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鎂合金壓鑄工藝難成功的原因與新工藝選擇

鎂合金壓鑄工藝難成功的原因與新工藝選擇

    對鋁合金材料或鋁合金壓鑄工藝有所認識的人都知道，鋁合金分含硅高（約10%）的“壓鑄鋁合金”、含硅中等（約5%），適合重力鑄造、低壓鑄造或金屬模鑄造的“鑄造鋁合金”，以及適用于擠壓、鍛壓等壓力加工，含硅量很少（1%-2%以下）或基本不含硅的“變形鋁合金”。

  不少人以為，在鋁合金或鎂合金中加硅，主要是為了增加合金的流動性，其實并不全面正確，且有認識的偏差與誤導。

  在合金中加硅，作用主要確有兩項：

  第一是增加流動性。但這主要是對重力鑄造等很低的壓強下充型而言的。檢測與實踐都表明，不加硅的合金與加了硅的合金，在超過1MPa的充型壓強下充型，差異并不大。當今的壓鑄機與壓鑄工藝，充型壓強可以超過100MPa，即使是最差流動性的合金（變形鋁合金、變形鎂合金等），都不存在充型不足的困難。

  第二是減少“液—固”相的相變體積收縮率——這一項才是最重要與最關鍵的。有研究指，含硅量到20%左右的鋁合金（如A390），相變體積可以基本不變。所以，用于高溫場合的鋁活塞，總是硅含量較高的合金。因為壓鑄工藝的本質特性，屬單方向的高壓強充型鑄造，不具有反向補縮功能，這是它與低壓鑄造、重力鑄造具有反向補縮充型的工藝特性完全不同的地方。正是這個原因，行業(yè)上才特意配制相變收縮率比較低，含硅量盡量去到最高，專門為了壓鑄工藝不能反向補縮的鋁合金牌號。

  增加硅在合金中的含量會付出很大的代價：大幅削弱了合金的強度，并使合金變脆，延伸率顯著降低。壓鑄鋁合金（如ZL107、ADC12）普遍就比變形鋁合金的強度低了一半甚至大半，約在200MPa范圍。對比A356、6061（LY硬鋁）、ZL101合金強度在400MPa，7075（LC超硬鋁）強度達600MPa就可知了。硅還是非金屬，不能陽極氧化與著色。故從本質上說，硅對合金歸屬為一種有害的或雜質類的元素。

    所以，我們一般都將壓鑄件稱為“結構件”，很多功能上有要求，被稱為“功能件”所用的地方，如有高強度、延伸率高（不脆）、耐高溫、表面著色、耐沖擊韌性要求等場合的，壓鑄合金基本就不能用了。

  實踐上，用壓鑄工藝生產含硅量在5%左右的鑄造類合金（如生產鋁合金輪轂的A356、ZL101牌號合金），毛坯合格率明顯降低，縮孔縮松非常嚴重。原因在于，該類鑄造合金的體積收縮率較大，本來就只適合于有補縮系統的鑄造工藝的（如重力鑄造、金屬模鑄造、低壓鑄造）。用沒有補縮系統的壓鑄工藝生產，明顯勉為其難，縮孔縮松缺陷又怎不明顯增加呢。

  現時的壓鑄機，能產生一定補縮作用的手段有兩個：

  一是加快壓射的速度，讓熔體有一定的動能（加速），這會產生一定的補縮作用，卻極不可靠，且實踐上也是可笑的——加大壓射速度，不就更容易卷氣產生氣孔缺陷了嗎？

  二是靠壓射沖頭的“加力”（幾十年前所稱的“精速密壓鑄”）。請注意，壓射沖頭的“加力”，本質上只是加了壓強，而不是直接加力于毛坯體本身物理概念的做功（鍛壓）。這種“加力”，可理解為重力鑄造或低壓鑄造中對一個位置的補縮——這同時還要加大內澆道（所謂大水口）才能有效果。但對于需在多個位置進行補縮的毛坯，單靠壓射沖頭的作用顯然生產不出合格產品。兩者相比，以壓射沖頭的“加力”，作用遠好于對熔體的“加速”充型。

  現時的“多功能”低壓鑄造機，其實是將復雜的重力鑄造充型與補縮系統機械化，本質上已是“中低壓鑄造充型+多點擠壓鑄造補縮”，具有多工位補縮的工藝裝備：即熔體的充型速度與壓力，實現無級調節(jié)的機械化，同時具有對毛坯多個需補縮的位置的壓力強制補縮。這種“低壓鑄造機”，其實就是用了多向連鑄連鍛、多向壓鑄模鍛的工藝思路，只是缺了對毛坯主投影面進行鍛壓的功能而已。

  回過頭來看，就知道鎂合金壓鑄為什么艱難：它與用壓鑄工藝生產A356、ZL101、ZL203等重力鑄造鋁合金毛坯，碰到的是同一類問題——如何補縮的問題，卻是難度甚高、極大的問題。因為現時的鎂合金牌號，只有含硅量很低（1%-2%）、體積收縮率極大的“鑄造鎂合金”，而根本沒有體積收縮率比較低的“壓鑄鎂合金”。其難度（主要是體積收縮率極大與變形合金所需的壓力加工特性——高位合金極易晶粒粗大與偏析），相當于用壓鑄工藝生產6061、6063合金，相當于挑戰(zhàn)壓鑄工藝那不可思議的絕對禁區(qū)！

  這就得出兩個極重要的結論：

  一是現時的鑄造牌號鎂合金，只應適用于擁有多功能的具有復雜良好補縮系統的低壓鑄造裝置生產，而基本不適合沒有補縮能力的壓鑄工藝生產。別相信現時的所謂“鎂合金壓鑄機”，因為它只是相對于傳統壓鑄工藝僅提高了壓射充型的速度，但這能起到的補縮作用卻甚差，比以壓射沖頭的加力作用與“大水口”工藝還要差得多。

  可以說，以傳統壓鑄工藝，或所謂的“鎂合金壓鑄機”生產鎂合金壓鑄件，其“成功”只具有偶然性或特殊性，不具有普遍性與工業(yè)性；以傳統的壓鑄工藝（包括所謂的鎂合金壓鑄機）搞鎂合金壓鑄件生產，根本就是選錯了裝備走錯了方向，工藝基本不可行，不具工業(yè)上的普遍適應性，更多的會以失敗告終——如同以壓鑄工藝生產6061、6063、5052、2024等變形鋁合金材料一樣的慘敗告終。

  二是改用具有多向強制補縮與多向鍛壓功能的多向壓鑄模鍛、多向連鑄連鍛工藝與裝備生產，直接生產出如壓鑄件一樣結構復雜的鎂合金鍛壓件。這項工藝，可生產完全不含硅的變形鋁合金鍛壓件，也能生產完全不含硅的變形鎂合金鍛壓件。