若壓鑄工藝不當,鎂合金鑄件中就會產生相應的缺陷甚至出現廢品。按造成缺陷的原因,可將其分為兩類:凝固缺陷,如氣孔、縮松、冷紋等;機械問題引發的缺陷,如扭曲、變形、缺“肉”等。其中,缺“肉”和冷紋是合金壓鑄件中常見的缺陷形式。除此之外,還可能產生其他缺陷,其產生原因及避免措施如下。
發生缺“肉”或模具型腔未填滿的原因:壓射速度不夠;模具或熔體溫度低;熔體污染,如附有過多的氧化物;潤滑劑過量;澆口不合適;模具排氣不充分;冷室壓鑄時壓射力不合適。
模具或熔體溫度低,流向相反的熔體相遇時會發生冷流或冷噴。總排氣面積增至澆口面積50%以上時,會減少冷噴頻率。
吸氣或析H2會產生氣孔,調整澆道、澆口、排氣和潤滑系統可以大限度地減少這類缺陷的產生。
限制熔體進料量,鑄件局部熱點處會形成縮孔或空洞。
不良澆口、尖角或潤滑過量會造成濺灑和擾動,可使鑄件表面形成波紋和漩渦。
熔體凝固時可產生熱裂紋,模具的約束會引起應力集中、尖角和鑄件脫模延遲,都將增大熱裂傾向。
鑄件脫模時的收縮應力會引起鑄件變形、扭曲和斷裂。
在鎂合金鑄件生產中,每一種缺陷都是由多個因素引起的。因此,對每一種缺陷產生的原因與采取的預防措施應進行具體分析。
擠壓工藝主要的部分是擠壓溫度,它與合金種類和擠壓材形狀有關,一般為295℃~455℃,對鎂及鎂合金的擠壓變形特性影響很大,可以通過調節擠壓溫度來滿足擠壓比要求,鎂合金的擠壓比(斷面減縮率)通常保持在10∶1~100∶1,采用預擠壓坯錠擠壓時,可以采用更大的擠壓比。同時,擠壓鎂合金時會產生大量熱能,采取適當措施散發這部分熱量,否則,被擠件溫度有可能會超過固相線溫度,形成熱裂紋。
擠壓結束后,先取出模具,并從錠坯上切下成品件,再取出錠坯余料,余料可以循環使用。如果立即裝上新錠坯,并與錠坯余料焊合后,可以連續擠壓,預留縱向槽,以便新舊錠坯卷入的氣體排出,可采用鑄造、機械加工和擠壓法加工縱向槽。用擠壓工藝可以生產雙金屬復合材料。
為了使擠壓材具有彌散分布的細小的顯微組織和較高的力學性能,須將擠壓材進行在線淬火,即在擠壓機上向出模的高溫擠壓材吹強氣流或水。應注意的是,冷卻水不得與熱模接觸,否則模型會開裂。擠壓材料人工時效后,力學性能顯著上升,它們的典型性能見表。粉末擠壓ZK60A合金有很高的抗壓強度,因其晶粒極小。
ZK60、WE43、WE54合金的熱處理狀態為T5(人工時效)或T6(固溶+人工時效)。T5和T6狀態的ZK系列鎂合金擠壓材,不但有各向同性的強度性能,而且塑性也不低。熱處理對WE系鎂合金擠壓材的室溫力學性能影響不大,但能較明顯地提高其高溫性能穩定性。AZ61及AZ80鎂合金也可以時效強化,但在T5、T6處理后,強度性能僅略有提高,可是塑性卻明顯下降。一般情況下,ZK型鎂合金具有良好的強度與塑性匹配,無需進行熱處理。
ZK60A合金擠壓材
ZK60A鎂合金是一種不含Al的Mg-Zn系合金,含Zn4.8-6.2、Zr 0.45,共余為Mg,Zr的含量一般為0.5%。F及T5狀態擠壓材的室溫平均彈性模量44.8GPa。室溫抗拉強度/伸長率:F材料的340MPa/14%,T5材料的305MPa/11%;室溫屈服強度:F材料的360MPa、T5材料的305MPa。
ZK60A合金擠壓材縱向試樣回轉梁(R=-1)軸向負載(R=0.25)的室溫疲勞斷裂試驗結果見圖1-圖4。
ZK60A合金鍛件
ZK60A-T5合金鍛件的回轉和彎曲梁(R=-1)疲勞強度見圖5及圖6,縱向試樣,帶切口,Kt=2,經機加工和拋光,試樣取自車輪輪緣。
彈性模量室溫平均值44.8MPa、室溫抗拉強度/伸長率305MPa/16%、室溫屈服強度205MPa的ZK60A的切線和軸向輪緣回轉和彎曲梁試樣的室溫疲勞強度見下表,試樣經拋光。
在鎂合金的應用產品中,壓力加工產品、鑄造產品以及非結構應用呈三足鼎立之勢,自鎂實現工業化應用以來,鎂在冶金工業(配制鋁合金、鋼脫硫、球墨鑄鐵等)中的應用占50%-65%,加工鎂及鎂合金半成品(板、帶、管、棒、型材)材料的占比很小,僅為1%-1.6%,擠壓材(管、棒、型材)占的比例更小,只有0.4%-0.8%。因此,每年須進行表面處理的擠壓鎂材量不多。擠壓鎂材的表面處理方法有氧化著色、陽極氧化、電鍍等。
擠壓鎂材的氧化著色
擠壓鎂材氧化著色工藝流程及參數見表1,其預處理(脫脂、水洗、酸洗、光亮蝕洗)及氧化處理后的水洗等處理與前面介紹的相同。
槽液配制與管理
根據槽的容積計算所需的化工產品,加水至1/2容積,將化工產品一一加入槽中,對除油槽與氧化槽加熱、開風機、攪拌,而對酸洗槽與光洗槽在室溫下開風機、攪拌。攪均后加水至規定容積,再攪拌均勻,取樣分析,試氧化,合格后方可正式生產。在使用期間應定期對槽液成分進行化學分析。
氧化膜缺陷修補
擠壓材表面上的氧化膜應均勻、牢固,若檢查不合格,可作如下修補:
清除不合格膜層,重新處理。
局部清除有缺陷的氧化膜,再用補色液著色,常用的補色液見表2。用汽油或工業酒精擦凈油污后,用玻璃砂布輕輕打磨,露出干凈的鎂,以壓縮空氣吹凈粉塵,用浸以酒精液的紗布擦凈表面,晾干后用纏錦紗或棉花的玻璃棒或木棒,蘸上氧化液在表面上反復涂擦約35s,晾干后即可。
鎂合金轉向管柱支架
現在在一款新能源車型的轉向系統的開發中,引用了以鎂合金為材料設計成型的轉向支架和導向筒。由于鎂合金的剛度,不會在安裝后隨車身支架的變形而產生變形,全面轉向系統在整車碰撞過程中轉向管柱可以按照設計的行程和吸能曲線完成整個動態潰縮過程,提供整車碰撞的安全性,并且大大提高了這個轉向系統的剛度和頻率,而且做到了輕量化設計,其質量較之常規車型原件減輕了5%以上。
鎂合金儀表板骨架
常規車型的儀表板骨架更多是采用鋼件焊接制成,為了滿足汽車輕量化這一要求,需要在原本功能的基礎上,確保裝配面與孔的部位不改變,所以,將儀表板骨架零部件替換為鎂合金。鎂合金儀表板骨架制作時主要應用擠壓、彎曲這兩種工藝,所有鎂合金件之間以氫弧焊進行連接。因為,鎂合金與鋼這兩種材料接觸之后會被腐蝕,所以儀表板骨架和車身、儀表板等零部件進行連接,建議采用鋼質滲鋁螺栓作為連接件。經過實踐得知,輕量化鎂合金儀表板骨架的質量是1.957kg,相比常規車型所采用的原鋼件質量減輕了62.9%。
鎂合金副駕駛座椅骨架
常規車型的駕駛座椅骨架主要為鋼件,其中包括靠背骨架、座墊骨架和滑軌。因為,常規車型的改制存在一定的限制,按照轎車座椅設計的有關規定,為了汽車性能,將副駕駛座位的椅骨架替換為鎂合金。制作工藝主要應用擠壓、彎曲和沖壓,鎂合金件的焊接技術為氫弧焊,使用結構膠連接所有材料零部件。經過實踐之后,鎂合金副駕駛座椅骨架的質量顯示為12.66kg,和鋼結構件對比質量減輕了8.3%。
鎂合金前、后副車架
為鎂合金前、后副車架技術參數能夠滿足規定要求,需要完善原本的結構設計。設計過程中,通過楔形加強筋、局部位置設置縱向加強梁以及局部增厚這三種要求進行結構設計,并對終設計成果展開驗證、分析,可以得出設計而成的鎂合金前、后副車架技術參數與規定相符。這一部分所應用的工藝主要有擠壓、彎曲和整形,焊接制造則是以分段制造、環形焊與角焊為主,結束焊接操作之后壓入支承套橡膠內襯,使用螺栓連接轎車,同時設置復合材料墊圈,達到良好的聯接效果。經過輕量化設計之后的鎂合金前、后副車架,其質量與鋼件相比分別減輕了50.5%、62.3%。
鎂合金輪輞
按照鎂合金制造的有關規定,輪輞小輻條根部位置要進行挖深處理,鎂合金車輪要滿足性能要求,彎曲疲勞、徑向疲勞的大應力相比鎂合金材料的疲勞強度小于110MPa,使用期限超過107次。經過實踐可知,輕量化設計之后的鎂合金輪輞質量降低為7.9kg,相比鋁合金材料的輪惘減輕了37%。
3D打印
3D打印技術是諸多新技術的一種,是以新車模型、工具的實際運用為前提研發的技術。通過掃描鏡、激光束等部件制作鎂合金零部件,有效提升了零部件制作的速度。如今,3D打印技術已經在汽車企業中實現普及,節省研發成本的同時很好的提升了研發效率,可以滿足要求多、批量小的客戶。
用于制造汽車零部件的鎂合金種類較多,包括Mg-Mn合金、Mg-Zn合金和Mg-Al合金。其中,Mg-Al合金用量大,因為添加Al元素能提高鎂合金的強度及鑄造性能,而且成本較低。在Mg-Al合金加入少量Mn元素可降低雜質Fe的含量比。基于Al、Mn元素設計的鎂合號有AZ系列的AZ91D和AM系列的AM60等。
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