详解镁合金成型技术及其在产品中的应用

2020/6/10

镁合金介绍
我们每天都和镁在一起生活却很少注意它。我们每天 吃的绿色蔬菜了的叶绿素就是以镁元素为核心。记得不记 得没有电子闪光灯前，我们用镁光灯照像？
从这里我们知道镁非常易燃，活性非常强，而且不怕水。整块的镁不着火， 非常稳定，但是镁碎片却非常容易着火。
镁和锌不一样，镁元素到处都有，从海水就可以提炼。提炼镁需要大量的 电力，所以镁合金的工厂大都设在电力便宜的地方，不像锌合金的工厂必须设 在有锌矿的地方。
純鎂密度為1.738g/cm3，為純鋁的2/3.鎂合金壓鑄件機械性質近似鋁合金壓 鑄件，但單位重量強度則較高.鎂合金有良好之機械加工性。当我们需要金属 的强度，塑料的重量时镁合金的产品就成为第一选择了。
最近流行的镁合金计算机并不是新。早在海湾战争时，（今天美国总统的 父亲老布什的海湾战争，）美国的军人就带镁合金的手提电脑上战场了。
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2020/6/10
鎂合金與鋁合金及鋼鐵之比強度及比耐力之比較圖

镁合金铸造成型技术
1.1 压铸镁合金 (Die casting process)
自1927年推出高强度MgAl9Znl以来，镁合金的工业应用 获得了实质性进展。1936年车公开始用压铸镁合金生产“甲 壳虫”汽车的发动机传动系统零件，至1980年，镁合金压铸 件用达38万吨。德国政府制订了一个投资2500万德国马克的 镁合金研究开发计划，主要研究压合金工艺，快速原型化与工 具制造技术和半固态成型工艺，以提高德国在镁合金应用方面 的能力。全球鎂壓鑄品的應用已由1991年的約24,000噸提高 至1998年的71,000噸。而此增加的部分，有80%以上係用 在汽車零組件上。
從1980年代中葉至90年代初，促使北美成長的原動力在 於為迴避CAFF(燃料限制)處罰而致力的輕量化行動。在此時 期，各種引擎零件、車體零件、內裝零件莫不紛紛改用輕量化 材料。研究人員開始展開鎂的研究，並克服諸多如腐蝕、可燃 性、成本等各項問題。而全球其他地區亦密切注意其他發展， 至80年代末至90年代初，歐洲與日本已開始展開獨家的鎂零 件開發。
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鎂合金之主要優點
镁合金具有良好的充型能力，充型后 凝固速度较快，对压铸型的热冲击较小， 可用于压铸薄壁件而不会出现热裂和欠铸 等缺陷。
镁合金减轻压铸型的热疲劳现象， 延长压铸型的使用寿命，缩短压铸件的留 型时间，压铸生产速率比铝合金快约75%。
镁合金与铁基本不发生反应，不侵蚀钢坩埚和压铸型，既避免了坩埚对镁合 金液的污染，又延长了钢坩埚和压铸型的寿命， 使得镁合金不但象铝合金一样可 用于冷室压铸机压铸，而且可以用效率更高的热室压铸机压铸。
镁合金的收缩率均匀一致，脱型力比铝合金低20%-30% 。因而，镁合金压铸 件不但具有较高的尺寸精度，而且其压铸件的清理能耗不到铝合金压铸件60%。
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鎂合金材料
压铸镁合金一般以Al为主要合金元素，常用的主要有3个 系列： AZ(Mg-Al-Zn-Mn)，AM(Mg-Al-Mn)，AS(Mg-Al-Si-Mn)系。
影响镁合金压铸发展的主要问题是合金液易氧化燃烧，这给熔炼带来一系列困 难，并造成对环境和合金本身的污染，对熔炼设备的侵蚀及压铸生产成本的增加。
壓鑄鎂合金中以AZ91D和AZ81強度最高.AZ91D為目前最常用之鎂合金，有良 好之耐蝕性﹑鑄造性.耐蝕性是因為對鐵﹑銅﹑鎳，嚴格控制的結果.汽車﹑電腦零 件﹑運動器材﹑手工具為典型用途.
AM60B﹑AM50A和AM20適用於需良好延性﹑耐衝擊性的場合.AM材料延性高 ﹑吸收能量能力好.合金成分因鋁的減少，延性才提升，但也就犧牲掉強度及鑄造 性.典型用途為汽車內裝﹑方向盤﹑椅框﹑儀錶板架.
AS41B和AE42應用於較高溫場合.其機械性質較其他鎂合金材料穩定，抗潛變 性良好.AE相較於AS鋁較少，其延性及抗潛變較佳.AS41B的材料特性使其非常適合 用於汽車空冷引擎的曲軸箱.
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壓鑄用鎂合金材料化學成分表
商業編碼
AZ91D AZ81 AM60B AM50A
標稱成分 Al 9.0 Al 8.0
成分
Zn 0.7 Zn 0.7 Al 6.0 Al 5.0 Mn 0.2 Mn 0.2 Mn 0.3 Mn 0.35
鋁(Al)
8.3-9.7 7.0-8.5 5.5-6.5 4.4-5.4
鋅(Zn)
0.35-1.0 0.3-1.0 0.22max 0.22max
錳(Mn)
0.15-0.50 0.17min 0.24-0.6 0.26-0.6
矽(Si)
0.10max 0.05max 0.10max 0.10max
鐵(Fe)
0.005 0.004max 0.005 0.04
銅(Cu),max
0.030 0.015 0.010 0.010
鎳(Ni),max
0.002 0.001 0.002 0.002
稀土元素,總量
_
_
_
_
其他
0.02
0.01
0.02
0.02
鎂
餘
餘
餘
餘
AM20 AE42
Al 2.0 Mn 0.55
Al 4.0 Re 2.4 Mn 0.3
1.7-2.2 3.4-4.6
0.1max 0.22max
0.5min 0.25
0.10max _
0.004max 0.005
0.008 0.05
0.001 0.005
_
1.8-3.0
0.01
0.02
餘
餘
AS41B Al 4.0 Si 1.0 Mn 0.37 3.5-5.0 0.12max 0.35-0.7 0.5-1.5 0.0035 0.02 0.002
_ 0.02 餘
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機械性質
商業編碼
抗拉強度(MPa)
降伏強度(MPa)
壓降伏強度(MPa)
伸長率%(51mm)(200C)
硬度BHN
剪切強度(MPa)
衝擊強度(J)
疲勞強度(MPa)
潛熱(KJ/Kg)
揚氏係數(GPa)
鎂合金材料機械性質與物性 鎂合金壓鑄材料
AZ91D AZ81 AM60B AM50A AM20
230
220
220
220
185
160
150
130
120
105
165
_
130
_
_
3
3
6-8
6-10 8-12
75
72
62
57
47
140
140
_
_
_
2.2
_
6.1
9.5
_
70
70
70
70
70
373
373
373
373
373
45
45
45
45
45
AE42 225 140 _ 8-10 57 _ 5.8 _ 373 45
AS41B 215 140 140 6 75 _ 4.1 _ 373 45
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商業代號 抗形成冷紋
氣密性 抗熱裂 加工性 電鍍性 表面處理 充填性 抗黏模 腐蝕性 拋光性 化學氧化保護層
鎂合金壓鑄件其他性質比較(1=最好,5=最差) AZ91D AZ81 AM60B AM50A AM20
2
2
3
3
5
2
2
1
1
1
2
2
2
2
1
1
1
1
1
1
2
2
2
2
2
2
2
1
1
1
1
1
2
2
4
1
1
1
1
1
1
1
1
1
2
2
2
2
2
4
2
2
1
1
1
AE42 4 1 2 1 _ 1 2 2 1 3 1
AS41B 4 1 1 1 2 1 2 1 1 3 1
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镁合金压铸和其它压铸有什么不同
压铸都是一样的，都是将金属用压力和快速度压入模具 内成型。镁合金和其它合金的不一样在于镁合金的含热量低， 凝结快。所以镁合金压铸特别注重压铸速度。压铸用的镁合 金因为重量轻流动性好，所有压铸速度比压铸压力来的重要。 至于模具设计，和其它压铸没什么两样。
镁合金压铸的料头不可以像铝压铸一样再放回熔炉内在融 化。因为镁合金氧化快，氧化后的料头不能再用，必需送回 镁合金工厂处理。所以成本比其它压铸高一些。但是镁合金 的模具比铝合金的模具耐用五倍以上，所以模具上的节省可 以补偿材料上的浪费。
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镁合金压铸要用什么压铸机
因为镁的含热量低，凝结快， 所以要求压铸速度要快。一般，液 体的镁合金从进到模具的浇道口到 充满整个模穴的时间最好保持在60 微秒内。当然超过这个时间还是有 很多人压得出镁合金的铸件，只是 这时候你填充模穴的是液体和固体 镁合金的混合体。所以很多凹陷， 縮水， 冷料痕， 旋渦， 流痕就出 现了。
选择镁合金专用的冷室压铸机 要注意的是压射的速度，才能在理 想的时间内完成模穴填充。大部分 的增压装置对镁合金压铸都不太有 用，因为大部分机器的增压建压时 间都落在60微秒以上。这时候浇道 口的镁合金已经凝结，增压的压力 无法传到模穴里去。
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冷室壓鑄機及構造

所以选择冷室压铸机来压铸镁合金时最重要的是看压射速度和不增压时 的压射压力。如果增压的建压时间够短的话可以考虑，同时也要考虑增压的 控制方式和调整方式。有些增压用定时器以时间来调整，有些增压用行程开 关以压射距离来调整。这些都不是理想的方式，因为模具填充完全的时间很 少是恒定的，压射的行程也从来不是一样的。太早增压，增压的压力就浪费 掉了，太晚增压，增压的效果就没有了。
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并不是每一种镁合金都可以用 热室压铸机来压铸。如果你选用的 镁合金是可以用热室压铸机压铸的
话，例如AZ91D，选用热室压铸机 效率比冷室压铸机高多了，氧化的 程度也降低了，料头的浪费也减低 了。热室压铸机的产量时每小时
500模左右，冷室压铸机的产量却 是在每小时150模左右。
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熱室壓鑄機及構造

镁合金压铸要注意什么
第一要注意的是防火。镁合金的火不能用水来灭， 水反而增进火势。必须准备充分的灭火机。每台机器 旁边要有至少两台灭火机，一边一台。 如果模具缺乏 保养，压铸时常会喷料水，如果是铝合金或锌合金只 要避开不喷到人就没事。镁合金压铸如果喷镁水时， 你的工厂将会比国庆日放焰火还壮观。
压铸用的镁合金的流动性比铝合金好，所以在模具 设计上要参考锌压铸模具，而不是铝压铸。铝合金压铸 模的通气只要在0.07，锌合金在0.05，以下就可以防止铝 水或锌水喷出，镁合金的穿透率比锌强一点，但是用距 离可以防止镁水喷出，因为镁水冷凝结得快。
镁合金熔炉的探温棒必须用304的不锈钢再加上陶瓷 保护层做外壳，而且必须重复，以免超温而造成火灾。
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大部分的压铸件都需要二次加工。整块的镁用打火机烧都 不会着火，但是加工出来的镁粉却非常易燃甚至于爆炸。加工 出来的镁粉要马上放入防爆油内以免造成意外。电动机转动时 出的火花，电器开关切换时出的火花，甚至于人走动时静电造 成的火花，都可以引爆镁粉。
用热室压铸机压铸镁合金时要注意留一套完美的纪录，因 为每两三个月你的鹅颈就改变尺寸，所以要小心的留下最原始 和上一次的纪录，模穴内的压射压力多大？模穴填充速度多快？ 浇道口的流体速度多快？和温度。 也因为你有好几套尺寸只 差一点的鹅颈，压杆，冲头，活塞环，在库存管理上如果不够 小心，你将会有很多错误造成很多困扰，甚至于很多意外。
2020/6/10

1.2镁合金半固态铸造(Semi-solid process)
由塑膠射出成型衍生應用在金屬的成型製程。將長條型之鎂 合金顆粒由加料筒(Feed Stock)送到射出成型機的料管內，加熱至 半固態後，同時以螺桿(Screw)施加外力。攪拌成球狀組織之半固 態鎂合金材料，然後再以螺桿送料射到模穴成型。本法因受機型 噸數及成型原理之限制，故亦適合3C類產品。
此制程基本上可分為兩個階段: 首先是將鑄造性能良好的AZ91D鎂合金經冷加工，將其鑄造之 樹狀晶塑性加工變形成微細晶粒，作為半固態原材料使用。 然後是零件成成型，利用周波感應加熱方式將原材料從室溫加 熱至固、液共存狀態，再利用壓鑄機對半固態熔漿施加一剪切力 (shear force)，使熔漿因剪切變稀(shear thinning)，降低表面黏度而 有優越流動性之原理來成型零件。
2020/6/10

半固態成型法-構造及進料圖 2020/6/10

與壓鑄法比較，鎂合金半固態成型之優勢： ? 成品含孔率低，較熱室壓鑄鎂合金減少50%以上，機械性提高。 ?良好的尺寸精度，公差變化少，尺寸再現性高。 ? 模具之流長/壁厚比(L/D)較高，可成型較薄件。 ?模具之設計較簡化，可有效因應市場變動快之產品。 ? 對於厚度不一、或有許多孔、穴、肋、突塊、墊塊等特殊形狀均可一體成型， 而熱室壓鑄則困難度較高。 ?形狀收縮減少。 ?操作溫度較低，模具壽命較長。 ?湯餅、流道、溢流槽等廢料比例低，可減少後加工程序。 ?製程控制較易，產品品質穩定，廢品率低。 ?凝固時間縮短，可降低成型循環時間。
2020/6/10

劣勢在於:
镁合金需预制成屑片， 使生产成本提高10%，其 设备投资比较昂贵。
2020/6/10
半固態成型機

各成型法之比較分析
制程名稱
Die Casting
Hot Chamber Cold Chamber
Semi-solid
Thixomolding
發展現況 技術成熟度高 技術成熟度高 技術成熟度中
優點
缺點
生產效率最快 小投影面積鑄件最適合
設備維護困難 1mm以下薄件成形良率 不高
生產效率快
1mm以下薄件成形良率
大投影面積鑄件最適合 不高
生產成本低
澆鑄時危險性高
作業溫度較低 安全性較高 工件品質佳
制程條件控制不易 薄件成形良率不高 設備及原料成本較高
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