鎂在實(shí)用金屬中密度最小，為1.738g／cm2，具有良好的電磁屏蔽性、阻尼性能和散熱性，鎂合金還有較高的比強(qiáng)度、比剛度、良好的切削加工性能。因此，鎂合金在電子產(chǎn)品、筆記本電腦和通信工具的可攜式殼體等方面應(yīng)用快速增長(zhǎng)，在汽車工業(yè)和航空工業(yè)也有廣泛的應(yīng)用。
在壓力鑄造中，孔洞類缺陷是公認(rèn)的主要缺陷之一，使鑄件力學(xué)性能下降，不宜進(jìn)行熱處理，而且降低了壓鑄件的耐壓性和氣密性，限制了壓鑄件的使用?？茁始皻饪追植际窃u(píng)價(jià)壓鑄件質(zhì)量的重要指標(biāo)，通常用壓鑄件整體密度來(lái)衡量其致密度,永忠的試驗(yàn)結(jié)果顯示，壓鑄件的強(qiáng)度與鎂合金密度有著較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。研究還發(fā)現(xiàn)，合金密度是影響鎂合金抗蠕變性能結(jié)構(gòu)敏感性特征的重要因素。
因此，本研究中，以工業(yè)用壓鑄鎂合金AM50為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了階梯塊試樣和基本工藝參數(shù)，并對(duì)澆注溫度、模具溫度、鑄造壓力、低速速度、高速速度、高速位置、增壓時(shí)間、增壓位置和料柄厚度等工藝參數(shù)設(shè)計(jì)了不同的變化水平。研究了壓鑄工藝參數(shù)對(duì)鑄件密度的影響規(guī)律，得到了致密度較高的壓鑄件工藝參數(shù)。
1、試驗(yàn)的設(shè)計(jì)與密度測(cè)定
1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
壓鑄階梯塊試樣厚度分別為14mm、11mm、8mm、5mm、2mm。在650 t冷室壓鑄機(jī)(TOY0 BD-650一V4一N)上進(jìn)行壓鑄試樣，壓鑄的基本工藝參數(shù)設(shè)計(jì)為澆注溫度680℃，鑄造壓力67MPa，模具溫度150℃，低速速度0.2m／s，高速速度2m／s，高速位置240mm，增壓時(shí)間40ms，增壓位置290mm，料餅厚度20mm。試驗(yàn)固定其他基本參數(shù)，只改變其中一個(gè)參數(shù)，改變的參數(shù)設(shè)計(jì)4個(gè)水平；達(dá)到熱平衡狀態(tài)后，所有試驗(yàn)連續(xù)進(jìn)行，每個(gè)水平連續(xù)壓鑄7個(gè)鑄件，并取中間5個(gè)鑄件進(jìn)行檢測(cè)。具體AM50壓鑄工藝條件視情況而定。
1.2 密度測(cè)定
階梯塊不同厚度的相同位置加工成形狀相同的試樣進(jìn)行密度測(cè)定，密度測(cè)試方法采用阿基米德法，參照GB／T1423—1996進(jìn)行，公式P=m/(m-m’)×Pt其中，m表示空氣中的質(zhì)量，m’表示在酒精中的質(zhì)量，Pt表示酒精在溫度t時(shí)的密度，P就是鎂合金的密度。試樣質(zhì)量用電子天平(JT5003)測(cè)量，精度1 mg，測(cè)量溫度15～20℃，采用高純度無(wú)水乙醇，密度取0.7893g／cm3。圖中的密度是相同條件下密度的平均值作為該條件下的密度。
2、試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析
2.1 溫度對(duì)密度的影響
金屬液澆注溫度和模具工作溫度是壓鑄過(guò)程的熱因素，控制和保持熱因素穩(wěn)定性，保證良好的充填條件是壓鑄過(guò)程的重要工藝條件。在壓力較高情況下，應(yīng)盡量降低澆注溫度，最好是金屬呈粘稠的“粥狀”時(shí)壓鑄，溫度過(guò)低會(huì)降低金屬液的流動(dòng)性。合理的澆注溫度不僅改善充型能力，防止缺陷產(chǎn)生，且可避免澆注過(guò)程的氧化燃燒。在650℃時(shí)，不同厚度階梯塊的密度均較高，680℃時(shí)，不同厚度階梯塊的密度均較低，因此，壓鑄AM50合金澆注溫度在650℃左右為好。如果充型較薄的鑄件，可以選擇700℃。模具溫度合理可以避免金屬液急冷，引起鑄件缺陷，降低型腔中的氣體密度，有利于型腔中氣體的排出，獲得表面光潔、輪廓清晰及組織致密的鑄件。階梯塊鑄件結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，但壁厚有較大的變化，最厚14 mm，最薄處只有2 mm,在模具溫度180℃時(shí)，14mm、11mm、8mm、5mm的階梯塊密度最高，模具溫度對(duì)最遠(yuǎn)端2mm試樣(Stepl)的充型影響很明顯，模具溫度越高密度越大。模具溫度過(guò)低使金屬液冷卻速度過(guò)快，導(dǎo)致壓鑄件表面快速形成硬殼，不利于充型和補(bǔ)縮，易形成冷隔；模具溫度過(guò)高，金屬液具有高的熱量，融入相當(dāng)多的氣體導(dǎo)致密度下降。澆注溫度與模具溫度是壓鑄工藝中兩個(gè)相關(guān)的因素，對(duì)于不同壓鑄件應(yīng)有合理的配合。
2.2 充填速度對(duì)密度的影響
充填速度包括充填壓室的低速速度、充填型腔的高速速度和高速位置。低速速度是金屬液充填壓室和流道時(shí)的速度，是壓鑄時(shí)間最長(zhǎng)的階段，低速速度要防止壓室卷氣，又要防止溫度下降過(guò)多。低速充填時(shí)，金屬液形成波浪向前推進(jìn)，速度低的時(shí)候，金屬液形成的波浪很小，使液面平穩(wěn)上升充填壓室，因而壓室卷氣較少，密度較大。0.1m／s的速度時(shí)，不同厚度階梯塊的密度相對(duì)較高，但是在較小的壓射速度下，不僅會(huì)出現(xiàn)壓室內(nèi)金屬液溫度下降過(guò)快的問(wèn)題，難以保證充填階段良好的流體性能，而且由于充填時(shí)間長(zhǎng)，可能會(huì)由于金屬液慢速下形成的波形提前到達(dá)澆道口而形成一定的封閉區(qū)域，導(dǎo)致卷氣。0.2m/s時(shí)階梯塊的密度相對(duì)較低，主要因?yàn)榻饘僖合蚯巴七M(jìn)，形成的波浪達(dá)到壓室另一端后返回，和前進(jìn)的波浪疊加，封閉了壓室，使壓室中氣體被卷入金屬液，這時(shí)，就會(huì)卷入更多的氣體，從而導(dǎo)致密度下降。0.40m/s階梯塊的密度相對(duì)較高，這時(shí)金屬液掀起的波浪推進(jìn)速度較快，掀起的波浪超過(guò)前進(jìn)的波浪，壓室中氣體卷入較少。
研究表明，充型過(guò)程中隨著高速速度的增加，充型時(shí)獲得的充填壓力開始大幅度提高，隨后增加緩慢。從圖3b可以看出，0.7m/s的高速速度時(shí)，各厚度階梯塊的密度均高，這主要是由于階梯塊試樣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，壁厚較大，金屬在型腔中充填較慢，排氣通暢，鑄件具有較高的密度。3.0m/s的高速速度時(shí)，階梯塊密度較高，隨著高速速度增加，鑄件內(nèi)的充填壓力和增壓壓力均開始大幅度提高，壓力增加使得金屬氣孔、縮孑L等缺陷減少，密度增加。4.0m／s的高速速度時(shí)，密度明顯下降，由于過(guò)高的高速導(dǎo)致金屬液流到空氣前面，堵塞排氣通道，空氣被裹在型腔內(nèi)。
高速位置是指沖頭開始位置到開始施加高速速度位置的距離，應(yīng)該使金屬液充滿壓室和流道時(shí)沖頭的位置。過(guò)早，會(huì)導(dǎo)致金屬在流道內(nèi)卷入較多氣體，密度下降；過(guò)晚，會(huì)使金屬液低速充填型腔，鑄件溫度下降，同時(shí)也使得高速速度開始較晚，前沿金屬液的動(dòng)能較低，造成鑄件內(nèi)遠(yuǎn)離澆口部位的充填壓力增加不明顯，增壓壓力有所降低，缺陷增加，密度降低。高速位置明顯在230mm時(shí)，鑄件的密度最高，200mm、210mm時(shí)，這時(shí)金屬液沒(méi)有充滿流道，高速引起較多的卷氣，氣孔率增加，密度很低。
2.3 壓力對(duì)密度的影響
與壓力相關(guān)的工藝因素主要包括鑄造壓力(即增壓壓力)、增壓時(shí)間、增壓位置和料柄厚度。 高壓是壓鑄區(qū)別于其他鑄造的顯著特點(diǎn)，鑄造壓力反映了金屬液凝固結(jié)晶過(guò)程中作用于金屬液上的補(bǔ)縮壓力以及壓縮氣體空隙的壓力，補(bǔ)縮與壓縮空隙的壓力必須傳遞到正在凝固的金屬，可使空隙尺寸減小，增加致密性，提高壓鑄件密度。圖4a中可看出，24mpa、35MPa時(shí)，密度明顯較低，隨壓力增大，不同厚度階梯塊密度明顯增加，在67MPa、55MPa、44MPa時(shí)的密度較高，44MPa；之后密度變化較小。
增壓時(shí)間是沖頭將增壓壓力經(jīng)內(nèi)澆口施加在型腔中尚未完全凝固鑄件上的時(shí)間，增壓時(shí)間須小于內(nèi)澆口凝固時(shí)間，增壓時(shí)間越短，越有利于壓力傳遞。20 ms之后，隨增壓時(shí)間延長(zhǎng)，鑄件密度降低，故應(yīng)盡量縮短增壓時(shí)間。增壓位置會(huì)影響鑄件內(nèi)的充填壓力和增壓壓力，通過(guò)壓力變化作用在鑄件上，增壓位置在280 mm時(shí)，各階梯塊的密度均較大。料餅厚度是間接和充填壓力相關(guān)的因素，料餅厚度大，壓鑄時(shí)液相時(shí)間長(zhǎng)，越有利于壓力傳遞，鑄件密度會(huì)增加。由圖4d看來(lái)，隨料柄厚度增大，鑄件密度增大，當(dāng)料柄厚度達(dá)到30mm時(shí)，密度最大；料柄厚度繼續(xù)增加，密度基本保持不變。
增壓時(shí)間是沖頭將增壓壓力經(jīng)內(nèi)澆口施加在型腔中尚未完全凝固鑄件上的時(shí)間，增壓時(shí)間須小于內(nèi)澆口凝固時(shí)間，增壓時(shí)間越短，越有利于壓力傳遞。20 ms之后，隨增壓時(shí)間延長(zhǎng)，鑄件密度降低，故應(yīng)盡量縮短增壓時(shí)間。增壓位置會(huì)影響鑄件內(nèi)的充填壓力和增壓壓力，通過(guò)壓力變化作用在鑄件上，增壓位置在280 mm時(shí)，各階梯塊的密度均較大。料餅厚度是間接和充填壓力相關(guān)的因素，料餅厚度大，壓鑄時(shí)液相時(shí)間長(zhǎng)，越有利于壓力傳遞，鑄件密度會(huì)增加。由圖4d看來(lái)，隨料柄厚度增大，鑄件密度增大，當(dāng)料柄厚度達(dá)到30mm時(shí)，密度最大；料柄厚度繼續(xù)增加，密度基本保持不變。
3、結(jié)論
（1）階梯件密度高的工藝參數(shù)是澆注溫度650℃、模具溫度180℃、鑄造壓力44 MPa、低速速度0.25 m／s、高速速度3m／s、高速位置230mm、增壓時(shí)間20ms、增壓位置280mm、料柄厚度30mm。
（2）2mm階梯試塊，在澆注溫度700℃、模具溫度200℃、鑄造壓力44MPa、低速速度0.1m／s、高速速度1m／s、高速位置230mm、增壓時(shí)間20ms、增壓位置280mm、料柄厚度15mm時(shí)，可獲得較高密度的鑄件。
（3）5mm和8mm階梯塊在澆注溫度650℃、模具溫度180℃、鑄造壓力44MPa、低速速度0.25～0.4m／s、高速速度3.0m／s、高速位置230mm、增壓時(shí)間20ms、增壓位置280 mm、料柄厚度30mm(可考慮15mm)時(shí)，可以獲得較高密度的鑄件。
（4）11mm階梯試塊在澆注溫度650℃、模具溫度180℃、鑄造壓力44MPa、低速速度0.4m／s、高速速度3.0 m／s、高速位置230mm、增壓時(shí)間20ms(或60ms)、可以獲得較高密度的鑄件。
（5）14mm階梯試塊在澆注溫度650℃、模具溫度180℃、鑄造壓力44MPa、低速速度0.4 m／s、高速速度3.0m／s、高速位置230mm、增壓時(shí)間20ms、增壓位置280mm、料柄厚度30mm時(shí)，可獲得較高密度的鑄件。
