Состояние исследований и перспективы литья магниевых сплавов под низким давлением

Введение
Магний — конструкционный металл с наименьшей плотностью. Он богат ресурсами и имеет такие преимущества, как высокая удельная прочность и удельная жесткость, хорошее гашение вибрации, сильная способность к электромагнитному экранированию, легкая резка и легкая переработка. Он широко используется в автомобильной, аэрокосмической, электронной продукции и военной продукции национальной обороны. Магний — это новый конструкционный металлический материал, разработанный на основе стали и алюминиевых сплавов. Его решетчатая структура отличается от структуры стали и алюминия. Его называют экологически чистым инженерным материалом 21 века. Магниевые сплавы широко применяются в технологии литья. Среди нескольких технологий подготовки материалов и компонентов из магниевых сплавов литье магниевых сплавов имеет самую длительную историю развития и наиболее зрелые технологии и оборудование. С непрерывным развитием высоких технологий растет спрос на высокопроизводительные магниевые сплавы, а также совершенствуется и модернизируется процесс литья. В настоящее время литье под высоким давлением является наиболее распространенным методом формовки для производства деталей из магниевых сплавов, однако литье под давлением подходит только для производства больших объемов тонкостенных деталей. Инвестиционные затраты на оборудование и формы высоки, и легко возникают дефекты литья, такие как захват воздуха, что влияет на качество готового продукта. Литье под низким давлением — это метод литья между литьем под высоким давлением и гравитационным литьем. Он имеет стабильное наполнение и больше подходит для формовки крупных и сложных отливок из магниевых сплавов. Отливки можно подвергать термообработке и упрочнению, а механические свойства дополнительно улучшаются. Магниевые сплавы для литья под низким давлением в последние годы показали хорошие перспективы применения и привлекают все больше внимания.
1 Характеристики и методы формования процесса литья под низким давлением
Литье под низким давлением относится к процессу литья, при котором расплавленный металл заполняется снизу вверх под действием низкого давления газа и затвердевает под давлением с образованием отливок. В процессе заполнения этого процесса текучесть жидкости магниевого сплава улучшается, и можно легко получать отливки с различной толщиной стенок и сложной структурой. В то же время во время процесса наполнения его давление можно контролировать, что позволяет эффективно уменьшить переворачивание и разбрызгивание магниевой жидкости во время наполнения, благодаря чему магниевая жидкость плавно заполняет форму, уменьшает образование дефектов литья, таких как окислительные включения и рыхлость, и, таким образом, получает высококачественные отливки. Общие методы литья под низким давлением включают наиболее часто используемые литье под низким давлением с использованием газового давления верхнего типа, вакуумное литье из пеноматериала под низким давлением и электромагнитное литье под низким давлением. Принцип широко используемой технологии литья под низким давлением с верхним типом газа показан на рисунке 1. Метод заключается в пропускании 0,02 ~ 0,06 МПа сжатого газа в герметичный тигель, так что расплавленный металл медленно заполняет полость снизу вверх. После завершения заполнения нагнетание давления прекращают и поддерживают до тех пор, пока отливка полностью не затвердеет, а затем давление сбрасывают, чтобы позволить остаточному расплавленному металлу стечь обратно в тигель, и, наконец, отливку извлекают из формы. В этом процессе значительно уменьшаются опрокидывание, удары и разбрызгивание расплавленного металла, что значительно снижает образование оксидного шлака; в то же время метод заполнения под давлением обеспечивает высокую текучесть жидкости сплава и плотность отливки, что подходит для производства крупных и сложных тонкостенных отливок. Стоит отметить, что благодаря простой системе разливки и стояка, разработанной в этом процессе, степень восстановления металла может достигать более 90%, что значительно экономит производственные затраты. Управление процессом литья под низким давлением оказывает большое влияние на производительность конечного литья. Если взять в качестве примера ступицу колеса из магниевого сплава, отлитую под низким давлением, то во время процесса литья порядок заполнения жидкостью из магниевого сплава обычно следующий: центр колеса-спица-обод-обод, где обод и обод представляют собой тонкостенные области вдали от литника, поэтому порядок затвердевания должен быть таким: обод-обод-спица-центр колеса, что представляет собой последовательное затвердевание. Если ступица колеса не достигает последовательного затвердевания в процессе затвердевания, вероятно возникновение дефектов затвердевания, таких как дефекты термического растрескивания на спицах и ободах, крупные зерна в центре колеса, усадочные полости и усадка на ободе и т. д. Поэтому, чтобы максимально избежать возникновения дефектов литья, необходимо регулировать температуру формы посредством местного охлаждения или регулировать процесс выдерживания давления для оптимизации процесс литья. Технология вакуумного литья из пенопласта под низким давлением — это новый процесс литья, который объединяет литье из пенопласта в вакууме и литье под низким давлением. Его принципиальная схема показана на рисунке 2. Этапы процесса: сначала поместите модель для литья по выплавляемым моделям в ящик с песком с нижней заливкой, добавьте формовочный песок, уплотните его и начните пылесосить; затем добавьте жидкий магний в разливочную печь и одновременно пропустите инертный газ в разливочную печь. Магниевая жидкость течет в ящик с песком под давлением, и вызванная ею высокая температура может газифицировать отливку из пеноматериала и, наконец, завершить заливку. Этот процесс требует меньших инвестиций в оборудование, чем процесс литья под давлением, отливки можно подвергать термообработке и упрочнению, а показатели затрат на литье улучшаются; отливки, полученные методом литья в песчаные формы, имеют более высокую точность и лучшее качество поверхности, улучшается производственный цикл, а конечные отливки имеют более высокие комплексные характеристики. Этот процесс требует низкой температуры разливки, небольшой потери температуры разливки и простой и эффективной системы разливки для отливок из сплавов с высоким пределом текучести. Его можно использовать для жидкостной формовки сложных компонентов из магниевого сплава и можно получать высокоточные отливки из магниевого сплава с низкой шероховатостью и высокими эксплуатационными характеристиками, что устраняет дефекты недостаточной заливки и холодного закрытия, которые легко возникают в отливках в традиционных процессах литья. Чжан Дафу и др. применил эту технологию для прецизионного жидкостного формования магниевого сплава AZ91D и успешно подготовил сложные отливки из магниевого сплава, такие как корпус двигателя и выхлопная труба, что эффективно исправило дефекты магниевого сплава, такие как недостаточная заливка и холодное закрытие, и значительно улучшило производительность отливок.
В традиционном процессе литья под низким давлением магниевого сплава в основном используется сжатый воздух для заполнения формы и поддержания давления для завершения производства отливок. Технология электромагнитного литья под низким давлением — это метод литья, в котором используется сила Лоренца, чтобы заставить расплавленный металл подняться и заполнить форму. Его принципиальная схема показана на рисунке 3. Он имеет высокую эффективность производства, непрерывную прецизионную формовку с практически нулевым остатком и обладает уникальными преимуществами в области литья магниевых сплавов под низким давлением. При этом процессе через жидкий металл пропускают электрический ток, а расплавленный металл будет направленно двигаться под действием силы Лоренца. Когда достигается более высокий ток и напряженность магнитного поля, создаваемая сила может соответствовать требованиям обычного литья под низким давлением. Расплавленный металл заполняется под контролем компьютера, чтобы уровень жидкости в различных секциях постоянно повышался. Жидкий металл заливают в форму, и после определенного времени затвердевания в ней создают давление и поддерживают его для окончательного получения высококачественной отливки. Исследования показали, что диски из алюминиевого сплава мотоциклов, изготовленные с помощью электромагнитных насосных устройств литья под низким давлением, имеют очевидные эксплуатационные преимущества по сравнению с дисками, изготовленными традиционным литьем под низким давлением. Однако по сравнению с алюминиевыми сплавами магниевые сплавы обладают низкой удельной теплоемкостью и низкой скрытой теплотой затвердевания, что приводит к быстрой скорости охлаждения жидкости магниевого сплава в полости формы. Поэтому необходимо корректировать параметры процесса, такие как быстрое заполнение и строгий контроль температуры формы.
Кроме того, У Гохуа и другие инновационно разработали новый процесс прецизионного литья под низким давлением крупных отливок из магниевого сплава, объединив технологию изготовления стержней с переносом покрытия, технологию герметизации тигля жидким металлом и технологию литья под низким давлением, обеспечивая высокую чистоту и высокую чистоту жидкости из магниевого сплава. Производимые отливки из магниевого сплава имеют плотную структуру, высокую точность размеров и хорошее качество поверхности, а также имеют возможность разрабатывать и производить небольшие партии отливок из магниевого сплава массой 100 кг.
2 Состояние развития технологии литья магниевых сплавов под низким давлением
Еще в начале 20-го века Великобритания предложила технологию литья под низким давлением и применила ее для производства магниевых сплавов, но она была ограничена тогдашними технологиями и оборудованием и не получила широкого распространения. После Второй мировой войны автомобильная промышленность начала быстро развиваться, а спрос на автомобильные колеса и другие детали продолжал расти. Такие детали также подходят для производства литья под низким давлением, и технология быстро развивалась, но оборудование и технологии находятся только в руках нескольких развитых стран. После середины 20 века страны начали вкладывать трудовые и материальные ресурсы для проведения углубленных исследований принципов и процессов технологии литья под низким давлением. В процессе глобализации и технологического развития оборудование для литья под низким давлением постоянно модернизируется, а диапазон его применения расширяется. В настоящее время он широко используется в аэрокосмической, автомобильной и различных машиностроительных отраслях.

В качестве примера возьмем диски из алюминиевого сплава, отлитые под низким давлением. В 1980-х годах ее рыночная доля составляла всего 4%, но к началу 21 века ее рыночная доля выросла до более чем 60%. В настоящее время литье под низким давлением стало важнейшим процессом производства дисков из алюминиевых сплавов. Чтобы еще больше ускорить процесс облегчения автомобилей, производители и исследователи в различных странах ускоряют исследования, разработки и производство колес из магниевого сплава для замены алюминиевых сплавов для достижения большего веса. Исследования в основном сосредоточены на новых материалах и новых процессах. Исследования показывают, что для получения такой же жесткости, как у колес из алюминиевого сплава, толщину стенки колес из магниевого сплава необходимо увеличить всего в 1,17 раза, чем у колес из алюминиевого сплава, а ее масса составляет всего 78% от массы алюминиевых колес, что имеет значительный эффект облегчения; Использование колес из магниевого сплава вместо колес из алюминиевого сплава на транспортных средствах на новых источниках энергии может увеличить срок службы автомобиля более чем на 8%, а также значительно улучшить характеристики ускорения и эффект снижения вибрации автомобиля. В настоящее время процессы литья, используемые для магниевых сплавов, включают гравитационное литье, литье под высоким давлением, экструзионное литье и литье под низким давлением. Среди них литье под низким давлением имеет уникальные преимущества при производстве деталей из магниевых сплавов благодаря своим характеристикам, таким как стабильное заполнение и последовательное затвердевание, и получило широкое внимание в промышленной сфере. Однако производство колес из магниевого сплава с помощью технологии литья под низким давлением все еще требует дальнейшего изучения и совершенствования, а технология еще не развита и не получила широкого продвижения и применения.

Начиная с 21 века, с развитием компьютерных технологий, технологии численного моделирования стали широко использоваться при разработке и оптимизации процессов литья под низким давлением. Используя программное обеспечение для численного моделирования процесса литья магниевых сплавов, можно заранее спрогнозировать расположение и причины таких дефектов, как поры, рыхлости и шлаковые включения в отливках, что сокращает цикл разработки технологического процесса изделия, уменьшает количество испытаний пресс-форм и снижает производственные затраты. Ли Цзинъи и др. использовали программное обеспечение для моделирования литья EasyCast и NovaCast для численного моделирования процесса литья под низким давлением отливок перегородок из магниевого сплава. Установлено, что процесс затвердевания перегородочных отливок не следовал принципу последовательного затвердевания и образовывались усадочные полости. Добавление холодного железа для улучшения процесса позволило эффективно усилить эффект компенсации усадки и устранить дефекты усадочных полостей. Чжан Хуа и др. проанализировали процесс литья дисков из магниевого сплава AZ91D на основе программного обеспечения для моделирования литья AnyCasting, точно определили места дефектов литья и выяснили причины дефектов, а затем оптимизировали процесс литья, сократив количество испытаний пресс-формы, тем самым значительно снизив затраты; Результаты численного моделирования также обеспечивают теоретическое руководство и основу для литья под низким давлением колес из магниевого сплава, а также способствуют разработке процесса и производственному процессу литья под низким давлением колес из магниевого сплава.

В последние годы быстрое развитие транспортных средств на новой энергии выдвинуло более высокие требования к облегчению веса в автомобильной промышленности. «Сделано в Китае 2025» предлагает общий план развития автомобилестроения. Облегчение стало одной из последних основных целей развития производителей автомобилей во всем мире. На рисунке 4 показано влияние магниевого сплава на снижение веса автомобильных деталей. На каждые 10% снижения веса чисто электромобилей запас хода может быть увеличен примерно на 6%. Вес аккумуляторной системы транспортного средства составляет более 20% транспортного средства, а стоимость составляет от 30% до 60% транспортного средства. В системе силовых аккумуляторов корпус батареи составляет от 2% до 30% общего веса системы и является основным конструктивным компонентом. Таким образом, с учетом обеспечения функциональной безопасности аккумуляторной системы и общей безопасности транспортного средства облегчение корпуса аккумуляторной батареи стало одной из основных целей усовершенствования аккумуляторной системы. В «Отчете об исследовании состояния рынка литья из алюминиево-магниевых сплавов» отмечается, что отливки из магниевых сплавов в настоящее время имеют три основных условия для замены отливок из алюминиевых сплавов в области легких автомобилей, а именно: плотность магниевого сплава составляет около 2/3 от плотности алюминиевого сплава, а его удельная прочность выше, чем у алюминиевого сплава и стали. Использование магниевого сплава для замены алюминиевого сплава позволяет добиться снижения веса на 25–35 %; соотношение цен на магний и алюминий возвращается к диапазону 1,3, и «замена алюминия магнием» экономически более эффективна; Магниевый сплав имеет преимущества в виброустойчивости, рассеивании тепла и прочности. В 2022 году внутреннее использование магниевого сплава для одного автомобиля составит всего от 3 до 5 кг по сравнению с использованием более 100 кг для отдельных автомобилей из алюминиевого сплава, и потенциал развития огромен. Полный комплект корпусов системы электропривода для модели Zhiji L7 — это первое массовое применение материалов из магниевого сплава в корпусах электроприводов новой энергии. Это также один из крупнейших компонентов из магниевого сплава, который в настоящее время используется в массовом производстве в автомобильной сфере в стране и за рубежом. Впоследствии SAIC также разработала ряд продуктов для сборки электроприводов новой энергии из магниевых сплавов и успешно произвела их серийно, что ускорило расширение новых сценариев применения магниевых сплавов, а также открыло блестящие перспективы применения магниевых сплавов в транспортных средствах на новых источниках энергии. По мере постепенного улучшения характеристик транспортных средств на новых источниках энергии требования к легкому весу и производительности таких компонентов, как корпуса электроприводов и аккумуляторные отсеки, также возросли, а спрос на компоненты из магниевого сплава, отлитые под низким давлением и термообрабатываемые и упрочненные, становится все более актуальным.
3 Материалы из магниевого сплава, литого под низким давлением
Чистый магний имеет низкую прочность, поэтому чистый магний обычно легируют для получения магниевых сплавов. Легирующие элементы непосредственно усиливают механические свойства сплава за счет дисперсионного твердения, мелкозернистого упрочнения и упрочнения твердого раствора. В таблице 1 кратко представлены наиболее распространенные легирующие элементы и их влияние на магниевые сплавы. Литейные магниевые сплавы в основном можно разделить на серии Mg Al, серии Mg-Zn и серии Mg-RE в зависимости от основных легирующих элементов. В настоящее время наиболее широко используемым магниевым сплавом, литым под низким давлением, является серия Mg-Al-Zn (AZ).
3.1 Серия Mg-Al
Серия Mg⁃Al — это самый ранний материал из магниевого сплава, а Al — наиболее благоприятный элемент для улучшения характеристик литья и механических свойств магниевых сплавов. Из бинарной фазовой диаграммы Mg-Al (как показано на рисунке 5) видно, что растворимость Al в твердой матрице α-Mg значительно меняется с температурой, а его предельная растворимость в твердом состоянии составляет 12,7% (массовая доля, 436 ℃), а растворимость в твердом состоянии при комнатной температуре составляет около 2% (массовая доля). С увеличением содержания Al в магниевом сплаве диапазон кристаллизации сплава сужается, текучесть сплава улучшается, снижается склонность к горячему растрескиванию, уменьшаются такие дефекты, как усадка, а также значительно улучшаются механические свойства. Когда количество добавления Al в сплав превышает 6% (массовая доля), его также можно подвергнуть термообработке и упрочнению. Добавление легирующих элементов, таких как Zn и Mn, на основе сплава Mg-Al (как показано в Таблице 2) может дополнительно улучшить характеристики литья, механические свойства, жаропрочные свойства и коррозионную стойкость магниевого сплава и широко используется в промышленном производстве.
Предельная растворимость Zn в твердом состоянии в сплаве Mg-Al-Zn (AZ) составляет 6 % (массовая доля). Zn в основном играет роль в упрочнении твердого раствора. После термообработки можно получить структуру твердого раствора для улучшения предела текучести и сопротивления ползучести сплава. Однако слишком высокая массовая доля Zn ухудшает коррозионную стойкость сплава. Поэтому количество добавляемого Zn в магниевый сплав обычно контролируется на уровне ниже 2% (массовая доля). Среди многих сплавов AZ наиболее широко применяется при литье под низким давлением AZ91D. Этот сплав обладает превосходной формуемостью и высокими механическими свойствами и может применяться в различных процессах формовки для изготовления сложных конструкционных деталей. Однако в этом ряду сплавов будет образовываться легкоплавкая хрупкая фаза β-Mg17Al12. С увеличением нагрузки сплава на фазе β-Mg17 Al12 и границе раздела фаз β-Mg17 Al12/α-Mg легко образуются микротрещины. Эти микротрещины постепенно соединяются, образуя основные трещины, пока сплав не сломается и не выйдет из строя, как показано на рисунке 6. Кроме того, фаза β-Mg17 Al12 легко размягчается и грубеет при высоких температурах, что приводит к низкой прочности при высоких температурах и плохим характеристикам ползучести при высоких температурах. Обогащение на границе зерен снизит сопротивление ползучести сплава, так что сплав можно будет использовать только в рабочих условиях ниже 125 ℃, что ограничивает разработку этой серии сплавов. В последние годы с целью улучшения комплексных свойств сплава многие исследователи пытались ввести в сплав АЗ91 микролегирующие элементы, среди которых наиболее существенное влияние на улучшение свойств сплава оказывает добавка редких редкоземельных элементов. Ван и др. исследовали влияние добавления различных количеств Gd на свойства литого сплава AZ91. Результаты показали, что добавление следовых количеств Gd может улучшить прочность и пластичность сплава AZ91, а зерна α-Mg и фазы Mg17 Al12 значительно измельчаются, поскольку в сплаве образуется дисперсная сферическая фаза Al8 Mn4 Gd, которая играет эффект упрочнения второй фазы; кроме того, эта фаза может служить точкой гетерогенного зародышеобразования для зерен α-Mg и фаз Mg17 Al12 и в то же время играть роль в измельчении зерен и микроструктуры.