我国镁合金熔铸装备的发展现状 龙思远L ,潘月宏 ,游国强 (1.重庆大学,重庆400030; 2.重庆硕龙科技有限公司,重庆400030) 摘要:在镁合金铸造工艺特性的基础上,介绍了我国镁合金熔铸技术与装备生产研发现状和最新进展。 关键词;镁合金;气体保护;熔炉;压铸机;挤压铸造机 1.前言 镁合金是最轻的商用金属结构材料,拥有低 的价格、高的比性能、突出的阻尼减振性能,在交 通工具、航空航天、兵器工业等领域具有广阔的应 用前景。 究开发方面取得了可喜进展,并且初步具备了满 足国内市场需求的能力。以下重点介绍国内的镁 合金熔铸装备开发及生产方面的最新进展。 2.镁的熔铸工艺特性 表1给出了决定镁合金熔铸工艺特性的物理 化学性能: 镁合金的高效率生产、大规模应用和经济效 益,是以高性价比的镁合金工艺、装备为基础的。 目前90%以上的镁合金结构件都是用铸造技术生 产的,而镁合金铸件中又有90%以上是通过压铸 生产的。因此,熔铸设备和后处理装备就成为了镁 合金生产装备开发的重中之重。通过十五期间的 镁的高温物理化学特性是由其原子结构决定 的。镁的原子外层电子数为2,化学性质活泼,固态 和熔融态的镁在大气中易于氧化。镁氧化后形成 的表面氧化膜致密度低,不能有效隔离大气,为膜 下镁合金提供防氧化保护。因此,在高温下,尤其 科技攻关,我国在镁合金熔铸及后处理设备的研 表1镁的主要物理化学性质参数 电子结构 常温密度 熔点密度 ls 2s 2p63s 1.738 g/cm 1.650 g/cm (固态) 1.584 g/cm (液态) 凝固潜热 比热容 导热系数 饱和蒸气压 195 kJ/kg 1.05 kJ/(kg・K1 156W/(m・K)(27。C) 0.138 kPa(327。C) 0.355 kPa(650。C) 熔点温度 沸点温度 大气中燃点 燃烧热 氧化膜致密度系数 65071。C l090oC 约500。C 25000 kJ/kg・mol 0.79 蒸发热 热膨胀系数 凝固线收缩 凝固体收缩 5200 kJ/kg 26×l0 1/K(室温) 1.5% 4.2 vo1.% 2006年第3期 维普资讯 http://www.cqvip.com
是高于熔点的温度区间,镁在大气中会持续氧化 燃烧。另外,镁的氧化反应是一个产热量高达 25000 kJ/kg・mol的高放热反应,加上镁的沸点低 合金熔炉一般都配备自动混气系统,以保证保护 气体的压力、流量稳定以及可靠的防氧化保护效 果。目前,我国已经具备了该装备的开发生产能 力。 (1090 0C),在熔炼温度下的饱和蒸气压高、蒸发 (挥发)性较强,镁氧化产生的高热量能将反应区 域局部加热到极高的温度,导致局部镁熔体剧烈 挥发,加剧燃烧并引起燃烧区域迅速蔓延,最终引 由于普遍使用的SF 气体市场售价高(1 50~ 200元/公斤),作载流气体用N 的用量大(每2~ 6小时/瓶),加上外购气体的运输、储存等问题, 发剧烈燃烧。同时值得注意的是,镁熔体的持续缓 慢氧化也不利于高品质镁合金铸件的高效生产。 因此镁合金的熔化、浇注、铸造及周边设备必须具 备镁合金熔体防氧化保护和安全保证能力。 其次,镁合金的凝固潜热低,热容低,导热系 数高,凝固收缩较大,热强度低,导致镁合金铸件 凝固速度快,容易出现凝固疏松和热裂纹。因此要 求镁合金压铸设备充型速度快,增压、建压时间 短,以达到快速充型、快速增压的目的。 3.国产镁合金压铸用熔铸装备的研发进展 3. 镁合金气体保护技术和设备 由于镁合金在大气中易于氧化燃烧的特性, 镁合金熔铸的第一个考虑因素就是熔体的防氧化 阻燃保护,因此气体保护技术和装备是镁合金熔 铸技术装备的重要组成部分。 目前,除已不常用的熔剂保护和尚未成熟的 合金化阻燃技术外,在批量生产中最常用的是气 体保护技术。一般而言,气体保护就是将具有一定 化学活性的气体通至镁合金熔池表面,与熔体反 应生成高致密度表面膜来为熔池提供防氧化保 护。目前使用较多的保护气体主要是以SF 、S0 为 反应性成膜组分、以CO 、N 为载流组分,按一定比 例混合获得。目前,气体保护技术和装备根据其原 理的不同可分为三种类别: 3.1.1外购单元气体、现场混合制备保护气体: 这是一种有长期历史的传统保护气体制备技 术,其主要特征是:采用外购瓶装组元气体(SF 、 S0 及N 、CO ),在熔铸现场根据需求通过混合制备 保护气体。气体混合设备是一台能够按要求比例 控制各种组元气体流量,再将组元气体充分混合 并均匀输送到镁合金熔池上方的装置。该类设备 主要有手动和自动控制的分别。工业用的压铸镁 该技术在长期使用条件下,使用成本较高,还会增 加生产调度和管理的难度。另外,由于SF 的温室 效应约为C0 的23000倍,具有严重的环境污染问 题,学术界和工业界都在积极开展研究,寻求其替 代品,目前正在进行研究的有HFC一134[2], HFC一152a[ ,HFE一7100,HFE一7200。Novec 612 (FKs) 等。 3.1.2保护气体在线发生: 所谓“保护气体在线发生”就是将S和C的固 体连续定量地加入到保持在设定工作温度的反应 器中与洁净压缩空气反应,生成含有s0 、CO 、N 等 组元气体的混合保护气体 ][6][7]。 口 图1保护气体在线发生技术原理及使用中的 保护气体在线发生器 该技术使用廉价的s和C固体料和压缩空气 作原料,具有保护气体成本低廉的优势,并且避免 了上述的外购气体的运输、储存等问题,但如果使 用不当、S0 用量太高时,从镁合金熔炉中溢出的 残余s0 会对压铸生产现场空气产生污染,恶化工 作环境、导致设备腐蚀。图1是其技术原理和工业 使用中的镁合金保护气体在线发生装置。 3.1.3载流气体在线发生再混入外购SF 或S0 : 该方法是在“保护气体在线发生”技术上发展 起来的,其原理与图1所示的“保护气体在线发 生”相似,不同之处在于固体反应物只有C,没有 金属世^ttp. ̄ww.jssjzz. 主蔓 塑固 维普资讯 http://www.cqvip.com
S,即C与空气直接发生反应,将空气中的氧消耗 完,得到的产物是cO +N 。 由于载流气体用量大,其成本在气体保护技 术中占较大比例,采用“载流气体在线发生”能有 效地降低其成本和气体运输和管理带来麻烦。 3.2镁合金熔化浇注设备 国外研制生产压铸镁合金熔化浇注设备的厂 家较多,主要分布在北美和欧洲。目前在国内压铸 界使用较多有:奥地利劳和(Rauch)和德国西炉 (Westoffen)生产的气体保护压铸镁合金连续熔 图2 化浇注炉。进口熔炉高昂的价格和使用成本,在一 定程度上已经成为我国压铸镁合金生产应用推广 的制约因素。 研究和产业化工作。目前,相关单位开发的国产镁 合金熔炉已经基本成熟,在熔体温度控制精度、熔 体的防氧化保护和安全结构设计、定量浇注精度 等主要性能上基本达到了进口熔炉的水平,且制 造成本和使用成本仅为进口产品1/3~1/2,性价 国内在气体保护压铸镁合金连续熔化浇注炉 的研制上起步较晚,目前只有几家单位进行镁合 金熔炉的研究和开发,郑州有色金属研究所在半 连续镁合金铸锭用熔炉方面进行了开发工作。上 海乾通公司为了满足镁合金压铸生产的需求,为 自己的压铸机量身定做镁合金熔炉,采用传统的 熔剂或sF 混合保护气体,单室焊接坩埚和电阻加 热,以液压驱动活塞进行定量浇注,此熔炉现仅在 比更高。因此,国产熔炉开始在国内镁合金压铸生 产企业投入工业使用,其质量和可靠性已获得市 场认可,并逐步替代进口。图2为国产的压铸用气 体保护镁合金熔化浇注炉,该产品与进口产品在 主要技术特点上的比较如表2所示。 尽管实现了熔炉的国产化并部分替代进口, 但国产熔炉在外观设计、操作及使用的信息化管 理、制造细节质量等方面与进口产品相比还存在 一该企业内部使用。 在“十五”镁合金科技攻关项目的支持下,国 内相关单位进行了压铸用气体保护镁合金熔炉的 定的改进和优化的余地。 表2国产镁合金熔炉与进口产品的主要功能及部分特征比较 组成部分 Rauch熔炉的特点 Westoffen熔炉的特点 国产硕龙熔炉的特点 熔炉结构 双室坩锅,低碳钢,耐热 单坩锅或双坩锅,低碳钢, 钢双金属复合材料焊 耐热钢双金属复合材料焊 双室坩锅,整体铸造或低碳钢,耐热 接 接 钢双金属复合材料焊接 电加热、热偶+PLc控 电加热、热偶+PLc控制系 电加热制系统 统 热偶+变功率温控系统 温控系统 、定量浇注 机械泵的转速及转动 时间复合定量,辅助液 低(氩气)压浇注,压力和 机械泵的转速及转动时间复合定 位检测 加压时间复合定量 量,辅助液位检测 熔体防氧 N2+SF6混合气体保护 或N2+SO2混合气体 N2+SF6混合气体保护, 化保护 保护 带双单元失效保护 浇注定位 过热监控 漏镁监控 三维机械式定位系统 独立热偶温度监控 漏镁传感器报警 按需设计的固定式浇注管 未知 未知 三种模式:①在线产生SO2+CO2 +N2混合气体;②在线发生CO2 +N2在混合SF6气体;③直接N2 +SF6混合气体保护 三维电动式可调定位系统 温控器监控 漏镁传感器报警 _ 皇 兰塑 : 维普资讯 http://www.cqvip.com
3.3镁合金压铸机 世界上先进的压铸机生产厂商有:瑞士的 BUEHLER公司、德国的FRECH公司、意大利的IDRA 公司、ITALPRESSE公司、日本的UBE公司、TOYO公 司、TOSHIBA公司、美国的HPM公司等,分热室和冷 室两种。冷室压铸机压力大,适合用于较大型、壁 较厚的镁合金铸件生产;而热室压铸机结构紧凑, 工作压力小,适合于小型、薄壁镁合金铸件的生 产。 和镁合金熔炉一样,我国生产镁合金压铸机 研制和生产起步晚,始于本世纪初,目前只有香港 力劲(深圳)机械厂有限公司、香港科源(亚洲)有 限公司、常州华晨机械制造有限公司、上海压铸机 厂、许昌意斯特等少数几家达成了生产能力。尽管 起步较晚,但经过近几年来的努力,还是取得了不 小的进展: (1)压铸机产品趋于系列化:国内企业过去只 能生产少数几个型号的镁合金压铸机,现在已经 可以生产锁模力从130t到2000t的各种规格压 铸机产品。 (2)国产压铸机品质己获得国内市场认可:国 产的镁合金压铸机现已经在全国的许多企业应 用,形成了较强的竞争力和较高的市场占有率。 (3)压铸机的部分性能接近国外进口产品:目 前,国产镁合金压铸机在压射速度、压射比压、建 压时间等几个关键的技术参数方面已经与进口产 品基本接近,如力劲的镁合金热室压铸机DC一 160M,压射速度最高达6m/s,可生产投影面积小于 800cm。以下的各种镁合金压铸件;镁合金冷室压 铸机DCC--630M空压射速度可达8m/s,压射增压 压力可达150Mpa以上,建压时间为20m/s;常州华 晨的冷室压机的压射能力己达9m/s。 (4)热室压机用特殊性能材料开发有所进展: 国内开发了一种无镍、高钴稀土马氏体耐热耐腐 蚀钢,可以在高温下耐磨和耐镁液腐蚀,已经在国 产热室镁合金压铸机上得到试应用,其成本仅为 同类进口材料的1/2 E 。 然而,应该清醒的看到,虽然实现了压机的国 产化并部分替代近口,但国产压铸机在整体性能 和技术含量上还有待于进一步提高,比如:国产压 图3瑞士布勒生产的SC系列冷室压铸机 机的质量稳定性还有待进一步提高;由于没有采 用压射实时控制技术,国产压机的压射参数重复 性、产品内在质量的稳定、一致性还逊色于具有实 时压射控制系统的进口产品。这种性能差别在生 产一般的结构件时对企业的生产没有显著影响, 但在生产高品质的性能结构件,特别是汽车的关 键性能结构件时压机性能的上述差别会对产品的 质量控制带来显著的影响。 4.镁合金后处理及其它铸造工艺装备的研 发现状 4.1表面处理装备一微弧氧化处理装备 镁合金的抗腐蚀能力差,铸件必须进行表面 防护处理,以提高其耐蚀能力。目前镁合金所采用 的表面处理工艺:化学转化处理、阳极氧化处理、 激光表面合金化、微弧氧化、物理气相沉积、离子 注入、化学镀及电镀等。在众多工艺中,微弧氧化 由于具有技术简单、效率高、无污染、处理工件能 力强、形成的陶瓷质氧化膜能明显提高材料的耐 蚀与耐磨性能的优点,在镁合金表面处理中越来 越受到青睐。 图4使用中的国产镁合金微弧氧化设备 彤 h.t tp. ̄ww属.w.J I.S篡SlZZ~. corft 2一00=6圭蔓兰年等3塑团 期■ ■ 维普资讯 http://www.cqvip.com
微弧氧化是近年来发展起来的一种新型表面 处理技术,其原理是将被处理的镁合金制品做阳 极,置于脉冲电场环境的电解液中,使被处理样品 表面在脉冲电场作用下产生微弧放电而生成一层 与基体以冶金形式结合的氧化镁或氧化铝陶瓷层 [9]。的铸造方法,可获得力学性能与模锻媲美的优质 可热处理铸件,是一种规模化生产高性能、高品质 镁合金件的理想工艺方法。 国内新近开发了一种镁合金挤压铸造技术及 专用镁合金连续熔化浇注系统,与挤压铸造机集 成形成新型镁合金挤压铸造单元。与传统挤压铸 我国在微弧氧化技术和设备的研究开发方面所 做工作较多,且颇有成效,现已经开发出较为成熟 造技术相比,这种镁合金挤压铸造技术和装备实 的镁合金微弧氧化技术和设备,并在国内镁合金 现了镁合金熔体的封闭式浇注,并显著提高熔体 生产企业广泛得到使用,性能测试对比结果(见表 的工艺收得率、工艺成品率和生产效率,实现了整 3)表明,用国产镁合金微弧氧化设备处理的镁合 个工艺过程的自动化。目前,该挤压铸造单元的原 金表面耐蚀性能明显提高。图4为使用中的国产 型已经用于摩托车镁合金轮毂试生产,生产的轮 镁合金微弧氧化设备。 毂已经通过了国家相关部门的性能检测和认证 [13] 表3各种镁合金钝化层性能测试对比 测试种类 铬盐酸 磷酸盐 微弧氧化 盐水测试 ①4h无明显变化 ①4h无明显变化 ①8h无明显变化 ②8h后2%面积剥落 ②8h后2%面积剥落 ②l2h出现少量白点 高温度高湿下附着力测试 附着力合格 附着力合格 附着力合格 注:①盐水测试:温度为35 ̄C;盐水为5%NaCI溶液;②高温高湿条件为65oc温度95%湿度下放置24小时。(摘自:秦人 金属科技有限公司网站) 4.2镁合金半固态成型装备 镁合金半固态成型是获得高性能镁合金构件 5.结束语 的新技术,国外公司纷纷投入人力物力开发相关 近年来,我国的镁合金熔铸及周边装备的研 装备。瑞士布勒公司的SDC/84L压铸机,带有压射 究开发及产业化取得了可喜进展,初步具备了系 控制系统,既能用于压铸,又能用于半固态成型 统的研发生产和供货能力,部分产品的性能指标 [1 0];美国Dow化学公司开发的半固态成型装备,融 已经赶上国外先进产品,部分已经超越国外,形成 合了塑料注射成形与金属压铸工艺的特点,用于 了有特色的技术和装备。加上制造成本上有较强 镁合金的半固态成型[1 。 的竞争优势,我国镁合金铸造装备制造业应该有 国内也有单位研制了一种镁合金半固态浆料 巨大的市场发展空间。但目前我国镁合金熔铸装 制备装置,将镁合金熔体用高温熔体输送泵输入 备产业还存在以下明显不足: 双螺杆搅拌制浆装置内进行降温搅拌,获得镁合 (1)从数量和品种上看,国产镁合金装备还远 金半固态浆料。该装备与挤压铸造机、冷室压铸机 远落后,主要体现在装备的成套性和市场占有率 组成镁合金半固态流变成形机组,可实现镁合金 方面,市场上的国产装备品种很少,仅在核心的压 的流变半固态成型[12],但目前还未见工业化应用。 铸、挤压铸造、配套熔炉、微弧氧化等装备上有所 4.3镁合金新型挤压铸造技术和装备 突破,但周边配套设备及深加工装备上尚未形成 挤压铸造(也称为液态模锻)是一种相对较新 较强的生产和市场竞争力。 (下接第25页) 2006年第3期 维普资讯 http://www.cqvip.com
来越高,因而轴承行业对轴承钢同样提出了更高 润变薄,轴承钢线材供需也将发生变化,钢厂竞争 也会更加激烈。 的要求。比如,机床主轴用精密轴承,航空航天精 密轴承,计算机和录象机专用轴承等,这些产品对 轴承的要求很高,随着轴承行业的技术进步,轴承 钢线材消费量将有较大增长。另外,国内轴承钢消 费以棒材为主,线材消费比例低,反映出国内轴承 行业生产效率偏低。随着轴承行业采用线材比例 加大,轴承钢线材消费量也将有较大增长。 同时也应看到,随着近年来普通钢材价格走 势一路下滑,利润大幅缩水,以及轴承钢行业的利 5.结语 我国已是一个轴承钢线材生产、消费大国,但 还不是一个轴承钢线材生产强国。为了替代进口 产品,生产企业还要在如下几个方面加强攻关:1) 提高纯净度,保证轴承钢的疲劳寿命可靠性。2)提 高特殊环境下的寿命,向高温、高速无噪音的方向 努力。3)高耐热、耐蚀性。4)高洁净度。 润相对稳定丰厚,不少优钢、特钢企业不断扩大产 能,普钢企业转做轴承钢,尤其是中低端的高碳铬 轴承钢产能迅速增大,以及随着出口退税政策调 整的影响,主要特钢企业的轴承钢的出口增幅有 明显放缓迹象。这都会导致今后一段时期产品利 参考文献: [1]中国钢铁工业统计月报.中国钢铁工业协会信息统计部主办。 2005。 -+-+一+-+一+一+ -+-+-+一+-+-+-+-+-+-+ -+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ (上接第22页) (2)从技术层面讲,虽然目前国产镁合金装备 在部分性能上和进口产品的水平接近,并有所创 新,但是在整机性能、整机技术含量和自动化程度 上还存在较大差距,可以说现在国产装备整体还 处在借鉴和吸收国外技术的阶段,要赶上和超过 Magnes1um Protection F1u1d as a Subst1tute for SF6 Over Molten Magnesium,International Conference on SF6 and the Environment:Emission Reduction Strategies—November 21—22.2002. [5]游国强,龙思远,查吉利.镁合金保护气体在线发生技术的研 究.特种铸造及有色合金,2004(2):9—12 [6]龙思远,游国强.一种镁合金熔炼阻燃保护的方法.中国专 利,ZL01108697.1,2003 [7]You Guoqiang,Long Siyuan,Zha Ji1i.A novel technique for on一1ine generation of Mg—shielding gas.MaterialS 国外先进产品还需继续努力。 下一步要做的是通过技术创新和技术集成, 进一步增强产品的整体性能、可靠性和安全性;在 产品性价比方面多作文章,以提高自身的市场竞 争力。 参考文献: [I]Michael M.Avedesian and Hugh Baker.Magnesium and Magnesium A1loys.America.ASM International,1999 Science Forum,VolS.488—489:77—80 [8]李培杰等.一种高钴一稀土耐热耐蚀合金.中国专利, ZLO1 109896.1,2003 [9]蒋百灵等.铝、镁合金微弧氧化技术研究现状和产业化前景. 金属热处理,2004(1):23--29 [10]唐玉林,孙国雄,郭景杰.第19届国际压铸会议及展览会述 评.特种铸造及有色合金,1998(2):51—53 [2]N.Ricketts et.a1.Environmental imp]ications of Using HFC一134a as a replacement for SF6 in the magnesium industry,International Conference on SF6 and the Enviroument. [11]刘红梅,李鸿义,赵浩峰.镁合金压铸装备的发展.山西机 械,2003(3):1—4 [12]罗吉荣等.半固态镁合金流变成形技术及装备.特种铸造及 有色合金,2002(4):45—46 [13]武增臣,徐绍勇,龙思远.一种镁合金轮毂的新型挤压铸造 [3 J Y.W.Zeng et a1.,A New Low GWP Protect ive Atmosphere Containing HFC一152a for Molten Magnesium Against Ignition.MaterialS Science Forum,Vo1.488—489(June 2005):73—76 工艺,两岸镁合金产业与技术发展论坛,2005年4月12日,台北。 [}]重庆硕龙科技有限公司镁合金熔炉产品手册,2005 [4]D.Mi lbrath et a1.,Development of 3M Novec 612 Itttp3zzumJlav.jsSSsjlzzZZ.ttp.mm金属世界. com 2 主蔓兰塑圄目 fJfJ6年弟.j捌■暖 啊
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