镁模具铸造: 轻巧的金属解决方案

1. 介绍

镁模具铸造代表了轻质性能和高体积制造性的独特融合.

作为 最轻的结构金属, 镁在该部门提供了重大好处 减轻体重, 强度与重量比, 和热性能 很关键.

什么是铸造?

铸造 是一种金属形成的过程，将熔融金属以高速注入钢板，并向钢模, 生产具有高维度的近网状零件.

镁, 由于其低熔点 (〜650°C), 出色的铸造性, 和高流动性, 非常适合此过程.

为什么要镁?

• 密度: 〜1.78 g/cm³ (≈33％比铝轻, 75% 比钢轻)
• 高强度重量比
• 出色的振动阻尼和电磁屏蔽

2. 镁合金铸造

镁模具铸造合金专门设计用于提供轻质性能的组合, 可铸性, 机械强度, 和耐腐蚀性.

死亡铸件中最常用的镁合金属于AM, 这, 和AE系列, 伴随着用于高温或利基工业应用开发的其他专业合金.

镁铸造合金的分类

镁合金根据其主要合金元素进行分类. 命名约定通常反映 化学组成, 在哪里:

• 一个 =铝
• z =锌
• m =锰
• e =稀土 (例如。, 铈, 钇, 钕)
• s =硅
• k =锆

例如, AZ91D 主要由 铝 (9%) 和 锌 (1%), 与锰的痕量添加和其他元素进行谷物改进和稳定性.

常见的镁合金系列模具铸造

3. 镁铸造过程

镁模具铸造是一种精确的制造技术.

热室与. 冷室死亡铸造

镁合金模具铸造使用两种主要机器类型: 热室 和 冷室 系统.

每个都针对不同的合金特性量身定制, 组件尺寸, 和生产要求.

热室死亡铸造

热室机, 通常称为 鹅颈系统, 由于金属相对较低的熔点和钢的无反应性，是镁的最常见选择.

此方法特别有效 中小型组件, 通常称重 少于 2 公斤.

在此配置中, 这 熔炉被整合 进入注射单元.

熔融镁合金位于该锅中, 柱塞机制通过 鹅状频道 直接进入模腔.

熔融池和霉菌之间的短路径可最大程度地减少热损失，并保持一致的注射温度, 通常在周围 640–680°C - 镁流动性的理想.

周期时间 范围之间 10–30秒, 使热室铸造非常适合大量生产薄壁或几何复杂的零件，例如:

• 移动设备外壳
• 相机框架
• 小型电子设备

然而, 集成的熔融注入系统也有局限性.

具有较高熔点或更容易容易出现的合金 氧化和污染 (例如铝或富含稀土的成分) 是 不兼容 在此过程中.

熔融金属在空气中的连续暴露会增加氧化的风险, 随着时间的推移降低合金清洁度.

冷室死亡铸造

相比之下, 冷室机器 经过设计 更大，更复杂的部分, 经常称重 25 公斤或更多.

这种方法将熔炉与注入系统分开, 奉献 对合金质量和温度稳定性的更大控制.

在运行中, 熔融镁是 手动或机器人 从外部坩埚到射击袖.

然后，液压柱塞将金属迫使金属进入模具 高注射压力 - 在之间 50 和 150 MPA.

这种分离允许更好地处理对热循环和空气暴露敏感的合金.

冷室死亡铸造通常用于生产:

• 汽车 底盘组件
• 结构支架
• 传输外壳
• 大型的电子活动铸件

尽管由于额外的落后步骤和延长的固化周期，周期时间更长,

该过程更适合要求 更高的强度, 尺寸精度, 和 较厚的墙壁.

4. 镁模具铸造中的霉菌设计和工具

表演, 可靠性, 镁铸造的成本效率在很大程度上取决于霉菌 (死) 设计和工具策略.

精心设计的模具不仅可以确保尺寸的准确性和可重复性，而且还可以最大化工具寿命，并最大程度地减少铸造缺陷，例如孔隙度, 经线, 或不完整的填充.

材料和表面涂料

考虑到高注射压力 (到 150 MPA) 和快速的热循环 (从〜650°C熔融镁到〜200–250°C的死亡温度), 模具必须拥有:

• 高热疲劳阻力
• 出色的耐磨性
• 良好的韧性和可抛光性

常见的材料:

• H13工具钢: 镁合金铸造模具的行业标准; 具有高铬和钼含量的空气硬化钢.
• 高级H11或H21: 在复杂的几何形状中需要额外的热强度或韧性时选择.

表面处理:

延长寿命并减少焊接 (金属粘附), 采用表面处理:

• PVD/CVD涂料 (例如。, 锡, CRN): 提供低摩擦, 高硬度表面.
• 硝化: 增强表面硬度和耐磨性.
• 硼化: 用于容易侵蚀的关键区域.

关键的设计元素

• 冷却系统: 多通道电路最多将周期时间减少 25%.
• 门控和通风: 薄壁通风口 (0.05–0.1毫米) 最小化气体孔隙率.
• 预期寿命: 500,000–200万个周期, 取决于合金和维护.

5. 镁合金特性

镁合金提供了轻巧的独特组合, 良好的机械强度, 可铸性, 和热性能, 使它们非常适合结构和电子应用.

普通镁铸造合金的关键特性

6. 腐蚀行为和表面保护

镁因其轻巧和强度的比率而受到珍视, 它的腐蚀行为提出了重大的工程挑战, 尤其是在潮湿中, 盐水, 或化学侵略性环境.

镁的固有腐蚀趋势

镁具有高反应性的表面，并且在电流系列中较低, 使其在热力学上容易受到氧化和电化学攻击的影响.

与铝不同, 镁的天然氧化物层 (MGO) 是多孔的和不遵守的, 提供有限的保护.

关键腐蚀风险:

• 电腐蚀 与更多贵金属接触 (例如。, 钢, 铜)
• 点腐蚀 在含氯化物的环境中 (例如。, 路盐, 海水)
• 丝状和缝隙腐蚀 在涂料下或紧密的关节下
• 氢的进化, 会加剧微裂纹和孔隙率

合金的腐蚀性能

不同的镁合金具有不同水平的耐腐蚀性:

• AZ91D: 中等电阻; 适用于室内或轻度腐蚀性环境.
• AM60B: 由于其较低的铝含量，稍好一些.
• AE44 / QE22: 由于稀土元素而引起的增强耐腐蚀性, 即使在温度升高.

表面保护策略

由于镁的天然氧化物膜的局限性, 几乎总是需要铸造后的表面处理, 特别是在汽车中, 航天, 或海洋申请.

镀铬转化涂层 (CCC)

• 传统方法, 通常黄色或虹彩的颜色
• 提供适度的腐蚀保护
• 由于环境法规

阳极氧化 (magoxid, 道琼斯 17, ha)

• 产生较厚的氧化层，以增强耐腐蚀性
• 不如铝阳极氧化; 通常用作油漆的基础

微弧氧化 (毛) / 血浆电解氧化 (PEO)

• 高级陶瓷表面层
• 出色的热稳定性, 耐磨性
• 适用于高端申请 (例如。, 航天, 军队, 电动电池)

有机涂料 & 油漆系统

• 通过粉末涂料或电涂层涂上环氧树脂或聚酯涂料 (电子涂层)
• 必须通过适当的预处理使用 (例如。, 磷酸盐或锆转化率)
• 有效提供多年的汽车服务保护

镀镍

• 提供腐蚀和耐磨性
• 适用于需要尺寸稳定性的精确组件

8. 镁铸造的应用

汽车行业

镁在汽车行业广泛使用，以减轻车辆的重量并提高燃油效率和性能.

随着汽车制造商的追求更严格的排放目标和电动流动性的吸引力, 镁的相关性正在迅速扩展.

常见的汽车组件:

• 方向盘芯
• 仪表板横梁
• 传输外壳
• 座椅框架和躺椅机制
• 仪表板支撑
• 传输箱和变速箱盖
• 离合器外壳
• 电池外壳 (对于电动汽车)

航空航天和防御

在航空航天应用中, 对具有高强度和振动阻尼的轻质材料的需求使镁合金特别有价值.

它们的优势强度比和良好的可加工性在军事和商业航空中都是有益的.

航空航天组件:

• 旋翼的传输外壳
• 机身配件和访问面板
• 航空电子住房
• 内部支架和支撑
• 货舱和座舱外壳组件

电子和电信

镁模具铸件在电子行业被广泛采用, 电磁兼容性 (EMC) 和热管理至关重要.

镁既提供机械支撑和屏蔽电磁干扰 (EMI).

常见的电子零件:

• 笔记本电脑和平板电脑外壳
• 智能手机框架
• 相机的身体
• 电视和监视帧
• 硬盘驱动器 (HDD) 肠衣
• 投影仪外壳
• 服务器和电信设备覆盖

工业工具

用于手持或便携式工具, 镁的重量低和高疲劳强度具有显着的人体工程学优势.

该材料还可以增强重型环境中的减震和导热率.

工具应用程序:

• 动力钻外壳
• 圆形锯壳
• 影响扳手的身体
• 电池工具外壳
• 散热器和电动机框架

新兴市场和未来趋势

随着技术的发展, 镁正在在破坏性应用中找到新的角色，尤其是那些涉及轻量级机器人的角色, 自主系统, 和电动流动性.

新兴申请:

• 无人机和无人机机身
• 电子自行车帧和电池模块
• 自动驾驶汽车传感器外壳
• 医疗设备组件 (例如。, 假肢, 括号)
• 可持续运输 (电子示威者, 微型运动平台)

9. 镁铸造的优点和缺点

镁模具铸件在现代制造业中越来越喜欢其出色的体重与性能特征.

镁铸造的优势

最轻的结构金属

镁的密度 1.74 g/cm³, 大约 35% 比铝轻 和 75% 比钢轻,

使其非常适合减轻体重至关重要的应用 (例如。, 航天, 电动汽车, 手持工具).

出色的铸造性

镁合金表现出较高的流动特性, 实现铸造 薄壁, 复杂的, 和 高度详细的几何形状 孔隙度或收缩缺陷最小.

高强度重量比

许多镁合金 (例如。, AZ91D, AE44) 相对于其质量提供令人印象深刻的机械性能, 提供拉伸强度 200–280 MPA 范围.

卓越的可加工性

镁机器 更快，更少的工具磨损 比铝, 减少生产时间和工具维护. 它的芯片很容易破裂，将热量从切割区带走.

电磁屏蔽

镁提供有效 EMI/RFI屏蔽, 使其非常适合电子设备, 电信, 和汽车控制单元.

阻尼能力

该材料具有出色的振动阻尼特性, 帮助 降低噪音, 震惊, 和疲劳 在汽车和电动工具组件中.

回收

镁合金是 100% 可回收性能最小的性质降解, 支持循环制造和可持续性计划.

镁死亡铸造的缺点

腐蚀敏感性

镁是 高反应性 并且容易到 电力和点蚀腐蚀, 特别是在富含氯化物或潮湿的环境中. 表面保护 (例如。, 涂层, 阳极氧化) 通常是强制性的.

有限的高温强度

大多数商业镁合金在升高温度下柔软, 限制他们的使用 120–175°C. AE44和QE22等专业合金提供适度的改进.

高成本

镁的原材料成本通常为 30% 高于铝.

此外, 镁合金的加工需要专门的设备和由于金属的反应性而进行处理, 增加整体生产成本.

氧化和易燃性

如果无法正确处理，熔融镁可能会点燃. 这是必要的 严格的铸造协议, 保护气氛 (例如。, sf₆替代品), 和安全设备.

延性低于铝

尽管镁合金（如AM60B）提供了体面的伸长率, 大多数合金更脆 比铝, 这可能会限制撞车区或成立应用程序中的变形.

焊接限制

镁是 难以焊接, 特别是使用常规方法. 摩擦搅拌焊接和激光焊接提供替代方案，但增加了复杂性和成本.

10. 为什么镁铸造更具成本?

镁合金模具铸件的较高成本可以归因于几个因素.

首先, 镁的原材料成本高于铝等更常用的压铸金属.

镁生产需要更多能源密集型过程, 促成相对昂贵的价格.

第二, 镁合金更具反应性，需要在熔化期间进行专门处理和设备, 铸件, 和处理阶段.

这包括在熔化过程中使用保护气氛以防止氧化, 这增加了运营成本.

此外, 与其他一些可能需要较少广泛处理的金属相比.

11. 与其他压铸材料进行比较

镁死亡铸造通常与其他常见材料进行比较, 例如 铝 和 锌, 由于它们在精确组件中的广泛使用.

每种材料都提供独特的属性平衡, 成本, 和加工性.

关键比较参数

12. 结论

镁模具铸造已演变为 关键的制造技术 对于优先考虑的行业 轻巧的力量, 维度的准确性, 和高生产吞吐量.

当它带有材料, 工具, 和表面保护挑战, 它是 性能优势 - 尤其是运输和电子设备，以证明其使用是合理的.

作为全球转变 电气化, 可持续性, 和轻量级工程 加速, 镁模具铸造只会在现代设计和制造策略中变得更加重要.

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常见问题解答

镁很容易铸造?

由于其出色的流动性和低熔点，镁相对容易铸造 (〜650°C).

然而, 其高化学反应性需要受控的气氛和专用设备，以防止氧化并确保高质量的铸件.

镁是如何制造的?

镁模具通常由高强度工具钢（例如H13）制成, 对硬度和耐用性进行热处理.

它们通常包括精确的冷却通道和表面涂料 (像PVD或CVD) 在重复的铸造周期中抵抗热疲劳和磨损.

哪种金属最适合铸造?

最好的金属取决于应用: 镁提供最轻的重量和良好的强度; 铝平衡力量, 耐腐蚀性, 和成本; 锌详细分辨率和低熔化温度脱颖而出.

选择基于性能, 成本, 和设计要求.

为什么要使用镁代替铝?

当减轻重量至关重要时，镁优于铝，因为它大约 35% 打火机.

它还提供了卓越的可加工性和良好的维度稳定性, 使其非常适合汽车和航空航天部件，在该零件中最小化质量可提高燃油效率和性能.