1 概述

降低能耗、提高能源利用率、減少環(huán)境污染及節(jié)約地球資源是當(dāng)今人類面臨的重要而緊迫的問題。加工制造業(yè)設(shè)計產(chǎn)品時越來越注意產(chǎn)品的輕量化問題。由于鎂合金具有密度小、比強(qiáng)度和比剛度高、良好的抗腐蝕和抗電磁輻射能力、以及良好的充型流動性和可再生利用性等一系列優(yōu)點,使其在汽車、電子、家電、通信、儀表及航天航空等領(lǐng)域的應(yīng)用日益增多。鎂合金壓鑄的汽車零部件在歐美、日本等發(fā)達(dá)國家汽車工業(yè)中的應(yīng)用出現(xiàn)了持續(xù)快速增長勢頭。根據(jù)國際鎂協(xié)會(IMA)的估計,未來隨著世界汽車業(yè)的發(fā)展,將促使鎂需求持續(xù)增長。估計到2030年世界汽車保有量將比目前增加一倍,達(dá)10億輛。預(yù)計2001年汽車工業(yè)對鎂的需求總量將達(dá)11萬噸,今后10年汽車工業(yè)對鎂需求的增長率將達(dá)15%。進(jìn)入21世紀(jì),鎂合金壓鑄結(jié)構(gòu)件將成為最主要的鎂應(yīng)用領(lǐng)域。鎂合金壓鑄的快速增長主要是由歐美地區(qū)發(fā)達(dá)國家汽車工業(yè)面臨汽車重量輕、耗油少、符合新的環(huán)保要求而促成的。此外,鎂合金壓鑄件在汽車上的應(yīng)用還可以改善汽車的結(jié)構(gòu)和動力性能,也是目前汽車工業(yè)重視鎂合金應(yīng)用的原因之一。

在美國,汽車業(yè)處于世界領(lǐng)先地位,許多汽車零部件采用鎂合金鑄造生產(chǎn)。在歐洲,隨著汽車公司入股鎂合金廠及對汽車輕量化、節(jié)能和環(huán)保要求的日益增強(qiáng),將進(jìn)一步推動鎂合金在汽車上的應(yīng)用。1999年在德國GIFA展覽上鎂合金壓鑄成品和相關(guān)技術(shù)成為熱點。目前,已采用鎂合金壓鑄件的汽車公司有通用、奔馳、克萊斯勒、菲亞特-阿爾法等公司,用鎂合金壓鑄的汽車零部件已超過60種,如:汽車儀表板、座位架、方向操縱部件、引擎蓋、變速箱、進(jìn)氣歧管、輪轂等。由于對壓鑄鎂合金產(chǎn)品的需求旺盛,使得生產(chǎn)鎂合金壓鑄機(jī)及相應(yīng)的壓鑄技術(shù)發(fā)展迅速,國內(nèi)外知名壓鑄機(jī)廠商紛紛推出自己的鎂合金專用壓鑄機(jī)。

2 國內(nèi)外鎂合金壓鑄技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

2.1 鎂合金的物理化學(xué)性質(zhì)及壓鑄工藝特性

鎂合金密度小,約為1 81g/mm3左右。鎂合金的比彈性模量與高強(qiáng)度鋁合金和合金鋼大致相同。金屬鎂的熔點為650℃,鎂合金的熔化區(qū)間約為430～620℃。金屬鎂在液態(tài)時會劇烈氧化和燃燒,當(dāng)鎂合金加熱溫度達(dá)到350℃以上時,需要用保護(hù)氣體嚴(yán)密覆蓋鎂合金熔池表面,以防止鎂合金熔體的氧化和燃燒。為此,在熔化鎂合金時,應(yīng)通入保護(hù)氣體將爐內(nèi)空氣趕跑,并使熔化爐處于與外界空氣隔絕的封閉狀態(tài),當(dāng)爐溫達(dá)到350℃后,應(yīng)按要求將保護(hù)氣體的壓力調(diào)到最佳值。根據(jù)鎂合金的特點,使用熱室壓鑄機(jī)時,鎂合金熔化保溫溫度為630～650℃左右;使用冷室壓鑄機(jī)時,鎂合金熔化保溫溫度為640～670℃。鎂合金壓鑄時的壓鑄型溫度要比壓鑄鋅合金和鋁合金的高,生產(chǎn)細(xì)小和薄壁件時,對型溫的控制更加嚴(yán)格。由于鎂合金的比熱容小,因此在同樣條件下,鎂合金充型時間比鋁合金要縮短30%～35%左右,在內(nèi)澆道出口處鎂合金的充型速度比鋁合金要快25%以上(一般情況下,鎂合金的充型速度為50～60m/s,壓鑄壁非常薄的鑄件時甚至達(dá)到80m/s以上),因此,鎂合金壓鑄機(jī)的沖頭壓射速度應(yīng)在5m/s(甚至8m/s)以上,其壓射比壓也要比鋅合金熱室壓鑄和鋁合金冷室壓鑄時的高,為此要求鎂合金壓鑄機(jī)應(yīng)具有更好的壓射性能。

2.2 冷室壓鑄機(jī)及壓鑄技術(shù)

冷室壓鑄機(jī)分為臥式壓鑄機(jī)和立式壓鑄機(jī)兩類,現(xiàn)在世界上應(yīng)用最廣泛的是冷室臥式壓鑄機(jī)。大多數(shù)壓鑄件,尤其是大型、厚壁、受力和有特殊要求的壓鑄件,一般采用冷室臥式壓鑄機(jī)來生產(chǎn)。世界上著名的壓鑄機(jī)生產(chǎn)廠商主要有:瑞士的BUHLER公司,德國的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,美國的HPM公司等。冷室壓鑄機(jī)基本上由合型系統(tǒng)、壓射系統(tǒng)和壓射過程監(jiān)控系統(tǒng)三部分組成。這些公司生產(chǎn)的壓鑄機(jī)型號不一,但合型系統(tǒng)和壓射系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu)大體相同,不同之處主要表現(xiàn)在壓射過程監(jiān)控系統(tǒng)上。總體來說,壓射過程監(jiān)控系統(tǒng)的功能包括:對壓鑄機(jī)的重要工藝參數(shù)、壓鑄型和金屬液的參數(shù)進(jìn)行記錄和評估,并與控制器的數(shù)據(jù)相配合,進(jìn)行集成操作和編程;記錄、顯示和儲存與壓鑄工藝相關(guān)的工藝參數(shù),并進(jìn)行人機(jī)對話;操作者可在主控面板上進(jìn)行機(jī)器的后道工序的編程工作,為了操作簡便快捷,整個系統(tǒng)采用反饋實時控制,可實現(xiàn)自診斷、自修正、識別故障、診斷顯示及故障報警;利用internet和intranet,與壓鑄機(jī)生產(chǎn)商和壓鑄件用戶相連,具有遠(yuǎn)程人機(jī)對話功能。目前還沒有鎂合金專用的冷室壓鑄機(jī)。當(dāng)用普通冷室壓鑄機(jī)壓鑄鎂合金時,必須對壓鑄機(jī)的壓射系統(tǒng)和自動給料系統(tǒng)進(jìn)行必要的改造,使之適用于鎂合金壓鑄的要求。改造的內(nèi)容包括:(1)將壓射系統(tǒng)的快壓射速度由壓鑄鋁合金時的4～5m/s提高到6～10m/s;(2)縮短增壓過程的建壓時間;(3)提高壓射力;(4)采用電磁自動定量給料裝置,防止鎂合金在澆注過程中氧化;(5)如采用真空壓鑄等特種壓鑄工藝時,配置必要的配套設(shè)備。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展及日益嚴(yán)格的輕量化和環(huán)保要求,鎂合金冷室壓鑄技術(shù)將成為鎂合金壓鑄的重要發(fā)展方向。可以預(yù)測,對鎂合金專用冷室壓鑄機(jī)的強(qiáng)勁需求,將促使鎂合金專用冷室壓鑄機(jī)很快形成系列產(chǎn)品。

2.3 鎂合金熱室壓鑄機(jī)及壓鑄技術(shù)

鎂合金熱室壓鑄機(jī)是針對鎂合金的物理化學(xué)性質(zhì)和壓鑄工藝特點而設(shè)計的,是目前國外在鎂合金壓鑄中應(yīng)用最廣泛的鎂合金壓鑄專用設(shè)備。國外主要壓鑄機(jī)制造商,如德國的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,均生產(chǎn)和向市場提供鎂合金熱室壓鑄機(jī)系列產(chǎn)品。鎂合金熱室壓鑄機(jī)由合型機(jī)構(gòu)、沖頭鵝頸噴嘴壓射機(jī)構(gòu)、熔化保溫坩堝爐氣體保護(hù)裝置和壓射監(jiān)控系統(tǒng)組成。與普通熱室壓鑄機(jī)的主要不同點是:鎂合金熱室壓鑄機(jī)要求具有更高的壓射速度(一般在8m/s以上);壓射完畢時要求壓射系統(tǒng)液壓沖擊小;熔化保溫坩堝爐的工作溫度比鋅合金熱室壓鑄機(jī)的工作溫度要高(約為660℃左右),且對溫度控制較嚴(yán)格;鎂合金對雜質(zhì)元素Fe和Cr的含量控制極其嚴(yán)格,因此鎂合金熔化保溫爐的坩堝應(yīng)采用雜質(zhì)元素C和Cr含量極低的合金材料制造;由于鎂合金熔體易氧化燃燒,因此鎂合金熔化保溫坩堝爐應(yīng)為封閉式結(jié)構(gòu),并配置防止鎂合金熔液氧化的保護(hù)氣體輸入裝置。由于熱室壓鑄時鎂合金熔液是在熔化保溫坩堝爐中在熔池液面下經(jīng)過封閉的鵝頸噴嘴直接進(jìn)入壓鑄型的,避免了冷室壓鑄時在澆注過程中合金液的氧化和所形成的氧化浮渣,而且溫度損失小,因此鎂合金熱室壓鑄機(jī)更適合用于生產(chǎn)外觀要求較高的薄壁鑄件,如家電、計算機(jī)、通訊、日用五金、儀表和一些不要求承受載荷的外殼類零件等。由于鎂合金熱室壓鑄機(jī)采用沖頭直接將鎂合金熔液經(jīng)封閉的鵝頸噴嘴直接壓入壓鑄型腔中,壓射壓力較小且通常無增壓,一般不適用于生產(chǎn)汽車、航天航空器中要求較高的大型、厚壁、高載荷零件。近年來美國、日本和英國等國的公司相繼成功開發(fā)出鎂合金半固態(tài)觸變射壓鑄造機(jī)。鎂合金半固態(tài)觸變射壓鑄造機(jī)以一定壓力將半固態(tài)鎂合金射入壓鑄型內(nèi)而使之成形,其工作原理類似于注塑機(jī)。它將預(yù)制的非枝晶態(tài)鎂粒送入螺旋給料機(jī)構(gòu),在螺旋給料機(jī)構(gòu)中將鎂粒加熱到半固態(tài),并通過螺旋給料機(jī)構(gòu)另一端的鎂合金漿料收集室將半固態(tài)鎂合金漿料送入壓射室進(jìn)行射壓成形。用鎂合金半固態(tài)觸變射壓鑄造機(jī)可生產(chǎn)汽車、計算機(jī)、手機(jī)、家用電器、數(shù)碼像機(jī)、攝像機(jī)上的要求輕巧精致和高比強(qiáng)度的鎂合金零件。鑄件具有高強(qiáng)度、高可靠性,接近成品尺寸,再生性強(qiáng),幾乎不產(chǎn)生廢品,可大大降低鎂合金鑄件的生產(chǎn)成本。截至1998年底,全球共有100臺左右的鎂合金半固態(tài)觸變射壓鑄造機(jī)投產(chǎn)。這種鑄造成形方法代表了鎂合金鑄件生產(chǎn)的一個發(fā)展方向。隨著智能家電、電子、計算機(jī)、通訊等新興產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展,將會對作為綠色制造材料的鎂合金產(chǎn)生旺盛的需求,鎂合金熱室壓鑄機(jī)將朝著系列化、多功能、全自動、可遠(yuǎn)程人機(jī)對話等方向發(fā)展。

2.4 我國鎂合金壓鑄裝備的發(fā)展現(xiàn)狀

現(xiàn)在我國的鎂合金壓鑄生產(chǎn)還近乎于零,在汽車制造業(yè),目前只有上海乾通汽車附件制造有限公司生產(chǎn)鎂合金壓鑄件;在家電和電子制造行業(yè),目前只有深圳嘉瑞金屬制品有限公司等很少幾個港資企業(yè)生產(chǎn)鎂合金壓鑄件;在其他領(lǐng)域,如江西宜春風(fēng)動工具廠等一些廠家,多年來用壓鑄鎂合金生產(chǎn)一些風(fēng)動工具器件,如森林機(jī)械及降落傘的一些構(gòu)件等。上述廠家為此引進(jìn)了一些國外先進(jìn)的熱室壓鑄機(jī)和配套的熔煉設(shè)備,為國內(nèi)壓鑄鎂合金的擴(kuò)大應(yīng)用提供了有利條件。但是,總體來說,國內(nèi)目前對鎂合金壓鑄機(jī)的需求非常有限。目前我國有壓鑄機(jī)生產(chǎn)廠家十幾個,壓鑄機(jī)年生產(chǎn)能力超過1200臺,可生產(chǎn)各種系列的冷室和普通熱室壓鑄機(jī),國產(chǎn)壓鑄機(jī)基本形成較完整的系列產(chǎn)品,產(chǎn)量也大于國內(nèi)的需求。但是適用于鎂合金壓鑄的熱室壓鑄機(jī)尚處于開發(fā)階段,只有香港力勁(深圳)機(jī)械有限公司和香港科源(亞洲)有限公司生產(chǎn)少數(shù)幾個型號的鎂合金壓鑄機(jī)。深圳力勁機(jī)械有限公司生產(chǎn)的鎂合金熱室壓鑄機(jī)DC-160M可生產(chǎn)投影面積小于800cm2的鎂合金壓鑄件,其電控系統(tǒng)、液壓部件和熔化保溫坩堝爐的零部件基本上采用國外現(xiàn)有產(chǎn)品,使機(jī)器具有良好的整機(jī)技術(shù)性能和可靠性,壓射速度最高達(dá)6m/s,采用SF6保護(hù)氣體,并具有生產(chǎn)管理、故障診斷、型溫控制等功能。適合鎂合金壓鑄的冷室壓鑄機(jī)DCC-630M在關(guān)鍵核心技術(shù)上,如自動調(diào)控壓射參數(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)、液壓元件和電器元件等均采用進(jìn)口產(chǎn)品,既可生產(chǎn)強(qiáng)度要求高的鎂合金薄壁件,又可生產(chǎn)大型厚壁鎂合金壓鑄件。其空壓射速度可達(dá)8m/s,壓射增壓壓力可達(dá)150MPa以上,建壓時間為20ms。綜上所述,鎂合金熱室壓鑄機(jī)和適合鎂合金壓鑄的冷室壓鑄機(jī)的關(guān)鍵核心技術(shù)還有待進(jìn)一步開發(fā)。

3我國鎂合金定量爐面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)

鎂合金壓鑄企業(yè)主要分布在發(fā)達(dá)國家,由于價格偏高,因此鎂合金壓鑄零部件在許多領(lǐng)域中的應(yīng)用受到了很大限制。我國在1992年以前是鎂金屬進(jìn)口國,1992年以后,我國的產(chǎn)鎂業(yè)得到了迅速發(fā)展,由金屬鎂進(jìn)口國轉(zhuǎn)變?yōu)槌隹趪Ｄ壳?我國原鎂產(chǎn)量居世界首位,占全球產(chǎn)量的三分之一。1999年全國產(chǎn)量16 5萬噸,但鎂產(chǎn)品結(jié)構(gòu)極不合理,80%以上作為初級原料低價出口。雖然目前我國鎂合金定量爐還十分薄弱,但是今后其發(fā)展優(yōu)勢卻是得天獨(dú)厚的,面臨著很大的發(fā)展機(jī)遇。

這主要體現(xiàn)在以下幾點:(1)我國鎂資源非常豐富,菱鎂礦儲量居世界首位,約27億噸,占全球儲量的22 5%。此外,在青海鹽湖還有儲量巨大的廉價高品質(zhì)鎂資源。因此,我國鎂合金的發(fā)展有可靠的原材料保障。(2)進(jìn)入21世紀(jì),我國在汽車、計算機(jī)、通訊等領(lǐng)域?qū)⒂袠O大的發(fā)展。在汽車行業(yè),我國家用轎車需求量將飛速增長,對汽車高速、節(jié)能、環(huán)保、輕量化的要求將日益突出。目前國產(chǎn)汽車只有上海大眾汽車公司的桑塔納轎車采用了鎂合金壓鑄件,鎂合金用量僅為8 5kg/輛,與國外汽車鎂合金平均用量為40kg/輛相比,差距十分懸殊。另外,目前國產(chǎn)的計算機(jī)和通訊設(shè)備幾乎沒有采用質(zhì)輕、耐用、具有減振、屏蔽等功能的鎂合金零部件,使產(chǎn)品質(zhì)量和銷路受到很大影響。可見鎂合金壓鑄件在我國有著廣闊的應(yīng)用市場,發(fā)展?jié)摿Ψ浅４蟆?3)近年來,鎂合金壓鑄件在應(yīng)用中顯示出的巨大優(yōu)勢,得到了我國政府相關(guān)部門的高度重視。國家將結(jié)合西部大開發(fā)的戰(zhàn)略舉措,將鎂合金的應(yīng)用開發(fā)工程列入國家“十五”科技攻關(guān)計劃。

鎂合金壓鑄裝備及其零部件生產(chǎn)工藝,在技術(shù)上講是成熟的。隨著鎂合金熔煉及鎂合金液的保護(hù)技術(shù)的完善、鎂合金定量自動輸液裝置性能的提高、新型壓鑄機(jī)及鎂合金壓鑄新工藝的應(yīng)用、鎂合金零部件的表面處理技術(shù)的完善和改進(jìn),將使汽車、計算機(jī)、通訊、家電等行業(yè)生產(chǎn)和使用鎂合金壓鑄零部件得到有力的技術(shù)保證。鎂合金制品在國際上剛剛形成需求市場,主要市場在歐盟、北美、日本和南韓等地區(qū)。就鎂合金制品國際市場需求來看,市場容量大、層次多。隨著我國加入WTO進(jìn)程的加快,由于人力資源豐富、便宜,發(fā)達(dá)地區(qū)的鎂合金制品生產(chǎn)會向我國轉(zhuǎn)移,現(xiàn)在應(yīng)是提升鎂合金及鎂合金制品出口附加值的最好時機(jī)。

為更快地促進(jìn)我國鎂合金壓鑄技術(shù)的進(jìn)步,我國的民族壓鑄機(jī)制造業(yè)也應(yīng)在21世紀(jì)有所發(fā)展,抓住當(dāng)前發(fā)展鎂合金壓鑄的大好時機(jī),大力推進(jìn)新型鎂合金壓鑄機(jī)的研究、開發(fā)及系列化工作,壯大我國的民族壓鑄機(jī)工業(yè),為今后的更快發(fā)展打下良好基礎(chǔ),爭取在未來全球化的鎂合金壓鑄件和壓鑄機(jī)市場競爭中立于不敗之地。

4今后的工作目標(biāo)

21世紀(jì)將是鎂合金壓鑄飛速發(fā)展的時代,發(fā)達(dá)國家已經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)了世界鎂合金壓鑄的新潮流,而目前我國的鎂合金定量爐還十分薄弱。

因此,要想使我國在激烈的世界高新技術(shù)競爭中占據(jù)一席之地,必須盡快地開展鎂合金壓鑄關(guān)鍵技術(shù)的系統(tǒng)研究,建立鎂合金零部件的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),研制鎂合金壓鑄專用設(shè)備,開發(fā)鎂合金的合金化、熔煉、成形工藝優(yōu)化與控制技術(shù)。結(jié)合我國的具體國情,充分發(fā)揮我國擁有充足的鎂資源、廣闊的鎂合金壓鑄產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域、發(fā)展鎂合金壓鑄的良好技術(shù)基礎(chǔ)等優(yōu)勢,借鑒十幾年來發(fā)達(dá)國家發(fā)展鎂合金壓鑄的經(jīng)驗,搞好產(chǎn)、學(xué)、研結(jié)合。尤其是在當(dāng)前西部開發(fā)中,引進(jìn)外資,充分利用豐富的鹽湖鎂資源及電力資源,重點扶持汽車、計算機(jī)、通訊等領(lǐng)域的幾個鎂合金壓鑄產(chǎn)品的開發(fā),并以這些產(chǎn)品為龍頭建立起采用先進(jìn)技術(shù)、符合環(huán)保要求的高效率鎂合金壓鑄生產(chǎn)體系,盡快將原材料轉(zhuǎn)化為高附加值的鎂合金壓鑄產(chǎn)品,并通過優(yōu)質(zhì)鎂合金壓鑄件的廣泛應(yīng)用,提高我國與壓鑄鎂合金相關(guān)行業(yè)產(chǎn)品的競爭力,促進(jìn)整個國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。