鎂合金壓鑄件設計和開發(fā)工藝流程

 
1、 前言
早在海灣戰(zhàn)爭時期，美軍就把鎂合金壓鑄的電腦就帶上了戰(zhàn)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(yōu)良，熱傳系數(shù)可以達到51W/Mk。所以由于這些優(yōu)良特性就決定了鎂在3C行業(yè)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(wěn)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(yōu)缺點
2.1主要優(yōu)點介紹
鎂合金壓鑄的主要優(yōu)點有：
1）質(zhì)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(yōu)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(wěn)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(huán)境下進行陽極氧化及表面涂層等表面處理,成膜物質(zhì)可以增強表面耐蝕能力;
6）外觀及觸摸質(zhì)感佳，鎂合金可全部回收利用，是有利于環(huán)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(shù)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(chǎn)。鑄型溫度通常保持在250-300℃之間，鎂合金結(jié)晶溫度區(qū)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(xù)生產(chǎn)時鎂的燒損率為 5-8％，若批量小斷續(xù)生產(chǎn)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(zhì)反應生成致密的保護膜;
7）模具要求恒溫，否則薄壁件易產(chǎn)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(nèi)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(xiàn)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(jīng)過清理打磨后外觀更加光亮，但鎂合金壓鑄后產(chǎn)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(tǒng)，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(yè)環(huán)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(jīng)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(qū)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(chǎn)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(zhì)和硬度有關，但是采用針對鎂合金材質(zhì)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(qū)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(shù)、環(huán)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(chǎn)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(fā)生化學反應而產(chǎn)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(chǎn)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(shù)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(huán)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(chǎn)生不燃燒的化學物質(zhì)，但這個過程中會產(chǎn)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(yè)。
4.4安全事故處理方法
鎂合金在機加過程中會產(chǎn)生細小的鎂屑，難免會產(chǎn)生燃燒安全事故，而一旦發(fā)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(jīng)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(chǎn)生氧化鎂和鉻化鎂等保護層，鉻化處理工藝較為成熟，經(jīng)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(jié)
本次對鎂合金壓鑄工藝流程的設計和開發(fā)，涉及從壓鑄到清理、機加、表處等全流程，經(jīng)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(xù)查閱和參考。目前，鎂合金在國內(nèi)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(shù)和防火防爆的措施、方法，希望能夠為后續(xù)的研究做參考。
 

東莞市樂發(fā)精密五金制品有限公司

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