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镁合金半固态射出成型技术及其在笔电、汽车领域的应用

镁合金作为最轻的工程金属材料,除了轻质以外,还具备较高的比强度、比刚性、电磁屏蔽性能、震动吸收特性、尺寸稳定性、导热性和易于回收等优点,在航空航天、汽车、3C电子等领域有着广泛的应用前景。

图 联想Yoga Slim 7 Carbon采用碳纤与镁铝合金打造,重1.1kg,图源网络

除了上述诸多优点外,由于镁及绝大多数镁合金具有密排六方结构(HCP),对称性较低,室温滑移系少,室温塑性变形、压力加工成形能力差,因此目前镁合金结构件的成型工艺主要以压铸、半固态射出成型为主

压铸成型具有高产能、尺寸控制精密且可成型几何形状复杂的工件等优点,但是由于压铸成型速度高,金属溶液在填充型腔时易出现裹气、紊流现象,致使铸件容易产生细小的气孔和缩松,造成机械强度下降、无法热处理、气密性差等问题,且铸件壁越厚,这种缺陷越严重,因此压铸有肉厚限制,无法成型太薄的部件。且压铸过程中镁合金为熔融状态,活性大,具有一定危险性。

为了解决上述压铸成型存在的问题,1970年代初期美国麻省理工开始了金属半固态成型的研究。

一、镁合金半固态成型技术


金属半固态成型是利用金属合金在部分熔融或部分凝固的固液共存状态下所具有的特殊流变性质,进行加工的一种方法。有别于全液态铸造和全固态锻造制程,它可以排除铸造件孔洞过多及锻造品残留应力的缺陷,是结合了两种制程的优点开发出来的新制程。

半固态成型技术根据原理与设备的不同,可分为触变铸造(Thixocasting)、流变铸造(Rheocasting)、触变射出成型(Thixomolding)、流变射出成型(Rheomolding)等四种。目前商业化应用的主要是触变射出成型(Thixomolding)。

半固态触变注射成形技术源于美国Dow化学公司,由Thixomat公司将其商业化,后续技术转让给加拿大赫斯基和日本制钢所(JSW)。

下面分享一个JSW镁合金半固态射出设备加工视频 


1. 半固态触变射出成型(Thixomolding)原理

镁合金半固态注射成形设备与塑料注射成形机工艺原理相近。在室温条件下,将颗粒状的镁合金原料由料斗强制输送到料筒中,螺杆对材料进行输送,在料筒外部加热和螺杆的剪切作用下,料筒内的镁合金颗粒转变为半固态浆料,通过喷嘴高速射入模腔,再经注射进入型腔,冷却凝固脱模后形成制品。
       
图 触变成型机器的构造 图源JSW官网

2. 半固态触变射出成型(Thixomolding)的特征

1)颗粒状的镁合金粒子在料筒内加热,不需溶解炉,可以比较容易更换成型的镁合金种类。

2)由于射出的压力高、速度高,所以产品的表面质量优异,可实现薄肉产品的精密成型。

3)比压铸相比镁合金的熔汤温度低,提高了成型件的尺寸精度与机械性能,延长了模具的寿命。

4)成型不接触外部空气,提高了作业环境的安全与清洁。

5)因不使用溶解炉,收工停机时不必取出镁合金,大大改善了作业环境。

6)成型工程中不使用SF等保护气体(防燃气体),是一种环保的成型过程。

总的来说,镁合金触变注射成形技术适用于形状复杂、致密度高的零件生产,比压铸成形温度低,可延长模具寿命,降低生产能耗,提高产品精度,被称为“21世纪最有前途的材料成形加工方法”。

二、镁合金半固态成型技术的应用


近年来,随着环保等意识的提升,以及汽车节能减排、消费电子轻薄化的发展,使得轻质高强、可回收的轻金属材料应用成为趋势。因此,轻质高强的镁合金在汽车结构件、3C产品上的应用与日俱增。

汽车领域,从仪表盘到发动机内部件,到底盘结构件,镁合金件正向着大集成化方向发展。方向盘、转向架、轮毂等是应用镁合金较多的零件,可以在助力轻量化的同时提升车辆的使用性能。下面来看一些镁合金半固态成型技术在汽车领域的应用。
       图 镁合金半固态射出成型在汽车结构件上的应用  图源兴荣精密

而在3C领域,镁合金凭借其轻量化特性,同时具有金属质感及优异的散热性,电磁屏蔽性和耐冲击性,在3C产品轻薄化设计趋势下,成为理想选材。

在笔记本电脑领域,目前在轻量化要求下,轻薄笔电整机重量基本是1000g以下,结构件产品主肉厚都在0.5~0.6mm,传统压铸工艺已不能满足要求,因此笔电镁合金薄壁件加工主要采用半固态射出成型,及少量的冲压成型。
       

图 兴荣精密展出的镁合金半固态射出成型笔电壳体

注:本文信息整理自网络,图片来源于JSW官网及兴荣精密

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