2.3　镁合金的压铸技术

2.3.1　镁合金压力铸造的基本概念

压力铸造是将液态或半固态金属在高压下瞬间填充铸型并在短时间内凝固成铸件的一种方法。近年来镁合金在汽车轻量化方面发挥了积极的作用。为了适应镁合金快速发展的需求，镁合金的铸造技术，尤其是压铸技术得到了长足的发展。刘正在传统铸造工艺的基础上介绍了几种镁合金铸造工艺的新进展，主要包括镁合金真空低压消失模铸造新技术、镁合金液态压铸锻造双控成形技术、充氧压铸技术、真空压铸技术、半固态压铸技术、镁合金双辊连续铸轧技术及镁合金电磁连续铸造技术。压力铸造压力在几兆帕到几十兆帕范围。铸型通常采用优质钢制成，充型速度在0.5～70m/s范围。充型时最小件只需几毫秒，而大件约需半秒。铸型的温度约150℃，要比金属凝固温度低得多，因此铸件凝固极快。在凝固时需保持高压，以保证铸件表面质量高，同时也保证金属液能充填到复杂型腔中。按照盛液室类型不同，可将压铸机分成热室压铸机和冷室压铸机。今后镁合金铸造生产发展可能以压铸为主，以使之能大量用于电子、通信、家电、汽车领域等。虽然中国镁合金压铸已有几十年的历史，但技术发展还有许多瓶颈。但总体讲，镁合金压铸发展较快，势头很好。

目前得到工业应用的压铸镁合金主要有4个系列：即AZ系列（Mg-Al-Zn-Mn）；AM系列（Mg-Al-Mn）；AS系列（Mg-Al-Si）；AE系列（Mg-Al-稀土）。中国传统压铸合金的牌号为ZM-5。表2-47列出了压铸镁合金的主要元素的作用。表2-48列出了国外常用压铸合金规格。

2.3.2　压力铸造镁合金的基本特点

表2-49为压铸镁的化学性能及其他使用性能。近年来，正是由于镁合金的如上特点，即镁合金优秀的压铸特性、良好的完整性、薄壁压铸时的精密性使得镁合金压铸件的生产数量逐渐增多，很多产品由于使用了镁合金件而使其性能得到提高，尤其是在汽车业和其他一些需要轻质材料的行业。但是由于镁合金自身存在的不足，其成形具有一定的难度。压力铸造镁合金的基本特点：镁合金密度小、比强度（比刚度）高、良好的刚度、良好的减震性、良好的铸件尺寸稳定性、良好的切削性能，因而具有良好的常温使用性能；熔点低，可延长压铸寿命；镁合金与铁的亲和力小，且溶铁的能力低，再加上镁合金压铸温度低，对模具的热冲击小，因而不容易粘连模具表面，与铝合金相比，其所用模具寿命高2～3倍；铸造工艺好，可压铸各种复杂、薄壁铸件；镁合金实际压铸周期比铝合金的短，生产速率高。因为在相同流体状态（雷诺指数相等）下，镁合金的充型速度远大于铝合金；加之镁合金熔点、比热容和相变潜热均比铝合金的低，故其熔化耗能小，凝固速度快；具有良好的电镀性；产品质量好及经济效益好；但是它易氧化，熔化及保温的设备和工艺复杂，有高温脆性，热裂倾向大，耐蚀性差。

2.3.3　镁合金压铸件的设计特点

（1）压铸工艺对铸件结构的要求　为避免前述的一些缺陷，合理的铸件结构设计要求尽量避免内侧凹，消除活动型芯，利用筋减少壁厚或使壁厚均匀以减少应力及变形，尽量消除深孔或深腔，减少抽芯，避免型芯交叉，消除尖角等。

（2）壁厚的设计　镁合金的最小壁厚见表2-50。

（3）筋的设计　筋的设计原则为：筋的布置要对称，避免筋的连接处金属液汇集，并且筋的壁厚要均匀。

（4）铸造圆角的设计　压铸件的尖角、直角、盲孔和凹槽的根部突起部分都应设有圆角。圆角的作用是使液流畅通，减少涡流及湍流，避免产生应力、裂纹以及改善压铸件组织等。圆角不宜过大或过小，过大易产生缩松或缩孔，过小易产生裂纹。

（5）铸件斜度的设计　铸件的斜度不计入公差范围内。镁合金的内腔斜度见表2-51。

（6）压铸齿型及螺纹　压铸齿型的最小模数为0.5mm，精度等级为3。在高度大于20mm时，每面至少有0.05～0.2mm斜度。压铸螺纹的外侧斜度为0～0.3％，活动型芯的斜度为0.3％，固定型芯的斜度为0.6％。

（7）长方形孔和槽　锌合金长方形孔和槽的尺寸为：宽度1.0mm，深度12mm，厚度12mm。

（8）尺寸精度　锌合金压铸件基本公差等级为4～6，而铝-镁合金为5～7，铜合金为6～8。镁合金的孔中心距尺寸公差见表2-52。压铸件的壁厚尺寸公差见表2-53。

（9）镶铸件　镶铸件铸入应被合金包紧，镶铸件与压铸件之间不产生电化学腐蚀，有镶铸件的压铸件不应进行热处理，镶铸件放入型腔，定位应满足公差配合要求。在锌合金铸造时，镶铸件的预热温度应在150～200℃。

2.3.4　压铸机及其工装

2.3.4.1　压铸机的类型

在镁合金的成形技术中，其中很大部分是以压铸法成形，所以压铸设备对于镁合金产业有着重要的意义。目前国内的镁合金压铸产业仍用普通的压铸机来进行镁合金压铸。压铸件的壁厚决定它所使用的压铸工艺，一般来说，小铸件采用热室压铸工艺，大铸件采用冷室压铸工艺。采用冷室压铸工艺后，由于镁合金凝固时间短，流动性好，充型时间可以较短，压铸速度也可较快。大尺寸的浇口有利于充型和补缩。冷室压铸机于1999年在杜塞尔多夫首次面世，使镁合金压铸工艺得到了改善。热室压铸工艺中，如果浇铸系统设计适当，压铸压力可达160～250bar（1bar=10⁵Pa）。热室压铸工艺必须使用高注射速度，才能制得薄壁铸件。热室压铸的优点有：低压铸压力，压铸机体积小，循环时间短，压铸系统的空气少等。压铸机一般分成两大类，一类是热室压铸机，一类是冷室压铸机。冷室压铸机的压室与保温炉是分开的。冷室的工作程序与热室基本相同，只是液态金属被人工或自动浇包浇入压室内。

（1）镁合金热室压铸机　对于镁合金热室压铸机，由于镁合金是从液面以下经封闭的鹅颈喷嘴等直接进入压铸型（模）的型腔中，浇铸过程无氧化和浮渣，温度损失少，因此热室压铸机更适于薄壁复杂件的压铸（最小壁厚可达0.5mm）。又由于其生产率高，易于自动化，也便于镁合金液的防护，所以被广泛用于家电、计算机、通信、日用五金和许多载荷不特别大的镁压铸件的生产。一般的中小型镁合金压铸件特别是壁薄而外观要求较高的零件，大都采用热室压铸机生产。镁合金热室压铸机与普通热室机的不同主要在于前者具有更高的压射速度，一般空压射速度要求大于6m/s，并要求压射终止时液压冲击小、保温坩埚炉的工作温度高，且要求温度控制较严格，保温坩埚炉应考虑合金液氧化保护。

（2）镁合金卧式冷室压铸机　冷室压铸机的压室是相对独立的，与熔化炉无直接连接。每次压铸时，需用铁勺将定量的液体金属由熔化炉中取出，浇入压室。冷室分卧式、立式及全立式。大多数大型受力和有特殊要求的镁合金压铸件是用冷室压铸机来生产的，如许多重要的汽车零件等。但普通冷室压铸机必须对压射部分进行如下改进才能适应镁合金压铸生产的需要：一是快压射速度由4～5m/s提高到6～10m/s；二是减少增压建压时间；三是提高压射速度和压射力的控制程度；四是配置有保护气体装置的专用熔炉。

（3）比较　由于镁合金的热焓量低，热室和冷室压铸法二者就可能获得高的生产率，快的生产周期对于小的压铸件充型时间大约以0.02s为宜。在冷室压铸机中注射第二阶段要求的快速动作在凝固开始之前进行，并且50～70N/mm²最终压强要在型腔充满15～35ms内起作用。由于镁合金对于黑色金属零件没有腐蚀性，因此有可能继续发展热室压铸机的生产。对于生产的中等尺寸铸件，热室压铸机的生产速度比冷室压铸机要快，其他的优点包括热室压铸机比用冷室压铸机金属损耗较少，较容易实现机械化。

镁合金压铸，不管是采用热室还是冷室压铸工艺，都必须有下列几点要求：均匀的壁厚；控制金属和压铸型的温度；连续生产，最好是昼夜三班制；镁合金压铸生产中良好的设备维护保管，甚至比在锌的铝和生产中更为重要。

2.3.4.2　与压铸机配套的结构及操作

镁合金压铸由于在一些方面不同于铝合金压铸，除了压铸主机在一些方面有特殊要求外，在周边设备上也有一些不同。比如，镁合金的熔炉和普通的铝合金熔炉不同，镁合金压铸在大多数情况下要使用模温机等。取件机械手、喷雾机械手的配套和使用，可以降低操作者的劳动强度，改善工作环境、提高工作效率。周边设备的使用，也为压铸的自动化生产的实现提供了条件，可以提高压铸生产的自动化生产水平，降低人为因素对压铸工艺的影响。

（1）镁锭预热加料机　镁锭在加入熔炉以前，一定要预热到150℃以上，以去除镁锭中的水汽，以免加入熔炉时引起爆炸，镁锭预热以后加入还可以避免引起镁液温度大的波动，增加熔化炉的熔化效率，因此，镁合金熔炉要配置保温炉式自动预热装置，还可以连接自动喂料装置，将预热后的镁锭自动加入熔炉中。

该机的作用是预热铸锭。有人较为详细地介绍了德国镁压铸机的情况，并介绍了镁锭预热加料机的作用。由于镁与水分的爆炸反应，必须将干燥的材料加入到炉内，这一点非常重要。对于小型炉子，将镁锭放置在炉盖上预热，这种方法是有危险的，操作工人如操作不当，将引发事故，最好的办法是使用镁锭预热加料机。预热加料机可以利用空气循环，然而加料前镁锭必须从环境温度加热到150℃以上。如Striko Dynarad系统（专利）加料机工作时，合金锭通过手工插入旋转加料盘中，加料盘旋转经过上部的加热区，按照炉子内液面传感器的指令，合金锭被推出到一滑道内，当检查达到最低温度后，镁锭通过滑道门滑入熔化炉的金属液中。加料机可加热小于加料盘格的各种尺寸和类型的合金锭。多数炉子采用电阻加热，只有少数为燃气加热。原因是：虽然燃气较便宜，但电阻加热炉更安全。

（2）定量浇铸系统　由于镁合金的熔炼是在密闭的条件下进行，对于热室机来说，料壶和打料系统也浸在镁液中，可以实现供料及打料的自动化；对于冷室机来说，则需要定量浇铸系统从熔炉中向压铸机压室浇铸。目前，已经开发应用的镁合金定量浇铸系统有叶轮式、气压式、活塞式等几种。

镁液的注料量可以通过调节活塞的行程来调节。这种泵在理论上可以达到较高的精度，但是由于浸在镁液中的部分过多，长期在高温镁液的浸泡下，维修保养不很方便。电磁泵是利用导电流体中的电流和磁场的作用，把电磁推动力直接作用在金属液体上，使之发生定向移动，其运动符合左手定则。电磁泵的流量大小与升液电流、磁感应强度等有关。电磁泵的特点是没有机械磨损，控制也较为方便。气压泵主要结构为密封泵室，注料时加压的氩气通过管子进入泵室，泵室下方和熔炉连通的单向阀关闭，气体排开同样体积的镁液进行注料。这种泵的特点是没有机械磨损，故障率低，清理维护简单，在浇铸量较大时定量精度较好。

通过叶轮的转动提升镁液，通过输料管定量浇铸到压铸机压室，可以改变叶轮的转速及运转时间来实现浇铸量的改变。这种镁液泵的定量精度可以达到±2％，生产中，还应控制镁液面的稳定，以免引起供料量的波动。这种泵结构简洁实用，操作/保养也比较容易，故障率也较低，奥地利劳和公司的镁合金熔炉即采用此种定量泵。

（3）自动浇铸机与压铸机衔接部分　传统的热室压铸机射嘴及鹅颈加热部分采用煤气加热，缺点是控制较为困难，射嘴易出现超温现象，也使凝固状态变得不稳定。菱沼省三介绍了电加热射嘴。这种装置的优点是：压铸时射嘴温度保持在稳定范围内，可稳定控制射嘴前端的凝固；易于生产控制；工作环境得到改善。

（4）镁合金熔炼炉　由于镁合金的熔炼过程中不但要防止氧化，还要具备避免燃烧、爆炸等安全措施，镁合金的熔炼必须在保护的气氛下进行，因此，镁合金压铸需要配备特殊的熔炉，熔炼也是镁合金压铸中的关键环节。对于热室机来说，除了要满足比锌合金温度高的要求外，还要具备输入保护气体的通道以及熔炉的密封机构；冷室机要具备定量供料系统。

镁合金熔炉为了保证与压铸机的连接方式，便于生产，还需要一些其他装置，比如用于冷室压铸机的熔炉的三维定位装置，可以实现熔炉的旋转、平移、升降，以方便与压铸机的配套及日常维护、保养。另外，对于镁合金热室压铸机，料壶等热作件也是很重要的，镁合金热室压铸温度一般在630～650℃，温度远远高于锌合金。热作件工作在高温的镁合金液中，不但要具有良好的高温强度，而且要有耐镁合金液的腐蚀性能。由于工作条件非常恶劣，对所用材料有特殊的要求。镁合金本身化学性质活泼，对热作件材料有腐蚀作用，在生产中又有保护气体的腐蚀，另外其工作温度高、压射速度快等，因此对热作件材料的高温性能有更高的要求。压铸镁合金熔炉热作件材料的研究成为影响压铸镁合金发展的重要因素之一。镁合金的熔炉一般采用不含镍（或镍含量很低）的不锈钢焊接或整体铸出。因为镍熔解于镁合金液中将导致镁合金铸件的抗腐蚀能力大幅降低，坩埚最好有双室设计，把熔室和泵室分开，以免镁液的温度有大的波动，影响产品质量。设计熔炉时，要使镁液表面和与体积比最小，坩埚和盖子之间要很好的配合与密封。

（5）气体保护装置　如前所述，镁合金的熔炼防燃技术有盐类熔剂、抑制性元素、惰性气体等，但现代压铸主要以反应性气氛为主，这也是镁合金压铸的主流和发展方向。

（6）混气装置　镁合金的化学性质比较活泼，开始熔化时，容易氧化和燃烧，需要采取保护措施防止熔融金属表面氧化。镁合金熔体不同于铝合金，铝合金熔体表面会形成一层连续致密的氧化膜，阻止熔体进一步氧化，而镁合金熔体表面会形成疏松的氧化膜，氧气可以穿透表面氧化膜而导致氧化膜下面的金属氧化甚至燃烧。此外，熔融的镁合金极易和水发生剧烈反应生成氢气，并有可能导致爆炸。因此对镁合金熔体采用熔剂或保护气氛隔绝氧气或水汽是十分必要的。

SF₆是一种无色、无味、无毒的气体，比空气重4倍，具有化学惰性结构，在常温下极稳定，通常将SF₆气体加高压后变成液态，储存于专用的高压钢瓶中。在实际生产中SF₆常和其他气体混合在一起通入到熔炼炉，常用的混合方式有空气/SF₆、SF₆/N₂、空气/CO₂/SF₆，混气装置的作用就是将这些气体精确地按一定比例混合后送入熔炉。试验表明，0.01％的SF₆浓度即可有效保护镁液，但实际采用的浓度要大，这主要是因为SF₆会与镁液反应及泄漏损失，随着输入浓度的增加，液面上方SF₆浓度也增加，但与输入浓度相比，消耗量呈增大趋势。所以镁合金熔炉装置必须有效密封，这样SF₆控制到一定浓度才成为可能。一般SF₆浓度不宜超过1％，这时不仅抗氧化效果下降，而且气氛对设备具有严重腐蚀作用。所以保护气体的供应优化是系统设计和操作时的重要任务。混气装置应能精确配比和混合气体成分，保护气体的浓度和数量必须适应熔液表面条件，保证耗气量少，同时做到环保、安全、经济。

SF₆和N₂通过减压阀和一个流量控制阀混合在一起，混合气通过一个流量计分别独立地供应泵室和熔室，泵室和熔室的气体流量可以分别独立调节，还可以通过PLC对泵室的流量在各个阶段进行控制，比如在注料阶段可加大气体流量，从而更经济、安全地保证气体供应。保护气体在进入熔炉时采用多管道多出口分配，尽量接近液面且分配均匀。现实生产中，这种供气已较为成熟，且SF₆耗量也较低。

SF₆在镁合金压铸生产中应用较为普遍，但也存在着一些问题，比如安全、环保等方面，如何解决这些问题，也是镁合金产业面临的一个课题。

保护气体可能与设备发生反应，如SF₆与坩埚反应形成孔状FeF₃和Fe₂O₃，SF₆浓度过高会使坩埚起皮增加，起皮会进一步与镁液发生剧烈反应。此外，反应还可能生成SO₂和SO₂F₂，它们会与水蒸气发生反应，然后被起皮吸收，进一步腐蚀坩埚。温度升高和SF₆浓度增加会使腐蚀加剧，因而应避免纯净的SF₆气体通入坩埚。SF₆气体虽然无毒，但密度大，如果在车间沉积过多，有可能引起缺氧，产生窒息，所以车间必须注意通风。SF₆具有很强的吸收长波能力，而且在空气中的滞留时间长，其温室效应较为显著。SO₂气体的使用由于其特性（毒性气体）而受到限制，国外已开发出一种SF₆回收设备，但由于成本昂贵，推广受到了一定限制。因此，开发一种替代SF₆的保护气体也是镁合金产业亟待解决的问题。

（7）模温机　模温机利用高导热性的导热媒质，可以在很短的时间内将热量传递给模具。在压铸生产中维持模具温度的稳定有利于生产节奏的恒定和获得优质的铸件，也有利于延长模具寿命。常用的模温机有两类，一类为热水模温机，一类为热油模温机。由于水的沸点所限，在密封加热的情况下，热水模温机的加热温度及最高使用温度也只能达到140～160℃，由于镁液遇水会发生激烈的反应引起爆炸，高压冷却水在模具内泄漏有引起爆炸的危险，而且镁合金压铸时模具的温度通常要保持在180～280℃，因此，热水模温机在镁合金压铸中很少采用。镁合金压铸时常用的是热油模温机，导热油的沸点较高，使用温度也远高于水，对模具的加热也更均匀恒定，热油模温机的使用温度可以达到300℃以上。与铝合金相比，镁合金的热容较小，所以和铝合金压铸中大多数压铸模常常需要水冷不同，镁合金的模具常常需要加热才能满足正常生产，特别是在生产一些薄壁件时，为了加热模具，有的压铸厂常用火枪加热的办法，这种方法对镁合金是不太适用的。因为这样很难使模具的温度均匀，模具的寿命也会因为受到过冷过热的冲击而容易产生裂纹。而且由于镁合金的潜热低，在生产薄壁件时，为了保持好的充填条件和稳定生产，通常要对模具持续地加热以维持模具温度的平衡。在镁合金的压铸中，最理想的加热方式是用模温机来对模具进行加热。

（8）取件机械手　取件机械手又称自动取出机，当压铸机压铸完成，开模到位后，通过取件机械手进行铸件的自动化取出并放置在规定的位置上。这种机械手的特点是运转灵活、活动范围大，可以通过编程来控制机械手的动作，实现较为复杂的动作，并可以实现冷却、切边等复杂动作，定位精度高，重复性好；在一些机型上可以实现取件、喷雾机械手合二为一，简化操作、节省时间，但价格也较贵。通过取件机械手与压铸机的联机，可以实现压铸生产的自动化，减轻操作者的劳动强度，减少辅助时间，维持生产节拍的稳定，并可以与切边机等组合，直接将取出的压铸件放置在切边机上，进行切边等作业，大大提高生产效率。取件机械手常用工业机器人。这种取件机械手的特点是具有特殊驱动机械，手臂动作平衡、快速；手臂旋回90％，机械体固定于座板侧面，不影响装拆模具空间；夹臂特殊构造，取出位置点准确，夹径直径可随铸件实际大小调整，三点夹爪夹持稳定可靠，经久耐用；具有防水、防尘、防喷溅设计，使用寿命长；采用空气驱动，可作高速运转，保养简便；制品取出确认检知数，可用开关选择设定。

（9）自动压送机及其他　自动压送机具有将离型（脱模）剂快速稀释后自动压送到一台或多台喷雾机的功能，其稀释倍率和压送压力可在一定范围内自由设定。这种设备的特点是：全自动操作，节省人力；稀释快速，压送量大，压力平稳；稀释倍率容易设定；压送压力为（2～5）×10⁵Pa，可自由设定；压力达到后立即停机，节省能源，寿命长；本体采用不锈钢容器，具有防腐功能；内部加装漏电断路器，防止漏电危险；有离型剂补充警示灯，避免空打。

自动喷雾机是借助于压缩空气将离型剂（又称脱模剂）以雾状方式喷射至压铸模型腔的装置。自动喷雾机的特点是喷雾量由时间和流量阀控制，雾化均匀，调整容易；压铸型（模）动模喷雾量可个别调整；铜管式设计，可自由设定方向，任何复杂型（模）具均可使用；铜管座更换容易，铜管数量可随意增减；设有单独吹气铜管，可吹干残留离型剂；旋回角度为90°；当空气源停止时，上升限位置可自动锁定。尚富工业股份有限公司生产的自动喷雾机采用的是水性离型剂，使用更安全。

2.3.4.3　压铸模

（1）压铸模的构成　图2-6为适用于镁合金热室压铸机的压铸模。压铸模由定模部分、动模部分、成形部分、抽芯部分、顶出机构、导向零件、模架部分、冷却部分、安全装置、浇铸系统、排溢系统及吊装机构组成。定模与机器的压射部分相连接并固定于机器的定模安装板上，是金属液开始进入模具的部分，也是压铸模的型腔部分之一。动模部分固定于机器的移动板上，随动模板合拢与开启而移动。一般抽芯和脱模机构皆安装在此部分。成形部分是构成铸件的部分，包括镶块、型芯和活动型芯等，分别放置在定模和动模内。构成铸件外形的部分叫型腔，构成铸件内部形状的叫型芯。抽芯部分是带动活动成形部分的机构，以完成抽拔动作。顶出机构是将铸件从模具中取出的机构。导向机构的作用是将模具各活动部分开启和合拢时，保证按着一定的方向动作。模架部分的作用是将模具各部分按一定位置组合固定，它包括模板、支座等。冷却部分的作用是调节模具温度。安全装置的作用是防止在工作时金属液从分型面射出。排溢部分包括排气与集渣槽等。

（2）分型面　在动模的分型面确定时，对铸件的同心度有要求的外缘与内孔，应当尽量设在一个型内；分型面应当考虑尽量减少金属液对滑块抽芯机构的压力；分型面应当考虑开模后脱模的距离，在动定模内应尽量避免过深的型腔；分型面应尽量取在铸件的边缘，或在留有加工余量的面上；分型面的选择要考虑便于模具制造；分型面应尽量设置在金属流动方向的末端。

（3）浇铸系统　压铸的浇铸系统由直浇道、横浇道、内浇口、集渣槽及排气槽组成。

a.内浇口。从排气的角度看，内浇口应设置在使金属液进入型腔后不立即封闭排气系统的位置；在内浇口导入金属液时，使难于排气的地方先流入金属液；尽量采用单个内浇口，防止多个浇口存在时将气体包在液体中。从减少金属流动动能的角度看，内浇口的位置不应正面冲击型芯或型壁；另外，应使金属液到型腔各部分的流程最短；内浇口的位置应使金属液在填充过程中不过多地改变方向。

内浇口的厚度对金属液的流速及流态有直接的影响。内浇口的厚度可以通过公式计算，但一般根据经验来确定。推荐的镁合金的内浇口厚度见表2-54。内浇口的截面f可按如下公式计算：

f=V/（6.45ut）　　（2-28）

式中，V为压铸件的容积，cm³；u为内浇口的流动速度，m/s；t为填充型腔的时间，s。所推荐的t及u见表2-55及表2-56。

镁合金要求非常短的充填时间，所以要采用排气速度相当快的通气塞，镁压铸与铝压铸相比充填时间要缩短30％～35％，通过浇道的速度要加快40％～50％，压铸型温度要提高40％～50％。这是因为镁合金的黏度小，镁液和铝液具有几乎相同的温度场，但是，当有固相出现时，镁合金的流动性迅速降低。这是因为镁合金的潜热比铝合金的潜热小得多。因此，在镁合金压铸设计时，要最大程度避开镁合金的动态结晶。像仪表盘之类的制品，壁厚仅1.8～2.5mm，这种薄壁而且成形面积很大的零部件只能采用压铸工艺，其他工艺几乎是不可能成形的，这种重要零部件必须确保发生冲撞时的安全性，要求材料伸长率在12％以上。实际生产中，镁压铸件仪表盘在未热处理情况下可以进行滚筒清理。汽车发动机需要采用镁铸件的有气缸盖、进气管壳体、变速箱壳体等，最近增长的还不快，其理由之一是镁合金易燃，影响采用，另外材料价格较高也在一定程度上影响其推广应用。

b.直浇道。在立式冷室压铸机和热室压铸机的模具上设置直浇道。直浇道指由浇口套开始到横浇道为止的部分。其尺寸会影响液态金属的流动速度及填充时间。

c.横浇道。横浇道截面积的大小应在满足压力传递良好和填充时间合理的要求下确定，同时要求横浇道对液态金属流动的阻力要小。横浇道的界面不能有突然缩小或增大的现象。横浇道的厚度根据铸件的大小和复杂程度而定，对小件取4～6mm，对中大件取8～10mm。按铸件要求，常使横浇道的截面积最小为直浇道入口面积的1.2倍，比内浇口截面积大三倍以上。横浇道长度对金属液流起平稳作用。横浇道过短，会出现金属液冲击及飞溅现象；横浇道过长，导致金属液流温度降低。对中小铸件而言，横浇道长度一般取30mm左右。

（4）排溢系统　压铸件中的气体主要来源于型腔，模具的设计不当就会使气体难以排除。在压铸模具中设置排气槽，可以增大气体的排气量，但这种方法的排气限度非常有限。采用一种排气阀排气压铸法则可解决这一问题，将排气槽做成曲折形，利用气体与金属的质量差所产生的对阀体的作用力的不同（使气体通过，而金属不能通过），达到排气的目的。安装在分型面上的排气阀的排气槽为曲折形，面积大大增加，且排气槽的开闭与压铸机的工作循环一致。设计模具时在金属液最终充填部位增设排气孔，降低气压，提高最终充填部位的充填速度，减少充填时间，避免气孔的产生。最终充填部位的气压降低至0.02MPa，采用495℃×4h的热处理时，也会得到无气孔缺陷的压铸件。同时，在便于清理的情况下，应尽量增大内浇口的面积，以减少充填时间，增加补缩效果。

排气槽应尽量分布在分型面上，不影响脱模；排气槽应设置在型腔的一侧，便于制造；铸件较厚处应设置排气槽；排气槽应设置在金属液最后填充部位的附近。锌合金铸件用模的排气道尺寸见表2-57。

集渣槽设置的原则：开设在金属液流最先冲击的部位；开设在受液态金属冲击型芯的背面；开设在易产生漩涡的部位；开设在型腔温度较低的部位；开设在型腔死角排气不良的部位；开设在金属液流的最后区域。

（5）抽芯机构和顶芯机构　抽芯机构按驱动动力分有手动、机动、液压或气压等类型。顶芯机构也称脱模机构。顶芯机构位置的设置原则为：尽可能避免铸件被顶部位受弯曲应力、切应力及拉应力的作用；顶出部位应设置在最靠近铸件被包紧的部位；应避免损伤铸件外形，设置在使铸件受影响最小的部位。自压型内顶出铸件所需的顶出力就是用来克服铸件在压形上的包紧力。锌合金的许用顶压力为400MPa。

（6）压铸模零件常用材料　压铸模零件常用材料选择的原则：耐高温，导热性高，膨胀系数小，热处理变形量小；淬火性能好，加工性能良好。锌合金铸件压铸模零件常用材料见表2-58。一般用的压铸模具钢如H13、QR090均为马氏体热作模具钢，以Cr、Mo及V为主要元素。这些模具钢在600℃以下具有好的热强性，但在600℃以上就不能满足使用性能。在镁合金的加工中，镍会影响合金的耐蚀性，因此模具钢中不应该有镍。有人研究了无镍压铸用模具钢20Cr10Co10Mo4W2V，并讨论了模具钢的连续冷却相变规律。试验用原料为钒铁、钨铁、钼铁、钴铁、含微量碳的铬铁、金属锰及纯铁。采用真空感应电炉冶炼，然后电渣重熔。试验用钢在1140℃锻造成试样，并在850℃×8h高温退火。奥氏体化温度为900℃。

2.3.5　镁合金压铸的基本工艺及方法

（1）压力参数　压射力可用压射压力和压射比压来表示。压射压力的计算分两种情况，一种是压铸机有增压机构的情况，一种是无增压机构的情况。有增压机构的压射压力P_y按下式计算：

P_y=πD²P_yx/4　　（2-29）

式中，P_yx为增压后压射型腔内工作液压力，MPa；D为压射缸直径，mm。

无增压机构的压射压力P_y按下式计算：

P_y=πD²P_g/4　　（2-30）

式中，P_g为压射缸内工作液压力，MPa；D为压射缸直径，mm。

压射比压是压射时压室内金属液在单位面积上所受到的压力。镁合金的计算压射比压见表2-59。

（2）速度参数　在压室内压射冲头推动金属液移动的速度称作压射速度。压射速度分低速压射速度和高速压射速度两个阶段。低速压射速度可根据浇铸到压室内的金属量多少而定。合金的低速压射速度可按表2-60选择。

（3）温度参数　温度参数有浇铸温度和压铸模预热温度两种。镁合金的浇铸温度可根据铸件的壁厚和铸件的复杂程度而定（表2-61）。镁合金压铸模的工作温度见表2-62。

（4）时间参数　金属液充满型腔后，在压力作用下使铸件完全凝固的时间称为持压时间。镁合金在铸件壁厚小于2.5mm时的持压时间为1～2s，在铸件壁厚为2.5～6mm时的持压时间为3～8s。从持压结束到开模顶出铸件的时间为留模时间，镁合金的留模时间见表2-63。

（5）压铸用涂料　涂料的作用是避免液态金属对压铸模的直接冲刷、降低压铸模的导热性以利于合金液的充型以及对压铸模活动部分起润滑作用。因而涂料应满足如下要求：高温时具有良好的润滑性；对压铸模和压铸件材料没有腐蚀性；高温不析出，也不分解出有害气体，同时也不残留污物。可按聚乙烯:煤油=（3～5）:（97～95）的比例配制涂料用于镁合金铸件。

2.3.6　镁合金压铸技术的改进

（1）压射力及压射工艺　有人对压铸过程中的压射力做了讨论，认为作用在金属液的压力不是一个固定的常数，而是随着压铸过程的不同阶段而改变。一般来讲，根据液态金属在压室及压型中的运动情况分为四个阶段。①慢速封孔阶段：压射冲头以慢速向前移动，液体以较低的压力推向内浇口。低的压射速度是为了防止液态金属越过压室浇铸孔时溅出和有利于铸型中气体的排出，减小气体卷入的概率。加速行程以压射行程结束之前30mm以上为宜。②充填阶段：液态金属在压力的作用下，快速充填型腔。在快速充填过程中，型腔中的气体压力对充填速度的影响极大。实验证明：铸件各部位的充填速度随着气体压力的增高而降低，产生气孔的概率也逐渐增大。降低液态金属最终充填部位的气体压力，则可大大提高该处的充填速度。③增压阶段：充型结束时，液体金属停止流动，由动能变为冲击力。④保压阶段：在最终压力下凝固，得到组织致密的铸件。在上述四阶段中，压射力、慢压射行程、快速充填速度、增压建压时间、慢速充型由静止到V_p的加速度dV/ds、液态金属的充满度都是影响气体卷入的重要因素。为最大限度地降低气孔缺陷，应该选择合适的dV/ds（2.0～2.5）、适当的充满度（40％～80％），以临界速度进行慢速充填，减少慢、高速充填之间的增压时间，增大液态快速充型速度等。资料认为，一个完整压铸过程中，柱塞速度运动分成加速、充填及减速刹车三个步骤。有人提出对压铸工艺改进的内容有：①加设电感喷嘴和加热曲颈，高加热容量缩短循环时间，喷嘴无过热，喷嘴四周温度一致，工艺安全性高，能量损耗小，设备外壳加热少；②增长回缩冲程；③压铸保护区无电缆；④喷涂单元高度绝缘；⑤机器加热炉装有新的加热陶瓷过滤芯；⑥机器加热炉有隔离的熔化炉；⑦使用惰性气体保护。

（2）真空倾转差压铸造法　这是一种集真空低压铸造、差压铸造及重力铸造为一体的铸造方法。将盛装液态金属的容器与铸型分别放进两个用一个管道相通的耐高压容器中，将铸型置上、坩埚置下，类似差压铸造的结构。在充型前，将上下两罐同步抽真空，保温静置一段时间后，去除液态金属中的气体，然后将液态金属充满型腔，同时倾转整个装置使其上下倒置，上、下两罐同时加压使铸型内的液态金属在高压下凝固。采用真空倾转差压铸造法可基本上消除气孔、针孔缺陷，改善铸件性能；但随着铸件壁的变薄，倾转对铸件质量的影响逐渐减弱。

（3）充氧压铸法　把真空压铸与充氧过程结合起来，使型腔处于负压状态，效果更好。在金属充型过程中，应使金属液以弥散喷射状态充型。浇口尺寸的大小对充氧压铸的影响也很重要，适当的浇口尺寸既可以满足金属紊流充型铸型，又可以避免金属液温度降低过快。氧化物以高度弥散分布，不会对铸件产生不利的影响，反而提高铸件的硬度，并可使热处理后的组织细化。资料表明，充氧压铸镁合金的性能增加十分显著。但是由于充氧压铸需附加充氧控制装置，铸型充氧不但消耗氧气，还增加了铸造循环时间。由于这些原因，充氧压铸件比普通压铸件的价格要贵10％～15％。但采用充氧压铸后减少了铸件废品，提高了性能，节省了机械加工费用。综合起来考虑，对质量要求较高的铸件反而可以节约成本10％～30％。因此，充氧压铸特别适合于需要热处理提高力学性能、有气密性要求、在较高温度下使用或需要焊接组合的压铸件。

（4）真空压铸法　真空压铸法是将型腔中的气体抽空或部分抽空，降低型腔中的气压，有利于充型和合金熔体中气体的排除，而合金熔体在压力的作用下充填型腔，并在压力下凝固获得致密的压铸件。真空压铸有两种主要形式，一种是从模具中直接抽气，另外一种是置模具于真空箱中。真空压铸法与普通压铸法相比具有以下特点：①气孔率大大降低；②真空压铸的铸件的硬度高，微观组织细小；③真空压铸件的力学性能提高。国外研究发展了几种以模具内设置抽气截流阀为特征的真空压铸系统，配用这些系统实现真空压铸时，模具外边不需要罩子，动作程序与一般压铸机相同。

（5）铸锻双控成形技术　铸锻双控成形技术是在同一成形过程中连续完成压铸和锻造两种工艺，同时实现对零件形状、尺寸和性能的精确控制。铸锻双控成形不仅可以像压铸一样控制零件形状和尺寸，而且可以使零件产生塑性变形，强度得到较大提高，同时还可以通过热处理提高强度。因此，铸锻双控成形工艺适合生产形状复杂和高强度的汽车零部件和其他结构件。有单位采用该技术已经成功生产出了AZ91DMg合金宝马摩托车缸体零件，其力学性能明显优于普通压铸件，并且能够通过热处理进一步提高其力学性能。

2.3.7　压铸生产中的安全问题

镁合金的熔炼是生产中的重要环节，也是镁合金压铸中安全的关键环节。

2.3.7.1　装备选用

由于镁合金的性质活泼，易燃易爆，镁合金压铸对设备的要求也较高，劣质的设备存在着潜在的危险。压铸作业需将熔化的镁液以70～100m/s的速度（交口处）射入模腔成形。由于熔化的镁液易燃易爆，遇氧气剧烈燃烧，遇水爆炸，遇铁锈、有水分的混凝土、含硅的耐火材料等均会剧烈反应，且一旦发生火灾难以扑灭，因此，对其压铸成套装备的性能、可靠性、安全性要求极高。劣质的设备极易造成灾害事故。综观国内外发生的一些重大安全事故，大都是设备问题造成的。一般情况下，镁液初始的小面积的起火尚能采取一些措施补救，一旦引起大火或蔓延、爆炸，则无法控制和补救，将会造成巨大的人员伤亡和财产损失。一些不具备强大综合能力的厂家所产生的劣质设备，曾造成重大的灾害事故。为了保证安全生产和长期生产使用及恶劣使用条件下的可靠性，对镁合金压铸设备的质量要求极高。炉体最好有双层结构的设计，当内层坩埚破裂时，镁液可流到内外层之间的夹层中，同时报警停止加热，使熔化的镁液不致流到外面造成危险。要经常检查炉子有无锈蚀，如有锈蚀应及时清理。坩埚使用前必须经过煤油渗透及X射线检验，证明没有缺陷才能使用。坩埚每半年至少要吊出炉外全面检查一次，当壁厚为原来一半时，停止使用。小的孔洞及锈蚀可以清理后补焊使用，不过一定要经过检查。镁压铸时熔炉镁液面随加料周期少量升降，液面与坩埚壁面的交界上方受到高温镁液和SF₆保护气体的轮番侵蚀腐蚀，易于发生腐蚀斑坑，应注意定期检查并及时清理补焊；操作中还要注意控制好SF₆的浓度，浓度过高会使坩埚迅速腐蚀。镁锭在投入熔炉前，一定要预热到150℃以上，以便去除湿气，使用的料勺等工具也要预热到150℃以上。熔炉旁要备一有盖的装渣箱，从熔炉里面舀出来的料渣要放到容器内，并马上盖上密封。熔化现场一般要始终有一瓶混合保护气，以备突然停电或其他突发事件时急用。劣质坩埚在650℃以上（外层在700℃以上）高温条件下长期生产，外层易迅速氧化，内层因镁液的腐蚀和SF₆保护气体的腐蚀也会迅速侵蚀深入，穿孔后熔化的镁液流出起火爆炸将造成重大灾害事故。用传统的覆盖剂保护方法更会加剧腐蚀进程。而优质设备的坩埚采用特殊研制的复合材料制成，内层耐腐蚀，外层耐热、耐高温氧化，可避免严重的穿孔事故。优质压铸设备的保护气体控制精确、稳定，气体成分、流量的稳定均有足够保障，并具有在突发停电、突发事故等情况下的特殊自动保护装置，安全性极高。而劣质设备的气体成分、流量控制不准确，极易因浓度、流量过低造成熔炉起火或因浓度、流量过高造成熔炉迅速腐蚀、镁液泄漏而起火爆炸，并缺少特殊情况下的可靠自动保护措施。优质设备采用特殊研制的耐火材料，不与镁液反应；而劣质设备往往采用普通耐火材料，当发生镁液泄漏时，因发生剧烈反应导致起火爆炸。优质设备采用特殊研制的热轧钢材，能耐高温镁合金的腐蚀，并能在650～700℃高温下保持良好的高温性能，如硬度、抗拉强度、屈服强度、韧性、抗蠕变性能和回火稳定性等；而劣质设备采用普通热轧钢材，不能耐高温镁合金液的腐蚀，并难以保持良好的高温性能，其变形、破裂或泄漏后，在高压（40～80MPa）、高速（70～100m/s）下会造成高温镁合金液的飞溅伤人或爆炸起火事故。优质设备对压射系统的控制精确、可靠，而劣质设备设计不成熟，采用的元件、材料质量低、不可靠，极易发生安全及压铸产品质量事故。优质设备采用优质液压件，工作极为可靠且不漏油；而劣质设备采用劣质液压元件，工作不可靠且漏油，泄漏的油污与脱模剂喷洒的水分混合形成油水积聚在机器周边，一旦与高温镁液接触极易发生爆炸。在设备的综合性能、质量方面，两者更是有着显著的差异。坩埚材质不良、保护气体成分不稳定均会影响合金的成分和性能，造成压铸件的内在质量下降，耐蚀性达不到要求等。压射系统的性能不稳定也会造成铸件内部组织疏松、压铸产品力学性能不稳定及其他各种压铸缺陷。

随着压铸技术的发展，用户对铝和镁的压铸件的要求显著提高。对压铸件必不可少的要求是质量稳定如一，并且性能有所改善。能迅速提供大量质量稳定的压铸件也是压铸件供应厂商面临的挑战和考验。压铸机周边设备的配套和使用，可以在这方面有很大帮助。实现压铸的自动化生产，可以减少人工劳动强度和人为因素对产品质量的影响。中国由于历史及其他因素，压铸生产的自动化程度不高，周边设备的生产还不很完善，相当一部分的压铸机周边配套设备要从国外引进。因此，立足于国内，开发出适合中国国情、稳定可靠的压铸周边设备，提高中国压铸产业的自动化水平，提升中国压铸机整体制造水平，也是目前压铸机及周边设备制造厂商要面对的问题。

2.3.7.2　现场管理

镁合金压铸生产过程中，最重要的是保持现场的干燥、干净。每次开机前应该将模具预热到150℃以上，不要喷涂过多的涂料，以免型腔内积水，引起危险。另外，冲头及模具的冷却尽量不要用水冷，冲头的冷却可用风冷，模具的加热及冷却一般用耐高温油。镁合金压铸冲头速度也比铝合金压铸的高，为避免飞料伤人，有时在模具上分型面部位加装飞料挡板。压铸时前后安全门一定要关闭，操作者严禁站在分型面上。生产现场的废料必须及时清理，应装在干燥的不燃容器内，飞料即粉尘也要及时清理。从各国镁压铸工厂以往所发生的起火事故来看，有50％以上是由镁粉尘、废料的清理和存放不当造成的，一部分发生在加工环节，而在熔炼环节发生的事故约占10％。镁合金压铸车间除和普通压铸车间一样要求通风良好外，还对防火、防水有更严格的要求。车间建筑要使用不可燃材料，地板材料也要不吸水、耐热。屋顶抽风机不要设置在熔化炉的上方附近，以防漏雨。压铸现场必须清洁，不允许有任何积水、油污存在，并要有良好的通风、排气条件。镁合金锭要存放在阴凉、干燥、通风的库房中，熔炼现场不宜存放过多的镁锭。镁合金的水口料、废料也应放在不燃的容器内单独存放。压铸机主机及熔炉的电力、燃料、冷却水、气体等供给应有远端控制，以备意外发生时可以关掉。如果打磨区设置在车间内，一般要配置湿式吸尘器。车间应划出紧急通道并保持畅通。压铸车间配置灭火器材，用于镁合金的灭火剂有干沙、覆盖剂、D级灭火器，这些灭火器材应放置在醒目的地方，便于现场紧急使用，干沙及覆盖剂要存放在容器内防止潮湿，并要经常检查。镁合金由于在燃烧时有耀眼的白光，以及有烟产生，看似可怕，其实镁合金的燃烧热只有汽油的一半。如果现场有少量的镁燃烧，可迅速铲起，放入集渣箱内并盖上，或者转移至空地带。如果镁液流散或无法铲起，则应迅速撒干砂或用覆盖剂覆盖，要均匀地撒在燃烧的镁上。当发现镁合金炉内有白烟时，可加大保护气体SF₆的流量，清理液面的氧化渣。如果仍不能制止，可投入几个预热过的镁锭，以迅速降低镁液温度。当发现镁液面燃烧时，要迅速关闭加热系统，同时加大保护气体SF₆的流量，并在镁液表面撒入覆盖剂。D级灭火器在非必要时尽量不用，因为其价格昂贵且加压的气体容易把火吹散。炉外的镁合金灭火大多采用干沙覆盖扑灭的方法。镁压铸时熔炉坩埚的腐蚀锈蚀是难以完全避免的，当发生坩埚破裂泄漏时，处理方法如下：首先要迅速切断电源，穿戴防护用具，由泄液口的流量判断泄漏程度，做出不同的处理。如果泄液口没有镁液流出，可立即将覆盖剂大量丢入炉中及盛液皿中，然后用干燥的勺子从炉中舀出一些镁液，接着放入几个预热过的镁锭，使坩埚内的镁液尽快凝固；如果流出的镁液不多，则立即将覆盖剂大量丢入炉中及盛液皿中，在盛液皿满之前，尽快用勺子将炉内的镁液舀出一部分，然后连续丢入大量覆盖剂及镁锭，同时盛液皿中也要放入大量覆盖剂。此后尽快离开现场，在远处观察动静。不过像这样的事故很少发生，关键是平时要按规定做好熔炉的定期检查及维护，以防患于未然。镁合金压铸比锌、铝合金潜在的危险大些，但只要按照正确的操作规程作业，安全问题就不是影响镁合金压铸发展的关键。镁合金压铸生产中的安全要点是保持现场的干燥、干净，严格按照正确的操作规范作业并妥善处理压铸及后加工产生的粉尘、切屑、废料等。现场作业人员应受到良好的安全作业训练，并切记不可用水及普遍灭火器来扑灭镁合金起火。

2.3.7.3　压铸工序的安全要求

打开镁合金熔炉前应检查各项电器、仪表是否工作正常，气管是否连接完好，防止N₂和SF₆的泄漏。加料前应检查各开口是否密闭，料嘴、料筒是否配合恰当。加料后要迅速盖上加料口，防止空气过多进入熔炉而引起氧化燃烧。熔化镁合金必须有气体保护，不得将有杂质的镁锭、镁粉、镁渣加入。进入熔炉前的镁锭和清渣工具必须干燥、无油，至少预热到150℃。