鎂在實用金屬中密度最小，為1.738g／cm2，具有良好的電磁屏蔽性、阻尼性能和散熱性，鎂合金還有較高的比強度、比剛度、良好的切削加工性能。因此，鎂合金在電子產(chǎn)品、筆記本電腦和通信工具的可攜式殼體等方面應用快速增長，在汽車工業(yè)和航空工業(yè)也有廣泛的應用。
在壓力鑄造中，孔洞類缺陷是公認的主要缺陷之一，使鑄件力學性能下降，不宜進行熱處理，而且降低了壓鑄件的耐壓性和氣密性，限制了壓鑄件的使用?？茁始皻饪追植际窃u價壓鑄件質(zhì)量的重要指標，通常用壓鑄件整體密度來衡量其致密度,永忠的試驗結果顯示，壓鑄件的強度與鎂合金密度有著較好的對應關系。研究還發(fā)現(xiàn)，合金密度是影響鎂合金抗蠕變性能結構敏感性特征的重要因素。
因此，本研究中，以工業(yè)用壓鑄鎂合金AM50為研究對象，設計了階梯塊試樣和基本工藝參數(shù)，并對澆注溫度、模具溫度、鑄造壓力、低速速度、高速速度、高速位置、增壓時間、增壓位置和料柄厚度等工藝參數(shù)設計了不同的變化水平。研究了壓鑄工藝參數(shù)對鑄件密度的影響規(guī)律，得到了致密度較高的壓鑄件工藝參數(shù)。
1、試驗的設計與密度測定
1.1 試驗設計
壓鑄階梯塊試樣厚度分別為14mm、11mm、8mm、5mm、2mm。在650 t冷室壓鑄機(TOY0 BD-650一V4一N)上進行壓鑄試樣，壓鑄的基本工藝參數(shù)設計為澆注溫度680℃，鑄造壓力67MPa，模具溫度150℃，低速速度0.2m／s，高速速度2m／s，高速位置240mm，增壓時間40ms，增壓位置290mm，料餅厚度20mm。試驗固定其他基本參數(shù)，只改變其中一個參數(shù)，改變的參數(shù)設計4個水平；達到熱平衡狀態(tài)后，所有試驗連續(xù)進行，每個水平連續(xù)壓鑄7個鑄件，并取中間5個鑄件進行檢測。具體AM50壓鑄工藝條件視情況而定。
1.2 密度測定
階梯塊不同厚度的相同位置加工成形狀相同的試樣進行密度測定，密度測試方法采用阿基米德法，參照GB／T1423—1996進行，公式P=m/(m-m’)×Pt其中，m表示空氣中的質(zhì)量，m’表示在酒精中的質(zhì)量，Pt表示酒精在溫度t時的密度，P就是鎂合金的密度。試樣質(zhì)量用電子天平(JT5003)測量，精度1 mg，測量溫度15～20℃，采用高純度無水乙醇，密度取0.7893g／cm3。圖中的密度是相同條件下密度的平均值作為該條件下的密度。
2、試驗數(shù)據(jù)分析
2.1 溫度對密度的影響
金屬液澆注溫度和模具工作溫度是壓鑄過程的熱因素，控制和保持熱因素穩(wěn)定性，保證良好的充填條件是壓鑄過程的重要工藝條件。在壓力較高情況下，應盡量降低澆注溫度，最好是金屬呈粘稠的“粥狀”時壓鑄，溫度過低會降低金屬液的流動性。合理的澆注溫度不僅改善充型能力，防止缺陷產(chǎn)生，且可避免澆注過程的氧化燃燒。在650℃時，不同厚度階梯塊的密度均較高，680℃時，不同厚度階梯塊的密度均較低，因此，壓鑄AM50合金澆注溫度在650℃左右為好。如果充型較薄的鑄件，可以選擇700℃。模具溫度合理可以避免金屬液急冷，引起鑄件缺陷，降低型腔中的氣體密度，有利于型腔中氣體的排出，獲得表面光潔、輪廓清晰及組織致密的鑄件。階梯塊鑄件結構較簡單，但壁厚有較大的變化，最厚14 mm，最薄處只有2 mm,在模具溫度180℃時，14mm、11mm、8mm、5mm的階梯塊密度最高，模具溫度對最遠端2mm試樣(Stepl)的充型影響很明顯，模具溫度越高密度越大。模具溫度過低使金屬液冷卻速度過快，導致壓鑄件表面快速形成硬殼，不利于充型和補縮，易形成冷隔；模具溫度過高，金屬液具有高的熱量，融入相當多的氣體導致密度下降。澆注溫度與模具溫度是壓鑄工藝中兩個相關的因素，對于不同壓鑄件應有合理的配合。
2.2 充填速度對密度的影響
充填速度包括充填壓室的低速速度、充填型腔的高速速度和高速位置。低速速度是金屬液充填壓室和流道時的速度，是壓鑄時間最長的階段，低速速度要防止壓室卷氣，又要防止溫度下降過多。低速充填時，金屬液形成波浪向前推進，速度低的時候，金屬液形成的波浪很小，使液面平穩(wěn)上升充填壓室，因而壓室卷氣較少，密度較大。0.1m／s的速度時，不同厚度階梯塊的密度相對較高，但是在較小的壓射速度下，不僅會出現(xiàn)壓室內(nèi)金屬液溫度下降過快的問題，難以保證充填階段良好的流體性能，而且由于充填時間長，可能會由于金屬液慢速下形成的波形提前到達澆道口而形成一定的封閉區(qū)域，導致卷氣。0.2m/s時階梯塊的密度相對較低，主要因為金屬液向前推進，形成的波浪達到壓室另一端后返回，和前進的波浪疊加，封閉了壓室，使壓室中氣體被卷入金屬液，這時，就會卷入更多的氣體，從而導致密度下降。0.40m/s階梯塊的密度相對較高，這時金屬液掀起的波浪推進速度較快，掀起的波浪超過前進的波浪，壓室中氣體卷入較少。
研究表明，充型過程中隨著高速速度的增加，充型時獲得的充填壓力開始大幅度提高，隨后增加緩慢。從圖3b可以看出，0.7m/s的高速速度時，各厚度階梯塊的密度均高，這主要是由于階梯塊試樣結構簡單，壁厚較大，金屬在型腔中充填較慢，排氣通暢，鑄件具有較高的密度。3.0m/s的高速速度時，階梯塊密度較高，隨著高速速度增加，鑄件內(nèi)的充填壓力和增壓壓力均開始大幅度提高，壓力增加使得金屬氣孔、縮孑L等缺陷減少，密度增加。4.0m／s的高速速度時，密度明顯下降，由于過高的高速導致金屬液流到空氣前面，堵塞排氣通道，空氣被裹在型腔內(nèi)。
高速位置是指沖頭開始位置到開始施加高速速度位置的距離，應該使金屬液充滿壓室和流道時沖頭的位置。過早，會導致金屬在流道內(nèi)卷入較多氣體，密度下降；過晚，會使金屬液低速充填型腔，鑄件溫度下降，同時也使得高速速度開始較晚，前沿金屬液的動能較低，造成鑄件內(nèi)遠離澆口部位的充填壓力增加不明顯，增壓壓力有所降低，缺陷增加，密度降低。高速位置明顯在230mm時，鑄件的密度最高，200mm、210mm時，這時金屬液沒有充滿流道，高速引起較多的卷氣，氣孔率增加，密度很低。
2.3 壓力對密度的影響
與壓力相關的工藝因素主要包括鑄造壓力(即增壓壓力)、增壓時間、增壓位置和料柄厚度。 高壓是壓鑄區(qū)別于其他鑄造的顯著特點，鑄造壓力反映了金屬液凝固結晶過程中作用于金屬液上的補縮壓力以及壓縮氣體空隙的壓力，補縮與壓縮空隙的壓力必須傳遞到正在凝固的金屬，可使空隙尺寸減小，增加致密性，提高壓鑄件密度。圖4a中可看出，24mpa、35MPa時，密度明顯較低，隨壓力增大，不同厚度階梯塊密度明顯增加，在67MPa、55MPa、44MPa時的密度較高，44MPa；之后密度變化較小。
增壓時間是沖頭將增壓壓力經(jīng)內(nèi)澆口施加在型腔中尚未完全凝固鑄件上的時間，增壓時間須小于內(nèi)澆口凝固時間，增壓時間越短，越有利于壓力傳遞。20 ms之后，隨增壓時間延長，鑄件密度降低，故應盡量縮短增壓時間。增壓位置會影響鑄件內(nèi)的充填壓力和增壓壓力，通過壓力變化作用在鑄件上，增壓位置在280 mm時，各階梯塊的密度均較大。料餅厚度是間接和充填壓力相關的因素，料餅厚度大，壓鑄時液相時間長，越有利于壓力傳遞，鑄件密度會增加。由圖4d看來，隨料柄厚度增大，鑄件密度增大，當料柄厚度達到30mm時，密度最大；料柄厚度繼續(xù)增加，密度基本保持不變。
增壓時間是沖頭將增壓壓力經(jīng)內(nèi)澆口施加在型腔中尚未完全凝固鑄件上的時間，增壓時間須小于內(nèi)澆口凝固時間，增壓時間越短，越有利于壓力傳遞。20 ms之后，隨增壓時間延長，鑄件密度降低，故應盡量縮短增壓時間。增壓位置會影響鑄件內(nèi)的充填壓力和增壓壓力，通過壓力變化作用在鑄件上，增壓位置在280 mm時，各階梯塊的密度均較大。料餅厚度是間接和充填壓力相關的因素，料餅厚度大，壓鑄時液相時間長，越有利于壓力傳遞，鑄件密度會增加。由圖4d看來，隨料柄厚度增大，鑄件密度增大，當料柄厚度達到30mm時，密度最大；料柄厚度繼續(xù)增加，密度基本保持不變。
3、結論
（1）階梯件密度高的工藝參數(shù)是澆注溫度650℃、模具溫度180℃、鑄造壓力44 MPa、低速速度0.25 m／s、高速速度3m／s、高速位置230mm、增壓時間20ms、增壓位置280mm、料柄厚度30mm。
（2）2mm階梯試塊，在澆注溫度700℃、模具溫度200℃、鑄造壓力44MPa、低速速度0.1m／s、高速速度1m／s、高速位置230mm、增壓時間20ms、增壓位置280mm、料柄厚度15mm時，可獲得較高密度的鑄件。
（3）5mm和8mm階梯塊在澆注溫度650℃、模具溫度180℃、鑄造壓力44MPa、低速速度0.25～0.4m／s、高速速度3.0m／s、高速位置230mm、增壓時間20ms、增壓位置280 mm、料柄厚度30mm(可考慮15mm)時，可以獲得較高密度的鑄件。
（4）11mm階梯試塊在澆注溫度650℃、模具溫度180℃、鑄造壓力44MPa、低速速度0.4m／s、高速速度3.0 m／s、高速位置230mm、增壓時間20ms(或60ms)、可以獲得較高密度的鑄件。
（5）14mm階梯試塊在澆注溫度650℃、模具溫度180℃、鑄造壓力44MPa、低速速度0.4 m／s、高速速度3.0m／s、高速位置230mm、增壓時間20ms、增壓位置280mm、料柄厚度30mm時，可獲得較高密度的鑄件。
