1 概述

降低能耗、提高能源利用率、減少環(huán)境污染及節(jié)約地球資源是當今人類面臨的重要而緊迫的問題。加工制造業(yè)設計產(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域的應用日益增多。鎂合金壓鑄的汽車零部件在歐美、日本等發(fā)達國家汽車工業(yè)中的應用出現(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10億輛。預計2001年汽車工業(yè)對鎂的需求總量將達11萬噸,今后10年汽車工業(yè)對鎂需求的增長率將達15%。進入21世紀,鎂合金壓鑄結(jié)構(gòu)件將成為最主要的鎂應用領域。鎂合金壓鑄的快速增長主要是由歐美地區(qū)發(fā)達國家汽車工業(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)重視鎂合金應用的原因之一。

在美國,汽車業(yè)處于世界領先地位,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,將進一步推動鎂合金在汽車上的應用。1999年在德國GIFA展覽上鎂合金壓鑄成品和相關技術(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)鎂合金壓鑄機及相應的壓鑄技術(shù)發(fā)展迅速,國內(nèi)外知名壓鑄機廠商紛紛推出自己的鎂合金專用壓鑄機。

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,當鎂合金加熱溫度達到350℃以上時,需要用保護氣體嚴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,應通入保護氣體將爐內(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),當爐溫達到350℃后,應按要求將保護氣體的壓力調(diào)到最佳值。根據(jù)鎂合金的特點,使用熱室壓鑄機時,鎂合金熔化保溫溫度為630～650℃左右;使用冷室壓鑄機時,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)細小和薄壁件時,對型溫的控制更加嚴格。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到80m/s以上),因此,鎂合金壓鑄機的沖頭壓射速度應在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應具有更好的壓射性能。

2.2 冷室壓鑄機及壓鑄技術(shù)

冷室壓鑄機分為臥式壓鑄機和立式壓鑄機兩類,現(xiàn)在世界上應用最廣泛的是冷室臥式壓鑄機。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來生產(chǎn)。世界上著名的壓鑄機生產(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?？傮w來說,壓射過程監(jiān)控系統(tǒng)的功能包括:對壓鑄機的重要工藝參數(shù)、壓鑄型和金屬液的參數(shù)進行記錄和評估,并與控制器的數(shù)據(jù)相配合,進行集成操作和編程;記錄、顯示和儲存與壓鑄工藝相關的工藝參數(shù),并進行人機對話;操作者可在主控面板上進行機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,與壓鑄機生產(chǎn)商和壓鑄件用戶相連,具有遠程人機對話功能。目前還沒有鎂合金專用的冷室壓鑄機。當用普通冷室壓鑄機壓鑄鎂合金時,必須對壓鑄機的壓射系統(tǒng)和自動給料系統(tǒng)進行必要的改造,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,配置必要的配套設備。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展及日益嚴格的輕量化和環(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?？梢灶A測,對鎂合金專用冷室壓鑄機的強勁需求,將促使鎂合金專用冷室壓鑄機很快形成系列產(chǎn)品。

2.3 鎂合金熱室壓鑄機及壓鑄技術(shù)

鎂合金熱室壓鑄機是針對鎂合金的物理化學性質(zhì)和壓鑄工藝特點而設計的,是目前國外在鎂合金壓鑄中應用最廣泛的鎂合金壓鑄專用設備。國外主要壓鑄機制造商,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系列產(chǎn)品。鎂合金熱室壓鑄機由合型機構(gòu)、沖頭鵝頸噴嘴壓射機構(gòu)、熔化保溫坩堝爐氣體保護裝置和壓射監(jiān)控系統(tǒng)組成。與普通熱室壓鑄機的主要不同點是:鎂合金熱室壓鑄機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的工作溫度要高(約為660℃左右),且對溫度控制較嚴格;鎂合金對雜質(zhì)元素Fe和Cr的含量控制極其嚴格,因此鎂合金熔化保溫爐的坩堝應采用雜質(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為封閉式結(jié)構(gòu),并配置防止鎂合金熔液氧化的保護氣體輸入裝置。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、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。鎂合金半固態(tài)觸變射壓鑄造機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。它將預制的非枝晶態(tài)鎂粒送入螺旋給料機構(gòu),在螺旋給料機構(gòu)中將鎂粒加熱到半固態(tài),并通過螺旋給料機構(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行射壓成形。用鎂合金半固態(tài)觸變射壓鑄造機可生產(chǎn)汽車、計算機、手機、家用電器、數(shù)碼像機、攝像機上的要求輕巧精致和高比強度的鎂合金零件。鑄件具有高強度、高可靠性,接近成品尺寸,再生性強,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、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,鎂合金熱室壓鑄機將朝著系列化、多功能、全自動、可遠程人機對話等方向發(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;在其他領域,如江西宜春風動工具廠等一些廠家,多年來用壓鑄鎂合金生產(chǎn)一些風動工具器件,如森林機械及降落傘的一些構(gòu)件等。上述廠家為此引進了一些國外先進的熱室壓鑄機和配套的熔煉設備,為國內(nèi)壓鑄鎂合金的擴大應用提供了有利條件。但是,總體來說,國內(nèi)目前對鎂合金壓鑄機的需求非常有限。目前我國有壓鑄機生產(chǎn)廠家十幾個,壓鑄機年生產(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,國產(chǎn)壓鑄機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尚處于開發(fā)階段,只有香港力勁(深圳)機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。深圳力勁機械有限公司生產(chǎn)的鎂合金熱室壓鑄機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,使機器具有良好的整機技術(shù)性能和可靠性,壓射速度最高達6m/s,采用SF6保護氣體,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DCC-630M在關鍵核心技術(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口產(chǎn)品,既可生產(chǎn)強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8m/s,壓射增壓壓力可達150MPa以上,建壓時間為20ms。綜上所述,鎂合金熱室壓鑄機和適合鎂合金壓鑄的冷室壓鑄機的關鍵核心技術(shù)還有待進一步開發(fā)。

3我國鎂合金定量爐面臨的機遇和挑戰(zhàn)

鎂合金壓鑄企業(yè)主要分布在發(fā)達國家,由于價格偏高,因此鎂合金壓鑄零部件在許多領域中的應用受到了很大限制。我國在1992年以前是鎂金屬進口國,1992年以后,我國的產(chǎn)鎂業(yè)得到了迅速發(fā)展,由金屬鎂進口國轉(zhuǎn)變?yōu)槌隹趪?。目?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)勢卻是得天獨厚的,面臨著很大的發(fā)展機遇。

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)進入21世紀,我國在汽車、計算機、通訊等領域?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)的計算機和通訊設備幾乎沒有采用質(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?？梢婃V合金壓鑄件在我國有著廣闊的應用市場,發(fā)展?jié)摿Ψ浅４蟆?3)近年來,鎂合金壓鑄件在應用中顯示出的巨大優(yōu)勢,得到了我國政府相關部門的高度重視。國家將結(jié)合西部大開發(fā)的戰(zhàn)略舉措,將鎂合金的應用開發(fā)工程列入國家“十五”科技攻關計劃。

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、新型壓鑄機及鎂合金壓鑄新工藝的應用、鎂合金零部件的表面處理技術(shù)的完善和改進,將使汽車、計算機、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進程的加快,由于人力資源豐富、便宜,發(fā)達地區(qū)的鎂合金制品生產(chǎn)會向我國轉(zhuǎn)移,現(xiàn)在應是提升鎂合金及鎂合金制品出口附加值的最好時機。

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

4今后的工作目標

21世紀將是鎂合金壓鑄飛速發(fā)展的時代,發(fā)達國家已經(jīng)領導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鍵技術(shù)的系統(tǒng)研究,建立鎂合金零部件的技術(shù)標準,研制鎂合金壓鑄專用設備,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)品應用領域、發(fā)展鎂合金壓鑄的良好技術(shù)基礎等優(yōu)勢,借鑒十幾年來發(fā)達國家發(fā)展鎂合金壓鑄的經(jīng)驗,搞好產(chǎn)、學、研結(jié)合。尤其是在當前西部開發(fā)中,引進外資,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、通訊等領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用,提高我國與壓鑄鎂合金相關行業(yè)產(chǎn)品的競爭力,促進整個國家的經(jīng)濟發(fā)展。