鎂合金壓鑄生產‖管理及問題

鎂合金是當代重要的綠色工程材料之一。鎂是結構性金屬中最輕的一種，具有高強度重量比，可取代傳統上運用鋼、鑄鐵、鋅合金甚至鋁合金的地方。除此之外鎂合金還具有：(1)優良的導熱性、吸震性﹔(2) 抗EMI電磁波﹔(3) 尺寸穩定性高﹔(4) 可100%回收，被譽為綠色工程材料。

鎂合金以上得天獨厚的特性使之成為工業產品中制造結構零件的優選材料之一，主要用于制造輕而強度高的對象。鎂合金壓鑄件的應用領域以筆記本計算機、照相機和攝相機產品（統稱為3C產品）為主。

一﹑合理選用鎂合金壓鑄機進行壓鑄生產

鎂合金壓鑄主要有：熱室壓鑄、冷室壓鑄、半固態壓射成形三種壓鑄成形技術。選用何種形式的鎂合金壓鑄機進行生產主要取決于鑄件的壁厚和重量。德國Frech（富來）公司在對“鎂合金壓鑄工藝的優化”問題進行研究中提出：

1. 一般情況下，小約1kg左右、薄壁均勻、形狀復雜的小鑄件適合用熱室壓鑄機進行生產。

2. 冷室壓鑄機通常用于壓鑄大型件。因為可以采用較高的壓射壓力，在高達15Mpa的壓射比下，在100ms之內一次壓射10kg或更多的金屬液。

3. 對于1.35~2.25kg重的壓鑄件，可以在鎖模力500~700噸的壓鑄機進行生產﹐兩種類型壓鑄機都能適用。

熱室壓鑄機在華南地區被廣泛的使用，與冷室壓鑄機相比，熱室壓鑄具有以下之特點（具體數據以菱沼機（HISHINUMA）為例：

1. 鑄造時鎂合金材料處于液體狀態﹐合乎一般鑄造條件。

2. 鑄造性良好﹐鑄造壓力約250KG/CM2,較低的鑄造壓力可鑄造出較大的鑄件。

3. 生產周期快。

4. 澆口較小。以手提電話成形為例，熱室壓鑄44.8ｇ，冷室壓鑄110ｇ，熱室壓鑄產品的水口重量只有冷室壓鑄產品的水口重量約40％。

以下熱室壓鑄技術裝置令熱室壓鑄機更適合于鎂合金的生產：

1. 高速射出伺服式液壓系統。

2. 高周波噴咀加熱裝置。

3. 模具斷熱板。

4. 模具溫度調節裝置。

5. 鎂錠預熱裝置。

6. 在射出計測機構中采用無接觸式高速Sensor，讀數準確快捷﹐令無機械接觸部分保修簡單容易。

半固態壓射機的優點在于：零件表面質量高﹔可鑄造壁厚薄達0.7~0.8mm的輕薄件，尺寸精確、不需要熔煉爐。不但安全性高而且勞動環境好，鑄件收縮量小，鑄件的表面良品率高，可令壓鑄工序無表面缺陷的良品率達50%左右。

半固態壓鑄技術不足之處在于：裝備昂貴、維護較困難、機械與控制設備故障率較高、維修費用多比壓鑄法的高50%左右，故產品成本較高。因使用的原料為鎂粒，與使用鎂錠的壓鑄法相比原料價格高20%，鑄件生產周期長，為普通壓鑄法的2~3倍，故產量較低。

由表1可見三種類型的壓鑄機在生產工藝中的比較﹐實際生產中采用哪一種壓鑄機應按照生產產品的需要取舍。就目前中國大陸而言﹐熱室壓鑄機應用較為廣泛﹐本文以熱室壓鑄成形技術為主要對象介紹壓鑄生產過程中的管理與經驗。

表1 三種壓鑄機生產工藝特點的比較

二﹑鎂合金壓鑄生產過程中的注意事項

壓鑄工藝參數方面主要有以下部分需要在鎂合金壓鑄生產過程中給予足夠的重視：

1. 鎂合金的預熱：預熱的目的首先在于消除鎂錠可能殘存的水份，否則就可能發生濺射和爆炸的后果；其次在于使鎂合金熔爐內熔液溫度不因加料而產生大的波動。鎂錠預熱所需要的溫度至少達到150℃或以上。

2. 鎂合金熔液之工作溫度：熱室壓鑄工藝所需要的鎂液工作溫度在620℃至640℃，在具體的生產過程中，十分重要的工作是要根據產品的實際要求，以及生產過程的控制情況適當調整熔液的溫度。

3. 模具溫度：保持模具溫度從理論和實際操作中都有其重要的意義。其作用大致為：a)使模具達到良好的平衡，改善合金凝固條件和順序。b)保持合金具有良好的填充狀態和流動性，并有利于壓力的傳遞。c)鑄件成形良好的同時可以得到穩定的表面質量，尺寸精度和機械性能。d)提高生產效率和模具壽命，模溫之高低需依產品特征及生產周期的控制情況加以調節，一般控制在230℃至280℃之間。

4. 熱室壓鑄機射嘴的溫度控制：射嘴的加熱其目的是為了減少合金熔液流經時的熱量損失，達到穩定的操作。

5. 壓射力的控制：熱室壓鑄機壓射力控制在16至25MPa，增壓則控制在50至70MPa。

6. 壓射速度的控制：一般在控制快速射料上，鎂合金壓鑄需要大于鋅、鋁合金的快速填充。特別是在生產特薄壁鑄件，壓鑄機空射速度要大于6米／秒。

三﹑鎂合金壓鑄生產過程中的熔料管理

鎂合金壓鑄所使用的鎂合金錠一般重量由四至十二千克。由于鎂與水份的爆炸反應，必須將干燥的材料加入到爐內，這一點非常重要。所以在壓鑄現場，合金錠首先需要由預熱爐從環境溫度加熱到150℃以上，才能加入熔爐。過往，適當份量的覆蓋劑會加入熔爐中以防止合金液面氧化?，F在覆蓋劑的使用已被保護氣體（如SF6或N2）所取代。

1. 熔煉過程：合金錠投入壓鑄機坩堝熔煉過程中，一層浮渣會在金屬表面上形成。這層浮渣會在表面上形成。這層浮渣需要定時清除，頻密程度要視乎合金料的質量，預熱的方法，熔爐的設計以及鑄件的大小等。定期清除坩堝壁上的殘渣是相當重要的，過量的殘渣積聚有機會產生強烈的化學反應。同時坩堝底部也會沉積有殘渣，在每次清理液面的浮渣時，也需要同時檢查沉積在坩堝的殘渣是否過多，因為沉渣會降低熔爐的熔煉效能及引致鑄件不良等問題。又由于檢查和清理合金液表面時，保護揭蓋會被打開而導致坩堝內的保護氣體環境會受到影響。因此，當清理合金液時，有需要提供額外增加氣體的供應量。

2. 鎂合金廢料回收：鎂合金可100%回收，不過又有別于鋅及鋁壓鑄的廢料回收。鎂壓鑄的廢料，例如澆口及流道等，因為含有一定量的氧化物，故此，一般不能直接再次使用，否則，便會影響產品的性能?，F時，鎂廢料絕大部分由生產鎂錠的公司回收，只有極少數的壓鑄廠能夠自行回收。

四﹑鎂合金壓鑄生產過程中的質量控制

在鎂合金壓鑄生產過程中遇見的產品缺陷是欠鑄（缺料）、冷隔（冷紋）、砂孔、起泡、收縮、變形等情況。其中冷隔及欠鑄是眾多缺陷中最常出現的型態這兩種缺陷的產生大多與以下幾種原因有關。例如可能是模具充模的速度太慢、太多的脫模劑噴涂量、熔料及模具溫度不正確、熔料不潔凈（積聚過多的氧化物）、壓鑄速度不足。另一缺陷—砂孔，產生的成因大多是在?？虺涮顣r，氣體困在?？騼葻o法排出。檢討以下幾點可以將嚴重情況減低：去水道的形狀、入水口的位置及尺寸、排氣道的位置及面積及脫模劑的性質及噴涂量等。

表2列舉了常見鎂鑄件表面及內部缺陷的一般對策

五﹑鎂合金壓鑄生產過程中的安全管理

1.  壓鑄車間的布置和要求

鎂的壓鑄車間建議是一獨立單層建筑物，車間地面不能低于其它地面，以防雨水積聚。壓鑄車間及熔料處理都屬于熱加工作業，車間室溫通常會較高，而煙氣也會較多，所以車間地面與建筑物頂之間應有較高的距離，以利煙及熱氣容易消散，因此車間應該保持良好的通風。

圖為日本某壓鑄工廠的排氣系統

上圖為壓鑄工廠排氣系統

供應鎂熔液保護氣體之氣瓶，建議安放在一個與車間隔離有防火結構保護的地方。氣體經由堅固的金屬管道供應至各個所需的地方。

2．材料儲存及搬運

鎂件或鎂錠應儲存在一個不燃性建筑內，而除了鎂金屬外不應同時儲存其它可燃性物料?？臻g內保持干燥及良好的通風，并需良好的去水系統。在生產工廠內不應存放鎂錠。儲存在內的鎂錠不應帶有可燃性包裝或卡板。壓鑄場所內不應積存壓鑄件，將生產出來的壓鑄件頻密的移去壓鑄場所。

3．模具使用

鎂合金壓鑄進行前必須預熱至接近正常操作溫度。預熱前先把鎖壓力調松，以免模具預熱后澎脹，令鎖模過緊。

4．熔爐及保護氣體的使用安全

處理鎂熔液時，必須不同程度的被覆蓋和保護，避免與大氣接觸，否則熔液將會被迅速氧化及燃燒。

目前較普遍使用的是一種0.2%～0.5%的六氟化硫，其余為氮氣的混合氣體。鎂熔料溫試達到四百度時，就必須注入保護氣體。此外，正確的氣體混合量也非常重要，過多的六氟化硫會將熔爐金屬部份侵蝕。

另外，六氟化硫所造成的溫室效應是二氧化碳的2萬2千8百倍，所以自1997年京都議定書把六氟化硫列入主要管制的溫室氣體以來，就不斷的有鎂合金熔解的替代性保護氣體的研究。例如：重新使用SO2作為保護氣體、澳洲建議的HFC134a、3M公司的HFE7100和Novec612、以及CO2 Snow等。但是SO2有毒、腐蝕性又強；HFC134a的溫室效應雖然只有六氟化硫的1/18，但也是被京都協議列入的溫室氣體之一；3M公司的氣體很被看好，但目前使用成本比用六氟化硫高；CO2 Snow的技術，金屬中心已經開發出來，但業者還不熟悉這種技術。

熔缸會因為各種情況導致金屬材料逐漸變薄，這些原因包括材料本身氧化、鎂熔液受到污染、過量注入保護氣體或六氟化硫的濃度過高等。當發現金屬材料已經損耗至原來的一半時就要將它更換，鎂熔液因熔缸材料損耗嚴重而滲漏，極可能會造成嚴重的后果。

六﹑結束語

長期以來，滯緩鎂合金壓鑄業發展的兩個瓶頸（產業及壓鑄的技術攻關未能突破）在90年代之后有了重大的突破，從而也加速了鎂合金壓鑄業的發展。由于鎂合金壓鑄有別于其它常用合金壓鑄，隨著鎂合金壓鑄產業的飛速發展，加強生產中的管理成為了普及鎂合金壓鑄的重要前提。鎂合金壓鑄的管理經驗是需要在長期壓鑄生產中，理論與生產實際相結合逐步總結出來的。

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