文/程晓宇、熊守美

摘要：压铸件的致密性是评价其质量的重要指标，通常用密度来衡量。AM50压铸镁合金为研究对象，采用多因素分析法设计了阶梯块试样和压铸工艺参数。通过压铸试验和压铸件的密度测定，分析了压铸工艺参数对铸件密度的影响规律，获得致密度高的压铸件工艺参数为：浇注温度650℃、模具温度180℃、铸造压力44MPa、低速速度0.25m/s、高速速度3m/s、高速位置230mm、增压位置280mm、增压时间20ms、料饼厚度30mm。研究还表明，不同厚度阶梯块理想的压铸工艺参数不同。

关键词：镁合金压铸、AM50合金、致密性、密度

镁在实用金属中密度最小，为1.738g／cm2，具有良好的电磁屏蔽性、阻尼性能和散热性，镁合金还有较高的比强度、比刚度、良好的切削加工性能。因此，镁合金在电子产品、笔记本电脑和通信工具的可携式壳体等方面应用快速增长，在汽车工业和航空工业也有广泛的应用。

在压力铸造中，孔洞类缺陷是公认的主要缺陷之一，使铸件力学性能下降，不宜进行热处理，而且降低了压铸件的耐压性和气密性，限制了压铸件的使用。孔率及气孔分布是评价压铸件质量的重要指标，通常用压铸件整体密度来衡量其致密度,永忠的试验结果显示，压铸件的强度与镁合金密度有着较好的对应关系。研究还发现，合金密度是影响镁合金抗蠕变性能结构敏感性特征的重要因素。

因此，本研究中，以工业用压铸镁合金AM50为研究对象，设计了阶梯块试样(图l所示)和基本工艺参数，并对浇注温度、模具温度、铸造压力、低速速度、高速速度、高速位置、增压时间、增压位置和料柄厚度等工艺参数设计了不同的变化水平。研究了压铸工艺参数对铸件密度的影响规律，得到了致密度较高的压铸件工艺参数。

1、试验的设计与密度测定

1.1 试验设计

如图1所示，压铸阶梯块试样厚度分别为14mm、11mm、8mm、5mm、2mm。在650 t冷室压铸机(TOY0 BD-650一V4一N)上进行压铸试样，压铸的基本工艺参数设计为浇注温度680℃，铸造压力67MPa，模具温度150℃，低速速度0.2m／s，高速速度2m／s，高速位置240mm，增压时间40ms，增压位置290mm，料饼厚度20mm。试验固定其他基本参数，只改变其中一个参数，改变的参数设计4个水平；达到热平衡状态后，所有试验连续进行，每个水平连续压铸7个铸件，并取中间5个铸件进行检测。具体AM50压铸工艺条件如表1所示。

1.2 密度测定

图1中，阶梯块不同厚度的相同位置加工成形状相同的试样进行密度测定，密度测试方法采用阿基米德法，参照GB／T1423—1996进行，公式P=m/(m-m’)×Pt其中，m表示空气中的质量，m’表示在酒精中的质量，Pt表示酒精在温度t时的密度，P就是镁合金的密度。试样质量用电子天平(JT5003)测量，精度1 mg，测量温度15～20℃，采用高纯度无水乙醇，密度取0.7893g／cm3。图中的密度是相同条件下密度的平均值作为该条件下的密度。

2、试验数据分析

2.1  温度对密度的影响

金属液浇注温度和模具工作温度是压铸过程的热因素，控制和保持热因素稳定性，保证良好的充填条件是压铸过程的重要工艺条件。在压力较高情况下，应尽量降低浇注温度，最好是金属呈粘稠的“粥状”时压铸，温度过低会降低金属液的流动性。合理的浇注温度不仅改善充型能力，防止缺陷产生，且可避免浇注过程的氧化燃烧。图2a是浇注温度与密度的关系，明显看出650℃时，不同厚度阶梯块的密度均较高，680℃时，不同厚度阶梯块的密度均较低，因此，压铸AM50合金浇注温度在650℃左右为好。如果充型较薄的铸件，可以选择700℃。模具温度合理可以避免金属液急冷，引起铸件缺陷，降低型腔中的气体密度，有利于型腔中气体的排出，获得表面光洁、轮廓清晰及组织致密的铸件。阶梯块铸件结构较简单，但壁厚有较大的变化，最厚14 mm，最薄处只有2 mm,图2b模具温度与密度的关系中显示：在模具温度180℃时，14mm、11mm、8mm、5mm的阶梯块密度最高，模具温度对最远端2mm试样(Stepl)的充型影响很明显，模具温度越高密度越大。模具温度过低使金属液冷却速度过快，导致压铸件表面快速形成硬壳，不利于充型和补缩，易形成冷隔；模具温度过高，金属液具有高的热量，融入相当多的气体导致密度下降。浇注温度与模具温度是压铸工艺中两个相关的因素，对于不同压铸件应有合理的配合。

2.2  充填速度对密度的影响

充填速度包括充填压室的低速速度、充填型腔的高速速度和高速位置。低速速度是金属液充填压室和流道时的速度，是压铸时间最长的阶段，低速速度要防止压室卷气，又要防止温度下降过多。低速充填时，金属液形成波浪向前推进，速度低的时候，金属液形成的波浪很小，使液面平稳上升充填压室，因而压室卷气较少，密度较大。由图3a可以看出，0.1m／s的速度时，不同厚度阶梯块的密度相对较高，但是在较小的压射速度下，不仅会出现压室内金属液温度下降过快的问题，难以保证充填阶段良好的流体性能，而且由于充填时间长，可能会由于金属液慢速下形成的波形提前到达浇道口而形成一定的封闭区域，导致卷气。0.2m/s时阶梯块的密度相对较低，主要因为金属液向前推进，形成的波浪达到压室另一端后返回，和前进的波浪叠加，封闭了压室，使压室中气体被卷入金属液，这时，就会卷入更多的气体，从而导致密度下降。

0.40m/s阶梯块的密度相对较高，这时金属液掀起的波浪推进速度较快，掀起的波浪超过前进的波浪，压室中气体卷入较少。

研究表明，充型过程中随着高速速度的增加，充型时获得的充填压力开始大幅度提高，随后增加缓慢。从图3b可以看出，0.7m/s的高速速度时，各厚度阶梯块的密度均高，这主要是由于阶梯块试样结构简单，壁厚较大，金属在型腔中充填较慢，排气通畅，铸件具有较高的密度。3.0m/s的高速速度时，阶梯块密度较高，随着高速速度增加，铸件内的充填压力和增压压力均开始大幅度提高，压力增加使得金属气孔、缩孑L等缺陷减少，密度增加。4.0m／s的高速速度时，密度明显下降，由于过高的高速导致金属液流到空气前面，堵塞排气通道，空气被裹在型腔内。

高速位置是指冲头开始位置到开始施加高速速度位置的距离，应该使金属液充满压室和流道时冲头的位置。过早，会导致金属在流道内卷入较多气体，密度下降；过晚，会使金属液低速充填型腔，铸件温度下降，同时也使得高速速度开始较晚，前沿金属液的动能较低，造成铸件内远离浇口部位的充填压力增加不明显，增压压力有所降低，缺陷增加，密度降低。图3c中，高速位置明显在230mm时，铸件的密度最高，200mm、210mm时，这时金属液没有充满流道，高速引起较多的卷气，气孔率增加，密度很低。

2.3  压力对密度的影响

与压力相关的工艺因素主要包括铸造压力(即增压压力)、增压时间、增压位置和料柄厚度。  高压是压铸区别于其他铸造的显著特点，铸造压力反映了金属液凝固结晶过程中作用于金属液上的补缩压力以及压缩气体空隙的压力，补缩与压缩空隙的压力必须传递到正在凝固的金属，可使空隙尺寸减小，增加致密性，提高压铸件密度。图4a中可看出，24mpa、35MPa时，密度明显较低，随压力增大，不同厚度阶梯块密度明显增加，在67MPa、55MPa、44MPa时的密度较高，44MPa；之后密度变化较小。

增压时间是冲头将增压压力经内浇口施加在型腔中尚未完全凝固铸件上的时间，增压时间须小于内浇口凝固时间，增压时间越短，越有利于压力传递。图4b可看到20 ms之后，随增压时间延长，铸件密度降低，故应尽量缩短增压时间。增压位置会影响铸件内的充填压力和增压压力，通过压力变化作用在铸件上，图4c显示，增压位置在280 mm时，各阶梯块的密度均较大。料饼厚度是间接和充填压力相关的因素，料饼厚度大，压铸时液相时间长，越有利于压力传递，铸件密度会增加。由图4d看来，随料柄厚度增大，铸件密度增大，当料柄厚度达到30mm时，密度最大；料柄厚度继续增加，密度基本保持不变。

3、结论

（1）阶梯件密度高的工艺参数是浇注温度650℃、模具温度180℃、铸造压力44 MPa、低速速度0.25 m／s、高速速度3m／s、高速位置230mm、增压时间20ms、增压位置280mm、料柄厚度30mm。

（2）2mm阶梯试块，在浇注温度700℃、模具温度200℃、铸造压力44MPa、低速速度0.1m／s、高速速度1m／s、高速位置230mm、增压时间20ms、增压位置280mm、料柄厚度15mm时，可获得较高密度的铸件。

（3）5mm和8mm阶梯块在浇注温度650℃、模具温度180℃、铸造压力44MPa、低速速度0.25～0.4m／s、高速速度3.0m／s、高速位置230mm、增压时间20ms、增压位置280 mm、料柄厚度30mm(可考虑15mm)时，可以获得较高密度的铸件。

（4）11mm阶梯试块在浇注温度650℃、模具温度180℃、铸造压力44MPa、低速速度0.4m／s、高速速度3.0 m／s、高速位置230mm、增压时间20ms(或60ms)、可以获得较高密度的铸件。

（5）14mm阶梯试块在浇注温度650℃、模具温度180℃、铸造压力44MPa、低速速度0.4 m／s、高速速度3.0m／s、高速位置230mm、增压时间20ms、增压位置280mm、料柄厚度30mm时，可获得较高密度的铸件。