公司相继成功开发出镁合金半固态触变射压铸造机。镁合金半固态触变射压铸造机以一定压力将半固态镁合金射入压铸型内而使之成形,其工作原理类似于注塑机。它将预制的非枝晶态镁粒送入螺旋给料机构,在螺旋给料机构中将镁粒加热到半固态,并通过螺旋给料机构另一端的镁合金浆料收集室将半固态镁合金浆料送入压射室进行射压成形。用镁合金半固态触变射压铸造机可生产汽车、计算机、手机、家用电器、数码像机、摄像机上的要求轻巧精致和高比强度的镁合金零件。铸件具有高强度、高可靠性,接近成品尺寸,再生性强,几乎不产生废品,可大大降低镁合金铸件的生产成本。截至1998年底,全球共有100台左右的镁合金半固态触变射压铸造机投产。这种铸造成形方法代表了镁合金铸件生产的一个发展方向。随着智能家电、电子、计算机、通讯等新兴产业的蓬勃发展,将会对作为绿色制造材料的镁合金产生旺盛的需求,镁合金热室压铸机将朝着系列化、多功能、全自动、可远程人机对话等方向发展。

2.4 我国镁合金压铸装备的发展现状

现在我国的镁合金压铸生产还近乎于零,在汽车制造业,目前只有上海乾通汽车附件制造有限公司生产镁合金压铸件;在家电和电子制造行业,目前只有深圳嘉瑞金属制品有限公司等很少几个港资企业生产镁合金压铸件;在其他领域,如江西宜春风动工具厂等一些厂家,多年来用压铸镁合金生产一些风动工具器件,如森林机械及降落伞的一些构件等。上述厂家为此引进了一些国外先进的热室压铸机和配套的熔炼设备,为国内压铸镁合金的扩大应用提供了有利条件。但是,总体来说,国内目前对镁合金压铸机的需求非常有限。目前我国有压铸机生产厂家十几个,压铸机年生产能力超过1200台,可生产各种系列的冷室和普通热室压铸机,国产压铸机基本形成较完整的系列产品,产量也大于国内的需求。但是适用于镁合金压铸的热室压铸机尚处于开发阶段,只有香港力劲(深圳)机械有限公司和香港科源(亚洲)有限公司生产少数几个型号的镁合金压铸机。深圳力劲机械有限公司生产的镁合金热室压铸机DC-160M可生产投影面积小于800cm2的镁合金压铸件,其电控系统、液压部件和熔化保温坩埚炉的零部件基本上采用国外现有产品,使机器具有良好的整机技术性能和可靠性,压射速度最高达6m/s,采用SF6保护气体,并具有生产管理、故障诊断、型温控制等功能。适合镁合金压铸的冷室压铸机DCC-630M在关键核心技术上,如自动调控压射参数的监控系统、液压元件和电器元件等均采用进口产品,既可生产强度要求高的镁合金薄壁件,又可生产大型厚壁镁合金压铸件。其空压射速度可达8m/s,压射增压压力可达150MPa以上,建压时间为20ms。综上所述,镁合金热室压铸机和适合镁合金压铸的冷室压铸机的关键核心技术还有待进一步开发。

3我国镁合金定量炉面临的机遇和挑战

镁合金压铸企业主要分布在发达国家,由于价格偏高,因此镁合金压铸零部件在许多领域中的应用受到了很大限制。我国在1992年以前是镁金属进口国,1992年以后,我国的产镁业得到了迅速发展,由金属镁进口国转变为出口国。目前,我国原镁产量居世界首位,占全球产量的三分之一。1999年全国产量16 5万吨,但镁产品结构极不合理,80%以上作为初级原料低价出口。虽然目前我国镁合金定量炉还十分薄弱,但是今后其发展优势却是得天独厚的,面临着很大的发展机遇。

这主要体现在以下几点:(1)我国镁资源非常丰富,菱镁矿储量居世界首位,约27亿吨,占全球储量的22 5%。此外,在青海盐湖还有储量巨大的廉价高品质镁资源。因此,我国镁合金的发展有可靠的原材料保障。(2)进入21世纪,我国在汽车、计算机、通讯等领域将有极大的发展。在汽车行业,我国家用轿车需求量将飞速增长,对汽车高速、节能、环保、轻量化的要求将日益突出。目前国产汽车只有上海大众汽车公司的桑塔纳轿车采用了镁合金压铸件,镁合金用量仅为8 5kg/辆,与国外汽车镁合金平均用量为40kg/辆相比,差距十分悬殊。另外,目前国产的计算机和通讯设备几乎没有采用质轻、耐用、具有减振、屏蔽等功能的镁合金零部件,使产品质量和销路受到很大影响。可见镁合金压铸件在我国有着广阔的应用市场,发展潜力非常大。(3)近年来,镁合金压铸件在应用中显示出的巨大优势,得到了我国政府相关部门的高度重视。国家将结合西部大开发的战略举措,将镁合金的应用开发工程列入国家“十五”科技攻关计划。

镁合金压铸装备及其零部件生产工艺,在技术上讲是成熟的。随着镁合金熔炼及镁合金液的保护技术的完善、镁合金定量自动输液装置性能的提高、新型压铸机及镁合金压铸新工艺的应用、镁合金零部件的表面处理技术的完善和改进,将使汽车、计算机、通讯、家电等行业生产和使用镁合金压铸零部件得到有力的技术保证。镁合金制品在国际上刚刚形成需求市场,主要市场在欧盟、北美、日本和南韩等地区。就镁合金制品国际市场需求来看,市场容量大、层次多。随着我国加入WTO进程的加快,由于人力资源丰富、便宜,发达地区的镁合金制品生产会向我国转移,现在应是提升镁合金及镁合金制品出口附加值的最好时机。

为更快地促进我国镁合金压铸技术的进步,我国的民族压铸机制造业也应在21世纪有所发展,抓住当前发展镁合金压铸的大好时机,大力推进新型镁合金压铸机的研究、开发及系列化工作,壮大我国的民族压铸机工业,为今后的更快发展打下良好基础,争取在未来全球化的镁合金压铸件和压铸机市场竞争中立于不败之地。

4今后的工作目标

21世纪将是镁合金压铸飞速发展的时代,发达国家已经领导了世界镁合金压铸的新潮流,而目前我国的镁合金定量炉还十分薄弱。

因此,要想使我国在激烈的世界高新技术竞争中占据一席之地,必须尽快地开展镁合金压铸关键技术的系统研究,建立镁合金零部件的技术标准,研制镁合金压铸专用设备,开发镁合金的合金化、熔炼、成形工艺优化与控制技术。结合我国的具体国情,充分发挥我国拥有充足的镁资源、广阔的镁合金压铸产品应用领域、发展镁合金压铸的良好技术基础等优势,借鉴十几年来发达国家发展镁合金压铸的经验,搞好产、学、研结合。尤其是在当前西部开发中,引进外资,充分利用丰富的盐湖镁资源及电力资源,重点扶持汽车、计算机、通讯等领域的几个镁合金压铸产品的开发,并以这些产品为龙头建立起采用先进技术、符合环保要求的高效率镁合金压铸生产体系,尽快将原材料转化为高附加值的镁合金压铸产品,并通过优质镁合金压铸件的广泛应用,提高我国与压铸镁合金相关行业产品的竞争力,促进整个国家的经济发展。