1.3 消失模铸造
消失模铸造是一种近无余量、精确成型的新型铸造技术,它具有许多的优点,如,型砂不需要粘结剂、铸件落砂及砂处理系统十分简便,容易实现清洁生产;铸件没有分型面及起模斜度,可使铸件的结构高;加工装配时间减少,铸件成本可下降10%—30%等等。
初步试验研究表明,镁合金的特点非常适合消失模铸造工艺,因为镁合金的消失模铸造除具有以上特点外,还具有如下独特的优点:①镁合金在浇注温度下,泡沫模样的分解产物主要为烃类、苯类和苯乙烯等气雾物质,它们对冲型成型时极易氧化的液态镁合金具有自然的保护作用;②采用干砂负压造型避免了镁合金液与型砂中水分的接触和由此而引起的铸件缺陷;③与目前普遍采用的镁合金压铸工艺相比较,其投资成本大为降低,干砂良好地退让性减轻了镁合金凝固收缩时的热裂倾向;金属液较慢和平稳的充型速度避免了气体的卷入,使铸件可经热处理进一步提高其力学性能。所以,镁合金的消失模铸造具有较巨大的应用前景。
镁合金的凝固和化学性能方面的特点,使得镁合金在消失模铸造中产生了很多问题,特别是浇不足和氧化燃烧。由于镁合金低的密度和比热容,气化泡沫模样所需要的热量来自高温液态镁合金的潜热从而阻碍了充型,而且镁合金的结晶温度范围宽,因此消失模充型时金属液的压头作用小,极易过早停止流动,产生浇不足缺陷。镁合金的化学反应可能通过使用在镁合金砂型铸造工业中应用的阻燃剂和辅助使用高孑L隙率的模样涂料进行控制,还可以采用可控气氛进行防止浇注时的氧化燃烧。另外,高密度的泡沫模样吸收更多的热量,产生更多的液态和气态产物,降低了镁合金的充型性。但泡沫模样在浇注过程中产生的还原性气氛降低甚至阻止镁合金的氧化燃烧,保证了镁合金在加工成型过程中的安全性,也有利于保证镁合金熔体的洁净优质。
2 变形镁合金
变形镁合金不同于铸造镁合金的液态成形,而是通过在300℃—500℃温度范围内挤压、轧制、锻造的方法固态成形。由于变形加工消除了铸造组织缺陷及细化了晶粒,故与铸造镁合金相比,变形镁合金具有更高的强度、更好的延展性和更好的力学性能,同时生产成本更低。
2.1 塑性变形
变形镁合金中,常用的合金系是Mg—Al—Zn系与Mg—Zn—Zr系。Mg—Al—Zn系变形合金——般属于中等强度、塑性较高的变形材料,铝在镁中的含量为0—8%,典型合金为AZ31、AZ61和AZ81合金,由于Mg—Al合金具有良好的强度、塑性综合性能,而且价格较低,因此是最常用的合金系。Mg—Zn—Zr系合金一般属于高强度材料,其变形能力不如Mg—Al系合金,一般采用挤压工艺生产,典型合金为ZK60合金。属高强度变形镁合金的还有Mg—Mn系,其最主要的优点是具有优良的抗蚀性和可焊性,但铸造性能差,收缩率大,有热裂倾向,应用较少。另外,添加Nd、Th、Yb、Sc和Mn等元素可显著提高变形镁合金的耐蚀性。
目前镁合金的塑性成形过程主要为锻造和挤压,少量为轧制成形,且均需采用热加工方式。因此,变形温度是重要参数,同时变形速率和应力状态也是重要的考虑因素。
1)锻压成形:镁合金锻造性能取决于3个因素:合金的凝固温度、变形速率及晶粒大小。为了保证良好的加工性能必须采用具有可锻性的AZ和ZK系镁合金坯料或坯棒。这两系合金可通过添加晶粒细化剂和合金元素得到满意的晶粒尺寸。但铸造组织的晶粒度一般不符合锻造要求,须先将铸锭加以挤压,得到锻造所需晶粒尺寸,再以高变速率锻造成形。镁合金在其固相线温度以下55℃范围内进行锻造,锻造温度过低可能形成裂纹。液压机和低速机械压力机是其模锻的常用设备。
2)挤压成形:镁合金可以挤压成各种管材、棒材和型材。包括带凹角和暗槽的型材,大直径和变截面厚度的薄壁管等难加工的产品。挤压材料也是AZ和ZK系镁合金,温度一般控制在300℃—460℃之间,具体温度的选择还和特定的合金牌号和挤压形状有关。因为镁在变形过程中会产生大量热,所以挤压过程中必须充分冷却,否则合金温度可能超过固相线温度而导致开裂。
3)轧制成形:铸造成平面形状且有圆形边缘的镁锭可以用来进行厚板和薄板的轧制。一般镁合金厚板厚度范围为11.0mm—70mm,薄板厚度为0.8mm—10mm。镁合金的冷轧性能不佳,一般厚板可以在热轧机上直接生产,而薄板一般采用冷轧和温轧两种方式生产。
镁合金热轧时,一方面要保证铸态组织得到充分变形,达到改善组织的目的,因此要有一定的变形量;另外,由于多晶镁合金滑移系少,晶粒不易产生宏观屈服而易在晶界产生大的应力集中,合金很容易发生晶间断裂。试验研究发现开坯时首次变形量控制在压下量s二30%左右最合适。镁合金板材在轧制以后一般要进行退火及热处理,加工组织发生再结晶。其退火温度应选择在靠近完全再结晶温度范围内。