在機(jī)械零件的成形方法中，作為一種金屬零件接近最后形狀的精密加工工藝，已從液態(tài)成形（鑄造）和固態(tài)成形（模鍛）的階段進(jìn)入先進(jìn)的粉末成形向半固態(tài)成形方向進(jìn)展，其發(fā)展方興末艾。隨著現(xiàn)代產(chǎn)品不斷更新，市場(chǎng)需要大量生產(chǎn)復(fù)雜形狀的薄壁、減震降噪、高電磁干擾屏障及易切削加工等低密度的金屬零件，以滿(mǎn)足當(dāng)今汽車(chē)、電子通信、筆記本計(jì)算機(jī)、平板電腦、數(shù)碼攝象機(jī)、照相機(jī)、醫(yī)用假肢等產(chǎn)業(yè)對(duì)產(chǎn)品越來(lái)越高的要求。此外，金屬零件廠(chǎng)商還面臨著進(jìn)一步提高技術(shù)，以保證零件的高質(zhì)量和低成本的任務(wù)。
鎂是常用金屬中最輕的一種材料，是地殼含量最豐富的元素之一，約占地殼組成的2.5%，因此，鎂合金成為20世紀(jì)末以后工程界們極為關(guān)注的金屬材料，近年來(lái)發(fā)展很快。汽車(chē)工業(yè)、電子通信工業(yè)、醫(yī)療器械是鎂合金零件的最大用戶(hù)，市場(chǎng)占有率為 80％。
中國(guó)具有豐富的鎂礦資源，世界排名第二，僅次于美國(guó)，這為中國(guó)鎂合金成形的發(fā)展提供了可靠的原料來(lái)源，而且目前鎂鋁價(jià)格已經(jīng)接近相等，進(jìn)行鎂合金零件的生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)已大于鋁合金，在原材料成本上存在極大的優(yōu)勢(shì) 。
注射成型工藝的實(shí)質(zhì)
從生產(chǎn)技術(shù)方面來(lái)看，壓鑄工業(yè)正經(jīng)歷著從液態(tài)壓鑄到半固態(tài)壓鑄再到固態(tài)壓鑄的演變過(guò)程。這一過(guò)程反映了壓鑄工業(yè)正在發(fā)生一系列深刻的重大變革。世界各國(guó)在研究新的半固態(tài)金屬成形工藝時(shí)，將塑料的注射成型原理，應(yīng)用于半固態(tài)金屬成形工藝中，形成了觸變注射成型新工藝，它集半固態(tài)金屬漿料的制備、輸送、成形等過(guò)程于一體，較好地解決了半固態(tài)金屬漿料的保存、輸送、成形控制困難等問(wèn)題，使得鎂合金材料的大量工業(yè)應(yīng)用出現(xiàn)了光明的前景。
圖1 鎂合金注射成型裝置。
1. 鎂粒漏斗 2. 定量供料器 3. 螺旋驅(qū)動(dòng)及注射系統(tǒng) 4. 螺旋剪切器 5. 加熱器 6. 筒體 7. 單向閥 8. 半固態(tài)鎂合金累積器 9. 噴嘴 10. 模具
由美國(guó) The Dow Chemical Co. 公司開(kāi)發(fā)用于鎂合金的注射成型，采用了塑料注射成型的方法和原理，裝置的組成如圖1所示，它由鎂粒漏斗1、定量供料器2、螺旋驅(qū)動(dòng)及注射系統(tǒng)3、螺旋剪切器4、加熱器5、筒體6、單向閥7、半固態(tài)鎂合金累積器 8、噴嘴9及模具10等組成。
成型工作過(guò)程是：被切成 3～6mm左右的鎂合金粒狀原料，在室溫下通過(guò)漏斗送入定量供料器，由螺旋驅(qū)動(dòng)被向前推并加熱至半固態(tài)，系統(tǒng)通過(guò)溫控裝置使注射筒體的溫度控制在560℃～590℃，此時(shí)，鎂粒同時(shí)受到剪切與加熱，采用惰性氣體Ar作為保護(hù)性氣體，剪切螺旋的平移速度為 380cm/s，一定量的半固態(tài)金屬糊狀（固相率為30％～50％）在螺旋的前端累積，最后在高壓注社缸的作用下，半固態(tài)金屬糊狀通過(guò)噴嘴被高速注射入模具型腔，經(jīng)充填成型及冷卻凝固得到制件。本方法的特點(diǎn)是從固體粒料到制件在一個(gè)裝置內(nèi)完成，省去了外部熔融金屬的處理及運(yùn)送工序。
該注射成型方法的主要優(yōu)點(diǎn)是：成形溫度低（比鎂合金壓鑄溫度低約100℃），制件的氣孔隙率較低（可低于0.1％），尺寸精度高（制件的質(zhì)量誤差為 0.2％），所以，此工藝方法是目前國(guó)內(nèi)外成功地用于實(shí)際生產(chǎn)的唯一的“一部法”成形。
為此，美國(guó)、德國(guó)、意大利及日本等國(guó)家大力發(fā)展這種固態(tài)金屬注射成型機(jī)，不僅機(jī)器逐步更完整、精細(xì)，而且注射壓力也大大增大。
鎂合金材料及性能特點(diǎn)
鎂合金材料分為鍛造用鎂合金和鑄造鎂合金兩種，前者主要用于航空結(jié)構(gòu)零件，后者廣泛用于汽車(chē)、電子通信、筆記本電腦、醫(yī)療器械等行業(yè)。因與鎂合金塑性變形的關(guān)系，目前得到工業(yè)應(yīng)用的鑄鎂合金主要有四個(gè)系列：AZ系列（Mg—Al—Zn）、AM系列（Mg—Al—Mn）、 AS系列（Mg—Al—Si）和AE系列（Mg—Al—RE ）。
鎂合金的性能特點(diǎn)具有如下：
?質(zhì)量輕、密度低：鎂合金的密度為1.74 g/cm3， 還不到鋁合金（ 2.7 g/cm3）的三分之二，比普通結(jié)構(gòu)鋼輕 80％且與工程塑料（1.43 g/cm3）近。在結(jié)構(gòu)材料中鎂的密度最小的。
?減震及降噪性好：鎂合金有極好的差滯彈吸震性能，有較高的振蕩消耗系數(shù)，所以能吸收振動(dòng)和噪音傳播，其性能優(yōu)于鋁合金。
?比強(qiáng)度高：雖然純鎂的強(qiáng)度低，但通過(guò)合金化并熱處理后強(qiáng)度明顯提高，其比強(qiáng)度已完全超過(guò)鋁合金。
?金屬流動(dòng)性好：鎂合金的熔點(diǎn)比鋁合金低。與模具鋼的親合力小，不易粘附模具，大大提高合金的流動(dòng)性，使充填模具型腔的能力顯著增大。鎂合金的模具使用壽命比鋁合金高 2 ～3倍。
?剛性高：鎂合金的剛性為鋁合金的2倍，并比大部分工程塑料為高。鎂合金有良好的抗應(yīng)力阻力。
?高電磁干擾屏障：鎂合金在室溫時(shí)的電阻率為15.6 ×10--6Ω.cm，約高于鋁合金（4.4×10--6Ω.cm）3倍，有良好的阻隔電磁波功能，適合生產(chǎn)電子通信產(chǎn)品。
?切削性能好：鎂比鋁和鋅有更好的切削性，它可在無(wú)冷卻液，無(wú)潤(rùn)滑劑的情況下能實(shí)現(xiàn)高負(fù)荷的加工，并可得到光潔的加工面，已成為更易切削加工的金屬材料。
?尺寸精度高：因鎂有較高的穩(wěn)定性，注射成型冷卻凝固后可得穩(wěn)定的收縮率，使制件獲得高的尺寸精度。
?耐腐蝕性好：鎂有良好的耐腐蝕性，在堿性環(huán)境下是穩(wěn)定的，有抗鹽霧腐蝕性能。
?廢料回收再利用簡(jiǎn)易：有色合金的單價(jià)通常都比黑色金屬貴，但在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一些廢料、碎屑，如注射流道、分流道所消耗的廢料及機(jī)械加工的切屑等。鎂合金的回收再利用是比其它生產(chǎn)容易的多，也比鋁合金回收所消耗的能量少。
鎂合金零件的應(yīng)用現(xiàn)狀
從20世紀(jì)末開(kāi)始，金屬成形技術(shù)有了突破性的進(jìn)展。與傳統(tǒng)的鑄造工藝相比，具有諸多優(yōu)越性而被世界著名的專(zhuān)家們稱(chēng)為21世紀(jì)新一代的金屬成形技術(shù)——半固態(tài)金屬注射成型，它的主要市場(chǎng)為汽車(chē)、電子通信、光學(xué)儀器、醫(yī)療器械等工業(yè)。
根據(jù)國(guó)際鎂合金協(xié)會(huì)指出，鎂合金零件將以每年20～25％的速度增大。其中汽車(chē)方面，因?yàn)槭褂面V合金零件對(duì)實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化，高速，節(jié)能，回收等整體功能效果明顯。如汽車(chē)質(zhì)量大小對(duì)其能量消耗有著重要的影響，質(zhì)量每降低100Kg，油耗可減少 0.7L。尤其是美國(guó)研制的一種鎂合金汽車(chē)輪轂，在輪胎被扎穿后仍能以不高于48 Km/h的速度行駛，汽車(chē)不受損害，可防止人生事故。鎂合金不僅作為汽車(chē)結(jié)構(gòu)，而因具有高的振動(dòng)沙漿衰減系數(shù)，全汽袋的汽車(chē)都改用鎂合金方向盤(pán)，這既可質(zhì)量減輕，又可降低路面和控制系統(tǒng)的震動(dòng)，當(dāng)發(fā)生意外時(shí)，鎂合金方向盤(pán)可吸收更多能量，保證駕駛員安全。
美國(guó)福特汽車(chē)公司和通用汽車(chē)公司，德國(guó)大眾汽車(chē)公司和日本三菱汽車(chē)公司等在汽車(chē)上大量應(yīng)用了鎂合金零件，如發(fā)動(dòng)機(jī)殼體和蓋、變速箱殼體和蓋、離合器殼體、液力變扭器殼體、發(fā)電機(jī)托架、變速箱托架、變速箱軸承托架、剎車(chē)踏板支架、車(chē)身殼體框架、車(chē)門(mén)、車(chē)輪、方向盤(pán)、儀表板、后撟驅(qū)動(dòng)箱蓋、轉(zhuǎn)向節(jié)、座椅支架、車(chē)門(mén)把手等100 多種受力結(jié)構(gòu)零件。
圖2 高強(qiáng)度鎂合金汽車(chē)轉(zhuǎn)向盤(pán)
電子通信方面，鎂合金與塑料相比，它具有特殊功能，如高電磁干擾屏障、散熱性能好、堅(jiān)固、尺寸制成更小。
在保持良好的結(jié)構(gòu)條件下，鎂合金允許制件壁厚最小到 0.6 mm，這是工程塑料在相同強(qiáng)度下無(wú)法達(dá)到的。鋁合金的壓鑄性能方面也要在1.2～1.5 mm壁厚以上時(shí)，才能與鎂合金相比，所以已廣泛用于移動(dòng)電話(huà)外殼、筆記本電腦外殼、數(shù)碼照相機(jī)殼體、電視攝象機(jī)框架、雙筒望遠(yuǎn)鏡機(jī)身、攜帶式發(fā)報(bào)機(jī)機(jī)身、復(fù)寫(xiě)機(jī)等。
圖3 鎂合金數(shù)碼照相機(jī)外殼
醫(yī)療方面，鎂合金作為醫(yī)用植入材料，與現(xiàn)有進(jìn)入臨床使用的醫(yī)用金屬材料相比，具有以下優(yōu)勢(shì)：
?鎂與人體有良好的生物相容性，促進(jìn)新陳代謝過(guò)程；
?鎂可以在人體內(nèi)降解；
?鎂可促進(jìn)細(xì)胞的形成，加速骨的愈合；
?鎂合金的密度與人骨十分吻合，符合理想接骨板的要求；
?鎂合金成型性好，資源豐富，價(jià)格低。
應(yīng)用實(shí)例包括骨與關(guān)節(jié)替代物（人工股骨頭、髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)、盆骨等），血管內(nèi)支架，心臟起博器，接骨板，接骨螺釘?shù)取?en
