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摘 要：本文主要从三角开关凸模的曲面特点及加工难点出发，分析了如何使用MasterCAM软件编制合理的刀具路径，使加工质量大为改善。
前 言：使用CAM软件编程，走刀路径是否合理直接影响加 工质量。MasterCAM的曲面精加工刀具路径难以同时保证平坦面与陡峭面的加工质量，加之加工中心加工不宜使用过小的刀具，那么对于刀具难以加工到的地方和既含有平坦面又含有陡峭面的零件，应如何编制刀具路径以达到加工质量的要求呢？
MasterCAM是一种应用广泛的CAD/CAM软件，由美国CNC Software公司开发，该软件操作简便实用。
MasterCAM8.0提供了多种粗加工技术和丰富的曲面精加工功能。精加工走刀形式直接影响加工出来的表面质量，要达到图纸要求的尺寸精度和表面精度，需在编制刀具路径时针对曲面特点合理选择走刀方式。对于同一个零件，可能在不同的部位需要不同的走刀方式，对于零件两个面之间的衔接部分，还需要用专门的清根刀路。此外，还要合理选择刀具，优化走刀路径，减少提刀、空刀及不必要的重覆路径，在改善加工质量的同时使加工效率有所提高。
一、曲面特点及技术要求
（一）曲面特点：三角开关是一个比较典型的零件，曲面的外形尺寸50x60x15.6mm。图形的上部分曲面比较平坦，在MasterCAM中称之为浅平面，这种曲面适合选择平行刀路。下部分曲面陡峭，在 MasterCAM中称之为陡斜面，这种曲面适合选择等高刀路。曲面与曲面之间是R2mm的圆角过渡。此处圆角半径为R0.4mm ，高度是1.15mm。
（二）加工三角开关凸模的技术要求：
1、所有表面粗糙度要求Ra3.2 ；
2、工件表面无缺陷，圆角部位无残料；
3、曲面与分模面之间要求清根。
二、加工三角开关凸模工艺分析
1、材料：45#钢，这种钢具有较高的强度和较好的切削加工性，经调质以后可获得良好的综合力学性能，是塑料模具中应用最广泛的钢种之一。毛坯尺寸：70x80x30mm。
2、刀具材料：根据加工材料，选择YT15的硬质合金刀具。
3、设备：加工中心，型号：VMC800
4、工艺分析及刀具选择：
三角开关凸模加工整体思路是先粗加工、再半精加工、精加工，最后清角加工，具体分析如下：
（1）粗加工 粗加工是为提高生产效率，迅速去除多余材料，曲面与分模面一起开粗，刀具要求有足够的强度，因此尽量选择一把比较大的刀具，根据工件材料、曲面外形尺寸50x60x15.6mm及毛坯尺寸选择圆角半径R1mm直径10mm的圆鼻刀。
（2）半精加工由于粗加工刀间距和切削深度较大，残料过多，半精加工是为了去除过多的残料，使精加工余量均匀，刀具选择应考虑承受粗加工所留残料而不至断刀，且不会留下过多的残料而给精加工造成困难。分模面是平面，用平刀加工较好而曲面用球刀加工，故曲面与分模面分开做半精加工及精加工。曲面半精加工，选择6mm球刀，分模面上残料较少且余量均匀，可不必做半精加工。
（3）精加工 精加工需达到要求的尺寸精度和表面精度，同时兼顾效率，选择刀具时要考虑刀具强度及是否会留有残料或过切，曲面上有R2mm的圆角多处，故选择3mm球刀精加工曲面，分模面精加工选用4mm平刀。
（4）清角加工 清角加工是为了去除在较小圆角或直角的地方，由于精加工刀具进不去而留下的残料，刀具选择应考虑加工效率、刀具强度及能否去除残料。R0.4mm圆角处选择圆角半径R0.3mm直径4mm的圆鼻刀加工，曲面与分模面清角选择4mm平刀加工。
三、加工难点分析
基于以上工艺分析、曲面特点及技术要求，加工三角开关凸模难点有两个：一是浅平面与陡斜面问题，二是清角问题。
1、浅平面与陡斜面问题
精加工要保证整个曲面的加工精度，解决浅平面与陡斜面问题，且精加工用时最长，在解决加工质量问题的同时还要兼顾效率。因此，合理选择精加工方法至关重要。
MasterCAM8.0提供了十种曲面精加工方法，针对这一问题，编制刀具路径时大多采用以下几种方法：
（1）平行铣削+陡斜面加工平行铣削加工采用X、Y方向的最大间距来控制刀具路径的细密程度，由于陡斜面的坡度很陡，同样的切削间距，在陡斜面上形成的刀痕要比在平面或平坦的曲面上大得多，使陡斜面的加工质量较差。因此，多会在平行铣削加工之后添加陡斜面加工刀路，如果陡斜面刀路的切削方式选择双向切削，则在刀具沿Z轴上升时由于刀具受力不均，导致加工质量下降，若选择单向切削，则刀具路径中提刀路径过多，严重影响加工效率。
（2）等高外形+浅平面加工等高外形加工是用最大Z轴进给量控制刀具路径的疏密程度，在比较平坦的表面上，Z下降相同的距离要比陡峭表面的路径间距大得多，无法保证浅平面的表面质量，因此在编制刀路时大多在等高外形加工之后添加浅平面加工刀路，由于曲面上浅平面区域不连续，使加工顺序不理想，影响加工质量，且浅平面刀路中有很多提刀路径，此方法加工效率较低。
（3）环绕等距加工 环绕等距加工是生成一组环绕工件曲面的刀具路径，路径计算时间长，生成的NC文件大。对于形状不规则的曲面，在路径转向地方的路径间距大于其它位置的路径间距，会在工件表面形成刀具路径转折的刀痕，影响加工质量。
以上三种加工方法均使工件局部表面达不到加工质量的要求。根据曲面特点及MasterCAM精加工刀路特点，可采取分区域加工，即将浅平面与陡斜面分开加工，平坦的表面选择平行刀路加工，陡峭的表面选择等高刀路加工。三角开关曲面上部分平坦，下部分陡峭，可用切削深度确定平行铣削与等高外形的加工区域。这种加工方法与前面所述三种方法比较，在加工参数选择相同时，加工质量最好，加工效率也有所提高。
2、清角问题
（1）对于R0.4的圆角，可使用平刀或圆角半径略小于0.4mm的圆鼻刀加工，常选择以下几种加工方法：
○1使用交线清角加工，刀具选择R0.4mm的圆鼻刀，由于交线清角只能沿曲面交线的地方走一刀，若精加工所用刀具半径大于0.4mm，则会在两把刀都加工不到的区域留下残料。
○2使用放射状加工 设置起始补正距离为4.4mm，设定切削范围，只加工残料区域，此方法能够达到加工质量的要求，但加工路径往返较多。
○3使用环绕等距加工 可设定切削范围，使用圆角半径R0.3mm的圆鼻刀加工可去除全部残料，路径连续，提刀少，能够达到表面质量要求且效率高。
通过以上分析，加工R0.4mm圆角选择环绕等距刀路更为合理。
（2）球刀精加工之后会在曲面与分模面相交的部位留下圆角，应使用平刀清角，曲面上有5°的拔模角度，与上面所述情况相同，所以选用环绕等距或等高外形刀路，用切削深度限定加工区域，仅加工有残料的地方，此处残料高度为精加工所用刀具刀尖圆弧半径，故切削深度范围略大于此半径值即可。
四、编制刀具路径
基于以上分析，比较几种加工方法，提出以下加工方案。
结 束 语：
根据三角开关凸模特点及加工难点，对其走刀路径进行分析对比，提出最佳加工方案。使用以上方法加工，整个零件的表面精度均可达到Ra3.2，在加工参数设置完全相同的情况下，加工效率略有提高。由于走刀路径合理，因此还可提高进给率，在保证加工质量的前提下，进一步提高加工效率。
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2007年5月14日 星期一
齿轮材料的合理选择www.tool-tool.com
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齿轮是现代机械中应用最广泛的一种机械传动零件。齿轮传动通过轮齿互相啮合来传递空间任意两轴间的运动和动力，并可以改变运动的形式和速度。齿轮传动使用范围广，传动比恒定，效率较高，使用寿命长。在机械零件产品的设计与制造过程中，不仅要考虑材料的性能能够适应零件的工作条件，使零件经久耐用，而且要求材料有较好的加工工艺性能和经济性，以便提高零件的生产率，降低成本，减少消耗。如果齿轮材料选择不当，则会出现零件的过早损伤，甚至失效。因此如何合理地选择和使用金属材料是一项十分重要的工作。
满足材料的机械性能
材料的机械性能包括强度、硬度、塑性及韧性等，反映材料在使用过程中所表现出来的特性。齿轮在啮合时齿面接触处有接触应力，齿根部有最大弯曲应力，可能产生齿面或齿体强度失效。齿面各点都有相对滑动，会产生磨损。齿轮主要的失效形式有齿面点蚀、齿面胶合、齿面塑性变形和轮齿折断等。因此要求齿轮材料有高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度，齿面要有足够的硬度和耐磨性，芯部要有一定的强度和韧性。
例如，在确定大、小齿轮硬度时应注意使小齿轮的齿面硬度比大齿轮的齿面硬度高30-50HBS，这是因为小齿轮受载荷次数比大齿轮多，且小齿轮齿根较薄，强度低于大齿轮。为使两齿轮的轮齿接近等强度，小齿轮的齿面要比大齿轮的齿面硬一些。
另一方面，根据材料的使用性能确定了材料牌号后。要明确材料的机械性能或材料硬度，然后我们可以通过不同的热处理工艺达到所要求的硬度范围，从而赋予材料不同的机械性能。如材料为40Cr合金钢的齿轮，当840-860℃油淬，540-620℃回火时，调质硬度可达28-32HRC，可改善组织、提高综合机械性能；当860-880℃油淬，240—280℃回火时，硬度可达46-51HRC，则钢的表面耐磨性能好，芯部韧性好，变形小；当500-560℃ 氮化处理，氮化层0.15-0.6mm时，硬度可达52-54HRC，则钢具有高的表面硬度、高的耐磨性、高的疲劳强度，较高的抗蚀性和抗胶合性能且变形极小；当通过电镀或表面合金化处里后，则可改善齿轮工作表面摩擦性能，提高抗腐蚀性能。
满足材料的工艺性能
材料的工艺性能是指材料本身能够适应各种加工工艺要求的能力。齿轮的制造要经过锻造、切削加工和热处理等几种加工，因此选材时要对材料的工艺性能加以注意。一般来说，碳钢的锻造、切削加工等工艺性能较好，其机械性能可以满足一般工作条件的要求。但强度不够高，淬透性较差。而合金钢淬透性好、强度高，但锻造、切削加工性能较差。我们可以通过改变工艺规程、热处理方法等途经来改善材料的工艺性能。
例如汽车变速箱中的齿轮选择20CrMnTi钢，该钢具有较高的机械性能，在渗碳淬火低温回火后，表面硬度为58-62HRC，芯部硬度为30- 45HRC。20CrMnTi的工艺性能较好，锻造后以正火来改善其切削加工性。此外，20 CrMnTi还具有较好的淬透性，由于合金元素钛的影响，对过热不敏感，故在渗碳后可直接降温淬火。且渗碳速度较快，过渡层较均匀，渗碳淬火后变形小。适合于制造承受高速中载及冲击、摩擦的重要零件，因此根据齿轮的工作条件选用20CrMnTi钢是比较合适的。
材料的经济性要求
所谓经济性是指最小的耗费取得最大的经济效益。在满足使用性能的前提下，选用齿轮材料还应注意尽量降低零件的总成本。我们可以从以下几方面考虑：
从材料本身价格来考虑。碳钢和铸铁的价格是比较低廉的，因此在满足零件机械性能的前提下选用碳钢和铸铁，不仅具有较好的加工工艺性能，而且可降低成本。从金属资源和供应情况来看，应尽可能减少材料的进口量及价格昂贵材料的使用量。
从齿轮生产过程的耗费来考虑。首先，采用不同的热处理方法相对加工费用也不一样，如12CrNi3A钢渗碳表面淬火的费用要比氮化处理的费用少得多，而碳氮共渗又具有生产周期短和成本低的特点。其次，通过改进热处理工艺也可以降低成本。如某齿轮工作时在高速、中载且承受中等冲击条件下，原选用中合金高级渗碳钢18cr2Ni4WA材料，其经过910-940℃渗碳，850℃淬火，180-200℃回火后机械性能的抗拉强度≥1177Mpa、屈服强度 ≥834Mpa、延伸率≥10％、断面收缩率≥45％，冲击韧性≥980kJ／m2，硬度为58-62HRC。虽能满足齿轮的使用性能和工艺性能，但零件的价格高。现选用价格相对便宜的低碳中合金、中淬透性渗碳钢20CrMnTi。经过910-940℃渗碳，870℃淬火，180-200℃回火后机械性能的抗拉强度≥1100Mpa、屈服强度≥850Mpa、延伸率≥10％、断面收缩率≥45％，冲击韧性≥680，硬度为58-62HRC。仅此一项改进，材料费用不仅大大降低，而且满足了其使用性能和工艺性能。第三，所选钢种应尽量少而集中，以便采购和管理。随着齿轮形状、尺寸和材料向着多品种、多系列和个性化的方向发展，尤其是在型号多、产量小时，在齿轮锻造、机加工和热处理等生产工艺方面，存在着设计量大，生产周期长、效率低、成本高、能耗大、管理难和质量不易保证等不利状况，因此在齿轮选材时精选、优选和压缩材料牌号和规格有利于提高选材通用化、系列化和标准化程度，提高材料的利用率，提高材料采购的计划性，以减少库存积压、加快资金流动，方便储存和保管以及降低材料的成本消耗。最后，我们还可以通过改进工艺来提高经济效益。如模锻件生产的模锻工艺已突破传统工艺的要求，在提供成型毛坯时，可利用少无切削工艺，模锻与机械精加工相结合，部分或全部取代切削加工直接生产零件，或在生产中采用成组技术与工艺，也可提高产品质量、生产效率和降低成本。
结束语
综上所述，在选择齿轮材料时。必须了解我国工业发展形式，结合我国资源和生产条件，从实际出发，全面考虑机械性能、工艺性能和经济性等方面的问题，只有合理选材才能保证齿轮质量、降低产品成本，从而提高市场竞争力。
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满足材料的机械性能
材料的机械性能包括强度、硬度、塑性及韧性等，反映材料在使用过程中所表现出来的特性。齿轮在啮合时齿面接触处有接触应力，齿根部有最大弯曲应力，可能产生齿面或齿体强度失效。齿面各点都有相对滑动，会产生磨损。齿轮主要的失效形式有齿面点蚀、齿面胶合、齿面塑性变形和轮齿折断等。因此要求齿轮材料有高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度，齿面要有足够的硬度和耐磨性，芯部要有一定的强度和韧性。
例如，在确定大、小齿轮硬度时应注意使小齿轮的齿面硬度比大齿轮的齿面硬度高30-50HBS，这是因为小齿轮受载荷次数比大齿轮多，且小齿轮齿根较薄，强度低于大齿轮。为使两齿轮的轮齿接近等强度，小齿轮的齿面要比大齿轮的齿面硬一些。
另一方面，根据材料的使用性能确定了材料牌号后。要明确材料的机械性能或材料硬度，然后我们可以通过不同的热处理工艺达到所要求的硬度范围，从而赋予材料不同的机械性能。如材料为40Cr合金钢的齿轮，当840-860℃油淬，540-620℃回火时，调质硬度可达28-32HRC，可改善组织、提高综合机械性能；当860-880℃油淬，240—280℃回火时，硬度可达46-51HRC，则钢的表面耐磨性能好，芯部韧性好，变形小；当500-560℃ 氮化处理，氮化层0.15-0.6mm时，硬度可达52-54HRC，则钢具有高的表面硬度、高的耐磨性、高的疲劳强度，较高的抗蚀性和抗胶合性能且变形极小；当通过电镀或表面合金化处里后，则可改善齿轮工作表面摩擦性能，提高抗腐蚀性能。
满足材料的工艺性能
材料的工艺性能是指材料本身能够适应各种加工工艺要求的能力。齿轮的制造要经过锻造、切削加工和热处理等几种加工，因此选材时要对材料的工艺性能加以注意。一般来说，碳钢的锻造、切削加工等工艺性能较好，其机械性能可以满足一般工作条件的要求。但强度不够高，淬透性较差。而合金钢淬透性好、强度高，但锻造、切削加工性能较差。我们可以通过改变工艺规程、热处理方法等途经来改善材料的工艺性能。
例如汽车变速箱中的齿轮选择20CrMnTi钢，该钢具有较高的机械性能，在渗碳淬火低温回火后，表面硬度为58-62HRC，芯部硬度为30- 45HRC。20CrMnTi的工艺性能较好，锻造后以正火来改善其切削加工性。此外，20 CrMnTi还具有较好的淬透性，由于合金元素钛的影响，对过热不敏感，故在渗碳后可直接降温淬火。且渗碳速度较快，过渡层较均匀，渗碳淬火后变形小。适合于制造承受高速中载及冲击、摩擦的重要零件，因此根据齿轮的工作条件选用20CrMnTi钢是比较合适的。
材料的经济性要求
所谓经济性是指最小的耗费取得最大的经济效益。在满足使用性能的前提下，选用齿轮材料还应注意尽量降低零件的总成本。我们可以从以下几方面考虑：
从材料本身价格来考虑。碳钢和铸铁的价格是比较低廉的，因此在满足零件机械性能的前提下选用碳钢和铸铁，不仅具有较好的加工工艺性能，而且可降低成本。从金属资源和供应情况来看，应尽可能减少材料的进口量及价格昂贵材料的使用量。
从齿轮生产过程的耗费来考虑。首先，采用不同的热处理方法相对加工费用也不一样，如12CrNi3A钢渗碳表面淬火的费用要比氮化处理的费用少得多，而碳氮共渗又具有生产周期短和成本低的特点。其次，通过改进热处理工艺也可以降低成本。如某齿轮工作时在高速、中载且承受中等冲击条件下，原选用中合金高级渗碳钢18cr2Ni4WA材料，其经过910-940℃渗碳，850℃淬火，180-200℃回火后机械性能的抗拉强度≥1177Mpa、屈服强度 ≥834Mpa、延伸率≥10％、断面收缩率≥45％，冲击韧性≥980kJ／m2，硬度为58-62HRC。虽能满足齿轮的使用性能和工艺性能，但零件的价格高。现选用价格相对便宜的低碳中合金、中淬透性渗碳钢20CrMnTi。经过910-940℃渗碳，870℃淬火，180-200℃回火后机械性能的抗拉强度≥1100Mpa、屈服强度≥850Mpa、延伸率≥10％、断面收缩率≥45％，冲击韧性≥680，硬度为58-62HRC。仅此一项改进，材料费用不仅大大降低，而且满足了其使用性能和工艺性能。第三，所选钢种应尽量少而集中，以便采购和管理。随着齿轮形状、尺寸和材料向着多品种、多系列和个性化的方向发展，尤其是在型号多、产量小时，在齿轮锻造、机加工和热处理等生产工艺方面，存在着设计量大，生产周期长、效率低、成本高、能耗大、管理难和质量不易保证等不利状况，因此在齿轮选材时精选、优选和压缩材料牌号和规格有利于提高选材通用化、系列化和标准化程度，提高材料的利用率，提高材料采购的计划性，以减少库存积压、加快资金流动，方便储存和保管以及降低材料的成本消耗。最后，我们还可以通过改进工艺来提高经济效益。如模锻件生产的模锻工艺已突破传统工艺的要求，在提供成型毛坯时，可利用少无切削工艺，模锻与机械精加工相结合，部分或全部取代切削加工直接生产零件，或在生产中采用成组技术与工艺，也可提高产品质量、生产效率和降低成本。
结束语
综上所述，在选择齿轮材料时。必须了解我国工业发展形式，结合我国资源和生产条件，从实际出发，全面考虑机械性能、工艺性能和经济性等方面的问题，只有合理选材才能保证齿轮质量、降低产品成本，从而提高市场竞争力。
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镁合金应用www.tool-tool.com
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我国镁工业起步虽然较晚，但发展非常快。20世纪90年代开始，我国镁工业进入快速发展期。我国是镁资源的大国，是全球镁的生产大国和出口大国，但远不是镁工业强国。在镁冶炼加工行业，要建设和健全经济环保型的镁加工链，应该注意推广节能环保新技术，设计节能型的工艺组合，寻找节能环保型的替代材料；开发和采用有经济优势的新型冶炼加工技术；促进产、学、研、用优势群体的互联，促进相关企业的组合，提高能源使用的综合效益，摆脱大量生产、大量消费和大量废弃的经济活动。提升我国镁产业质量、技术、成本的竞争力，创建经济环保型的镁加工链。
随着人们对能源和环境的日益关注，镁及镁合金的应用正在受到前所未有的关注。镁是我国少有的几种优势金属资源之一，在过去的15年里，我国的镁工业逐步壮大，目前已经成为世界上原镁生产的绝对大国，2003年镁产量更是占世界总产量的60％以上。从2000年开始，在师昌绪等院士的直接推动下，我国镁合金的研究和应用也取得了举世瞩目的成绩，逐步从镁生产大国向镁研发和应用强国迈进。过去5年里，我国在高性能镁材料的研究，镁加工装备的开发以及镁合金深加工产品的开发应用方面都取得极大的进展。从镁产业的角度来讲，已经形成了原材料到深加工一直到应用的完整产业链，从镁研究开发的角度来讲，已经初步形成了从基础研究到应用研究一直到产品开发的完整科研开发体系。
1、我国镁及镁合金现状 我国目前在镁工业方面拥有三项"世界冠军"。第一是镁资源大国，储量居世界首位。在青海盐湖蕴藏着氯化镁32亿吨，硫酸镁16亿吨。在辽宁、山西、宁夏、内蒙古、河南等省、自治区菱镁矿均有很大储量，仅辽宁大石桥一带的储量就占世界菱镁矿的60％以上，矿石品位高达40％。第二是原镁生产大国， 2003年我国共生产原镁35.4万吨，约占全球总产量的67％。第三是出口大国，年产量80％以上的镁出口到国际市场。尽管如此，我国的镁工业还存在着不少问题，主要表现在：原镁生产技术比较落后，质量不够稳定，镁锭中的夹杂物和有害元素含量大大超标，难以满足压铸、板材轧制和冲压等高端产品的生产需求；出口产品绝大多数是廉价的纯镁锭，镁合金出口比重只有15％左右，镁合金制品出口则更是微乎其微，因此出口利润低，而对于军工生产所需要的高性能镁合金板材和型材还需要从俄罗斯进口；原创性的研究成果缺乏，目前出口的所有镁合金锭几乎全部按照国外的牌号生产，而且在镁合金产品加工中的关键技术和装备大部分依靠进口。中国镁合金产品的生产和应用现状是，镁合金的优势已经被许多企业所认识，在汽车、摩托车和3C产业中镁合金已经开始获得应用，用户包括如上汽、一汽、二汽、奇瑞、隆鑫、海尔等。例如，一汽铸造有限公司AM50镁合金方向盘骨架；镁合金压铸迅速增长，台湾、香港和大陆投资的镁压铸厂几乎分布在全国各地，各种压铸机数量超过50台；变形镁合金加工开始起步。
2、我国镁合金研究现状 国家相关研究和应用计划包括，科技部组织实施的"十五"攻关计划重大专项"镁合金应用开发及产业化"、"十五"863计划相关项目、重点国际合作计划、科技型中小企业创新基金，国家自然科学基金委立项的国家自然科学基金，国防科工委的军工配套项目，经贸委的技改项目，国家发改委的高技术示范工程等。 "十五"科技攻关重大专项"镁合金应用开发及产业化"的目标是，建立镁合金技术创新体系；加快我国镁资源的应用开发；培育相关高新技术产业群；将我国的镁资源优势转变为经济优势。技术目标是推动镁材料的应用与产业化；发展水氯镁石脱水技术，开发盐湖镁资源；提高皮江法炼镁的水平，降低污染；获得镁生产关键技术装备生产能力；推动镁在汽车、摩托车和3C产业中的应用；研究中国镁长期发展战略。科技部徐冠华部长在2004年全国科技工作会议上的讲话指出， "通过对镁合金关键技术研究及产业化的重大攻关，初步形成了从高品质镁材料生产到镁合金产品制造的完整产业链，为我国实现由镁资源大国向镁资源强国的跨越奠定了基础。" 高技术发展计划（863计划）：开发高性能镁合金材料及应用技术，目标是开发未来5～10年内获得应用的关键技术，参加单位包括大学、研究所与企业，立项项目7项，包括耐热压铸镁合金及其应用技术、高强高韧镁合金及其应用技术开发、高性能变形镁合金及其应用技术、镁合金先进焊接技术、镁合金冲锻成型技术、镁合金锻造轮毂技术等。这些研究取得了很大突破，包括开发了3种在175℃具有良好抗蠕变性能的镁合金、低成本的镁稀土中间合金制备技术、耐热镁合金的压铸技术；开发了用于汽车轮毂的高强高韧铸造镁合金、镁合金轮毂低压铸造生产技术；开发了变形性能优于现有Mg－Al－Zn系合金的新型镁合金、板材和中空薄壁型材加工技术，镁合金腐蚀防护技术；开发了镁合金焊接新工艺、焊接设备及焊接材料。
3、镁研究与应用发展趋势 镁合金用于动力系统零部件：使用条件1：100℃～200℃，自动变速箱、油底壳等，压铸成型；使用条件2： 200℃～300℃，缸体和缸头，砂型铸造和压铸成型。研发机构：通用汽车公司、大众公司、马自达公司、日产公司、三菱公司、No－randa镁业等；美国三大汽车公司联合对新开发的耐热镁合金进行经济和技术评估。大众汽车公司对新开发的耐热镁合金进行工业化中试生产和应用，效果良好。国内采用低成本镁、稀土中间合金开发新型耐热镁合金取得进展。 变形镁合金及其加工技术正在成为镁合金研究和应用领域的热点。热点研究包括镁合金等通道转角挤压技术。镁合金超塑性研究，重要研究方向是，高应变速率超塑性，研究应变速率在10－2S－1以上的高应变速率超塑性成型（HSR－SPF），对于节约能源、提高生产率、扩大应用都有很重要的意义；大晶粒工业态镁合金超塑性，研究晶粒较大的工业态镁合金在一定条件下的超塑性，因其不需要预加工可节约能源，故将有更大的应用前景；镁合金低温超塑性，研究镁合金在较低的温度（0.5Tm以下或更低）下进行超塑性变形的研究。镁合金精密冲锻成型，1999年日本Sony、日立金属和东京精锻所三家公司共同开发成功镁合金精密冲锻成型技术（Press－Forging）。精密冲锻成型技术是将冲压成型与锻造成型结合所产生的新技术。同压铸和半固态成型生产工艺相比，精密冲锻成型工艺具有生产效率高和成品率高等优点。镁合金冲锻成型一般采用AZ31B变形镁合金，其生产设备采用普通机械式锻压机床即可。镁板铸轧技术（短流程）。镁板冲压工艺。阻尼镁合金：镁的阻尼性能优于所有的金属结构材料，在航空航天和军事领域有着广阔应用前景，如导弹、卫星和武器的电子仪表支架等。泡沫镁合金：日本名古屋工业研究所于1999年5月研发成功泡沫镁合金，具有极好的吸震和耐高温性能，可用于汽车防撞杆和消声器。 镁合金材料的研究和应用前景是非常广阔的，相对于其它金属材料（如铝、钢等）的研究发展水平，我国与世界发达国家的差距较小，可以说几乎处在同一起跑线上，如果集中全国的优势力量针对关键科学问题展开研究，就有可能取得重大突破，达到甚至赶超世界先进水平。我国近年在镁合金技术开发和应用领域取得了长足进步，作为世界第一"镁"大国要造好镁、用好镁，造福于中国和世界，并在镁的研究领域成为世界领头羊，推动镁合金走可持续发展之路，同时还要开展好镁合金的重大基础研究。
Welcome to BW tool world! We are an experienced tool maker specialized in cutting tools. We focus on what you need and endeavor to research the best cutter to satisfy users’ demand. Our customers involve wide range of industries, like mold & die, aerospace, electronic, machinery, ,,,etc. We are professional expert in cutting field. We would like to solve every problem from you. Please feel free to contact us, it’s our pleasure to serve for you. BW product including: utting tool、aerospace tool .HSS Cutting tool、Carbide end mills、Carbide cutting tool、NAS Cutting tool、Carbide end mill、Aerospace cutting tool、Carbide drill、High speed steel、Milling cutter、Core drill、Taperd end mills、Metric end mills、Miniature end mills、Pilot reamer、Electronics cutter、Step drill、Metal cutting saw、Double margin drill、Gun barrel、Angle milling cutter、Carbide burrs、Carbide tipped cutter、Chamfering tool、IC card engraving cutter、Side cutter、NAS tool、DIN tool、Special tool、Metal slitting saws、Shell end mills、Side and face milling cutters、Side chip clearance saws、Long end mills、Stub roughing end mills、Dovetail milling cutters、Carbide slot drills、Carbide torus cutters、Angeled carbide end mills、Carbide torus cutters、Carbide ball-noseed slot drills、Mould cutter、Tool manufacturer.
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我国镁工业起步虽然较晚，但发展非常快。20世纪90年代开始，我国镁工业进入快速发展期。我国是镁资源的大国，是全球镁的生产大国和出口大国，但远不是镁工业强国。在镁冶炼加工行业，要建设和健全经济环保型的镁加工链，应该注意推广节能环保新技术，设计节能型的工艺组合，寻找节能环保型的替代材料；开发和采用有经济优势的新型冶炼加工技术；促进产、学、研、用优势群体的互联，促进相关企业的组合，提高能源使用的综合效益，摆脱大量生产、大量消费和大量废弃的经济活动。提升我国镁产业质量、技术、成本的竞争力，创建经济环保型的镁加工链。
随着人们对能源和环境的日益关注，镁及镁合金的应用正在受到前所未有的关注。镁是我国少有的几种优势金属资源之一，在过去的15年里，我国的镁工业逐步壮大，目前已经成为世界上原镁生产的绝对大国，2003年镁产量更是占世界总产量的60％以上。从2000年开始，在师昌绪等院士的直接推动下，我国镁合金的研究和应用也取得了举世瞩目的成绩，逐步从镁生产大国向镁研发和应用强国迈进。过去5年里，我国在高性能镁材料的研究，镁加工装备的开发以及镁合金深加工产品的开发应用方面都取得极大的进展。从镁产业的角度来讲，已经形成了原材料到深加工一直到应用的完整产业链，从镁研究开发的角度来讲，已经初步形成了从基础研究到应用研究一直到产品开发的完整科研开发体系。
1、我国镁及镁合金现状 我国目前在镁工业方面拥有三项"世界冠军"。第一是镁资源大国，储量居世界首位。在青海盐湖蕴藏着氯化镁32亿吨，硫酸镁16亿吨。在辽宁、山西、宁夏、内蒙古、河南等省、自治区菱镁矿均有很大储量，仅辽宁大石桥一带的储量就占世界菱镁矿的60％以上，矿石品位高达40％。第二是原镁生产大国， 2003年我国共生产原镁35.4万吨，约占全球总产量的67％。第三是出口大国，年产量80％以上的镁出口到国际市场。尽管如此，我国的镁工业还存在着不少问题，主要表现在：原镁生产技术比较落后，质量不够稳定，镁锭中的夹杂物和有害元素含量大大超标，难以满足压铸、板材轧制和冲压等高端产品的生产需求；出口产品绝大多数是廉价的纯镁锭，镁合金出口比重只有15％左右，镁合金制品出口则更是微乎其微，因此出口利润低，而对于军工生产所需要的高性能镁合金板材和型材还需要从俄罗斯进口；原创性的研究成果缺乏，目前出口的所有镁合金锭几乎全部按照国外的牌号生产，而且在镁合金产品加工中的关键技术和装备大部分依靠进口。中国镁合金产品的生产和应用现状是，镁合金的优势已经被许多企业所认识，在汽车、摩托车和3C产业中镁合金已经开始获得应用，用户包括如上汽、一汽、二汽、奇瑞、隆鑫、海尔等。例如，一汽铸造有限公司AM50镁合金方向盘骨架；镁合金压铸迅速增长，台湾、香港和大陆投资的镁压铸厂几乎分布在全国各地，各种压铸机数量超过50台；变形镁合金加工开始起步。
2、我国镁合金研究现状 国家相关研究和应用计划包括，科技部组织实施的"十五"攻关计划重大专项"镁合金应用开发及产业化"、"十五"863计划相关项目、重点国际合作计划、科技型中小企业创新基金，国家自然科学基金委立项的国家自然科学基金，国防科工委的军工配套项目，经贸委的技改项目，国家发改委的高技术示范工程等。 "十五"科技攻关重大专项"镁合金应用开发及产业化"的目标是，建立镁合金技术创新体系；加快我国镁资源的应用开发；培育相关高新技术产业群；将我国的镁资源优势转变为经济优势。技术目标是推动镁材料的应用与产业化；发展水氯镁石脱水技术，开发盐湖镁资源；提高皮江法炼镁的水平，降低污染；获得镁生产关键技术装备生产能力；推动镁在汽车、摩托车和3C产业中的应用；研究中国镁长期发展战略。科技部徐冠华部长在2004年全国科技工作会议上的讲话指出， "通过对镁合金关键技术研究及产业化的重大攻关，初步形成了从高品质镁材料生产到镁合金产品制造的完整产业链，为我国实现由镁资源大国向镁资源强国的跨越奠定了基础。" 高技术发展计划（863计划）：开发高性能镁合金材料及应用技术，目标是开发未来5～10年内获得应用的关键技术，参加单位包括大学、研究所与企业，立项项目7项，包括耐热压铸镁合金及其应用技术、高强高韧镁合金及其应用技术开发、高性能变形镁合金及其应用技术、镁合金先进焊接技术、镁合金冲锻成型技术、镁合金锻造轮毂技术等。这些研究取得了很大突破，包括开发了3种在175℃具有良好抗蠕变性能的镁合金、低成本的镁稀土中间合金制备技术、耐热镁合金的压铸技术；开发了用于汽车轮毂的高强高韧铸造镁合金、镁合金轮毂低压铸造生产技术；开发了变形性能优于现有Mg－Al－Zn系合金的新型镁合金、板材和中空薄壁型材加工技术，镁合金腐蚀防护技术；开发了镁合金焊接新工艺、焊接设备及焊接材料。
3、镁研究与应用发展趋势 镁合金用于动力系统零部件：使用条件1：100℃～200℃，自动变速箱、油底壳等，压铸成型；使用条件2： 200℃～300℃，缸体和缸头，砂型铸造和压铸成型。研发机构：通用汽车公司、大众公司、马自达公司、日产公司、三菱公司、No－randa镁业等；美国三大汽车公司联合对新开发的耐热镁合金进行经济和技术评估。大众汽车公司对新开发的耐热镁合金进行工业化中试生产和应用，效果良好。国内采用低成本镁、稀土中间合金开发新型耐热镁合金取得进展。 变形镁合金及其加工技术正在成为镁合金研究和应用领域的热点。热点研究包括镁合金等通道转角挤压技术。镁合金超塑性研究，重要研究方向是，高应变速率超塑性，研究应变速率在10－2S－1以上的高应变速率超塑性成型（HSR－SPF），对于节约能源、提高生产率、扩大应用都有很重要的意义；大晶粒工业态镁合金超塑性，研究晶粒较大的工业态镁合金在一定条件下的超塑性，因其不需要预加工可节约能源，故将有更大的应用前景；镁合金低温超塑性，研究镁合金在较低的温度（0.5Tm以下或更低）下进行超塑性变形的研究。镁合金精密冲锻成型，1999年日本Sony、日立金属和东京精锻所三家公司共同开发成功镁合金精密冲锻成型技术（Press－Forging）。精密冲锻成型技术是将冲压成型与锻造成型结合所产生的新技术。同压铸和半固态成型生产工艺相比，精密冲锻成型工艺具有生产效率高和成品率高等优点。镁合金冲锻成型一般采用AZ31B变形镁合金，其生产设备采用普通机械式锻压机床即可。镁板铸轧技术（短流程）。镁板冲压工艺。阻尼镁合金：镁的阻尼性能优于所有的金属结构材料，在航空航天和军事领域有着广阔应用前景，如导弹、卫星和武器的电子仪表支架等。泡沫镁合金：日本名古屋工业研究所于1999年5月研发成功泡沫镁合金，具有极好的吸震和耐高温性能，可用于汽车防撞杆和消声器。 镁合金材料的研究和应用前景是非常广阔的，相对于其它金属材料（如铝、钢等）的研究发展水平，我国与世界发达国家的差距较小，可以说几乎处在同一起跑线上，如果集中全国的优势力量针对关键科学问题展开研究，就有可能取得重大突破，达到甚至赶超世界先进水平。我国近年在镁合金技术开发和应用领域取得了长足进步，作为世界第一"镁"大国要造好镁、用好镁，造福于中国和世界，并在镁的研究领域成为世界领头羊，推动镁合金走可持续发展之路，同时还要开展好镁合金的重大基础研究。
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镁合金www.tool-tool.com
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镁合金是目前国内外重新认识并积极开发的一种新型环保材料，是21世纪最具生命力的新型环保材料，该材料能回收再利用，无污染，并且世界上特别是我国蕴藏最丰富。占全球三分之一以上约36亿吨。
镁合金特点：
1、重量轻，镁金属是目前世界实际应用中重量最轻的金属结构材料，是铝的2/3，钢铁的1/4。
2、比强度和比钢度高，均优于钢和铝合金。
3、弹性模量小，刚性好，抗震力强，长期使用不易变形。
4、对环境无污染，可回收性能好，符合环保要求。
5、抗电磁干扰及屏蔽性好。
6、色泽鲜艳美观，并能长期保持完好如新。
7、极高的压铸生产率，尺寸收缩小，并且具有优良脱模性能。
压铸镁合金锭化学成份（%）
牌号 Al Zn Mn RE Zr Si≤ Fe≤ Cu≤ Ni≤ 其他元素 总杂质
AZ91D
8.50-9.50 0.45-0.90 0.17-0.40 — — 0.05 0.004 0.015 0.001 — 0.30
AZ91A 8.50-9.50 0.45-0.90 >0.15 — — 0.20 — 0.08 0.01 — 0.30
AZ91B 8.50-9.50 0.45-0.90 >0.15 — — 0.20 — 0.25 0.01 — 0.30
AZ91E 8.50-9.50 0.45-0.90 0.17-0.50 — — 0.20 — 0.015 0.001 0.01 —
AM60A 5.70-6.30 — >0.15 — — 0.20 0.004 0.008 0.01 — 0.03
AM60B 5.60-6.40 — 0.26-0.50 — — 0.05 0.004 0.008 0.001 0.01 —
AM50A 4.50-5.30 <0.20 0.28-0.50 — — 0.05 0.004 0.008 0.001 0.01 —
AM20 1.70-2.50 <0.20 >0.35 — — 0.05 0.004 0.008 0.001 0.01 —
AS41A 3.70-4.80 <0.10 0.20-0.48 — — 0.60-1.40 0.004 0.008 0.001 0.01 —
AZ63A 5.50-6.50 2.70-3.30 0.15-0.35 — — 0.20 — 0.20 0.01 — 0.30
AZ81A 7.20-8.00 0.50-0.90 0.15-0.35 — — 0.20 — 0.08 0.01 — 0.30
AZ81 7.20-8.50 0.45-0.90 >0.17 — — 0.05 0.004 0.025 0.001 0.01 —
AZ92A 8.50-9.50 1.70-2.30 0.13-0.35 — — 0.20 — 0.20 0.01 — 0.30
ZE41A — 3.70-4.80 >0.15 1.00-1.75 0.30-1.00 0.01 — 0.03 0.01 — 0.30
ZE63A — 5.50-6.00 — 2.00-3.00 0.30-1.00 0.01 — 0.03 0.01 — 0.30
ZK61A — 5.70-6.30 — — 0.30-1.00 0.01 — 0.03 0.01 — 0.30
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镁合金是目前国内外重新认识并积极开发的一种新型环保材料，是21世纪最具生命力的新型环保材料，该材料能回收再利用，无污染，并且世界上特别是我国蕴藏最丰富。占全球三分之一以上约36亿吨。
镁合金特点：
1、重量轻，镁金属是目前世界实际应用中重量最轻的金属结构材料，是铝的2/3，钢铁的1/4。
2、比强度和比钢度高，均优于钢和铝合金。
3、弹性模量小，刚性好，抗震力强，长期使用不易变形。
4、对环境无污染，可回收性能好，符合环保要求。
5、抗电磁干扰及屏蔽性好。
6、色泽鲜艳美观，并能长期保持完好如新。
7、极高的压铸生产率，尺寸收缩小，并且具有优良脱模性能。
压铸镁合金锭化学成份（%）
牌号 Al Zn Mn RE Zr Si≤ Fe≤ Cu≤ Ni≤ 其他元素 总杂质
AZ91D
8.50-9.50 0.45-0.90 0.17-0.40 — — 0.05 0.004 0.015 0.001 — 0.30
AZ91A 8.50-9.50 0.45-0.90 >0.15 — — 0.20 — 0.08 0.01 — 0.30
AZ91B 8.50-9.50 0.45-0.90 >0.15 — — 0.20 — 0.25 0.01 — 0.30
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AM60A 5.70-6.30 — >0.15 — — 0.20 0.004 0.008 0.01 — 0.03
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AZ63A 5.50-6.50 2.70-3.30 0.15-0.35 — — 0.20 — 0.20 0.01 — 0.30
AZ81A 7.20-8.00 0.50-0.90 0.15-0.35 — — 0.20 — 0.08 0.01 — 0.30
AZ81 7.20-8.50 0.45-0.90 >0.17 — — 0.05 0.004 0.025 0.001 0.01 —
AZ92A 8.50-9.50 1.70-2.30 0.13-0.35 — — 0.20 — 0.20 0.01 — 0.30
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ZE63A — 5.50-6.00 — 2.00-3.00 0.30-1.00 0.01 — 0.03 0.01 — 0.30
ZK61A — 5.70-6.30 — — 0.30-1.00 0.01 — 0.03 0.01 — 0.30
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镁合金压铸件在汽车上的应用www.tool-tool.com
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李玉兰 刘 江 彭晓东
摘 要 介绍了镁合金构件的主要特性，综述了镁合金压铸件在全球汽车业中的应用现状及镁铸件用量增长情况，镁合金的发展状况和目前应用的镁合金压铸工艺及防腐蚀表面处理技术。同时对存在的问题和未来应用进行了探讨和预测。
关键词：镁合金 压铸件 汽车 压铸工艺 表面处理
Application of Magnesium Die Castings in Automotive Industry
Li Yulan Liu Jiang Peng Xiaodong
(Chongqing University)
ABSTRACT:The applications of magnesium die castings in global automotive industry and the development of magnesium alloys were reviewed. The major properties of magnesium alloy compenents, magnesium die casting processes and surface treatment for corrosion resistance were discussed. At the same time, the utlization of magnesium die castings for automovtive industry in the future was forecast.
Key Words:Magnesium Alloys, Die Castings, Automobile, Die Casting Process, Surface Finishing
0 前言
镁合金作为结构材料主要用于航空航天领域，80年代以来，镁合金开始在汽车、计算机、通讯设备上得到越来越多的应用，其中绝大部分是镁铸件［1］。北美从80年代中期开始在汽车上使用镁铸件，每年以16.6%的速度增长，其中增长最快的是压铸件，占70%～80%［2］。世界范围内的汽车用镁合金铸件也以较大比例增长，如欧洲，1994年比1993年增长了25%［3］。
镁的密度(1.74 g/cm3)小，约为铝的64%，锌的25%和钢的20%，这使它在汽车减少自重、提高燃料效率方面独具魅力。作为轻金属，镁合金的强度接近铝合金，其比强度明显高于铝合金和钢，其比刚度与铝合金及钢相当，而远远高于工程塑料(如图1、图2所示)［4］。
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图1 4种材料的相对比强度
Fig.1 The relative specific strength of four kinds of materials
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图2 4种材料的相对比刚度
Fig.2 The relative specific rigidity of four kinds of materials
耐蚀性差是镁合金扩大应用的一大障碍，采用SF6作为合金熔炼加保护气氛，消除溶剂夹杂，严格控制合金中的杂质元素，可显著改善镁合金纯度，大大提高耐蚀性。现有的高纯压铸镁合金在盐雾试验中的耐蚀性已超过压铸铝合金A380，比低碳钢好得多(如图3所示)［4］。
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图3 4种材料的相对腐蚀率
Fig.3 The relative specific corrosion of four finds of materials
另外，镁还有别的优点，如：好的吸湿能力、流动性、机械加工性能和电磁干扰屏蔽性能［5］。
镁的这些特性在汽车制造业中的应用符合人们对汽车工业
发展的要求：减轻车重、提高燃料经济性、降低排放、提高安全性和驾驶性［6］。由此，北美、欧洲、日本、韩国的汽车用镁铸件量大大增加。以美国为例，在1984～1994年期间，镁压铸件在汽车上的使用量每年以17.7%的比例增长，而1994年的增长为33%(1984年为7 000 t,1994年为30 000 t)。据预测到2000年期间每年增长率仍将保持在12%～20%或更高［7，8］。由图4可以很清楚地观察到全球各地区汽车用镁铸件量的年度变化和对未来几年的预测，这种不断增长的势头说明了在未来一段时间镁铸件对汽车工业的发展将起着至关重要的作用。
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图4 全球镁铸件在汽车上的应用量和未来几年预测
Fig.4 The amount of magnesium alloy castings used in global automotive industry and the forecast for next several years
1 镁铸件在汽车上的应用现状
从本世纪20年代开始，镁制零件就在赛车上应用。1936年，德国大众汽车公司开始用压铸镁合金生产“甲壳虫”汽车的曲轴箱、传动箱壳体等发动机传动系统零件，到1946年，每车用镁合金18 kg左右。到1980年，大众公司共生产了1 900 万辆甲壳虫，用镁合金铸件38 万t，达到了批量生产使用镁合金的最高记录［1，4，5］。而北美汽车用镁合金铸件到80年代中期之前数量较小，当开发出高纯度镁合金后，才有实质性的增长。1992年，美国三大公司采用镁合金压铸分别为30个零件(福特)，45个零件(通用)，20个零件(克莱斯勒)［9］。到1993年，则差不多增加了1倍，三大公司有60多个不同镁铸件在生产中，而1983年则仅有5个零部件。并且1993年三大公司镁合金铸件用量占北美镁的总消耗量的70%，达14 282 t，福特消耗最多，为8 258 t，通用为3 436 t，克莱斯勒为2 588 t［10］。这些镁合金主要用来制造离合器壳体、转向柱架、制动器踏板支架、阀盖、阀板、仪表板支架、变速箱体、车窗马达壳体、油滤接头、发动机前盖、进气歧管、镜子外罩、辅件托架及照明灯夹持器等汽车零部件。而近年的汽车用镁铸件又有新的进步，除了整体式镁合金铸造座椅外，在1997年展出的梅塞德斯-奔驰的新车型 SLK上，燃料箱和行李箱之间的隔板也采用质量为3.19 kg的压铸镁合金件代替质量为6 kg的钢件。通用的EV1车型采用的整体铸镁转向盘等亦是镁合金铸件在汽车上的新应用［11］。福特着眼于2000年后中型车100 km油耗少于3 L的目标，而于1998年元月推出的轻质概念车P2000，所采用的铸镁车轮(每个质量3.1 kg,比钢板冲压件减少5 kg)，则将是镁铸件在未来汽车上的应用［12］。
汽车用镁合金铸件绝大部分是压铸件，对减少汽车质量、提高燃料经济性、保护环境、提高安全性和驾驶性、改善汽车性能，增强竞争能力效果显著。例如丰田汽车的方向盘加装安全汽囊后质量增加，采用AM60B镁合金压铸件后，质量比过去的钢制品、铝制品分别减少了45%和15%，并减少了转向系统的振动。奔驰公司用AM20和AM50压铸座椅架，质量比过去的冲压-焊接钢结构件大大减少，通用EV1型用镁制仪表板将20个冲压及塑料零件组合成一个压铸件，不但减少3.6 kg,而且增加了刚性，减少了装配工作量［13］。福特公司用AZ91D制锁套，比用锌减少质量75%，而福特公司的卡车离合器壳改用AZ91D镁合金压铸件不但无大气腐蚀问题，且耐海水腐蚀性也比铝合金壳体好，延长了使用寿命。
2 镁合金研究发展情况
用于汽车零部件的镁合金件一般是压铸件(只有做模型时才用重力铸镁件)，其合金有四个系列［2］：Mg-Al-Zn-Mn(AZ系列)，Mg-Al-Mn(AM系列)，Mg-Al-Si(AS系列)，Mg-Al-稀土(AE系列)。表1列出了最常用的压铸镁合金的组成成分和力学性能。
表1 常用压铸镁合金的合金成分和力学性能
Table 1 The compositions and mechanical properties
of some magnesium alloys for die casting
合金 合金成分wB/% σb σ0.2 δ E 疲劳强度 硬度 比屈服强度
Al Mn Zn Si RE MPa MPa % GPa MPa HB J.g-1
AZ91D 9.0 0.13 0.7 230 160 3 45.0 50～70 67 88
AM60B 6.0 0.13 255 135 6 43.5 50～70 62 75
AS41A 4.3 0.35 1.0 245 150 4 50～70 78 76
AE42 4.0 2.0 244 140 17 69 83
AZ系列具有均衡的力学性能、铸造性能和耐蚀性，其屈服强度最高，一般用于制造形状复杂的薄壁压铸件，典型型号是AZ19D(Mg-9Al-0.7Zn-0.2Mn),通过加入质量分数0.2%的Mn来提高防腐蚀性能，使其成为应用于室温条件下最基本的压铸镁合金，通常用于阀套、离合器支架、转向盘柱、凸轮盖、支架、离合器壳、手动变速箱壳体及其他零件。AM系列镁合金具有优良的韧性和塑性，用于经受冲击载荷，安全性较高的场合，典型型号是AM60B(Mg-6Al-0.2Mn),常用于座位架和设备仪表板。 AZ19D和AM60B构成了汽车上镁合金应用量的90%［2］。但他们通常只在不超过150 ℃的温度下使用，若是超过150 ℃应用，则必须使用1993年底新加入商业镁合金行列的AS系列。AS系列有较好的抗蠕变性能，常用于工作温度较高的发动机零件。AS41A(Mg- 4.3Al-1Si-0.35Mn)在175 ℃时的蠕变强度要高于AZ91D和AM60B，且有较好的伸长率、屈服强度和很高的抗拉强度。过去通常用作空冷型汽车发动机的曲轴箱和大众车部件(如风扇套和电机支架)，最近则被通用公司用于叶片定子和离合器活塞。AE系列有比AS系列更好的抗蠕变性能，AE42(Mg-4Al-2RE)应用于汽车动力系统上颇受好评。但由于稀土成本高，暂时无法大量推广应用。
3 镁合金的压铸技术
与铝合金相比，镁合金的密度、比热和凝固潜热较小，熔点较低，熔化和压铸时不与铁反应［13］,因此其熔化耗能少，凝固速度快，压射周期比同样的铝件可缩短50%，又因为镁合金不冲击钢模和工具，使压铸模寿命延长1～2倍，达20万次以上，并且还可使用低碳钢坩埚和工具［2］。
镁合金可用冷室或热室压铸机压铸成形。如德国Audi汽车的仪表盘是在装有自动浇注机构的锁模力为24 500 kN的冷室压铸机上压铸的；通用汽车公司汽车上的直角承梁是AM60B在锁模力为21 560 kN的冷室压铸机上压铸而成的。汽车座椅框架和汽车轮毂也用冷室压铸机生产，而汽车方向盘等零件一般用AM60B镁合金在热室压铸机上生产。热室压铸机的生产效率为同容量的冷室压铸机的2倍，通常用于生产薄壁压铸件。
然而和其他合金的压铸件一样，用传统压铸方法生产的镁合金压铸件也不能进行热处理强化和在较高温度下使用。为此，近20年新开发的三种压铸方法：真空铸造、充氧压铸、半固态金属流变或触变压铸等在消除镁铸件缺陷、提高其内在质量，扩大压铸件的应用范围方面有很大的贡献。
真空压铸能明显提高压铸件的力学性能和表面质量，目前在冷室压铸机上用真空压铸法生产出的AM60B镁合金汽车轮毂，在锁模力为2 940 kN的热室压铸机上生产出的AM60B镁合金汽车方向盘零件，合金伸长率由8%提高至16%。
充氧压铸又称无气孔压铸，是将氧气或其他活性气体置换型腔内的空气，与充型金属液反应生成金属氧化微粒弥散分布在压铸件内，从而消除压铸件内的气体，使压铸件可热处理强化。日本轻金属株式会社用充氧压铸法成批生产了AM60镁合金汽车轮毂与摩托车轮毂，与铝轮毂相比，质量减少15%。
半固态流变压铸具有充型平稳，无金属喷溅，金属液氧化损失少，节能，操作安全，减少铸件孔洞类缺陷等优点，固相率为40%～50%的AZ91D镁合金在冷室压铸机上的半固态流变压铸件消除了气孔缺陷，抗拉强度达140～200 MPa。美国Dow Chemical公司1991年推出的第二代半固态压铸机已生产出的AZ91D镁合金半固态压铸件有汽车传动器壳体盖、点火器壳体。此外，挤压铸造也能提高铸件质量，但一般用于镁基复合材料制品的生产。
4 腐蚀和表面处理
镁有极高的化学活性，当与不同类金属配合时易发生电解腐蚀和微电腐蚀，通过正确的零部件设计和表面强化方法，能使阳极腐蚀减到最小；通过控制铸造过程化学反应和微观组织，可减小微电腐蚀。而在自然环境中，如图3所示，高纯度压铸镁合金的抗腐蚀能力优于铝合金A380，远远高于低碳钢，因而在应用中只要控制压铸镁合金中的杂质水平和铁锰比，就可提高其抗腐蚀能力。
采用正确的零件设计和合适的化学成分，加强对微观组织的控制，镁合金压铸件就可以不用任何表面处理而直接应用于汽车上。然而车轮、轮毂、引擎组元等关键部件，进行表面处理是必要的。
镁合金压铸件进行表面处理分为三个步骤：机械表面清理和脱脂除渍或酸蚀刻；表面涂层；最终保护处理。其中含有Mg(OH)2和Cr(OH)3的Cr溶液能提高涂层质量和提供中性腐蚀保护，但含Cr的复合物有剧毒，应严格控制。
ITM(Institute of Magnesium Technology)研制了一种叫氢装载的变换涂层法，用这种方法，通过暴露电极使镁表面附上一富氢层，这种方法经济、无毒性，在盐雾中的防蚀能力比Cr-Mn处理好得多，其工业化的研究正在进行［2］。
对AZ91D合金注入N2+离子也能提高合金的抗蚀性，注入剂量为5×1016粒/cm2时的效果最好。
另外化学气相沉淀(CVD)和激光表面熔化能使表面生成玻璃结构，如AZ91D激光改良表面的腐蚀率为未经改良处理的1/3。
虽然表面处理技术较多，但离生产应用的要求还有较大差距。各种粗劣的表面处理也是镁合金压铸件在汽车上大量应用的一个技术障碍。
6 结 论
据预测到1999年，用于汽车的镁压铸件将有130多个，而美国三大汽车公司耗镁量将达10 万t，其中福特占将近一半［14］。而大众公司的用镁目标是到2000年每车用镁量达到令人咋舌的50 kg［15］。然而这并非天方夜谭，成本和技术方面的阻碍的克服将使汽车用镁量持续增长的趋势继续下去。
目前，成本方面的障碍是镁锭成本约高出铝锭20%多，每吨约多出几千美元，然而，按美国目前的质量减少1 kg多出的成本不高于2美元就可以应用的要求［16］来看，还是可以接受的。并且汽车工业竞争激烈，对价格相当敏感，对用新材料带来的好处有相当充分的认识。再加上生产率提高、潜在的新产品市场、对高等级废料的回收，可使镁锭成本降低，再通过不断提高的熔铸能力和生产效率，通过有限元分析，对镁铸件进行重新设计和改良替代设计，充分利用镁合金的性能(薄壁整体可铸性，高比强度和低机加工成本)，可使镁合金压铸件在不久的将来，与钢、铝在成本上有一定竞争力。
阻碍镁铸件不断扩大应用的技术障碍是缺少高温压铸合金、缺乏足够的设计数据、漫长的研制周期和粗糙的表面处理技术。然而，汽车制造商和各国政府必定会投入更多的技术力量和资金去攻克这些技术难关，使镁合金压铸件成为下个世纪初汽车上的主导材料。
作者单位：重庆大学
参考文献
[1] 汪之清.国外镁合金压铸技术的发展.铸造,1997(8):48～51
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[3] Dwain M. Developments in the Globe Mg Market. JOM,1995,47(7):26
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[5] 羊秋林，李尹熙.汽车用轻量化材料.北京：机械工业出版社,1991.
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[11] 钱 谋.新汽车，新材料.汽车之友,1997(4):24～26
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[13] 陈昌麟.轻合金.北京：国防工业出版社,1985.
[14] Albright D L, Ruden T. Magnesium Utiliztion in the North American Automotive Industry Light Metal Age,1994(4～5):26～28
[15] Al Demmler. Europe's automotive Components Business,1997(1):102～117
[16] Cole G S, Sherman A M. Lightweight Materials for Automotive Applications. Materials Characterization,1995,35(7):3～9
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李玉兰 刘 江 彭晓东
摘 要 介绍了镁合金构件的主要特性，综述了镁合金压铸件在全球汽车业中的应用现状及镁铸件用量增长情况，镁合金的发展状况和目前应用的镁合金压铸工艺及防腐蚀表面处理技术。同时对存在的问题和未来应用进行了探讨和预测。
关键词：镁合金 压铸件 汽车 压铸工艺 表面处理
Application of Magnesium Die Castings in Automotive Industry
Li Yulan Liu Jiang Peng Xiaodong
(Chongqing University)
ABSTRACT:The applications of magnesium die castings in global automotive industry and the development of magnesium alloys were reviewed. The major properties of magnesium alloy compenents, magnesium die casting processes and surface treatment for corrosion resistance were discussed. At the same time, the utlization of magnesium die castings for automovtive industry in the future was forecast.
Key Words:Magnesium Alloys, Die Castings, Automobile, Die Casting Process, Surface Finishing
0 前言
镁合金作为结构材料主要用于航空航天领域，80年代以来，镁合金开始在汽车、计算机、通讯设备上得到越来越多的应用，其中绝大部分是镁铸件［1］。北美从80年代中期开始在汽车上使用镁铸件，每年以16.6%的速度增长，其中增长最快的是压铸件，占70%～80%［2］。世界范围内的汽车用镁合金铸件也以较大比例增长，如欧洲，1994年比1993年增长了25%［3］。
镁的密度(1.74 g/cm3)小，约为铝的64%，锌的25%和钢的20%，这使它在汽车减少自重、提高燃料效率方面独具魅力。作为轻金属，镁合金的强度接近铝合金，其比强度明显高于铝合金和钢，其比刚度与铝合金及钢相当，而远远高于工程塑料(如图1、图2所示)［4］。
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图1 4种材料的相对比强度
Fig.1 The relative specific strength of four kinds of materials
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图2 4种材料的相对比刚度
Fig.2 The relative specific rigidity of four kinds of materials
耐蚀性差是镁合金扩大应用的一大障碍，采用SF6作为合金熔炼加保护气氛，消除溶剂夹杂，严格控制合金中的杂质元素，可显著改善镁合金纯度，大大提高耐蚀性。现有的高纯压铸镁合金在盐雾试验中的耐蚀性已超过压铸铝合金A380，比低碳钢好得多(如图3所示)［4］。
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图3 4种材料的相对腐蚀率
Fig.3 The relative specific corrosion of four finds of materials
另外，镁还有别的优点，如：好的吸湿能力、流动性、机械加工性能和电磁干扰屏蔽性能［5］。
镁的这些特性在汽车制造业中的应用符合人们对汽车工业
发展的要求：减轻车重、提高燃料经济性、降低排放、提高安全性和驾驶性［6］。由此，北美、欧洲、日本、韩国的汽车用镁铸件量大大增加。以美国为例，在1984～1994年期间，镁压铸件在汽车上的使用量每年以17.7%的比例增长，而1994年的增长为33%(1984年为7 000 t,1994年为30 000 t)。据预测到2000年期间每年增长率仍将保持在12%～20%或更高［7，8］。由图4可以很清楚地观察到全球各地区汽车用镁铸件量的年度变化和对未来几年的预测，这种不断增长的势头说明了在未来一段时间镁铸件对汽车工业的发展将起着至关重要的作用。
t121-1.gif (9470 bytes)
图4 全球镁铸件在汽车上的应用量和未来几年预测
Fig.4 The amount of magnesium alloy castings used in global automotive industry and the forecast for next several years
1 镁铸件在汽车上的应用现状
从本世纪20年代开始，镁制零件就在赛车上应用。1936年，德国大众汽车公司开始用压铸镁合金生产“甲壳虫”汽车的曲轴箱、传动箱壳体等发动机传动系统零件，到1946年，每车用镁合金18 kg左右。到1980年，大众公司共生产了1 900 万辆甲壳虫，用镁合金铸件38 万t，达到了批量生产使用镁合金的最高记录［1，4，5］。而北美汽车用镁合金铸件到80年代中期之前数量较小，当开发出高纯度镁合金后，才有实质性的增长。1992年，美国三大公司采用镁合金压铸分别为30个零件(福特)，45个零件(通用)，20个零件(克莱斯勒)［9］。到1993年，则差不多增加了1倍，三大公司有60多个不同镁铸件在生产中，而1983年则仅有5个零部件。并且1993年三大公司镁合金铸件用量占北美镁的总消耗量的70%，达14 282 t，福特消耗最多，为8 258 t，通用为3 436 t，克莱斯勒为2 588 t［10］。这些镁合金主要用来制造离合器壳体、转向柱架、制动器踏板支架、阀盖、阀板、仪表板支架、变速箱体、车窗马达壳体、油滤接头、发动机前盖、进气歧管、镜子外罩、辅件托架及照明灯夹持器等汽车零部件。而近年的汽车用镁铸件又有新的进步，除了整体式镁合金铸造座椅外，在1997年展出的梅塞德斯-奔驰的新车型 SLK上，燃料箱和行李箱之间的隔板也采用质量为3.19 kg的压铸镁合金件代替质量为6 kg的钢件。通用的EV1车型采用的整体铸镁转向盘等亦是镁合金铸件在汽车上的新应用［11］。福特着眼于2000年后中型车100 km油耗少于3 L的目标，而于1998年元月推出的轻质概念车P2000，所采用的铸镁车轮(每个质量3.1 kg,比钢板冲压件减少5 kg)，则将是镁铸件在未来汽车上的应用［12］。
汽车用镁合金铸件绝大部分是压铸件，对减少汽车质量、提高燃料经济性、保护环境、提高安全性和驾驶性、改善汽车性能，增强竞争能力效果显著。例如丰田汽车的方向盘加装安全汽囊后质量增加，采用AM60B镁合金压铸件后，质量比过去的钢制品、铝制品分别减少了45%和15%，并减少了转向系统的振动。奔驰公司用AM20和AM50压铸座椅架，质量比过去的冲压-焊接钢结构件大大减少，通用EV1型用镁制仪表板将20个冲压及塑料零件组合成一个压铸件，不但减少3.6 kg,而且增加了刚性，减少了装配工作量［13］。福特公司用AZ91D制锁套，比用锌减少质量75%，而福特公司的卡车离合器壳改用AZ91D镁合金压铸件不但无大气腐蚀问题，且耐海水腐蚀性也比铝合金壳体好，延长了使用寿命。
2 镁合金研究发展情况
用于汽车零部件的镁合金件一般是压铸件(只有做模型时才用重力铸镁件)，其合金有四个系列［2］：Mg-Al-Zn-Mn(AZ系列)，Mg-Al-Mn(AM系列)，Mg-Al-Si(AS系列)，Mg-Al-稀土(AE系列)。表1列出了最常用的压铸镁合金的组成成分和力学性能。
表1 常用压铸镁合金的合金成分和力学性能
Table 1 The compositions and mechanical properties
of some magnesium alloys for die casting
合金 合金成分wB/% σb σ0.2 δ E 疲劳强度 硬度 比屈服强度
Al Mn Zn Si RE MPa MPa % GPa MPa HB J.g-1
AZ91D 9.0 0.13 0.7 230 160 3 45.0 50～70 67 88
AM60B 6.0 0.13 255 135 6 43.5 50～70 62 75
AS41A 4.3 0.35 1.0 245 150 4 50～70 78 76
AE42 4.0 2.0 244 140 17 69 83
AZ系列具有均衡的力学性能、铸造性能和耐蚀性，其屈服强度最高，一般用于制造形状复杂的薄壁压铸件，典型型号是AZ19D(Mg-9Al-0.7Zn-0.2Mn),通过加入质量分数0.2%的Mn来提高防腐蚀性能，使其成为应用于室温条件下最基本的压铸镁合金，通常用于阀套、离合器支架、转向盘柱、凸轮盖、支架、离合器壳、手动变速箱壳体及其他零件。AM系列镁合金具有优良的韧性和塑性，用于经受冲击载荷，安全性较高的场合，典型型号是AM60B(Mg-6Al-0.2Mn),常用于座位架和设备仪表板。 AZ19D和AM60B构成了汽车上镁合金应用量的90%［2］。但他们通常只在不超过150 ℃的温度下使用，若是超过150 ℃应用，则必须使用1993年底新加入商业镁合金行列的AS系列。AS系列有较好的抗蠕变性能，常用于工作温度较高的发动机零件。AS41A(Mg- 4.3Al-1Si-0.35Mn)在175 ℃时的蠕变强度要高于AZ91D和AM60B，且有较好的伸长率、屈服强度和很高的抗拉强度。过去通常用作空冷型汽车发动机的曲轴箱和大众车部件(如风扇套和电机支架)，最近则被通用公司用于叶片定子和离合器活塞。AE系列有比AS系列更好的抗蠕变性能，AE42(Mg-4Al-2RE)应用于汽车动力系统上颇受好评。但由于稀土成本高，暂时无法大量推广应用。
3 镁合金的压铸技术
与铝合金相比，镁合金的密度、比热和凝固潜热较小，熔点较低，熔化和压铸时不与铁反应［13］,因此其熔化耗能少，凝固速度快，压射周期比同样的铝件可缩短50%，又因为镁合金不冲击钢模和工具，使压铸模寿命延长1～2倍，达20万次以上，并且还可使用低碳钢坩埚和工具［2］。
镁合金可用冷室或热室压铸机压铸成形。如德国Audi汽车的仪表盘是在装有自动浇注机构的锁模力为24 500 kN的冷室压铸机上压铸的；通用汽车公司汽车上的直角承梁是AM60B在锁模力为21 560 kN的冷室压铸机上压铸而成的。汽车座椅框架和汽车轮毂也用冷室压铸机生产，而汽车方向盘等零件一般用AM60B镁合金在热室压铸机上生产。热室压铸机的生产效率为同容量的冷室压铸机的2倍，通常用于生产薄壁压铸件。
然而和其他合金的压铸件一样，用传统压铸方法生产的镁合金压铸件也不能进行热处理强化和在较高温度下使用。为此，近20年新开发的三种压铸方法：真空铸造、充氧压铸、半固态金属流变或触变压铸等在消除镁铸件缺陷、提高其内在质量，扩大压铸件的应用范围方面有很大的贡献。
真空压铸能明显提高压铸件的力学性能和表面质量，目前在冷室压铸机上用真空压铸法生产出的AM60B镁合金汽车轮毂，在锁模力为2 940 kN的热室压铸机上生产出的AM60B镁合金汽车方向盘零件，合金伸长率由8%提高至16%。
充氧压铸又称无气孔压铸，是将氧气或其他活性气体置换型腔内的空气，与充型金属液反应生成金属氧化微粒弥散分布在压铸件内，从而消除压铸件内的气体，使压铸件可热处理强化。日本轻金属株式会社用充氧压铸法成批生产了AM60镁合金汽车轮毂与摩托车轮毂，与铝轮毂相比，质量减少15%。
半固态流变压铸具有充型平稳，无金属喷溅，金属液氧化损失少，节能，操作安全，减少铸件孔洞类缺陷等优点，固相率为40%～50%的AZ91D镁合金在冷室压铸机上的半固态流变压铸件消除了气孔缺陷，抗拉强度达140～200 MPa。美国Dow Chemical公司1991年推出的第二代半固态压铸机已生产出的AZ91D镁合金半固态压铸件有汽车传动器壳体盖、点火器壳体。此外，挤压铸造也能提高铸件质量，但一般用于镁基复合材料制品的生产。
4 腐蚀和表面处理
镁有极高的化学活性，当与不同类金属配合时易发生电解腐蚀和微电腐蚀，通过正确的零部件设计和表面强化方法，能使阳极腐蚀减到最小；通过控制铸造过程化学反应和微观组织，可减小微电腐蚀。而在自然环境中，如图3所示，高纯度压铸镁合金的抗腐蚀能力优于铝合金A380，远远高于低碳钢，因而在应用中只要控制压铸镁合金中的杂质水平和铁锰比，就可提高其抗腐蚀能力。
采用正确的零件设计和合适的化学成分，加强对微观组织的控制，镁合金压铸件就可以不用任何表面处理而直接应用于汽车上。然而车轮、轮毂、引擎组元等关键部件，进行表面处理是必要的。
镁合金压铸件进行表面处理分为三个步骤：机械表面清理和脱脂除渍或酸蚀刻；表面涂层；最终保护处理。其中含有Mg(OH)2和Cr(OH)3的Cr溶液能提高涂层质量和提供中性腐蚀保护，但含Cr的复合物有剧毒，应严格控制。
ITM(Institute of Magnesium Technology)研制了一种叫氢装载的变换涂层法，用这种方法，通过暴露电极使镁表面附上一富氢层，这种方法经济、无毒性，在盐雾中的防蚀能力比Cr-Mn处理好得多，其工业化的研究正在进行［2］。
对AZ91D合金注入N2+离子也能提高合金的抗蚀性，注入剂量为5×1016粒/cm2时的效果最好。
另外化学气相沉淀(CVD)和激光表面熔化能使表面生成玻璃结构，如AZ91D激光改良表面的腐蚀率为未经改良处理的1/3。
虽然表面处理技术较多，但离生产应用的要求还有较大差距。各种粗劣的表面处理也是镁合金压铸件在汽车上大量应用的一个技术障碍。
6 结 论
据预测到1999年，用于汽车的镁压铸件将有130多个，而美国三大汽车公司耗镁量将达10 万t，其中福特占将近一半［14］。而大众公司的用镁目标是到2000年每车用镁量达到令人咋舌的50 kg［15］。然而这并非天方夜谭，成本和技术方面的阻碍的克服将使汽车用镁量持续增长的趋势继续下去。
目前，成本方面的障碍是镁锭成本约高出铝锭20%多，每吨约多出几千美元，然而，按美国目前的质量减少1 kg多出的成本不高于2美元就可以应用的要求［16］来看，还是可以接受的。并且汽车工业竞争激烈，对价格相当敏感，对用新材料带来的好处有相当充分的认识。再加上生产率提高、潜在的新产品市场、对高等级废料的回收，可使镁锭成本降低，再通过不断提高的熔铸能力和生产效率，通过有限元分析，对镁铸件进行重新设计和改良替代设计，充分利用镁合金的性能(薄壁整体可铸性，高比强度和低机加工成本)，可使镁合金压铸件在不久的将来，与钢、铝在成本上有一定竞争力。
阻碍镁铸件不断扩大应用的技术障碍是缺少高温压铸合金、缺乏足够的设计数据、漫长的研制周期和粗糙的表面处理技术。然而，汽车制造商和各国政府必定会投入更多的技术力量和资金去攻克这些技术难关，使镁合金压铸件成为下个世纪初汽车上的主导材料。
作者单位：重庆大学
参考文献
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6063铝合金化学成分的选择 黎伯豪 言淑纯 6063铝合金广泛用于建筑铝门窗、幕墙的框架，为了保证门窗、幕墙具有高的抗风压性能、装配性能、耐蚀性能和装饰性能，对铝合金型材综合性能的要求远远高于工业型材标准。在国家标准GB/T3190中规定的6063铝合金成分范围内，对化学成分的取值不同，会得到不同的材质特性，当化学成分的范围很大时，其性能差异会在很大范围内波动，以致型材的综合性能会无法控制。因此，优选6063铝合金的化学成分成为生产优质铝合金建筑型材的最重要的一环。 1 合金元素的作用及其对性能的影响 6063铝合金是AL-Mg-Si系中具有中等强度的可热处理强化合金，Mg和Si是主要合金元素，优选化学成分的主要工作是确定Mg和Si的百分含量 (质量分数，下同)。 1．1 Mg的作用和影响 Mg和Si组成强化相Mg2Si，Mg的含量愈高，Mg2Si的数量就愈多，热处理强化效果就愈大，型材的抗拉强度就愈高，但变形抗力也随之增大，合金的塑性下降，加工性能变坏，耐蚀性变坏。 1．2 Si的作用和影响 Si的数量应使合金中所有的Mg都能以Mg2Si相的形式存在，以确保Mg的作用得到充分的发挥。随着Si含量增加，合金的晶粒变细，金属流动性增大，铸造性能变好，热处理强化效果增加，型材的抗拉强度提高而塑性降低，耐蚀性变坏。 2 Mg和Si含量的选择 2．1 Mg2Si量的确定 2．1．1 Mg2Si相在合金中的作用 Mg2Si在合金中能随着温度的变化而溶解或析出，并以不同的形态存在于合金中： (1)弥散相β’’固溶体中析出的Mg2Si相弥散质点，是一种不稳定相，会随温度的升高而长大。 (2)过渡相β’ 是β’’由长大而成的中间亚稳定相，也会随温度的升高而长大。 (3)沉淀相β是由β’ 相长大而成的稳定相，多聚集于晶界和枝晶界。能起强化作用Mg2Si相是当其处于β’’弥散相状态的时侯，将β相变成β’’相的过程就是强化过程，反之则是软化过程。 2．1．2 Mg2Si量的选择 6063铝合金的热处理强化效果是随着Mg2Si量的增加而增大。参见图1<1>。当Mg2Si的量在0．71%～1．03%范围内时，其抗拉强度随Mg2Si量的增加近似线性地提高，但变形抗力也跟着提高，加工变得困难。但Mg2Si量小于0．72%时，对于挤压系数偏小(小于或等于30) 的制品，抗拉强度值有达不到标准要求的危险。当Mg2Si量超过0.9%时，合金的塑性有降低趋势。 GB/T5237．1—2000标准中要求6063铝合金T5状态型材的σb≥160MPa，T6状态型材σb≥205MPa，实践证明．该合金的最高可达到260MPa。但大批量生产的影响因素很多，不可能确保都达到这么高。综合的考虑，型材既要强度高，能确保产品符合标准要求，又要使合金易于挤压，有利于提高生产效率。我们设计合金强度时，对于T5状态交货的型材，取200MPa为设计值。从图1可知，抗拉强度在200MPa左右时，Mg2Si 量大约为0．8%，而对于T6状态的型材，我们取抗拉强度设计值为230 MPa，此时Mg2Si量就提高到0．95%。 2．1．3 Mg含量的确定 Mg2Si的量一经确定，Mg含量可按下式计算： Mg%=（1.73×Mg2Si%）/2.73 2．1．4 Si含量的确定 Si的含量必须满足所有Mg都形成Mg2Si的要求。由于Mg2Si中Mg和Si的相对原子质量之比为Mg/Si=1．73 ，所以基本Si量为Si基=Mg/1．73<2>。但是实践证明，若按Si基进行配料时，生产出来的合金其抗拉强度往往偏低而不合格。显然是合金中Mg2Si数量不足所致。原因是合金中的Fe、Mn等杂质元素抢夺了Si，例如Fe可以与Si形成ALFeSi化合物。所以，合金中必须要有过剩的Si以补充Si的损失。合金中有过剩的Si还会对提高抗拉强度起补充作用。合金抗拉强度的提高是Mg2Si和过剩Si贡献之和。当合金中Fe含量偏高时，Si还能降低Fe的不利影响。但是由于Si会降低合金的塑性和耐蚀性，所以Si过应有合理的控制。我厂根据实际经验认为过剩Si量选择在0．09% ～0．13%范围内是比较好的。合金中Si含量应是：Si%=(Si基+Si过)% 3 合金元素控制范围的确定 3．1 Mg的控制范围 Mg是易燃金属，熔炼操作时会有烧损。在确定Mg的控制范围时要考虑烧损所带来的误差，但不能放得太宽，以免合金性能失控。我们根据经验和本厂配料、熔炼和化验水平，将Mg的波动范围控制在0．04%之内，T5型材取0．47%～0．50%，T6型材取0．57%～0．60%。 3．2 Si的控制范围当Mg的范围确定后，Si的控制范围可用Mg/Si比来确定。因为我厂控制Si过为0．09%～0．13%，所以Mg/Si应控制在1．18～1．32之间。图2示出了我厂6063铝合金T5和T6状态型材化学成分的选择范围。图中示出了过Si上限线和下限线。若要变更合金成分时，比如想将Mg2Si量增加到 0．95%，以便有利于生产T6型材时，可沿过Si上下限区间将Mg上移至0．6%左右的位置即可。此时Si约为0．46%，Si过为0．11%， Mg/Si为1．3。 4 结束语根据我厂的经验，在6063铝合金型材中Mg2Si量控制在0．75%～0．80%范围内，已完全能够满足力学性能的要求。在正常挤压系数(大于或等于 30)的情况下，型材的抗拉强度都处在200～240 MPa范围内。而这样控制合金，不仅材料塑性好，易于挤压，耐蚀性高和表面处理性能好，而且可节约合金元素。但是还应特别注意对杂质Fe进行严格控制。若 Fe含量过高，会使挤压力增大，挤压材表面质量变差，阳极氧化色差增大，颜色灰暗而无光泽，Fe还降低合金的塑性和耐蚀性。实践证明，将Fe含量控制在 0．15%～0．25%范围内是比较理想的。
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