汽车轻量化镁合金压铸工艺改善

镁合金的比热容和相变潜热均比铝合金低，在压铸时冷却快、流动性差，容易产生欠铸、缺肉等缺陷。通过提高镁合金加热温度和模具温度，增加压射速度能大幅降低废品率。

近年来, 人们对产品轻量化的要求越来越高，尤其对汽车提出了进一步减轻重量，降低燃耗和排放，以及提高驾驶安全性和舒适性要求，而镁合金材料的使用正好迎合了这一发展趋势。镁合金性能的不断改善及压铸技术的显著进步，使得压铸镁合金的用量显著增长。

1.产品概况

汽车转向支架产品3D模型见图1，轮廓尺寸为92mm×94mm×61mm，产品平均壁厚4.5mm，材料为AZ91D，净质量为114g，是典型镁合金压铸件。该产品结构较为复杂，模具有上、下、左、右4个侧滑块。由于产品功能需要，零件许多部位原先圆角过小，不利于零件成形。

图1

2.废品分析

根据统计数据，该产品废品率为23%。对259373件废品进一步分析发现，欠铸250378件，占96.53%;缺肉8995件，占3.47%。如图2所示，再现了在充型远端部位的欠铸问题。

图2

3.欠铸分析

压铸过程中出现欠铸主要有合金液流动性不良、浇注系统不合理、排气不畅三种情况。产品开发初期对模具浇注系统及排气系统利用CAE作过模拟并在调试阶段进行过优化，浇注系统及排气应该没有大的问题。零件材料为镁合金AZ91D，其比热容和相变潜热均比铝合金低，冷却快。分析认为合金液流动性不良是产品产生欠铸缺陷的主要原因。

下面对合金液流动性不良进一步详细分析。

(1)合金液氧化严重，流动性下降

由于浇注系统及溢流系统的存在，再加上不合格的产品，在连续的压铸生产过程中一般会产生50%以上的回炉料。由于镁合金材料熔炼时的防护性要求非常高，工厂无满足要求的熔化炉，不具备精炼条件，实际生产过程中回炉料被直接加入保温炉，操作者仅对合金液表面的浮渣进行简单清理。相比于精炼的成品合金锭，回炉料氧化严重，流动性差，是产品欠铸的主要原因之一。

(2)合金浇注温度及模具温度过低

温度是压铸过程中的重要工艺参数，为了满足良好的充型条件，保证压铸件的成形质量，必须选用恰当的合金浇注温度和模具温度。本产品采用冷室压铸机生产，要求合金温度在660～680℃，为了方便控制和测量，一般控制和保证炉内合金液的温度。为了保证浇注温度的稳定性，镁合金压铸专用保温炉为长方形，炉膛分为浇注腔和熔化腔，中间连通，合金锭从熔化腔加入后一般不会降低浇注腔内合金温度。保温炉设定温度为670℃，用便携式测温仪测量加料前后浇注腔内合金温度，数值如下：加料前663℃;加料0.5min后662℃;加料3min后648℃，加料后温度明显降低。

在镁合金压铸中，理想的加热方式是用模温机通过热油对模具进行加热，热油不间断地通过模具内的管道，从内部对模具进行加热，使模具达到需要的平衡温度。导热油的功能像热交换器，使模具温度保持在一定范围内。这种加热方式，模具的温度稳定而均匀，能有效地提高产品质量，延长模具寿命，而且使生产节拍稳定。镁合金压铸过程中模具的温度一般在1 8 0 ～ 2 8 0 ℃。转向支架的模温机设定在240℃，用红外测温仪测量连续生产时的模具温度，动模在190～200℃，静模在170～180℃，静模温度明显偏低。以上数据显示，合金液温度及模具温度偏低，压铸过程中容易产生欠铸、冷隔等缺陷。

(3)内浇道流速过低

因生产转向支架的压铸机系统本身未带有显示压射曲线功能，压铸机快压射速度通过流量阀控制，流量阀开启大小在压铸机上按比例显示，无法对应出相应的快压射速度，先用压射曲线测试仪测试出快压射流量与快压射速度对应关系，见表1。

从表1可以看出，快压射流量由60%逐步提高到80%的过程中，快压射速度逐步提高，最高速度能达到6m/s。过去生产中，转向支架的快压射流量设定在60%，即压射速度在3m/s左右，此时内浇道合金液流速为72m/s，该速度能满足铝合金零件的压铸要求，但未能达到镁合金零件需要的高速度，这也是产品欠铸的主要原因之一。

4.对策及验证

(1)回炉料与成品合金锭分别作原料生产比较

因为镁元素化学特性较活泼，很容易被氧化，在无特殊除渣和精炼工艺的条件下，压铸中使用回炉料作原材料时镁合金液流动性比成品镁合金锭差。为了验证原材料流动性对镁合金转向支架欠铸缺陷的影响，在不同批次分别用回炉料(50%)与成品合金锭生产，其余工艺参数保持不变，统计欠铸废品率分别为：回炉料23.3%，成品合金锭19.1%。可以发现，采用成品合金锭作原料时，合金流动性比回炉料要好，欠铸比例明显下降。

(2)提高合金液温度

为验证合金液温度对镁合金支架废品率的影响，稳定合金液温度为690℃，其余工艺参数保持不变进行生产，原材料分别采用回炉料及合金锭各生产一批。统计欠铸废品率分别为：回炉料生产造成的废品率为16.3%;成品合金锭13.5%。对比先前合金液温度为660℃时统计的欠铸废品率不难发现，合金液温度升高，不管是采用回炉料还是成品合金锭，欠铸废品率都明显下降。其中采用成品合金锭生产批次的工件质量最好，废品率最低。

(3)提高模具温度

由于模具温度受合金液温度的影响很大，模温机分别设定为240℃、280℃，合金液温度分别设定为660℃、690℃，分四批次分别对模具实际温度进行现场监控，其结果见表2。

由表2可看出，合金液温度提高30℃后，模具温度也相应地提高了20℃左右，但是把模温机温度提高40℃后模具温度只提高了5℃左右。分析认为模具加热流道设计存在一定问题，提高模温机设定温度未能达到提高模具温度的目标。

(4)提高快压射速度为进

进一步验证快压射速度对废品率的影响，将快压射流量由原生产时的68%提高到78%，即快压射速度由3.6m/s提高到5.3m/s左右，采用不同的原材料，分别用不同的合金液温度进行生产，其余工艺参数保持不变，分8批次进行欠铸废品率统计，结果见表3。

表3显示，随着合金液温度提高，欠铸废品率降低，同时适当提高快压射速度也能大幅降低欠铸废品率。在提高合金液温度和快压射速度的条件下，可以克服回炉料流动性差的问题，采用成品合金锭生产对降低废品率有一定好处，但降低幅度不大。提高快压射速度后，由于内压增大，零件飞边较大，增加了后续清理难度，这可以适当降低增压压力及增压速度来解决。

5.结语

合金液温度和模具温度提高后，合金液流动性增加，充型能力大大提高，欠铸废品率明显降低。同时，适当提高快压射速度也能大幅降低欠铸废品率。采用成品合金锭生产能降低一定废品率，但降低幅度不大。改善压铸工艺条件后，解决了回炉料流动性差、废品率高的问题，废品率由过去的23.30%下降到现在的3.70%，给企业带来了可观的经济效益。

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