镁合金结构设计与加工工艺指南Word格式文档下载.docx
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□机加中心
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□采购部
□生产管理部
□生产工程中心
□财务管理部
□财务部
□总裁办
□办事处
□
由：
质管部
1.目的
镁合金件设计与塑胶件、铝合金设计有很多不同，本设计指南介绍了镁合金的材料特性、镁合金模具、镁合金结构设计和加工工艺，供设计工程师参考。
2.适用范围
本指南适用于公司镁合金产品的机械结构设计。
3.引用标准
北美压铸协会（NADCA）标准:
ADCI-E1-65
ADCI-E5-65
ADCI-E13-65
ADCI-E15-65
GB-T1177-1991铸造镁合金
4.镁合金简介
4.1.用途及应用前景
镁合金在汽车、航空、电信、交通运输和机械行业等应用越来越受重视，采用镁合金铸件取代铝合金或钢铁零部件可有效地减轻机械重量，从而显著地节省能耗，减少环境污染。
如汽车若每减轻100kg，则每公里耗油量可减少0.4L。
所以现在美、日、欧等发达国家开始在汽车上扩大镁合金铸件的应用，镁合金铸件以每年20%～30%的速度增长，其中80%为压铸件。
据国外统计，到2006年镁合金压铸件的年产量将达20多万吨。
因此，镁合金压铸及镁合金压铸机正成为当今压铸行业重要发展项目之一。
4.1.1材料特点
镁合金常用的合金化元素是铝和锌。
铝的合金化能提高合金强度及铸造性能。
锌也能提高合金的铸造性能。
为保证铸造性能压铸镁合金的铝含量＞3%，锌含量＜2%。
否则容易产生裂纹。
基于Mg-An-Mn系的合金AZ91（含锌）和AM60B（不含锌）是室温使用的主要压铸镁合金。
目前AZ及AM这两种系列合金占镁汽车结构件的90%，但它们在150℃以上时其强度显著下降。
目前得到工业应用的压铸镁合金主要有4个系列，即AZ系列（Mg-Al-Zn-Mn）；
AM系列（Mg-Al-Mn）；
AS系列（Mg-Al-Si）；
AE系列（Mg-Al-稀土）。
2006年度开发的2108镁合金用的是AZ91D。
表1中给出了它们中的常用合金的名义成分和性能。
压铸镁合金的成分及性能
合金
元素组成%
室温拉伸性能
Al
Zn
Mn
Si
Fe
Cumax
Nimax
Re
总量
抗拉强度
MPa
屈服强度
伸长率
%
AZ91D
8.3-9.7
0.35-1.0
0.15-0.50
0.10max
0.005
0.030
0.002
-
230
160
3
AM60B
5.5-6.5
0.22max
0.24-0.6
0.010
220
130
6-8
Am50A
4.4-5.4
0.004
120
6-10
AE42
3.4-4.6
0.25
0.05
1.8-3.0
225
140
8-10
AS41B
3.5-5.0
0.12max
0.35-0.7
0.5-1.5
0.0035
0.02
215
6
合金名称
特征
应用范围
强度高且耐腐蚀性好
电器产品的壳体等
延伸率和抗冲击力大
汽车上的方向盘和坐椅等
AM50A
抗蠕变性能好
汽车上的减速相等
符号含义如下：
镁的比重大约是铝的2/3，是铁的1/4。
它是实用金属中的最轻的金属。
高强度、高刚性,镁合金的比重虽然比塑料重，但是，单位重量的强度和弹性率比塑料高，所以，在同样的强度零部件的情况下，镁合金的零部件能做得比塑料的薄而且轻。
另外，由于镁合金的强度-重量比高于铝合金和铁，因此，在不减少零部件的强度下，采用镁合金代替铝或者铁制零部件，可减轻铝或铁的零部件的重量。
传热性好，镁合金的导热系数比塑料高出数十倍，因此，镁合金用于电器产品上，可有效地将内部的热散发到外面。
电磁波屏蔽性好，镁合金的电磁波屏蔽性能比在塑料上电镀屏蔽膜的效果好，因此，使用镁合金可省去电磁波屏蔽膜的电镀工序。
机械加工性能好，镁合金比其他金属的切削阻力小，在机械加工时，可以较快的速度加工。
金属名
切削阻力
镁合金
铝合金
1.8
黄铜
2.3
铸铁
3.5
耐凹陷性好，镁合金与其他金属相比抗变形力大，由冲撞而引起的凹陷小于其他金属。
对振动·
冲击的吸收性高，由于镁合金对振动能量的吸收性能好，使用在驱动和传动的部件上可减少振动。
另外，冲击能量吸收性能好，比铝合金具有更好的延伸率的镁合金，受到冲击后，能吸收冲击能量而不会产生断裂。
抗蠕变性能好，镁随着时间和温度的变化在尺寸上蠕变少。
再生，镁合金与塑料不同，它可以简单地再生使用且不降低其机械性能，而塑料很难在不降低其机械性能再生使用。
镁合金与其他金属相比，熔点低，比热小，在再生熔解时所消耗的能源是新材料制造所消耗的能源的4%。
4.1.2气体与气孔
气孔以各种方式存在于铸件中，一种方式是由于冷却过程中气体从液体中析出，主要是H2，另一些是由于浇注而带入了空气。
镁溶解氢的能力很强，即使铸锭上只有极少量的一点水分，也可能通过水的还原而吸收氢。
然而氮产生氮化物、氧产生氧化物。
因此，大气的影响较小，空气的温度与气体含量有关，也就是镁块必须进行彻底的烘干才能投炉熔化。
4.1.3粘模倾向
粘模倾向是指铸造合金粘附在铸型上的倾向。
这种现象对压铸过程的影响很大。
相对塑胶，镁合金侧面脱模力比较大，而且一旦粘模，成品断裂在模具中比较难处理。
4.1.4一个令人关心的问题：
镁会燃烧，镁屑有没有危险?
手加工工序等产生的镁粉，会由静电而引起着火，所以必须使用湿式吸尘器，即使少量的镁合金粉也不要在干燥的状态下保存。
镁合金在一定的体积下，只要从火源来的热量小于镁合金的散热量，镁合金是不易着火的。
按照日本的第二类危险物判断准则，在小瓦斯火焰下，对触变成形用的镁屑（直径在2～6mm）进行试验，其结果镁屑不属第二类危险物。
但是，如果对镁屑施加大量热量，再使其与水反应产生氢气，就有着火的可能性。
4.2.镁合金的压铸性能
和铝合金相比，镁合金的热容较小，所以和铝合金压铸中大多数压铸模常常需要水冷不同，镁合金的模具常常需要加热才能满足正常生产，特别是在生产一些薄壁件时，为了加热模具，用模温机来对模具进行加热。
模温机利用高导热性的导热媒质，可以在很短的时间内将热量传递给模具。
常用的模温机有两类，一类为热水模温机，一类为热油模温机，由于水的沸点所限，在密封加热的情况下，热水模温机的加热温度最高使用温度也只能达到140℃-160℃之间，由于镁液遇水会发生激烈的反应引起爆炸，高压冷却水在模具内泄漏有引起爆炸的危险，而且镁合金压铸时模具的温度通常要保持在180℃-280℃之间，因此，热水模温机在镁合金压铸中很少采用。
镁合金压铸时常用的是热油模温机，导热油的沸点较高，使用温度也远高于水，对模具的加热也更均匀恒定，热油模温机的使用温度可以达到300℃以上。
镁锭在投入熔炉前，一定要预热到150℃以上,以去除镁锭中的水气，以免加入熔炉时引起爆炸的危险使用的料勺等工具，也要预热到150℃以上。
每次开机前模具也要预热到150℃以上。
镁合金热室压铸温度一般在630℃-650℃之间，温度远远高于锌合金。
镁合金模具缩水率取1.005~1.007之间。
4.3.成形机的选择
成形机的大小的选择是从产品的的投影面积来计算出锁模力而定。
设总投影面积（包括主流道，分流道，溢流槽）为A（cm2），射出时模具内压为P（kgf/cm2），所需锁模力的计算如下
机器的锁模力≥AxPx安全系数
通常，触变成形时金属模具的模腔内的压力以800kgf/cm2来计算。
与塑料产品相比镁合金的模腔内的压力要大（塑料产品的模腔内压力为250～500kg/cm2），所以，需要大的锁模力的成形机。
关于安全系数，成形品的壁越薄，射出压力的设定越高，射出速度的设定也越快，其安全系数的设定也有必要设定提高。
通常，安全系数设定在1.2~1.3。
另外，如果不知道主流道，分流道，溢流槽的精确的投影面积，以产品的投影面积的1.3倍作为总投影面积，模具设计完毕后，有必要再确认。
投影面积与所需锁模力
4.4.镁合金产品的加工过程
成形--------切边（切除流道、溢流槽）--------喷砂研磨、圆桶内研磨--------打孔和攻丝--------去除飞边·
表面研磨（抛光、手加工）--------化学处理（俗称“化成”）--------涂装--------丝印--------成品
金属表面处理
脱脂-----清洗
（1）-----蚀刻处理-----清洗
（2）-----调整处理-----清洗（3）-----化学处理-----清洗（4）-----烘干
4.5.镁合金的线性公差
下表为北美压铸协会（NADCA）提供的，镁合金在正常压铸情况下可以达到的尺寸公差，更高的要求要增加工序，增加成本。
例如1000mm长零件的严格铸造公差为±
1.2mm
长度
基本公差
每增加25mm，公差增加值
非严格尺寸
严格尺寸
严格
L≤25mm
±
0.25mm
0.1mm
25＜L≤300mm
0.05mm
0.04mm
L＞300mm
0.025mm
计算方法：
（1000-300）/25*0.025+（300-25）/25*0.04+0.1=0.7+0.44+0.1=1.24，即1000mm长零件的严格铸造公差为±
1.2mm。
4.6.镁合金的平面度
下表为北美压铸协会（NADCA）提供的，镁合金在正常压铸情况下可以达到的平面度。
镁合金平面度公差
最大线性长度≤75mm
0.2mm
最大线性长度＞75mm，每增加25mm，平面度增加值
0.08mm
最大线性长度是指最大外接圆直径或矩形对角线长。
4.7.机加工余量
机加工余量尽量少留，以节省材料简化工序，确保表面致密性和机械性能。
机加工时应该合理确定测量面和基准面，尽量减少对机加工的不良影响。
根据镁合金件机加经验，机加工余量最小为0.25mm，为避免工具过度磨损，除特别大的铸件外，其表机机加工余量都不应该大于0.5mm。
5.模具相关
5.1.入水
镁合金模具一般为单侧入水，一般是一排，入水口厚度约1~1.2MM。
见下图。
排气槽
入水唧嘴
5.2.入水唧嘴
5.3.模具排气槽
模具排气槽用来排除模具压铸时模腔内的空气。
镁合金压铸时间很短，比起塑胶件注塑快很多，常用排气槽结构见下图所示：
6.镁合金件结构设计
由于镁合金件强度比塑胶高很多，出模抱紧力比塑胶件大，所以镁合金零件的结构设计与塑胶零件的结构设计有些不同。
6.1.壁厚
壁厚主要是根据产品而定，原则上应该比塑胶件要薄些。
镁合金具备优良的填充性能，笔记本电脑的外壳主壁厚通常在0.8~1mm之间，通常汽车配件等工业产品的镁合金件壁厚在2~4mm之间。
目前2108的主机上下盖主壁厚1.8mm，侧壁厚2.2mm。
MicroMAX的镁合金外壳主壁厚是2.5mm。
6.2.分色槽
如果镁合金零件需要喷不同的颜色粉或者油时，需要设计分色槽。
分色槽尺寸不宜太小，特别是宽度，一般做到0.9mm以上，槽宽度比较大时，喷油夹具比较容易装夹，喷油效果比较好。
分色槽喷涂目前有两种方法，一种是用夹具装夹后喷涂，再对分色槽以外的区域进行遮蔽，进行手工修整，这种方法由于后期手工修整，经常出现分色槽内有锯齿状的缺陷，不良率较高。
另一种是用点胶机进行分色槽的喷涂，相比之下，用点胶机喷涂的分色槽比较好，但是也要对不涂装的区域进行有效的遮蔽，防止点胶机在运行时，喷嘴的油漆掉到不需要喷涂的表面上。
另外点胶机不易控制，每次编程要花很长时间，喷涂效果跟成品变形量有关。
6.3.拔模斜度
ADAC（德国汽车协会）建议，镁合金拔模斜度按下面方法进行计算：
一般拔模角：
精密拔模角：
C值按下表取数：
一般拔模角C值
精密拔模角C值
外表面（前模面）
7
7.8
内表面（后模面）
14
15.6
孔侧面
4.76
5.3
6.4.加强筋
加强筋尽量不要做太高，以免出模困难，原则上，镁合金件的拨模斜度要比塑胶大，斜度在允许的情况下，最好做到1度以上。
下面给出几种不同高度的加强筋设计尺寸。
注意：
尽量不要做30mm以上的筋。
出模较困难，加强筋很容易断裂；
如果加强筋太高可以考虑在筋顶端加顶针（但要注意要避免造成外观面缩陷），如下图所示：
6.5.螺丝柱
螺丝柱出模是实心的，通过CNC钻孔、攻牙，最终得到我们要的尺寸。
按最新的2D图要求，钻孔和螺纹的深度要在图中标注出来。
6.6.止口配合尺寸
常用的止口配合尺寸如下，这种方案容易保证美工线尺寸。
导电接触对EMC有利
由于喷涂时，油易飞溅到导电接触面上，会影响上下壳接触导电。
另外一种止口配合方案，这种方案有利于喷涂，容易保证EMC屏蔽要求，但是对零件装配精度要求较高。
如果对导电接触要求不高，建议采用下面这种止口-叉骨配合方式：
6.7.圆角设计
镁合金件的圆角很重要，在两平面相交处尽可能做圆角，尖角易导致脱模困难。
以下数值为北美压铸协会（NADCA）推荐：
（1）当T1=T2时：
若R2=R1+T1，推荐R1=T1
（2）当T2>
T1时：
R1=1/（T1+T2）,R2=T1+T2
6.8.机加工刀具预留空间
镁合金件的扣位一般是用成形刀机加做出来的，通常不会模具上直接做出。
配合的扣位
上面图示的尺寸并非绝对的，能满足最好，在不能做到的时候可以和供应商讨论。
6.9.排风口结构
镁合金件的排风口结构与塑胶件不同，一般需要机加工处理，否则成形不良缺陷多。
如下图所示
中间搭桥，机加工铣掉
如果是平面上的孔，排风孔可以搭桥成形后机加工去掉，见下图：
虚线以下部分机加去除
7.镁合金常见问题与改善方法
7.1.镁合金压铸缺陷分析
7.2.镁合金常见压铸缺陷与改善方法
1）熔剂夹渣：
缺陷特点：
即熔剂夹渣。
主要出现在镁-锌-锆（ZM-2）合金中，它的密度远远大于基体的密度，在X光底片上呈白色的块状或粒状影像。
产生原因：
主要是ZM-2合金液的熔炼需要使用镁-锆中间合金和熔剂，而镁-锆中间合金的配制又依赖于氯化物的使用，容易形成氯化物夹渣混在其中。
改善方法：
通过使用特别加重熔剂、延长静止时间以及增加坩埚底部剩料等措施来克服。
2）氧化夹渣：
多分布在铸件表面或铸件转接部分以及铸件内部的各部分。
夹渣表面通常是粗糙而形状不规则的孔洞，在X光底片上表现为外形不定而轮廓较清晰的黑斑，其摄影密度深浅不一，有块状或片状连续性。
浇注操作不当，例如浇注时产生涡流、搅动和卷入气体。
在熔炼过程中加入溶剂精炼，使溶剂吸收各种非金属物质（如氧化物、氮化物等），其后将在静置过程中沉于坩埚底部。
3）裂纹：
在X光底片上呈现为黑色小树枝条，有单条或多条，一般出现在铸件厚薄交界处或冷铁交界的缝隙内，分为热裂和冷裂。
热裂由于存在严重氧化，其裂开处呈暗灰色，严重的呈黑色。
金属型铸零件凸台部位的根部也容易产生裂纹，它们都是因为收缩受阻或分型过早，或取型不平稳等原因所造成。
冷裂可以出现在铸件的任何部位，其产生原因多为铸件被敲打、摔击以及内应力集中所造成。
a.改变零件设计结构，将尖角改为圆角，厚截面均匀地过渡到薄截面；
b.尽可能使铸件顺序凝固或同时凝固，减少内应力产生。
如在铸件上适当放大工艺余量在铸件厚大部分设置冒口或冷铁对胃口根部产生裂纹的铸件注入金属时应沿冒口壁注入或在冒口旁边另开浇口；
c.控制原料，镁合金条不能含有促使晶粒粗大的合金元素和杂质；
d.减少铸件收缩时的外界阻力，比如加大拨模斜度，加大顶针，均衡分布顶针位，加筋，尽量使镁合金件能平稳地顶出；
e.降低浇注温度，提高模温；
f.如果裂纹很难用以上方法消除，可以在模具上加料，使裂纹外移，再机加工去除加出来的部分材料。
4）冷隔、欠铸
铸件的金属流被氧化皮隔开，不完全熔融为一体，就形成冷隔，严重的就成为欠铸。
冷隔常常出现在铸件的顶壁上，薄的水平面和垂直面上厚薄转接处或在薄筋上
浇注时间过长，金属液会合时已接近凝固点，以及浇注时金属流中断，浇注温度过低等，如果是硬模还可能与预热温度不够、涂料太薄等因素有关。
适当提高浇注温度和金属型的模温，浇注时不能中断，增强铸型的排气能力，增大浇口杯的容量和增加浇口杯的高度及直浇道的高度等。
5）疏松
在X光底片上呈现为黑色条状纹路或黑色云状斑块，其摄影密度不大，边缘不规则且不大明显。
冷凝时收缩不良，铸件局部过热和燃烧，模具排气不良等。
改善浇口，降低合金液浇注温度，改进铸件设计，消除热节部位。
如果是定位柱欠铸，可以加长定位柱再机加去除。
8.镁合金压铸工艺介绍
压力铸造是发展较快的一种少无切削的特种铸造方法。
它是将熔融金属在高压高速下充填铸型，并在高压下结晶凝固形成铸件的过程。
高压高速是压力铸造的主要特征。
常用的压力为数十兆帕，填充速度（内浇口速度）约为16～80米/秒，金属液填充模具型腔的时间极短，约为0.01～0.2秒。
由于用这种方法生产产品具有生产效率高，工序简单，铸件公差等级较高，表面粗糙度好，机械强度大，可以省去大量的机械加工工序和设备，节约原材料等优点，所以现已成为我国铸造业中的一个重要组成部。
镁合金产品工艺流程：
压铸冲浇口/溢流口机加去披锋打磨表面处理
8.1.压铸机介绍
压铸机通常可分为两类，热室压铸机和冷式压铸机。
热式压铸机:
射出部分浸在溶汤内的称为热室压铸机，冲头垂直运动，将溶汤通过鹅颈管注入模具中。
一般压铸机倾斜5º
，目的是模具打开后，溶汤流回鹅颈管。
热式压铸机简图
冷式压铸机：
射出部分与溶解炉分开，镁锭在溶解炉中溶解成液体再输送到料管中，冲头水平运动，将溶汤通过水平射出料管注入模具中。
冷式压铸机简图
冷室压铸机和热室压铸机比较
冷室机
热室机
铸造压力
大
小
铸造温度
高
低
生产速度
铸件重量
如右表所示，冷式压铸机相对于热式压铸机来说，冷式压铸机能压尺寸比较大、内部质量要求高的大件产品
8.2.充填过程介绍
图（a），起始阶段，金属液开始浇入压室，准备压射。
图（b）、（c），第Ⅰ阶段，压射冲头慢速移动越过浇料口，金属液受到冲头的推动，由于速度较慢，压室中不产生浪涌，故金属液不致从浇口中溅出，这种状况也是在起始压射阶段所要求的。
称为慢速封口阶段。
图（c）、（d），第Ⅱ阶段，压射冲头以高于第Ⅰ阶段的速度向前运动，此时金属液充满整个压室前端，聚集到内浇口前沿之处，称为金属液堆积阶段。
在这一阶段金属液到达内浇口前沿的一瞬间，由于内浇口为整个浇注系统中的截面最小，对金属液的阻力最大，压射压力因而升高。
其升高值以能够足以突破内浇口处的阻力为止。
图（d）、（e），第Ⅲ阶段，从这一阶段开始，其压射压力由于受到内浇口处阻力的影响升高，而此时的冲头速度将要求达到调定的运动速度，以高速推动金属液通过内浇口进入型腔，这种冲头速度通称为压射速度。
图（e）、（f），第Ⅳ阶段，这一阶段是按照压射缸所调定的压力，使铸件在凝固阶段进一步致密的最终加压。
这一阶段压射冲头只前移一段极短的距离，这一阶段称为增压压实阶段。
以上所述，如果按照压射各个阶段来划分的话，可以称作为四级压射系统，各阶段速度的变化，可以根据铸件的种类和要求进行调节，并可在监视设备上进行显示、储存和记录各阶段最合理的变化，以达到稳定生产的目的。
至于通常所称的三级压射系统，则是将四级压射系统中的第Ⅱ阶段和第Ⅲ阶段合并为一个阶段而加以命名的。
冷式压铸机充填过程示意图
充填过程速度压力关系示意图
8.3.压铸成型要素
压铸工艺是将压铸机、压铸模和合金三大要素有机地组合而加以综合运用的过程。
而压铸时金属按填充型腔的过程，是将压力、速度、温度以及时间等工艺因素得到统一的过程。
同时，这些工艺因素又相互影响，相互制约，并且相辅相成。
只有正确选择和调整这些因素，使之协调一致，才能获得预期的结果。
因此，在压铸过程中不仅要重视铸件结构的工艺性，压铸模的先进性，压铸机性能和结构优良性，压铸合金选用的适应性和熔炼工艺的规范性；
更应重视压力、温度和时间等工艺参数对铸件质量的重要作用。
在压铸过程中应重视对这些参数进行有效的控制。
8.3.1压射力
压射力是压铸机压射机构中推动压射活塞运动的力。
它是反映压铸机功能的一个主要参数。
压射力的大小，由压射缸的截面积和工作液的压力所决定。
压射力的计算公式如下：
F压射力＝P压射油缸×
π×
D2/4
式中：
F压射力－压射力（N－牛）
P压射油缸－压射油缸内工作液的压力（Pa－帕）
D－压射缸的直径（m－米）
8.3.2比压
压室内熔融金属在单位面积上所受的压力称为比压。
比压也是压射力与压室截面积的比值关系换算的结果。
其计算公式如下：
P比压＝F压射力/S压室截面积
P比压－比压（Pa－帕）
S压室截面积－压室截面积（m2－米2）
即S压室截面积＝πD2/4式中D为压室直径
浇口速度
图五：
冲头直径与浇口速度、铸造压力关系示意图
8.3.3比压的作用与选择
比压的作用：
（1）比压对铸件机械性能的影响
比压增大，结晶细，细晶层增厚，由于填充特性改善，表面质量提高，气孔影响减轻，从而抗拉强度提高，但延伸率有所降低。
（2）对填充条件的影响
合金熔液在高比压作用下填充型腔，合金温度升高，流动性改善，有利于铸件质量的提高。
比压的选择：
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