半固态注射成形

7半固态注射成形

7.1概述

世界各国科研工作者在研究新的半固态金属成形工艺时，将塑料的注射成形原理，应用于半固态金属加工过程，形成半固态注射成形工艺。注射成形工艺将半固态金属浆料的制备、输送和成形过程融为一体，是一种一步成形生产最终产品的新工艺，它较好地解决半固态成形过程中金属浆料的保存输送、成形控制困难等难题，为半固态金属成形技术的应用开辟新的前景，因此有的学者将注射成形技术看作是镁合金结构件生产的最好方法。

半固态注射成形技术首先由美国的DOW Chemical Co.公司于1988年开发成功。1990年后，在密执安的Ann Arbor成立了独立的Thixomat Inc.，从事该项技术的商业性开发。第二代设备于1991年10月投入使用。而后英国的Z.Fan等人又发明了双螺旋注射成形机，扩大了注射成形设备的种类和应用范围，为半固态注射成形技术的应用开辟了更为广泛的前景。

7.2注射成形工艺路线及特点

7.2.1注射成形工艺路线

目前，镁合金在注射成形工艺中应用较多，其成形工艺过程可分为两种方式：一是直接把熔化的金属液而不是处理后的半固态浆液冷却至适宜的温度，并辅以一定的工艺条件压射进入型腔后成形；另一种工艺是将小块枝状晶合金送入螺旋推进系统，合金被加热推进、压射进入模具型腔后成形。后者是本章需要进行详细讨论的方法。

7.2.2注射成形设备及工艺过程[1-3]

图7-1则是注射成形机组的示意图。注射成形机组，除注射成形主机外，还包括：1-加料机；2-模具温控机；3-脱模剂稀释和传送装置；4-真空机；5-脱模剂喷雾机和产品取出机械手。

图7-1镁合金注射成形辅助设备示意图

(1)加料机：通常镁合金原料是装在圆筒内。加料机将园筒内的镁屑送到成形机的原料漏斗内，也可以将原料集中在一个地方，分别向各台成形机送原料；

(2)模具温控机：铝合金压铸成形时金属模具需用水冷却，而镁合金的凝固时间非常短，所以要在金属模具上加热以延长熔融镁合金的流动长度。可用油或电来加温和保持金属模具在200℃左右；

(3)脱模剂稀释和传送装置：金属成形时，金属模具与熔融金属会烧结在一起。所以每模成形前在模腔的表面上必须喷射雾状脱模剂。脱模剂原液用水稀释后(一般稀释60-100倍)由脱模剂喷雾器或使用手喷枪向模腔喷雾；

(4)真空机：根据产品不同，有时在注射成形的同时，要将模腔内空气抽出。抽真空能减少产品内的气孔，提高突出部和肋骨部的充填性；

(5)脱模剂喷雾机和产品取出机械手：装有多根脱模剂的喷雾嘴的喷雾器和夹住产品的流道的产品取出机械手组合一体的装置。有喷雾器和机械手两者分开的装置，也有两者合在一起的装置。

以注射成形AZ91D合金零件为例，采用注射成形工艺，消除了外部的熔融金属的处理及传输工序，粒状镁合金在室温下引入机器，由螺旋推进器送入加热区，并在加热区内同时受到机器剪切与加热，加热能量由感应加热线圈和电阻加热元件提供，不采用昂贵且对环境有毒的SF6，而用Ar作为保护性气体。当材料加热到580℃的液固两相区时，便成为

半固态浆料，将设定量的固相分数(为30%~50%)浆料送进入储存区时，然后进行注射循环。

图7-2为注射成形工艺工序示意图。注射成形时，首先在模具表面喷涂脱模剂，然后合型与注射头靠紧，施加锁模力后注射，保持一定的注射压力，待零件稍冷后脱模并复位，准备下一次注射成形操作。

a-喷分型剂b-合型与注射头合拢c-加锁模力及注射d-保压冷却e-脱模

图7-2注射成形工艺工序示意图

注射成形好的镁合金零部件还需要进一步处理，即：切边(切除流道和溢流槽)、喷砂研磨、打孔和攻丝、去除飞边、表面研磨、金属表面处理(脱脂，清洗，蚀刻、调整、化学处理和烘干等)、喷漆、印刷等工序，才能成为最终产品。

7.2.3注射成形工艺特点[3-6]

不同于流变、触变成形，注射成形将浆料制备与零件成形一次完成，工艺过程简单，在推进和压射过程中通过高的剪切速率和强度保证浆料组织中的晶粒球化均匀和细小，改善合金组织形态，从而保证制品较高的机械性能，表7-1中为注射成形与压铸成形零部件性能对比，可以看出，采用注射成形生产的镁合金零件，在机械性能和气孔率等方面，都

较压铸有了较大的提高。

表7-1半固态镁合金AZ91D压铸和射注零件性能比较[6]成形方法σS/Mpaσb/MPaδ/%气孔率/%气孔率/%压铸158209 3.3 3.2(棒坯) 3.4(变速箱壳体)

注射161210 3.9 1.7(棒坯) 1.4(变速箱壳体)

采用射注成形的镁合金零件，由于其工艺的特点，决定所生产零件有以下的优点：

(1)不需要熔炼炉和外部熔化金属输运的设备，消除镁合金熔化损耗，安全性高且劳动环境好。

(2)注射成形时，虽然流体的雷诺数(Reynolds>2300)较高，流体的流型依然是层流流动，因此降低疏松，改善制品的机械性能，零件可焊接和热处理。

(3)表面质量好，尺寸精确，可注射成形壁厚只有0.7-0.8mm的轻薄件；铸件收缩量小，其缩松率仅有1~1.7%之间，远低于传统的模铸。

(4)由于加工温度低，因此显著降低缩松，制品的圆角可大大减小，同时可以阻止裂纹和空洞的形成，低的收缩率降低翘曲发生的可能，降低尺寸公差，减少后续工序的加工。

(5)注射成形时，镁合金零件的加工是在封闭的环境中完成，因此可以使用价格更为低廉的氮气，以代替SF6，减少对环境的污染和对人身的损害。

相比于压铸，半固态注射成形技术的缺陷是：装备昂贵，维护较困难，机械与控制设备故障率较高，维修费用较高，原料价格和产品成本较高，原材料粒状或粉末状等不规则形状导致的氧化物夹杂；另外一个问题是成形零件相对较小，相对于冷室压铸可生产60kg铸件，注射成形的零件目前最大只有7.5kg。铸件生产周期较长，产量较低；由于此技术尚在专利保护期内(美国的Dow Chemical Co.所拥有)，专利支付费用也较高。

注射成形工艺过程的关键是对不同的合金，选择合适和精确控制的半固态加工温度和注射速度，同塑料的注塑成形相似，还应选择合适的螺旋搅拌、注射筒和止回阀等部件的材料，以适应较高的成形温度。表